KR20180094576A - 운동 보조 장치 - Google Patents

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KR20180094576A
KR20180094576A KR1020170020870A KR20170020870A KR20180094576A KR 20180094576 A KR20180094576 A KR 20180094576A KR 1020170020870 A KR1020170020870 A KR 1020170020870A KR 20170020870 A KR20170020870 A KR 20170020870A KR 20180094576 A KR20180094576 A KR 20180094576A
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KR1020170020870A
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박영진
서기홍
임복만
형승용
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삼성전자주식회사
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Abstract

일 실시 예에 따르면 운동 보조 장치는, 사용자의 근위 부분을 지지하기 위한 근위 지지부; 상기 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 원위 지지부; 상기 근위 지지부 및 원위 지지부 사이를 연결하고, 상기 근위 지지부로부터 상기 원위 지지부까지의 이격 거리 및 상기 원위 지지부의 회전 각도를 조절할 수 있는 지지 어셈블리; 및 상기 원위 지지부의 제 1 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 제 1 스프링과, 상기 원위 지지부의 제 2 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 제 2 스프링을 포함하고, 상기 근위 지지부를 질량체인 것으로 가정하여 설계된 가상의 이중 스프링-질량 모델에 기초하여, 상기 지지 어셈블리를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

운동 보조 장치{MOTION ASSIST APPARATUS}
아래의 설명은 운동 보조 장치에 관한 것이다.
관절이 불편한 노인이나 환자들이 보행을 원활하게 할 수 있는 운동 보조 장치 및 군사용 등의 목적으로 사용자의 근력을 보조하기 위한 장치들이 개발되고 있다.
일 실시 예에 따르면 운동 보조 장치는, 사용자의 근위 부분을 지지하기 위한 근위 지지부; 상기 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 원위 지지부; 상기 근위 지지부 및 원위 지지부 사이를 연결하고, 상기 근위 지지부로부터 상기 원위 지지부까지의 이격 거리 및 상기 원위 지지부의 회전 각도를 조절할 수 있는 지지 어셈블리; 및 상기 원위 지지부의 제 1 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 제 1 스프링과, 상기 원위 지지부의 제 2 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 제 2 스프링을 포함하고, 상기 근위 지지부를 질량체인 것으로 가정하여 설계된 가상의 이중 스프링-질량 모델에 기초하여, 상기 지지 어셈블리를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 원위 지지부의 제 1 부분 및 제 2 부분은 상기 원위 지지부의 회전 중심을 기준으로 서로 반대편에 위치할 수 있다.
상기 사용자의 근위 부분 및 원위 부분 사이에 위치하는 사용자의 관절은 적어도 2개 이상일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수, 상기 가상의 제 1 스프링의 길이 변화, 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수, 및 상기 가상의 제 2 스프링의 길이 변화에 기초하여, 상기 지지 어셈블리를 구동시킬 수 있다.
상기 제어부는, 상기 가상의 제 1 스프링이 상기 원위 지지부의 제 1 부분에 작용하는 가상의 제 1 힘과, 상기 가상의 제 2 스프링이 상기 원위 지지부의 제 2 부분에 작용하는 가상의 제 2 힘을 결정하고, 상기 결정된 제 1 힘 및 제 2 힘에 기초하여, 상기 지지 어셈블리를 구동시킬 수 있다.
상기 제어부는, 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수 또는 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수를 조절 가능할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 원위 지지부의 제 1 부분이 외부에 접촉되면, 상기 제 1 스프링의 탄성 계수를 증가시킬 수 있다.
상기 제어부는, 상기 원위 지지부의 제 1 부분이 외부로부터 이격되면, 상기 제 1 스프링의 탄성 계수를 감소시킬 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 원위 지지부의 제 1 부분이 외부에 접촉하였는지 여부 또는 상기 원위 지지부의 제 2 부분이 외부에 접촉하였는지 여부를 감지할 수 있는 지지부 센싱부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 지지부 센싱부에서 감지된 정보에 기초하여 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수 또는 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수를 조절 할 수 있다.
상기 지지부 센싱부는, 상기 원위 지지부의 제 1 부분이 외부에 접촉하였는지 여부에 따라서 상기 제어부로 온/오프 신호를 전달하는 제 1 접촉 센서; 및 상기 원위 지지부의 제 2 부분이 외부에 접촉하였는지 여부에 따라서 상기 제어부로 온/오프 신호를 전달하는 제 2 접촉 센서를 포함할 수 있다.
상기 제 1 접촉 센서가 온되고 상기 제 2 접촉 센서가 오프되면, 상기 제어부는, 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수를 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수보다 높게 조절할 수 있다.
상기 제 2 접촉 센서가 온되고 상기 제 1 접촉 센서가 오프되면, 상기 제어부는, 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수를 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수보다 높게 조절할 수 있다.
상기 제 1 접촉 센서 및 상기 제 2 접촉 센서가 모두 온되면, 상기 제어부는 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수 및 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수의 차이가 제 1 설정 값 이하가 되게 할 수 있다.
상기 제 1 접촉 센서 및 상기 제 2 접촉 센서가 모두 오프되면, 상기 제어부는 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수 및 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수가 각각 제 2 설정 값 미만이 되게 할 수 있다.
상기 지지부 센싱부는, 외부로부터 상기 원위 지지부에 작용하는 압력 분포 정보를 측정할 수 있는 압력 센서를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 압력 센서에서 측정된 상기 압력 분포 정보에 기초하여, 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수 및 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수의 값 또는 비율을 조절할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 사용자의 보행 속도를 감지할 수 있는 속도 센싱부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 보행 속도가 증가되면 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수 및 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수 중 적어도 하나 이상을 증가시키고, 상기 보행 속도가 감소되면 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수 및 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수 중 적어도 하나 이상을 감소시킬 수 있다.
상기 가상의 이중 스프링-질량 모델은, 상기 원위 지지부의 제 1 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 제 1 댐퍼와, 상기 원위 지지부의 제 2 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 제 2 댐퍼 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 가상의 제 1 댐퍼 또는 상기 가상의 제 2 댐퍼에서 작용하는 가상의 댐핑력에 기초하여 상기 지지 어셈블리를 제어할 수 있다.
상기 지지 어셈블리는 복수 개의 회전 가능한 링크를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 회전 가능한 링크는, 상기 근위 지지부에 회전 가능하게 연결되는 제 1 링크; 상기 제 1 링크 및 상기 원위 지지부에 각각 회전 가능하게 연결되는 제 2 링크를 포함하고, 상기 지지 어셈블리는 상기 근위 지지부 및 제 1 링크 사이의 회전 각도, 또는 상기 제 1 링크 및 상기 제 2 링크 사이의 회전 각도를 조절하기 위한 제 1 구동원; 및 상기 제 2 링크 및 상기 원위 지지부 사이의 회전 각도를 조절하기 위한 제 2 구동원을 포함할 수 있다.
상기 제 1 구동원은 상기 근위 지지부 및 상기 제 1 링크 사이의 회전 각도를 조절하고, 상기 지지 어셈블리는 상기 제 1 링크 및 상기 제 2 링크 사이의 회전 각도를 조절하기 위한 제 3 구동원을 더 포함할 수 있다.
상기 지지 어셈블리는, 상기 사용자의 원위 지지부의 양측 및 상기 근위 지지부를 각각 연결하고, 상기 근위 지지부로부터 상기 원위 지지부의 양측으로 각각 선형적인 힘을 제공할 수 있는 제 1 구동원 및 제 2 구동원을 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 가상의 제 1 스프링이 상기 원위 지지부의 제 1 부분에 작용하는 가상의 제 1 힘과, 상기 가상의 제 2 스프링이 상기 원위 지지부의 제 2 부분에 작용하는 가상의 제 2 힘을 결정하고, 상기 가상의 제 1 힘 및 제 2 힘을 포함하는 입력 행렬을 상기 지지 어셈블리의 기구학적인 구조로 인해 결정되는 자코비안 변환 행렬에 곱하여 계산되는 출력 행렬에 기초하여, 상기 제 1 구동원 및 상기 제 2 구동원을 제어할 수 있다.
상기 지지 어셈블리는, 상기 근위 지지부 및 원위 지지부 사이를 연결하는 댐퍼를 더 포함할 수 있다.
상기 근위 지지부는 사용자의 허리를 지지하고, 상기 원위 지지부는 사용자의 한쪽 발을 지지할 수 있다.
일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 상기 사용자의 다른 쪽 발을 지지하기 위한 추가 원위 지지부; 및 상기 근위 지지부 및 상기 추가 원위 지지부 사이를 연결하고, 상기 근위 지지부로부터 상기 추가 원위 지지부까지의 이격 거리 및 상기 추가 원위 지지부의 회전 각도를 조절할 수 있는 추가 지지 어셈블리를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 추가 원위 지지부의 제 1 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 추가 제 1 스프링과, 상기 추가 원위 지지부의 제 2 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 추가 제 2 스프링을 포함하고, 상기 근위 지지부를 질량체인 것으로 가정하여 설계된 가상의 추가 이중 스프링-질량 모델에 기초하여, 상기 추가 지지 어셈블리를 제어할 수 있다.
사용자의 근위 부분을 지지하기 위한 근위 지지부와, 상기 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 원위 지지부를 포함하는 운동 보조 장치의 제어 방법에 있어서, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법은, 상기 원위 지지부의 제 1 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 제 1 스프링과, 상기 원위 지지부의 제 2 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 제 2 스프링을 포함하고, 상기 근위 지지부를 질량체인 것으로 가정하여 설계된 가상의 이중 스프링-질량 모델에 기초하여, 상기 근위 지지부로부터 상기 원위 지지부까지의 이격 거리 및 상기 원위 지지부의 회전 각도를 조절할 수 있다.
일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 사용자의 근위 부분을 지지하기 위한 근위 지지부; 상기 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 원위 지지부;상기 원위 지지부의 제 1 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 제 1 스프링; 및 상기 원위 지지부의 제 2 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 제 2 스프링을 포함하고, 상기 사용자의 근위 부분 및 원위 부분 사이에 위치하는 사용자의 관절은 적어도 2개 이상일 수 있다.
상기 근위 지지부 및 원위 지지부 사이에 연결되는 댐퍼를 더 포함할 수 있다.
도 1은 사람의 보행 주기에 대한 개념도이다.
도 2는 사람의 보행을 스프링-질량 모델로 단순화한 개략도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 개념도이다.
도 4는 입각기 상태에서 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 지면에 대한 사람의 발의 접촉 위치 변화에 따라 동작하는 모습을 나타내는 개념도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 개념도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 개념도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 지지부 센싱부를 나타내는 도면이다.
도 9a는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 블록도이다.
도 9b는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 블록도이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.
도 12는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.
도 13은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부가하였음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 사람의 보행 주기(gait cycle)에 대한 개념도이고, 도 2는 사람의 보행을 스프링-질량 모델(spring-mass model)로 단순화한 개략도이다.
먼저 도 1을 참조하면, 사람의 보행 주기는 한 쪽 다리를 기준으로, 사람의 다리가 지면에 접촉하는 입각기(stance phase) 단계 및 사람의 다리가 지면에 접촉하지 않는 유각기(swing phase) 단계가 교대로 발생하는 것으로 이해할 수 있다. 사람의 보행은 하나 이상의 관절의 움직임이 발생할 수 있다. 예를 들어, 사람이 보행 하는 경우에는, 발목 관절(ankle joint), 무릎 관절(knee joint) 및 고관절(hip joint)의 움직임이 동시에 발생할 수 있다. 이 경우, 각 관절은 각기 다른 자유도와 움직임을 가지기 때문에, 각 관절의 동작을 정확하게 추종하는 방식으로 보행을 보조하기 위해서는, 각 관절의 각도 및 각 관절에 작용하는 토크 등을 모두 고려해야 한다.
한편, 인간의 보행 운동학(legged dynamics)에 의하면, 사람의 보행 동작 시 사람의 양쪽 다리는 두 개의 스프링에 대응하는 것으로 모델링 할 수 있으며, 보행 중 입각기에서 인간 다리의 탄성계수(stiffness)는 약 20kN/m의 일정한 값을 유지한다고 알려져 있다(Geyer, Hartmut, Andre Seyfarth, and Reinhard Blickhan. "Compliant leg behaviour explains basic dynamics of walking and running." Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences(2006), p2861-2867).
예를 들면, 도 2와 같이 사람의 각각의 다리를 1개의 선형 스프링(linear spring)으로 이해함으로써, 보행 주기에서의 다리의 움직임을 단순화 할 수 있다. 구체적으로, 사람의 무게 중심이 질량체 m에 위치하는 것으로 가정하고, 사람의 다리는 탄성계수(stiffness) k를 갖는 스프링으로 가정할 수 있다. 다시 말하면, 사람의 보행 동작에서, 사람 다리의 일 부분, 예를 들어 사용자의 허리로부터 지면(ground)까지의 직선 거리의 변화 및 그에 따른 탄성력의 변화를 통해, 사람의 다리의 움직임을 이해할 수 있다.
앞서 설명한 바이패달 스프링-질량 모델(bipedal spring-mass model)은 기존의 연구 방법에서와 같이 인간의 보행을 고관절, 무릎 관절 및 발목 관절의 각 관절 별로 분석하는 방식으로 접근하지 않고, 다리 전체의 움직임을 분석 대상으로 보고 있으며, 간단한 구조임에도 불구하고 인간이 보행 시 나타나는 많은 기본적인 특징 지면 반발력(Ground Reaction Force, GRF) 패턴, 운동 중심(Center of Motion, COM)의 궤적 등을 효과적으로 설명할 수 있다. 다만, 사람은 발바닥(foot)을 가지고 있어서, 보행 중 발바닥에 의해 힐 스트라이크(heel-strike) 동작과 푸쉬 오프(push-off) 동작이 발생하게 되지만, 상기 바이패달 스프링-질량 모델 만으로는 이와 같은 부분을 해석하기 어려운 문제가 있었다.
도 3은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(1)는, 사용자에 착용되어 사용자의 운동을 보조할 수 있다. 사용자는 인체, 동물 또는 로봇 등일 수도 있으며, 이에 제한되지 않는다. 이하 운동 보조 장치(1)가 사용자의 하지(lower limb)의 운동을 보조하는 경우에 대하여 예시적으로 도시하였으나, 운동 보조 장치는 사용자의 상지(upper limb)의 운동을 보조하는 것도 가능하다. 예를 들면, 사용자가 물구나무 서기 상태에서 전진 또는 후진하는 동작을 보조할 수도 있을 것이다. 이하 운동 보조 장치(1)가 사용자의 보행을 보조하는 경우에 대하여 예시적으로 설명하기로 한다.
운동 보조 장치(1)는 사용자의 왼쪽 하지 및/또는 오른쪽 하지에 장착될 수 있다. 운동 보조 장치(1)는 사용자의 한 쪽 하지만을 보조하거나 양 쪽 하지를 모두 보조할 수 있다. 운동 보조 장치(1)는 근위 지지부(11), 원위 지지부(12), 지지 어셈블리(13), 추가 원위 지지부(14) 및 추가 지지 어셈블리(15)를 포함할 수 있다.
근위 지지부(11)는 사용자의 근위 부분(proximal part)을 지지할 수 있다. 근위 지지부(11)는 사용자의 허리, 골반 또는 상체의 적어도 일부를 지지하거나 사용자의 엉덩이 아래 부분을 지지할 수 있다. 예를 들어, 근위 지지부(11)는 사용자의 허리 또는 골반의 둘레를 전체적으로 지지하기 위한 탈부착식 벨트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 근위 지지부(11)는 사용자의 허벅지 부분을 지지하기 위한 안장 구조를 포함할 수 있고, 사용자의 착용감 향상을 위해서 패드를 구비할 수 있다.
원위 지지부(12)는 사용자의 원위 부분(distal part)을 지지할 수 있다. 원위 지지부(12)는 한쪽 발을 지지할 수 있다. 예를 들어, 원위 지지부(12)의 길이는 사용자의 발의 길이에 대응될 수 있다. 예를 들어, 원위 지지부(12)는 발바닥을 전체적으로 둘러싸는 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 보행 중에 사용자의 발이 원위 지지부(12)로부터 이탈되지 않도록, 원위 지지부(12)는 사용자의 발등을 둘러싸는 탈부착식 벨트를 포함할 수 있다. 원위 지지부(12)는 사용자의 발목 관절을 중심으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 원위 지지부(12)는 발등 굽힘(dorsiflexion) 및 발바닥 굽힘(plantar flexion)에 순응할 수 있다. 원위 지지부(12)는 제 1 부분(121) 및 제 2 부분(122)을 포함할 수 있다.
원위 지지부(12)의 제 1 부분(121) 및 제 2 부분(122)은 원위 지지부(12)의 회전 중심을 기준으로 서로 반대편에 위치할 수 있다. 예를 들어, 원위 지지부(12)의 제 1 부분(121) 및 제 2 부분(122)은 사용자의 발목 관절을 중심으로 서로 반대편에 위치할 수 있다. 제 1 부분(121)은 사용자의 뒤꿈치(heel)에 인접한 부분이고, 제 2 부분(122)은 사용자의 앞꿈치(toe)에 인접한 부분일 수 있다. 제 1 부분(121) 및 제 2 부분(122) 사이의 간격은 대략 사용자의 발 길이일 수 있다.
사용자 관절들 중 적어도 2개 이상의 관절들은 근위 부분 및 원위 부분 사이에 위치할 수 있다. 예를 들어, 근위 지지부(11)가 지지하는 근위 부분이 사용자의 허리이고, 원위 지지부(12)가 지지하는 원위 부분이 사용자의 발일 경우, 사용자의 고관절(hip joint), 무릎 관절(knee joint) 및 발목 관절(ankle joint)은 근위 부분 및 원위 부분 사이에 위치할 수 있다. 근위 부분 및 원위 부분의 위치는 이에 제한되지 않고, 예를 들어, 근위 부분은 사용자의 엉덩이 아래 부분일 수 있다. 이 경우, 원위 부분 및 근위 부분 사이에는 무릎 관절 및 발목 관절이 위치할 수 있다.
지지 어셈블리(13)는 근위 지지부(11) 및 원위 지지부(12) 사이를 연결하고, 근위 지지부(11)로부터 원위 지지부(12)까지의 이격 거리를 조절할 수 있다. 예를 들어, 지지 어셈블리(13)가 수축될 경우 근위 지지부(11) 및 원위 지지부(12) 사이의 이격 거리는 작아질 수 있다. 지지 어셈블리(13)는 원위 지지부(12)가 회전하는 각도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 시상면(sagittal plane)을 기준으로, 지지 어셈블리(13)는 원위 지지부(12)가 근위 지지부(11)를 중심으로 회전하도록 조절할 수 있다. 다른 예로, 지지 어셈블리(13)는 원위 지지부(12) 및 지면(ground)이 이루는 각도를 조절할 수 있다. 지지 어셈블리(13)는 제 1 스프링(131) 및 제 2 스프링(132)을 포함할 수 있다.
제 1 스프링(131)은 원위 지지부(12)의 제 1 부분(121) 및 근위 지지부(11)를 연결할 수 있다. 사용자가 힐 스트라이크 동작 할 때, 제 1 스프링(131)은 제 1 부분(121)에 탄성력을 인가하여 사용자에게 가해지는 충격을 흡수할 수 있다.
제 2 스프링(132)은 원위 지지부(12)의 제 2 부분(122) 및 근위 지지부(11)를 연결할 수 있다. 사용자가 푸쉬 오프 동작 할 때, 제 2 스프링(132)은 원위 지지부(12)의 제 2 부분(122)에 탄성력을 인가하여 사용자의 푸쉬 오프 동작을 보조할 수 있다.
운동 보조 장치(1)는, 제 1 스프링(131) 및 제 2 스프링(132)을 통한 탄성력을 이용하여 사용자의 보행을 보조함으로써, 장치의 구조를 단순화할 수 있다. 제 1 스프링(131) 및 제 2 스프링(132)이 각각 사용자의 발의 뒤꿈치를 지지하는 제 1 부분(121) 및 앞꿈치를 지지하는 제 2 부분(122)에 힘을 작용하기 때문에, 힘이 작용하는 위치 및 사용자가 보행 시 받는 압력 중심이 대략 동일할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 사용자가 운동 보조 장치(1)를 착용 시 느끼는 이질감을 감소시킬 수 있다.
추가 원위 지지부(14)는, 원위 지지부(12)가 지지하지 않는 사용자의 원위 부분을 지지할 수 있다. 예를 들어, 원위 지지부(12)가 오른발을 지지할 경우, 추가 원위 지지부(14)는 왼발을 지지할 수 있다.
추가 지지 어셈블리(15)는 근위 지지부(11) 및 추가 원위 지지부(14) 사이를 연결하고, 근위 지지부(11)로부터 추가 원위 지지부(14)까지의 이격 거리를 조절할 수 있다. 시상면을 기준으로, 추가 지지 어셈블리(15)는 근위 지지부(11)를 중심으로 추가 원위 지지부(14)가 회전하는 각도를 조절할 수 있다. 추가 지지 어셈블리(15)는 제 1 스프링(151) 및 제 2 스프링(152)을 포함할 수 있다.
반대되는 기재가 없는 이상, 원위 지지부(12) 및 지지 어셈블리(13)에 대한 설명은 추가 원위 지지부(14) 및 추가 지지 어셈블리(15)에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 입각기 상태에서 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 지면에 대한 사람의 발의 접촉 위치 변화에 따라 동작하는 모습을 나타내는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 보행 중 입각기 단계에서, 지면에 대한 사람의 발의 접촉 부위가 순차적으로 변화하는 것으로 이해할 수 있다. 구체적으로, 입각기 단계는, 발 뒤꿈치(heel)가 지면에 접촉하는 힐 스트라이크(heel strike), 발바닥(sole)이 지면에 접촉하는 미드 스탠스(mid stance), 및 사람이 전진하기 위해 앞발이 지면을 밀어내는 푸쉬 오프(push off) 단계로 구분될 수 있다. 다시 말하면, 입각기 단계에서 사람의 발은, 발 뒤꿈치로부터 앞발까지 순차적으로 지면에 접촉하고, 이와 같은 과정에서 지면에 대한 사람의 압력 중심(center of pressure)이 사람의 발 뒤꿈치로부터 앞발로 이동하게 된다. 따라서, 사람의 실제 보행을 보다 자연스럽게 보조하기 위해서는, 지면에 대한 운동 보조 장치의 압력 중심이 발 뒤꿈치로부터 앞발로 이동해야 할 필요가 있다. 예를 들어, 힐 스트라이크 구간에서, 사용자의 발의 뒷 부분에 보조력을 제공함으로써, 사용자의 뒤꿈치에 작용하는 충격량을 감소시키고, 푸쉬 오프 구간에서는 사용자의 발의 앞 부분에 보조력을 제공함으로써, 푸쉬 오프 동작에 필요한 힘을 보조할 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 개념도이다.
도 5를 참조하면, 운동 보조 장치(2)는 근위 지지부(21), 원위 지지부(22), 지지 어셈블리(23), 추가 원위 지지부(24) 및 추가 지지 어셈블리(25)를 포함할 수 있다.
지지 어셈블리(23)는 제 1 스프링(231), 제 2 스프링(232), 제 1 댐퍼(233) 및 제 2 댐퍼(234)를 포함할 수 있다.
제 1 댐퍼(233) 및 제 2 댐퍼(234) 각각은 제 1 스프링(131) 및 제 2 스프링(132)과 나란하게 배치될 수 있다. 제 1 댐퍼(233)는 원위 지지부(22)의 제 1 부분(221) 및 근위 지지부(21) 사이를 연결할 수 있고, 제 2 댐퍼(234)는 원위 지지부(22)의 제 2 부분(222) 및 근위 지지부(21) 사이를 연결할 수 있다.
제 1 댐퍼(233) 및 제 2 댐퍼(234)는, 사용자의 보행 속도에 따라 제 1 스프링(231) 및 제 2 스프링(232)의 압축 및 신장되는 정도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 인간이 저속으로 보행하는 경우, 예를 들어 2.2km/h ~ 5.4km/h의 속도로 보행하는 경우, 인간의 하지는 스프링과 유사한 움직임을 보인다. 한편, 인간이 고속으로 보행하는 경우, 예를 들어 5.4 km/h ~ 13 km/h의 속도로 보행하는 경우, 인간의 하지는 저속으로 보행하는 경우에 비교하여 보다 강성한 링크에 가까운 움직임을 보인다. 따라서, 제 1 스프링(231) 및 제 2 스프링(232)에 병렬적으로 연결되는 제 1 댐퍼(233) 및 제 2 댐퍼(234)에 의하면, 보행(walking) 및 달리기(running) 등과 같이 사용자의 다양한 범위의 보행 속도에 적절한 보행 보조력을 제공할 수 있다.
추가 지지 어셈블리(15)는 제 1 스프링(151), 제 2 스프링(152), 제 1 댐퍼(253) 및 제 2 댐퍼(254)를 포함할 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 개념도이다.
도 6을 참조하면, 운동 보조 장치(3)는 근위 지지부(31), 원위 지지부(32), 지지 어셈블리(33), 추가 원위 지지부(34) 및 추가 지지 어셈블리(35)를 포함할 수 있다. 원위 지지부(32)는 제 1 부분(321), 제 2 부분(322) 및 제 3 부분(323)을 포함할 수 있다.
제 3 부분(323)을 기준으로 제 1 부분(321) 및 제 2 부분(322)은 서로 반대편에 배치될 수 있다. 제 3 부분(323)은 예를 들어, 사용자의 발목 관절을 지지할 수 있다.
지지 어셈블리(33)는 제 1 스프링(331), 제 2 스프링(332) 및 댐퍼(335)를 포함할 수 있다.
댐퍼(335)는 사용자의 근위 지지부(31) 및 제 3 부분(323)을 연결할 수 있다. 댐퍼(335)는 사용자의 힐 스트라이크 동작 시, 지면으로부터의 충격을 흡수할 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다. 도 8은 일 실시 예에 따른 지지부 센싱부를 나타내는 도면이다. 도 9a 및 도 9b는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 블록도이다. 도 10은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7 내지 도 10을 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(4)는, 사용자의 근위 부분을 지지하는 근위 지지부(41)와, 사용자의 원위 부분을 지지하는 원위 지지부(42)와, 지지 어셈블리(43), 제어부(49) 및 지지부 센싱부(46)를 포함할 수 있다. 원위 지지부(42)는 제 1 부분(421) 및 제 2 부분(422)을 포함할 수 있다.
지지 어셈블리(43)는 근위 지지부(41) 및 원위 지지부(42) 사이를 연결하고, 근위 지지부(41)로부터 원위 지지부(42)까지의 이격 거리 및 원위 지지부(42)의 회전 각도를 조절할 수 있다.
지지 어셈블리(43)는 복수 개의 회전 가능한 링크를 포함할 수 있다. 지지 어셈블리(43)는 제 1 링크(436), 제 2 링크(437), 제 1 조인트(J1), 제 2 조인트(J2), 제 3 조인트(J3), 제 1 구동원(438) 및 제 2 구동원(439)을 포함할 수 있다.
제 1 링크(436)는 근위 지지부(41)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 1 링크(436)는, 근위 지지부(41) 중 사용자의 고관절을 감싸는 부분에 배치되는 제 1 조인트(J1)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 1 조인트(J1)는 사용자의 고관절이 굽힘(flexion) 또는 신장(extension)하는 축(axis)과 대략 동일한 회전 축을 구비할 수 있다. 다만 실시 예에 있어서 제 1 조인트(J1)의 위치가 제한되는 것은 아님을 밝혀둔다.
제 2 링크(437)의 일단은 제 1 링크(436)에 제 2 조인트(J2)를 통해 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 2 조인트(J2)는 사용자의 무릎 관절이 굽힘 또는 신장하는 축과 대략 동일한 축을 구비할 수 있다. 다만 실시 예에 있어서 제 2 조인트(J2)의 위치가 제한되는 것은 아님을 밝혀둔다.
제 2 링크(437)의 타단은 원위 지지부(42)에 제 3 조인트(J3)를 통해 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 3 조인트(J3)는 사용자의 발목 관절이 발등 굽힘 또는 발바닥 굽힘을 하는 축과 대략 동일한 축을 구비할 수 있다. 다만 실시 예에 있어서 제 3 조인트(J3)의 위치가 제한되는 것은 아님을 밝혀둔다.
도 9a에서와 같이, 제 1 구동원(438)은 근위 지지부(41) 및 제 1 링크(436) 사이의 회전 각도, 또는 제 1 링크(436) 및 제 2 링크(437) 사이의 회전 각도를 조절할 수 있다. 다시 말하면, 제 1 구동원(438)은 제 1 조인트(J1) 및 제 2 조인트(J2) 중 어느 하나에 연결되어, 연결된 조인트를 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 제 1 구동원(438)은 제 1 조인트(J1) 또는 제 2 조인트(J2)를 회전시킴으로써, 근위 지지부(41) 및 원위 지지부(42) 사이의 이격 거리를 조절할 수 있다. 제 1 구동원(438)은, 제 3 조인트(J3)로부터 원위 지지부(42)로 전달되는 힘을 조절할 수 있다. 예를 들어, 지지 어셈블리(43)가 지지하는 쪽의 하지가 입각기(stance phase)일 경우, 제 1 구동원(438)은 근위 지지부(41) 및 원위 지지부(42) 사이의 이격 거리가 증가되는 방향으로 제 1 조인트(J1) 또는 제 2 조인트(J2)를 회전시킴으로써, 사용자의 무게를 지지하기 위한 보조력을 제공할 수 있다.
제 2 구동원(439)은 제 2 링크(437) 및 원위 지지부(42) 사이의 회전 각도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제 2 구동원(439)은 제 3 조인트(J3)를 회전시킴으로써, 원위 지지부(42)의 회전 각도를 조절할 수 있다. 제 2 구동원(439)은, 제 3 조인트(J3)로부터 원위 지지부(42)의 제 1 부분(421) 및 제 2 부분(422)으로 각각 전달되는 토크를 조절할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 푸쉬 오프를 하는 구간에서, 제 2 구동원(439)은 원위 지지부(42)가 도 7를 기준으로 시계 방향으로 회전되도록 제 3 조인트(J3)를 회전시킴으로써, 원위 지지부(42)의 제 2 부분(422)이 지면을 밀어내는 방향의 보조력을 제공할 수 있다. 또한, 사용자가 힐 스트라이크 동작하는 구간에서, 제 2 구동원(439)은 원위 지지부(42)가 도 7를 기준으로 반시계 방향으로 회전되도록 제 3 조인트(J3)를 회전시킴으로써, 원위 지지부(42)의 제 1 부분(421)이 지면을 밀어내는 방향의 보조력을 제공하여 사용자에게 전해지는 충격을 감소시킬 수 있다.
한편 도 9b에서와 같이, 지지 어셈블리(43)는 제 3 구동원(430)을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제 1 구동원(438)이 제 1 조인트(J1)를 회전시킬 경우, 제 3 구동원(430)은 제 2 조인트(J2)를 회전시킬 수 있다. 다시 말하면, 제 1 구동원(438)은 근위 지지부(41) 및 제 1 링크(436) 사이의 회전 각도를 조절하고, 제 3 구동원(430)은 제 1 링크(436) 및 제 2 링크(437) 사이의 회전 각도를 조절할 수 있다. 다른 예로, 제 1 구동원(438)이 제 2 조인트(J2)를 회전시킬 경우, 제 3 구동원(430)은 제 1 조인트(J1)를 회전시킬 수 있다. 다시 말하면, 제 1 구동원(438)은 제 1 링크(436) 및 제 2 링크(437) 사이의 회전 각도를 조절할 수 있고, 제 3 구동원(430)은 근위 지지부(41) 및 제 1 링크(436) 사이의 회전 각도를 조절할 수 있다. 이와 같이, 지지 어셈블리(43)는, 3개의 조인트를 각각 회전시키기 위한 3개의 구동원을 포함할 수도 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 3개의 관절 및 상기 3개의 관절을 각각 구동하는 3개의 구동원을 구비하는 운동 보조 장치에도 실시 예의 사상이 적용될 수 있을 것이다.
지지부 센싱부(46)는 원위 지지부(42)가 외부에 접촉하였는지 여부 또는 원위 지지부(42)에 작용하는 압력을 감지할 수 있다. 예를 들어, 원위 지지부(42)의 제 1 부분(421)이 외부에 접촉하였는지 여부 또는 원위 지지부(42)의 제 2 부분(422)이 외부에 접촉하였는지 여부를 감지할 수 있다. 지지부 센싱부(46)는 제 1 접촉 센서(461) 및 제 2 접촉 센서(462)를 포함할 수 있다.
제 1 접촉 센서(461)는 원위 지지부(42)의 제 1 부분(421)이 외부에 접촉하였는지 여부에 따라서 제어부(49)로 온/오프 신호를 전달할 수 있다. 제 2 접촉 센서(462)는 원위 지지부(42)의 제 2 부분(422)이 외부에 접촉하였는지 여부에 따라서 제어부로 온/오프 신호를 전달할 수 있다.
제어부(49)는, 가상의 이중 스프링-질량 모델에 기초하여, 지지 어셈블리(43)를 제어할 수 있다. 상기 가상의 이중 스프링-질량 모델은, 원위 지지부(42)의 제 1 부분(421) 및 근위 지지부(41)를 연결하는 가상의 제 1 스프링(S1)과, 원위 지지부(42)의 제 2 부분(422) 및 근위 지지부(41)를 연결하는 가상의 제 2 스프링(S2)을 포함하고, 근위 지지부(41)를 질량체인 것으로 가정하여 설계되는 가상의 모델이다.
가상의 제 1 스프링(S1)은, 원위 지지부(42)의 제 1 부분(421) 및 제 1 조인트(J1)를 연결하는 가상의 스프링이고, 가상의 제 2 스프링(S2)은, 원위 지지부(42)의 제 2 부분(422) 및 제 1 조인트(J1)를 연결하는 가상의 스프링일 수 있다.
제어부(49)는, 예를 들어, 제 1 부분(421) 및 제 1 조인트(J1) 사이의 거리 변화에 따라서, 마치 가상의 제 1 스프링(S1)의 길이가 변화된 것처럼 이중 스프링-질량 모델에 기초하여 가상의 제 1 스프링(S1)의 탄성력을 연산하고, 연산된 탄성력에 기초하여 지지 어셈블리(43)를 제어할 수 있다.
제어부(49)는, 가상의 제 1 스프링(S1)의 탄성 계수, 가상의 제 1 스프링(S1)의 길이 변화, 가상의 제 2 스프링(S2)의 탄성 계수 및 가상의 제 2 스프링(S2)의 길이 변화에 기초하여, 지지 어셈블리(13)를 구동시킬 수 있다.
제 1 스프링(S1) 및 제 2 스프링(S2) 각각의 탄성 계수는 상수일 수도 있고, 비선형적으로 변할 수도 있다. 구체적으로, 운동 보조 장치(4)가 사용자의 비교적 간단한 보행 패턴을 보조하고자 할 때, 가상의 제 1 스프링(S1) 및 가상의 제 2 스프링(S2) 각각의 탄성 계수는 상수로 설정될 수 있다. 또한, 운동 보조 장치(4)가 사용자의 비교적 복잡하고 세밀한 보행 패턴을 보조하고자 할 때, 가상의 제 1 스프링(S1) 및 가상의 제 2 스프링(S2) 각각의 탄성 계수는 사용자의 보행 상태 등에 따라서 비선형적으로 변화하도록 설정될 수 있다.
제어부(49)는, 예를 들어, 제 1 링크(436)의 길이와, 제 2 링크(437)의 길이와, 제 3 조인트(J3) 및 제 1 부분(421) 사이의 길이와, 제 1 링크(436) 및 제 2 링크(437) 사이의 각도와, 제 2 링크(437) 및 원위 지지부(42) 사이의 각도를 통해서 가상의 제 1 스프링(S1)의 길이를 계산할 수 있다.
제어부(49)는, 가상의 제 1 스프링(S1)의 길이의 변화 및 가상의 제 1 스프링(S1)의 탄성 계수를 기초로, 가상의 제 1 스프링(S1)이 원위 지지부(42)의 제 1 부분(421)에 작용하는 가상의 제 1 힘을 결정할 수 있다.
제어부(49)는, 제 1 링크(436)의 길이와, 제 2 링크(437)의 길이와, 제 3 조인트(J3) 및 제 2 부분(422) 사이의 길이와, 제 1 링크(436) 및 제 2 링크(437) 사이의 각도와, 제 2 링크(437) 및 원위 지지부(42) 사이의 각도를 통해서 가상의 제 2 스프링(S2)의 길이를 계산할 수 있다.
제어부(49)는, 가상의 제 2 스프링(S2)의 길이의 변화 및 가상의 제 2 스프링(S2)의 탄성 계수를 기초로, 가상의 제 2 스프링(S2)이 원위 지지부(42)의 제 1 부분(422)에 작용하는 가상의 제 2 힘을 결정할 수 있다.
제어부(49)는, 가상의 이중 스프링-질량 모델로부터 계산한 가상의 제 1 힘 및 가상의 제 2 힘을 포함하는 입력 행렬을, 지지 어셈블리(43)의 기구학적인 구조로 인해 결정되는 자코비안 변환 행렬에 곱하여 계산되는 출력 행렬에 기초하여 제 1 구동원(438) 및 제 2 구동원(439)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 자코비안 변환 행렬은, 원위 지지부(42)의 제 1 부분(421) 및 제 1 조인트(J1) 사이의 관계와, 원위 지지부(42)의 제 2 부분(422) 및 제 1 조인트(J1) 사이의 관계로 결정되는 자코비안 변환 행렬일 수 있다. 예를 들어 지지 어셈블리(43)가 도 7과 같이 복수 개의 관절로 이루어진 경우, 출력 행렬의 각각의 요소(element)는 제 1 구동원(438) 및 제 2 구동원(439)에서 출력하여야 할 토크일 수 있다.
한편, 제어부(49)는, 운동 보조 장치(4')가 제 3 구동원(430)을 더 포함하는 경우, 가상의 이중 스프링-질량 모델로부터 계산한 가상의 제 1 힘 및 가상의 제 2 힘을 지지 어셈블리(43)의 기구학적인 구조로 인해 결정되는 자코비안 변환 행렬에 각각 곱하여 계산되는 출력 행렬에 기초하여 제 1 구동원(438), 제 2 구동원(439) 및 제 3 구동원(430)을 제어할 수 있다.
제어부(49)는 지지부 센싱부(46)에서 감지된 정보에 기초하여 가상의 제 1 스프링(S1)의 탄성 계수 또는 가상의 제 2 스프링(S2)의 탄성 계수를 조절할 수 있다.
제어부(49)는, 제 1 접촉 센서(461)가 온되고 제 2 접촉 센서(462)가 오프되면, 가상의 제 1 스프링(S1)의 탄성 계수를 가상의 제 2 스프링(S2)의 탄성 계수보다 높게 조절할 수 있다. 이와 같은 경우, 제어부는, 지지 어셈블리(43)가 사용자의 힐 스트라이크 동작을 보조하도록 구동시킬 수 있다.
제어부(49)는 제 2 접촉 센서(462)가 온되고 제 1 접촉 센서(461)가 오프되면, 가상의 제 2 스프링(S2)의 탄성 계수를 가상의 제 1 스프링(S1)의 탄성 계수보다 높게 조절할 수 있다. 이와 같은 경우, 제어부(49)는, 지지 어셈블리(43)가 사용자의 푸쉬 오프 동작을 보조하도록 구동시킬 수 있다.
제어부(49)는, 제 1 접촉 센서(461) 및 제 2 접촉 센서(462)가 모두 온되면, 가상의 제 1 스프링(S1)의 탄성 계수 및 가상의 제 2 스프링(S2)의 탄성 계수의 차이가 제 1 설정 값 이하가 되게 할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 보행 주기 중 미드 스탠스(midstance, 도 1 참조) 단계일 경우, 제어부(49)는, 가상의 제 1 스프링(S1)의 탄성 계수 및 가상의 제 2 스프링(S2)의 탄성 계수의 값을 동일하게 설정할 수 있다. 다시 말하면, 제 1 설정 값은 영(zero)일 수 있다. 이와 같은 제어에 의하면, 힐 스트라이크에서부터 푸쉬 오프에 이르기까지, 운동 보조 장치(4)는 사용자에 보행에 대해 자연스러운 보조력을 제공할 수 있다.
제어부(49)는, 제 1 접촉 센서(461) 및 제 2 접촉 센서(462)가 모두 오프되면, 가상의 제 1 스프링(S1)의 탄성 계수 및 가상의 제 2 스프링(S2)의 탄성 계수가 각각 제 2 설정 값 미만이 되게 할 수 있다. 예를 들어, 제 1 부분(421) 및 제 2 부분(422)이 모두 지면에 닿지 않는 경우, 제어부는 가상의 제 1 스프링(S1) 및 가상의 제 2 스프링(S2)의 탄성 계수를 모두 영(zero)으로 설정할 수 있다. 이와 같은 경우, 사용자의 유각기(swing phase) 동안, 제어부(49)는 사용자에게 불필요한 하중이 가해지지 않도록 하여 착용감을 향상시킬 수 있다.
다른 예로, 지지부 센싱부(46)는, 외부로부터 원위 지지부(42)에 작용하는 압력 분포 정보를 측정할 수 있는 압력 센서를 포함할 수 있고, 제어부는, 상기 압력 센서에서 측정된 상기 압력 분포 정보에 기초하여, 가상의 제 1 스프링(S1)의 탄성 계수 및 가상의 제 2 스프링(S2)의 탄성 계수의 값 또는 비율을 연속적으로 조절할 수도 있을 것이다.
운동 보조 장치(4)는 길이 변화 센싱부(47) 및 속도 센싱부(48)를 포함할 수 있다.
길이 변화 센싱부(47)는 가상의 제 1 스프링(S1) 및 가상의 제 2 스프링(S2)의 길이 변화를 감지할 수 있다. 길이 변화 센싱부(47)는, 구체적인 지지 어셈블리(43)의 구조에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 지지 어셈블리(43)의 경우, 길이 변화 센싱부(47)는, 각각의 조인트의 각도를 측정하는 엔코더 등을 포함할 수 있다. 제어부(49)는, 상기 엔코더에서 측정된 값과, 각각의 링크의 길이에 기초하여, 가상의 제 1 스프링(S1) 및 가상의 제 2 스프링(S2)의 길이 변화를 감지할 수 있다. 한편, 후술할 도 12에 도시된 지지 어셈블리(63)의 경우, 길이 변화 센싱부(47)는, 각각의 선형 구동기의 길이 변화를 감지하는 위치 센서를 포함할 수 있고, 이 경우 제어부는 상기 위치 센서의 정보에 기초하여, 가상의 제 1 스프링(S1) 및 가상의 제 2 스프링(S2)의 길이 변화를 감지할 수 있을 것이다. 실시 예들에 있어서, 길이 변화 센싱부(47)의 종류는 한정되지 않음을 밝혀둔다.
속도 센싱부(48)는 사용자의 보행 속도를 감지할 수 있다. 예를 들어, 속도 센싱부(48)는 사용자의 신체의 부착되는 관성 센서(IMU)를 포함할 수 있다. 상기 관성 센서에서 감지된 정보에 기초하여, 속도 센싱부(48)는 사용자의 보행 속도를 감지할 수 있다. 다른 예로, 속도 센싱부(48)는, 구체적인 지지 어셈블리(43)의 구조에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 지지 어셈블리(43)의 경우, 속도 센싱부(48)는, 각각의 조인트의 각도를 측정하는 엔코더 등을 포함할 수 있다. 제어부(49)는, 상기 엔코더에서 측정된 값과, 각각의 링크의 길이에 기초하여, 사용자의 보행 속도를 감지할 수 있다.
일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법은, 운동 보조 장치의 상태를 감지하는 단계(91), 이중 스프링-질량 모델에 기초하여 가상의 제 1 스프링(S1) 및 가상의 제 2 스프링(S2)의 상태를 결정하는 단계(92), 제 1 구동원(438) 및 제 2 구동원(439)의 출력을 결정하는 단계(93), 및 제 1 구동원(438) 및 제 2 구동원(439)을 제어하는 단계(94)를 포함할 수 있다. 한편, 운동 보조 장치(4')가 제 3 구동원(430)을 포함하는 경우, 제어부(49)는, 단계 93에서 제 1 구동원(438), 제 2 구동원(439) 및 제 3 구동원(430)의 출력을 결정하고, 단계 94에서 제 1 구동원(438), 제 2 구동원(439) 및 제 3 구동원(430)을 제어할 수 있다.
단계 91에서, 제어부(49)는, 원위 지지부(42)의 지면 접촉 정보를 지지부 센싱부(46)를 통해서 감지하고, 길이 변화 센싱부(47)를 통해서 근위 지지부(41) 및 원위 지지부(42) 사이의 길이 변화를 감지할 수 있다.
단계 92에서, 제어부(49)는, 이중 스프링-질량 모델에 기초하여 감지된 정보를 통해 가상의 제 1 스프링(S1) 및 가상의 제 2 스프링(S2)의 상태를 결정하고, 단계 93 및 단계 94를 수행할 수 있다.
예를 들어, 제어부(49)는, 속도 센싱부(48)를 이용하여 감지된 사용자의 보행 속도가 증가되면 가상의 제 1 스프링(S1)의 탄성 계수 및 가상의 제 2 스프링(S2)의 탄성 계수 중 적어도 하나 이상을 증가시킬 수 있다. 마찬가지로, 제어부(49)는, 사용자의 보행 속도가 감소되면 가상의 제 1 스프링(S1)의 탄성 계수 및 가상의 제 2 스프링(S2)의 탄성 계수 중 적어도 하나 이상을 감소시킬 수 있다. 이와 같은 제어에 의하면, 운동 보조 장치(4)는 저속 보행에서는 스프링과 유사한 움직임을 하고, 고속 보행에서는 강성체와 유사한 움직임을 하는 인간의 보행을 모사할 수 있으므로, 사용자의 착용감을 향상시킬 수 있다.
도 11은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(5)는, 근위 지지부(51), 원위 지지부(52), 지지 어셈블리(53) 및 제어부를 포함할 수 있다.
제어부는 제 1 가상의 스프링(S1) 및 제 2 가상의 스프링(S2)의 탄성력과, 가상의 제 1 댐퍼(D1) 및 가상의 제 2 댐퍼(D2)의 댐핑력에 기초하여 지지 어셈블리(53)를 제어할 수 있다. 가상의 제 1 댐퍼(D1)는 원위 지지부(52)의 제 1 부분(521) 및 근위 지지부(51)를 연결하는 가상의 댐퍼일 수 있고, 가상의 제 2 댐퍼(D2)는 원위 지지부(52)의 제 2 부분(522) 및 근위 지지부(51)를 연결하는 가상의 댐퍼일 수 있다.
도 12는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 운동 보조 장치(6)는 근위 지지부(61), 원위 지지부(62), 지지 어셈블리(63) 및 제어부를 포함할 수 있다.
지지 어셈블리(63)는 사용자의 원위 지지부(62)의 양측 및 근위 지지부(61)를 각각 연결하고, 근위 지지부(61)로부터 원위 지지부(62)의 양측으로 각각 선형적인 힘을 제공할 수 있는 제 1 구동원(638) 및 제 2 구동원(639)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 구동원(638) 및 제 2 구동원(639)은 피스톤-실린더 방식 등의 선형 구동기일 수 있다.
제어부는, 가상의 제 1 스프링(S1)이 원위 지지부(62)의 제 1 부분(621)에 작용하는 가상의 제 1 힘과, 가상의 제 2 스프링(S2)이 원위 지지부(62)의 제 2 부분(622)에 작용하는 가상의 제 2 힘을 결정하고, 상기 가상의 제 1 힘 및 제 2 힘을 상기 지지 어셈블리의 기구학적인 구조로 인해 결정되는 자코비안 변환 행렬에 각각 곱하여 계산되는 출력 행렬에 기초하여, 제 1 구동원(638) 및 제 2 구동원(639)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 지지 어셈블리(63)가 도 12와 같이 복수 개의 선형 구동기로 이루어진 경우 출력 행렬의 각각의 요소(element)는 제 1 구동원(638) 및 제 2 구동원(639)에서 출력하여야 할 힘(force)일 수 있다.
한편, 원위 지지부(62) 중 제 1 구동원(638) 및 제 2 구동원(639)이 설치된 위치가, 가상의 제 1 스프링(S1) 및 제 2 스프링(S2)이 설치된 위치와 동일한 경우, 제어부는, 별도의 변환 연산과정 없이, 제 1 구동원(638) 및 제 2 구동원(639)이 각각 앞서 결정된 가상의 제 1 힘 및 제 2 힘으로 구동되도록 제어할 수도 있을 것이다.
도 13은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(7)는, 근위 지지부(71), 원위 지지부(72), 지지 어셈블리(73), 고정 부재(78) 및 연결 부재(79)를 포함할 수 있다. 도 13과 같이 근위 지지부(71)는 예를 들어, 허벅지를 지지할 수도 있다. 이 경우 근위 지지부(71)가 흘러내리는 것을 방지하기 위하여, 고정 부재(78)가 설치될 수 있다.
고정 부재(78)는 근위 지지부(71)가 지지하는 근위 부분을 기준으로, 원위 지지부(72)가 지지하는 원위 부분의 반대 측에 위치하는 사용자의 부분을 지지할 수 있다. 예를 들어, 근위 지지부(71) 및 원위 지지부(72)가 각각 사용자의 허벅지 및 발을 지지하는 경우, 고정 부재(78)는 사용자의 허리를 지지할 수 있다.
연결 부재(79)는 고정 부재(78) 및 근위 지지부(71)를 연결할 수 있다. 연결 부재(79)는 고정 부재(78)로부터 근위 지지부(71)까지 연장되는 길이 방향 부재일 수 있다. 예를 들어, 연결 부재(79)는, 도 13과 같은 프레임이거나, 이와 달리 와이어 또는 고무줄 등의 부재일 수도 있다. 고정 부재(78) 및 연결 부재(79)는 사용자의 보행 동작 중, 근위 지지부(71)가 사용자의 근위 부분으로부터 이탈하는 것을 방지하고, 운동 보조 장치(7)가 사용자의 움직임을 안정적으로 보조하도록 할 수 있다.
이상과 같이 실시 예들이 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.

Claims (28)

  1. 사용자의 근위 부분을 지지하기 위한 근위 지지부;
    상기 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 원위 지지부;
    상기 근위 지지부 및 원위 지지부 사이를 연결하고, 상기 근위 지지부로부터 상기 원위 지지부까지의 이격 거리 및 상기 원위 지지부의 회전 각도를 조절할 수 있는 지지 어셈블리; 및
    상기 원위 지지부의 제 1 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 제 1 스프링과, 상기 원위 지지부의 제 2 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 제 2 스프링을 포함하고, 상기 근위 지지부를 질량체인 것으로 가정하여 설계된 가상의 이중 스프링-질량 모델에 기초하여, 상기 지지 어셈블리를 제어하는 제어부를 포함하는 운동 보조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원위 지지부의 제 1 부분 및 제 2 부분은 상기 원위 지지부의 회전 중심을 기준으로 서로 반대편에 위치하는 운동 보조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 사용자의 근위 부분 및 원위 부분 사이에 위치하는 사용자의 관절은 적어도 2개 이상인 운동 보조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수, 상기 가상의 제 1 스프링의 길이 변화, 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수, 및 상기 가상의 제 2 스프링의 길이 변화에 기초하여, 상기 지지 어셈블리를 구동시키는 운동 보조 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 가상의 제 1 스프링이 상기 원위 지지부의 제 1 부분에 작용하는 가상의 제 1 힘과, 상기 가상의 제 2 스프링이 상기 원위 지지부의 제 2 부분에 작용하는 가상의 제 2 힘을 결정하고,
    상기 결정된 제 1 힘 및 제 2 힘에 기초하여, 상기 지지 어셈블리를 구동시키는 운동 보조 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수 또는 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수를 조절 가능한 운동 보조 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 원위 지지부의 제 1 부분이 외부에 접촉되면, 상기 제 1 스프링의 탄성 계수를 증가시키는 운동 보조 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 원위 지지부의 제 1 부분이 외부로부터 이격되면, 상기 제 1 스프링의 탄성 계수를 감소시키는 운동 보조 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 원위 지지부의 제 1 부분이 외부에 접촉하였는지 여부 또는 상기 원위 지지부의 제 2 부분이 외부에 접촉하였는지 여부를 감지할 수 있는 지지부 센싱부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 지지부 센싱부에서 감지된 정보에 기초하여 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수 또는 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수를 조절하는 운동 보조 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 지지부 센싱부는,
    상기 원위 지지부의 제 1 부분이 외부에 접촉하였는지 여부에 따라서 상기 제어부로 온/오프 신호를 전달하는 제 1 접촉 센서; 및
    상기 원위 지지부의 제 2 부분이 외부에 접촉하였는지 여부에 따라서 상기 제어부로 온/오프 신호를 전달하는 제 2 접촉 센서를 포함하는 운동 보조 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 접촉 센서가 온되고 상기 제 2 접촉 센서가 오프되면, 상기 제어부는, 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수를 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수보다 높게 조절하고,
    상기 제 2 접촉 센서가 온되고 상기 제 1 접촉 센서가 오프되면, 상기 제어부는, 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수를 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수보다 높게 조절하는 운동 보조 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 접촉 센서 및 상기 제 2 접촉 센서가 모두 온되면, 상기 제어부는 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수 및 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수의 차이가 제 1 설정 값 이하가 되게 하는 운동 보조 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 접촉 센서 및 상기 제 2 접촉 센서가 모두 오프되면, 상기 제어부는 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수 및 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수가 각각 제 2 설정 값 미만이 되게 하는 운동 보조 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 지지부 센싱부는, 외부로부터 상기 원위 지지부에 작용하는 압력 분포 정보를 측정할 수 있는 압력 센서를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 압력 센서에서 측정된 상기 압력 분포 정보에 기초하여, 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수 및 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수의 값 또는 비율을 조절하는 운동 보조 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 사용자의 보행 속도를 감지할 수 있는 속도 센싱부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 보행 속도가 증가되면 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수 및 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수 중 적어도 하나 이상을 증가시키고,
    상기 보행 속도가 감소되면 상기 가상의 제 1 스프링의 탄성 계수 및 상기 가상의 제 2 스프링의 탄성 계수 중 적어도 하나 이상을 감소시키는 운동 보조 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 가상의 이중 스프링-질량 모델은,
    상기 원위 지지부의 제 1 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 제 1 댐퍼와, 상기 원위 지지부의 제 2 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 제 2 댐퍼 중 어느 하나 이상을 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 가상의 제 1 댐퍼 또는 상기 가상의 제 2 댐퍼에서 작용하는 가상의 댐핑력에 기초하여 상기 지지 어셈블리를 제어하는 운동 보조 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 어셈블리는 복수 개의 회전 가능한 링크를 포함하는 운동 보조 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수 개의 회전 가능한 링크는,
    상기 근위 지지부에 회전 가능하게 연결되는 제 1 링크; 및
    상기 제 1 링크 및 상기 원위 지지부에 각각 회전 가능하게 연결되는 제 2 링크를 포함하고,
    상기 지지 어셈블리는,
    상기 근위 지지부 및 제 1 링크 사이의 회전 각도, 또는 상기 제 1 링크 및 상기 제 2 링크 사이의 회전 각도를 조절하기 위한 제 1 구동원; 및
    상기 제 2 링크 및 상기 원위 지지부 사이의 회전 각도를 조절하기 위한 제 2 구동원을 포함하는 운동 보조 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 구동원은 상기 근위 지지부 및 상기 제 1 링크 사이의 회전 각도를 조절하고,
    상기 지지 어셈블리는, 상기 제 1 링크 및 상기 제 2 링크 사이의 회전 각도를 조절하기 위한 제 3 구동원을 더 포함하는 운동 보조 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 어셈블리는,
    상기 사용자의 원위 지지부의 양측 및 상기 근위 지지부를 각각 연결하고, 상기 근위 지지부로부터 상기 원위 지지부의 양측으로 각각 선형적인 힘을 제공할 수 있는 제 1 구동원 및 제 2 구동원을 포함하는 운동 보조 장치.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 가상의 제 1 스프링이 상기 원위 지지부의 제 1 부분에 작용하는 가상의 제 1 힘과, 상기 가상의 제 2 스프링이 상기 원위 지지부의 제 2 부분에 작용하는 가상의 제 2 힘을 결정하고,
    상기 가상의 제 1 힘 및 제 2 힘을 포함하는 입력 행렬을 상기 지지 어셈블리의 기구학적인 구조로 인해 결정되는 자코비안 변환 행렬에 곱하여 계산되는 출력 행렬에 기초하여, 상기 제 1 구동원 및 상기 제 2 구동원을 제어하는 운동 보조 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 어셈블리는, 상기 근위 지지부 및 원위 지지부 사이를 연결하는 댐퍼를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 근위 지지부는 사용자의 허리를 지지하고,
    상기 원위 지지부는 사용자의 한쪽 발을 지지하는 운동 보조 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 사용자의 다른 쪽 발을 지지하기 위한 추가 원위 지지부; 및
    상기 근위 지지부 및 상기 추가 원위 지지부 사이를 연결하고, 상기 근위 지지부로부터 상기 추가 원위 지지부까지의 이격 거리 및 상기 추가 원위 지지부의 회전 각도를 조절할 수 있는 추가 지지 어셈블리를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 추가 원위 지지부의 제 1 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 추가 제 1 스프링과, 상기 추가 원위 지지부의 제 2 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 추가 제 2 스프링을 포함하고, 상기 근위 지지부를 질량체인 것으로 가정하여 설계된 가상의 추가 이중 스프링-질량 모델에 기초하여, 상기 추가 지지 어셈블리를 제어하는 운동 보조 장치.
  26. 사용자의 근위 부분을 지지하기 위한 근위 지지부와, 상기 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 원위 지지부를 포함하는 운동 보조 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 원위 지지부의 제 1 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 제 1 스프링과, 상기 원위 지지부의 제 2 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 가상의 제 2 스프링을 포함하고, 상기 근위 지지부를 질량체인 것으로 가정하여 설계된 가상의 이중 스프링-질량 모델에 기초하여, 상기 근위 지지부로부터 상기 원위 지지부까지의 이격 거리 및 상기 원위 지지부의 회전 각도를 조절하는 운동 보조 장치의 제어 방법.
  27. 사용자의 근위 부분을 지지하기 위한 근위 지지부;
    상기 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 원위 지지부;
    상기 원위 지지부의 제 1 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 제 1 스프링; 및
    상기 원위 지지부의 제 2 부분 및 상기 근위 지지부를 연결하는 제 2 스프링을 포함하고,
    상기 사용자의 근위 부분 및 원위 부분 사이에 위치하는 사용자의 관절은 적어도 2개 이상인 운동 보조 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 근위 지지부 및 원위 지지부 사이에 연결되는 댐퍼를 더 포함하는 운동 보조 장치.
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