KR20180047955A - 밸런스 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

사용자의 보행을 보조하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 사용자의 보행을 보조하기 위한 방법 및 장치는 사용자가 스탠딩 상태에 있는지 여부를 판단하고, 사용자의 밸런스를 제어하는 토크를 계산할 수 있다. 구동부가 발생시키는 토크에 의해 사용자에게 밸런스 제어를 위한 보조력이 제공된다.

Description

밸런스 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING BALANCE}
아래의 실시예들은 사용자에게 보조력을 제공하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스탠딩 자세의 밸런스를 제어하기 위한 방법 및 장치에 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 더 크게 늘리기 위한 위한 보행 보조 장치들이 개발되고 있다.
일 측면에 따른, 밸런스 제어 장치에 의해 수행되는 밸런스 제어 방법은 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계; 측정된 사용자의 밸런스 상태에 대응하는 보조 모드(assist mode)를 결정하는 단계; 상기 결정된 보조 모드에 기반하여 토크를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 토크를 구동부(actuator)로 입력하는 단계를 포함한다.
밸런스 제어 방법은 상기 사용자가 스탠딩(standing) 상태에 있는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하고, 상기 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계는 상기 사용자가 스탠딩 상태에 있는 것으로 판단된 경우 수행될 수 있다.
상기 사용자가 스탠딩 상태에 있는지 여부를 판단하는 단계는, 상기 사용자의 고관절(hip joint) 각도, 고관절 각속도, 고관절 각가속도 및 IMU (Inertial Measurement Unit)의 데이터 중 적어도 하나를 수신하는 단계; 및 상기 고관절 각도, 상기 고관절 각속도, 상기 고관절 각가속도 및 상기 IMU의 데이터 중 적어도 하나에 기반하여 상기 사용자가 스탠딩 상태에 있는지 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계는, 상기 사용자의 무게 중심 (Center Of Mass; COM)에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 COM에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계는, IMU 데이터 및 고관절 각도에 기반하여 상기 COM을 계산하는 단계; 미리 설정된 자세 및 상기 COM에 의한 자세 간의 차이를 나타내는 COM 각도를 계산하는 단계; 및 상기 COM 각도에 기반하여 COM 각속도를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 IMU 데이터는 상기 사용자의 상체의 피치(pitch)를 포함할 수 있다.
상기 COM에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계는, 상기 사용자의 발목관절(ankle joint) 각도를 수신하는 단계; 상기 발목관절 각도에 기반하여 상기 COM을 계산하는 단계; 미리 설정된 자세 및 상기 COM에 의한 자세 간의 차이를 나타내는 COM 각도를 계산하는 단계; 및 상기 COM 각도에 기반하여 COM 각속도를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 발목관절 각도를 수신하는 단계는, 상기 사용자의 발목에 부착된 각도 센서로부터 상기 발목관절 각도를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계는, 상기 사용자의 발바닥의 압력에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 사용자의 발바닥의 압력에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계는, 상기 사용자의 발바닥에 부착된 압력 센서가 측정한 상기 발바닥의 압력을 수신하는 단계; 및 상기 발바닥의 압력에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 압력 센서는 복수 개이고, 상기 발바닥의 압력에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계는, 상기 복수 개의 압력 센서들이 측정한 압력의 변화에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계는, 상기 밸런스 제어 장치의 ZMP(Zero Moment Point)에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 밸런스 제어 장치의 ZMP에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계는, IMU의 가속도에 기반하여 상기 ZMP를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 ZMP에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계는, IMU 데이터 및 고관절 각도에 기반하여 상기 사용자의 COM을 계산하는 단계; 미리 설정된 자세 및 상기 COM에 의한 자세 간의 차이를 나타내는 COM 각도를 계산하는 단계; 및 상기 COM 각도에 기반하여 COM 각속도를 계산하는 단계를 포함하고, 상기 밸런스 상태에 대응하는 상기 보조 모드를 결정하는 단계는, 상기 COM 각도를 미리 설정된 복수의 임계 값들과 비교하는 단계; 상기 COM 각속도를 미리 설정된 복수의 임계 값들과 비교하는 단계; 및 상기 COM 각도의 비교 결과 및 상기 COM 각속도의 비교 결과에 기반하여 복수의 보조 모드들 중 상기 밸런스 상태에 대응하는 상기 보조 모드를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 보조 모드들 각각은 서로 다른 COM 각속도에 대응될 수 있다.
상기 결정된 보조 모드에 기반하여 토크를 계산하는 단계는, 이득(gain)을 결정하는 단계; 및 상기 이득, 상기 COM 각속도, 상기 COM 각도 및 미리 설정된 요구(desired) 각도에 기반하여 상기 토크를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이득은, 상기 사용자의 질병의 종류, 상기 사용자의 체격 조건, 및 미리 설정된 보조 방법 중 적어도 하나에 기반하여 결정될 수 있다.
상기 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계는, IMU 데이터를 이용하여 상기 사용자의 상체의 롤(roll)을 측정하는 단계를 포함하고, 상기 보조 모드 (assist mode)를 결정하는 단계는, 상기 측정된 롤이 임계 값을 초과하는 경우, 상기 보조 모드를 측면 보조 모드로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 밸런스 제어 방법은, 상기 사용자의 보행 상태를 측정하는 단계; 상기 보행 상태에 대응하는 보행 보조 토크를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 보행 보조 토크를 상기 구동부로 입력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 따른, 하나 이상의 센서들로부터 수신한 센싱 데이터에 기반하여 사용자의 밸런스 상태를 측정하고, 상기 밸런스 상태에 대응하는 보조 모드(assist mode)를 결정하며, 상기 결정된 보조 모드에 기반하여 토크를 계산하는 프로세서; 및 상기 토크를 발생시키는 구동부(actuator)를 포함한다.
상기 밸런스 제어 장치는, 상기 사용자의 발목에 부착되는 발목 구동부를 더 포함하고, 상기 프로세서는 상기 보조 모드에 기반하여 상기 발목 구동부에 대한 보조 토크를 계산하고, 상기 발목 구동부는 상기 보조 토크를 발생시킬 수 있다.
상기 발목 구동부는, 상기 사용자의 발목관절(ankle joint) 각도를 측정하는 각도 센서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 발목관절 각도에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정할 수 있다.
또 다른 일 측면에 따른, 밸런스 제어 장치에 의해 수행되는 밸런스 제어 방법은, 사용자가 스탠딩(standing) 상태에 있는지 여부를 판단하는 단계; 상기 사용자가 스탠딩 상태에 있는 것으로 판단된 경우 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계; 상기 밸런스 상태에 대응하는 보조 모드(assist mode)를 결정하는 단계; 상기 결정된 보조 모드에 기반하여 알람(alarm) 토크를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 알람 토크를 구동부(actuator)로 입력하는 단계를 포함한다.
또 다른 일 측면에 따른, 밸런스 제어 장치에 있어서, 하나 이상의 센서들로부터 수신한 센싱 데이터에 기반하여 사용자가 스탠딩(standing) 상태에 있는지 여부를 판단하고, 상기 사용자가 스탠딩 상태에 있는 것으로 판단된 경우 상기 사용자의 밸런스 상태를 측정하며, 상기 밸런스 상태에 대응하는 보조 모드(assist mode)를 결정하고, 상기 결정된 보조 모드에 기반하여 알람(alarm) 토크를 계산하는 프로세서; 및 상기 알람 토크를 발생시키는 구동부(actuator)를 포함한다.
도 1 및 2는 일 예에 따른 보행 보조 장치를 도시한다.
도 3은 일 예에 따른 외력에 대한 밸런스 방법들을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 밸런스 제어 장치의 구성도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 밸런스 제어 방법의 흐름도이다.
도 6은 일 예에 따른 사용자가 스탠딩 상태에 있는지 여부를 판단하는 방법의 흐름도이다.
도 7은 일 예에 따른 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 방법의 흐름도이다.
도 8은 일 예에 따른 사용자의 무게 중심에 기반하여 밸런스 상태를 측정하는 방법의 흐름도이다
도 9는 일 예에 따른 기계적으로 모델링된 사용자의 상태를 도시한다.
도 10은 일 예에 따른 사용자의 계산된 무게 중심을 도시한다.
도 11은 다른 일 예에 따른 사용자의 무게 중심에 기반하여 밸런스 상태를 측정하는 방법의 흐름도이다.
도 12는 일 예에 따른 사용자의 발바닥의 압력에 기반하여 밸런스 상태를 측정하는 방법의 흐름도이다.
도 13은 일 예에 따른 사용자의 발바닥의 압력을 측정하는 방법을 도시한다.
도 14는 일 예에 따른 ZMP에 기반하여 밸런스 상태를 측정하는 방법의 흐름도이다.
도 15는 일 예에 따른 밸런스 상태에 대응하는 보조 모드를 결정하는 방법의 흐름도이다.
도 16은 일 예에 따른 보조 모드에 기반하여 토크를 계산하는 방법의 흐름도이다.
도 17은 일 예에 따른 사용자에게 보행 보조 토크를 제공하는 방법의 흐름도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 사용자에게 알람 토크를 제공하는 방법의 흐름도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 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 2는 일 예에 따른 보행 보조 장치를 도시한다.
도 1을 참조하면, 보행 보조 장치(100)는 사용자에게 장착되어 사용자의 보행을 보조하는 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, 하지 일부를 지원하는 형태, 무릎까지 지원하는 형태, 발목까지 지원하는 형태 및 하지 전체를 지원하는 형태 중 어느 하나일 수 있다.
도 1의 실시예에 따르면, 보행 보조 장치(100)는 구동부(actuator)(110), 센서부(120), 관성 측정 센서(Inertial Measurement Unit; IMU)(130) 및 제어부(140)를 포함한다.
구동부(110)는 사용자의 고관절(hip joint)에 보조력(assistant force)을 제공한다. 예를 들어, 구동부(110)는 사용자의 오른쪽 힙 및/또는 왼쪽 힙 부분에 위치할 수 있고, 회전 토크를 발생시킬 수 있는 모터를 포함할 수 있다.
센서부(120)는 보행 시 사용자의 고관절의 각도를 측정한다. 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 있으며, 포텐셔미터를 포함할 수 있다. 포텐셔미터는 사용자의 보행 동작에 따른 R 축, L 축 관절 각도 및 R 축, L 축 관절 각속도를 센싱할 수 있다.
IMU(130)는 보행 시 가속도 정보와 자세 정보를 측정한다. 예를 들어, IMU(130)는 사용자의 보행 동작에 따른 x 축, y 축, z 축 가속도 및 x 축, y 축, z 축 각속도를 각각 센싱할 수 있다. 보행 보조 장치(100)는 IMU(130)에서 측정된 가속도 정보에 기반하여 사용자의 발이 착지하는 지점을 검출할 수 있다.
보행 보조 장치(100)는 앞서 설명한 센서부(120) 및 IMU(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 보조력을 출력하도록, 구동부(110)를 제어한다. 제어부(140)는 토크가 발생하도록 구동부(110)를 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있으며, 제어부(140)가 출력한 제어 신호에 기반하여 구동부(110)는 토크를 발생시킬 수 있다. 토크는 외부 장치에 의해 설정될 수도 있고, 제어부(140)에 의해 설정될 수도 있다.
전술된 보행 보조 장치(100)는 사용자의 보행을 보조하는 기능 이외에, 사용자의 동작 상태를 판단하여 추가적인 기능을 제공할 수 있다. 예를 들어, 보행 보조 장치(100)는 사용자의 밸런스 제어를 보조하는 기능을 제공할 수 있다. 예를 들어, 보행 보조 장치(100)는 사용자가 스탠딩 자세를 유지(postural control)하는 것을 보조할 수 있다. 아래 도 3 내지 도 18을 참조하여 보행 보조 장치(100)가 사용자의 밸런스 제어를 보조하는 방법이 설명된다.
< 밸런스 제어 방법의 개요>
도 3은 일 예에 따른 외력에 대한 밸런스 제어 방법들을 도시한다.
예를 들어, 사람의 뒤에서 외력이 가해진 경우(300), 사람은 앞으로 몸이 기울여진다. 가해진 외력의 크기에 따라, 사람이 밸런스를 회복하는 메커니즘이 달라질 수 있다.
약한 외력이 가해진 경우(310), 사람은 햄스트링(hamstring; HAM)과 허리 척추 주위의 근육(lumbar paraspinal muscle; PAR)을 사용하여 상체를 뒤로 움직임으로써 밸런스를 회복한다.
강한 외력이 가해진 경우(320), 사람은 먼저 사두근(quadriceps; QUAD)과 복근(abdominal muscles; ABD)을 사용하여 상체를 앞으로 숙이면서 엉덩이를 뒤로 이동시킴으로써 균형을 잡는다. 다음으로, 사람은 상체를 일으키면서 선다.
외력에 의해 밸런스를 잃는 경우 외에도, 감각 기관의 손상 등으로 인하여 감각을 제어하지 못해 밸런스를 잃을 수 있다. 예를 들어, 근육 또는 신경이 손상된 환자는 스스로 밸런스를 유지하지 못할 수 있다.
신경근육질환은 말초 신경계의 손상으로 하지 근력 약화 및 근 위축이 유발되어 보행 장애가 발생한다. 신경근육질환으로는 다발성 경화증(Multiple Sclerosis), 샤르코-마리-투스병(Charcot-Marie-Tooth; CMT), 및 길랭-바레 (Guillain-Barre) 증후군 등이 있다. CMT는 말초 운동신경 및 감각신경이 손상되어 손, 팔, 발 및 다리 부분의 근력 약화, 근 위축, 감각 소실, 족하수(foot drop) 등이 발생하여 보행, 서있기, 물건 잡기 등의 행동이 어렵다.
스탠딩 동작은 정상인(비장애인)에게는 쉬운 동작이지만 신경근육질환 환자들에게는 어려운 동작이다. 스탠딩 동작을 유지하기 위해서는 자기수용반사(proprioceptive reflex), 시각(visual), 및 전정계(vestibular system) 등의 다양한 감각들이 사용되는데, 환자는 신경손상으로 발목의 자기수용반사 감각이 둔해 지면서 밸런스 유지에 필요한 미세한 움직임을 감지하지 못한다. 환자는 하지 근육들이 감소되면서 외력을 보상해야 하는 근력이 약해져서 밸런스 유지가 정상인에 비해 더 어렵다.
도 4는 일 실시예에 따른 밸런스 제어 장치의 구성도이다.
밸런스 제어 장치(400)는 도 1 및 2를 참조하여 전술된 보행 보조 장치(100)에 대응할 수 있다. 예를 들어, 밸런스 제어 장치(400)는 사용자의 밸런스를 제어하는 기능뿐만 아니라, 사용자의 보행을 보조하는 기능을 포함할 수 있다.
밸런스 제어 장치(400)는 통신부(410), 프로세서(420), 구동부(430), 메모리(440), 관절 각도 센서(450) 및 IMU(460)를 포함한다.
통신부(410)는 프로세서(420), 메모리(440), 관절 각도 센서(450) 및 IMU(460)와 연결되어 데이터를 송수신한다. 통신부(410)는 외부의 다른 장치와 연결되어 데이터를 송수신할 수 있다. 통신부(410)는 밸런스 제어 장치(400) 내의 회로망(circuitry)으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 통신부(410)는 내부 버스(internal bus) 및 외부 버스(internal bus)를 포함할 수 있다. 다른 예로, 통신부(410)는 밸런스 제어 장치(400)와 외부의 장치를 연결하는 요소일 수 있다. 통신부(410)는 인터페이스(interface)일 수 있다. 통신부(410)는 외부의 장치로부터 데이터를 수신하여, 프로세서(420) 및 메모리(440)에 데이터를 전송할 수 있다.
프로세서(420)는 통신부(410)가 수신한 데이터 및 메모리(440)에 저장된 데이터를 처리한다. 프로세서(420)는 토크에 관한 정보를 구동부(430)에 전송 또는 입력할 수 있다. 프로세서(420)는 전술된 도 1의 제어부(140)에 대응될 수 있다.
"프로세서"는 목적하는 동작들(desired operations)을 실행시키기 위한 물리적인 구조를 갖는 회로를 가지는 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치일 수 있다. 예를 들어, 목적하는 동작들은 프로그램에 포함된 코드(code) 또는 인스트럭션들(instructions)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치(central processing unit), 프로세서 코어(processor core), 멀티-코어 프로세서(multi-core processor), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array)를 포함할 수 있다.
프로세서(420)는 메모리(예를 들어, 메모리(440))에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드(예를 들어, 소프트웨어) 및 프로세서(420)에 의해 유발된 인스트럭션들을 실행한다.
구동부(430)는 토크에 관한 정보에 기반하여 동작한다. 구동부(430)는 모터의 회전을 통해 보조력을 발생시킬 수 있다. 구동부(430)는 전술된 도 1의 구동부(110)에 대응될 수 있다.
메모리(440)는 통신부(410)가 수신한 데이터 및 프로세서(420)가 처리한 데이터를 저장한다. 예를 들어, 메모리(440)는 프로그램을 저장할 수 있다.
일 측면에 따르면, 메모리(440)는 하나 이상의 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리 및 RAM(Random Access Memory), 플래시 메모리, 하드 디스크 드라이브 및 광학 디스크 드라이브를 포함할 수 있다.
메모리(440)는 밸런스 제어 장치(400)를 동작 시키는 명령어 세트(예를 들어, 소프트웨어)를 저장한다. 밸런스 제어 장치(400)를 동작 시키는 명령어 세트는 프로세서(420)에 의해 실행된다.
관절 각도 센서(450)는 사용자의 관절의 각도를 측정한다. 예를 들어, 사용자의 관절은 고관절, 무릎관절 및 발목관절을 포함할 수 있다. 관절 각도 센서(450)는 고관절의 각속도, 무릎관절의 각속도 및 발목관절의 각속도를 측정할 수 있다.
IMU(460)는 밸런스 제어 장치(400)의 방위 변화를 측정한다. 예를 들어, IMU(460)는 밸런스 제어 장치(400)를 착용한 사용자의 상체가 어느 방향을 향하고 있는지를 측정할 수 있다.
통신부(410), 프로세서(420), 구동부(430), 메모리(440), 관절 각도 센서(450) 및 IMU(460)에 대해, 아래에서 도 5 내지 도 18을 참조하여 상세히 설명된다.
도 5는 일 실시예에 따른 밸런스 제어 방법의 흐름도이다.
단계(510)에서, 프로세서(420)는 밸런스 제어 장치(400)를 착용한 사용자가 스탠딩(standing) 상태에 있는지 여부를 판단한다. 사용자가 스탠딩 상태에 있는지 여부를 판단하는 방법에 대해, 아래에서 도 6을 참조하여 상세히 설명된다.
사용자가 스탠딩 상태에 있지 않은 경우, 아래의 단계(515)가 수행될 수 있다. 단계(515)에서, 프로세서(420)는 밸런스 제어 장치(400)의 동작 모드를 보행 보조 모드로 설정할 수 있다. 보행 보조 모드에 대해, 아래에서 도 17을 참조하여 상세히 설명된다.
사용자가 스탠딩 상태에 있는 것으로 판단된 경우, 아래의 단계(520)가 수행될 수 있다. 단계(520)에서, 프로세서(420)는 사용자의 밸런스 상태를 측정한다. 사용자의 밸런스 상태는 사용자에게 가해진 외력의 강도를 나타낼 수 있다. 밸런스 상태는 사용자의 무게 중심, 무게 중심 각도, 무게 중심 각속도, 고관절 각도, 발목관절 각도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 방법에 대해, 아래에서 도 7 내지 도 14를 참조하여 상세히 설명된다.
단계(530)에서, 프로세서(420)는 밸런스 상태에 기반하여 보조 모드를 결정한다. 예를 들어, 프로세서(420)는 미리 설정된 복수의 보조 모드들 중 측정된 밸런스 상태에 대응하는 보조 모드를 결정할 수 있다. 측정된 밸런스 상태에 대응하는 보조 모드를 결정하는 방법에 대해, 아래에서 도 15를 참조하여 상세히 설명된다.
단계(540)에서, 프로세서(420)는 결정된 보조 모드에 기반하여 토크를 계산한다. 예를 들어, 보조 모드에 따라 토크를 계산하는 방식이 상이할 수 있다. 토크를 계산하는 방법에 대해, 아래에서 도 16을 참조하여 상세히 설명된다.
단계(550)에서, 프로세서(420)는 계산된 토크를 구동부(430)에 입력한다. 예를 들어, 프로세서(420)는 계산된 토크에 대응하는 전류 값 또는 전압 값을 구동부(430)에 입력할 수 있다. 구동부(430)는 입력된 토크에 기반하여 구동할 수 있다.
도 6은 일 예에 따른 사용자가 스탠딩 상태에 있는지 여부를 판단하는 방법의 흐름도이다.
도 5를 참조하여 전술된 단계(510)는 아래의 단계들(610 및 620)을 포함할 수 있다.
단계(610)에서, 통신부(410)는 하나 이상의 센서들로부터 센싱 데이터를 수신한다. 센싱 데이터는 사용자의 고관절 각도, 고관절 각속도, 고관절 각가속도, 무릎관절 각도, 무릎관절 각속도, 무릎관절 각가속도, 발목관절 각도, 발목관절 각속도, 발목관절 각가속도 및 IMU 데이터 중 적어도 하나를 포함한다. 하나 이상의 센서들은 관절 각도 센서(450) 및 IMU(460)를 포함할 수 있다. 관절 각도 센서(450)는 고관절 각도 센서, 무릎관절 각도 센서 및 발목관절 각도 센서를 포함할 수 있다.
통신부(410)는 무릎관절 각도 센서 및 발목관절 각도 센서와 무선으로(wirelessly) 연결될 수 있다. 예를 들어, 통신부(410)는 블루투스(Bluetooth)를 통해 무릎관절 각도 센서 및 발목관절 각도 센서와 데이터를 교환할 수 있다.
단계(620)에서, 프로세서(420)는 수신한 센싱 데이터에 기반하여 사용자가 스탠딩 상태에 있는지 여부를 판단한다. 프로세서(420)는 사용자의 고관절 각도, 고관절 각속도, 고관절 각가속도, 무릎관절 각도, 무릎관절 각속도, 무릎관절 각가속도, 발목관절 각도, 발목관절 각속도, 발목관절 각가속도 및 IMU 데이터 중 적어도 하나에 기반하여 사용자가 스탠딩 상태에 있는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(420)는 센싱 데이터가 미리 설정된 시간 동안 미리 설정된 범위 내에서 유지되는 경우, 사용자가 스탠딩 상태에 있는 것으로 판단할 수 있다.
도 7은 일 예에 따른 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 방법의 흐름도이다.
도 5를 참조하여 전술된 단계(520)는 아래의 단계들(710, 720 및 730) 중 적어도 하나를 포함한다. 단계들(710, 720 및 730)은 병렬적으로 수행될 수 있으며, 하나 이상의 단계들이 복합적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 각각의 단계에 의해 계산된 밸런스 상태에 가중치가 부여될 수 있다.
단계(710)에서, 프로세서(420)는 사용자의 무게 중심(center of mass; COM)에 기반하여 밸런스 상태를 측정한다. COM에 기반하여 밸런스 상태를 측정하는 방법에 대해, 아래에서 도 8 내지 도 11을 참조하여 상세히 설명된다.
단계(720)에서, 프로세서(420)는 사용자의 발바닥의 압력에 기반하여 밸런스 상태를 측정한다. 예를 들어, 프로세서(420)는 발바닥에 가해지는 압력의 중심(center of pressure)을 결정함으로써 밸런스 상태를 측정할 수 있다. 발바닥의 압력에 기반하여 밸런스 상태를 측정하는 방법에 대해, 아래에서 도 12 및 도 13을 참조하여 상세히 설명된다.
단계(730)에서, 프로세서(420)는 밸런스 제어 장치(400)의 ZMP(Zero Moment Point)에 기반하여 밸런스 상태를 측정한다. ZMP에 기반하여 밸런스 상태를 측정하는 방법에 대해, 아래에서 도 14를 참조하여 상세히 설명된다.
도 8은 일 예에 따른 사용자의 무게 중심에 기반하여 밸런스 상태를 측정하는 방법의 흐름도이다.
도 7을 참조하여 전술된 단계(710)는 아래의 단계들(810, 820 및 830)을 포함할 수 있다. 밸런스 제어 장치(400)가 발목관절 각도를 센싱 또는 획득하지 못하는 경우에 단계들(810, 820 및 830)이 수행될 수 있다. 단계(810)가 수행되기 전에 IMU 데이터 및 고관절 각도가 획득될 수 있다.
단계(810)에서, 프로세서(420)는 IMU 데이터 및 고관절 각도에 기반하여 사용자의 COM을 계산한다. IMU 데이터는 사용자의 상체의 피치(pitch) 및 롤(roll) 중 적어도 하나를 포함하고, 프로세서(420)는 IMU 데이터를 이용하여 사용자의 상체의 피치 및 롤 중 적어도 하나를 측정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(420)는 사용자의 상태를 모델링하고, 모델링에 기반하여 COM을 계산할 수 있다. 모델링에 기반하여 COM을 계산하는 방법에 대해, 아래에서 도 9를 참조하여 상세히 설명된다.
단계(820)에서, 프로세서(420)는 미리 설정된 자세 및 계산된 COM에 의한 자세 간의 차이를 나타내는 COM 각도를 계산한다. 미리 설정된 자세는 COM 및 사용자의 발 뒤꿈치가 이루는 직선이 중력 방향과 일치하는 자세일 수 있다. COM 각도에 대해, 아래에서 도 10을 참조하여 상세히 설명된다.
단계(830)에서, 프로세서(420)는 COM 각도에 기반하여 COM 각속도를 계산한다. 예를 들어, 프로세서(420)는 미리 정해진 시간 간격으로 COM 각도를 계산하고, 계산된 COM 각도들을 이용하여 COM 각속도를 계산할 수 있다. 밸런스 상태는 계산된 COM, 계산된 COM 각도, 및 계산된 COM 각속도를 포함할 수 있다.
도 9는 일 예에 따른 모델링된 사용자의 상태를 도시한다.
외력이 가해진 사용자의 상태가 모델링될 수 있다. 프로세서(420)는 IMU 데이터 및 고관절 각도를 이용하여 사용자의 상태를 모델링한다. 예를 들어, 사용자의 신체 정보가 미리 저장될 수 있다. 신체 정보는 사용자의 키, 상체 길이, 하체 길이, 몸무게, 상체 무게 및 하체 무게를 포함할 수 있다. 모델링된 사용자는 고관절을 기준으로 상체 부분(910) 및 하체 부분(920)으로 구분될 수 있고, 발목관절을 기준으로 하체 부분(920) 및 발 부분(930)으로 구분될 수 있다. 상체 부분(910)은 사용자의 머리 팔 및 몸통을 포함할 수 있다. 하체 부분(20)은 허벅지 및 종아리를 포함하고, 무릎관절은 펴진 것으로 가정될 수 있다.
프로세서(420)는 상체의 피치(θ1)를 나타내는 IMU 데이터 및 고관절 각도(θ2)에 기반하여 발목관절 각도(θ3)를 추정할 수 있다. 프로세서(420)는 사용자의 신체 정보, 상체의 피치(θ1), 고관절 각도(θ2) 및 발목관절 각도(θ3)에 기반하여 사용자의 상태를 모델링할 수 있다. 프로세서(420)는 모델링된 사용자의 상태에 기반하여 사용자의 COM을 계산한다.
도 10은 일 예에 따른 사용자의 계산된 무게 중심을 도시한다.
도 8 및 9를 참조하여 전술된 단계(810)에 의해 계산된 COM(1010)은 사용자의 신체 내부에 존재한다. 프로세서(420)는 COM(1010)를 기반으로 사용자의 현재 자세(1020)를 결정할 수 있다.
프로세서(420)는 미리 설정된 자세 및 COM에 의한 자세(1020) 간의 차이를 나타내는 COM 각도(θcom)를 계산할 수 있다. 미리 설정된 자세는 COM 및 사용자의 발 뒤꿈치가 이루는 직선이 중력 방향과 일치하는 자세일 수 있다.
도 11은 다른 일 예에 따른 사용자의 무게 중심에 기반하여 밸런스 상태를 측정하는 방법의 흐름도이다.
도 7을 참조하여 전술된 단계(710)는 아래의 단계들(1110, 1120, 1130 및 1140)을 포함할 수 있다. 밸런스 제어 장치(400)가 발목관절 각도를 센싱 또는 획득한 경우에 단계들(1110, 1120, 1130 및 1140)이 수행될 수 있다.
단계(1110)에서, 통신부(410)는 발목관절 각도를 수신한다. 예를 들어, 통신부(410)는 발목관절 각도 센서로부터 발목관절 각도를 수신할 수 있다. 발목관절 각도 센서는 저항 방식, 정전용량 방식 및 편광 방식을 포함할 수 있다.
단계(1120)에서, 프로세서(420)는 발목관절 각도에 기반하여 COM을 계산한다. 예를 들어, 프로세서(420)는 사용자의 상태를 모델링할 수 있고, 모델링에 기반하여 COM을 계산할 수 있다. 사용자의 상태를 모델링하는 방법은 도 9를 참조하여 전술된 내용과 유사하므로, 상세한 설명은 생략한다.
단계(1130)에서, 프로세서(420)는 미리 설정된 자세 및 계산된 COM에 의한 자세 간의 차이를 나타내는 COM 각도를 계산한다. 도 8을 참조하여 전술된 단계(820)에 대한 설명이 단계(1130)에 대한 설명으로 대체될 수 있다.
단계(1140)에서, 프로세서(420)는 COM 각도에 기반하여 COM 각속도를 계산한다. 도 8을 참조하여 전술된 단계(830)에 대한 설명이 단계(1140)에 대한 설명으로 대체될 수 있다.
도 12는 일 예에 따른 사용자의 발바닥의 압력에 기반하여 밸런스 상태를 측정하는 방법의 흐름도이다.
도 7을 참조하여 전술된 단계(720)는 아래의 단계들(1210 및 1220)을 포함할 수 있다.
단계(1210)에서, 통신부(410)는 발바닥에 부착된 압력 센서로부터 압력 센서가 측정한 발바닥의 압력을 수신한다. 예를 들어, 복수의 압력 센서들이 신발의 깔창에 부착될 수 있다. 깔창에 부착된 복수의 압력 센서들에 대해, 아래에서 도 13을 참조하여 상세히 설명된다.
단계(1220)에서, 프로세서(420)는 발바닥의 압력에 기반하여 밸런스 상태를 측정한다. 예를 들어, 프로세서(420)는 발바닥의 압력에 기반하여 압력의 중심(center of pressure; COP)을 계산할 수 있다. COP는 사용자의 발바닥 상에 위치하도록 계산될 수 있다. 계산된 COP에 기반하여 사용자의 밸런스 상태를 측정할 수 있다. 예를 들어, 계산된 COP의 위치가 발바닥 앞쪽에 위치할수록 사용자가 앞으로 기울어진 것일 수 있다.
COP의 위치에 대응하는 COM 각도가 미리 설정될 수 있다. 예를 들어, COP의 위치 및 COM 각도에 대한 매칭 테이블이 메모리(440)에 미리 저장되어 있을 수 있다. 프로세서(420)는 계산된 COP의 위치에 대응하는 COM 각도를 결정할 수 있다. 프로세서(420)는 COM 각도에 기반하여 COM 각속도를 계산할 수 있다.
도 13은 일 예에 따른 사용자의 발바닥의 압력을 측정하는 방법을 도시한다.
깔창(1300) 내에 복수의 압력 센서들(1310, 1320, 1330 및 1340)이 포함될 수 있다. 각각의 압력 센서는 압력 센서를 누르는 압력의 크기를 측정할 있다. 각각의 압력 센서는 미리 설정된 시간 간격으로 압력을 측정할 수 있다. 복수의 압력 센서들(1310, 1320, 1330 및 1340)은 사용자의 발바닥이 깔창(1300)을 누르는 주요 부분에 위치할 수 있다. 예를 들어, 발바닥의 뒤꿈치(heel) 및 앞꿈치(ball)에 압력 센서들이 위치할 할 수 있다.
압력 센서들(1310, 1320, 1330 및 1340) 각각은 측정한 압력을 무선 통신을 통해 통신부(410)로 전송할 수 있다. 프로세서(420)는 압력의 변화를 측정할 수 있다.
도 14는 일 예에 따른 ZMP에 기반하여 밸런스 상태를 측정하는 방법의 흐름도이다.
도 7을 참조하여 전술된 단계(730)는 아래의 단계들(1410 및 1420)을 포함할 수 있다.
단계(1410)에서, 프로세서(420)는 IMU 데이터에 기반하여 ZMP를 계산한다. IMU 데이터는 IMU(460)의 가속도를 포함할 수 있다.
단계(1420)에서, 프로세서(420)는 ZMP에 기반하여 밸런스 상태를 측정한다.
도 15는 일 예에 따른 밸런스 상태에 대응하는 보조 모드를 결정하는 방법의 흐름도이다.
도 5를 참조하여 전술된 단계(530)는 아래의 단계들(1510, 1520 및 1530)을 포함할 수 있다. 단계들(1510 및 1520)은 병렬적으로 수행될 수 있다.
단계(1510)에서, 프로세서(420)는 계산된 COM를 미리 설정된 복수의 임계 값들과 비교한다. COM 각도가 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용하여 복수의 임계 값들과 비교될 수 있다. 제1 임계 값은 제4 임계 값에 비해 더 작을 수 있다. 제1 임계 값 및 제2 임계 값의 범위는 제3 임계 값 및 제4 임계 값의 범위와 일부가 겹칠 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
단계(1520)에서, 프로세서(420)는 계산된 COM 각속도를 미리 설정된 복수의 임계 값들과 비교한다. COM 각속도가 [수학식 3] 및 [수학식 4]를 이용하여 복수의 임계 값들과 비교될 수 있다. 제5 임계 값은 제7 임계 값에 비해 더 작을 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
단계(1530)에서, 프로세서(420)는 단계(1510) 및 단계(1520)의 비교 결과들에 기반하여 밸런스 상태에 대응하는 보조 모드를 결정한다. 예를 들어, 프로세서(420)는 복수의 보조 모드들 중 밸런스 상태에 대응하는 보조 모드를 결정할 수 있다.
예를 들어, [수학식 1] 및 [수학식 3]가 동시에 만족되는 경우 제1 보조 모드가 결정될 수 있다. [수학식 2] 및 [수학식 4]가 동시에 만족되는 경우 제2 보조 모드가 결정될 수 있다. 밸런스 상태가 제1 보조 모드 및 제2 보조 모드로 결정되지 않는 경우, 제3 보조 모드가 결정될 수 있다.
제1 보조 모드는 제2 보조 모드에 비해 상대적으로 약한 외력에 대한 보조 모드일 수 있다. 예를 들어, 제1 보조 모드는 도 3을 참조하여 전술된 약한 외력이 가해진 경우(310)에 대한 보조 모드이고, 제2 보조 모드는 강한 외력이 가해진 경우(320)에 대한 보조 모드일 수 있다. 제3 보조 모드는 밸런스를 회복하기 위한 토크를 제공하지 않는 모드일 수 있다. 예를 들어, 제3 보조 모드는 가해진 외력이 강해서 발을 내디뎌야 하는 경우에 결정될 수 있다. 제3 보조 모드는 보행 보조 모드일 수 있다. 제3 보조 모드가 결정된 경우, 도 5를 참조하여 전술된 단계(515)가 수행될 수 있다.
일 측면에서 따르면, 프로세서(420)는 측정된 사용자의 상체의 롤이 임계 값을 초과하는 경우 보조 모드를 측면 보조 모드로 결정할 수 있다. 예를 들어, 측면 보조 모드는 사용자의 측면 밸런스를 조정하기 위한 보조 모드일 수 있다. 측면 보조 모드는 전술된 제1 보조 모드 및 제2 보조 모드의 기능을 포함하고, 추가적으로 사용자의 측면 밸런스를 조정할 수 있다. 밸런스 제어 장치(400)는 측면 밸런스를 조정하기 위한 추가(additional) 구동부(actuator)를 더 포함할 수 있다.
도 16은 일 예에 따른 보조 모드에 기반하여 토크를 계산하는 방법의 흐름도이다.
도 5를 참조하여 전술된 단계(540)는 아래의 단계들(1610 및 1620)을 포함할 수 있다.
단계(1610)에서, 프로세서(420)는 결정된 보조 모드에 대한 이득(gain)을 결정한다. 프로세서(420)는 사용자의 질병의 종류, 사용자의 체격 조건, 및 미리 설정된 보조 방법 중 적어도 하나에 기반하여 이득을 결정할 수 있다. 미리 설정된 보조 방법은 사용자가 미리 선택한 밸런스 제어 정도를 포함할 수 있다.
예를 들어, 보조 모드가 제1 보조 모드로 결정된 경우, 프로세서(420)는 COM 각속도에 대한 이득 및 COM 각도에 대한 이득을 결정할 수 있다. 보조 모드가 제2 보조 모드로 결정된 경우, 프로세서(420)는 고관절 각속도에 대한 이득, 고관절 각도에 대한 이득, 임계 시간, COM 각속도에 대한 이득 및 COM 각도에 대한 이득을 결정할 수 있다. 임계 시간은 동일한 보조 모드 내에서 제공되는 보조력의 형태가 변환되는 경우, 변환되는 시점을 나타낼 수 있다.
다른 예로, 보조 모드가 측면 보조 모드로 결정된 경우, 프로세서(420)는 측면 보조 모드에 대한 이득을 계산할 수 있다. 측면 보조 모드에 대한 이득은, 제1 보조 모드 및 제2 보조 모드에 대한 이득과 독립적으로 계산될 수 있다.
단계(1620)에서, 프로세서(420)는 결정된 보조 모드에 기반하여 토크를 계산한다. 프로세서(420)는 결정된 이득, 계산된 COM 각속도, 계산된 COM 각도 및 미리 설정된 요구(desired) 각도에 기반하여 토크를 계산할 수 있다.
예를 들어, 제1 보조 모드로 결정된 경우, 프로세서(420)는 아래의 [수학식 5]를 이용하여 토크를 계산할 수 있다. Fv1은 COM 각속도에 대한 이득이고, Fp1은 COM 각도에 대한 이득이다.
Figure pat00005
프로세서(420)는 제1 보조 모드에 대한 토크를 계산하기 위해 선형 제어, 비선형 제어, 시그모이드(sigmoid) 제어, 및 지수(exponential) 제어 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
다른 예로, 제2 보조 모드로 결정된 경우, 프로세서(420)는 아래의 [수학식 6]을 이용하여 토크를 계산할 수 있다. 제1 토크는 임계 시간 전까지의 토크이고, 제2 토크는 임계 시간 이후의 토크일 수 있다. 프로세서(420)는 제2 보조 모드로 결정된 경우, 임계 시간을 기준으로 두 단계의 토크들을 계산할 수 있다. Fv2는 고관절 각속도에 대한 이득이고, Fp2은 고관절 각도에 대한 이득이다. Fv3은 COM 각속도에 대한 이득이고, Fp3은 COM 각도에 대한 이득이다. Fv4는 고관절 각속도에 대한 이득이고, Fp4는 고관절 각도에 대한 이득이다. 제1 요구 각도, 제2 요구 각도 및 제3 요구 각도는 각각 미리 설정될 수 있다.
Figure pat00006
프로세서(420)는 제2 보조 모드에 대한 토크를 계산하기 위해 선형 제어, 비선형 제어, 시그모이드 제어, 및 지수 제어 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
도 17은 일 예에 따른 사용자에게 보행 보조 토크를 제공하는 방법의 흐름도이다.
도 5를 참조하여 전술된 단계(515)는 아래의 단계들(1710, 1720 및 1730)을 포함할 수 있다.
단계(1710)에서, 프로세서(420)는 사용자의 보행 상태를 측정한다. 프로세서(420)는 하나 이상의 센서들로부터 센싱 데이터를 수신한다. 센싱 데이터는 사용자의 고관절 각도, 고관절 각속도, 고관절 각가속도, 무릎관절 각도, 무릎관절 각속도, 무릎관절 각가속도, 발목관절 각도, 발목관절 각속도, 발목관절 각가속도 및 IMU 데이터 중 적어도 하나를 포함한다.
예를 들어, 프로세서(420)는 측정된 보행 상태에 기반하여 사용자의 보행 사이클(gait cycle)을 결정할 수 있다. 프로세서(420)는 미리 설정된 사용자의 보행 프로파일에 기반하여 보행 상태에 대응하는 보행 사이클을 결정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(420)는 보행 사이클을 결정하기 위해 PSAO(Particularly Shaped Adaptive Oscillator)를 이용할 수 있다. 다른 예로, 프로세서(420)는 보행 사이클을 결정하기 위해 FSM(Finite State Machine)를 이용할 수 있다. 또 다른 예로, 프로세서(420)는 보행 사이클을 결정하기 위해 PSAO 및 FSM을 이용할 수 있다.
단계(1720)에서, 프로세서(420)는 측정된 보행 상태에 대응하는 보행 보조 토크를 계산한다. 프로세서(420)는 보행 상태에 대응하는 것으로 결정된 보행 사이클에 기반하여 보행 보조 토크를 계산할 수 있다. 보행 보조 토크에 의해 사용자의 보행을 보조하는 보조력이 제공될 수 있다.
단계(1730)에서, 프로세서(420)는 계산된 보행 보조 토크를 구동부(430)로 입력한다. 구동부(430)는 입력된 보행 보조 토크에 기반하여 구동한다.
도 18은 일 실시예에 따른 사용자에게 알람 토크를 제공하는 방법의 흐름도이다.
사용자의 밸런스를 보조하기 위해, 직접적인 보조력을 발생시키는 방법 이외에, 사용자에게 밸런스 조정이 필요함을 알림으로써 사용자가 스스로 밸런스를 조정하게 하는 방법이 고려될 수 있다. 예를 들어, CMT 환자는 발목의 감각이 둔해져서 밸런스에 문제가 있다는 것을 인지하지 못할 수 있다. 이러한 경우 CMT 환자에게 감각이 정상적인 허벅지 부분을 자극해주면, 환자는 자극을 인식하여 밸런스를 스스로 조정할 수 있다. 사용자에게 밸런스 조정이 필요함을 알림으로써 사용자가 스스로 밸런스를 조정하게 하는 방법이 아래의 단계들(1810, 1820, 1830, 1840 및 1850)을 통해 상세히 설명된다. 단계들(1810, 1820, 1830, 1840 및 1850)에 대한 설명은, 바이오피드백(biofeedback)을 사용자에게 제공하기 위한 방법에 관한 것일 수 있다.
단계(1810)에서, 프로세서(420)는 밸런스 제어 장치(400)를 착용한 사용자가 스탠딩 상태에 있는지 여부를 판단한다. 단계(1810)에 대한 상세한 설명은, 도 5 및 6을 참조하여 전술된 단계(510)에 대한 설명으로 대체될 수 있으므로, 이하에서 생략한다.
단계(1815)에서, 프로세서(420)는 밸런스 제어 장치(400)의 동작 모드를 보행 보조 모드로 설정한다. 단계(1815)에 대한 상세한 설명은, 도 5 및 17을 참조하여 전술된 단계(515)에 대한 설명으로 대체될 수 있으므로, 이하에서 생략한다.
단계(1820)에서, 프로세서(420)는 사용자의 밸런스 상태를 측정한다. 단계(1820)에 대한 상세한 설명은, 도 5 및 7-14를 참조하여 전술된 단계(520)에 대한 설명으로 대체될 수 있으므로, 이하에서 생략한다.
단계(1830)에서, 프로세서(420)는 밸런스 상태에 기반하여 보조 모드를 결정한다. 단계(1830)에 대한 상세한 설명은, 도 5 및 15를 참조하여 전술된 단계(530)에 대한 설명으로 대체될 수 있으므로, 이하에서 생략한다.
단계(1840)에서, 프로세서(420)는 결정된 보조 모드에 기반하여 알람 토크를 계산한다. 알람 토크는 사용자에게 밸런스를 조정해야 한다는 정보를 바이오피드백의 형태로 전달하기 위한 토크일 수 있다. 예를 들어, 상체를 뒤로 세워야 하는 경우, 밸런스 제어 장치(400)는 고관절 부위에 위치한 구동부(430)를 약간 동작시켜서 사용자에게 상체를 뒤로 세우라는 정보를 전달할 수 있다.
알람 토크를 계산하기 위해, 전술된 [수학식 1] 내지 [수학식 6]이 이용될 수 있다. 직접적으로 보조력을 제공하기 위한 토크를 계산하는 단계(540)와 비교하면, 단계(1840)에서 계산되는 이득은 단계(540)에서 계산되는 이득에 비해 더 작을 수 있다.
단계(1850)에서, 프로세서(420)는 계산된 알람 토크를 구동부(430)에 입력한다. 예를 들어, 프로세서(420)는 계산된 알람 토크에 대응하는 전류 값 또는 전압 값을 구동부(430)에 입력할 수 있다. 구동부(430)는 입력된 알람 토크에 기반하여 구동할 수 있다.
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 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 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 청구범위의 범위에 속한다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
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.
400: 밸런스 제어 장치
410: 통신부
420: 프로세서
430: 구동부
440: 메모리
450: 관절 각도 센서
460: IMU

Claims (24)

  1. 밸런스 제어 장치에 의해 수행되는,
    사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계;
    측정된 사용자의 밸런스 상태에 대응하는 보조 모드(assist mode)를 결정하는 단계;
    상기 결정된 보조 모드에 기반하여 토크를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 토크를 구동부(actuator)로 입력하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사용자가 스탠딩(standing) 상태에 있는지 여부를 판단하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계는 상기 사용자가 스탠딩 상태에 있는 것으로 판단된 경우 수행되는,
    밸런스 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 사용자가 스탠딩 상태에 있는지 여부를 판단하는 단계는,
    상기 사용자의 고관절(hip joint) 각도, 고관절 각속도, 고관절 각가속도 및 IMU (Inertial Measurement Unit)의 데이터 중 적어도 하나를 수신하는 단계; 및
    상기 고관절 각도, 상기 고관절 각속도, 상기 고관절 각가속도 및 상기 IMU의 데이터 중 적어도 하나에 기반하여 상기 사용자가 스탠딩 상태에 있는지 여부를 판단하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계는,
    상기 사용자의 무게 중심 (Center Of Mass; COM)에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 COM에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계는,
    IMU 데이터 및 고관절 각도에 기반하여 상기 COM을 계산하는 단계;
    미리 설정된 자세 및 상기 COM에 의한 자세 간의 차이를 나타내는 COM 각도를 계산하는 단계; 및
    상기 COM 각도에 기반하여 COM 각속도를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 IMU 데이터는 상기 사용자의 상체의 피치(pitch)를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 COM에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계는,
    상기 사용자의 발목관절(ankle joint) 각도를 수신하는 단계;
    상기 발목관절 각도에 기반하여 상기 COM을 계산하는 단계;
    미리 설정된 자세 및 상기 COM에 의한 자세 간의 차이를 나타내는 COM 각도를 계산하는 단계; 및
    상기 COM 각도에 기반하여 COM 각속도를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 발목관절 각도를 수신하는 단계는,
    상기 사용자의 발목에 부착된 각도 센서로부터 상기 발목관절 각도를 수신하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계는,
    상기 사용자의 발바닥의 압력에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 사용자의 발바닥의 압력에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계는,
    상기 사용자의 발바닥에 부착된 압력 센서가 측정한 상기 발바닥의 압력을 수신하는 단계; 및
    상기 발바닥의 압력에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 압력 센서는 복수 개이고,
    상기 발바닥의 압력에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계는,
    상기 복수 개의 압력 센서들이 측정한 압력의 변화에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계는,
    상기 밸런스 제어 장치의 ZMP(Zero Moment Point)에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 밸런스 제어 장치의 ZMP에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계는,
    IMU의 가속도에 기반하여 상기 ZMP를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 ZMP에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계는,
    IMU 데이터 및 고관절 각도에 기반하여 상기 사용자의 COM을 계산하는 단계;
    미리 설정된 자세 및 상기 COM에 의한 자세 간의 차이를 나타내는 COM 각도를 계산하는 단계; 및
    상기 COM 각도에 기반하여 COM 각속도를 계산하는 단계
    를 포함하고,
    상기 밸런스 상태에 대응하는 상기 보조 모드를 결정하는 단계는,
    상기 COM 각도를 미리 설정된 복수의 임계 값들과 비교하는 단계;
    상기 COM 각속도를 미리 설정된 복수의 임계 값들과 비교하는 단계; 및
    상기 COM 각도의 비교 결과 및 상기 COM 각속도의 비교 결과에 기반하여 복수의 보조 모드들 중 상기 밸런스 상태에 대응하는 상기 보조 모드를 결정하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서
    상기 복수의 보조 모드들 각각은 서로 다른 COM 각속도에 대응되는,
    밸런스 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 결정된 보조 모드에 기반하여 토크를 계산하는 단계는,
    이득(gain)을 결정하는 단계; 및
    상기 이득, 상기 COM 각속도, 상기 COM 각도 및 미리 설정된 요구(desired) 각도에 기반하여 상기 토크를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 이득은,
    상기 사용자의 질병의 종류, 상기 사용자의 체격 조건, 및 미리 설정된 보조 방법 중 적어도 하나에 기반하여 결정되는,
    밸런스 제어 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계는,
    IMU 데이터를 이용하여 상기 사용자의 상체의 롤(roll)을 측정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 보조 모드 (assist mode)를 결정하는 단계는,
    상기 측정된 롤이 임계 값을 초과하는 경우, 상기 보조 모드를 측면 보조 모드로 결정하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 보행 상태를 측정하는 단계;
    상기 보행 상태에 대응하는 보행 보조 토크를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 보행 보조 토크를 상기 구동부로 입력하는 단계
    를 더 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  20. 밸런스 제어 장치에 있어서,
    하나 이상의 센서들로부터 수신한 센싱 데이터에 기반하여 사용자의 밸런스 상태를 측정하고, 상기 밸런스 상태에 대응하는 보조 모드(assist mode)를 결정하며, 상기 결정된 보조 모드에 기반하여 토크를 계산하는 프로세서; 및
    상기 토크를 발생시키는 구동부(actuator)
    를 포함하는,
    밸런스 제어 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 사용자의 발목에 부착되는 발목 구동부
    를 더 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 보조 모드에 기반하여 상기 발목 구동부에 대한 보조 토크를 계산하고,
    상기 발목 구동부는 상기 보조 토크를 발생시키는,
    밸런스 제어 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 발목 구동부는,
    상기 사용자의 발목관절(ankle joint) 각도를 측정하는 각도 센서
    를 포함하고,
    상기 프로세서는, 상기 발목관절 각도에 기반하여 상기 밸런스 상태를 측정하는,
    밸런스 제어 장치.
  23. 밸런스 제어 장치에 의해 수행되는,
    사용자가 스탠딩(standing) 상태에 있는지 여부를 판단하는 단계;
    상기 사용자가 스탠딩 상태에 있는 것으로 판단된 경우 사용자의 밸런스 상태를 측정하는 단계;
    상기 밸런스 상태에 대응하는 보조 모드(assist mode)를 결정하는 단계;
    상기 결정된 보조 모드에 기반하여 알람(alarm) 토크를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 알람 토크를 구동부(actuator)로 입력하는 단계
    를 포함하는,
    밸런스 제어 방법.
  24. 밸런스 제어 장치에 있어서,
    하나 이상의 센서들로부터 수신한 센싱 데이터에 기반하여 사용자가 스탠딩(standing) 상태에 있는지 여부를 판단하고, 상기 사용자가 스탠딩 상태에 있는 것으로 판단된 경우 상기 사용자의 밸런스 상태를 측정하며, 상기 밸런스 상태에 대응하는 보조 모드(assist mode)를 결정하고, 상기 결정된 보조 모드에 기반하여 알람(alarm) 토크를 계산하는 프로세서; 및
    상기 알람 토크를 발생시키는 구동부(actuator)
    를 포함하는,
    밸런스 제어 장치.
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