KR20210109815A

KR20210109815A - 착용자의 모션의도 인식을 위한 웨어러블 모션측정장치, 이를 이용한 모션인지방법 및 웨어러블 로봇 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20210109815A
Application number: KR1020200024874A
Authority: KR
Inventors: 박철훈; 송성혁; 김세영; 서현욱; 함상용; 김병인; 정현목; 최경준; 박성준
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2021-09-07
Also published as: KR102308550B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 모션측정장치는, 의복, 및 상기 의복을 착용한 착용자의 움직임에 의한 근육 또는 관절의 변형이 인덕턴스의 변화를 야기하도록 구성된 센서를 포함하고, 상기 센서에서의 인덕턴스 변화 감지에 의하여 착용자의 움직임 의도를 판단하도록 구성된다.

Description

착용자의 모션의도 인식을 위한 웨어러블 모션측정장치, 이를 이용한 모션인지방법 및 웨어러블 로봇 및 그 제어방법{Wearable motion measuring device for wearer's motion intention recognition, and motion recognition method using the same, wearable robot including the same, and control method therefor}

본 발명은 웨어러블 모션측정장치, 이를 이용한 모션인지방법 및 웨어러블 로봇 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 착용자의 모션의도 인식이 가능한 웨어러블 모션측정장치, 이를 이용한 모션인지방법 및 웨어러블 로봇 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 산업 현장의 근로자, 하역근로자, 택배근로자 등은 무거운 중량의 물체를 반복적으로 들고 이동하는 동작을 수행하는 경우가 많다.

이러한 작업은 여러 사람의 인력이 요구되거나 현장 상황에 따라 중장비나 기중기, 도르래 등의 보조장비가 사용되어야 하는 불편이 있다. 또한, 사람이 직접 작업할 경우에는 높은 작업 강도로 인해 근로자의 피로 증가와 작업능률의 저하는 물론이고, 근골격계 손상 등의 산업재해와 관련 직종의 기피 현상에 대한 문제가 있으며, 보조장비를 사용할 경우에는 비교적 넓은 이동공간이나 설치공간이 필요하므로, 사용범위가 제한적인 문제가 있다.

이러한 문제로 인해 반복적인 하중을 들고 일어서는 동작이나 무거운 하중을 버티는 동작을 완화시키기 위한 착용형 근력보조장치의 필요성이 대두되고 있다.

최근 개발되고 있는 근력보조장치는 모터와 프레임 등을 이용하여 팔이나 다리의 측면에 부착하여 구동되는 방식이 대부분이다.

이러한 방식의 근력보조장치는 프레임이나, 각종 프레임의 구동을 위한 모터 등으로 구성되어 무게가 무겁고 딱딱하여 자연스러운 움직임을 방해할 뿐만 아니라, 착용이 불편한 문제점이 있다.

따라서, 무게가 가볍고, 인체 근육과 유사한 위치에 부착되어 신체의 움직임을 방해하지 않을 뿐만 아니라 다양한 동작의 응답성을 향상시킬 수 있는 웨어러블 로봇(근력 증강용 의복)의 개발이 요구된다.

이러한 웨어러블 로봇의 개발과 관련하여, 착용자의 모션의도 인식이 가능한 웨어러블 모션측정장치의 개발 또한 함께 요구된다.

본 발명은 전술한 문제 및 이와 연관된 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 예시적 목적은, 사람의 움직이려는 의도는 근육의 굵기 변화, 관절 각도의 변화를 통해 나타나는데, 팔, 다리, 허리 등을 굽혔다 펴거나, 물건을 들고자 하는 사람의 의도를 근육의 직경변화, 관절 각도의 변화 등을 이용하여 비교적 단순한 구성과 효율적인 비용으로 측정하고자 한다.

본 명세서에 개시된 기술의 기술적 사상에 따른 착용자의 의도인식을 위한 웨어러블 모션측정장치 및 이의 의도인식방법이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 착용자 모션의도 인식방법은, 착용자의 제 1 모션에서 제 2 모션으로의 움직임이 센서 내 선형 변위를 야기하는 단계; 상기 선형 변위에 따른 인덕턴스의 변화를 측정하는 단계; 및 상기 인덕턴스의 변화에 기초하여 착용자의 움직임 의도 여부를 판단하는 단계를 포함한다.

상기 센서는 선형 변위를 측정하도록 구성된다.

상기 선형 변위는 전도성 소재의 스프링에 의하여 측정된다.

상기 센서는 착용자의 제 1 모션에서 제 2 모션으로의 움직임 의도에 의해 야기된 근육의 형상 변화를 측정하도록 구성된다. ,

상기 근육의 형상 변화는 근육의 길이 또는 근육의 굵기에 있어서의 변화이다.

상기 스프링은 상기 근육의 길이 또는 굵기가 변화하는 방향으로 배치되며, 상기 근육의 굵기의 변화를 측정하도록 상기 근육에 직교하는 방향으로 배치된다.

상기 센서는 착용자의 제 1 모션에서 제 2 모션으로의 변형에 의해 야기된 관절의 각도 변화를 측정하도록 구성된다.

상기 스프링은 상기 관절의 회전축에 직교하는 방향으로 배치된다.

상기 웨어러블 모션측정장치는 신체 일부에 착용하는 형태의 의복 또는 전신 옷 형태의 의복이다.

아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨어러블 로봇은, 의복; 앞서 기재된 모션측정장치를 사용하여 상기 의복의 착용자의 움직임 의도를 판단하도록 구성된 의도인식부; 상기 의도인식부로부터의 신호에 의해 구동부로의 구동제어신호를 생성하도록 제어부; 및 상기 제어부로부터의 구동제어신호에 의해 근력 보조를 위한 구동력을 발생시키도록 구성된 구동부를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨어러블 로봇의 제어방법은, 앞서 기재된 착용자 모션의도 인식방법을 사용하여, 상기 웨어러블 로봇의 착용자의 움직임 의도를 인식하는 단계; 상기 착용자의 움직임 의도의 인식 판단 결과에 기초하여 구동부의 작용을 위한 구동제어신호를 생성하는 단계; 및 상기 생성된 구동제어신호에 기초하여 근력 보조를 위한 구동력을 발생시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면 착용자의 움직이려는 의도를 비교적 단순한 구성과 효율적인 비용으로 측정가능한 웨어러블 모션측정장치와 이를 이용한 착용자 모션의도 인식방법 및 이를 포함한 웨어러블 로봇 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.

이러한 본 발명의 실시예에 의한 웨어러블 모션 측정장치에 의해, 운동이나 작업의 강도 및 횟수에 따라 근육 길이, 굵기의 변화, 관절운동범위의 변화 등을 모니터링함으로써 운동효과 및 피로도 예측이 또한 가능하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 웨어러블 모션측정장치를 웨어러블 로봇과 결합하여 착용자가 걷거나, 물건을 드는 등의 동작을 할 때 근육의 길이, 굵기 또는 관절의 각도변화를 측정하고 이를 바탕으로 착용자의 의도를 파악할 수 있으며, 이러한 정보를 이용하여 웨어러블 로봇의 제어가 가능하다.

한편, 앞서 기재된 효과는 예시적인 것에 불과하며 당업자의 관점에서 본 발명의 세부 구성으로부터 예측되거나 기대되는 효과들 또한 본원발명 고유의 효과에 추가될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 로봇의 구성도이다.
도 2는 도 1의 웨어러블 로봇의 동작을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2의 옷감형 유연구동기 단위체에 대한 예시적 구성도이다.
도 4는 도 3의 옷감형 유연구동기 단위체의 수축 및 이완 동작을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 착용자 의도인식을 위한 웨어러블 변위측정장치로서 스프링을 이용한 인덕턴스 측정장치를 나타낸다.
도 6은 도 5의 인덕턴스 측정장치에 있어서 인덕턴스와 스프링 길이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 5에 도시된 스프링 변위센서를 활용하여 구현한 웨어러블 모션측정장치의 일 실시예를 나타낸다.
도 8은 도 7의 웨어러블 모션측정장치의 실제 착용예를 나타낸다.
도 9는 도 8에 있어서의 실험예인, 팔목 보호대에 스프링 센서를 이두박근 수축방향에 직각으로 배치하여 이두박근의 굵기변화를 측정한 경우로서, (a)는 팔을 단순히 굽혔다 폈을 때 근육의 굵기변화 측정결과이며, (b)는 팔의 움직임없이 부하를 버티기 위해 근육에 힘이 들어갈 때의 근육의 굵기변화 측정 결과를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.

본 개시내용은 도면 및 이상의 설명에서 상세하게 예시되고 설명되었지만, 본 개시내용은 특성이 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 고려되어야 하고, 단지 소정의 실시형태가 도시되고 설명되었으며, 본 개시내용의 정신 내에 들어가는 모든 변화와 변형은 보호되는 것이 바람직함이 이해될 것이다.

웨어러블 로봇 및 그 제어방법

먼저 이하에서는, 도 1 및 도 2를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 모션측정장치와 이를 이용한 모션의도 인식방법 및 이을 포함하는 웨어러블 로봇(또는 근력 증강용 의봇)에 대하여 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 로봇의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 로봇의 동작을 설명하기 위한 상태도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 로봇은 의복 본체(20)와, 의복 본체(20)에 연결되는 옷감형 유연구동기 조립체(10)를 포함할 수 있다.

의복 본체(20)는 근력 증강용 의복의 베이스를 이루는 부분으로, 여기에서는 상의를 예로 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 하의에 적용될 수도 있다.

의복 본체(20)는 내피 및 외피를 포함할 수 있으며, 옷감형 유연구동기(10)는 예시적으로 내피 및 외피 사이에 마련될 수 있다. 특히, 옷감형 유연구동기(10)는 의복 본체 상에서 착용자 신체의 관절에 대응되는 위치 부근에 배치될 수 있다.

의복 본체(20)는 제 1 및 제 2 신체고정부(510, 520)를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 신체고정부(510, 520)는 의복 본체(20)에서 관절이 대응되는 위치를 기준으로 서로 반대편에 각각 배치될 수 있다. 예를 들어, 관절이 팔꿈치인 경우, 제 1 신체고정부(510)는 상박에 대응되는 부분이며, 제 2 신체고정부(520)는 하박에 대응되는 부분일 수 있다.

이때, 유연구동기 조립체의 일 측은 제 1 신체고정부에 고정되고, 타 측은 의복 본체의 제 2 신체고정부에 고정될 수 있다.

여기서, 제 1 및 제 2 신체고정부는 밴드를 포함할 수 있고, 밴드는 착용자의 팔을 감싸, 인공 근육이 착용자의 팔에 밀착되거나, 제 1 및 제 2 신체고정부가 착용자의 신체 상에서 이동되지 않고 고정되도록 할 수 있다.

도 1 및 도 3을 다시 참조하면, 본 실시예에 따른 유연 구동기는 제어부(300), 전기공급부(310), 감지부(320) 및 전원부(330)를 더 포함할 수 있으며, 감지부(320)는 힘 센싱부(320a)와 의도 인식부(320b)를 포함한다.

제어부(300)는, 열반응 부재(100)가 수축 상태에서 이완 상태로, 또는 그 반대로 변경 작동될 수 있도록 열반응 부재(100)에 전기 공급 여부를 제어하도록 구성될 수 있다. 이하에서는, 전기 공급에 의하여 열반응 부재가 수축되는 경우를 실시예로 하여 설명한다.

구체적으로, 제어부(300)는 전기공급부(310)를 통해 열반응 부재(100)에 전기 공급 여부를 제어할 수 있다. 제어부(300)가 전기공급부(310)에 전기공급신호를 전달하면, 전기공급부(310)는 열반응 부재(100)에 전류를 공급할 수 있다. 또한, 제어부(300)가 전기공급부(310)에 전기공급중단신호를 전달하면, 상기 전기공급부(310)는 열반응 부재(100)에 전류가 더 이상 흐르지 않도록 전류 공급을 중단할 수 있다.

이와 같은 전기 공급 여부 제어에 의하여 열반응 부재(100)에 전류가 공급되면 열이 발생되어 열반응 부재(100)가 수축되고, 전류 공급이 중단되면 온도가 감소되어 열반응 부재(100)가 이완된다.

전기공급부(310)는 열반응 부재에 연결되어 열반응 부재에 전류를 공급하도록 구성될 수 있는 등, 전류제어, 힘제어 또는 냉각제어를 위한 전류 드라이버에 해당하며, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

감지부(320) 중 의도 인식부(320a)는 통상적으로 착용자의 생체정보 또는 동작을 감지하도록 구성된 센서를 포함할 수 있다. 여기서, 생체정보는 근전도를 포함할 수 있다. 예를 들어, 의도 인식부(320a)가 근전도 센서를 포함하는 경우, 상기 센서는 중량물의 파지, 이동, 및 지탱에 따라 착용자의 근육의 움직임 또는 동작(구체적으로, 수축 동작 또는 이완 동작)을 감지할 수 있다. 다른 예로서, 의도 인식부(320a)는 음성센서를 포함할 수 있으며, 이 경우 센서는 착용자의 음성정보를 통해 현재 착용자의 행동, 상태, 요구사항 등을 입력 받도록 구성될 수 있다.

또한, 감지부(320) 중 힘 센싱부(320b)는 열반응 부재(100)의 변형을 감지하도록 구성된 센서를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 이러한 의도 인식부(320a)에 대응하는 웨어러블 모션측정장치를 특징으로 하고 있으며, 종래기술에 비해 구성상 간단하고 비용상 효율적인 의도인식방법을 제공한다. 이에 대해서는 다시 상세히 설명하기로 한다.

전원부(330)는 제어부(300), 전기공급부(310) 및 감지부(320) 중 적어도 하나에 전기를 공급하도록 구성될 수 있다.

제어부(300)는 감지부(320)에서 감지되는 정보를 기초로 전기공급부(310)가 열반응 부재로 공급하는 전류를 제어할 수 있다.

예를 들어, 착용자가 팔을 굽히는 동작과 같이 열반응 부재의 수축이 요구되는 동작을 수행하는 경우, 의도 인식부(320a)는 측정된 정보를 제어부(300)로 전달할 수 있으며, 제어부(300)는 이러한 정보를 기초로 착용자가 팔을 굽히려는 동작을 의도하고 있는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 제어부(300)는 착용자가 팔을 굽히는데 필요한 힘을 계산하여, 유연구동기(10)에서 출력되어야 하는 목표력을 산출할 수 있다. 그리고, 이를 구현하기 위해 제어부(300)는 산출된 목표력이 출력되도록 전기공급부(310)에서 열반응 부재에 공급하는 전류를 제어할 수 있다.

작동의 예시로서, 웨어러블 로봇은 착용자의 동작을 감지하도록 구성된 의도인식 센서(320b)가 착용자의 이완 동작을 감지하는 경우, 웨어러블 로봇의 제어부(300)는 이완근 측에 배열된 구동기 내 열반응 부재로의 전원 공급은 차단하고 수축근 측에 배열된 구동기 내 열반응 부재로의 전원은 공급하도록 전기공급부(310)를 제어할 수 있다.

한편, 옷감형 유연구동기를 길항(antagonistic) 구조로 배치하여 근력보조에 활용할 수 있다. 도 2를 참고하면, 예시적인 웨어러블 로봇은 한 쌍의 제 1 및 제 2 옷감형 유연구동기(10a, 10b)를 포함할 수 있다. 착용자가 웨어러블 로봇을 착용하면, 제 1 및 제 2 옷감형 유연구동기가 팔(또는 다리)의 내측 및 외측에 위치되도록 제 1 및 제 2 옷감형 유연구동기는 각각 서로 마주보도록 배치될 수 있다.

여기서, 웨어러블 로봇의 제어부는, 착용자의 기 설정된 동작, 예를 들어, 팔(또는 다리)이 굽혀지는 동작이 감지되는 경우 제 1 옷감형 유연구동기(10a)는 수축하고, 및/또는 제 2 옷감형 유연구동기(10b)는 이완하도록 구성될 수 있다. 즉, 제어부는 제 1 옷감형 유연구동기(10a)의 열반응 부재에는 전원이 공급되도록 전기공급부를 제어하고, 및/또는 제 2 옷감형 유연구동기(10b)의 열반응 부재에는 전원 공급이 차단되고 동시에 제 2 옷감형 유연구동기(10b)의 냉각공기 공급부에는 전원이 공급되도록 전기공급부를 제어할 수 있다.

한편, 옷감형 유연구동기 조립체(10)는 근력 보조를 위한 구동력을 발생시키는 기능을 하며 이를 위하여 다양한 구성으로 구체화될 수 있다. 이러한 다양한 형태의 유동구동기 조립체는 본 발명에 의한 웨어러블 모션측정장치 및 이를 이용한 의도인식방법과 결합 내지 연동될 수 있다. 이하, 이해를 돕기 위하여 유연구동기 조립체의 하나의 예시만을 설명한다.

본 명세서에 기재된 실시예는 전류를 이용한 주울 가열(Joule heating)을 통해 유연구동기가 수축되도록 하는 열반응 부재의 경우에 한정한다.

도 1 및 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같은 유연구동기 조립체(10)는, 온도 변화에 따라 수축 상태와 이완 상태 사이에서 변경 가능하도록 구성된 한 쌍의 제 1 유연구동기(10a)와 제 2 유연구동기(10b)와, 상기 제 1 유연구동기와 상기 제 2 유연구동기의 수축 상태와 이완 상태 사이에서의 작동 변경을 위한 전원 공급을 제어하도록 구성된 제어부(300)를 포함한다.

도 3에 도시된 유연구동기(10) 단위체 예시는, 본체 내부에 배치된 열반응 부재(100)가 제어부(300)에 의하여 수축 및 팽창됨에 의하여 구동기 자체도 수축 및 팽창되도록 구성된다.

열반응 부재(100)는 일 방향을 따라 연장되며, 온도 변화에 따라 연장된 길이방향을 따라 수축 또는 이완 가능하도록 구성될 수 있다. 예시적으로, 열반응 부재는 전기가 공급되면 발생하는 열에 반응하여 일 방향을 따라 수축될 수 있다. 또한, 전기 공급이 중단되어 온도가 감소되면, 일 방향의 반대 방향으로 이완될 수 있다.

열반응 부재(100)는 열에 반응하는 형상기억합금 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 열반응 부재(100)는 형상기억합금 와이어 또는 형상기억합금 스프링으로 이루어질 수 있다. 또는, 열반응 부재(100)는 형상기억합금 소재뿐만 아니라, 열에 의하여 반응하는 다양한 열반응 물질, 예를 들면, 형상기억수지(shape memory resin), 형상기억고분자(shape memory polymer, SMP), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리아미드(polyamide), 나일론(nylon) 등으로 이루어질 수 있다.

열반응 부재(100)는 복수의 다발로 구성될 수 있으며, 이 때 복수의 열반응 부재는 평행하게 배치될 수 있다.

예시적으로, 복수의 열반응 부재의 일 측의 일부(110a), 일 측의 또 다른 일부(110b), 타 측의 일부(120a), 타 측의 또 다른 일부(120b)는 서로 연결될 수 있다. 또한, 타 측의 일부 및 또 다른 일부(120a, 120b)는 서로 연결될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 열반응 부재의 일 측의 일부(110a), 타 측의 일부 및 또 다른 일부(120a, 120b), 일 측의 또 다른 일부(110b) 순서로 또는 그 반대 순서로 전류가 흐를 수 있다.

이러한 열반응 부재(100)는 본체(400) 내에 수용될 수 있다. 본체(400)는 열반응 부재(100)를 전체적으로 감싸는 형태로 이루어질 수 있다.

본체(400)의 일 측 또는 타 측에는 제 1 및 제 2 고정부(510, 520)가 배치될 수 있다. 앞서 설명한 열반응 부재의 일 측은 제 1 고정부(510)에 고정되고, 열반응 부재의 타 측은 제 2 고정부(520)에 고정될 수 있다.

한편, 제 1 및 제 2 고정부(510, 520)는 홀을 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 유연 구동기는 이러한 홀을 이용하여 다른 부재와 연결되어 사용될 수 있다.

본체(400)는 다양한 소재로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는, 열반응 부재의 수축 또는 이완 시 함께 수축 또는 이완 가능한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본체는 유연한 소재, 보다 바람직하게는 패브릭 소재로 이루어질 수 있다.

열반응 부재들 각각이 서로 절연되도록 하기 위해서 본체에는 스티치부(430)가 형성될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면 열반응 부재들 각각이 서로 접하는 것이 방지될 수 있다.

도 4는 도 3에 따른 옷감형 유연구동기 단위체의 수축 또는 이완 동작을 나타내기 위한 도면이다.

도 4의 (a)는 옷감형 유연구동기(10)의 초기 이완상태로서, 유연구동기(10)의 전원을 off 하고 구동기 내부로의 냉각공기 투입이 없는 상태를 나타낸다.

다음, 도 4의 (b)는 옷감형 유연구동기(10)가 이완상태에서 수축상태로 변형된 것으로서, 유연구동기(10)의 전원을 on 하고 냉각공기 투입이 없는 상태를 나타낸다. 열반응 부재에 전류가 흘러 수축되면 본체(패브릭)는 열반응 부재를 따라 함께 수축될 수 있다.

다음, 도 4의 (c)는 옷감형 유연구동기(10)가 수축상태에 이완상태로 변형된 것으로서, 유연구동기(10)의 전원을 off 하고 냉각공기 공급부(200)에 의한 냉각공기 투입을 시작한 상태를 나타낸다.

마지막으로, 도 3의 (d)는 옷감형 유연구동기(10)가 냉각공기 공급부(200)의 냉각공기에 의하여 열반응 부재(100)의 냉각속도가 향상되어 최종적으로 빠른 시간에 초기 이완상태에 복귀한 상태를 나타낸다.

의도인식부 : 웨어러블 모션 측정장치와 이를 이용한 모션의도 인식방법

앞서 언급한 바와 같이, 본 발명에서는 가령 웨어러블 로봇의 의도 인식부(320a)에 대응하는 웨어러블 모션측정장치(320a)를 특징으로 하고 있으며, 이를 이용하여 근전도센서 등과 같은 종래기술에 비해 구성상 간단하고 비용상 효율적인 의도인식방법을 제공한다.

본 발명은, 사람의 움직이려는 의도는 근육의 굵기 변화, 관절 각도의 변화를 통해 나타나며, 팔, 다리, 허리 등을 굽혔다 펴거나, 물건을 들고자 하는 사람의 의도를 근육의 직경변화, 관절 각도의 변화 등을 이용하여 측정 및 판단한다는 것을 기본적인 기술사상으로 한다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 모션측정장치(320a)는, 착용자가 가령 무거운 물건을 들고자 하는 경우 이를 센서를 통하여 그러한 착용자 의도를 인지하도록 구성된다. 여기서 센서는 제 1 모션에서 제 2 모션으로 움직임이 인덕턴스(inductance)의 변화를 야기하도록 구성되며, 이러한 센서에서의 인덕턴스 변화 감지에 의하여 착용자의 움직임 의도를 판단하도록 구성되어야 한다.

센서(322)는 선형 변위를 측정하도록 구성되며, 선형 변위는 가령 전도성 소재의 스프링(322)에 의하여 측정될 수 있다. 즉, 이러한 센서(322)는 전도성 소재로 만들어지는 스프링(322)이 길이방향으로의 변형에 대해 인덕턴스가 변화하는 원리를 이용한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 구체적으로 스프링(322)의 인덕턴스(L)은 스프링 길이(l)의 함수 L(l)이며 다음과 같이 나타낼 수 있다. 도 5는 본 발명에 의한 웨어러블 변위측정장치의 일 실시예로서 스프링 센서를 이용한 인덕턴스 측정장치의 개략도를 나타낸다.

[수학식 1] L = (N² × d²) / (18d + 40l)

여기서, N은 스프링의 회전수, l은 스프링의 길이, r 및 d는 각각 스프링의 반경과 직경을 나타낸다.

위 수학식으로부터 스프링의 길이가 길어질수록 인덕턴스가 감소함을 알 수 있으며, 이는 도 6에서 확인되는 바와 같다. 도 6은 도 5의 인덕턴스 측정장치에 있어서 인덕턴스와 스프링 길이의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 실시예에서와 같이 전도성 소재로 만들어진 스프링이 변형에 대해 인덕턴스가 변화하는 원리를 이용한 센서는 종래의 고사양 센서에 비해 가격이 저렴하여 선형변위 측정에 많은 활용이 가능한 장점이 있다.

도 7은 일 실시예에 의한 스프링 변위센서를 활용하여 구현한 웨어러블 모션측정장치의 일 실시예를 나타낸다.

도 7에 도시된 웨어러블 모션측정장치(320b)는 의복(321) 내에 스프링 센서(322)를 삽입하여 구현된다. 스프링(322)을 신축성 있는 의복 내에 삽입하여 근육이나 관절의 변화가 스프링(322)의 길이에 반영되도록 하여 근육의 굵기변화나 관절의 각도변화를 측정하도록 구성된다.

신축성 있는 의복(321)은 팔토시, 팔목보호대, 다리 보호대 등의 신체 일부에 착용하는 의복의 형태 또는 내복, 레깅스, 타이즈 형태의 전신 옷 형태일 수 있다.

스프링(322)은 신체의 움직임에 의해 근육의 길이 및 굵기, 관절의 각도변화가 발생하는 곳에 쉽게 부착 가능하다.

즉, 스프링 센서는 착용자의 제 1 모션에서 제 2 모션으로의 움직임 의도에 의해 야기된 근육의 형상 변화를 측정하도록 구성된다. 근육의 형상 변화는 근육의 길이 또는 근육의 굵기에 있어서의 변화를 야기한다. 이러한 스프링(322)은 근육의 길이 또는 굵기가 변화하는 방향으로 배치되며, 가령, 도 7에 도시된 바와 같이 근육의 굵기의 변화를 측정하도록 근육에 직교하는 방향으로 의복(321) 내에서 배치된다.

또한, 스프링 센서는 착용자의 제 1 모션에서 제 2 모션으로의 변형에 의해 야기된 관절의 각도 변화를 측정하도록 구성된다. 가령 도 7에 도시된 바와 같이, 스프링(322)은 팔꿈치 관절의 회전축에 직교하는 방향으로 의복(321) 내에서 배치된다.

도 8은 도 7의 웨어러블 모션측정장치(320b)의 실제 착용예를 나타내며, 도 9는 도 8에 있어서의 실험결과로서, 팔목 보호대에 스프링 센서를 이두박근 수축방향에 직각으로 배치하여 이두박근의 굵기변화를 측정한 경우이다. 도 9의 (a)는 팔을 단순히 굽혔다 폈을 때 근육의 굵기변화를 측정한 결과이며, (b)는 팔의 움직임없이 부하를 버티기 위해 근육에 힘이 들어갈 때의 근육의 굵기변화를 측정한 결과를 나타낸다.

이상과 같이, 스프링 센서를 이용한 신축성 있는 신체 일부에 착용하는 의복 또는 내복, 레깅스, 타이즈 형태의 전신 옷 형태의 웨어러블 모션 측정장치를 이용하여, 운동이나 작업의 강도 및 횟수에 따라 근육 길이, 굵기의 변화, 관절운동범위의 변화 등을 모니터링함으로써 운동효과 및 피로도 예측이 가능하다.

한편, 앞서 설명한 웨어러블 모션측정장치는 웨어러블 로봇과 결합 내지 연동하여 사용될 수 있다. 이러한 웨어러블 로봇의 제어방법은, 앞서 기재된 착용자 의도인식방법을 사용하여, 상기 웨어러블 로봇의 착용자의 움직임 의도를 인식하는 단계, 상기 착용자의 움직임 의도의 인식 판단 결과에 기초하여 구동부의 작용을 위한 구동제어신호를 생성하는 단계, 및 상기 생성된 구동제어신호에 기초하여 근력 보조를 위한 구동력을 발생시키는 단계를 포함한다.

웨어러블 모션측정장치를 웨어러블 로봇과 결합하여 착용자가 걷거나, 물건을 드는 등의 동작을 할 때 근육의 길이, 굵기 또는 관절의 각도변화를 측정하고 이를 바탕으로 착용자의 의도를 파악할 수 있다. 이 정보를 이용하여 웨어러블 로봇의 제어가 가능하다.

이상에서 설명된 장치 및 이에 대한 제어는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성도 가능하다.

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 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소, 물리적 장치, 가상 장치, 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화될 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.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

10 유연구동기
300 제어부
310 전기공급부 320 감지부
320b 의도 인식부/웨어러블 모션측정장치
321 의복 322, 323 스프링(센서)
330 전원부

Claims

웨어러블 모션측정장치로서,
의복; 및
상기 의복을 착용한 착용자의 움직임에 의한 근육 또는 관절의 변형이 인덕턴스의 변화를 야기하도록 구성된 센서를 포함하고,
상기 센서에서의 인덕턴스 변화 감지에 의하여 착용자의 움직임 의도를 판단하도록 구성된,
웨어러블 모션측정장치.
제 1 항에 있어서,
상기 센서는 근육 또는 관절의 변형에 따른 선형 변위를 측정하도록 구성된,
웨어러블 모션측정장치.
제 2 항에 있어서,
상기 선형 변위는 전도성 소재의 스프링에 의하여 측정되는,
웨어러블 모션측정장치.
제 3 항에 있어서,
상기 센서는 착용자의 제 1 모션에서 제 2 모션으로의 움직임 의도에 의해 야기된 근육의 형상 변화를 측정하도록 구성된,
웨어러블 모션측정장치.
제 4 항에 있어서,
상기 근육의 형상 변화는 근육의 길이 또는 근육의 굵기에 있어서의 변화인,
웨어러블 모션측정장치.
제 5 항에 있어서,
상기 스프링은 상기 근육의 길이 또는 굵기가 변화하는 방향으로 배치되는,
웨어러블 모션측정장치.
제 6 항에 있어서,
상기 스프링은 상기 근육의 굵기의 변화를 측정하도록 상기 근육에 직교하는 방향으로 배치되는,
웨어러블 모션측정장치.
제 3 항에 있어서,
상기 센서는 착용자의 제 1 모션에서 제 2 모션으로의 변형에 의해 야기된 관절의 각도 변화를 측정하도록 구성된,
웨어러블 모션측정장치.
제 8 항에 있어서,
상기 스프링은 상기 관절의 회전축에 직교하는 방향으로 배치되는,
웨어러블 모션측정장치.
제 5 항에 있어서,
상기 웨어러블 모션측정장치는 신체 일부에 착용하는 형태의 의복 또는 전신 옷 형태의 의복인,
웨어러블 모션측정장치.
웨어러블 모션인지방법로서,
착용자의 제 1 모션에서 제 2 모션으로의 움직임이 센서의 선형 변위를 야기하는 단계;
상기 선형 변위에 따른 인덕턴스의 변화를 측정하는 단계; 및
상기 인덕턴스의 변화에 기초하여 착용자의 움직임 의도 여부를 판단하는 단계
를 포함하는,
웨어러블 모션인지방법.
제 11 항에 있어서,
상기 센서의 선형 변위는 전도성 소재의 스프링에 의하여 발생되는,
웨어러블 모션인지방법.
제 12 항에 있어서,
상기 센서의 선형 변위는 착용자의 움직임 의도에 의해 야기된 근육의 형상 변화에 기초하는,
웨어러블 모션인지방법.
제 13 항에 있어서,
상기 근육의 형상 변화는 근육의 길이 또는 근육의 굵기에 있어서의 변화인,
웨어러블 모션인지방법.
제 14 항에 있어서,
상기 스프링은 상기 근육의 길이 또는 굵기가 변화하는 방향으로 배치되는,
웨어러블 모션인지방법.
제 15 항에 있어서,
상기 스프링은 상기 근육의 굵기의 변화를 측정하도록 상기 근육에 직교하는 방향으로 배치되는,
웨어러블 모션인지방법.
제 12 항에 있어서,
상기 센서의 선형 변위는 착용자의 움직임 의도에 의해 야기된 관절의 각도 변화에 기초하는,
웨어러블 모션인지방법.
제 17 항에 있어서,
상기 스프링은 상기 관절의 회전축에 직교하는 방향으로 배치되는,
웨어러블 모션인지방법.
웨어러블 로봇으로서,
의복;
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서의 모션측정장치를 사용하여 상기 의복의 착용자의 움직임 의도를 판단하도록 구성된 의도인식부;
상기 의도인식부로부터의 신호에 의해 구동부로의 구동제어신호를 생성하도록 제어부; 및
상기 제어부로부터의 구동제어신호에 의해 근력 보조를 위한 구동력을 발생시키도록 구성된 구동부
를 포함하는,
웨어러블 로봇.
웨어러블 로봇의 제어방법으로서,
제 11 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서의 모션인지방법을 사용하여, 상기 웨어러블 로봇의 착용자의 움직임 의도를 인식하는 단계;
상기 착용자의 움직임 의도의 인식 판단 결과에 기초하여 구동부의 작용을 위한 구동제어신호를 생성하는 단계; 및
상기 생성된 구동제어신호에 기초하여 근력 보조를 위한 구동력을 발생시키는 단계
를 포함하는,
웨어러블 로봇의 제어방법.