KR20160056402A

KR20160056402A - 보행 단계 판정을 위한 발모듈, 이를 이용한 보행 단계 판정 방법, 보행 분석 시스템 및 능동형 보행 보조 장치

Info

Publication number: KR20160056402A
Application number: KR1020140155728A
Authority: KR
Inventors: 김정훈; 백윤수; 손병종
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2016-05-20
Also published as: KR101648270B1

Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 보행 단계 판정 방법은 지면 접촉면에 뒤꿈치로부터 앞꿈치까지 소정 간격으로 배치된 접촉 감지 센서들을 구비하는 발모듈을 이용하는 보행 단계 판정 방법으로서, 보행 분석 시스템이, 발모듈의 접촉 감지 센서들로부터 접촉 감지 신호들을 수신하는 단계, 접촉 감지 신호들 각각의 검출 값들에 기초하여 지면 접촉 중심 위치를 산출하는 단계 및 산출된 상기 지면 접촉 중심 위치에 따라 보행 단계를 초기 접촉기, 중간 입각기, 진출기 및 유각기 중 어느 하나로 판정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

보행 단계 판정을 위한 발모듈, 이를 이용한 보행 단계 판정 방법, 보행 분석 시스템 및 능동형 보행 보조 장치{SHOE MODULE FOR DETECTING WALKING PHASE, METHOD, GAIT ANALYSIS SYSTEM AND ACTIVE WALKING ASSIST DEVICE USING THE SAME}

본 발명은 보행 분석 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 보행 단계 판정 기법에 관한 것이다.

보행, 즉 걸음걸이(gait)는 오래 전부터 신경계 및 근골격계 질환을 겪는 환자의 병적 보행을 분석하기 위해 연구되어 왔다.

이를 위해 사람이 이족 보행할 때에 일어나는 해부학적 현상들에 대해 많은 연구가 이루어졌으며, 보행 중인 정상인 또는 환자가 다리를 움직이고 발을 딛는 일련의 보행 단계들을 구분하는 연구들이 이루어졌다.

이러한 연구에 따르면, 정상인의 이족 보행의 한 보행 주기(gait cycle)는 발과 다리의 움직임에 따라 4 단계의 보행 단계들, 즉 초기 접지기(Heel strike phase 또는 입각기(stance phase)), 중간 입각기(Mid-stance phase), 진출기(Toe-off phase), 유각기(Swing phase)로 구분될 수 있다. 사람은 보행 중에는 무의식적으로 양 다리와 양 발을 반복적으로 일정하게 움직이면서 이러한 보행 단계들을 계속 반복한다.

보행을 정량적 또는 정성적으로 분석하기 위한 지표로는 분속수(cadence), 보행 속도(speed), 활보장(stride length), 보장기(step time), 단하지 지지기(single support), 양하기 지지기(double support), 보폭(step width) 등이 있다.

한편, 이러한 보행 단계들에 대한 연구는 환자의 치료 또는 재활을 위한 연구 외에도 정상인의 보행 교정이나 외골격 로봇에도 적용될 수 있다.

외골격 로봇은 착용형 로봇이라고도 하며, 자체적으로 소정의 동작을 수행하기 위한 통상적인 로봇이 아니고, 사용자의 신체에 부착되어 사용자의 행동 의도를 파악하고 사용자의 행동을 보조할 수 있는 로봇이다. 외골격 로봇은 의료, 군사, 물류 등의 다양한 분야에서 연구되고 있다.

의료용으로는 의료진이나 구급 대원이 환자를 쉽게 운반할 수 있도록 근력 증폭 장치 등으로 연구되고 있다. 군사용으로는 보병이나 공병이 착용할 수 있는 전투력 강화 장치로서 개발되고 있고, 물류용으로는 근거리에서 재고물자를 운반할 수 있는 근력 증폭 장치가 연구되고 있다.

사용자가 지지대를 손으로 잡고 바퀴를 밀면서 움직이는 보행기와 달리, 외골격 로봇과 같은 보행 보조 장치들은 사용자의 하지에 밀착되어 사용자의 보행을 적극적으로, 능동적으로 보조하기 때문에, 보행 보조 장치의 동작에 있어서 사용자의 행동과 의도를 정확하고 신속하게 판단하는 것은 매우 중요하다. 이를 위해 다양한 생체공학적 역학적 센서들이 활용될 수 있다.

이렇듯 능동형 보행 보조 장치를 착용한 사용자가 보행 시에 쉽게 이질감이나 불안감, 또는 피로감을 느끼지 않고 자연스럽고 안정적으로 보행할 수 있으려면, 능동형 보행 보조 장치들이 사용자의 보행 동작을 정확히 인식하고 보조할 필요가 있다.

종래에 보행 분석 장치 또는 보행 보조 장치에서 사용자의 보행 단계를 식별하기 위한 기법들로서, 다리, 발목, 팔, 허리, 무릎 등에 모션 센서들을 장착하고, 각 부위에서 검출되는 가속도 값들을 분석하여 보행 단계를 식별하는 방식들이 연구되었다.

다른 방식으로는, 사용자가 신발을 신은 채로 올라설 수 있도록 고안된 발모듈의 깔창, 즉 사용자의 발바닥에 접촉하는 깔창에 압력 센서를 장착하는 방식들도 연구되고 있다. 이러한 방식에서 사용자가 보행할 때에 발뒤꿈치 부위, 발바닥 부위 및 엄지 발가락 부위에서 깔창에 가하게 되는 압력에 기초하여, 현재 사용자의 발이 뒤꿈치만 딛고 있는지, 발바닥을 딛고 있는지, 발 앞꿈치만 딛고 있는지 또는 발이 지면에서 떨어져 있는지 파악하고, 그에 따라 보행 단계들을 식별할 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 발모듈, 이를 이용한 보행 단계 판정 방법 및 발모듈을 포함하는 보행 보조 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 보행 중에 발모듈이 지면과 접촉하는 중심 위치의 이동성을 검출할 수 있는 압력 센서들을 안전하게 구비할 수 있으면서 보행 시의 충격에 견딜 수 있는 구조의 발모듈을 제공하는 데에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 보행 중에 발모듈에 관하여 검출되는 이동하는 지면 접촉 중심 위치를 이용한 보행 단계 판정 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 보행 중에 이동하는 지면 접촉 중심 위치를 검출하고 보행 단계를 판정할 수 있는 보행 분석 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 보행 중에 이동하는 지면 접촉 중심 위치를 검출하고 보행 단계를 판정할 수 있는 보행 보조 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 보행 단계 판정 방법은,

지면 접촉면에 뒤꿈치로부터 앞꿈치까지 소정 간격으로 배치된 접촉 감지 센서들을 구비하는 발모듈을 구비하는 보행 분석 시스템을 이용한 보행 단계 판정 방법으로서,

상기 보행 분석 시스템이,

상기 발모듈의 접촉 감지 센서들로부터 접촉 감지 신호들을 수신하는 단계;

상기 접촉 감지 신호들 각각의 검출 값들에 기초하여 지면 접촉 중심 위치를 산출하는 단계; 및

산출된 상기 지면 접촉 중심 위치에 따라 보행 단계를 초기 접촉기, 중간 입각기, 진출기 및 유각기 중 어느 하나로 판정하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 발모듈은

상면에는 사용자가 신발을 올려놓을 수 있고 하면에는 소정 간격으로 나란하게 복수의 센서 삽입 홈들을 구비하며, 상기 센서 삽입 홈들 각각의 오목한 공간까지 신호선들이 배선되도록 연장된 배선 통로를 구비하는 발모듈 지지판;

상기 복수의 센서 삽입 홈들의 각각에 지면에 마주보게 부착되는 접촉 감지 센서들; 및

상기 접촉 감지 센서가 삽입되는 상기 센서 삽입 홈들의 각각에 끼워져 상기 접촉 감지 센서를 상기 센서 삽입 홈에 밀착시키며, 상기 발모듈 지지판의 하면보다 더 돌출되는 두께를 가져서, 사용자가 지면을 밟을 때의 압력을 상기 접촉 감지 센서들에 전달하는 복수의 발굽 부재들을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 발모듈 지지판은 상기 센서 삽입 홈들의 양 가장자리들에 돌출된 단차들을 더 구비하고,

상기 발굽 부재는 상기 센서 삽입 홈의 양 가장자리의 돌출된 단차들 사이에 끼워지고 상기 발모듈 지지판의 하면에서 상기 단차보다 더 돌출되는 두께를 가질 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 접촉 감지 센서들은 필름형 압력 센서일 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 발굽 부재는 상기 접촉 감지 센서에 밀착되는 제1 면의 너비가 지면에 닿는 제2 면의 너비보다 넓을 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 발굽 부재는 단면이 사다리꼴일 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 접촉 감지 신호의 검출 값이 참(True)일 때 1이거나 거짓(False)일 때 0이라면,

상기 지면 접촉 중심 위치는, 다음 수학식

에 따라 산출되며,

여기서 COCP_sensor는 상기 접촉 감지 센서들이 등간격으로 배치된 경우에 산출되는 지면 접촉 중심 위치, i는 상기 발모듈의 뒷꿈치에 가장 가까운 접촉 감지 센서부터 1씩 증가하는 자연수로써 부여되는 각각의 접촉 감지 센서의 센서 번호, sensor_i는 i 번째 접촉 감지 센서로부터 수신된 접촉 감지 신호의 검출 값일 수 있다.

상기 지면 접촉 중심 위치는, 다음 수학식

에 따라 산출되며,

여기서 COCP_length는 상기 접촉 감지 센서들이 소정 간격으로 배치된 경우에 산출되는 지면 접촉 중심 위치, i는 뒷꿈치에 가장 가까운 접촉 감지 센서부터 1씩 증가하는 자연수로써 부여되는 각각의 접촉 감지 센서의 센서 번호, P_i는 상기 발모듈의 뒷꿈치로부터 i 번째 접촉 감지 센서까지의 거리, sensor_i는 i 번째 접촉 감지 센서로부터 수신된 접촉 감지 신호의 검출 값일 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 보행 단계를 판정하는 단계는,

상기 접촉 감지 신호들의 합이 0이면 유각기로 판정하는 단계;

상기 접촉 감지 신호들의 합이 0보다 크고, 상기 지면 접촉 중심 위치가 제1 문턱값보다 작으면 초기 접촉기로 판정하는 단계;

상기 접촉 감지 신호들의 합이 0보다 크고, 상기 지면 접촉 중심 위치가 제1 문턱값보다 크지만 제2 문턱값보다 작으면 중간 입각기로 판정하는 단계; 및

상기 접촉 감지 신호들의 합이 0보다 크고, 상기 지면 접촉 중심 위치가 제2 문턱값보다 크면 진출기로 판정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 컴퓨터용 프로그램은 컴퓨터에서 일 실시예에 따른 보행 분석 시스템의 보행 단계 판정 방법의 각 단계들을 구현하도록 컴퓨터로 독출될 수 있는 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램일 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 보행 분석 시스템에 이용되는 발모듈은

상면에는 사용자가 신발을 올려놓을 수 있고 하면에는 소정 간격으로 나란하게 복수의 센서 삽입 홈들을 구비하며, 상기 센서 삽입 홈들 각각의 오목한 공간까지 신호선들이 배선되도록 연장된 배선 통로를 구비하고, 상기 보행 보조 장치의 하부 하지 모듈과 결합되는 발모듈 지지판;

상기 센서 삽입 홈들의 양 가장자리의 돌출된 단차들 사이에 끼워지고, 상기 접촉 감지 센서들에 밀착되며, 상기 발모듈 지지판의 하면에서 상기 단차보다 더 돌출되는 두께를 가져서, 사용자가 지면을 밟을 때의 압력을 상기 접촉 감지 센서들에 전달하는 복수의 발굽 부재들을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 보행 분석 시스템은 소정 간격으로 지면을 향하도록 배치된 접촉 감지 센서들로부터 수신된 접촉 감지 신호들 각각의 검출 값들에 기초하여 지면 접촉 중심 위치를 산출하는 지면 접촉 중심 위치 산출부; 및

산출된 상기 지면 접촉 중심 위치에 따라 보행 단계를 초기 접촉기, 중간 입각기, 진출기 및 유각기 중 어느 하나로 판정하는 보행 단계 판정부를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 보행 보조 장치는 일 실시예에 따른 발모듈을 구비할 수 있다.

본 발명의 보행 분석 시스템 또는 보행 보조 장치를 위한 발모듈에 따르면, 보행 중에 사용자가 착용한 발모듈이 지면과 접촉하는 중심 위치의 이동성을 검출할 수 있는 압력 센서들을 안전하게 구비할 수 있으면서 보행 시의 충격에 견딜 수 있으며 내구적이다.

본 발명의 보행 분석 시스템 또는 보행 보조 장치를 위한 발모듈에 따르면, 보행 중에 사용자가 착용한 발모듈의 지면 접촉이 감지되지 않는 불감대 영역이 좁아 접촉 감지 영역을 최대화할 수 있다.

본 발명의 보행 분석 시스템 또는 보행 보조 장치에 따르면, 보행 중에 고정 피봇이 아닌 이동 피봇을 설정할 수 있도록 이동하는 지면 접촉 중심 위치를 검출할 수 있다.

본 발명의 발모듈을 이용한 보행 단계 판정 방법에 따르면, 보행 중에 사용자가 착용한 발모듈에 관하여 지면 접촉 중심 위치를 이용하여 사용자의 보행 단계를 검출할 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 분석 시스템 또는 보행 보조 장치를 위한 발모듈을 아랫쪽에서 비스듬하게 바라본 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 분석 시스템 또는 보행 보조 장치를 위한 발모듈의 밑바닥을 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 분석 시스템 또는 보행 보조 장치를 위한 발모듈이 지면과 닿는 모습을 옆에서 바라본 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 분석 시스템 또는 보행 보조 장치를 위한 발모듈을 이용한 보행 단계 판정 방법을 예시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발모듈을 포함하는 보행 분석 시스템을 예시한 개략도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 분석 시스템 또는 보행 보조 장치를 위한 보행 단계 판정 방법에 따라 연속적으로 판정되는 보행 단계를 예시한 그래프들이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 분석 시스템 또는 보행 보조 장치를 위한 발모듈을 아랫쪽에서 비스듬하게 바라본 모습을 나타낸 도면이고, 도 2는 발모듈의 밑바닥을 예시한 도면이며, 도 3은 발모듈이 지면과 닿는 모습을 옆에서 바라본 모습을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, 발모듈(10)은 발모듈 지지판(11), 접촉 감지 센서들(12) 및 발굽 부재들(13)을 포함할 수 있다.

발모듈(10)은 전체적으로 마치 신발의 밑창처럼 생겼는데, 사용자가 자신의 신발을 착용한 상태로 발모듈(10)을 딛고 올라가면 발모듈(10)과 사용자의 신발이 기계적으로 체결되어, 사용자의 발의 움직임과 발모듈(10)의 움직임이 일체화될 수 있다.

발모듈(10)은, 구체적으로 도시되지는 않았지만, 보행 분석 시스템의 일부로서 사용자의 신발과 일체화되거나, 또는 보행 보조 장치의 일부로서 사용자의 종아리, 발목 또는 아킬레스건의 동작을 보조하기 위한 하부 하지 모듈과 통상적인 방법으로 기계적으로 결합될 수 있다. 이 경우에, 보행 보조 장치는 서브시스템들 중 하나로서 보행 분석 시스템을 포함할 수 있다.

한편, 발모듈(10)의 구성 요소들 중 가장 눈에 띠는 발모듈 지지판(11)은 상면에는 사용자가 신발을 올려놓을 수 있는 신발 마운트(111), 하면에는 소정 간격으로 나란하게 복수의 센서 삽입 홈들(112)을 구비하며, 센서 삽입 홈들(112) 각각의 오목한 공간까지 신호선들이 배선되도록 연장된 배선 통로(113)를 구비할 수 있다.

센서 삽입 홈들(112)은 발뒤꿈치부터 앞꿈치까지 등간격으로 형성될 수 있고, 실시예에 따라서는 서로 다른 간격으로 형성될 수 있다.

복수의 접촉 감지 센서들(12)은 각각의 센서 삽입 홈들(112)에 삽입되고 센서 삽입 홈(112)의 안쪽에, 지면에 나란하게, 부착될 수 있다.

실시예에 따라 접촉 감지 센서(12)는 필름형 압력 센서로서, 예를 들어 압력에 따라 변동하는 전기적 저항 값을 검출함으로써 압력의 크기를 검출할 수 있는 FSR(Force Sensing Resistor) 센서일 수 있다.

복수의 발굽 부재들(13)은 접촉 감지 센서(12)가 삽입된 센서 삽입 홈들(112)의 각각에 끼워져 접촉 감지 센서(12)에 밀착되며, 발모듈 지지판(11)의 하면보다 더 돌출되는 두께를 가져서, 사용자가 지면을 밟을 때의 압력을 접촉 감지 센서들(12)에 확실하게 전달할 수 있다.

또한 발굽 부재(13)는 예를 들어 고무 소재와 같은 적절한 탄성감을 가진 소재로 구현될 수 있어서, 보행 중에 소음, 진동 내지 충격을 줄일 수 있고, 접촉 감지 센서(12)의 수명도 늘릴 수 있다.

실시예에 따라, 발굽 부재(13)는 도 3에서 예시되듯이, 접촉 감지 센서(12)에 밀착되는 제1 면의 너비가 지면에 닿는 제2 면의 너비보다 넓을 수 있고, 특히 단면이 사다리꼴일 수 있다.

실시예에 따라, 발모듈 지지판(11)은, 센서 삽입 홈들(112)이 발모듈 지지판(11)의 하면에서 안쪽으로 함몰되는 대신에 발모듈 지지판(11)의 하면과 같은 수평을 유지하고, 이에 따라 센서 삽입 홈들(112)의 양 가장자리들에 돌출된 단차들(114)을 더 구비할 수 있다.

도 3에서, 보행 방향에 반대되는 방향으로 지면과 발모듈(10)의 발굽 부재(13)의 제2 면 사이에 마찰에 의한 전단력이 가해지지만, 단차(114)에 의해 전단 저항력이 발생하므로 발굽 부재(13)가 센서 삽입 홈(112)에서 쉽게 이탈하지 않는다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 분석 시스템을 위한 발모듈을 이용한 보행 단계 판정 방법을 예시한 순서도이다.

도 4를 참조하면, 지면 접촉면에 뒤꿈치로부터 앞꿈치까지 소정 간격으로 배치된 접촉 감지 센서들을 구비하는 발모듈을 이용한 보행 분석 시스템의 보행 단계 판정 방법은 단계(S41)에서 시작할 수 있다.

단계(S41)에서, 보행 분석 시스템이, 상기 발모듈의 접촉 감지 센서들로부터 접촉 감지 신호들을 수신할 수 있다.

접촉 감지 신호들은 예를 들어 FSR 센서에서 출력되는 전압 신호로서, 그대로 이용하기에는 노이즈 성분을 많이 포함할 수 있다.

이에 따라, 일 실시예에서는 이동 평균 필터 또는 저주파 통과 필터 등의 평활화 필터를 이용하여 접촉 감지 신호들을 평활화시키거나, 또는 접촉 감지 신호의 샘플링 주파수를 높여 SNR(signal to noise ratio)를 개선할 수 있다.

단계(S42)에서, 접촉 감지 신호들 각각의 검출 값들에 기초하여 지면 접촉 중심 위치(Center of Contact Point)를 산출할 수 있다.

실시예에 따라, 접촉 감지 신호의 검출 값은 연속하는 아날로그 값일 수도 있지만, 압력이 있다/없다 또는 접촉이 있다/없다를 식별할 수 있는 이진 값으로서, True일 때 1이고 False일 때 0인 방식으로 주어질 수 있다.

좀더 구체적으로, 지면 접촉 중심 위치는, 접촉 감지 센서들이 발뒤꿈치부터 앞꿈치까지 등간격으로 배치되어 있을 경우에는, 다음 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.

여기서, 여기서 COCP_sensor는 접촉 감지 센서들이 등간격으로 배치된 경우에 산출되는 지면 접촉 중심 위치, i는 발모듈의 뒷꿈치에 가장 가까운 접촉 감지 센서부터 1씩 증가하는 자연수로써 부여되는 각각의 접촉 감지 센서의 센서 번호, sensor_i는 i 번째 접촉 감지 센서로부터 수신된 접촉 감지 신호의 검출 값이다.

좀더 일반적인 실시예에서, 지면 접촉 중심 위치는, 접촉 감지 센서들이 발뒤꿈치부터 소정의 거리만큼 떨어지도록 배치되어 있을 경우에는, 다음 수학식 2와 같이 산출될 수 있다.

여기서, COCP_length는 접촉 감지 센서들이 소정 간격으로 배치된 경우에 산출되는 지면 접촉 중심 위치, i는 뒷꿈치에 가장 가까운 접촉 감지 센서부터 1씩 증가하는 자연수로써 부여되는 각각의 접촉 감지 센서의 센서 번호, P_i는 상기 발모듈의 뒷꿈치로부터 각각의 접촉 감지 센서까지의 거리, sensor_i는 i 번째 접촉 감지 센서로부터 수신된 접촉 감지 신호의 검출 값이다.

수학식 1 또는 2에서 산출되는 지면 접촉 중심 위치는 지면과 접촉되어 있는 센서들의 중심 위치로서, 발모듈의 회전 중심축(피봇)이 보행 방향축 상에 위치하는 지점을 의미한다. 이에 따라 기존에 지지 상태(Stance Phase)의 발목의 위치에 고정된 회전 중심축에 기초한 기구학적 위치 해석에서 로봇 링크, 사용자 관절 위치 또는 자세 추정 시에 누적적인 오차가 발생하는 것에 비해, 지면 접촉 중심 위치를 이동하는 회전 중심축의 위치 추정에 활용함으로써 기구학적 위치 해석 시에 관절 위치 및 자세 추정 시에 정확도가 향상될 수 있다.

한편, 일 실시예에서는 이동 평균 필터 또는 저주파 통과 필터 등의 평활화 필터를 이용하여 지면 접촉 중심 위치의 산출 값들을 평활화할 수 있다. 앞서 접촉 감지 신호들을 필터링하는 실시예의 경우에는 복수 개의 필터가 필요할 수 있지만 본 실시예에서는 하나의 필터만으로 충분하다는 장점이 있다.

다음으로, 단계(S43)에서, 산출된 상기 지면 접촉 중심 위치에 따라 보행 단계를 초기 접촉기, 중간 입각기, 진출기 및 유각기 중 어느 하나로 판정할 수 있다.

단계(S43)의 보행 단계를 판정하는 단계를 좀더 구체적으로 예시하면, 먼저 접촉 감지 신호들의 합이 0인지 여부를 조사하는데, 이는 수학식 1 또는 수학식 2에서 접촉 감지 신호들의 합이 분모이기 때문이기도 하다. 만약 접촉 감지 신호들의 합이 0이면 수학식 1 또는 2에 따라 지면 접촉 중심 위치를 산출하지 않고, 곧바로 해당 발모듈이 지면에 접촉하지 않은 상태, 즉 공중에 뜬 상태인 유각기로 판정할 수 있다.

만약 접촉 감지 신호들의 합이 0보다 큰데, 산출된 지면 접촉 중심 위치가 제1 문턱값보다 작으면 초기 접촉기로 판정할 수 있고, 지면 접촉 중심 위치가 제1 문턱값보다 크지만 제2 문턱값보다 작으면 중간 입각기로 판정할 수 있다. 여기서, 제1 문턱값은 제2 문턱값보다 더 작은 값이다. 실제로는 제1 문턱값은 발뒤꿈치에 가깝고 제2 문턱값은 앞꿈치에 가깝도록, 경험적으로 설정되는 값들이다.

마지막으로, 접촉 감지 신호들의 합이 0보다 큰데, 산출된 지면 접촉 중심 위치가 제2 문턱값보다 크면 진출기로 판정할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발모듈을 포함하는 보행 분석 시스템을 예시한 개략도이다.

도 5를 참조하면, 보행 분석 시스템(50)은 발모듈(51), 지면 접촉 중심 위치 산출부(52) 및 보행 단계 판정부(53)를 포함할 수 있다.

발모듈(51)은 도 1의 발모듈(10)과 실질적으로 동일하므로 설명을 생략한다. 지면 접촉 중심 위치 산출부(52)는 수학식 1 또는 수학식 2를 이용하여 도 4의 단계(S42)의 지면 접촉 중심 위치 산출 절차를 수행할 수 있다. 보행 단계 판정부(53)는 도 4의 단계(S43)의 보행 단계 판정 절차를 수행할 수 있다.

도 5의 보행 분석 시스템(50)은 컴퓨터에 기반하여 구축되는 시스템으로 예시되었지만, 실시예에 따라서는 예를 들어 외골격 로봇과 같은 능동적인 보행 보조 장치 내의 서브시스템들 중 하나로서 구축될 수도 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 분석 시스템 또는 보행 보조 장치를 위한 보행 단계 판정 방법에 따라 연속적으로 판정되는 보행 단계를 예시한 그래프들이다.

지면 접촉 중심 위치 값을 필터링하지 않고 보행 단계를 판정하는 경우에, 도 6을 참조하면, 도 6의 (a)는 사용자가 5 걸음을 걷는 동안 접촉 감지 신호들로부터 산출되는 지면 접촉 중심 위치 값들의 변화를 표시한 그래프이다. 노이즈 때문에 두 번째 걸음에서 지면 접촉 중심 위치 값이 0보다 커진 후에 순간적으로 0이 되었다가 회복하는 현상을 관찰할 수 있다.

도 6의 (b)는 도 6의 (a)의 지면 접촉 중심 위치 값들으로부터 판정한 보행 단계들을 표시한 그래프이다. 접촉 감지 센서들의 접촉 감지 신호들만으로 명확하고 쉽게 보행 단계들을 구분할 수 있음을 알 수 있다.

한편, 지면 접촉 중심 위치 값이 필터링되지 않았기 때문에 도 6의 (b)에서 보행 단계가 초기 접촉기로 전환된 후에, 도 6의 (a)에서 지면 접촉 중심 위치 값의 순간적으로 0이 되었다가 회복하는 노이즈 부분에 상응하여, 짧은 순간 동안 유각기로 잘못 판정되는 현상을 관찰할 수 있다.

나아가, 지면 접촉 중심 위치 값을 필터링하고 보행 단계를 판정하는 경우에, 도 7을 참조하면, 도 7의 (a)는 사용자가 5 걸음을 걷는 동안 접촉 감지 신호들로부터 산출되는 지면 접촉 중심 위치 값들의 변화를 표시한 그래프이다. 두 번째 걸음을 딛고 지면 접촉 중심 위치 값이 0보다 커진 직후에 순간적으로 노이즈가 발생하지만, 지면 접촉 중심 위치 값은 저주파 통과 필터링 또는 이동 평균 필터링과 같은 알고리즘에 의해 평활화되기 때문에, 잠시 뒤꿈치쪽으로 이동하였다가 0까지 떨어지지 않고 바로 회복하는 현상을 관찰할 수 있다.

도 7의 (b)는 도 7의 (a)의 지면 접촉 중심 위치 값들으로부터 판정한 보행 단계들을 표시한 그래프이다. 접촉 감지 센서들의 접촉 감지 신호들만으로 명확하게 보행 단계들을 구분할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 지면 접촉 중심 위치 값이 필터링되었기 때문에 도 7의 (b)에서 보행 단계가 초기 접촉기로 전환된 후에, 도 7의 (a)에서 지면 접촉 중심 위치 값의 순간적으로 뒤꿈치쪽으로 이동하였다가 회복하는 노이즈 부분에서도, 정상적으로 초기 접촉기로 잘 판정되는 현상을 관찰할 수 있다.

본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

또한, 본 발명에 따른 장치는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽힐 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, 광학 디스크, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크, 비휘발성 메모리 등을 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

10 발모듈
11 발모듈 지지판
111 신발 마운트
112 센서 삽입 홈
113 배선 통로
114 단차
12 접촉 감지 센서
13 발굽 부재
50 보행 분석 시스템
51 발모듈
52 지면 접촉 중심 위치 산출부
53 보행 단계 판정부

Claims

지면 접촉면에 뒤꿈치로부터 앞꿈치까지 소정 간격으로 배치된 접촉 감지 센서들을 구비하는 발모듈을 이용한 보행 분석 시스템의 보행 단계 판정 방법으로서,
상기 분석 시스템이,
상기 발모듈의 접촉 감지 센서들로부터 접촉 감지 신호들을 수신하는 단계;
상기 접촉 감지 신호들 각각의 검출 값들에 기초하여 지면 접촉 중심 위치를 산출하는 단계; 및
산출된 상기 지면 접촉 중심 위치에 따라 보행 단계를 초기 접촉기, 중간 입각기, 진출기 및 유각기 중 어느 하나로 판정하는 단계를 포함하는 보행 분석 시스템의 보행 단계 판정 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 발모듈은
상면에는 사용자가 신발을 올려놓을 수 있고 하면에는 소정 간격으로 나란하게 복수의 센서 삽입 홈들을 구비하며, 상기 센서 삽입 홈들 각각의 오목한 공간까지 신호선들이 배선되도록 연장된 배선 통로를 구비하는 발모듈 지지판;
상기 복수의 센서 삽입 홈들의 각각에 지면에 마주보게 부착되는 접촉 감지 센서들; 및
상기 접촉 감지 센서가 삽입되는 상기 센서 삽입 홈들의 각각에 끼워져 상기 접촉 감지 센서를 상기 센서 삽입 홈에 밀착시키며, 상기 발모듈 지지판의 하면보다 더 돌출되는 두께를 가져서, 사용자가 지면을 밟을 때의 압력을 상기 접촉 감지 센서들에 전달하는 복수의 발굽 부재들을 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템의 보행 단계 판정 방법.
청구항 2에 있어서, 상기 발모듈 지지판은 상기 센서 삽입 홈들의 양 가장자리들에 돌출된 단차들을 더 구비하고,
상기 발굽 부재는 상기 센서 삽입 홈의 양 가장자리의 돌출된 단차들 사이에 끼워지고 상기 발모듈 지지판의 하면에서 상기 단차보다 더 돌출되는 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템의 보행 단계 판정 방법.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 접촉 감지 센서들은 필름형 압력 센서인 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템의 보행 단계 판정 방법.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 발굽 부재는 상기 접촉 감지 센서에 밀착되는 제1 면의 너비가 지면에 닿는 제2 면의 너비보다 넓은 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템의 보행 단계 판정 방법.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 발굽 부재는 단면이 사다리꼴인 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템의 보행 단계 판정 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 접촉 감지 신호의 검출 값이 참(True)일 때 1이거나 거짓(False)일 때 0이라면,
상기 지면 접촉 중심 위치는, 다음 수학식

에 따라 산출되며,
여기서 COCP_sensor는 상기 접촉 감지 센서들이 등간격으로 배치된 경우에 산출되는 지면 접촉 중심 위치, i는 상기 발모듈의 뒷꿈치에 가장 가까운 접촉 감지 센서부터 1씩 증가하는 자연수로써 부여되는 각각의 접촉 감지 센서의 센서 번호, sensor_i는 i 번째 접촉 감지 센서로부터 수신된 접촉 감지 신호의 검출 값인 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템의 보행 단계 판정 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 접촉 감지 신호의 검출 값이 참(True)일 때 1이거나 거짓(False)일 때 0이라면,
상기 지면 접촉 중심 위치는, 다음 수학식

에 따라 산출되며,
여기서 COCP_length는 상기 접촉 감지 센서들이 소정 간격으로 배치된 경우에 산출되는 지면 접촉 중심 위치, i는 뒷꿈치에 가장 가까운 접촉 감지 센서부터 1씩 증가하는 자연수로써 부여되는 각각의 접촉 감지 센서의 센서 번호, P_i는 상기 발모듈의 뒷꿈치로부터 i 번째 접촉 감지 센서까지의 거리, sensor_i는 i 번째 접촉 감지 센서로부터 수신된 접촉 감지 신호의 검출 값인 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템의 보행 단계 판정 방법.
청구항 7 또는 청구항 8 중에 있어서, 상기 보행 단계를 판정하는 단계는,
상기 접촉 감지 신호들의 합이 0이면 유각기로 판정하는 단계;
상기 접촉 감지 신호들의 합이 0보다 크고, 상기 지면 접촉 중심 위치가 제1 문턱값보다 작으면 초기 접촉기로 판정하는 단계;
상기 접촉 감지 신호들의 합이 0보다 크고, 상기 지면 접촉 중심 위치가 제1 문턱값보다 크지만 제2 문턱값보다 작으면 중간 입각기로 판정하는 단계; 및
상기 접촉 감지 신호들의 합이 0보다 크고, 상기 지면 접촉 중심 위치가 제2 문턱값보다 크면 진출기로 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템의 보행 단계 판정 방법.
컴퓨터에서 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 청구항에 따른 보행 분석 시스템의 보행 단계 판정 방법의 각 단계들을 구현하도록 컴퓨터로 독출될 수 있는 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
상면에는 사용자가 신발을 올려놓을 수 있고 하면에는 소정 간격으로 나란하게 복수의 센서 삽입 홈들을 구비하며, 상기 센서 삽입 홈들 각각의 오목한 공간까지 신호선들이 배선되도록 연장된 배선 통로를 구비하고, 상기 보행 보조 장치의 하부 하지 모듈과 결합되는 발모듈 지지판;
상기 복수의 센서 삽입 홈들의 각각에 지면에 마주보게 부착되는 접촉 감지 센서들; 및
상기 센서 삽입 홈들의 양 가장자리의 돌출된 단차들 사이에 끼워지고, 상기 접촉 감지 센서들에 밀착되며, 상기 발모듈 지지판의 하면에서 상기 단차보다 더 돌출되는 두께를 가져서, 사용자가 지면을 밟을 때의 압력을 상기 접촉 감지 센서들에 전달하는 복수의 발굽 부재들을 포함하는 보행 분석 시스템의 발모듈.
청구항 11에 있어서, 상기 발모듈 지지판은 상기 센서 삽입 홈들의 양 가장자리들에 돌출된 단차들을 더 구비하고,
상기 발굽 부재는 상기 센서 삽입 홈의 양 가장자리의 돌출된 단차들 사이에 끼워지고 상기 발모듈 지지판의 하면에서 상기 단차보다 더 돌출되는 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템의 발모듈.
청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 상기 접촉 감지 센서들은 필름형 압력 센서인 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템의 발모듈.
청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 상기 발굽 부재는 상기 접촉 감지 센서에 밀착되는 제1 면의 너비가 지면에 닿는 제2 면의 너비보다 넓은 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템의 발모듈.
청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 상기 발굽 부재는 단면이 사다리꼴인 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템의 발모듈.
소정 간격으로 지면을 향하도록 배치된 접촉 감지 센서들로부터 수신된 접촉 감지 신호들 각각의 검출 값들에 기초하여 지면 접촉 중심 위치를 산출하는 지면 접촉 중심 위치 산출부; 및
산출된 상기 지면 접촉 중심 위치에 따라 보행 단계를 초기 접촉기, 중간 입각기, 진출기 및 유각기 중 어느 하나로 판정하는 보행 단계 판정부를 포함하는 보행 분석 시스템.
청구항 16에 따른 보행 분석 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장치.