KR20150097237A - 보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어 방법 - Google Patents

보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20150097237A
KR20150097237A KR1020140018504A KR20140018504A KR20150097237A KR 20150097237 A KR20150097237 A KR 20150097237A KR 1020140018504 A KR1020140018504 A KR 1020140018504A KR 20140018504 A KR20140018504 A KR 20140018504A KR 20150097237 A KR20150097237 A KR 20150097237A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
joint
spring holder
spring
wearer
center
Prior art date
Application number
KR1020140018504A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102253243B1 (ko
Inventor
심영보
권영도
노경식
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020140018504A priority Critical patent/KR102253243B1/ko
Priority to US14/599,767 priority patent/US9931265B2/en
Publication of KR20150097237A publication Critical patent/KR20150097237A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102253243B1 publication Critical patent/KR102253243B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/68—Operating or control means
    • A61F2/70—Operating or control means electrical
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/024—Knee
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/0244—Hip
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/01—Constructive details
    • A61H2201/0192—Specific means for adjusting dimensions
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/12—Driving means
    • A61H2201/1207—Driving means with electric or magnetic drive
    • A61H2201/1215—Rotary drive
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/12—Driving means
    • A61H2201/1238—Driving means with hydraulic or pneumatic drive
    • A61H2201/1246—Driving means with hydraulic or pneumatic drive by piston-cylinder systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16—Physical interface with patient
    • A61H2201/1602—Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/1628—Pelvis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16—Physical interface with patient
    • A61H2201/1602—Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/164—Feet or leg, e.g. pedal
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16—Physical interface with patient
    • A61H2201/1602—Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/165—Wearable interfaces
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5058—Sensors or detectors
    • A61H2201/5061—Force sensors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5058—Sensors or detectors
    • A61H2201/5069—Angle sensors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5058—Sensors or detectors
    • A61H2201/5084—Acceleration sensors

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Rehabilitation Therapy (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Pain & Pain Management (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Rehabilitation Tools (AREA)

Abstract

보행 보조장치는, 착용자의 적어도 하나의 관절에 대응되는 적어도 하나의 조인트; 상기 조인트를 연결하며, 상기 조인트의 회전에 대응하여 회전하는 적어도 하나의 링크; 상기 링크 또는 상기 조인트에 장착되어 상기 링크 또는 상기 조인트의 회전에 따라 길이가 변하는 스프링; 및 상기 착용자의 보행 시 중력에 의한 무게를 보상하도록, 상기 스프링의 길이 변화를 제어하는 프로세서; 를 포함하는 보행 보조장치를 포함할 수 있다.
이와 같은 보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어방법에 의하면, 스프링과 같은 기구적인 요소를 이용하므로 에너지를 절감할 수 있으며, 임의의 자세에 대해서도 균일한 성능의 무게 보상이 가능해진다.

Description

보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어 방법{A walk-assistive apparatus and a method for controlling the walk-assistive apparatus}
보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어방법에 관한 것이다.
보행 보조 장치는, 보행이 불편한 착용자를 보조하여 착용자가 용이하게 보행을 수행할 수 있도록 하는 기구이다. 사람은 유전적 결합과 같은 선천적 이유나, 나이, 질병이나 사고 등과 같은 후천적 이유로 보행이 불편해질 수 있는데, 보행 보조 장치는 이와 같은 보행의 불편을 해소하기 위해 개발되었다.
보행 보조 장치로는, 적어도 하나의 차륜과 지지대가 설치된 보행 보조 차나, 보행 시 필요한 힘을 인체의 근육에 인가하여 착용자의 보행을 보조하는 보행 보조 로봇 등이 있다.
보행 보조 로봇은 인체의 둔부, 대퇴부나 정강이부 등에 고정되고, 액츄에이터(actuator) 및 다양한 각종 기계적 수단에 의해 회전력과 같이, 근육 및 관절의 운동을 보조하는 힘을 인가하여 근육 및 관절의 운동을 보조한다. 보행 보조 로봇의 어시스트로 인해 착용자는 보다 용이하게 보행할 수 있다.
스프링을 이용하여 무게 보상하는 보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어방법을 제공한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 다음과 같은 보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어 방법이 제공된다.
보행 보조장치는, 착용자의 적어도 하나의 관절에 대응되는 적어도 하나의 조인트; 상기 조인트를 연결하며, 상기 조인트의 회전에 대응하여 회전하는 적어도 하나의 링크; 상기 링크 또는 상기 조인트에 장착되어 상기 링크 또는 상기 조인트의 회전에 따라 길이가 변하는 스프링; 및 상기 착용자의 보행 시 중력에 의한 무게를 보상하도록, 상기 스프링의 길이 변화를 제어하는 프로세서; 를 포함할 수 있다.
상기 조인트는, 상기 착용자의 고관절에 및 슬관절에 각각 대응되는 제 1조인트 및 제 2조인트를 포함하고, 상기 링크는, 상기 제 1조인트와 제 2조인트를 연결하며, 상기 제 1조인트의 회전에 대응하여 회전하는 제 1링크를 포함할 수 있다.
상기 조인트는, 상기 제 2조인트 둘레에 마련되며, 상기 제 2조인트와 독립적으로 회전하는 제 4조인트를 포함할 수도 있다.
상기 제 4조인트에 고정되어, 상기 제 4조인트의 회전의 기준축을 형성하는 기준 바(bar); 를 더 포함하는 보행 보조장치도 가능하다.
보행 보조장치는, 상기 제 4조인트에 일단이 고정되고, 상기 제 1링크상에 이동가능하도록 마련된 스프링 홀더(spring holder)에 타단이 고정되는 스프링(spring); 을 더 포함할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 스프링 홀더의 이동을 제어할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 스프링 홀더의 이동 위치를 결정하고, 상기 결정된 위치로 스프링 홀더가 이동하도록 제어할 수도 있다.
상기 제 1조인트는, 상기 착용자의 보행 시, 상기 고관절의 움직임에 대응하여 상기 착용자의 앞, 뒤, 좌, 또는 우 방향으로 회전하는 보행 보조장치일 수있다.
상기 제 4조인트는, 중력 방향과 평행한 평면상에서, 상기 기준 바가 중력 방향과 평행 상태를 유지하도록 회전하는 보행 보조장치일 수도 있다.
보행 보조장치는, 상기 제 1조인트와 제 4조인트를 연결하는 적어도 하나의 스트링(string); 을 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 스트링은, 상기 제 4조인트의 회전 시 상기 평행 상태를 유지하도록, 상기 제 1조인트 및 상기 제 4조인트에 감겨져 있는 길이가 조절되는 보행 보조장치일 수 있다.
상기 스프링의 중단은, 상기 기준 바에 고정되는 보행 보조장치인 것도 가능하다.
상기 프로세서는, 하기의 [수학식 5]을 이용하여 상기 스프링 홀더의 이동 위치 P2를 결정하는 보행 보조 장치일 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00001
Figure pat00002

여기서, ζ는 중력 방향을 중심축으로 하여 제 1조인트가 착용자의 좌 또는 우로 회전한 각도, P1은 초기 ζ=0에서 제 2조인트의 중심으로부터 스프링 홀더까지의 위치, M은 보행 보조장치의 무게를 포함한 착용자의 무게, g는 중력 가속도, l은 제 1링크의 길이, K는 스프링 상수, u는 기준 바에 고정된 스프링의 위치와 제 2조인트 중심 사이의 거리를 각각 의미한다.
웜 기어를 더 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 웜 기어(worm gear)를 구동시켜 상기 스프링 홀더의 이동을 제어하는 보행 보조장치일 수도 있다.
보행 보조장치는, 상기 웜 기어의 구동에 따라 회전하여 상기 스프링 홀더를 이동시키는 위치 조정자; 를 더 포함할 수 있다.
상기 스프링 홀더는, 슬롯(slot)을 포함하고, 상기 위치 조정자는, 상기 슬롯에 삽입되는 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 위치 조정자는, 상기 웜 기어의 구동에 따른 회전 시, 상기 돌출부가 상기 슬롯 내부를 이동하여 상기 스프링 홀더를 이동시킬 수 있다.
상기 프로세서는, 하기의 [수학식 6]을 이용하여 위치 조정자의 회전 각도 α를 결정하고, 상기 결정된 각도 α만큼 위치 조정자가 회전하도록 상기 웜 기어의 구동을 제어하는 보행 보조장치일 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00003

여기서, ζ는 중력 방향을 중심축으로 하여 제 1조인트가 착용자의 좌 또는 우로 회전한 각도, P2는 결정된 스프링 홀더의 이동 위치, P1은 초기 ζ=0에서 제 2조인트의 중심으로부터 스프링 홀더까지의 위치, C는 제 2조인트의 중심으로부터 위치 조정자의 회전 중심까지의 거리, R은 위치 조정자의 회전 중심으로부터 돌출부의 중심까지의 거리를 각각 의미한다.
보행 보조장치의 제어방법은, 착용자의 보행 시, 상기 착용자의 고관절의 움직임에 대응하여 제 1조인트가 상기 착용자의 앞, 뒤, 좌, 또는 우 방향으로 회전하는 단계; 상기 제 1조인트의 회전 각도를 측정하는 단계; 상기 측정된 각도에 기초하여, 상기 착용자의 슬관절에 대응되는 제 2조인트로부터 스프링 홀더의 이동 위치를 결정하는 단계; 및 상기 제 1조인트와 상기 제 2조인트를 연결하는 제 1링크상에서, 상기 결정된 위치에 대응되도록 상기 스프링 홀더를 이동시키는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 제 1조인트가 회전하는 단계는, 상기 제 2조인트 둘레에 마련되며, 상기 제 2조인트와 독립적으로 회전하는 제 4조인트를 상기 제 1조인트의 회전에 대응하여 회전시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 제 1조인트가 회전하는 단계는, 중력 방향과 평행한 평면상에서, 상기 제 4조인트에 고정된 기준 바(bar)가 중력 방향과 평행 상태를 유지하도록, 상기 제 4조인트가 회전하는 것을 포함할 수도 있다.
상기 제 1조인트가 회전하는 단계는, 상기 평형 상태를 유지하도록, 상기 제 1조인트와 제 4조인트를 연결하는 적어도 하나의 스트링(string)에서 상기 제 1조인트 및 상기 제 4조인트에 감겨져 있는 부분의 길이가 조절되는 것을 포함할 수 있다.
상기 스프링 홀더를 이동시키는 단계는, 상기 제 4조인트에 일단이 고정되고, 상기 스프링 홀더에 타단이 고정되는 스프링의 길이를 변화시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 스프링 홀더를 이동시키는 단계는, 상기 스프링의 중단이 상기 기준 바에 고정되어, 상기 기준 바에 고정된 스프링의 중단부터 상기 스프링 홀더에 고정된 상기 스프링의 타당까지의 길이를 변화시키는 것을 포함할 수도 있다.
스프링 홀더의 이동 위치를 결정하는 단계는, 하기의 [수학식 5]을 이용하여 상기 스프링 홀더의 이동 위치 P2를 결정하는 것을 포함하는 보행 보조장치의 제어방법일 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00004
Figure pat00005

여기서, ζ는 중력 방향을 중심축으로 하여 제 1조인트가 착용자의 좌 또는 우로 회전한 각도, P1은 초기 ζ=0에서 제 2조인트의 중심으로부터 스프링 홀더까지의 위치, M은 보행 보조장치의 무게를 포함한 착용자의 무게, g는 중력 가속도, l은 제 1링크의 길이, K는 스프링 상수, u는 기준 바에 고정된 스프링의 위치와 제 2조인트 중심 사이의 거리를 각각 의미한다.
상기 스프링 홀더를 이동시키는 단계는, 웜 기어(worm gear)를 구동시켜 상기 스프링 홀더의 이동을 제어하는 것을 포함할 수 있다.
상기 스프링 홀더를 이동시키는 단계는, 상기 웜 기어의 구동에 따라 위치 조정자가 회전하여 상기 스프링 홀더를 이동시키는 것을 포함할 수도 있다.
상기 스프링 홀더를 이동시키는 단계는, 상기 위치 조정자의 회전 시, 상기 위치 조정자에 마련된 돌출부가 상기 상기 스프링 홀더에 마련된 슬롯 내부를 이동하여 상기 스프링 홀더를 이동시키는 것을 포함할 수도 있다.
보행 보조장치의 제어방법은, 하기의 [수학식 6]을 이용하여 위치 조정자의 회전 각도 α를 결정하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00006

여기서, ζ는 중력 방향을 중심축으로 하여 제 1조인트가 착용자의 좌 또는 우로 회전한 각도, P2는 결정된 스프링 홀더의 이동 위치, P1은 초기 ζ=0에서 제 2조인트의 중심으로부터 스프링 홀더까지의 위치, C는 제 2조인트의 중심으로부터 위치 조정자의 회전 중심까지의 거리, R은 위치 조정자의 회전 중심으로부터 돌출부의 중심까지의 거리를 각각 의미한다.
상기 스프링 홀더를 이동시키는 단계는, 상기 결정된 각도 α만큼 위치 조정자가 회전하도록 상기 웜 기어의 구동을 제어하는 것을 포함할 수 있다.
이와 같은 보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어방법에 의하면, 스프링과 같은 기구적인 요소를 이용하므로 에너지를 절감할 수 있으며, 임의의 자세에 대해서도 균일한 성능의 무게 보상이 가능해진다.
도 1은 보행 보조장치의 일 실시예에 따른 정면도이다.
도 2는 보행보조장치의 일 실시예에 따른 측면도이다.
도 3은 보행보조장치의 일 실시예에 따른 제어 블럭도이다.
도 4 및 도 5는 보행 모델의 일 실시예로서 유한 상태 기계 모델(finite state machine model)를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 제 1 구동부 및 제 2구동부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 중력 방향과 평행한 평면 상에서 회전하는 경우, 위치 결정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8b는 중력 방향과 평행하지 않은 평면 상에서 회전하는 경우, 위치 결정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 내지 도 9b는 스프링 홀더의 이동을 위한 스프링 홀더의 및 스프링 홀더 주변의 구조를 예시한 도면이다.
도 10은 보행 보조장치의 제어방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어 방법을 후술된 실시예들에 따라 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 보행 보조장치의 일 실시예에 따른 정면도이고, 도 2는 보행 보조장치의 일 실시예에 따른 측면도이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바에 의하면, 보행 보조 장치(1)는 사람과 유사한 관절 체계의 외골격(外骨格) 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 보행 보조 장치(1)는 착용자의 하지(下肢)의 전부 또는 일부에 착용되어 착용자의 보행을 보조하는 보행 보조부(2)와 보행 보조부(2)를 제어하거나 각종 정보를 수집하는 본체부(10)를 포함할 수 있다.
먼저, 보행 보조부(2)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제1 구조부(20), 제2 구조부(30) 및 제3 구조부(40) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이하 보다 구체적일 설명을 위해 보행보조장치(1)가 제1 구조부(20) 내지 제3 구조부(40)를 모두 포함하는 경우에 대해 설명한다.
보행 보조부(2)는 단일의 제1 구조부(20), 단일의 제2 구조부(30) 및 단일의 제3 구조부(40)를 포함할 수 있다. 이 경우 착용자의 좌측 다리 및 우측 다리 중 어느 하나에 제1 구조부(20), 제2 구조부(30) 및 제3 구조부(40)가 착용될 수 있을 것이다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이 착용자의 좌측 다리 및 우측 다리 모두에 보행 보조부(2)가 착용될 수 있도록 보행 보조부(2)는 한 쌍의 제1 구조부(20, 20a), 한 쌍의 제2 구조부(30, 30a) 및 한 쌍의 제3 구조부(40, 40a)를 포함할 수도 있다. 보행 보조부(2)가 한 쌍의 제1 구조부(20), 한 쌍의 제2 구조부(30) 및 한 쌍의 제3 구조부(40)를 포함하는 경우, 각각의 구조부(20 내지 40)의 기능이나 동작은 실질적으로 동일하다. 보행 보조부(2)는 복수의 구조부(20 내지 40) 중 일부의 구조부는 하나만 구비하고, 다른 구조부는 쌍으로 구비하는 것도 가능하다. 예를 들어 보행보조부(2)는 한 쌍의 제1 구조부(20, 20a) 및 하나의 제2 구조부(30) 및 제3 구조부(40)를 포함하는 것도 가능한 것이다.
이하에서는 단일의 제1 구조부 내지 제3 구조부(20 내지 40)에 대해 설명하도록 하나, 해당 설명은 각 구조부의 다른 쌍에도 동일하게 적용될 수 있다.
제 1구조부(20)는 착용자의 보행시, 착용자의 대퇴부 및 고관절(股關節)의 움직임을 보조할 수 있다. 제 1 구조부(20)는 적어도 하나의 제 1조인트(21) 및 적어도 하나의 제 1링크(22)를 포함할 수 있다.
제 1조인트(21)는 사람의 고관절에 대응되는 부분으로, 제 2허리 지지부(14)와 제 1 링크(22)의 연결부위에 마련된다. 제 1조인트(21)는 후술될 조인트 구동부(도 3의 220)로부터 토크(torque)를 인가 받아 다양한 방향과 각도로 회전할 수 있다.
제 1조인트(21)의 회전을 위하여 적어도 1개의 자유도(Degree Of Freedom; DOF)를 가질 수 있다. 여기서, 자유도는 정기구학(Forward Kinematics) 또는 역기구학(Inverse Kinematics)에서의 자유도를 말하는 것으로, 어떤 물체의 위치를 나타내는데 필요한 독립된 변수의 수를 의미한다. 예를 들어, x축, y축, z축으로 이루어진 3차원 공간 상의 물체는 물체의 공간적인 위치(position)를 결정하기 위한 3개의 자유도(즉, 각 축에서의 위치)와, 물체의 공간적인 자세(orientation)를 결정하기 위한 3개의 자유도를 갖는다. 즉, 어떤 물체가 각 축을 따라 이동 가능하고, 각각의 축을 기준으로 회전 가능하다고 한다면, 이 물체는 6개의 자유도를 갖는 것으로 이해될 수 있다.
제 1링크(22)는 착용자의 대퇴부를 지지하는 역할을 한다. 제 1링크(22)는 필요에 따라 다양한 형상으로 구비될 수 있으며, 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 막대 형상을 가질 수도 있다. 제 1링크(22)는 길이가 조절 가능하도록 구비될 수 있다. 따라서 착용자는 보행 보조장치(1)을 착용하기 전이나 착용한 후에 자신의 대퇴부 길이에 맞게 제 1링크(22)의 길이를 조절할 수 있다.
제 1링크(22)의 일단은 제 1조인트(21)와 연결되어 제 1조인트(21)의 회전에 따라 함께 회전될 수 있다. 제 1링크(22)의 회전 범위는 착용자의 고관절 동작 범위 이내일 수 있다. 또한, 제 1링크(22)를 착용자의 대퇴부에 고정시기키 위한 제 1고정부(23)가 제 1링크(22)의 내측 또는 외측에 마련될 수 있다. 따라서, 제 1링크(22)가 회전하게 되면, 제 1고정부(23)에 의해 제 1링크(22)에 고정된 착용자의 대퇴부는 제 1링크(22)와 동일한 방향으로 회전할 수 있다.
예를 들어, 제 1조인트(21)가 착용자의 앞뒤 방향으로 회전함에 따라 제 1링크(22)가 제 1조인트(21)를 중심으로 x축과 y축이 이루는 평면(이하, x-y평면이라 칭함) 상에서 원호(圓弧)를 그리며 회전하게 된다. 그리고 제 1링크(22)의 회전 방향과 동일하게 착용자의 대퇴부도 제 1조인트(21)를 중심으로 x-y평면 위를 회전할 수 있게 된다. 다른 예로, 제 1조인트(21)가 착용자의 좌우 방향으로 회전함에 따라 제 1링크(22)가 제 1조인트(21)를 중심으로 y축과 z축이 이루는 평면(이하, y-z평면이라 칭함) 위를 원호(圓弧)를 그리며 회전하게 된다. 그리고 제 1링크(22)의 회전 방향과 동일하게 착용자의 대퇴부도 제 1조인트(21)를 중심으로 y-z평면 위를 회전할 수 있게 된다
다시 말해, 조인트 구동부(도 3의 220)로부터 인가 받은 토크(torque)에 의해 제 1조인트(21) 및 제 1링크(22)가 회전하게 되고, 이에 따라 착용자는 보행 중이거나 다리를 들어올리는 행동을 취하는 경우, 보행보조장치(1)로부터 제공되는 조력(assist power)에 의한 보조를 받을 수 있게 된다.
한편, 제1 고정부(23)는 금속 소재로 형성된 것일 수도 있고, 또는 고무 등과 같은 탄성재료로 형성된 것일 수도 있다. 제1 고정부(23)는 도 1에 도시된 바와 같이 체인(chain)형태로 구현될 수 있고, 탄성력을 구비한 밴드로 구현될 수도 있으며, 스트랩(strap)으로 구현될 수도 있다. 이외에, 제1 지지부(22)를 대퇴부 등에 고정시키기 위해 당업자가 고려할 수 있는 다양한 고정 수단은 제1 고정부(23)의 일례에 포함될 수 있다.
제 2구조부(30)는 착용자의 보행시, 착용자의 하퇴부 및 슬관절(膝關節)의 움직임을 보조할 수 있다. 제 2 구조부(30)는 적어도 하나의 제 2조인트(31) 및 적어도 하나의 제 2링크(32)를 포함할 수 있다.
제 2조인트(31)는 사람의 슬관절에 대응되는 부분으로, 제 1링크(22)와 제 2 링크(32)의 연결부위에 마련된다. 제 2조인트(31) 또한, 조인트 구동부(도 3의 220)로부터 토크(torque)를 인가 받아 다양한 방향과 각도로 회전할 수 있으며, 적어도 1개의 자유도(Degree Of Freedom; DOF)를 가질 수 있다.
제 2링크(32)는 착용자의 하퇴부를 지지하는 역할을 한다. 제 2링크(32)는 필요에 따라 다양한 형상으로 구비될 수 있으며, 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 링크(22)와 동일한 막대 형상을 가질 수 있다. 다만, 그 두께와 크기는 제 1 링크(22)와 달라질 수 있으며, 필요에 따라 다른 형상으로 구비되는 것도 가능하다. 그리고 제 2 링크(32)도 제 1 링크(22)와 마찬가지로 길이가 조절 가능하게 구비될 수 있다. 따라서 착용자는 보행 보조장치(1)을 착용하기 전이나 착용한 후에 자신의 하퇴부 길이에 맞게 제 1링크(22)의 길이를 조절할 수 있다.
제 2링크(32)의 일단은 제 2조인트(31)와 연결되어 제 2조인트(31)의 회전에 따라 함께 회전될 수 있으며, 제 2링크(32)를 착용자의 하퇴부에 고정시기키 위한 적어도 하나의 제 2고정부(33, 34)가 제 2링크(32)의 내측 또는 외측에 마련될 수 있다. 따라서, 제 2링크(32)가 회전하게 되면, 제 2고정부(33, 34)에 의해 제 2링크(32)에 고정된 착용자의 하퇴부는 제 2링크(32)와 동일한 방향으로 회전할 수 있다.
예를 들어, 제 2조인트(31)가 착용자의 앞뒤 방향으로 회전함에 따라 제 2링크(32)가 제 2조인트(31)를 중심으로 x-y평면 상에서 원호(圓弧)를 그리며 회전하게 된다. 그리고 제 2링크(32)의 회전 방향과 동일하게 착용자의 하퇴부도 제 2조인트(31)를 중심으로 x-y평면 위를 회전할 수 있게 된다. 다른 예로, 제 2조인트(31)가 착용자의 좌우 방향으로 회전함에 따라 제 2링크(32)가 제 2조인트(31)를 중심으로 y-z평면 위를 원호(圓弧)를 그리며 회전하게 된다. 그리고 제 2링크(32)의 회전 방향과 동일하게 착용자의 하퇴부도 제 2조인트(31)를 중심으로 y-z평면 위를 회전할 수 있게 된다
다시 말해, 조인트 구동부(도 3의 220)로부터 인가 받은 토크(torque)에 의해 제 2조인트(31) 및 제 2링크(32)가 회전하게 되고, 이와 같은 제 2구조부(30)의 구조는 착용자의 하퇴부나 슬관절의 움직임을 보조하게 된다. 이에 따라, 착용자는 보행 중이거나 다리를 들어올리는 행동을 취하는 경우, 보행보조장치(1)로부터 제공되는 조력(assist power)에 의한 보조를 받을 수 있게 되는 것이다.
한편, 제 2고정부(33, 34)의 구성, 구조 및 소재 등은 제 1고정부(23)와 동일할 수 있다.
제 3구조부(40)는 착용자의 보행시, 착용자의 발목의 동작을 보조할 수 있다. 제 3 구조부(40)는 적어도 하나의 제 3조인트(41) 및 발받침부(42)를 포함할 수 있다.
제 3조인트(41)는 사람의 발목 관절에 대응되는 부분으로, 제 2링크(32)와 발받침부(42)의 연결부위에 마련된다. 제 3조인트(41) 또한, 조인트 구동부(도 3의 220)로부터 토크(torque)를 인가 받아 다양한 방향과 각도로 회전할 수 있으며, 적어도 1개의 자유도(Degree Of Freedom; DOF)를 가질 수 있다.
발받침부(42)는 착용자의 발바닥을 지지할 수 있는 부분이며, 발받침부(42)는 제 3고정부(43)를 포함하여 발받침부(42)에 안착된 착용자의 발과 발받침부(42)를 서로 고정시킬 수 있다. 제3 고정부(43)의 구성, 구조 및 소재 등은 제1 고정부(23) 또는 제2 고정부(33, 34)와 동일할 수 있다.
본체부(10)는 보행 보조부(2)의 동작을 제어하거나 보행과 관련된 정보를 획득할 수 있다. 아울러 본체부(10)는 착용자의 상체를 지지하여 착용자가 안정적으로 보행 보조장치(1)을 착용하도록 보조할 수도 있다.
본체부(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(10a) 및 입력부(50) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
하우징(10a)은 중앙 처리 장치(CPU, central processing unit)나 그래픽 처리 장치(GPU, graphic processing unit) 등과 같은 다양한 처리 장치 및 각종 반도체 칩이 설치될 수 있는 인쇄 회로 기판 등이 내장되어 있을 수 있으며, 필요에 따라서 다양한 종류의 저장 장치 역시 내장되어 있을 수 있다.
이와 같은 하우징(10a)에는 보행 보조장치(1)의 주요 구성요소 예를 들어, 프로세서(120)가 구비되어 보행 보조부(2)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 그리고 생성된 제어 신호는 유선 또는 무선 통신을 통해 보행 보조부(2)에 전송될 수 있다.
하우징(10a)은 내장되는 각종 부품을 안전하게 보호하면서 또한 각종 부품을 안정적으로 고정시킬 수도 있다.
본체부(10)에는 보행 보조장치(1)의 작동을 위한 각종 정보를 입력하거나 각각의 장치들을 조작할 수 있는 입력부(50)가 구비되어 사용자 인터페이스(User Interface; UI)를 제공할 수 있다.
본체부(10)는 제 1허리 지지부(13) 및 제 2허리 지지부(14), 그리고 제1 허리 고정부(11) 및 제2 허리 고정부(12)를 더 포함할 수 있다.
제 1허리 지지부(13) 및 제 2허리 지지부(14)는 착용자의 허리를 지지하는 역할을 한다. 이를 위해 제 2허리 지지부(14)의 일단은 제 1조인트(21)에 연결되고, 타단은 제 1허리 지지부(13)에 연결되며, 제 1허리 지지부(13)는 허리 형태에 대응하여 만곡된 평면판 형상으로 디자인 될 수 있다.
제1 허리 고정부(11)는 착용자의 허리에 제 1허리 지지부(13)를 고정시킬 수 있으며, 제2 허리 고정부(12)는 착용자의 허리나 둔부에 하우징(10a)을 고정시킬 수 있다. 제1 허리 고정부(11) 및 제2 허리 고정부(12)는, 금속 소재로 형성될 수 있고, 고무 등과 같은 탄성재료로 형성될 수도 있다. 제1 허리 고정부(11) 및 제2 허리 고정부(12)는 체인, 탄성력을 구비한 밴드 또는 다양한 종류의 스트랩일 수 있으며, 이외에도 제 1허리 지지부(13)나 하우징(10a) 등을 허리나 둔부 등에 고정시킬 수 있도록 당업자가 고려할 수 있는 다양한 고정 수단을 포함할 수 있다.
도 3은 보행 보조장치의 일 실시예에 따른 제어 블록도이다.
보행 보조장치(1)는 적어도 하나의 감지부(200), 적어도 하나의 측정부(210), 적어도 하나의 조인트 구동부(220), 홀더 구동부(230), 전원(110), 프로세서(120)를 포함하여, 착용자의 보행 시, 혹은 다리를 들어올리거나 내리는 중에 착용자의 동작을 보조할 수 있다.
일 예로 도 3에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 감지부(200), 적어도 하나의 측정부(210), 적어도 하나의 조인트 구동부(220), 및 홀더 구동부(230)는 보행 보조부(2)에 포함되고, 전원(110), 프로세서(120)는 본체부(10)에 포함될 수 있다.
적어도 하나의 조인트 구동부(220)는 제 1조인트(21)를 구동시키기 위한 제 1조인트 구동부(220a), 제 2조인트(31)를 구동시키기 위한 제 2조인트 구동부(220b), 제 3조인트(41)를 구동시키기 위한 제 3조인트 구동부(220c)로 구분될 수 있다.
조인트 구동부(220)는 프로세서(120)의 제어 신호에 따라 다양한 크기의 토크를 발생시키고 각 조인트(21, 31, 41)에 인가하여, 각 조인트(21, 31, 41)가 다양한 방향과 각도로 회전할 수 있도록 한다.
조인트 구동부(220)는 본체부(10)의 전원(120) 등에서 공급되는 전기 에너지에 따라 토크를 발생시키는 모터로 구현될 수 있다. 이 때, 모터는 엔코더(encoder)를 구비한 모터일 수 있다. 그리고 조인트 구동부(220)는 본체부(10) 등에서 공급되는 전기 에너지 또는 유체의 압력, 일 예로 유압이나 공기압 등의 압력에 의해 동작하여 토크를 발생시키는 적어도 하나의 피스톤이나 실린더 장치로 구현될 수도 있다. 조인트 구동부(220)는 적어도 하나의 모터 및 적어도 하나의 피스톤이나 실린더 장치를 모두 포함하도록 구현되는 것도 가능하다.
적어도 하나의 감지부(200)는 제 1구조부(20)에 포함된 제 1감지부(200a), 제 2구조부(30)에 포함된 제 2감지부(200b), 제 3구조부(40)에 포함된 제 3감지부(200c)로 구분될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 측정부(210) 또한 제 1구조부(20)에 포함된 제 1측정부(210a), 제 2구조부(30)에 포함된 제 2측정부(210b), 제 3구조부(40)에 포함된 제 3측정부(210c)로 구분될 수 있다.
제 1감지부(200a)는 제 1조인트(21), 제1 링크(22) 및 착용자의 고관절의 동작 중 적어도 하나의 동작을 감지할 수 있다. 제 1감지부(200a)는 감지된 동작에 대응하여 전기적 신호를 생성함으로써 보행과 관련된 정보를 획득할 수 있다. 보행과 관련된 정보는 관절 각도, 제1 링크(22)의 기울기, 관절의 각속도 및 관절의 가속도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 감지부(200a)에서 획득한 정보는, 도 3에 도시된 바와 같이, 프로세서(120)로 전달될 수 있다.
제 1감지부(200a)는 예를 들어, 관절 각도 센서, 기울기 센서, 가속도 센서 및 관성 측정 장치(IMU, inertial measurement unit) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제 1감지부(200a)는 제 1조인트(21) 및 제 1링크(22) 중 적어도 하나에 설치되어 있을 수 있다. 실시예에 따라서 제 1조인트(21) 및 제1 링크(22) 모두에 제 1 감지부(200a)가 설치되어 있을 수도 있다. 또한 제1 감지부(200a) 중 일부는 제 1조인트(21)에 설치되고, 다른 일부는 제 1링크(22)에 설치되는 것도 가능하다. 예를 들어 관절 각도 센서는 제 1조인트(21)에 설치되고, 기울기 센서나 관성 측정 장치는 제 1링크(22)에 설치되는 것도 가능하다.
제 1측정부(210a)는 제1조인트(21)와 연결되어 제 1조인트(21)의 동작과 관련된 정보를 획득할 수 있다. 제 1조인트(21)의 동작과 관련된 정보는, 제 1조인트(21)의 회전 각도, 각속도 및 각가속도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제 1조인트 구동부(220a)가 엔코더를 구비한 모터인 경우, 제1 측정부(210a)는 엔코더값을 이용하여 관절 각도, 속도 및 가속도를 측정할 수 있다. 제1 측정부(210a)에서 측정된 파라미터는 도 3에 도시된 바와 같이 프로세서(120)로 전달될 수 있다.
제 2감지부(200b)는 제 2조인트(31), 제 2링크(32) 및 사용자의 슬관절의 동작 중 적어도 하나의 동작을 감지하여 전기적 신호로 변환하고, 전기적 신호를 도 3에 도시된 바와 같이 프로세서(120)로 전달할 수 있다. 제 2감지부(200b)는 관절 각도 센서, 기울기 센서, 가속도 센서 및 관성 측정 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제 2감지부는 제 2조인트(31) 및 제 2링크(32) 중 적어도 하나에 설치되어 있을 수 있다. 제 1감지부(200a)의 경우와 동일하게 실시예에 따라서 제 2감지부(200b) 중 일부는 제 2조인트(31)에 설치되고, 다른 일부는 제 2링크(32)에 설치될 수도 있다.
제 2측정부(210b)는 제 2조인트(31)의 동작과 관련된 정보를 획득할 수 있다, 제 2조인트(31)의 동작과 관련된 정보는 제 2조인트(31)의 회전 각도, 각속도 및 각가속도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제 2조인트 구동부(220b)가 엔코더를 구비한 모터인 경우, 제2 측정부(210b)는 엔코더값을 이용하여 관절 각도, 속도 및 가속도를 측정할 수 있다. 제 2측정부(210b)에서 측정된 파라미터는 도 3에 도시된 바와 같이 프로세서(120)로 전달될 수 있다.
제 3감지부(200c)는 제 3조인트(41), 발받침부(42) 및 사용자의 발목 관절의 동작 중 적어도 하나의 동작을 감지할 수 있다. 제 3감지부(200c)는 관절 각도 센서, 기울기 센서, 가속도 센서 및 관성 측정 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 한편 제 3감지부(200c)는 압력 센서를 포함할 수도 있다. 압력 센서는 발받침부(42)에 설치될 수 있으며, 사용자의 무게를 감지하여 사용자가 보행 보조장치(1)을 착용하였는지 여부나 또는 사용자가 일어섰는지 여부 등을 감지할 수 있다. 압력 센서는 사용자가 보행하는 경우 사용자의 발로 전달되는 지면 반력(GRF, ground reaction force)를 감지할 수 있는 지면 반력 센서일 수도 있다. 제 3 감지부(200c)의 감지에 따라 생성된 신호는 도 3에 도시된 바와 같이 프로세서(120)로 전달될 수 있다.
제 3측정부(210c)는 제 3조인트(41)의 동작과 관련된 정보를 측정하고, 측정한 정보를 프로세서(120)로 전달할 수 있다. 만약 제 3조인트 구동부(220c)가 엔코더를 구비한 모터인 경우, 제 3측정부(210c)는 엔코더값을 이용하여 관절 각도, 속도 및 가속도를 측정할 수 있다.
전원(110)은 하우징(10a) 내부의 각종 부품이나 보행 보조부(2)의 각 조인트(21, 31, 41) 등의 부품에 동력을 공급할 수 있다. 전원(110)은 하우징(10a)에 내장되어 있을 수도 있고, 하우징(10a) 외부에 별도로 마련되어 있을 수도 있다. 또한, 전원(110)은 일차 전지일 수도 있고, 이차 전지일 수도 있다. 전원(110)이 일차 전지일 경우, 수은 전지, 망간 전지, 알카라인 전지, 리튬 전지 등을 포함할 수 있다. 전원(46)이 이차 전지일 경우, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-NH) 전지, 납 축전지(Lead Acid), 리튬 이온(Li-ion) 전지, 리튬 폴리머 전지 등을 포함할 수 있다.
프로세서(120)는 감지부(200), 측정부(210) 등에서 전달되는 정보를 기초로 고관절, 슬관절 및 발목 관절이나 각 관절에 대응하는 조인트(21, 31, 41)의 동작 상태를 결정할 수 있다. 또한 프로세서(120)는, 관절이나 관절에 대응하는 조인트(21, 31, 41)의 동작 상태에 대한 결정에 기초로 보행 보조장치(1)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다.
프로세서(120)는 적어도 하나의 실리콘 칩에 산술 논리 연산기, 레지스터, 프로그램 카운터, 명령 디코더나 제어 회로 등이 설치되어 있는 처리 장치일 수 있다. 프로세서(120)는 하우징(10a)에 내장된 인쇄 회로 기판에 배치된 적어도 하나의 반도체 칩에 의해 구현될 수 있다.
프로세서(120)에 대한 구체적 설명을 위해 먼저 도 4 및 도 5를 참조하기로 한다. 도 4 및 도 5는 보행 모델의 일 실시예로서 유한 상태 기계 모델(finite state machine model)를 설명하기 위한 도면이다. 도 4에 도시된 바에 따르면 보행은 8개의 단계(s1 내지 s8)로 구분될 수 있다.
보행 제 1단계(s1)에서 우측 다리는 부하 반응 상태(LR, loading response state)이고, 좌측 다리는 스윙 전 상태(PSw, pre-swing state)에 해당한다. 보행 제 8단계(s8)에서 보행 제 1단계(s1)로 상태 변경(transition)이 일어나는 도중에는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 우측 발의 발뒤꿈치가 지면에 닿을 수 있다. 반면에 좌측 발은 발가락이 지면에 닿아 있고, 좌측 발의 발 뒤꿈치는 지면과 이격될 수 있다(s8-s1).
보행 제2 단계(s2)에서는 우측 다리는 미드 스탠스 상태(MSt, mid stance state)이고, 좌측 다리는 초기 스윙 상태(ISW, initial swing state)이다. 보행 제1 단계(s1)에서 제2 단계(s2)로 상태 변경이 일어나는 과정에는 우측 발은 발가락과 발뒤꿈치가 동시에 지면에 닿아 있고, 좌측 다리는 스윙(swing) 동작을 개시한다. 좌측 다리의 발뒤꿈치가 지면에서 먼저 이격되고, 발가락은 발뒤꿈치가 지면에서 이격된 후에 지면에서 이격될 수 있다(s1-s2).
보행 제3 단계(s3)에서는 우측 다리는 여전히 미드 스탠스 상태이고, 좌측 다리는 스윙 중 단계(MSw, mid swing state)이다. 보행 제2 단계(s2)에서 보행 제3 단계(s3)로 상태 변경이 일어나는 도중에는 우측 발의 발가락과 발뒤꿈치는 모두 지면에 닿아 있고, 좌측 다리는 스윙 동작을 지속해서 수행한다. 우측 발과 좌측 발은 서로 인접한 거리 위치할 수 있다(s2-s3).
보행 제4 단계(s4)는 우측 다리는 터미널 스탠스 상태(TSt, terminal stance state)이고, 좌측 다리는 최종 스윙 단계(TSw, terminal swing state)이다. 보행 제3 단계(s3)에서 보행 제4 단계(s4)로 상태 변경이 발생할 때, 우측 발의 발뒤꿈치가 지면에서 이격되기 시작한다. 반면에 우측 발의 발가락은 아직 지면에 닿아 있을 수 있다. 한편 좌측 발은 아직 지면에 닿지 않은 상태를 유지한다(s3-s4).
보행 제5 단계(s5)에서는, 보행 제1 단계(s1)과 반대로 좌측 다리는 부하 반응 상태이고, 우측 다리는 스윙 전 상태에 해당한다. 보행 제4 단계(s4)에서 보행 제5 단계(s5)로 상태 변경이 일어날 때는 좌측 발의 발뒤꿈치가 지면에 접촉한다. 한편 우측 발의 발가락은 지면에 닿아있고, 발뒤꿈치는 지면에서 이격되어 있을 수 있다(s4-s5).
보행 제6 단계(s6)에서는 좌측 다리는 미드 스탠스 상태이고, 좌측 다리는 초기 스윙 상태에 해당한다. 보행 제5 단계(s5)에서 보행 제6 단계(s6)로 상태 변경이 발생할 때, 좌측 발은 발가락과 발뒤꿈치가 동시에 지면에 접촉할 수 있다. 우측 다리는 우측 발의 발가락이 지면에서 이격되면서 스윙 동작을 개시할 수 있다(s5-s6).
보행 제7 단계(s7)에서는 좌측 다리는 여전히 미드 스탠스 상태이고, 우측 다리는 스윙 중 단계이다. 보행 제6 단계(s6)에서 보행 제7 단계(s7)로 상태 변경이 일어나는 경우에는 좌측 발의 발가락과 발뒤꿈치는 모두 지면에 닿아 있고, 우측 다리는 스윙 동작을 지속해서 수행한다(s6-s7).
보행 제8 단계(s8)에서는 좌측 다리는 터미널 스탠스 상태이고, 좌측 다리는 최종 스윙 단계에 해당한다. 보행 제7 단계(s7)에서 보행 제8 단계(s8)로의 상태 변경에서는 우측 발은 아직 지면에 닿지 않은 상태를 유지하고, 좌측 발의 발뒤꿈치는 지면에서 이격되기 시작한다(s7-s8).
상술한 제1 단계 내지 제8 단계(s1 내지 s8)는 보행이 수행되는 동안 계속 반복될 수 있다.
감지부(200)는 보행 중 보행 단계의 상태 변경(s8-s1 내지 s7-s8)이 발생할 때, 적어도 하나의 관절의 동작과 관련된 정보를 감지할 수 있다. 감지부(200)의 감지에 따라 생성된 신호는 프로세서(120)로 전달되거나, 또는 일시적 또는 비일시적으로 소정의 저장 장치에 저장된 후 프로세서(120)로 전달될 수 있다.
프로세서(120)는 감지부(200)에서 전달된 정보를 기초로 조인트 구동부(220)에 제어 신호를 출력한다. 구체적으로, 프로세서(120)는 감지부(200)에서 전달된 정보를 기초로 고관절, 슬관절 및 발목 관절의 동작 상태를 결정하고, 결정된 동작 상태를 보조하도록 조인트 구동부(220)에 제어 신호를 출력한다. 프로세서(120)의 제어 신호에 따라 조인트 구동부(220)에서 토크를 발생시키고, 각 조인트(21, 31, 41)는 대응되는 토크를 인가 받아 회전하게 된다. 이 때, 관절의 동작 상태의 결정 방법 및 조인트 구동부(220)에서 발생시킬 토크의 산출 방법 등은 당업계에 알려져 있는 임의의 방법에 따를 수 있다.
측정부(210)는 보행 중 보행 단계의 상태 변경(s8-s1 내지 s7-s8)이 발생할 때, 프로세서(120)의 제어에 따라 각 조인트가(21, 31, 41)가 회전하면, 각 조인트(21, 31, 41)의 동작과 관련된 정보를 측정할 수 있다. 측정부(210)에서 측정된 정보는 프로세서(120)로 전달되거나, 또는 일시적 또는 비일시적으로 소정의 저장 장치에 저장된 후 프로세서(120)로 전달될 수 있다. 특히, 제 1측정부(210a)로부터 측정된 제 1조인트(21)의 회전 각도가 프로세서(120)로 전달되게 된다.
프로세서(120)는 측정부(210)에서 전달된 정보를 기초로 홀더 구동부(220)에 제어신호를 출력한다. 더 정확하게 말하면, 착용자의 무게 및 링크의 무게를 보상하기 위하여, 프로세서(120)는 제 1측정부(210a)에서 전달된 회전 각도에 기초하여 홀더 구동부(220)에 제어 신호를 출력한다. 이에 대한 구체적 설명을 위해, 먼저 제 1구동부(20) 및 제 2구동부(30)의 구조를 더욱 구체적으로 살펴보기로 한다. 도 6은 제 1 구동부(20) 및 제 2구동부(30)의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 제 2조인트(31)의 둘레에는 제 4조인트(33)가 마련되어 있다. 제 4조인트(33)는 제 2조인트(31)의 회전에 구속되지 않고, 별도로 회전 가능하다. 제 4조인트(33)는 제 1조인트(21)와 제 1스트링(T1) 및 제 2스트링(T2)으로 연결되어 있으며, 제 1스트링(T1)과 제 2스트링(T2)에 의해 제어된다. 다시 말하면, 제 4조인트(33)는 제 2조인트(31)와는 독립적으로 회전 가능하나, 제 1 스트링(T1) 및 제 2스트링(T2)에 의해 제 4조인트(33)의 기준축이 제 1조인트(21)의 회전의 중심축인 제 2허리 지지부(14)와 x-y 평면상에서 항상 평행 상태를 유지하도록 제어된다.
구체적으로, 제 1조인트(21)의 회전에 따라 제 1조인트(21) 및 제 4조인트(33)에 감겨져 있는 제 1스트링(T1) 및 제 2스트링(T2)의 길이가 변하게 된다. 예를 들어, 제 1조인트(21)가 착용자의 앞 방향으로 회전하는 경우, 제 1조인트(21)에 감긴 제 1스트링(T1)의 길이는 길어지고 제 2스트링(T2)의 길이는 짧아지는 반면, 제 4조인트(33)에 감기는 제 1스트링(T1)의 길이는 짧아지고, 제 제 2스트링(T2)의 길이는 길어지게 된다. 이와 같이, 제 1조인트(21) 및 제 4조인트(33)에 감겨져 있는 제 1스트링(T1) 및 제 2스트링(T2)의 길이가 서로 상반되게 변하면서, 제 4조인트(33)의 기준축이 제 1조인트(21)의 회전의 중심축인 제 2허리 지지부(14)와 x-y 평면상에서 평행 상태를 유지하도록 제어될 수 있다. 즉, x-y 평면상에 투영된 제 4조인트(33)의 기준축이 지면과 수직 관계 즉, y축과 수직 관계를 이루도록 제어되는 것이다.
제 4조인트(33)에는 스프링(Spring)이 마련되어 있으며, 스플링의 일단은 제 4조인트(33)에 고정되도록 연결되어 있고, 스프링의 타단은 제 4조인트(33)의 기준축을 거쳐 제 1링크(22)에 이동 가능하도록 연결되어 있다. 예를 들어, 제 1링크(22)의 길이 방향으로 리니어 가이드(linear guide; 26)가 마련되고, 스프링 타단은 스프링 홀더(spring holder; 25)에 고정되며, 스프링 홀더(25)가 리니어 가이드(26) 통해 제 1링크(22) 위를 직선 운동하게 된다. 스프링 홀더(25)가 직선 운동 또는 이동함에 따라, 스프링의 길이가 늘어나거나 줄어들게 되고, 결국 스프링 상수에 의한 탄성력이 생기게 된다.
프로세서(120)는 스프링 홀더(25)의 이동을 위해 홀더 구동부(220)에 제어 신호를 출력할 수 있다.
먼저, 프로세서(120)는 제 1측정부(210a)에서 전달된 회전 각도에 기초하여, 스프링 홀더(25)의 이동 위치를 결정한다. 이하 도 7내지 도 8b를 참조하여 프로세서(120)에 의한 위치 결정을 설명하도록 한다.
도 7은 중력 방향과 평행한 평면 상에서 회전하는 경우, 위치 결정을 설명하기 위한 도면이다.
착용자가 발가락, 발바닥, 또는 발뒤꿈치를 드는 경우, 더 정확하게 말하면, 착용자가 다리를 착용자의 앞뒤로만 들어올리며 보행하는 경우, 제 1조인트(21)는 고관절의 움직임에 따라 중력 방향과 평행한 평면상에서 회전하게 된다. 도 7은 중력 방향과 평행한 평면을 x-y 평면으로 나타내고 있다.
제 1조인트(21)의 회전에 따라 제 1링크(22)가 제 1조인트(21)의 회전의 중심축인 제 2허리 지지부(14)와 x-y 평면상에서 θ의 각을 이룬다고 하면, 제 1링크(22)는 제 4조인트(33)의 기준축과도 x-y 평면상에서 θ의 각을 이루게 된다. 전술한 바 있듯이, 제 4조인트(33)의 기준축이 제 1조인트(21)의 회전의 중심축인 제 2허리 지지부(14)와 x-y 평면상에서 항상 평행 상태를 유지하기 때문이다. 이 때, θ를 수평방향으로의 회전 각도라 정의할 수 있다.
그리고 M을 보행 보조장치(1)의 무게를 포함한 착용자의 무게라고 할 때, θ의 각도를 유지하기 위해서 제 2조인트에 인가되어야 할 토크(T)는, 하기의 [수학식 1]과 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00007

여기서, M은 보행 보조장치의 무게를 포함한 착용자의 무게, g은 중력 가속도, l은 제 1링크의 길이, θ는 수평방향으로의 회전 각도를 각각 의미한다.
토크 T를 스프링에 의한 탄성력으로 대체하기 위해, 탄성력과 토크를 정적 평형 상태로 만들면, 하기의 [수학식 2]을 획득할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00008
Figure pat00009

여기서, K는 스프링 상수, Δs는 스프링이 제 4조인트의 기준축과 스프링 홀더에 연결된 길이, r은 스프링에 의한 제 2조인트에 대한 모멘트 암(moment arm), u는 제 4조인트의 기준축에서의 스프링의 위치와 제 2조인트 중심 사이의 거리, P1는 제 2조인트의 중심으로부터 스플링 홀더의 이동 위치를 각각 의미한다.
그리고 [수학식 2]을 정리하면, 하기의 [수학식 3]에 따라 스프링 홀더(25)의 위치 P1를 결정할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00010

정리하면, 제 1조인트(21) 및 제 1링크(22)가 중력 방향과 수평한 평면상에서 회전하는 경우에는, 수평방향으로의 회전 각도 θ와 상관없이, 스프링 홀더(25)의 이동 위치는 M(보행 보조장치의 무게를 포함한 착용자의 무게), g(중력 가속도), l(제 1링크의 길이), K(스프링 상수), 및 u(제 4조인트의 기준축에서의 스프링의 위치와 제 2조인트 중심 사이의 거리)로서 결정될 수 있다. 그리고 [수학식 3]과 같이 스프링 홀더(25)의 이동 위치를 결정하고, 결정된 위치로 스프링 홀더(25)을 이동시키면, θ의 각도를 유지하기 위해서 제 2조인트에 인가되어야 할 토크(T)는 필요 없어지게 된다.
즉, 스프링과 스프링 홀더(25)의 이동만으로 수평방향으로의 무게를 보상하여 회전 각도 θ를 유지할 수 있게 된다.
도 7을 통해 상술한 내용은 착용자가 다리를 착용자의 앞 또는 뒤로만 들어올리는 경우를 설명한 것이다. 하지만, 보행 중 착용자는 다리를 착용자의 앞뒤뿐만 아니라 좌우로도 들어올릴 수도 있으며, 이 경우 스프링 홀더(25)의 이동 위치를 결정하는 방법은 달라질 수 있다.
도 8a 내지 도 8b는 중력 방향과 평행하지 않은 평면 상에서 회전하는 경우, 위치 결정을 설명하기 위한 도면이다.
착용자가 다리를 착용자의 앞뒤로 들어올리는 것뿐만 아니라, 착용자의 바깥쪽으로 벌리면서 보행하는 경우, 제 1조인트(21)는 고관절의 움직임에 따라 중력 방향과 평행하지 않은 평면상을 회전하게 된다. 착용자가 다리를 착용자의 바깥쪽으로 벌리는 각도에 따라 중력 방향과 평행하지 않은 평면은 계속 변하게 되는데, 설명의 편의를 위해 도 8a내지 도 8b에서는 제 1 조인트(21)가 회전하는 평면을 x-y’ 평면으로 고정하기로 한다.
구체적으로, 착용자가 다리를 착용자의 바깥쪽으로 ζ의 각만큼 벌리면서 보행하는 경우, 착용자의 앞쪽 혹은 뒤쪽(x축)에서 바라본 제 1조인트(21)는 제 1조인트(21)의 회전의 중심축인 제 2허리 지지부(14)와 ζ의 각을 이루게 된다. 따라서, 착용자의 앞쪽 혹은 뒤쪽(x축)에서 바라본 제 1링크(22) 또한 도 8a에 도시된 바와 같이 제 2허리 지지부(14) 즉, y축과 y-z 평면상에서 ζ의 각을 이루게 된다. 바꾸어 말하면, 제 1 링크(22)는 x-y 평면을 y축을 기준으로 ζ만큼 회전한 평면, x축과 y’축이 이루는 평면(이하, x-y’ 평면이라 칭함)상에서 회전하게 된다. 이 때, ζ를 수직방향으로의 회전 각도라 정의할 수 있다.
따라서, x-y’ 평면과 수직한 방향에서 바라본 제 1링크(22)의 모습은 도 8b에 도시된 바와 같아진다. 도 8b의 도면은 도 7의 도면과 유사하다. 하지만, x-y’ 평면이 x-y평면을 y축을 기준으로 하여 ζ만큼 회전하여 형성된 것이므로, 도 8b에서는 질량 M에 대한 가속도가 g?cos(ζ)로 바뀌게 된다.
상술한 바와 대응되도록 [수학식 4]를 변경하면, 스프링 홀더(25)의 이동 위치 P2를 결정하기 위한 하기의 [수학식 5]를 획득할 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00011
Figure pat00012

여기서, P1은 초기 ζ=0에서 제 2조인트(31)의 중심으로부터 스프링 홀더(25)까지의 위치, M은 보행 보조장치의 무게를 포함한 착용자의 무게, g는 중력 가속도, l은 제 1링크의 길이, K는 스프링 상수, u는 제 4조인트의 기준축에서의 스프링의 위치와 제 2조인트 중심 사이의 거리를 각각 의미한다.
프로세서(120)는 제 1측정부(210a)에서 전달된 수직방향으로의 회전 각도 ζ에 기초하여, [수학식 5]에 따라 스프링 홀더(25)의 이동 위치 P2를 결정할 수 있다. 그리고 프로세서(120)는 결정된 위치로 스프링 홀더(25)를 이동시키도록 홀더 구동부(220)에 제어 신호를 출력할 수 있다.
이 때, 스프링 홀더(25)의 이동은 웜 기어(worm gear)에 의할 수 있으며, 이에 대한 구체적 설명은 도 9a 내지 도 9b를 참조하기로 한다. 도 9a 내지 도 9b는 스프링 홀더의 이동을 위한 스프링 홀더의 및 스프링 홀더 주변의 구조를 예시한 도면이다.
도 9a 내지 도 9b를 참조하면, 스프링 홀더(25)는 리니어 가이드(26) 상에서 직선 운동하며, 제 2조인트(31)의 중심으로부터 멀리 또는 가깝게 이동하게 된다. 스프링 홀더(25)는 리니어 가이드(26)의 수직 방향으로 관통된 슬롯(slot)을 포함하며, 스프링 홀더(27)의 주변에는 슬롯을 이용하여 스프링 홀더(25)의 이동 위치를 직접적으로 조정하는 위치 조정자(26) 및 위치 조정자(26)의 회전을 조정하는 윔 기어(28)가 마련된다.
구체적으로, 위치 조정자(26)는 부채꼴 형태를 이루는 제 1바디와, 톱니 바퀴 형태를 이루는 제 2바디로 구분될 수 있으며, 제 1바디와 제 2바디는 고정되도록 결합된다. 제 1바디에는 스프링 홀더(25)의 슬롯에 삽입될 수 있도록 돌출되어 있는 부분 즉, 돌출부가 마련되어 있고, 돌출부의 외부에는 슬롯에 삽입되어 슬롯 내를 부드럽게 이동할 수 있도록 비어링(bearing) 또느 마찰 저감재가 장착되어 있을 수 있다. 톱니 바퀴 형태의 제 2바디는 윔 기어(28)의 틈새에 맞물려 있어, 웜 기어(28)가 회전함에 따라 좌우로 회전 가능하다.
웜 기어(28)가 회전함에 따라 제 2바디가 회전하여, 도 9a에 도시된 바와 같이 제 1바디에 마련된 돌출부가 스프링 홀더(25)의 슬롯 중앙에 위치할 수 있다. 그리고 웜 기어(28)가 회전함에 따라 제 2바디가 우측으로 회전하여, 도 9b에 도시된 바와 같이 제 1바디에 마련된 돌출부가 슬롯의 한쪽 끝에 위치할 수도 있다. 돌출부가 슬롯의 중앙부에 위치할 때는 제 2조인트(31) 중심으로부터 스프링 홀더(25)까지의 거리 즉, 스프링 홀더(25)의 이동 위치가 가장 멀게 되며, 돌출부가 슬롯의 양끝으로 옮겨감에 따라 스프링 홀더(25)의 이동 위치가 점점 가까워져 양 끝에 위치할 때는 스프링 홀더(25)의 이동 위치가 가장 가깝게 된다는 것을 도 9a 내지 도 9b를 통해 확인할 수 있다.
즉, 웜 기어(28)의 회전으로 슬롯 내에서의 돌출부의 위치를 조정하고, 결국 제 2조인트(31) 중심으로부터 스프링 홀더(25)의 이동 위치를 조정하게 되는 것이다.
한편, 결정된 스프링 홀더(25)의 이동 위치 P2로부터 위치 조정자(27)가 회전한 각도를 α를 구하는 방법은, 하기의 [수학식 6]을 이용할 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00013

여기서, P2는 수직방향으로부터의 회전 ζ에 대한 스프링 홀더의 이동 위치, P1은 초기 ζ=0에서 제 2조인트(31)의 중심으로부터 스프링 홀더(25)까지의 위치, C는 제 2조인트(31)의 중심으로부터 위치 조정자의 회전 중심까지의 거리, R은 위치 조정자의 회전 중심으로부터 돌출부의 중심까지의 거리를 각각 의미한다.
스프링 홀더(25) 및 스프링 홀더(25)의 주변 구조가 상술한 바와 같은 경우, 프로세서(120)는 결정된 스프링 홀더(25)의 이동 위치 P2와 [수학식 6]을 이용하여 위치 조정자(27)의 회전 각도를 α를 산출한다. 그리고 프로세서(120)는 기어 비율(gear ratio)을 이용하여 산출된 각도 α에 대응한 웜 기어(28)의 회전양를 산출하고, 산출된 회전양만큼 웜 기어(28)가 회전하도록 홀더 구동부(230)에 제어 신호를 출력한다. 이에 따라, 위치 조정자(27)는 각도 α만큼 회전하게 되고, 스프링 홀더(25)는 결정된 위치 P2로 이동하게 된다.
홀더 구동부(230)는 조인트 구동부(220)와 마찬가지로 본체부(10)의 전원(120) 등에서 공급되는 전기 에너지에 따라 토크를 발생시키는 모터로 구현될 수 있으며, 본체부(10) 등에서 공급되는 전기 에너지 또는 유체의 압력, 일 예로 유압이나 공기압 등의 압력에 의해 동작하여 토크를 발생시키는 적어도 하나의 피스톤이나 실린더 장치로 구현될 수도 있다. 홀더 구동부(230)는 는 적어도 하나의 모터 및 적어도 하나의 피스톤이나 실린더 장치를 모두 포함하도록 구현되는 것도 가능하다.
도 9a 내지 도 9b를 통해 웜 기어(worm gear)에 의한 스프링 홀더(25)의 이동을 예시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 당업계에 알려져 있는 임의의 다른 형태로 구현되는 것도 가능할 것이다.
이상으로 보행 보조장치(1)의 구성 요소 및 각 구성 요소의 역할을 실시예들을 바탕으로 설명하였으며, 이하에서는 주어진 흐름도를 참조하여 보행 보조장치(1)의 제어방법을 살펴보기로 한다.
도 10은 보행 보조장치(1)의 제어방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 먼저 제 1조인트의 회전 각도를 측정한다(500).
착용자가 보행하는 동안 다리를 착용자의 앞뒤뿐만 아니라 좌우로도 들어올릴 수 있다. 다시 말하면, 착용자가 다리를 착용자의 앞뒤로 들어올리는 것뿐만 아니라, 착용자의 바깥쪽으로 벌리면서 보행할 수 있다. 착용자가 다리를 착용자의 바깥쪽으로 ζ의 각만큼 벌리면서 보행하는 경우, 도 8a 내지 도 8b를 통해 설명한 바와 같이 제 1조인트(21)는 제 1조인트(21)의 회전의 중심축인 제 2허리 지지부(14) 즉, y축과 y-z 평면상에서 ζ의 각을 이루게 된다. 이 때, 제 1측정부(210a)는 제 1조인트(21)의 수직방향으로의 회전 각도 ζ를 측정한다.
다음으로, 측정된 회전 각도를 이용하여, 스프링 홀더(25)가 이동될 위치를 결정한다(510).
구체적으로, 제 1측정부(210a)로부터 수직방향으로의 회전 각도 ζ에 기초하여, 프로세서(120)는 하기의 [수학식 5]에 따라 스프링 홀더(25)의 이동 위치 P2를 결정한다.
[수학식 5]
Figure pat00014
Figure pat00015

여기서, P1은 초기 ζ=0에서 제 2조인트(31)의 중심으로부터 스프링 홀더(25)까지의 위치, M은 보행 보조장치의 무게를 포함한 착용자의 무게, g는 중력 가속도, l은 제 1링크의 길이, K는 스프링 상수, u는 제 4조인트의 기준축에서의 스프링의 위치와 제 2조인트 중심 사이의 거리를 각각 의미한다.
그리고 결정된 위치로 스프링 홀더(25)를 이동시킨다(530).
스프링 홀더(25)의 이동이 웜 기어(worm gear)에 의하는 경우, 일 예로 다음과 같이 530의 단계를 더욱 세분화 할 수 있다. 먼저, 프로세서(120)는 결정된 스프링 홀더(25)의 이동 위치 P2와 하기의 [수학식 6]을 이용하여 위치 조정자(27)의 회전 각도를 α를 산출한다.
[수학식 6]
Figure pat00016

여기서, P2는 수직방향으로부터의 회전 ζ에 대한 스프링 홀더의 이동 위치, P1은 초기 ζ=0에서 제 2조인트(31)의 중심으로부터 스프링 홀더(25)까지의 위치, C는 제 2조인트(31)의 중심으로부터 위치 조정자의 회전 중심까지의 거리, R은 위치 조정자의 회전 중심으로부터 돌출부의 중심까지의 거리를 각각 의미한다.
그리고 프로세서(120)는 기어 비율(gear ratio)을 이용하여 산출된 각도 α에 대응한 웜 기어(28)의 회전양를 산출하고, 산출된 회전양만큼 웜 기어(28)가 회전하도록 홀더 구동부(230)에 제어 신호를 출력한다. 제어 신호에 따라 홀더 구동부(230)가 구동하면 위치 조정자(27)는 각도 α만큼 회전하게 되고, 스프링 홀더(25)는 결정된 위치 P2로 이동하게 되는 것이다.
스프링 홀더(25)가 이동함에 따라 스프링의 길이가 늘어나거나 줄어들며, 스프링의 길이 변화에 따라 탄성력이 생기고, 탄성력에 의한 무게 보상으로 착용자가 다리를 들어올린 상태를 유지 및 보조할 수 있게 된다. 따라서, 착용자가 다리를 들어올린 상태를 유지 및 보조하기 위해 보행 보조장치(1)에 별도로 인가되어야 할 토크가 필요 없어지게 되며, 토크를 인가하기 위해 전원(110)으로부터 공급되는 에너지를 절감할 수 있게 되는 것이다.
이상과 같이 예시된 도면을 참조로 하여, 보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어방법법의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시 될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
2 : 보행 보조부 10 : 본체부
110 : 전원 120 : 프로세서
200 : 감지부 210 : 측정부
220 : 조인트 구동부 230 : 홀더 구동부

Claims (30)

  1. 착용자의 적어도 하나의 관절에 대응되는 적어도 하나의 조인트;
    상기 조인트를 연결하며, 상기 조인트의 회전에 대응하여 회전하는 적어도 하나의 링크;
    상기 링크 또는 상기 조인트에 장착되어 상기 링크 또는 상기 조인트의 회전에 따라 길이가 변하는 스프링; 및
    상기 착용자의 보행 시 중력에 의한 무게를 보상하도록, 상기 스프링의 길이 변화를 제어하는 프로세서;
    를 포함하는 보행 보조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조인트는, 상기 착용자의 고관절에 및 슬관절에 각각 대응되는 제 1조인트 및 제 2조인트를 포함하고,
    상기 링크는, 상기 제 1조인트와 제 2조인트를 연결하며, 상기 제 1조인트의 회전에 대응하여 회전하는 제 1링크를 포함하는 보행 보조장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 조인트는,
    상기 제 2조인트 둘레에 마련되며, 상기 제 2조인트와 독립적으로 회전하는 제 4조인트를 포함하는 보행 보조장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 4조인트에 고정되어, 상기 제 4조인트의 회전의 기준축을 형성하는 기준 바(bar);
    를 더 포함하는 보행 보조장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 4조인트에 일단이 고정되고, 상기 제 1링크상에 이동가능하도록 마련된 스프링 홀더(spring holder)에 타단이 고정되는 스프링(spring);
    을 더 포함하는 보행 보조장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 스프링 홀더의 이동을 제어하는 보행 보조장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 스프링 홀더의 이동 위치를 결정하고, 상기 결정된 위치로 스프링 홀더가 이동하도록 제어하는 보행 보조장치.
  8. 제 7 항에 있어서
    상기 제 1조인트는,
    상기 착용자의 보행 시, 상기 고관절의 움직임에 대응하여 상기 착용자의 앞, 뒤, 좌, 또는 우 방향으로 회전하는 보행 보조장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 4조인트는,
    중력 방향과 평행한 평면상에서, 상기 기준 바가 중력 방향과 평행 상태를 유지하도록 회전하는 보행 보조장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1조인트와 제 4조인트를 연결하는 적어도 하나의 스트링(string);
    을 더 포함하는 보행 보조장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스트링은,
    상기 제 4조인트의 회전 시 상기 평행 상태를 유지하도록, 상기 제 1조인트 및 상기 제 4조인트에 감겨져 있는 길이가 조절되는 보행 보조장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 스프링의 중단은,
    상기 기준 바에 고정되는 보행 보조장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    하기의 [수학식 5]을 이용하여 상기 스프링 홀더의 이동 위치 P2를 결정하는 보행 보조 장치.

    [수학식 5]
    Figure pat00017

    Figure pat00018


    여기서, ζ는 중력 방향을 중심축으로 하여 제 1조인트가 착용자의 좌 또는 우로 회전한 각도, P1은 초기 ζ=0에서 제 2조인트의 중심으로부터 스프링 홀더까지의 위치, M은 보행 보조장치의 무게를 포함한 착용자의 무게, g는 중력 가속도, l은 제 1링크의 길이, K는 스프링 상수, u는 기준 바에 고정된 스프링의 위치와 제 2조인트 중심 사이의 거리를 각각 의미한다.
  14. 제 7 항에 있어서,
    웜 기어를 더 포함하고,
    상기 프로세서는, 상기 웜 기어(worm gear)를 구동시켜 상기 스프링 홀더의 이동을 제어하는 보행 보조장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 웜 기어의 구동에 따라 회전하여 상기 스프링 홀더를 이동시키는 위치 조정자;
    를 더 포함하는 보행 보조장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 스프링 홀더는, 슬롯(slot)을 포함하고,
    상기 위치 조정자는, 상기 슬롯에 삽입되는 돌출부를 포함하는 보행 보조장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 위치 조정자는,
    상기 웜 기어의 구동에 따른 회전 시, 상기 돌출부가 상기 슬롯 내부를 이동하여 상기 스프링 홀더를 이동시키는 보행 보조장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    하기의 [수학식 6]을 이용하여 위치 조정자의 회전 각도 α를 결정하고, 상기 결정된 각도 α만큼 위치 조정자가 회전하도록 상기 웜 기어의 구동을 제어하는 보행 보조장치.

    [수학식 6]
    Figure pat00019


    여기서, ζ는 중력 방향을 중심축으로 하여 제 1조인트가 착용자의 좌 또는 우로 회전한 각도, P2는 결정된 스프링 홀더의 이동 위치, P1은 초기 ζ=0에서 제 2조인트의 중심으로부터 스프링 홀더까지의 위치, C는 제 2조인트의 중심으로부터 위치 조정자의 회전 중심까지의 거리, R은 위치 조정자의 회전 중심으로부터 돌출부의 중심까지의 거리를 각각 의미한다.
  19. 착용자의 보행 시, 상기 착용자의 고관절의 움직임에 대응하여 제 1조인트가 상기 착용자의 앞, 뒤, 좌, 또는 우 방향으로 회전하는 단계;
    상기 제 1조인트의 회전 각도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 각도에 기초하여, 상기 착용자의 슬관절에 대응되는 제 2조인트로부터 스프링 홀더의 이동 위치를 결정하는 단계; 및
    상기 제 1조인트와 상기 제 2조인트를 연결하는 제 1링크상에서, 상기 결정된 위치에 대응되도록 상기 스프링 홀더를 이동시키는 단계;
    를 포함하는 보행 보조장치의 제어방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1조인트가 회전하는 단계는,
    상기 제 2조인트 둘레에 마련되며, 상기 제 2조인트와 독립적으로 회전하는 제 4조인트를 상기 제 1조인트의 회전에 대응하여 회전시키는 것을 포함하는 보행 보조장치의 제어방법
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1조인트가 회전하는 단계는,
    중력 방향과 평행한 평면상에서, 상기 제 4조인트에 고정된 기준 바(bar)가 중력 방향과 평행 상태를 유지하도록, 상기 제 4조인트가 회전하는 것을 포함하는 보행 보조장치의 제어방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1조인트가 회전하는 단계는,
    상기 평형 상태를 유지하도록, 상기 제 1조인트와 제 4조인트를 연결하는 적어도 하나의 스트링(string)에서 상기 제 1조인트 및 상기 제 4조인트에 감겨져 있는 부분의 길이가 조절되는 것을 포함하는 보행 보조장치의 제어방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 스프링 홀더를 이동시키는 단계는,
    상기 제 4조인트에 일단이 고정되고, 상기 스프링 홀더에 타단이 고정되는 스프링의 길이를 변화시키는 것을 포함하는 보행 보조장치의 제어방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 스프링 홀더를 이동시키는 단계는,
    상기 스프링의 중단이 상기 기준 바에 고정되어, 상기 기준 바에 고정된 스프링의 중단부터 상기 스프링 홀더에 고정된 상기 스프링의 타당까지의 길이를 변화시키는 것을 포함하는 보행 보조장치의 제어방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    스프링 홀더의 이동 위치를 결정하는 단계는,
    하기의 [수학식 5]을 이용하여 상기 스프링 홀더의 이동 위치 P2를 결정하는 것을 포함하는 보행 보조장치의 제어방법.

    [수학식 5]
    Figure pat00020

    Figure pat00021


    여기서, ζ는 중력 방향을 중심축으로 하여 제 1조인트가 착용자의 좌 또는 우로 회전한 각도, P1은 초기 ζ=0에서 제 2조인트의 중심으로부터 스프링 홀더까지의 위치, M은 보행 보조장치의 무게를 포함한 착용자의 무게, g는 중력 가속도, l은 제 1링크의 길이, K는 스프링 상수, u는 기준 바에 고정된 스프링의 위치와 제 2조인트 중심 사이의 거리를 각각 의미한다.
  26. 제 19 항에 있어서,
    상기 스프링 홀더를 이동시키는 단계는,
    웜 기어(worm gear)를 구동시켜 상기 스프링 홀더의 이동을 제어하는 것을 포함하는 보행 보조장치의 제어방법.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 스프링 홀더를 이동시키는 단계는,
    상기 웜 기어의 구동에 따라 위치 조정자가 회전하여 상기 스프링 홀더를 이동시키는 것을 포함하는 보행 보조장치의 제어방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 스프링 홀더를 이동시키는 단계는,
    상기 위치 조정자의 회전 시, 상기 위치 조정자에 마련된 돌출부가 상기 상기 스프링 홀더에 마련된 슬롯 내부를 이동하여 상기 스프링 홀더를 이동시키는 것을 포함하는 보행 보조장치의 제어방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    하기의 [수학식 6]을 이용하여 위치 조정자의 회전 각도 α를 결정하는 단계;
    를 더 포함하는 보행 보조장치의 제어방법.

    [수학식 6]
    Figure pat00022


    여기서, ζ는 중력 방향을 중심축으로 하여 제 1조인트가 착용자의 좌 또는 우로 회전한 각도, P2는 결정된 스프링 홀더의 이동 위치, P1은 초기 ζ=0에서 제 2조인트의 중심으로부터 스프링 홀더까지의 위치, C는 제 2조인트의 중심으로부터 위치 조정자의 회전 중심까지의 거리, R은 위치 조정자의 회전 중심으로부터 돌출부의 중심까지의 거리를 각각 의미한다.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 스프링 홀더를 이동시키는 단계는,
    상기 결정된 각도 α만큼 위치 조정자가 회전하도록 상기 웜 기어의 구동을 제어하는 것을 포함하는 보행 보조장치의 제어방법.
KR1020140018504A 2014-02-18 2014-02-18 보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어 방법 KR102253243B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140018504A KR102253243B1 (ko) 2014-02-18 2014-02-18 보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어 방법
US14/599,767 US9931265B2 (en) 2014-02-18 2015-01-19 Walk-assistive apparatus and method of controlling the walk-assistive apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140018504A KR102253243B1 (ko) 2014-02-18 2014-02-18 보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150097237A true KR20150097237A (ko) 2015-08-26
KR102253243B1 KR102253243B1 (ko) 2021-05-20

Family

ID=53797081

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140018504A KR102253243B1 (ko) 2014-02-18 2014-02-18 보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어 방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9931265B2 (ko)
KR (1) KR102253243B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190085672A (ko) * 2018-01-11 2019-07-19 삼성전자주식회사 보행 보조 방법 및 장치
KR20200073300A (ko) * 2018-12-12 2020-06-24 한성대학교 산학협력단 웨어러블 보행안전 장치

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102275241B1 (ko) * 2013-12-06 2021-07-12 삼성전자주식회사 신호의 변환 및 복원 방법, 신호의 변환 및 복원 시스템, 원본 신호 변환 방법, 원본 신호 변환 장치 및 원본 신호 복원 방법
US10449105B2 (en) * 2014-10-26 2019-10-22 Springactive, Inc. System and method of bidirectional compliant joint torque actuation
KR102384150B1 (ko) * 2015-11-04 2022-04-08 삼성전자주식회사 조인트 어셈블리 및 이를 포함하는 운동 보조 장치
CN107960064B (zh) * 2016-08-17 2021-05-11 电力助力国际公司 穿戴型支援机器人装置
KR101830886B1 (ko) 2016-11-17 2018-02-21 삼성전자주식회사 의료 기기, 이에 사용되는 디스플레이 지지 구조물 및 아암 구조물
KR102655665B1 (ko) 2016-12-28 2024-04-09 삼성전자주식회사 보행 보조 장치 및 그 동작 방법
KR20180076759A (ko) * 2016-12-28 2018-07-06 삼성전자주식회사 센서 장치 및 센서 장치를 이용하는 보행 보조 장치
WO2018175859A1 (en) * 2017-03-23 2018-09-27 Georgia Tech Research Corporation Orthotic devices and methods of using the same
KR102631409B1 (ko) * 2018-02-20 2024-01-31 삼성전자주식회사 운동 보조 장치
IT201900007848A1 (it) * 2019-06-03 2020-12-03 Milano Politecnico Dispositivo di compensazione di carichi, in particolare di carichi gravitazionali, applicabile ad esoscheletri
KR20210053389A (ko) * 2019-11-01 2021-05-12 삼성전자주식회사 허벅지 형상에 기초하여 변형 가능한 보행 보조 장치

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5020790A (en) * 1990-10-23 1991-06-04 Board Of Supervisors Of Louisiana State University And Agricultural And Mechanical College Powered gait orthosis
KR101315199B1 (ko) * 2012-04-02 2013-10-07 서울과학기술대학교 산학협력단 패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족행 보행 보조로봇

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2489291A (en) * 1948-07-09 1949-11-29 Ulrich K Henschke Leg prosthesis
US4442390A (en) * 1982-07-06 1984-04-10 Davis Kenneth W Feedback system for a linear actuator
KR960008259B1 (ko) 1992-09-30 1996-06-21 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 로보트의 중력토크 보상용 중력 밸런서
US6409693B1 (en) * 2001-01-22 2002-06-25 Robert J. Brannigan Leg support device
JP4144021B2 (ja) 2001-12-14 2008-09-03 学校法人早稲田大学 機械的自重補償装置
US8500823B2 (en) * 2005-03-31 2013-08-06 Massachusetts Institute Of Technology Powered artificial knee with agonist-antagonist actuation
US20070123997A1 (en) 2005-03-31 2007-05-31 Massachusetts Institute Of Technology Exoskeletons for running and walking
US7544155B2 (en) * 2005-04-25 2009-06-09 University Of Delaware Gravity balanced orthosis apparatus
WO2007103579A2 (en) * 2006-03-09 2007-09-13 The Regents Of The University Of California Power generating leg
JP4712620B2 (ja) 2006-06-12 2011-06-29 本田技研工業株式会社 歩行補助装具の制御装置
US20100243344A1 (en) 2006-09-25 2010-09-30 Board Of Trustees Of Leland Stanford Junior University Electromechanically counterbalanced humanoid robotic system
US8597369B2 (en) * 2006-10-17 2013-12-03 Northwestern University Equilibrium-point prosthetic and orthotic ankle-foot systems and devices
JP4056079B1 (ja) 2007-04-09 2008-03-05 林 駿▲みち▼ 普通のごみから軽い綿ほこりやちり等まで掃き集めやすく取りやすくしたごみとり
JP5213682B2 (ja) * 2008-12-17 2013-06-19 本田技研工業株式会社 体重支持装置
JP5475527B2 (ja) 2010-04-06 2014-04-16 学校法人慶應義塾 自重補償型脚歩行アシスト装置
US9198821B2 (en) * 2011-09-28 2015-12-01 Northeastern University Lower extremity exoskeleton for gait retraining
US10449105B2 (en) * 2014-10-26 2019-10-22 Springactive, Inc. System and method of bidirectional compliant joint torque actuation

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5020790A (en) * 1990-10-23 1991-06-04 Board Of Supervisors Of Louisiana State University And Agricultural And Mechanical College Powered gait orthosis
KR101315199B1 (ko) * 2012-04-02 2013-10-07 서울과학기술대학교 산학협력단 패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족행 보행 보조로봇

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190085672A (ko) * 2018-01-11 2019-07-19 삼성전자주식회사 보행 보조 방법 및 장치
US11744764B2 (en) 2018-01-11 2023-09-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and device for assisting walking
KR20200073300A (ko) * 2018-12-12 2020-06-24 한성대학교 산학협력단 웨어러블 보행안전 장치

Also Published As

Publication number Publication date
US20150231018A1 (en) 2015-08-20
US9931265B2 (en) 2018-04-03
KR102253243B1 (ko) 2021-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102253243B1 (ko) 보행 보조장치 및 보행 보조장치의 제어 방법
JP4417300B2 (ja) 歩行補助装置
JP6734015B2 (ja) 歩行補助装置及び歩行補助装置の制御方法
KR102122856B1 (ko) 보행 보조 장치 및 그 제어 방법
US20220110814A1 (en) Wearable joint augmentation system
KR102115950B1 (ko) 보행 보조 로봇 및 보행 보조 로봇의 제어 방법
US8202234B2 (en) Control device for walking assistance device
US20200315900A1 (en) Ankle-less walking assistant apparatus and method for controlling the same
CN106264988B (zh) 外骨骼踝关节机器装置
EP1905406A1 (en) Controller for walking assistance device
JP2011115323A (ja) 歩行介助ロボット
JP2018061663A (ja) パワーアシストロボット装置
KR102146363B1 (ko) 착용형 로봇 및 그 제어 방법
KR20150034405A (ko) 착용형 로봇 및 그 제어 방법
KR20150067474A (ko) 착용형 로봇 및 그 제어 방법
KR20150094427A (ko) 착용형 로봇 및 그 제어 방법
KR101913187B1 (ko) 편마비 환자용 보행 보조장치 및 그 제어방법
JP2014184086A (ja) 歩行支援装置、及び歩行支援プログラム
JP5381876B2 (ja) 歩行補助装具の評価方法
US20200290209A1 (en) Control device for robot
KR102234788B1 (ko) 보행 보조 장치 및 보행 보조 장치의 제어 방법
CN111096874B (zh) 一种足部平衡机构及助力支架和轻便助力设备
CN112807194A (zh) 穿戴式下肢康复运动训练器
JP2013208289A (ja) 歩行支援装置、及び歩行支援プログラム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant