KR20190113235A - 보행 속도 추정 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20190113235A
KR20190113235A KR1020180035642A KR20180035642A KR20190113235A KR 20190113235 A KR20190113235 A KR 20190113235A KR 1020180035642 A KR1020180035642 A KR 1020180035642A KR 20180035642 A KR20180035642 A KR 20180035642A KR 20190113235 A KR20190113235 A KR 20190113235A
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윤여훈
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국방과학연구소
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Abstract

보행 속도 추정 방법 및 장치가 개시된다. 보행 속도 추정 방법은 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하는 단계, 어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하는 단계 및 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 보폭을 기초로 보행 속도를 추정하는 단계를 포함한다.

Description

보행 속도 추정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING WALKING SPEED}
아래의 설명은 보행 속도 추정 기술에 관한 것으로, 각 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보행 속도를 추정하는 기술에 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 실시예에 따른 보행 속도 추정 방법은, 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하는 단계; 어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하는 단계; 및 상기 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 상기 보폭을 기초로 보행 속도를 추정하는 단계를 포함한다.
상기 보행 속도 추정 방법은 상기 하나 이상의 관절은 고관절 또는 무릎 관절을 포함할 수 있다.
상기 보폭을 계산하는 단계는, 제1 회의 양발 지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리를 계산하는 단계; 제2 회의 양발 지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리를 계산하는 단계; 및 제1 회의 좌족 및 우족 간의 거리 및 제2 회의 좌족 및 우족 간의 거리를 합하여 보폭을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 보폭을 계산하는 단계는, 허벅지 링크의 길이, 정강이 링크의 길이, 고관절의 각도 및 무릎 관절의 각도를 기초로 좌족 및 우족 간의 거리를 계산할 수 있다.
상기 보행 속도 추정 방법은 발바닥 모듈의 센서를 이용하여 양발 지지 상태, 제1 입각기 또는 제2 입각기를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 발바닥 모듈의 센서는 힘 센서를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법은 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하는 단계; 어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하는 단계; 상기 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 상기 보폭을 기초로 보행 속도를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 보행 속도를 이용하여 운동 보조 장치를 제어하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따른 운동 보조 장치는 발바닥 모듈; 상기 발바닥 모듈에 연결되는 정강이 링크; 상기 정강이 링크의 일단에 연결되는 허벅지 링크; 상기 허벅지 링크의 일단에 연결되는 허리 링크 및 상기 허리 링크에 연결되는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하고, 어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하고, 상기 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 상기 보폭을 기초로 보행 속도를 추정한다.
상기 운동 보조 장치는 상기 정강이 링크 및 상기 허벅지 링크 사이의 각도를 센싱하는 각도 센서; 및 상기 허벅지 링크 및 상기 허리 링크 사이의 각도를 센싱하는 각도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 제1 회의 양발 지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리를 계산하고, 제2 회의 양발 지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리를 계산하고, 제1 회의 좌족 및 우족 간의 거리 및 제2 회의 좌족 및 우족 간의 거리를 합하여 보폭을 계산할 수 있다.
상기 제어부는, 허벅지 링크의 길이, 정강이 링크의 길이, 고관절의 각도 및 무릎 관절의 각도를 기초로 좌족 및 우족 간의 거리를 계산할 수 있다.
상기 제어부는, 발바닥 모듈의 센서를 이용하여 양발 지지 상태, 제1 입각기 또는 제2 입각기를 결정할 수 있다.
상기 발바닥 모듈의 센서는 힘 센서를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 운동 보조 장치는, 발바닥 모듈; 상기 발바닥 모듈에 연결되는 정강이 링크; 상기 정강이 링크의 일단에 연결되는 허벅지 링크; 상기 허벅지 링크의 일단에 연결되는 허리 링크 및 상기 허리 링크에 연결되는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하고, 어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하고, 상기 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 상기 보폭을 기초로 보행 속도를 추정하고, 상기 추정된 보행 속도를 이용하여 운동 보조 장치를 제어한다.
일 실시예에 따른 보행 속도 추정 장치는 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하고, 어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하고, 상기 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 상기 보폭을 기초로 보행 속도를 추정한다.
일 실시예에 따른 운동 보조 장치의 제어 장치는, 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하고, 어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하고, 상기 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 상기 보폭을 기초로 보행 속도를 추정하고, 상기 추정된 보행 속도를 이용하여 운동 보조 장치를 제어한다.
도 1은 일 실시예에 따른 운동 보조 장치의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 보행 속도 추정 방법의 전체적인 동작을 도시한 순서도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 보행 속도 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 운동 보조 장치에 대한 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법의 전체적인 동작을 도시한 순서도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 보행 속도 추정 장치 및 운동 보조 장치의 제어 장치의 전체적인 구성을 도시한 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 일 실시예에 따른 운동 보조 장치의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.
일 실시예에 따르면, 운동 보조 장치(100)는 사용자가 보행하는 경우 사용자의 보행 속도를 추정할 수 있다. 운동 보조 장치(100)는 각도 센서를 이용하여 운동 보조 장치(100)의 각 파트 간의 상대적인 각도를 측정하고, 측정된 각도를 기초로 보폭(stride length)을 계산함으로써 간편하고 정확하게 사용자의 보행 속도를 추정할 수 있다.
이러한 운동 보조 장치(100)는 착용형 로봇뿐만 아니라 이족 보행 로봇의 제어에도 활용될 수 있으며, 재활 의료 또는 스포츠 의학 등의 다양한 분야에서 인체 운동을 분석하거나 제어하는 데 활용될 수 있다.
일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(100)는, 사용자에 착용되어 사용자의 운동을 보조할 수 있다. 사용자는 인체, 동물 또는 장치 등일 수도 있으며, 이에 제한되지 않는다. 이하 운동 보조 장치(100)가 사용자의 하지(lower limb)의 운동을 보조하는 경우에 대하여 예시적으로 도시하였으나, 운동 보조 장치(100)는 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(100)가 사용자의 보행을 보조하는 경우에 대하여 예시적으로 설명하기로 한다.
일 실시예에 따르면, 운동 보조 장치(100)는 발바닥 모듈(111, 110), 발바닥 모듈(111, 110)에 연결되는 정강이 링크(109, 105), 정강이 링크(109, 105)의 일단에 연결되는 허벅지 링크(107, 103), 허벅지 링크(107, 103)의 일단에 연결되는 허리 링크(101) 및 허리 링크(101)에 연결되는 제어부(133)를 포함한다.
발바닥 모듈(111, 110)와 정강이 링크(109, 105)는 회전 조인트(129, 131)로 연결될 수 있고, 회전 조인트(129, 131)는 각각 각도 센서를 포함할 수 있다. 정강이 링크(109, 105)와 허벅지 링크(107, 103)는 회전 조인트(125, 127)로 연결될 수 있고, 회전 조인트(125, 127)는 각각 각도 센서를 포함할 수 있다. 허벅지 링크(107, 103)와 허리 링크(101)는 회전 조인트(121, 123)로 연결될 수 있고, 회전 조인트(121, 123)는 각각 각도 센서를 포함할 수 있다. 발바닥 모듈(111, 110)은 각각 지면 접촉 감지 센서를 포함할 수 있다.
사람의 보행 주기는 한 쪽 다리를 기준으로, 사람의 다리가 지면에 접촉하는 입각기(stance phase) 및 사람의 다리가 지면에 접촉하지 않는 유각기(swing phase)가 교대로 발생하는 것으로 이해할 수 있다. 사람의 보행에서 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 등이 모두 고려되어야 한다.
제어부(133)는 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산할 수 있다. 제어부(133)는 어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산할 수 있다. 제어부(133)는 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 보폭을 기초로 보행 속도를 추정할 수 있다. 제어부(133)는 추정된 보행 속도를 이용하여 운동 보조 장치를 제어할 수 있다.
제어부(133)는 발바닥 모듈(111, 110)의 지면 접촉 감지 센서에서 측정된 지면 반발력이 임계값 이상인 경우 발바닥 모듈(111, 110)이 지면에 접촉한 것으로 판단할 수 있다. 제어부(133)는 회전 조인트(125, 127, 121, 123)에 포함된 각도 센서로부터 측정된 각도를 수신할 수 있다. 제어부(133)는 정강이 링크(109, 105), 허벅지 링크(107, 103) 및 각 각도 센서로부터 수신한 각도들을 이용하여 보폭을 계산할 수 있다.
제어부(133)는 한쪽 발이 지면에 접촉되는 순간부터 한걸음 내딛은 후에 다시 지면에 접촉되는 순간까지 걸린 시간을 계산할 수 있다. 제어부(133)는 계산된 시간과 보폭을 이용하여 간편하면서 정확하게 보행 속도를 추정할 수 있다.
운동 보조 장치(100)는 발바닥 모듈(111, 110)이 동시에 지면에 닿는 양발지지(double support, DS) 순간의 두 발 사이의 거리인 보폭(step length)을 계산할 수 있다. 운동 보조 장치(100)는 그 다음의 양발지지 순간에서의 보폭을 계산할 수 있다. 운동 보조 장치(100)는 연속하는 두 발 사이의 거리들을 합하여 한걸음거리(stride length)를 계산할 수 있다.
운동 보조 장치(100)는 기준 다리가 지면을 접촉하는 순간부터 발이 지면과 떨어져서 앞으로 뻗어지는 유각기(swing phase)를 거쳐 다시 지면과 접촉하게 되는 순간까지의 걸리는 시간을 측정할 수 있다. 운동 보조 장치(100)는 한걸음거리와 측정된 시간을 이용하여 보행 속도를 추정할 수 있다.
사람의 보행은 일반적으로 질량-스프링(mass-spring)으로 모델링 할 수 있는데 보행 속도에 따라 스프링의 강성이 달라진다. 따라서 착용형 로봇을 제어할 때 속도에 따라 로봇 다리의 강성을 변화시켜주면 보다 더 사람의 보행에 가까운 자연스러운 동작을 만들어 낼 수 있다.
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, 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.
운동 보조 장치(100)는 각 걸음마다 실시간으로 보행 속도를 추정할 수 있다. 운동 보조 장치(100)는 실시간으로 추정된 보행 속도를 운동 보조 장치(100)의 강성 제어에 적용할 수 있다. 실시간으로 빠르고 정확한 강성 제어를 수행함으로써 운동 보조 장치(100)는 사용자의 보행을 더욱 자연스럽게 보조할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 보행 속도 추정 방법의 전체적인 동작을 도시한 순서도이다.
일 실시예에 따르면, 단계(201)에서, 운동 보조 장치(100)는 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산할 수 있다. 여기서, 하나 이상의 관절은 고관절 또는 무릎 관절을 포함할 수 있다.
운동 보조 장치(100)는 제1 회의 양발 지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리를 계산할 수 있다. 운동 보조 장치(100)는 제2 회의 양발 지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리를 계산할 수 있다. 운동 보조 장치(100)는 제1 회의 좌족 및 우족 간의 거리 및 제2 회의 좌족 및 우족 간의 거리를 합하여 한걸음거리를 계산할 수 있다.
운동 보조 장치(100)는 발바닥 모듈의 센서를 이용하여 양발 지지 상태, 제1 입각기 또는 제2 입각기를 결정할 수 있다. 여기서, 발바닥 모듈의 센서는 힘 센서를 포함할 수 있다.
운동 보조 장치(100)는 허벅지 링크의 길이, 정강이 링크의 길이, 고관절의 각도 및 무릎 관절의 각도를 기초로 좌족 및 우족 간의 거리를 계산할 수 있다. 운동 보조 장치(100)는 양발지지 순간의 두 발 사이의 거리(step length)를 계산할 수 있고, 다음 번의 양발지지 순간의 두 발 사이의 거리(step length)를 계산한 후 이를 합산하여 한걸음거리를 계산할 수 있다.
운동 보조 장치(100)는 허리 링크와 허벅지 링크 사이의 각도 및 허벅지 링크의 길이를 이용하여 허벅지 링크와 허리 링크 사이의 회전 조인트를 지나는 축을 기준으로 정강이 링크와 허벅지 링크 사이의 회전 조인트가 수평 방향으로 얼마만큼 떨어져 있는지를 계산할 수 있다. 마찬가지로 운동 보조 장치(100)는 정강이 링크와 허벅지 링크 사이의 각도 및 정강이 링크의 길이를 이용하여 허벅지 링크와 정강이 링크 사이의 회전 조인트를 지나는 축을 기준으로 정강이 링크와 발바닥 모듈 사이의 회전 조인트가 수평 방향으로 얼마만큼 떨어져 있는지를 계산할 수 있다. 운동 보조 장치(100)는 두 거리를 합하여 보폭을 계산할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단계(203)에서, 운동 보조 장치(100)는 어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산할 수 있다. 여기서 제1 입각기는 사용자의 다리가 지면에 접촉하는 단계를 지칭하고, 제2 입각기는 제1 입각이 다음으로 사용자의 동일한 다리가 지면에 접촉하는 단계를 지칭할 수 있다. 운동 보조 장치(100)는 발바닥 모듈의 지면 접촉 감지 센서를 통해 사람의 다리가 지면에 접촉했는지 여부를 판단할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단계(205)에서, 운동 보조 장치(100)는 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 한걸음거리를 기초로 보행 속도를 추정할 수 있다. 예를 들어, 운동 보조 장치(100)는 한걸음거리를 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간으로 나누어 보행 속도를 추정할 수 있다.
도 3a는 일 실시예에 따른 보행 속도 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3b는 일 실시예에 따른 운동 보조 장치에 대한 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a를 참조하면 사람의 보행 주기가 도시되어 있다. 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.
다른 관점에서, 사람의 보행 주기는 좌족을 중심으로 양발이 동시에 지면에 닿는 양발지지(double support, DS) 상태, 좌족이 지면과 떨어져서 앞으로 뻗어지고 우족은 지지되는 우족지지(right support, RS) 상태, 다시 양발이 동시에 지면에 닿는 양발지지(double support, DS) 상태, 우족이 지면과 떨어져서 앞으로 뻗어지고 좌족은 지지되는 좌족지지(left support, LS) 상태, 다시 양발이 동시에 지면에 닿는 양발지지(double support, DS) 상태의 순으로 변경될 수 있다.
운동 보조 장치(100)는 도 3a에 도시된 사람의 보행 주기를 기초로 보폭을 계산하고 한 걸음을 내딛는 동안의 시간을 측정하여 보행 속도를 추정할 수 있다.
운동 보조 장치(100)는 최초의 양발지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리인 보폭(step length,
Figure pat00001
)(307) 및 두 번째의 양발지지 상태의 우족 및 좌족 간의 거리인 보폭(step length,
Figure pat00002
)(308)을 수학식 1 및 수학식 2에 따라 계산할 수 있다. 여기서,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
은 고관절의 중심축을 기준으로 한 왼발 및 오른발의 상대적 위치로서, 아래 수식과 같이 허벅지 링크 길이(
Figure pat00005
), 정강이 링크 길이(
Figure pat00006
), 고관절 각도(
Figure pat00007
), 무릎 관절 각도(
Figure pat00008
) 사이의 관계식인 수학식 3에 따라 계산될 수 있다.
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
수학식 4를 참조하면, 운동 보조 장치(100)는 최초의 양발지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리인 보폭(step length,
Figure pat00013
)(307) 및 두 번째의 양발지지 상태의 우족 및 좌족 간의 거리인 보폭(step length,
Figure pat00014
)(308)을 합산하여 좌족을 기준으로 한 한걸음거리(stride length, SLL)(310)를 계산할 수 있다. 운동 보조 장치(100)는 두 번째의 양발지지 상태의 우족 및 좌족 간의 거리인 보폭(308) 및 세 번째의 양발지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리인 보폭(309)을 합산하여 우족을 기준으로 한 한걸음거리(stride length, SLR)(311)를 계산할 수 있다.
Figure pat00015
일 실시예에 따르면, 운동 보조 장치(100)는 좌족을 기준으로 한 한걸음거리(stride length, SLL)(310) 또는 우족을 기준으로 한 한걸음거리(stride length, SLR)(311) 각각을 보행 속도 추정에 사용할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 운동 보조 장치(100)는 좌족을 기준으로 한 한걸음거리(stride length, SLL)(310) 또는 우족을 기준으로 한 한걸음거리(stride length, SLR)(311)의 평균값을 계산하여 보행 속도 추정에 사용할 수 있다.
운동 보조 장치(100)는 어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간(
Figure pat00016
)을 측정할 수 있다. 수학식 5를 참조하면, 운동 보조 장치(100)는 한걸음거리(
Figure pat00017
)와 시간(
Figure pat00018
) 간의 관계를 이용하여 보행 속도를 매 걸음마다 추정할 수 있다. 여기서, 한걸음거리(
Figure pat00019
)는 좌족을 기준으로 한 한걸음거리(stride length, SLL)(310) 또는 우족을 기준으로 한 한걸음거리(stride length, SLR)(311)일 수 있다.
Figure pat00020
도 4는 일 실시예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법의 전체적인 동작을 도시한 순서도이다.
일 실시예에 따르면, 단계(401)에서, 운동 보조 장치는 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산할 수 있다. 여기서, 하나 이상의 관절은 고관절 또는 무릎 관절을 포함할 수 있다.
운동 보조 장치는 제1 회의 양발 지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리를 계산할 수 있다. 운동 보조 장치는 제2 회의 양발 지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리를 계산할 수 있다. 여기서, 운동 보조 장치는 허벅지 링크의 길이, 정강이 링크의 길이, 고관절의 각도 및 무릎 관절의 각도를 기초로 좌족 및 우족 간의 거리를 계산할 수 있다. 운동 보조 장치는 제1 회의 좌족 및 우족 간의 거리 및 제2 회의 좌족 및 우족 간의 거리를 합하여 보폭을 계산할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단계(403)에서, 운동 보조 장치는 어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산할 수 있다. 운동 보조 장치는 발바닥 모듈의 센서를 이용하여 양발 지지 상태, 제1 입각기 또는 제2 입각기를 결정할 수 있다. 여기서, 발바닥 모듈의 센서는 힘 센서를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단계(405)에서, 운동 보조 장치는 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 보폭을 기초로 보행 속도를 추정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단계(407)에서, 운동 보조 장치는 추정된 보행 속도를 이용하여 운동 보조 장치를 제어할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 보행 속도 추정 장치의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.
일 실시예에 따르면, 보행 속도 추정 장치(500)는 적어도 하나의 프로세서(501)를 포함한다. 프로세서(501)는 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하고, 어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하고, 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 보폭을 기초로 보행 속도를 추정한다.
보행 속도 추정 장치(500)는 메모리(503)을 더 포함할 수 있다. 메모리(503)는 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도, 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 및 각 시각 간의 차이를 저장할 수 있다. 메모리(503)는 보행 속도 추정을 위한 알고리즘을 저장할 수 있다. 메모리(503)는 추정된 보행 속도를 저장할 수 있다. 메모리(503)는 좌우의 허벅지 링크 길이 및 정강이 링크 길이를 저장할 수 있다.
보행 속도 추정 장치(500)는 I/O 인터페이스(505)를 더 포함할 수 있다. I/O 인터페이스(505)는 각 관절에서 센싱된 값들을 수신할 수 있다. I/O 인터페이스(505)는 추정된 보행 속도를 출력 장치로 송신할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 운동 보조 장치의 제어 장치의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.
운동 보조 장치의 제어 장치(600)는 적어도 하나의 프로세서(601)를 포함한다. 프로세서(601)는 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하고, 어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하고, 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 보폭을 기초로 보행 속도를 추정하고, 추정된 보행 속도를 이용하여 운동 보조 장치를 제어한다.
운동 보조 장치의 제어 장치(600)는 메모리(603)를 더 포함할 수 있다. 메모리(603)는 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도, 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 및 각 시각 간의 차이를 저장할 수 있다. 메모리(603)는 보행 속도 추정을 위한 알고리즘을 저장할 수 있다. 메모리(603)는 추정된 보행 속도를 저장할 수 있다. 메모리(603)는 좌우의 허벅지 링크 길이 및 정강이 링크 길이를 저장할 수 있다.
운동 보조 장치의 제어 장치(600)는 I/O 인터페이스(605)를 더 포함할 수 있다. I/O 인터페이스(605)는 각 관절에서 센싱된 값들을 수신할 수 있다. I/O 인터페이스(605)는 추정된 보행 속도를 출력 장치로 송신할 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 (16)

  1. 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하는 단계;
    어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하는 단계; 및
    상기 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 상기 보폭을 기초로 보행 속도를 추정하는 단계
    를 포함하는, 보행 속도 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관절은 고관절 또는 무릎 관절을 포함하는,
    보행 속도 추정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보폭을 계산하는 단계는,
    제1 회의 양발 지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리를 계산하는 단계;
    제2 회의 양발 지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리를 계산하는 단계; 및
    제1 회의 좌족 및 우족 간의 거리 및 제2 회의 좌족 및 우족 간의 거리를 합하여 보폭을 계산하는 단계
    를 포함하는, 보행 속도 추정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보폭을 계산하는 단계는,
    허벅지 링크의 길이, 정강이 링크의 길이, 고관절의 각도 및 무릎 관절의 각도를 기초로 좌족 및 우족 간의 거리를 계산하는,
    보행 속도 추정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    발바닥 모듈의 센서를 이용하여 양발 지지 상태, 제1 입각기 또는 제2 입각기를 결정하는 단계를 더 포함하는, 보행 속도 추정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 발바닥 모듈의 센서는 힘 센서를 포함하는, 보행 속도 추정 방법.
  7. 하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하는 단계;
    어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하는 단계;
    상기 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 상기 보폭을 기초로 보행 속도를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 보행 속도를 이용하여 운동 보조 장치를 제어하는 단계
    를 포함하는, 운동 보조 장치의 제어 방법.
  8. 발바닥 모듈;
    상기 발바닥 모듈에 연결되는 정강이 링크;
    상기 정강이 링크의 일단에 연결되는 허벅지 링크;
    상기 허벅지 링크의 일단에 연결되는 허리 링크 및
    상기 허리 링크에 연결되는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하고,
    어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하고,
    상기 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 상기 보폭을 기초로 보행 속도를 추정하는,
    운동 보조 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 정강이 링크 및 상기 허벅지 링크 사이의 각도를 센싱하는 각도 센서; 및
    상기 허벅지 링크 및 상기 허리 링크 사이의 각도를 센싱하는 각도 센서를 더 포함하는,
    운동 보조 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    제1 회의 양발 지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리를 계산하고,
    제2 회의 양발 지지 상태의 좌족 및 우족 간의 거리를 계산하고,
    제1 회의 좌족 및 우족 간의 거리 및 제2 회의 좌족 및 우족 간의 거리를 합하여 보폭을 계산하는,
    운동 보조 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    허벅지 링크의 길이, 정강이 링크의 길이, 고관절의 각도 및 무릎 관절의 각도를 기초로 좌족 및 우족 간의 거리를 계산하는,
    운동 보조 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    발바닥 모듈의 센서를 이용하여 양발 지지 상태, 제1 입각기 또는 제2 입각기를 결정하는,
    운동 보조 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 발바닥 모듈의 센서는 힘 센서를 포함하는, 운동 보조 장치.
  14. 발바닥 모듈;
    상기 발바닥 모듈에 연결되는 정강이 링크;
    상기 정강이 링크의 일단에 연결되는 허벅지 링크;
    상기 허벅지 링크의 일단에 연결되는 허리 링크 및
    상기 허리 링크에 연결되는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하고,
    어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하고,
    상기 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 상기 보폭을 기초로 보행 속도를 추정하고,
    상기 추정된 보행 속도를 이용하여 운동 보조 장치를 제어하는,
    운동 보조 장치.
  15. 적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하고,
    어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하고,
    상기 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 상기 보폭을 기초로 보행 속도를 추정하는,
    보행 속도 추정 장치.
  16. 적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    하나 이상의 관절에서 센싱된 각도를 기초로 보폭을 계산하고,
    어느 한 발의 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간을 계산하고,
    상기 제1 입각기의 시각과 제2 입각기의 시각 간의 시간 및 상기 보폭을 기초로 보행 속도를 추정하고,
    상기 추정된 보행 속도를 이용하여 운동 보조 장치를 제어하는,
    운동 보조 장치의 제어 장치.

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