KR20190023402A - 감각 인지 의수 제어 시스템 - Google Patents

감각 인지 의수 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 감각 인지 의수 제어 시스템에 대한 것으로, 본 발명에 따르면 의수의 부분마다 다양한 종류의 센서를 탑재하고, 센서에서 측정된 감각 정보를 사용자에게 전달할 수 있도록 함으로써, 물건을 안전하게 파지하거나 회피하여 의수와 사용자 모두를 보호할 수 있다.

Description

감각 인지 의수 제어 시스템{System for controlling artificial hand}
본 발명은 감각 인지 의수 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 정밀한 손가락 움직임을 제어함과 더불어 의수에서 인지한 감각을 사용자에게 전달할 수 있도록 함으로써 의수와 사용자 모두를 보호할 수 있도록 하는 기술에 대한 것이다.
일반적으로 상지 절단 환자, 즉 팔의 일부분이 절단된 환자의 경우, 절단 부위를 대체하는 수단으로 의수를 착용한다.
초기의 의수는 단순히 팔과 손의 형태만 지니고 있으며, 이를 착용함으로써 절단된 부분에 대한 거부감이 없도록 하였다.
근래에는 전자적인 제어장치를 이용하여 인공 손가락들을 제어하여 물건을 파지할 수 있도록 하는 기술도 선보인 바 있으며, 관련 기술들이 꾸준하게 개발되고 있다.
하지만 기존의 의수 시스템들은 손가락을 효과적으로 움직이도록 하는 제어 기술에만 집중하고 있다.
의수의 제어와 관련된 종래기술로는 대한민국등록특허 제10-0895872호(2009.04.24. '전자 의수') 등이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 의수의 부분마다 다양한 종류의 센서를 탑재하고, 센서에서 측정된 감각 정보를 사용자에게 전달할 수 있도록 함으로써, 물건을 안전하게 파지하거나 회피할 수 있도록 하여 의수와 사용자 모두를 보호할 수 있도록 하는 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 감각 인지 의수 제어 시스템은, 절단 환자의 절단 부위에 착용되는 의수; 절단 환자의 신체에 착용되는 감각전달부; 및 상기 의수 및 감각전달부의 작동을 제어하는 제어모듈;을 포함하되, 상기 의수는, 움직임 동력을 발생시키는 액츄에이터; 및 감각 정보를 측정하는 센서;를 포함하고, 상기 제어모듈은, 근육 신호를 측정하는 근육신호측정부; 상기 근육신호측정부에서 측정한 근육 신호 또는 상기 의수의 센서에서 측정한 감각 정보를 분석하는 분석부; 상기 분석부의 분석 결과에 따라 상기 액츄에이터를 제어하기 위한 의수 컨트롤 신호를 전송하는 의수컨트롤러; 및 상기 분석부의 분석 결과에 따라 상기 감각전달부 측으로 감각 전달 신호를 전송하는 감각전달컨트롤러;를 포함한다.
여기서, 상기 감각전달부는, 진동을 발생시키는 진동발생부, 냉감을 발생시키는 냉각발생부, 온감을 발생시키는 온각발생부, 소리를 발생시키는 청각발생부 또는 시각 정보를 발생시키는 시각발생부 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 의수의 센서는, 파지력을 측정하는 파지력측정센서; 온도를 측정하는 온도측정센서; 및 전단력을 측정하는 전단력측정센서;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 감각 인지 의수 제어 시스템은, 의수에 설치된 센서들에서 측정된 감각 정보에 대응하여 액츄에이터를 적절하게 제어함으로써, 상황에 따라 최적의 파지력으로 물체를 파지할 수 있도록 지원할 수 있다.
또한, 의수에서 인지한 감각 정보를 사용자 신체에 부착된 감각전달부에서 표출될 수 있도록 함으로써, 사용자는 실제 손으로 느낄 수 있는 감각을 느낄 수 있고, 그에 대응한 후속 행동을 제어하여 위험 상황을 회피할 수도 있다.
더불어 본 발명에서는 임계치 이상의 매우 뜨거운 물체를 파지하려 한다거나, 파지하고 있을 시, 사용자에게 강하게 경고한 후 사용자의 의지가 반영될 때까지 기다리지 아니하고, 파지 시도를 강제 차단하거나, 물체 파지를 강제로 해제토록 하는 자가보호 모드를 실행시킴으로써, 위험한 물체에 의해 의수가 파손된다거나, 사용자가 부상을 입는 사고를 방지할 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 감각 인지 의수 제어 시스템의 착용 상태를 설명하기 위한 도면.
도2는 도1에 도시된 감각 인지 의수 제어 시스템에서 의수를 설명하기 위한 도면.
도3은 도1에 도시된 감각 인지 의수 제어 시스템에서 감각전달부를 설명하기 위한 도면.
도4는 도1에 도시된 감각 인지 의수 제어 시스템의 구성을 설명하기 위한 블록도.
도5 내지 도10은 본 발명의 실시예에 따른 감각 인지 의수 제어 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 도면.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 감각 인지 의수 제어 시스템의 착용 상태를 설명하기 위한 도면이고, 도2는 도1에 도시된 감각 인지 의수 제어 시스템에서 의수를 설명하기 위한 도면이며, 도3은 도1에 도시된 감각 인지 의수 제어 시스템에서 감각전달부를 설명하기 위한 도면이고, 도4는 도1에 도시된 감각 인지 의수 제어 시스템의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도1 내지 도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 감각 인지 의수 제어 시스템(1)은 의수(10), 제어모듈(30) 및 감각전달부(40)를 포함한다.
의수(10)는 절단 환자(이하 '사용자'라고 함)의 절단 부위에 착용되어 절단 부위를 대체하는 물품이다. 이러한 의수(10)는 크게 손바닥부(11) 및 손가락부(13)를 포함한다.
손바닥부(11)는 실제 사람의 손바닥 모양으로 형성되며, 손바닥부(11) 전면으로 다섯 개의 손가락부(13)가 마련되어 있다. 즉 손가락부(13)는 엄지손가락부(14), 검지손가락부(15), 중지손가락부(13), 약지손가락부(13), 새끼손가락부(13)를 포함한다.
또한 손바닥부(11)에는 전단력측정센서(12)가 마련되어 있다. 전단력측정센서(12)는 일종의 미끄럼 감지 센서로 물체와의 접촉 수직력, 즉 전단력(shearing force)을 측정함으로써, 물체의 미끌어짐을 감지하기 위해 마련된다.
다섯 개의 손가락부(13) 중 엄지손가락부(14)는 두 개의 마디로 이루어져 있고, 나머지 손가락부(13)는 3개의 마디로 이루어져 있다. 각각의 손가락은 액츄에이터(20)에서 발생시키는 움직임 동력에 의해 개별적으로 작동하면서 굽힘 동작을 수행하거나 폄 동작을 수행할 수 있다. 이하에서는 손가락부(13)를 대표하여 검지손가락부(15)에 대해서만 설명토록 한다.
검지손가락부(15)에는 파지력측정센서(16) 및 온도측정센서(17)가 설치되어 있다.
파지력측정센서(16)는 의수(10)의 각 손가락부(13)들이 굽힘 동작을 수행하여 물체를 잡을 시 발생하는 압력, 즉 파지력을 측정하기 위해 마련되고, 온도측정센서(17)는 물체의 온도를 측정하기 위해 마련된다.
파지력측정센서(16) 및 온도측정센서(17)는 각각의 마디마다 복수 지점에 설치될 수 있다. 또한 온도측정센서(17)는 접촉식온도센서(18) 및 비접촉식온도센서(19)를 포함한다.
접촉식온도센서(18)는 물체를 파지하고 있을 시 물체의 온도, 또는 물체의 온도 변화를 측정하기 위해 마련되고, 비접촉식온도센서(19)는 물체를 파지하기 전 물체의 온도를 측정하기 위해 마련된다.
제어모듈(30)은 의수(10) 및 감각전달부(40)의 작동을 제어하기 위해 마련되며 의수(10)와 일체로 제작될 수 있다. 이러한 제어모듈(30)은 근육신호측정부(31), 분석부(32), 의수컨트롤러(33) 및 감각전달컨트롤러(34)를 포함한다.
근육신호측정부(31)는 EMG(electromyogram) 전극을 이용하여 절단된 신체 부위에 남아 있는 근육의 수축 또는 이완 여부에 대한 근육 신호를 측정하기 위해 마련된다.
분석부(32)는 근육신호측정부(31)에서 측정한 근육 신호 또는 의수(10)에 마련된 센서들(전단력측정센서(12), 파지력측정센서(16), 온도측정센서(17))에서 측정한 감각 정보를 분석하기 위해 마련된다. 예컨대 분석부(32)는 근육 신호를 통해 근육의 이완 또는 수축 여부를 분석하거나, 또는 센서들에서 전송한 감각 정보들을 미리 설정된 값들과 비교 분석한다.
의수컨트롤러(33)는 분석부(32)의 분석 결과에 따라 액츄에이터(20)를 제어하기 위한 의수 컨트롤 신호를 전송하기 위해 마련된다. 예컨대 의수컨트롤러(33)는 손가락부(13)들이 폄 동작이나 굽힘 동작을 수행할 수 있도록 액츄에이터(20) 측으로 의수 컨트롤 신호를 전송한다.
감각전달컨트롤러(34)는 분석부(32)의 분석 결과에 따라 감각전달부(40) 측으로 감각 전달 신호를 전송하기 위해 마련된다. 예컨대 감각전달컨트롤러(34)는 감각전달부(40)가 진동, 냉감, 온감, 소리, 발광 작동을 수행하도록 감각 전달 신호를 전송한다. 제어모듈(30)과 감각전달부(40)는 유선 또는 무선 통신 방식으로 연결되어 있으며, 적정한 통신 채널을 통해 감각 전달 신호가 전송될 수 있다.
한편 제어모듈(30)은 근육신호측정부(31) 또는 각각의 센서들에서 측정된 근육 신호나 감각 정보들을 디지털 변환하는 AD변환부(미도시)와, 미약해진 신호를 증폭시키는 증폭부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
감각전달부(40)는 의수(10)에 마련된 센서들에서 측정되고 제어모듈(30)의 분석부(32)에서 분석되어 감각전달컨트롤러(34)에서 전송한 감각 전달 신호에 따라 특정 동작을 수행하기 위해 마련된다. 이러한 감각전달부(40)는 사용자의 신체에 착용되며 하나 이상의 감각발생부를 포함한다. 본 실시예에서는 감각발생부로써 진동발생부(41), 통각발생부(42), 압각발생부(43), 냉각발생부(44), 온각발생부(45), 청각발생부(46) 및 시각발생부(47)가 탑재된 예시를 도시하였다.
진동발생부(41), 통각발생부(42) 및 압각발생부(43)는 햅틱 또는 진동 모듈 등을 이용하여 진동, 압각 또는 통각을 발생시키기 위해 마련된다.
냉각발생부(44)는 차가운 느낌, 즉 냉감을 발생시키기 위해 마련되며 펠티어 소자를 적용시킬 수 있다.
온각발생부(45)는 따뜻한 느낌, 즉 온감을 발생시키기 위해 마련되며 면히터를 적용시킬 수 있다.
청각발생부(46)는 경고 소리 등의 음성 정보를 출력하기 위해 마련되며 소형 스피커를 적용시킬 수 있다.
시각발생부(47)는 사용자가 눈으로 시각 정보를 확인할 수 있도록 하는 것으로, LED 등을 적용시킬 수 있다.
감각전달부(40)에 설치된 각각의 감각발생부들은 제어모듈(30)의 감각전달컨트롤러(34)에서 전송되는 감각 전달 신호에 의해 동작함으로써, 의수(10)에서 느끼는 감각을 사용자가 피부나 귀 또는 눈으로 느낄 수 있도록 한다.
이상 설명한 본 발명의 실시예에 따른 감각 인지 의수 제어 시스템(1)은 이하 도5 내지 도8을 통해 설명하게 되는 감각 인지 의수 제어 시스템(1)의 제어 방법에 의해 더욱 구체화 될 것이다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 감각 인지 의수 제어 시스템의 제어 방법 중 근육 신호를 확인하여 손가락의 폄 동작이나 굽힘 동작을 수행하는 과정을 설명하기 위한 것이다.
먼저 사용자는 도1에 도시된 바와 같이 의수(10)를 신체의 절단 부위에 착용하고, 감각전달부(40)를 신체에 착용한다. 여기서 제어모듈(30)은 의수(10)에 일체로 탑재된 상태일 수 있다. 이후 의수(10), 제어모듈(30) 및 감각전달부(40)에 전원이 공급되어 정상 작동을 시작하면, 근육신호측정부(31)는 근육 신호를 측정하고, 분석부(32)는 근육신호측정부(31)에서 측정된 근육 신호를 통해 근육의 움직임을 분석<S505>한다.
만약 분석부(32)의 분석 결과 근육이 완화 된 것을 확인<S510>하였다면, 의수컨트롤러(33)는 손가락부(13)들이 폄 동작을 수행<S515>할 수 있도록 액츄에이터(20) 측으로 의수 컨트롤 신호를 전송한다. 폄 동작이란 잡고 있던 물체를 내려 놓기 위한 동작일 수 있다.
반면 분석부(32)의 분석 결과 근육이 수축된 것을 확인<S520>하였다면, 의수컨트롤러(33)는 손가락부(13)들이 굽힘 동작을 수행<S525>할 수 있도록 액츄에이터(20) 측으로 의수 컨트롤 신호를 전송한다. 굽힘 동작이란 물체를 파지하기 위한 동작일 수 있다.
이렇게 사용자의 근육 움직임을 통해 각각의 손가락부(13)들이 폄 또는 굽힘 동작을 수행함으로써, 사용자의 의지에 따라 특정 물체를 파지하거나 놓을 수 있게 된다.
하지만 본 발명에서는 의수(10)를 통해 물체를 파지하거나 놓는 동작에 머무르지 아니하고, 의수(10)에 장착된 센서들의 신호를 함께 분석하여 손가락부(13)들의 움직임을 미세 컨트롤하거나, 특정 감각 정보를 사용자가 다른 신체 부위에서 느낄 수 있도록 지원한다. 이에 대한 각각의 예시를 도6 내지 도8을 통해 자세히 설명토록 한다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 감각 인지 의수 제어 시스템의 제어 방법 중 파지력을 측정하고, 그에 대응하는 감각이 사용자에게 전달될 수 있도록 하는 과정에 대한 예시이다.
즉, 도5의 과정에서 사용자가 물체를 파지하기 위해 근육을 수축시킴으로써 의지를 피력하면, 근육신호측정부(31)에서 측정한 근육 신호에 의해 분석부(32)가 근육의 수축 여부를 분석할 수 있게 되며, 의수컨트롤러(33)가 액츄에이터(20) 측으로 의수 컨트롤 신호를 전송하게 된다. 이에 따라 손가락부(13)가 굽힘 동작을 수행<S525>함으로써 물체를 파지하면, 손가락부(13)에 마련된 파지력측정센서(16)에서 파지력을 측정할 수 있다. 파지력은 손가락부(13)와 물체의 접촉 압력에 대한 감각 정보이다.
파지력측정센서(16)에서 측정된 파지력 정보는 제어모듈(30)의 분석부(32)로 전달되고, 분석부(32)는 파지력을 미리 설정된 설정값과 비교 분석<S605>한다.
만약 분석부(32)의 분석 결과 측정된 파지력이 설정값 미만<S610>이라면, 감각전달컨트롤러(34)는 감각전달부(40) 측으로 약한 진동을 일으키는 감각 전달 신호를 전송한다. 이에 따라 감각전달부(40)의 진동발생부(41)가 약한 진동을 일으킴으로써<S615>, 사용자는 피부의 약한 진동을 통해 약한 힘으로 물체를 파지하고 있음을 느낄 수 있다.
한편 물체를 약하게 파지한 채로 들어 올렸을 때에는 물체가 떨어질 가능성이 있다. 따라서 제어모듈(30)의 분석부(32)에서 파지력이 설정값 미만으로 약하다는 것을 분석하였다면<S610>, 감각전달컨트롤러(34)에서 감각 전달 신호를 발생시켜 감각전달부(40)의 진동발생부(41)에서 약한 진동이 발생토록 한 이후<S615>, 의수컨트롤러(33)는 액츄에이터(20) 측으로 의수 컨트롤 신호를 전송하여 손가락 굽힘 동작을 추가로 진행시키도록 <S525> 과정을 수행한다. 즉 물체를 더욱 세게 잡을 수 있도록 하는 것이다.
반면, 분석부(32)의 분석 결과 측정된 파지력이 설정값 이상<S610>인 것을 확인하였다면, 감각전달컨트롤러(34)는 감각전달부(40) 측으로 상대적으로 강한 진동을 일으키는 감각 전달 신호를 전송한다. 이에 따라 감각전달부(40)의 진동발생부(41)가 강한 진동을 일으킴으로써<S620>, 사용자는 피부의 강한 진동을 통해 다소 강한 힘으로 물체를 파지하고 있음을 느낄 수 있다.
물론 너무 강한 힘으로 물체를 파지한다면, 물체 또는 의수(10)가 파손될 수도 있다. 따라서 제어모듈(30)의 분석부(32)는 다시 근육신호측정부(31)에서 측정되는 근육 신호를 분석하는 <S505> 이하의 과정을 수행한다. 즉, 사용자가 강한 진동을 통해 물체를 너무 강한 힘으로 잡고 있다는 것을 인지하였다면, 강하게 잡고 있는 힘을 풀어주기 위해 근육을 이완시킬 것이며, 이를 즉시 파악하고 손가락부(13)가 최적의 힘(설정값)으로 물체를 파지할 수 있도록 알고리즘이 구현되는 것이다.
이러한 과정을 통해 사용자는 실제 손에서 물체를 파지하였을 때 손에서 느껴지는 압력, 즉 파지력이라는 감각 정보를 남아 있는 신체의 피부를 통해 느낄 수 있게 되고, 이를 통해 물체를 잡는 힘을 최적으로 조절해줄 수가 있다.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 감각 인지 의수 제어 시스템의 제어 방법 중 전단력을 측정하고, 그에 대응하는 감각이 사용자에게 전달될 수 있도록 하는 과정에 대한 예시이다.
도5의 과정을 통해 손가락부(13)가 굽힘 동작을 수행<S525>함으로써 물체를 파지하면, 손바닥부(11)에 마련된 전단력측정센서(12)에서 전단력을 측정할 수 있다. 전단력이 약하게 측정된다는 것은 미끄럽다는 의미이고, 전단력이 강하게 측정된다는 것은 마찰이 강하다는 의미이다. 물론 센서의 설계 방식에 따라 미끄러울 경우 강한 전단력이, 반대의 경우 약한 전단력이 측정될 수도 있다.
전단력측정센서(12)에서 측정된 전단력 정보는 제어모듈(30)의 분석부(32)로 전달되고, 분석부(32)는 전단력을 미리 설정된 설정값과 비교 분석<S705>한다.
만약 분석부(32)의 분석 결과 측정된 전단력이 설정값 미만<S710>이라면, 감각전달컨트롤러(34)는 감각전달부(40) 측으로 큰 소리를 발생시키는 감각 전달 신호를 전송한다. 이에 따라 감각전달부(40)의 청각발생부(46)가 큰 소리를 발생시킴으로써<S715>, 사용자는 경고성 큰 소리를 통해 파지하고 있는 물체가 미끄럽다는 것을 인지할 수 있게 된다.
또한 파지한 물체가 미끄럽다면 떨어질 가능성이 있으므로, 제어모듈(30)의 의수컨트롤러(33)는 액츄에이터(20) 측으로 의수 컨트롤 신호를 전송하여 손가락 굽힘 동작을 추가로 진행시키는 <S525> 과정을 수행할 수 있다. 즉 미끄러운 물체를 더욱 세게 잡을 수 있도록 하는 것이다.
반면, 분석부(32)의 분석 결과 측정된 전단력이 설정값 이상<S710>인 것을 확인하였다면, 감각전달컨트롤러(34)는 감각전달부(40) 측으로 작은 소리를 발생시키는 감각 전달 신호를 전송한다. 이에 따라 감각전달부(40)의 청각발생부(46)가 상대적으로 작은 소리를 발생시킴으로써<S720>, 사용자는 물체가 미끄럽지 않다는 것을 느낄 수 있다.
또한 제어모듈(30)은 이후 사용자의 근육 신호를 분석하여 손가락의 폄이나 굽힘 동작을 진행시키는 도5의 과정을 다시 수행할 수 있다.
도8은 본 발명의 실시예에 따른 감각 인지 의수 제어 시스템의 제어 방법 중 온도를 측정하고, 그에 대응하는 감각이 사용자에게 전달될 수 있도록 하는 과정에 대한 예시이다.
도5의 과정을 통해 손가락부(13)가 굽힘 동작을 수행<S525>함으로써 물체의 파지를 시도하거나, 또는 파지한 상태에서 손가락부(13)에 마련된 온도측정센서(17)에서 온도를 측정할 수 있다. 더욱 구체적으로 물체를 파지하기 전에는 비접촉식온도센서(19)를 통해 물체의 온도를 측정할 수 있고, 물체를 파지한 이후에는 접촉식온도센서(18)를 통해 물체의 온도를 측정할 수 있다. 이하에서는 물체를 파지하기 전의 과정에 대하여 설명하겠지만, 물체를 파지한 상태에서 온도를 측정하고 동작을 제어하는 과정 역시 도8의 과정과 동일하다.
도5의 과정을 통해 손가락 굽힘 동작이 수행<S525> 되어, 물체의 파지를 시도함으로써 손가락부(13)가 물체에 근접하고 있다면, 비접촉식온도센서(19)에서 물체의 온도를 측정하고, 측정된 온도 정보는 제어모듈(30)의 분석부(32)로 전달된다. 분석부(32)는 비접촉식온도센서(19)에서 측정한 온도 정보를 미리 설정된 값과 비교 분석<S805>한다.
만약 분석부(32)의 분석 결과 측정된 온도가 설정값 미만<S810>이라면, 감각전달컨트롤러(34)는 감각전달부(40) 측으로 냉감을 발생시키는 감각 전달 신호를 전송한다. 이에 따라 감각전달부(40)의 냉각발생부(44)가 냉감을 발생(냉기를 발생)시킴으로써<S815>, 사용자는 물체가 차갑다는 것을 남아 있는 신체의 피부를 통해 느낄 수 있게 된다.
반면 분석부(32)의 분석 결과 측정된 온도가 설정값 이상<S810>인 것을 확인하였다면, 감각전달컨트롤러(34)는 감각전달부(40) 측으로 온감을 발생시키는 감각 전달 신호를 전송한다. 이에 따라 감각전달부(40)의 온각발생부(45)가 온감을 발생(열을 발생)시킴으로써<S820>, 사용자는 물체가 뜨겁다는 것을 느낄 수 있다. 여기서 온도 비교를 위한 기준 설정값으로는 체온이 될 수 있다.
이후 제어모듈(30)은 사용자의 근육 신호를 분석하고 손가락의 폄이나 굽힘 동작을 수행하는 도5의 과정을 수행한다. 즉 사용자가 물체를 파지 하기전, 또는 물체를 파지한 이후 감각전달부(40)를 통해 냉감 또는 온감을 느꼈다면, 해당 느낌에 대응하는 이후 동작을 수행할 것이다. 예컨대 물체가 과도하게 뜨겁다는 것을 사용자가 느꼈다면, 물체를 파지하려는 시도를 차단시킬 것이다. 이에 따라 사용자의 부상이나 의수(10)의 파손을 막을 수가 있다.
즉, 의수(10)에서 측정되는 감각 정보를 감각전달부(40)를 통해 사용자도 느낄 수 있다면, 무감각한 상태에서 위험한 물체에 접근하여 부상이나 의수(10) 파손이 발생하는 불상사를 원천적으로 방지하게 되는 것이다.
한편, 이상 설명에서는 특정 상황에 대하여 한가지 종류의 감각만 전달하는 예시를 설명하였으나, 복수개의 감각이 동시에 발생토록 할 수도 있다. 예컨대 비접촉식온도센서(19) 또는 접촉식온도센서(18)에서 측정된 온도가 부상 위험이 있을 정도로 과도하게 뜨겁다는 것을 분석부(32)에서 분석하였다면, 감각전달컨트롤러(34)는 온각발생부(45)를 통한 온감 발생과 더불어, 청각발생부(46)를 통해 경고음이 발생토록 하고, 시각발생부(47)를 통해 붉은색 빛이 발광되도록 하는 감각 전달 신호를 동시에 전송하는 것이다. 이를 통해 사용자는 물체가 과도하게 뜨겁다는 것을 즉시 인지하고, 물체를 테이블에 원 위치 시킨 후 근육 이완을 통해 손가락 폄 동작이 수행되도록 함으로써, 뜨거운 물체를 즉각 내려놓는 동작을 실행시킬 수 있다. 만약 손가락부(13)에서 느껴지는 감각을 사용자가 느낄 수 없다면, 위험 상황을 즉시 알아차리지 못하여 대응이 늦어짐으로써 부상이나 의수(10) 파손이라는 불상사가 생길 수 있는데, 본원발명은 이를 해결할 수 있는 것이다.
도9 및 도10은 본 발명의 실시예에 다른 감각 인지 의수 제어 시스템의 제어 방법 중, 온도가 과도하게 높게 측정되었을 시 자가보호 모드가 실행되는 과정에 대한 예시이다.
즉, 도8의 과정에서는 의수(10)에서 측정한 온도에 대응하여 감각전달부(40)를 통해 냉감 또는 온감을 발생시킴으로써, 사용자가 물체를 파지하기 전 또는 파지한 후 물체의 온도를 감각적으로 느낄 수 있고, 만약 온도가 너무 높다는 것이 확인되면, 사용자 스스로 근육을 움직임으로써, 근육신호측정부(31)에서 측정된 근육 신호에 의해 손가락 폄 동작이 수행될 수 있도록 한 것이다. 하지만 사용자가 감각전달부(40)에서 발생하는 감각 정보를 느끼고 의지를 반영하여 근육을 움직인 후 손가락 폄 동작이 제어되도록 할 때까지 시간적 여유가 필요하고, 그 사이에 과도하게 높은 온도에 의해 의수(10)가 파손되거나 사용자가 부상을 입을 위험성도 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 감각 인지 의수 제어 시스템은 자가보호 모드의 작동을 수행할 수 있으며, 이에 대한 과정이 도9 및 도10에 도시되어 있다.
먼저 도9는 물체를 파지하기 전 비접촉식온도센서(19)에서 측정한 정보를 통해 자가보호 모드가 작동하는 과정에 대한 것이다.
도5의 과정에서 손가락부(13)가 굽힘 동작을 수행<S525>하여 물체의 파지를 시도하면, 손가락부(13)가 물체에 근접함에 따라 비접촉식온도센서(19)에서 물체의 온도를 측정하고, 측정된 온도 정보는 제어모듈(30)의 분석부(32)로 전달된다. 분석부(32)는 비접촉식온도센서(19)에서 측정한 온도 정보를 미리 설정된 값과 비교 분석<S905>한다. 여기서 설정값은 체온일 수 있다.
만약 분석부(32)의 분석 결과 측정된 온도가 설정값 미만<S910>이라면, 감각전달컨트롤러(34)는 감각전달부(40) 측으로 냉감을 발생시키는 감각 전달 신호를 전송하고, 감각전달부(40)의 냉각발생부(44)가 냉감을 발생시킴으로써<S915>, 사용자는 물체가 차갑다는 것을 인지할 수 있게 된다. 이후에는 사용자의 의지에 따라 손가락 폄 또는 굽힘 동작을 수행하는 <S505> 이후의 과정이 수행된다.
반면 분석부(32)의 분석 결과 측정된 온도가 설정값 이상이지만 임계치 미만인 것이 확인<S920>되었다면, 감각전달컨트롤러(34)는 감각전달부(40) 측으로 온감을 발생시키는 감각 전달 신호를 전송하고, 온각발생부(45)가 온감을 발생시켜<S925> 사용자에게 물체가 따뜻하다는 것을 느낄 수 있게 한다. 여기서 임계치란 의수(10)의 파손 위험성이 있는 온도, 또는 사용자가 화상을 입을 수도 있는 온도의 한계치를 말한다. 즉 설정값(체온) 이상이고 임계치 미만일 경우에는 의수(10) 파손이나 화상의 위험은 없기 때문에 사용자에게 따뜻하다는 느낌만 주도록 하는 것이며, 이후에는 사용자의 의지에 따라 움직이는 근육 신호를 통해 손가락 동작이 수행되도록 하는 <S505> 이하의 과정이 수행된다.
하지만, 분석부(32)의 분석 결과 측정된 온도가 임계치 이상인 것을 확인하였다면<S920>, 감각전달컨트롤러(34)는 감각전달부(40) 측으로 위험 상황임을 알리는 감각 전달 신호를 전송한다. 예컨대 감각전달컨트롤러(34)는 온각발생부(45)가 보다 뜨거운 온감을 발생시키도록 하고, 진동발생부(41)가 강한 진동을 발생시키도록 하며, 청각발생부(46)가 경고음을 발생시키도록 하고, 시각발생부(47)에서 붉은빛이 점멸되도록 하는 감각 전달 신호를 동시에 전송할 수 있다. 이에 따라 감각전달부(40)에서 (다소 높은) 온감 및 경고가 발생<S930>토록 하여 사용자에게 경고한 후, 제어모듈(30)의 의수컨트롤러(33)는 액츄에이터(20) 측으로 손가락 굽힘 동작이 강제 차단되도록 하는 의수 컨트롤 신호를 전송<S935>한다.
즉, 물체가 매우 뜨겁다는 것을 사용자에게 알린 이후, 사용자의 의지가 근육에 반영될 때까지 기다리지 아니하고, 물체의 파지 시도 자체를 먼저 차단함으로써, 사용자가 상황을 파악한 후 의지를 반영할 때까지 걸리는 시간동안 발생할 수 있는 사고를 미연에 방지하는 것이다.
도10은 물체를 파지한 이후 접촉식온도센서에서 측정한 정보를 통해 자가보호 모드가 작동하는 과정에 대한 것이다.
도5의 과정에서 손가락부(13)가 굽힘 동작을 수행<S525>함으로써 물체를 이미 파지한 상태라면, 접촉식온도센서(18)에서 물체의 온도를 측정하고, 측정된 온도 정보가 제어모듈(30)의 분석부(32)로 전달된다. 분석부(32)는 접촉식온도센서(18)에서 측정한 온도 정보를 미리 설정된 값과 비교 분석<S1005>한다.
만약 분석부(32)의 분석 결과 측정된 온도가 설정값 미만<S1010>이라면, 감각전달컨트롤러(34)는 감각전달부(40) 측으로 냉감을 발생시키는 감각 전달 신호를 전송하고, 감각전달부(40)의 냉각발생부(44)가 냉감을 발생시킴으로써<S1015>, 사용자는 물체가 차갑다는 것을 인지할 수 있게 된다. 이후에는 사용자의 의지에 따라 손가락 폄 또는 굽힘 동작을 수행하는 <S505> 이후의 과정이 수행된다.
반면 분석부(32)의 분석 결과 측정된 온도가 설정값 이상이지만 임계치 미만인 것이 확인<S1020>되었다면, 감각전달컨트롤러(34)는 감각전달부(40) 측으로 온감을 발생시키는 감각 전달 신호를 전송하고, 온각발생부(45)가 온감을 발생시켜<S1025> 사용자에게 물체가 따뜻하다는 것을 느낄 수 있게 한다. 여기서 임계치란 의수(10)의 파손 위험성이 있는 온도, 또는 사용자가 화상을 입을 수도 있는 온도의 한계치를 말한다. 이후 사용자의 의지에 따라 움직이는 근육 신호를 통해 손가락 동작이 수행되도록 하는 <S505> 이하의 과정이 수행된다.
하지만, 분석부(32)의 분석 결과 측정된 온도가 임계치 이상인 것을 확인하였다면<S1020>, 감각전달컨트롤러(34)는 감각전달부(40) 측으로 위험 상황임을 알리는 감각 전달 신호를 전송한다. 예컨대 감각전달컨트롤러(34)는 온각발생부(45)가 보다 뜨거운 온감을 발생시키도록 하고, 진동발생부(41)가 강한 진동을 발생시키도록 하며, 청각발생부(46)가 경고음을 발생시키도록 하고, 시각발생부(47)에서 붉은빛이 점멸되도록 하는 감각 전달 신호를 동시에 전송할 수 있다. 이에 따라 감각전달부(40)에서 (다소 높은) 온감 및 경고가 발생<S1030>토록 하여 사용자에게 경고한 후, 제어모듈(30)의 의수컨트롤러(33)는 액츄에이터(20) 측으로 손가락 폄 동작이 강제 수행되도록 하는 의수 컨트롤 신호를 전송<S1035>한다.
즉, 지금 파지하고 있는 물체가 매우 뜨겁다는 것을 사용자에게 알린 이후, 사용자의 의지가 근육에 반영될 때까지 기다리지 아니하고, 손가락부(13)를 강제로 펼침으로써 물체를 놓을 수 있도록 하는 것이다. 따라서 사용자가 상황을 파악한 후 의지를 반영할 때까지 걸리는 시간동안 발생할 수 있는 사고를 미연에 방지할 수 있다. 물론 물체를 높이 들고 있는 상태에서 사용자의 의지와 관계 없이 손가락을 펼친다면, 물체가 떨어지면서 충격을 받아 파손될 수도 있다. 하지만 의수(10)가 파손된다거나 사용자가 부상을 입는 사고에 비하면 물체가 파손되는 것이 올바른 선택이기 때문에, 위험 상황에서 손가락을 강제로 펼치도록 하는 자가보호 모드는 반드시 필요하다. 예컨대 의수(10)가 파지하고 있던 스마트폰이 과열 또는 오작동하여 배터리가 폭발하는 경우, 사용자가 이를 인지한 후 근육을 움직여 안전하게 스마트폰을 내려 놓을 때까지 기다리는 것 보다는, 즉시 스마트폰을 떨어뜨리는 것이 더욱 안전한 것이다.
물론 도10의 과정을 통해 접촉식온도센서(18)에서 측정한 온도가 임계치 이상인 것이 확인<S1020>되었을 때, 상황에 따라 일부 손가락부(13)만 강제 펼침 동작을 수행토록 제어할 수도 있다. 예컨대 분석부(32)의 분석 결과, 다섯 개의 손가락부(13) 중 중지손가락부, 약지손가락부 및 새끼손가락부에서의 접촉식온도센서(18)에서는 임계치 이상의 온도가 측정되었고, 엄지손가락부(14)와 검지손가락부(15)에서의 접촉식온도센서(18)에서는 임계치 미만의 온도가 측정되었을 경우, 감각전달컨트롤러(34)는 감각전달부(40) 측으로 온감, 진동, 경고음, 붉은빛 점멸 등의 경고가 발생<S1030>토록 하며, 의수컨트롤러(33)는 액츄에이터(20) 측으로 손가락 폄 동작이 강제 수행되도록 하는 의수 컨트롤 신호를 전송<S1035>한다. 이때 의수컨트롤러(33)는 임계치 미만인 엄지손가락부(14)와 검지손가락부(15)는 파지 상태를 유지토록 하고, 임계치 이상의 중지, 약지 및 새끼손가락부만 펼침 동작을 수행하도록 의수 컨트롤 신호를 전송한다.
이 경우 사용자는 감각전달부(40)의 경고 발생에 따라 물체의 일부분이 매우 뜨겁다는 사실을 느낄 수 있고, 동시에 임계치를 초과하여 매우 뜨거운 부분과 접촉하고 있는 중지, 약지 및 새끼손가락부는 자동으로 펼쳐짐으로써 접촉을 해제할 수 있어서 의수(10)의 파손을 방지할 수 있다. 이때 엄지손가락부(14)와 검지손가락부(15)는 여전히 파지 상태를 유지하기 때문에 물체가 떨어져 파손되는 것까지 방지할 수 있다.
예컨대 커피를 마시기 위해 사용자가 의수(10)를 이용하여 컵을 들고 있는 상태에서 뜨거운 커피를 컵에 부었을 때, 컵의 아래쪽 부분에서는 매우 뜨거운 열이 발생하고, 컵의 위쪽 부분에서는 따뜻한 정도의 열만 발생하게 된다. 이 경우 중지, 약지 및 새끼손가락부만 펼치고, 엄지손가락부(14)와 검지손가락부(15)는 여전히 파지 상태를 유지한다면, 의수(10)의 파손을 막으면서 물체도 여전히 들고 있을 수 있는 것이다.
이는 실제 손을 이용하여 커피를 마실 때의 동작과 유사한 것인데, 본 발명에서는 온도 측정을 통해 제어모듈(30)이 자가보호 모드를 실행시킴으로써 의수(10), 사용자 및 물체를 모두 보호할 수 있도록 작동하는 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 감각 인지 의수 제어 시스템(1)은, 의수(10)에 설치된 센서들에서 측정된 감각 정보에 대응하여 액츄에이터(20)를 적절하게 제어함으로써, 상황에 따라 최적의 파지력으로 물체를 파지할 수 있도록 지원할 수 있다.
또한, 의수(10)에서 인지한 감각 정보를 사용자 신체에 부착된 감각전달부(40)에서 표출될 수 있도록 함으로써, 사용자는 실제 손으로 느낄 수 있는 감각을 느낄 수 있고, 그에 대응한 후속 행동을 제어하여 위험 상황을 회피할 수도 있다.
더불어 본 발명에서는 임계치 이상의 매우 뜨거운 물체를 파지하려 한다거나, 파지하고 있을 시, 사용자에게 강하게 경고한 후 사용자의 의지가 반영될 때까지 기다리지 아니하고, 파지 시도를 강제 차단하거나, 물체 파지를 강제로 해제토록 하는 자가보호 모드를 실행시킴으로써, 위험한 물체에 의해 의수가 파손된다거나, 사용자가 부상을 입는 사고를 방지할 수 있다.
또한, 이상의 설명에서는 의수(10)에 대하여 설명하였지만, 의족 등 다른 인공 보조기에도 본 발명의 개념이 적용될 수 있음은 당연하다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
1 : 감각 인지 의수 제어 시스템
10 : 의수
11 : 손바닥부
12 : 전단력측정센서
13 : 손가락부
14 : 엄지손가락부
15 : 검지손가락부
16 : 파지력측정센서
17 : 온도측정센서
18 : 접촉식온도센서
19 : 비접촉식온도센서
20 : 액츄에이터
30 : 제어모듈
31 : 근육신호측정부
32 : 분석부
33 : 의수컨트롤러
34 : 감각전달컨트롤러
40 : 감각전달부
41 : 진동발생부
42 : 통각발생부
43 : 압각발생부
44 : 냉각발생부
45 : 온각발생부
46 : 청각발생부
47 : 시각발생부

Claims (3)

  1. 절단 환자의 절단 부위에 착용되는 의수;
    절단 환자의 신체에 착용되는 감각전달부; 및
    상기 의수 및 감각전달부의 작동을 제어하는 제어모듈;을 포함하되,
    상기 의수는,
    움직임 동력을 발생시키는 액츄에이터; 및
    감각 정보를 측정하는 센서;를 포함하고,
    상기 제어모듈은,
    근육 신호를 측정하는 근육신호측정부;
    상기 근육신호측정부에서 측정한 근육 신호 또는 상기 의수의 센서에서 측정한 감각 정보를 분석하는 분석부;
    상기 분석부의 분석 결과에 따라 상기 액츄에이터를 제어하기 위한 의수 컨트롤 신호를 전송하는 의수컨트롤러; 및
    상기 분석부의 분석 결과에 따라 상기 감각전달부 측으로 감각 전달 신호를 전송하는 감각전달컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 감각 인지 의수 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감각전달부는,
    진동을 발생시키는 진동발생부, 냉감을 발생시키는 냉각발생부, 온감을 발생시키는 온각발생부, 소리를 발생시키는 청각발생부 또는 시각 정보를 발생시키는 시각발생부 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 감각 인지 의수 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 의수의 센서는,
    파지력을 측정하는 파지력측정센서;
    온도를 측정하는 온도측정센서; 및
    전단력을 측정하는 전단력측정센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 감각 인지 의수 제어 시스템.
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