KR20170019175A - 보행 보조 장치의 토크 계산 방법 및 장치 - Google Patents

보행 보조 장치의 토크 계산 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

보행 보조 장치의 토크를 계산하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 토크 계산 방법은 측정된 관절 각도(joint angle)를 수신하고, 관절 각도에 기반하여 미리 정해진 개수의 보행 상태들 간의 천이(transition)에 대한 보행 파라미터(gait parameter)를 획득하고, 관절 각도에 기반하여 보행 싸이클(gait cycle)을 획득하고, 보행 싸이클 및 보행 파라미터에 기반하여 출력 토크를 획득한다.

Description

보행 보조 장치의 토크 계산 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR CALCULATING TORQUE OF WALKING ASSIST DEVICE}
아래의 실시예들은 토크 계산 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보행 보조 장치의 토크 계산 방법에 관한 것이다.
최근 고령화 사회가 심화되면서 관절에 문제가 있어서 이에 대한 고통과 불편을 호소하는 사람들이 증가하고 있고, 관절이 불편한 노인이나 환자들이 보행을 원활하게 할 수 있는 보행 보조 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 군사용 등의 목적으로 인체의 근력을 강화시키기 위한 보행 보조 장치들이 개발되고 있다.
예를 들어, 보행 보조 장치는, 사용자의 몸통에 장착되는 몸체 프레임과, 몸체 프레임의 하측에 결합되어 사용자의 골반을 감싸는 골반 프레임과, 사용자의 대퇴부 및 종아리, 발 부위에 장착되는 대퇴부 프레임, 종아리 프레임, 발 프레임으로 구성된다. 골반 프레임과 대퇴부 프레임은 고관절부에 의해 회전 가능하도록 연결되고, 대퇴부 프레임과 종아리 프레임은 무릎 관절부에 의해 회전 가능하도록 연결되며, 종아리 프레임과 발 프레임은 발목 관절부에 의해 회전 가능하도록 연결된다.
일 측면에 따른, 보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법은 상기 관절 각도에 기반하여 미리 정해진 개수의 보행 상태들 간의 천이(transition)에 대한 보행 파라미터(gait parameter)를 획득하는 단계, 상기 관절 각도에 기반하여 보행 싸이클(gait cycle)을 획득하는 단계 및 상기 보행 싸이클 및 상기 보행 파라미터에 기반하여 출력 토크를 획득하는 단계를 포함한다.
상기 보행 싸이클을 획득하는 단계는, 상기 관절 각도에 기반하여 보행 주파수(gait frequency)를 계산하는 단계 및 상기 보행 주파수를 이용하여 상기 보행 싸이클을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 보행 파라미터를 획득하는 단계는, 이전의(previous) 보행 상태 및 상기 관절 각도에 기반하여 현재의(current) 보행 상태를 결정하는 단계, 상기 이전의 보행 상태 및 상기 현재의 보행 상태를 비교함으로써 상기 천이가 발생하였는지 여부를 판단하는 단계 및 상기 천이가 발생한 경우, 상기 보행 파라미터를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 보행 파라미터를 획득하는 단계는 상기 보행 파라미터로서 제2 보행 싸이클(second gait cycle)을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 토크를 계산하는 단계는 상기 보행 싸이클 및 상기 제2 보행 싸이클을 이용하여 상기 토크를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 보행 싸이클을 획득하는 단계는 상기 현재의 보행 상태에 대해 미리 설정된 값을 상기 제2 보행 싸이클의 값으로 정의하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 보행 파라미터를 획득하는 단계는 상기 보행 파라미터로서 제2 보행 주파수(second gait frequency)를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 토크를 계산하는 단계는 상기 보행 싸이클 및 상기 제2 보행 주파수를 이용하여 상기 토크를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 보행 주파수를 계산하는 단계는 상기 천이의 주기(period)를 이용하여 상기 제2 보행 주파수를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 현재의 보행 상태를 결정하는 단계는 관절 각도에 대해 미리 정해진 개수의 보행 상태들 중 상기 측정된 관절 각도에 대응되는 보행 상태를 상기 현재의 보행 상태로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 토크를 계산하는 단계는 상기 획득된 보행 싸이클 및 상기 보행 파라미터 간의 차이가 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계 및 상기 차이가 상기 임계치 이상인 경우 상기 보행 싸이클 및 상기 보행 파라미터 중 상기 보행 파라미터만을 이용하여 상기 토크를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 토크를 계산하는 단계는 상기 획득된 보행 싸이클 및 상기 보행 파라미터 간의 차이가 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계 및 상기 차이가 상기 임계치 미만인 경우 상기 보행 싸이클 및 상기 보행 파라미터를 이용하여 상기 토크를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 토크를 계산하는 단계는 미리 설정된 조건이 만족되었는지 여부를 판단하는 단계 및 상기 조건이 만족된 경우 상기 보행 싸이클 및 상기 보행 파라미터 중 상기 보행 파라미터만을 이용하여 상기 토크를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 조건은 동작 초기 판단 조건일 수 있다.
상기 동작 초기 판단 조건은 상기 미리 정해진 개수의 보행 상태들 중 어느 하나의 보행 상태가 현재의 보행 상태로 결정된 것이 미리 설정된 횟수 이하일 수 있다.
상기 토크를 계산하는 단계는 상기 보행 사이클 및 상기 보행 파라미터에 기반하여 최종 보행 사이클 (final gait cycle)을 결정하는 단계 및 상기 최종 보행 사이클에 대응되는 상기 토크를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 관절 각도는 고관절(hip joint)의 각도일 수 있다.
상기 보행 싸이클을 획득하는 단계는 PSAO (Particularly-Shaped Adaptive Oscillator)를 이용하여 상기 보행 싸이클을 획득할 수 있다.
상기 보행 파라미터를 획득하는 단계는 유한 상태 기계(Finite State Machine; FSM)에 기반하여 상기 보행 파라미터를 획득할 수 있다.
다른 일 측면에 따른, 토크 계산 장치는 측정된 관절 각도(joint angle)를 수신하는 통신부 및 상기 관절 각도에 기반하여 미리 정해진 개수의 보행 상태들 간의 천이에 대한 보행 파라미터(gait parameter)를 획득하고, 상기 관절 각도에 기반하여 보행 싸이클(first gait cycle)을 획득하고, 상기 보행 싸이클 및 상기 보행 파라미터를 이용하여 출력 토크를 획득하는 프로세서를 포함한다.
또 다른 일 측면에 따른, 토크 계산 방법은 측정된 관절 각도(joint angle)에 기반하여 제1 보행 싸이클(first gait cycle)을 획득하는 단계, 상기 관절 각도에 기반하여 미리 정해진 개수의 보행 상태들 간의 천이(transition)에 대한 보행 제2 보행 싸이클(second gait cycle)을 획득하는 단계, 상기 천이가 발생한 경우 상기 제1 보행 싸이클 및 상기 제2 보행 싸이클에 기반하여 최종 보행 싸이클(final gait cycle)을 계산하는 단계 및 상기 최종 보행 싸이클에 대응되는 토크를 계산하는 단계를 포함한다.
도 1 및 도 2는 일 예에 따른 보행 보조 장치를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 구성도이다.
도 4는 일 예에 따른 보조 토크 계산 방법의 흐름도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 출력 토크 계산 방법의 흐름도이다.
도 6은 일 예에 따른 보행 싸이클을 획득하는 방법의 흐름도이다.
도 7은 일 예에 따른 PSAO에 의한 보행 싸이클을 도시한다.
도 8은 일 예에 따른 보행 싸이클에 대한 고관절의 관절 각도의 기준 궤적을 도시한다.
도 9는 일 예에 따른 보행 싸이클에 대해 설정된 보조 토크를 도시한다.
도 10은 일 예에 따른 측정된 고관절의 관절 각도의 궤적을 도시한다.
도 11은 일 예에 따른 시간에 대한 보행 싸이클을 도시한다.
도 12는 일 예에 따른 보행 파라미터를 획득하는 방법의 흐름도이다.
도 13은 일 예에 따른 보행 상태를 도시한다.
도 14는 일 예에 따른 보행 상태들 간의 천이를 도시한다.
도 15는 일 예에 따른 제2 보행 싸이클 및 제2 보행 주파수를 획득하는 방법의 흐름도이다.
도 16은 일 예에 따른 토크를 계산하는 방법의 흐름도이다.
도 17은 다른 일 예에 따른 토크를 계산하는 방법의 흐름도이다.
도 18은 또 다른 일 예에 따른 토크를 계산하는 방법의 흐름도이다.
도 19는 일 예에 따른 최종적으로 획득된 보행 싸이클의 결과를 도시한다.
도 20 내지 도 22는 다른 일 예에 따른 보행 보조 장치를 도시한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
<보행 보조 장치의 개요>
도 1 및 도 2는 일 예에 따른 보행 보조 장치를 도시한다.
도 1을 참조하면, 보행 보조 장치(100)는 사용자에게 장착되어 사용자의 보행을 보조한다. 보행 보조 장치(100)는 웨어러블 장치(wearable device)일 수 있다.
도 1은 힙 타입(hip-type)의 보행 보조 장치를 도시하고 있으나, 보행 보조 장치의 타입은 힙 타입에 제한되는 것은 아니며, 보행 보조 장치는 하지 전체를 지원하는 형태 또는 하지 일부를 지원하는 타입일 수 있다. 그리고, 보행 보조 장치는 하지 일부를 지원하는 형태, 무릎까지 지원하는 형태, 발목까지 지원하는 형태 및 전신을 지원하는 형태 중 어느 하나일 수 있다.
전신을 지원하는 보행 보조 장치에 대해, 하기에서 도 20 내지 22를 참조하여 상세히 설명된다.
도 1 등을 참조하여 설명되는 실시예들은 힙 타입에 대해 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아니며 사용자의 보행을 보조하는 장치에 대해서 모두 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 20 내지 도 22를 참조하여 설명되는 전신형 보행 보조 장치에 대해서도 모두 적용될 수 있다.
일 측면에 따르면, 보행 보조 장치(100)는 구동부(110), 센서부(120), 관성 (Inertial Measurement Unit; IMU) 센서(130) 및 제어부(140)를 포함한다.
구동부(110)는 사용자의 고관절(hip joint)을 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 구동부(110)는 사용자의 오른쪽 힙 및/또는 왼쪽 힙 부분에 위치할 수 있다.
예를 들어, 구동부(110)는 회전 토크를 발생시킬 수 있는 모터를 포함할 수 있다.
센서부(120)는 보행 시 사용자의 고관절의 각도를 측정할 수 있다. 센서부(120)에서 센싱되는 고관절의 각도에 대한 정보는 오른쪽 고관절의 각도, 왼쪽 고관절의 각도, 양쪽 고관절 각도들 간의 차이 및 고관절 운동 방향을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서부(120)는 구동부(110) 내에 위치할 수 있다.
일 측면에 따르면, 센서부(120)는 포텐셔미터를 포함할 수 있다. 포텐셔미터는 사용자의 보행 동작에 따른 R축, L축 관절 각도 및 R축, L축 관절 각속도를 센싱할 수 있다.
관성 센서(130)는 보행 시 가속도 정보와 자세 정보를 측정할 수 있다. 예를 들어, 관성 센서(130)는 사용자의 보행 동작에 따른 X축, Y축, Z축 가속도 및 X축, Y축, Z축 각속도를 센싱할 수 있다.
보행 보조 장치(100)는 관성 센서(130)에서 측정된 가속도 정보에 기반하여 사용자의 발이 착지하는 지점을 검출할 수 있다.
압력 센서(도시되지 않음)는 사용자의 발바닥에 위치하여 사용자의 발의 착지 시점을 검출할 수 있다.
보행 보조 장치(100)는 앞서 설명한 센서부(120) 및 관성 센서(130) 이외에, 보행 동작에 따른 사용자의 운동량 또는 생체 신호 등의 변화를 센싱할 수 있는 다른 센서(예를 들어, 근전도 센서(ElectroMyoGram sensor; EMG sensor))를 포함할 수 있다.
제어부(140)는 구동부(110)가 사용자의 보행을 돕기 위한 토크(또는, 보조력, 보조 토크)를 출력하도록, 구동부(110)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 힙 타입의 보행 보조 장치(100)에서, 구동부(110)는 두 개(왼쪽 힙 및 오른쪽 힙)일 수 있고, 제어부(140)는 토크가 발생하도록 구동부(110)를 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있다.
구동부(110)는 제어부(140)가 출력한 제어 신호에 기반하여, 토크를 발생시킬 수 있다.
토크는 외부에 의해 설정될 수도 있고, 제어부(140)에 의해 설정될 수도 있다.
일 측면에 따르면, 보행 보조 장치(100)는 오른쪽 다리를 위한 구동부(110) 및 왼쪽 다리를 위한 구동부(110)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제어부(140)는 어느 하나의 구동부(110)를 제어하도록 설계될 수 있다. 제어부(140)가 어느 하나의 구동부(110)만을 제어하는 경우, 제어부(140)는 복수 개일 수 있다.
다른 예로, 제어부(140)는 양쪽의 구동부(110)들을 모두 제어하도록 설계될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 구성도이다.
보행 보조 장치(300)는 제어부(310), 센서(320) 및 구동부(330)를 포함할 수 있다.
보행 보조 장치(300)는 전술된 보행 보조 장치(100)에 대응된다. 예를 들어, 제어부(310)는 제어부(140)에 대응되고, 센서(320)는 센서부(120)에 대응되고, 구동부(330)는 구동부(110)에 대응된다.
일 측면에 따르면, 제어부(310)는 통신부(311), 프로세서(312) 및 저장부(313)를 포함할 수 있다. 제어부(310)는 토크 계산 장치로 명명될 수 있다.
통신부(311)는 센서(320)와 데이터를 교환할 수 있고, 다른 장치들과 통신을 수행한다.
프로세서(312)는 통신부(311)가 수신한 데이터 및 저장부(313)에 저장된 데이터를 처리한다.
저장부(313)는 통신부(311)가 수신한 데이터 및 프로세서(312)가 처리한 데이터를 저장한다.
제어부(310), 센서(320) 및 구동부(330)는, 아래 도 4 내지 도 19를 참조하여 상세히 설명된다.
<보행 보조 장치의 보조 토크 계산 방법>
도 4는 일 예에 따른 보조 토크 계산 방법의 흐름도이다.
보행 보조 장치(300)는 보행 시 보행 상태에 대응하는 보조 토크를 연속적으로 사용자에게 제공할 수 있다.
일 측면에 따르면, 보행 보조 장치(300)는 사용자의 관절 각도에 기반하여 보조 토크를 계산할 수 있다. 관절은 고관절, 무릎 관절 및 발목 관절을 포함할 수 있다.
단계(410)에서, 보행 보조 장치(300)는 사용자의 관절 각도를 측정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 보행 보조 장치(300)의 관절 각도 센서가 관절 각도를 측정할 수 있다. 센서(320)는 관절 각도 센서를 포함할 수 있다.
예를 들어, 관절 각도는 사용자의 관절 주위에 부착된 관절 각도 센서에 의해 측정될 수 있다. 다른 예로, 관절 각도 센서는 관절을 중심으로 지지하는 두 개의 지지대의 각도를 측정함으로써 관절 각도를 측정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 단계(420)에서, 보행 보조 장치(300)는 PSAO (Particularly Shaped Adaptive Oscillator)에 의한 제1 보행 싸이클(first gait cycle)을 추정할 수 있다.
단계(430)에서, 보행 보조 장치(300)는 FSM (Finite State Machine)에 의한 제2 보행 싸이클(second gait cycle)을 추정할 수 있다.
단계(430)가 수행된 후, 단계(420)에서, 보행 보조 장치(300)는 제1 보행 싸이클 및 제2 보행 싸이클을 이용하여 최종 보행 싸이클(final gait cycle)을 추정할 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 단계(430)가 수행된 후, 단계(420)에서, 보행 보조 장치(300)는 제2 보행 싸이클을 이용하여 제1 보행 싸이클을 추정할 수 있다. 제1 보행 싸이클이 최종 보행 싸이클일 수 있다.
단계(440)에서, 보행 보조 장치(100)는 최종 보행 싸이클에 대한 보조 토크를 계산할 수 있다.
계산된 보조 토크는 구동부(330)로 전달될 수 있다. 구동부(330)는 모터를 회전시킴으로써 보조 토크를 발생시킬 수 있다.
PSAO 및 FSM을 이용하여 출력 토크를 계산(또는, 획득)하는 방법을, 아래 도 5 내지 도 19를 참조하여 상세히 설명한다.
< PSAO 및/또는 FSM를 이용한 출력 토크 계산 방법>
도 5는 일 실시예에 따른 출력 토크 계산 방법의 흐름도이다.
단계(510)에서, 센서(320)는 관절 각도를 측정한다. 예를 들어, 센서(320)는 고관절의 각도를 측정할 수 있다.
센서(320)는 미리 정해진 주기에 따라 관절 각도를 측정할 수 있다.
단계(520)에서, 센서(320)는 통신부(311)로 측정된 관절 각도를 전송한다.
통신부(3110)는 센서(320)로부터 측정된 관절 각도를 수신한다.
일 측면에 따르면, 센서(320) 및 통신부(311)는 무선 근거리통신을 이용하여 데이터를 교환할 수 있다.
관절 각도가 미리 정해진 주기에 따라 측정되기 때문에, 측정된 관절 각도들은 시간 축에 대응하는 궤적을 생성할 수 있다.
단계(530)에서, 프로세서(312)는 관절 각도에 기반하여 보행 싸이클을 획득한다. 예를 들어, 프로세서(312)는 관절 각도에 대한 궤적을 이용하여 보행 싸이클을 획득할 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 PSAO를 이용하여 연속적으로 보행 싸이클을 획득할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(312)는 미리 설정된 관절 각도의 궤적을 참조하여 현재의 보행 싸이클을 획득할 수 있다. 미리 설정된 관절 각도의 궤적은, 아래 도 8을 참조하여 상세히 설명된다.
PSAO를 이용하여 획득된 보행 싸이클은 제1 보행 싸이클일 수 있다.
일 측면에 따르면, 단계(540)를 수행하는 프로세서는 프로세서(312)과 동일할 수 있다. 다시 말하자면, 단계(530) 및 단계(540)는 동일한 프로세서(312)에 의해 수행되는 것일 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 단계(540)를 수행하는 프로세서는 프로세서(312)와 상이한 프로세서일 수 있다. 이 경우, 제어부(310)는 복수의 프로세서들을 포함할 수 있다.
하기의 설명에서는 단계(530) 및 단계(540)가 동일한 프로세서에 의해 수행되는 것으로 설명되나, 단계(530) 및 단계(540)가 서로 다른 프로세서들에 의해 각각 수행될 수도 있다.
단계(540)에서, 프로세서(312)는 관절 각도에 기반하여 미리 정해진 개수의 보행 상태들 간의 천이(transition)에 대한 보행 파라미터(gait parameter)를 획득할 수 있다. 미리 정해진 개수의 보행 상태들 간의 천이는, 아래 도 12 내지 도 14를 참조하여 상세히 설명된다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 FSM을 이용하여 보행 파라미터를 획득할 수 있다. 예를 들어, 보행 파라미터는 FSM을 이용하여 측정되는 제2 보행 주파수(gait frequency) 및 제2 보행 싸이클일 수 있다. FSM을 이용하여 측정되는 제2 보행 주파수 및 제2 보행 싸이클은, 아래 도 15를 참조하여 설명된다.
일 측면에 따르면, 단계(530) 및 단계(540)는 병렬적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, PSAO에 의한 보행 싸이클 및 FSM에 의한 보행 파라미터가 병렬적으로 획득될 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 단계(540)가 수행됨으로써 보행 파라미터가 획득되고, 단계(530)에서 보행 파라미터가 PSAO에 의한 보행 싸이클을 획득하기 위한 참조 값(reference value)으로 이용될 수 있다.
단계(550)에서, 프로세서(312)는 획득된 보행 싸이클 및 획득된 보행 파라미터에 기반하여 출력 토크를 계산(또는, 획득)할 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 제1 보행 싸이클 및 보행 파라미터(예를 들어, 제2 보행 싸이클)를 이용하여 최종 보행 싸이클을 획득할 수 있다. 프로세서(312)는 최종 보행 싸이클에 대응하는 출력 토크를 계산할 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 보행 파라미터가 PSAO에 의한 보행 싸이클을 획득하기 위한 참조 값으로 이용된 경우 프로세서(312)는 제1 보행 싸이클에 대응하는 출력 토크를 계산할 수 있다.
출력 토크를 계산하는 방법에 대해, 하기에서 도 16 내지 도 18을 참조하여 상세히 설명된다.
단계(560)에서, 프로세서(312)는 계산된 출력 토크에 대한 신호를 구동부(330)에 설정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(312)는 통신부(311)를 통해 출력 토크에 대한 신호를 구동부(330)에 전달함으로써 출력 토크를 구동부(330)에 설정할 수 있다.
구동부(330)는 신호에 기반하여 모터를 이용하여 토크를 발생시킬 수 있다.
도 6은 일 예에 따른 보행 싸이클을 획득하는 방법의 흐름도이다.
PSAO는 측정된 관절 각도를 입력으로 하고, 보행 싸이클을 출력으로 하는 신호처리에 대한 모듈일 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 PSAO 모듈을 포함할 수 있다. 이하의 설명에서 PSAO에 대한 설명은 프로세서(312)에 대한 설명으로 이해될 수 있다.
전술된 단계(530)는 하기의 단계들(610 및 620)을 포함할 수 있다.
단계(610)에서, 프로세서(312)는 보행 주파수를 계산할 수 있다.
도 8에 도시되어 있는 바와 같이, PSAO에 저장된 관절 각도의 기준 궤적(이하에서, 관절 각도의 기준 궤적은 기준 궤적으로 약술된다)은 보행 싸이클에 대한 관절 각도의 기준 궤적일 수 있다.
보행 싸이클은 제1 다리가 지면에 닿는 순간부터 제1 다리가 다시 지면에 닿는 순간까지를 한 주기로 할 수 있다.
도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 보행 싸이클은 한 주기 동안 선형적으로 증가하는 변수로 정의될 수 있다. 도 7은 양쪽 다리들 중 어느 한쪽 다리의 궤적에 대해서만 도시되어 있으나, 다른 한쪽 다리의 궤적에 대해서도 도 7과 유사하게 설명될 수 있다.
예를 들어, 보행 싸이클에서 0%는 다리가 스윙(swing)을 마치고 지면에 닿는 상태를 나타내고, 0% 내지 60%는 다리가 몸을 지지(stance)하고 있는 상태를 나타내고, 60% 내지 100%는 다리가 스윙을 하고 있는 상태를 나타내고, 100%는 다리가 스윙을 마치고 지면에 닿기 직전의 상태를 나타낼 수 있다.
PSAO는 오프셋, 기본 주파수 또는 기본 주파수를 변조한 주파수를 갖는 복수의 오실레이터(oscillator)들을 포함할 수 있다. 복수의 오실레이터들은 각각의 위상과 진폭을 가질 수 있다. 기본 주파수를 변조한 주파수는 기본 주파수의 정수 배의 주파수일 수도 있다.
구체적으로, PSAO는 기본 주파수와 기본 주파수의 정수 배에 해당하는 주파수를 가지는 복수의 오실레이터들 각각에 기준 궤적, 각각의 위상 및 진폭을 적용함으로써 복수의 오실레이터들 각각의 각도를 획득할 수 있다.
PSAO는 복수의 오실레이터들로부터 획득된 복수의 각도들을 중첩함으로써 중첩 각도를 생성할 수 있다. PSAO는 생성된 중첩 각도를 보행 싸이클의 순서로 조합함으로써 중첩 각도 궤적을 생성할 수 있다. 이후, PSAO는 중첩 각도와 측정된 관절 각도 간의 오차를 최소화하기 위해서, 기본 주파수, 오프셋, 복수의 오실레이터들의 위상 및 진폭을 반복적으로 보정할 수 있다.
상기의 보정을 반복하면, 중첩 각도 궤적이 측정된 관절 각도의 궤적과 근사화될 수 있다. 기본 주파수, 오프셋 및 복수의 오실레이터들의 진폭은 측정된 관절 각도의 궤적과 대응되도록 일정한 값으로 수렴될 수 있다.
생성된 중첩 각도 궤적이 측정된 관절 각도의 궤적과 대응되는 경우, PSAO의 기본 주파수는 보행 주파수와 대응된다. 기본 주파수를 가지는 오실레이터의 위상은 현재의 보행 위상에 해당할 수 있다.
이하, 전술한 PSAO가 측정된 관절 각도의 궤적에 주기적으로 대응되도록 기본 주파수, 오프셋, 복수의 오실레이터들의 위상 및 진폭을 보정하는 방법과 보행 위상을 산출하는 방법에 대해 수학식을 이용하여 설명하도록 한다.
Figure pat00001
[수학식 1]은 중첩 각도를 산출하는 식이다.
[수학식 1]에서, i 는 PSAO의 복수의 오실레이터들을 나타내고, n은 관절 각도의 측정 및 보정 싸이클의 인덱스를 나타내고, θp 중첩 각도를 나타내고, αo는 중첩 각도의 오프셋을 나타내고, αi는 i번째 오실레이터의 진폭을 나타내고,
Figure pat00002
는 기준 궤적의 함수를 나타내고,
Figure pat00003
는 i번째 오실레이터의 위상을 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
[수학식 2]는 오차 값을 계산하는 수학식이다. 오차 값은 측정된 관절 각도와 [수학식 1]에서 계산한 중첩 각도의 차이 값일 수 있다.
[수학식 2]에서, ε는 오차 값을 나타내고, θh는 측정된 관절 각도를 나타낸다.
Figure pat00005
[수학식 3]은 PSAO의 오실레이터의 관절 각도 기준 궤적에 대한 변화율 나타낸다.
Figure pat00006
[수학식 4]는 PSAO의 복수의 오실레이터들 중 기본 주파수의 i배의 주파수를 가지는 오실레이터의 진폭을 보정하는 수학식이다.
[수학식 4]에서, 진폭의 보정 이득, 오차 값 및 i번째의 오실레이터의 위상을 기준 궤적의 함수에 적용한 결과 값을 곱하고, 오실레이터의 인덱스를 나눔으로써 오실레이터의 진폭 보정량이 계산될 수 있다.
[수학식 4]에서, 진폭 보정량에 보정 반복 주기인 Ts를 곱하고, 그 결과 값에 이전 보정 진폭 값을 더함으로써 현재 보정 진폭 값이 계산될 수 있다.
[수학식 4]에서, 현재 보정 진폭 값이 0보다 작지 않게 제한될 수 있다. [수학식 4]를 통해 측정된 관절 각도와 중첩 각도 사이의 오차 값을 감소시킬 수 있다.
[수학식 4]에서, ka는 진폭의 보정 이득을 나타내고, Ts는 관절 각도의 측정 및 보정 반복 주기를 나타내고, Ts는 샘플링 주기를 나타낼 수 있다. 샘플링 주기는 대략 1~10[ms]의 범위 내일 수 있다.
Figure pat00007
[수학식 5]는 PSAO의 복수의 오실레이터들 중 기본 주파수의 i배의 주파수를 가지는 오실레이터의 위상을 계산하는 수학식이다.
i번째 오실레이터는 기본 주파수의 i배의 주파수를 가질 수 있다. 위상이 오차 값과 기준 궤적의 변화율을 곱한 값에 의해 그 증가량이 변화될 수 있기 때문에, 측정된 관절 각도 및 중첩 각도 궤적 간의 오차 값이 감소할 수 있다.
위상을 보정하기 위해서 오실레이터의 인덱스와 PSAO의 기본 주파수를 곱하여 제1 값을 계산하고, 위상의 보정이득, 오차 및 오실레이터의 위상을 기준 궤적의 변화율에 대한 함수에 적용한 결과값을 곱하고, 복수의 오실레이터들의 진폭들을 모두 더한 값으로 나누어 제2 값을 계산할 수 있다. 제1 값과 제2 값을 더함으로써 i번째 오실레이터의 위상의 보정 값을 계산할 수 있다. 계산된 보정 값에 보정 싸이클 주기를 곱하고, 이전의 샘플링 타임에 보정된 위상을 더하면, i번째 오실레이터(oscillator)의 현재의 보정된 위상을 계산할 수 있다.
[수학식 5]에서,
Figure pat00008
는 위상의 보정 이득을 나타내고, ω는 PSAO의 기본 주파수를 나타낸다.
Figure pat00009
[수학식 6]은 PSAO의 기본 주파수를 보정하는 식이다.
[수학식 6]은 주파수의 보정 이득, 오차 값 및 첫 번째 오실레이터의 위상을 기준 궤적의 변화율에 대한 함수에 적용한 결과 값을 곱하고, 복수의 오실레이터들의 진폭들을 모두 더한 값으로 나눔으로써 제3 값을 계산할 수 있다.
[수학식 6]은 커플링 주파수 이득, 다른 PSAO가 다른 측면에서 측정한 관절 각도 궤적의 주파수와 본 PSAO의 기본 주파수의 차이를 제곱하고, -1/2를 곱한 값을 자연지수 처리한 값 및 다른 측면에서 측정된 관절 각도 궤적의 주파수 및 기본 주파수 간의 차이를 곱한 값을 [수학식 6]에서 계산되는 관절을 제외한 모든 관절 별로 더하여 제4 값을 얻을 수 있다.
예를 들어, 본 PSAO는 오른쪽 고관절의 각도 궤적의 주파수를 측정할 수 있고, 다른 PSAO는 왼쪽 고관절의 각도 궤적의 주파수를 측정할 수 있다.
[수학식 6]의 제3 값은 PSAO의 기본 주파수가 측정된 관절 각도의 궤적의 주파수에 대응되도록 기본 주파수를 보정하기 위한 값일 수 있다.
추정된 왼쪽의 관절 각도 궤적의 주파수 및 추정된 오른쪽의 관절 각도 궤적의 주파수는 일반적으로 일치할 수 있다. 그러나, 추정된 각각의 주파수가 상이한 경우, 제4 값은 상이한 주파수들을 일치시키기 위해 기본 주파수를 보정하기 위한 값일 수 있다.
구체적으로, 제4 값의 자연지수 부분은 두 주파수들 간의 차이가 크면 0으로 수렴하기 때문에, 두 주파수들 간의 커플링을 차단할 수 있다. 제4 값의 자연지수 부분은 두 주파수들 간의 차이가 작으면 두 주파수들이 동일하게 되도록 유도할 수 있다.
제3 값 및 제4 값의 합은 PSAO의 기본 주파수의 보정량일 수 있다. 제3 값과 제4 값의 합에 보정 주기를 곱한 뒤, 이전에 보정된 기본 주파수를 더하면 현재의 보정 기본 주파수를 계산할 수 있다.
[수학식 6]에서, kω는 주파수의 보정 이득을 나타내고, kc는 커플링 주파수 이득을 나타내고, ωext는 다른 PSAO가 다른 측면에서 측정한 관절 각도 궤적의 주파수를 나타낼 수 있다.
Figure pat00010
[수학식 7]은 PSAO의 중첩 각도의 오프셋을 보정하는 수식이다.
[수학식 7]은 PSAO의 중첩 각도의 오프셋이 측정된 관절 각도의 오프셋에 상응하게 보정함으로써 오프셋으로 인한 계산 오차를 감소시킬 수 있다.
[수학식 7]에서, ko은 오프셋 보정 이득을 나타낼 수 있다. 전술된 수학식들을 통해 PSAO는 측정된 관절 각도에 대응되도록 중첩 각도를 계산하고, 이러한 계산을 보행 시간 동안 계속적으로 수행함으로써 중첩 각도의 궤적과 측정된 관절 각도의 궤적을 서로 대응시킬 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 PSAO 또는 PSAO 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(312)는 왼쪽 고관절을 위한 PSAO 및 오른쪽 고관절을 위한 PSAO를 포함할 수 있다.
전술된 [수학식 1] 내지 [수학식 7]을 통해 보행 주파수가 계산될 수 있다.
단계(620)에서, 프로세서(312)는 보행 주파수를 이용하여 보행 싸이클을 획득할 수 있다.
프로세서(3120)는 PCAO (Phase Compensated Adaptive Oscillator)를 이용하여 보행 싸이클을 획득할 수 있다.
일 측면에 따르면, PCAO는 측정된 관절 각도를 입력으로 하고, 현재의 보행 싸이클을 출력으로 하는 신호처리에 대한 모듈일 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, PCAO는 PSAO의 기준 궤적을 구형파(Sinusoidal Wave)로 대신하는 PSAO의 하위개념일 수 있다.
프로세서(312)는 PCAO 모듈을 포함할 수 있다. 이하의 설명에서 PCAO에 대한 설명은 프로세서(312)에 대한 설명으로 이해될 수 있다.
PCAO는 AO-1(제1 Adaptive Oscillator), AO-2(제2 Adaptive Oscillator) 및 보행 싸이클 계산부를 포함할 수 있다.
AO-1는 측정된 관절 각도를 입력으로 하여, 기본 주파수와 기본 주파수를 변조한 주파수를 가지는 삼각함수들을 중첩해 제1 중첩 각도 궤적을 계산할 수 있다. AO-1는 기본 주파수를 가지는 삼각함수의 위상인 제1 위상을 계산할 수 있다.
AO-2는 보행 싸이클 계산부에서 계산한 현재의 보행 싸이클을 이용하여, 현재의 보행 싸이클에 대응되는 기준 궤적 상의 기준 각도를 기본 주파수와 기본 주파수를 변조한 주파수를 가지는 삼각함수들에 적용할 수 있다. AO-2는 기준 각도가 적용된 삼각함수들을 중첩함으로써 제2 중첩 각도 궤적을 계산할 수 있다. AO-2는 기본 주파수를 가지는 삼각함수의 위상인 제2 위상을 계산할 수 있다.
PCAO의 AO-1는 현재 측정된 관절의 각도에 해당하는 위상만을 계산하는 모듈이기 때문에, 보행 중 기준 궤적을 이용한 제2 중첩 각도 궤적으로는 제1 중첩 각도 궤적을 보상할 수 없다.
제2 중첩 각도 궤적으로 제1 중첩 각도 궤적을 보상하기 위해 PCAO에 AO-2가 추가적으로 포함될 수 있다.
보행 위상 계산부는 AO-1에서 계산한 제1 위상과 AO-2에서 계산한 제2 위상을 이용하여 제1 위상과 제2 위상 간의 위상 차이를 반영하여 현재의 보행 위상을 계산할 수 있다.
AO-1에서 출력된 제1 위상은 측정된 관절 각도를 AO-1의 기본 주파수 및 기본 주파수를 변조한 주파수를 가지는 삼각함수들에 적용함으로써 중첩된 제1 중첩 각도 궤적의 위상일 수 있다. 제1 위상은 제1 중첩 각도 궤적의 위상을 구성하는 삼각함수들 중 기본 주파수를 가지는 삼각함수의 위상일 수 있다.
보행 싸이클은 발의 뒤꿈치가 지면에 닿는 순간을 기준 시점으로 할 수 있다.
따라서, 제1 위상은 발의 뒤꿈치가 지면에 닿는 순간을 기준 시점으로 가정한 것이 아니기 때문에, 제1 위상을 보행 싸이클이라고 할 수 없다. 이러한 기준 시점의 차이를 보상하기 위해 보행 위상 계산부는 제1 위상을 보정하여 보행 싸이클을 결정할 수 있다.
제1 위상을 보정하는 방법은 AO-2를 이용해 제2 중첩 각도 궤적을 계산하고, 제2 중첩 각도 궤적의 위상인 제2 위상을 제1 위상과 비교하여 제1 위상을 보정하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, AO-2이 보행 싸이클에 대응되는 기준 궤적의 기준 각도를 이용하여 계산한 제2 위상은, AO-2의 기본 주파수 및 기본 주파수를 변조한 주파수를 가지는 삼각함수들을 중첩한 제2 중첩 각도 궤적의 위상일 수 있다. 제2 위상은 제2 중첩 각도 궤적의 위상을 구성하는 삼각함수들 중 기본 주파수를 가지는 삼각함수의 위상일 수 있다.
PCAO는 보행 위상 계산부에서 누적한 제2 위상 및 제1 위상 간의 위상 차이를 이용하여 제1 위상을 보상함으로써 보행 싸이클을 계산할 수 있다.
전술된 AO-1 및 AO-2는 각각 적응적인 오실레이터(adaptive oscillator; AO) 모듈일 수 있다.
AO-1 및 AO-2의 동작이 하기의 수학식들을 이용하여 설명될 수 있다.
Figure pat00011
[수학식 8]은 AO-1 및 AO-2가 중첩 각도를 계산하는 수학식이다.
하나의 AO를 구성하는 복수의 오실레이터들의 위상을 싸인(sine) 함수에 적용한 값과 해당하는 오실레이터의 진폭을 곱한 값을 모든 오실레이터에 대하여 합산한 값과 오프셋을 더함으로써 중첩 각도가 계산될 수 있다. 있다.
PSAO는 측정된 관절 각도에 대응되도록 중첩 각도를 계산하고, 이러한 계산을 보행시간 동안 계속적으로 수행함으로써 중첩 각도와 측정된 관절 각도의 궤적을 서로 근사시킬 수 있다.
[수학식 8]에서, i는 복수의 오실레이터들의 인덱스를 나타내고, n은 관절 각도의 측정 및 보정 싸이클의 인덱스를 나타내고, θp는 중첩 각도를 나타내고, αo는 중첩 각도의 오프셋을 나타내고, αi는 i번째 오실레이터의 진폭을 나타내고,
Figure pat00012
는 i번째 오실레이터의 위상을 나타낼 수 있다.
Figure pat00013
[수학식 9]는 하나의 AO 내에서 오차 값을 계산하는 수학식이다.
오차 값은 AO의 입력 값과 [수학식 8]에서 계산한 중첩 각도 간의 차이 값일 수 있다. AO-1의 입력 값은 측정된 관절 각도이고, AO-2의 입력 값은 현재의 보행 위상에 대응되는 기준 각도일 수 있다.
[수학식 9]에서, ε 는 오차 값을 나타내고, θh는 AO의 입력 값일 수 있다.
Figure pat00014
[수학식 10]은 PCAO의 복수의 오실레이터들 중 기본 주파수의 i배의 주파수를 가지는 오실레이터들의 진폭을 보정하는 수학식이다.
진폭의 보정이득, 오차 값 및 i번째의 오실레이터의 위상을 싸인 함수에 적용한 결과 값을 곱한 값을 오실레이터 인덱스로 나눔으로써 오실레이터의 진폭 보정량을 계산할 수 있다. 진폭 보정량에 보정 반복 주기인 Ts를 곱하고, 그 값에 이전에 보정한 진폭 값을 더함으로써 현재의 보정 진폭 값을 계산할 수 있다.
현재의 보정 진폭 값은 0보다 작지 않게 제한될 수 있다.
[수학식 10]을 통해 측정된 관절 각도와 중첩 각도 간의 오차 값을 줄일 수 있다.
[수학식 10]에서, ka는 진폭의 보정 이득을 나타내고, Ts는 관절 각도의 측정 및 보정 반복 주기를 나타내고, Ts는 샘플링 주기를 나타낼 수 있다. 샘플링 주기는 대략 1~10[ms]의 범위 내일 수 있다.
Figure pat00015
[수학식 11]은 PCAO의 복수의 오실레이터들 중 기본 주파수의 i배의 주파수를 가지는 오실레이터들의 위상을 계산하는 식이다.
i번째 오실레이터는 기본 주파수의 i배의 주파수를 가질 수 있다.
오차 값과 코사인(cosine)함수 값을 곱한 값에 의해 위상의 증가량이 변동될 수 있기 때문에, AO의 입력 값과 AO의 중첩 각도의 오차 값이 감소될 수 있다.
위상을 보정하기 위해 오실레이터의 인덱스와 AO의 기본 주파수를 곱하여 제5 값을 계산할 수 있다.
위상의 보정 이득, 오차 및 해당 오실레이터의 위상을 코사인 함수에 적용한 결과 값을 곱하고, 곱한 값을 복수의 오실레이터들의 진폭들을 모두 더한 값으로 나눔으로써 제6 값을 계산할 수 있다.
제5 값과 제6 값을 더함으로써 i번째 오실레이터의 위상의 보정 값을 계산할 수 있다. 이 보정 값에 보정 싸이클의 주기를 곱하고, 곱한 값에 이전 보정된 위상을 더하면, i번째 오실레이터의 현재 보정된 위상을 계산할 수 있다.
[수학식 11]에서,
Figure pat00016
은 위상의 보정 이득을 나타내고, ω는 AO의 기본 주파수를 나타낼 수 있다.
Figure pat00017
[수학식 12]는 PCAO의 기본 주파수를 보정하는 식이다.
주파수의 보정 이득, 오차 값 및 첫 번째 오실레이터의 위상을 기준 궤적의 변화율에 대한 함수에 적용한 결과 값을 곱함으로써 제7 값이 계산될 수 있다.
커플링 주파수 이득, 다른 PCAO가 다른 측면에서 측정한 관절 각도 궤적의 주파수와 본 PCAO의 AO의 기본 주파수의 차이를 제곱하고, -1/2를 곱한 값을 자연지수 처리한 값 및 다른 측면에서 측정된 관절 각도 궤적의 주파수 및 기본 주파수 간의 차이를 곱한 값을 [수학식 12]에서 계산되는 관절을 제외한 모든 관절 별로 더하여 제8 값을 얻을 수 있다.
예를 들어, 본 PCAO는 오른쪽 고관절의 각도 궤적의 주파수를 측정할 수 있고, 다른 PCAO는 왼쪽 고관절의 각도 궤적의 주파수를 측정할 수 있다.
[수학식 12]의 제7 값은 AO의 기본 주파수가 측정된 관절 각도의 궤적의 주파수에 대응되도록 기본 주파수를 보정하기 위한 값일 수 있다.
추정된 왼쪽의 관절 각도 궤적의 주파수 및 추정된 오른쪽의 관절 각도 궤적의 주파수는 일반적으로 일치할 수 있다. 추정된 각각의 주파수가 상이한 경우, 제8 값은 상이한 주파수들을 일치시키기 위해 기본 주파수를 보정하기 위한 값일 수 있다.
구체적으로, 제8 값의 자연지수 부분은 두 주파수들 간의 차이가 크면 0으로 수렴하기 때문에, 두 주파수들 간의 커플링을 차단할 수 있다. 제8 값의 자연지수 부분은 두 주파수들 간의 차이가 작으면 두 주파수들을 동일하도록 유도할 수 있다.
제7 값 및 제8 값의 합은 AO의 기본 주파수의 보정량일 수 있다. 제7 값과 제8 값의 합에 보정 주기를 곱한 뒤, 곱한 값에 이전에 보정된 기본 주파수를 더하면 현재 보정된 기본 주파수를 계산할 수 있다.
[수학식 12]에서, kω는 주파수의 보정 이득을 나타내고, kc는 커플링 주파수 이득을 나타내고, ωext는 다른 PCAO가 다른 측면에서 측정한 관절 각도 궤적의 주파수를 나타낼 수 있다.
Figure pat00018
[수학식 13]은 PCAO의 중첩 각도의 오프셋을 보정하는 수식이다.
[수학식 13]은 PCAO의 중첩 각도의 오프셋이 측정된 관절 각도의 오프셋에 대응되도록 보정함으로써 오프셋으로 인한 계산 오차를 감소시킬 수 있다.
[수학식 13]에서, ko은 오프셋 보정 이득을 나타낼 수 있다.
Figure pat00019
[수학식 14]는 제1 위상 및 제2 위상을 이용하여 현재의 보행 싸이클 계산하는 수학식이다.
제1 위상 및 제2 위상 간의 위상 차이를 매 싸이클 마다 누적한 값을 제1 위상에 더함으로써 보행 싸이클을 계산할 수 있다. 제1 위상 및 제2 위상 간의 위상 차이를 보상하는 싸이클이 반복됨에 따라 제1 위상 및 제2 위상 간의 위상 차이는 일정한 값으로 수렴할 수 있다.
[수학식 8] 내지 [수학식 14]를 이용하여 PCAO는 기준 궤적 및 측정된 관절 각도의 궤적에 대응되는 보행 싸이클을 획득할 수 있다. 획득된 보행 싸이클은 제1 보행 싸이클일 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 PCAO 또는 PCAO 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(312)는 왼쪽 고관절을 위한 PCAO 및 오른쪽 고관절을 위한 PCAO를 포함할 수 있다.
도 7은 일 예에 따른 PSAO에 의한 보행 싸이클을 도시한다.
도시된 보행 싸이클은 보행 시작 시간으로부터 획득할 수 있는 이상적인 보행 싸이클을 나타낸다. 이상적인 보행 싸이클은 보행을 시작할 때부터 선형적으로 보행 싸이클의 값이 증가한다.
도 8은 일 예에 따른 보행 싸이클에 대한 고관절의 관절 각도의 기준 궤적을 도시한다.
고관절의 관절 각도가 양수의 값을 가지는 구간은 사용자의 중심 축을 기준으로 다리가 앞에 있는 것을 나타내고, 고관절의 관절 각도가 음수의 값을 가지는 구간은 사용자의 중심 축을 기준으로 다리가 뒤에 있는 것을 나타낸다.
도 8에 도시된 일 예에 따르면, 기준 궤적이 최대 관절 각도가 40도이고, 최소 관절 각도가 -20인 것으로 설정되어 있다.
도 9는 일 예에 따른 보행 싸이클에 대해 설정된 보조 토크를 도시한다.
현재의 보행 싸이클이 획득된 경우, 획득된 보행 싸이클에 대응되는 보조 토크가 계산될 수 있다. 예를 들어, 현재의 보행 싸이클이 60%인 경우, 보행 싸이클 60%에 대응되는 보조 토크가 계산될 수 있다.
일 측면에 따르면, 양수의 값을 가지는 보조 토크는 다리가 앞에서 뒤로 가는 방향으로 힘을 제공할 수 있다. 반대로, 음수의 값을 가지는 보조 토크는 다리가 뒤에서 앞으로 가는 방향으로 힘을 제공할 수 있다.
도시된 그래프는 기준 궤적에 대한 보조 토크를 도시한 것으로서, 획득된 관절 각도의 궤적에 따라 계산되는 보조 토크는 변화할 수 있다. 예를 들어, 측정된 보행 주파수가 미리 설정된 보행 주파수보다 더 큰 경우, 계산되는 보조 토크도 증가할 수 있다.
보조 토크 또는 토크를 계산하는 방법에 대해, 하기에서 도 16 내지 도 18을 참조하여 상세히 설명된다.
도 10은 일 예에 따른 측정된 고관절의 관절 각도의 궤적을 도시한다.
프로세서(312)는 측정된 관절 각도를 이용하여 관절 각도의 궤적을 생성할 수 있다.
프로세서(312)는 측정된 관절 각도의 궤적 및 기준 궤적을 이용하여 현재의 보행 싸이클을 획득할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(312)는 PSAO를 이용하여 측정된 관절 각도의 궤적이 나타내는 보행 주파수를 계산할 수 있다. 프로세서(312)는 보행 주파수를 이용하여 현재의 보행 싸이클을 획득할 수 있다.
도 11은 일 예에 따른 시간에 대한 보행 싸이클을 도시한다.
보행 시작 시간으로부터 어느 정도의 시간이 지난 후에 PSAO를 이용하여 획득된 보행 싸이클은 선형적으로 증가하는 함수의 형태를 나타낼 수 있다. 보행의 속도가 비교적 일정한 경우 획득되는 보행 싸이클은 참 값의 보행 싸이클과 거의 유사할 수 있다.
일 측면에 따르면, PSAO를 이용하여 보행 싸이클을 획득하는 방법은 보행의 상태가 급격하게 변화하는 경우에 대해서는 빠르게 참 값의 보행 싸이클을 추종하지 못할 수 있다. 예를 들어, 보행의 상태가 급격하게 변화하는 경우는 보행을 시작하는 경우 및 보행의 속도를 갑자기 변화시키는 경우일 수 있다.
이러한 상황을 대비하기 위해, PSAO를 이용하는 방법에 추가적으로 FSM을 이용하는 방법이 고려될 수 있다.
FSM을 추가적으로 이용하는 방법에 대해, 하기에서 도 12 내지 도 15를 참조하여 상세히 설명된다.
< PSAO 및 FSM을 이용하는 방식>
도 12는 일 예에 따른 보행 파라미터를 획득하는 방법의 흐름도이다.
전술된 단계(540)은 하기의 단계들(1210 내지 1240)을 포함할 수 있다.
단계(1210)에서, 프로세서(312)는 측정된 관절 각도를 수신할 수 있다. 수신한 관절 각도는 가장 최근에 측정된 현재의 관절 각도일 수 있다.
단계(1220)에서, 프로세서(312)는 관절 각도에 기반하여 현재의 보행 상태를 결정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 관절 각도에 대해 미리 정해진 개수의 보행 상태들 중 측정된 관절 각도에 대응되는 보행 상태를 현재의 보행 상태로 결정할 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 이전의(previous) 보행 상태 및 관절 각도에 기반하여 현재의 보행 상태를 결정할 수 있다.
동일한 관절 각도가 측정된 경우에도 이전의 보행 상태에 따라, 현재의 보행 상태가 상이하게 결정될 수 있다.
보행 상태에 대해, 하기에서 도 13을 참조하여 상세히 설명된다.
단계(1230)에서, 프로세서(312)는 이전의 보행 상태 및 현재의 보행 상태를 비교함으로써 보행 상태들 간의 천이가 발생하였는지 여부를 판단할 수 있다.
천이가 발생하지 않은 경우 단계(1210)가 다시 수행될 수 있다.
단계(1240)에서, 프로세서(312)는 천이가 발생한 경우, 보행 파라미터를 획득할 수 있다. 예를 들어, 보행 파라미터는 제2 보행 싸이클 및 제2 보행 주파수를 포함할 수 있다.
제2 보행 싸이클 및 제2 보행 주파수에 대해, 하기에서 도 15를 참조하여 상세히 설명된다.
도 13은 일 예에 따른 보행 상태를 도시한다.
보행에 대한 사용자의 어느 한쪽의 다리의 보행 상태들은 미리 정의될 수 있다. 예를 들어, 보행 상태들은 지지 및 스윙을 포함할 수 있다. 왼쪽 다리의 보행 상태들은 왼쪽 지지(left stance; LSt) 및 왼쪽 스윙(left swing; LSw)으로 구분될 수 있다. 오른쪽 다리의 보행 상태들은 오른쪽 지지(right stance; RSt) 및 오른쪽 스윙(right swing; RSw)으로 구분될 수 있다.
FSM에는 보행 상태에 대해 미리 보행 싸이클이 매핑(mapping)될 수 있다. 예를 들어, 지지가 시작되는 시점에는 보행 싸이클 0%가 매핑될 수 있고, 스윙이 시작되는 시점에는 보행 싸이클 60%가 매핑될 수 있고, 지지가 시작되기 직전의 시점에는 보행 싸이클 100%가 매핑될 수 있다.
도 14는 일 예에 따른 보행 상태들 간의 천이를 도시한다.
일반적인 보행 메카니즘(gait mechanism)에 따르면 보행 시작시의 보행 상태는 다를 수 있으나, 오른쪽 지지(1410), 왼쪽 스윙(1420), 왼쪽 지지(1430) 및 오른쪽 스윙(1440)의 순서로 보행 상태들이 천이한다. 오른쪽 스윙(1440) 이후에는 오른쪽 지지(1410)가 재 수행된다.
도 15는 일 예에 따른 제2 보행 싸이클 및 제2 보행 주파수를 획득하는 방법의 흐름도이다.
전술된 단계(1240)은 하기의 단계들(1510 및 1520)을 포함할 수 있다.
단계(1510)에서, 프로세서(312)는 보행 파라미터로서 제2 보행 싸이클을 획득할 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 현재의 보행 상태에 대해 미리 설정된 값을 제2 보행 싸이클의 값으로 정의할 수 있다. 예를 들어, 현재의 보행 상태가 오른쪽 스윙인 경우, 오른쪽 스윙에 대해 미리 설정된 보행 싸이클 60%가 제2 보행 싸이클의 값으로 정의될 수 있다.
단계(1520)에서, 프로세서(312)는 보행 파라미터로서 제2 보행 주파수를 계산할 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 천이의 주기를 이용하여 제2 보행 주파수를 계산할 수 있다. 예를 들어, 왼쪽 스윙의 보행 상태가 다시 수행되는 주기를 계산함으로써 제2 보행 주파수를 계산할 수 있다.
미리 정해진 보행 상태들의 개수가 4개인 경우, 최근 4개의 보행 상태들의 지속시간을 모두 더하면 하나의 스트라이드(stride)에 대한 시간이 될 수 있다. 상기의 더한 시간의 역수가 제2 보행 주파수일 수 있다.
프로세서(312)는 각각의 보행 상태에 대해 제2 보행 주파수를 계산할 수 있고, 보행 상태의 천이가 발생할 때마다 현재의 보행 상태에 대한 보행 주파수를 제2 보행 주파수로 설정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 도 15는 단계(1510) 및 단계(1520)가 수행된 후 전술된 단계(550)가 수행되는 것으로 도시하고 있으나, 다른 일 측면에 따르면, 단계(1510) 및 단계(1520)가 수행된 후 전술된 단계(530)가 수행될 수 있다.
단계(530)은 단계(1510)에서 획득된 제2 보행 싸이클 및 단계(1520)에서 획득된 제2 보행 주파수를 이용하여 보행 싸이클을 계산할 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 제2 보행 싸이클의 값을 제1 보행 싸이클의 값으로 대체할 수 있다. 제2 보행 싸이클의 값을 제1 보행 싸이클의 값으로 대체하는 경우에는, 보행 초기에 발생할 수 있는 위상의 추정 오차를 감소시킬 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 제2 보행 주파수를 단계(610)을 수행하기 위한 참고 값으로 이용할 수 있다. 제2 보행 주파수가 참고 값으로 이용되는 경우 보행 주파수가 획득되는 시간을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 프로세서(312)는 제2 보행 주파수를 직접적으로 보행 주파수로 설정할 수 있다.
도 16은 일 예에 따른 토크를 계산하는 방법의 흐름도이다.
전술된 단계(550)는 하기의 단계들(1610 내지 1630)을 포함할 수 있다.
단계(1610)에서, 프로세서(312)는 획득된 보행 싸이클 및 보행 파라미터 간의 차이가 미리 설정된 임계치 이상인지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 보행 파라미터는 제2 보행 싸이클일 수 있다.
일 측면에 따르면, 미리 설정된 임계치는 10%일 수 있다.
단계(1620)는 획득된 보행 싸이클 및 보행 파라미터 간의 차이가 미리 설정된 임계치 미만인 경우에 수행될 수 있다.
단계(1620)에서, 프로세서(312)는 보행 싸이클 및 보행 파라미터를 이용하여 토크를 계산할 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 보행 파라미터를 참조 값으로 하여 획득된 보행 싸이클을 보정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(312)는 전술된 PSAO를 이용하여 보행 싸이클을 보정할 수 있다.
프로세서(312)는 보정된 보행 싸이클에 대응되는 출력 토크를 계산(또는, 획득)할 수 있다.
단계(1630)는 획득된 보행 싸이클 및 보행 파라미터 간의 차이가 미리 설정된 임계치 이상인 경우에 수행될 수 있다.
단계(1630)에서, 프로세서(312)는 보행 싸이클 및 보행 파라미터 중 보행 파라미터만을 이용하여 토크를 계산할 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 보행 파라미터의 값을 보행 싸이클의 값으로 설정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(312)는 PSAO를 이용하여 획득한 보행 싸이클을 FSM을 이용하여 획득한 보행 파라미터(예를 들어, 제2 보행 싸이클)로 변경할 수 있다.
프로세서(312)는 설정된 보행 싸이클에 대응되는 출력 토크를 계산(또는, 획득)할 수 있다.
도 17은 다른 일 예에 따른 토크를 계산하는 방법의 흐름도이다.
전술된 단계(550)는 하기의 단계들(1710 내지 1730)을 포함할 수 있다.
단계(1710)에서, 프로세서(312)는 미리 설정된 조건이 만족되었는지 여부를 판단할 수 있다.
일 측면에 따르면, 미리 설정된 조건은 동작 초기 판단 조건일 수 있다. 예를 들어, 동작 초기 판단 조건은 미리 정해진 개수의 보행 상태들 중 어느 하나의 보행 상태가 현재의 보행 상태로 결정된 것이 미리 설정된 횟수 이하인 것일 수 있다. 예를 들어, 미리 설정된 횟수는 2회일 수 있다. 즉, 동작 초기 판단 조건은 보행이 시작되고 두 걸음 이내인 것일 수 있다.
미리 설정된 조건이 만족된 경우 단계(1720)가 수행될 수 있다.
단계(1720)에서, 프로세서(312)는 보행 싸이클 및 보행 파라미터 중 보행 파라미터만을 이용하여 토크를 계산할 수 있다. 예를 들어, 보행 파라미터는 제2 보행 싸이클일 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 제2 보행 싸이클에 대응되는 토크를 계산할 수 있다.
미리 설정된 조건이 만족되지 않은 경우 단계(1730)가 수행될 수 있다.
단계(1730)에서, 프로세서(312)는 보행 싸이클 및 보행 파라미터를 이용하여 토크를 계산할 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 보행 파라미터를 이용하여 보행 싸이클을 보정할 수 있다. 프로세서(312)는 보정된 보행 싸이클에 대한 토크를 계산할 수 있다.
도 18은 또 다른 일 예에 따른 토크를 계산하는 방법의 흐름도이다.
전술된 단계(550)는 하기의 단계들(1810 및 1820)을 포함할 수 있다.
단계(1810)에서, 프로세서(312)는 보행 싸이클 및 보행 파라미터에 기반하여 최종 보행 싸이클을 결정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 보행 파라미터를 이용하여 보행 싸이클을 보정함으로써 최종 보행 싸이클을 계산할 수 있다.
단계(1820)에서, 프로세서(312)는 최종 보행 싸이클에 대응되는 토크를 계산할 수 있다. 계산된 토크는 출력 토크일 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로세서(312)는 기준 궤적에 대응되는 토크 함수를 이용하여 출력 토크를 계산(또는, 획득)할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(312)는 기준 궤적에 대응되는 토크 함수를 최종 보행 싸이클을 이용하여 변형할 수 있고, 프로세서(312)는 변형된 토크 함수를 이용하여 출력 토크를 계산할 수 있다.
PSAO에 저장된 기준 궤적은 보행 속도에 따라 1개 이상일 수 이다.
예를 들어, 사용자가 달리기를 하는 경우(보행속도가 높은 경우)의 기준 궤적은 기준 궤적의 고관절 각도 변화가 클 수 있다.
다른 예로, 사용자가 걷는 경우(보행속도가 낮은 경우)의 기준 궤적은 기준 궤적의 고관절 각도 변화가 적을 수 있다.
일 측면에 따르면, 출력 토크의 계산은 보정된 기준 궤적에 대응되도록 미리 설정된 보조 토크 데이터를 이용할 수 있다. 미리 설정된 보조 토크 데이터를 이용하는 방법은 관절 각도와 보조 토크가 1:1로 매칭되어 있는 보조 토크 데이터가 룩-업 테이블(look-up table)의 형식으로 저장부(313)에 저장되어 있을 수 있다.
프로세서(312)는 보정된 기준 궤적에서 측정된 관절 각도와 그 각도에 1:1 매칭되는 보조 토크를 검색할 수 있다. 프로세서(312)는 검색된 보조 토크를 현재의 보행 싸이클에 대응되는 보조 토크로 결정할 수 있다.
보정된 기준 궤적에 대응되도록 미리 설정된 보조 토크 데이터는 복수일 수 있다. 예를 들어, 미리 설정된 보조 토크 데이터는 사용자의 보행속도 별로 나누어진 복수의 보조 토크 데이터들 일 수 있다. 다른 예로, 미리 설정된 보조 토크 데이터는 지면의 경사도 별로 나누어진 복수의 보조 토크 데이터들 일 수 있다. 또 다른 예로, 미리 설정된 보조 토크 데이터는 사용자의 연령 별로 나누어진 복수의 보조 토크 데이터들 일 수 있다. 또 다른 예로, 미리 설정된 보조 토크 데이터는 사용자의 성별에 따라 나누어진 복수의 보조 토크 데이터들 일 수 있다. 또 다른 예로, 보조 토크 데이터는 사용자의 몸무게에 따라 나누어진 복수의 보조 토크 데이터들 일 수 있다.
도 19는 일 예에 따른 최종적으로 획득된 보행 싸이클의 결과를 도시한다.
실선(1920)는 참 값의 보행 싸이클을 나타낸다. 참 값의 보행 싸이클은 연속적으로 증가할 수 있다.
예를 들어, 보행 주파수가 일정한 경우 참 값의 보행 싸이클은 선형적으로 증가할 수 있다. 도 19에는 첫 번째 왼쪽 스윙 내지 첫 번째 오른쪽 지지 사이의 참 값의 보행 싸이클이 선형적으로 증가하는 것이 도시되어 있다.
다른 예로, 보행 주파수가 일정하지 않은 경우 참 값의 보행 싸이클은 비선형적으로 증가할 수 있다. 도 19에는 첫 번째 오른쪽 지지 및 두 번째 왼쪽 스윙 사이의 참 값의 보행 싸이클이 비선형적으로 증가하는 것이 도시되어 있다.
점선(1910)은 획득한 보행 싸이클을 나타낸다.
PSAO만을 이용하여 보행 싸이클을 획득하는 경우, 보행 초기에 획득한 보행 싸이클이 참 값의 보행 싸이클과 상당한 차이를 나타내는 것을 알 수 있다.
일 측면에 따르면, 첫 번째 천이가 발생한 경우(LSw), 프로세서(312)는 FSM에 의해 측정된 제2 보행 싸이클을 보행 싸이클로 설정할 수 있다. 천이가 발생한 이후, 획득한 보행 싸이클이 참 값의 보행 싸이클을 추종하는 것을 알 수 있다.
보행의 속도가 변화된 경우, 프로세서(312)는 FSM로부터 획득된 보행 파라미터를 참조하여 보행 싸이클을 획득할 수 있다. 도 19에의 첫 번째 오른쪽 지지 및 두 번째 왼쪽 스윙 사이의 구간에서 획득된 보행 싸이클이 비선형적인 참 값의 보행 싸이클을 추종하는 것을 알 수 있다.
도 20 내지 도 22는 다른 일 예에 따른 보행 보조 장치를 도시한다.
도 20 내지 도 22에는 인체에 착용될 수 있는 착용형 보행 보조 장치(1)의 다른 일 실시예가 도시되어 있다. 도 20은 보행 보조 장치(1)의 일 실시예에 대한 정면도이고, 도 21는 보행 보조 장치(1)의 측면도이고, 도 22는 보행 보조 장치(1)의 배면도이다.
보행 보조 장치(1)는 전술된 구동부(110), 센서부(120), IMU 센서(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.
도 20 내지 도 22에 도시된 바와 같이, 보행 보조 장치(1)는 사용자의 왼쪽 다리 및 오른쪽 다리에 각각 착용될 수 있도록 외골격(外骨格) 구조를 가진다. 사용자는 보행 보조 장치(1)를 착용한 상태에서 폄(extension), 구부림(flexion), 모음(adduction), 벌림(abduction) 등의 동작을 수행할 수 있다. 폄 동작은 관절을 펴는 운동이고, 구부림 동작은 관절을 구부리는 운동이다. 모음 동작은 다리를 몸의 중심축으로 가까이 하는 운동이다. 벌림 동작은 몸의 중심축에서 멀어지는 방향으로 다리를 뻗는 운동이다.
도 20 내지 도 22를 참조하면, 보행 보조 장치(1)는 본체부(10) 및 기구부(20R, 20L, 30R, 30L, 40R, 40L)를 포함할 수 있다.
본체부(10)는 하우징(11)을 포함할 수 있다. 하우징(11)에는 각종 부품이 내장될 수 있다. 하우징(11)에 내장되는 부품으로는, 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU), 인쇄 회로 기판 및 다양한 종류의 저장 장치 및 전원을 예로 들 수 있다. 본체부(10)는 전술된 제어부(140)를 포함할 수 있다. 제어부(140)는 CPU 및 인쇄 회로 기판을 포함할 수 있다.
CPU는 마이크로 프로세서(micro processor)일 수 있다. 마이크로 프로세서는 실리콘 칩에 산술 논리 연산기, 레지스터, 프로그램 카운터, 명령 디코더 및/또는 제어 회로 등이 설치될 수 있다. CPU는 보행 환경에 적합한 제어 모드를 선택하고, 선택된 제어 모드에 따라 기구부(20, 30, 40)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다.
인쇄 회로 기판은 소정의 회로가 인쇄되어 있는 기판으로, 인쇄 회로 기판에는 CPU 또는/및 다양한 저장 장치가 설치될 수 있다. 인쇄 회로 기판은 하우징(11)의 내측면에 고정될 수 있다.
하우징(11)에 내장된 저장 장치는 다양한 종류를 포함할 수 있다. 저장 장치는 자기 디스크 표면을 자화시켜 데이터를 저장하는 자기 디스크 저장 장치, 다양한 종류의 메모리 반도체를 이용하여 데이터를 저장하는 반도체 메모리 장치일 수 있다.
하우징(11)에 내장된 전원은 하우징(11)에 내장된 각종 부품 또는 기구부(20, 30, 40)에 동력을 공급할 수 있다.
본체부(10)는 사용자의 허리를 지지하기 위한 허리 지지부(12)를 더 포함할 수 있다. 허리 지지부(12)는 사용자의 허리를 지지할 수 있도록 만곡된 평면판의 형상을 가질 수 있다.
본체부(10)는 사용자의 힙 부분에 하우징(11)을 고정하기 위한 고정부(11a) 및 사용자의 허리에 허리 지지부(12)를 고정하기 위한 고정부(12a)를 더 포함할 수 있다. 고정부(11a, 12a)는 탄성력을 구비한 밴드, 벨트, 끈(strap) 중 하나로 구현될 수 있다.
본체부(10)는 전술된 IMU 센서(130)를 포함할 수 있다. 예를 들어, IMU 센서(130)는 하우징(11)의 외부 또는 내부에 설치될 수 있다. IMU 센서(130)는 하우징(11)의 내부에 마련된 인쇄회로기판 상에 설치될 수 있다. IMU 센서(130)는 가속도 및 각속도를 측정할 수 있다.
기구부(20, 30, 40)는 도 20 내지 도 22에 도시된 바와 같이 제1 구조부(20), 제2 구조부(30) 및 제3 구조부(40)를 포함할 수 있다.
제1 구조부(20R, 20L)는 보행 동작에 있어서 사용자의 대퇴부 및 고관절의 움직임을 보조할 수 있다. 제1 구조부(20R, 20L)는 제1 구동부(21R, 21L), 제1 지지부(22R, 22L) 및 제1 고정부(23R, 23L)를 포함할 수 있다.
전술된 구동부(110)는 제1 구동부(21R, 21L)를 포함할 수 있으며, 도 1 내지 도 19를 참조하여 설명된 구동부(110)에 대한 설명은 제1 구동부(21R, 21L)에 대한 설명으로 대체될 수 있다.
제1 구동부(21R, 21L)는 제1 구조부(20R, 20L)의 고관절에 위치할 수 있으며, 소정의 방향으로 다양한 크기의 회전력을 발생시킬 수 있다. 제1 구동부(21R, 21L)에서 발생된 회전력은 제1 지지부(22R, 22L)에 인가될 수 있다. 제1 구동부(21R, 21L)는 인체의 고관절의 동작 범위 내에서 회전하도록 설정될 수 있다.
제1 구동부(21R, 21L)는 본체부(10)에서 제공되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있다. 제1 구동부(21R, 21L)는 모터, 진공 펌프(vacuum pump) 및 수압 펌프(hydraulic pump) 중 하나로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 구동부(21R, 21L)의 주변에는 관절각 센서가 설치될 수 있다. 관절각 센서는 제1 구동부(21R, 21L)가 회전 축을 중심으로 회전한 각도를 검출할 수 있다. 전술된 센서부(120)는 관절각 센서를 포함할 수 있다.
제1 지지부(22R, 22L)는 제1 구동부(21R, 21L)와 물리적으로 연결된다. 제1 지지부(22R, 22L)는 제1 구동부(21R, 21L)에서 발생한 회전력에 따라 소정의 방향으로 회전될 수 있다.
제1 지지부(22R, 22L)는 다양한 형상으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 지지부(22R, 22L)는 복수의 마디가 서로 연결되어 있는 형상으로 구현될 수 있다. 이 때, 마디와 마디 사이에는 관절이 마련될 수 있으며, 제1 지지부(22R, 22L)는 이 관절에 의해 일정 범위 내에서 휘어질 수 있다. 다른 예로, 제1 지지부(22R, 22L)는 막대 형상으로 구현될 수 있다. 이 때, 제1 지지부(22R, 22L)는 일정한 범위 내에서 휘어질 수 있도록 가요성 있는 소재로 구현될 수 있다.
제1 고정부(23R, 23L)는 제1 지지부(22R, 22L)에 마련될 수 있다. 제1 고정부(23R, 23L)는 제1 지지부(22R, 22L)를 사용자의 대퇴부에 고정시키는 역할을 한다.
도 20 내지 도 22는 제1 지지부(22R, 22L)가 제1 고정부(23R, 23L)에 의해 사용자의 대퇴부의 외측에 고정되는 경우를 도시하고 있다. 제1 구동부(21R, 21L)가 구동됨에 따라 제1 지지부(22R, 22L)가 회전하게 되면, 제1 지지부(22R, 22L)가 고정된 대퇴부 역시 제1 지지부(22R, 22L)의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전한다.
제1 고정부(23R, 23L)은 탄성력을 구비한 밴드, 벨트, 끈 중 하나로 구현되거나, 금속 소재로 구현될 수도 있다. 도 20은 제1 고정부(23R, 23L)가 체인(chain)인 경우를 도시하고 있다.
제2 구조부(30R, 30L)는 보행 동작에 있어서 사용자의 하퇴부 및 무릎 관절(knee joint)의 움직임을 보조할 수 있다. 제2 구조부(30R, 30L)는 제2 구동부(31R, 31L), 제2 지지부(32R, 32L) 및 제2 고정부(33R, 33L)를 포함할 수 있다.
제2 구동부(31R, 31L)는 제2 구조부(30R, 30L)의 무릎 관절에 위치할 수 있으며, 소정의 방향으로 다양한 크기의 회전력을 발생시킬 수 있다. 제2 구동부(31R, 31L)에서 발생된 회전력은 제2 지지부(22R, 22L)에 인가될 수 있다. 제2 구동부(31R, 31L)는 인체의 무릎 관절의 동작 범위 내에서 회전하도록 설정될 수 있다.
전술된 구동부(110)는 제2 구동부(31R, 31L)를 포함할 수 있다. 도 1 내지 도 19를 참조하여 설명된 고관절과 관련된 설명이 무릎 관절과 관련된 설명으로 유사하게 적용될 수 있다.
제2 구동부(31R, 31L)는 본체부(10)에서 제공되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있다. 제2 구동부(31R, 31L)는 모터, 진공 펌프 및 수압 펌프 중 하나로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 구동부(31R, 31L)의 주변에는 관절각 센서가 설치될 수 있다. 관절각 센서는 제2 구동부(31R, 31L)가 회전 축을 중심으로 회전한 각도를 검출할 수 있다. 전술된 센서부(120)는 관절각 센서를 포함할 수 있다.
제2 지지부(32R, 32L)는 제2 구동부(31R, 31L)와 물리적으로 연결된다. 제2 지지부(32R, 32L)는 제2 구동부(31R, 31L)에서 발생한 회전력에 따라 소정의 방향으로 회전될 수 있다.
제2 고정부(33R, 33L)는 제2 지지부(32R, 32L)에 마련될 수 있다. 제2 고정부(33R, 33L)는 제2 지지부(32R, 32L)를 사용자의 하퇴부에 고정시키는 역할을 한다. 도 20 내지 도 22는 제2 지지부(32R, 32L)가 제2 고정부(33R, 33L)에 의해 사용자의 하퇴부의 외측에 고정되는 경우를 도시하고 있다. 제2 구동부(31R, 31L)가 구동됨에 따라 제2 지지부(22R, 22L)가 회전하게 되면, 제2 지지부(22R, 22L)가 고정된 대퇴부 역시 제2 지지부(22R, 22L)의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전한다.
제2 고정부(33R, 33L)은 탄성력을 구비한 밴드, 벨트, 끈 중 하나로 구현되거나, 금속 소재로 구현될 수 있다.
제3 구조부(40R, 40L)는 보행 동작에 있어서 사용자의 발목 관절(ankle joint) 및 관련 근육의 움직임을 보조할 수 있다. 제3 구조부(40R, 40L)는 제3 구동부(41R, 41L), 발 받침부(42R, 42L) 및 제3 고정부(43R, 43L)를 포함할 수 있다.
전술된 구동부(110)는 제3 구동부(41R, 41L)를 포함할 수 있다. 도 1 내지 도 19를 참조하여 설명된 고관절과 관련된 설명이 발목 관절과 관련된 설명으로 유사하게 적용될 수 있다.
제3 구동부(41R, 41L)는 제3 구조부(40R, 40L)의 발목 관절에 마련될 수 있으며, 본체부(10)에서 제공되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있다. 제3 구동부(41R, 41L)도 제1 구동부(21R, 21L) 또는 제2 구동부(31R, 31L)와 마찬가지로 모터로 구현될 수 있다.
제3 구동부(41R, 41L)의 주변에는 관절각 센서가 설치될 수 있다. 관절각 센서는 제3 구동부(41R, 41L)가 회전 축을 중심으로 회전한 각도를 검출할 수 있다. 전술된 센서부(120)는 관절각 센서를 포함할 수 있다.
발 받침부(42R, 42L)는 사용자의 발바닥에 대응하는 위치에 마련되며, 제3 구동부(41R, 41L)와 물리적으로 연결된다.
발 받침부(42R, 42L)에는 사용자의 무게를 감지하기 위한 압력 센서가 설치될 수 있다. 압력 센서의 감지 결과는 사용자가 보행 보조 장치(1)를 착용하였는지 여부, 사용자가 일어섰는지 여부, 사용자의 발과 지면의 접촉 여부 등을 판단하는데 사용될 수 있다.
제3 고정부(43R, 43L)는 발 받침부(42R, 42L)에 마련될 수 있다. 제3 고정부(43R, 43L)는사용자의 발을 발 받침부(42R, 42L)에 고정시키는 역할을 한다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
300: 보행 보조 장치
310: 제어부
320: 센서
330: 구동부

Claims (19)

  1. 측정된 관절 각도(joint angle)를 수신하는 단계;
    상기 관절 각도에 기반하여 미리 정해진 개수의 보행 상태들 간의 천이(transition)에 대한 보행 파라미터(gait parameter)를 획득하는 단계;
    상기 관절 각도에 기반하여 보행 싸이클(gait cycle)을 획득하는 단계; 및
    상기 보행 싸이클 및 상기 보행 파라미터에 기반하여 출력 토크를 획득하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보행 싸이클을 획득하는 단계는,
    상기 관절 각도에 기반하여 보행 주파수(gait frequency)를 계산하는 단계; 및
    상기 보행 주파수를 이용하여 상기 보행 싸이클을 획득하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보행 파라미터를 획득하는 단계는,
    이전의(previous) 보행 상태 및 상기 관절 각도에 기반하여 현재의(current) 보행 상태를 결정하는 단계;
    상기 이전의 보행 상태 및 상기 현재의 보행 상태를 비교함으로써 상기 천이가 발생하였는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 천이가 발생한 경우, 상기 보행 파라미터를 획득하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보행 파라미터를 획득하는 단계는,
    상기 보행 파라미터로서 제2 보행 싸이클(second gait cycle)을 획득하는 단계
    를 포함하고,
    상기 토크를 계산하는 단계는,
    상기 보행 싸이클 및 상기 제2 보행 싸이클을 이용하여 상기 토크를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 보행 싸이클을 획득하는 단계는,
    상기 현재의 보행 상태에 대해 미리 설정된 값을 상기 제2 보행 싸이클의 값으로 정의하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 보행 파라미터를 획득하는 단계는,
    상기 보행 파라미터로서 제2 보행 주파수(second gait frequency)를 계산하는 단계
    를 포함하고,
    상기 토크를 계산하는 단계는,
    상기 보행 싸이클 및 상기 제2 보행 주파수를 이용하여 상기 토크를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 보행 주파수를 계산하는 단계는,
    상기 천이의 주기(period)를 이용하여 상기 제2 보행 주파수를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 현재의 보행 상태를 결정하는 단계는,
    관절 각도에 대해 미리 정해진 개수의 보행 상태들 중 상기 측정된 관절 각도에 대응되는 보행 상태를 상기 현재의 보행 상태로 결정하는 단계
    를 포함하는
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 토크를 계산하는 단계는,
    상기 획득된 보행 싸이클 및 상기 보행 파라미터 간의 차이가 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 차이가 상기 임계치 이상인 경우 상기 보행 싸이클 및 상기 보행 파라미터 중 상기 보행 파라미터만을 이용하여 상기 토크를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 토크를 계산하는 단계는,
    상기 획득된 보행 싸이클 및 상기 보행 파라미터 간의 차이가 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 차이가 상기 임계치 미만인 경우 상기 보행 싸이클 및 상기 보행 파라미터를 이용하여 상기 토크를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 토크를 계산하는 단계는,
    미리 설정된 조건이 만족되었는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 조건이 만족된 경우 상기 보행 싸이클 및 상기 보행 파라미터 중 상기 보행 파라미터만을 이용하여 상기 토크를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 조건은 동작 초기 판단 조건인,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 동작 초기 판단 조건은 상기 미리 정해진 개수의 보행 상태들 중 어느 하나의 보행 상태가 현재의 보행 상태로 결정된 것이 미리 설정된 횟수 이하인,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 토크를 계산하는 단계는,
    상기 보행 사이클 및 상기 보행 파라미터에 기반하여 최종 보행 사이클 (final gait cycle)을 결정하는 단계; 및
    상기 최종 보행 사이클에 대응되는 상기 토크를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 관절 각도는 고관절(hip joint), 무릎 관절(knee joint) 및 발목 관절(ankle joint) 중 적어도 하나의 각도인,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 보행 싸이클을 획득하는 단계는 PSAO (Particularly-Shaped Adaptive Oscillator)를 이용하여 상기 보행 싸이클을 획득하는,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 보행 파라미터를 획득하는 단계는 유한 상태 기계(Finite State Machine; FSM)에 기반하여 상기 보행 파라미터를 획득하는,
    보행 보조 장치의 출력 토크 계산 방법.
  18. 측정된 관절 각도(joint angle)를 수신하는 통신부; 및
    상기 관절 각도에 기반하여 미리 정해진 개수의 보행 상태들 간의 천이에 대한 보행 파라미터(gait parameter)를 획득하고, 상기 관절 각도에 기반하여 보행 싸이클(first gait cycle)을 획득하고, 상기 보행 싸이클 및 상기 보행 파라미터에 기반하여 출력 토크를 획득하는 프로세서
    를 포함하는,
    토크 계산 장치.
  19. 측정된 관절 각도(joint angle)에 기반하여 제1 보행 싸이클(first gait cycle)을 획득하는 단계;
    상기 관절 각도에 기반하여 미리 정해진 개수의 보행 상태들 간의 천이(transition)에 대한 보행 제2 보행 싸이클(second gait cycle)을 획득하는 단계;
    상기 천이가 발생한 경우 상기 제1 보행 싸이클 및 상기 제2 보행 싸이클에 기반하여 최종 보행 싸이클(final gait cycle)을 계산하는 단계; 및
    상기 최종 보행 싸이클에 대응되는 토크를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    토크 계산 방법.
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