KR20220165180A

KR20220165180A - 사용자에게 힘을 제공하기 위한 토크를 출력하는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20220165180A
Application number: KR1020220032678A
Authority: KR
Inventors: 임복만; 서기홍; 이주석
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2021-06-07
Filing date: 2022-03-16
Publication date: 2022-12-14

Abstract

사용자에게 힘을 제공하기 위한 토크를 출력하는 방법 및 장치가 제공된다. 토크를 출력하기 위해 사용자의 제1 다리의 제1 관절의 제1 각도 및 제2 다리의 제2 관절의 제2 각도를 획득하고, 제1 각도 및 제1 관절에 대해 설정되는 오프셋 각도에 기초하여 제1 조정 각도를 계산하고, 제1 조정 각도 및 제2 각도에 기초하여 제1 각도 및 제2 각도와 관련된 제1 상태 인자를 결정하고, 파라미터의 제1 값을 결정하고, 제1 상태 인자 및 파라미터의 제1 값에 기초하여 제1 토크 값을 결정하고, 제1 토크 값이 출력되도록 웨어러블 장치의 모터 드라이버를 제어할 수 있다.

Description

사용자에게 힘을 제공하기 위한 토크를 출력하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR OUTPUTTING TORUE TO PROVIDE FORCE TO A USER}

아래의 실시예들은 사용자에게 힘을 제공하기 위한 토크를 출력하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨어러블 장치를 착용한 사용자에게 보조력 또는 저항력을 제공하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

고령화 사회로 진입하면서 노화로 인한 근력 약화 또는 관절 이상으로 보행에 불편과 고통을 호소하는 사람들이 증가하고 있고, 근력이 약화된 노인이나 근관절이 불편한 환자들이 보행을 원활하게 할 수 있는 보행 보조 장치에 대한 관심이 높아지고 있다.

일 실시 예에 따른, 웨어러블 장치에 의해 수행되는, 토크 출력 방법은, 사용자의 제1 다리의 제1 관절의 제1 각도 및 제2 다리의 제2 관절의 제2 각도를 획득하는 동작, 상기 제1 각도 및 상기 제1 관절에 대해 설정되는 오프셋 각도(offset angle)에 기초하여 제1 조정 각도를 계산하는 동작, 상기 제1 조정 각도 및 상기 제2 각도에 기초하여 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도와 관련된 제1 상태 인자를 결정하는 동작, 파라미터의 제1 값을 결정하는 동작 - 상기 파라미터는 출력될 토크의 크기, 방향 및 타이밍 중 적어도 하나를 조절하기 위한 파라미터임 -, 상기 제1 상태 인자 및 상기 파라미터의 상기 제1 값에 기초하여 제1 토크 값을 결정하는 동작, 및 상기 제1 토크 값이 출력되도록 상기 웨어러블 장치의 모터 드라이버를 제어하는 동작을 포함하고, 상기 설정되는 오프셋 각도가 달라지는 경우 상기 결정되는 파라미터의 제1 값이 달라질 수 있다.

상기 오프셋 각도는 상기 사용자에게 의해 설정된 각도일 수 있다.

상기 토크 출력 방법은, 상기 제1 관절의 각도에 대한 제1 각도 궤적 및 상기 제2 관절의 각도에 대한 제2 각도 궤적에 기초하여 상기 오프셋 각도를 결정하는 동작을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 관절의 각도에 대한 제1 각도 궤적 및 상기 제2 관절의 각도에 대한 제2 각도 궤적에 기초하여 상기 오프셋 각도를 결정하는 동작은, 상기 제1 각도 궤적 및 상기 제2 각도 궤적에 기초하여 타겟 비대칭 정도를 결정하는 동작, 및 상기 타겟 비대칭 정도에 대응하는 상기 오프셋 각도를 결정하는 동작을 포함할 수 있다.

상기 제1 상태 인자는 상기 제1 다리 및 상기 제2 다리 사이의 거리와 관련될 수 있다.

상기 제1 조정 각도 및 상기 제2 각도에 기초하여 제1 상태 인자를 결정하는 동작은, 상기 제1 조정 각도 및 상기 제2 각도에 기초하여 초기 상태 인자를 결정하는 동작, 및 이전 상태 인자 및 상기 초기 상태 인자에 기초하여 상기 제1 상태 인자를 결정하는 동작을 포함할 수 있다.

상기 오프셋 각도가 증가할수록 상기 제1 관절의 플렉시온 구간이 증가할 수 있다.

상기 오프셋 각도가 증가할수록 상기 제2 관절의 플렉시온 구간이 감소될 수 있다.

상기 파라미터는 상기 제1 상태 인자와 연관되는 게인 및 딜레이 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 게인의 제1 값 및 상기 딜레이의 제1 값은 상기 웨어러블 장치의 하나 이상의 동작 모드들 중 타겟 동작 모드에 따라 다르게 설정될 수 있다.

상기 하나 이상의 동작 모드들은, 상기 제1 관절이 움직이는 방향과 동일한 방향으로 상기 제1 토크 값을 출력하는 보조 모드, 및 상기 제1 관절이 움직이는 방향과 반대 방향으로 상기 제1 토크 값을 출력하는 보조 모드를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따른, 사용자에게 힘(force)을 제공하는 웨어러블 장치는, 웨어러블 장치를 제어하는 프로세서, 상기 사용자의 관절의 각도를 측정하는 적어도 하나의 센서, 상기 프로세서에 의해 제어되는 모터 드라이버 회로, 및 상기 모터 드라이버 회로와 전기적으로 연결된 모터를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 센서를 이용하여 사용자의 제1 다리의 제1 관절의 제1 각도 및 제2 다리의 제2 관절의 제2 각도를 획득하고, 상기 제1 각도 및 상기 제1 관절에 대해 설정되는 오프셋 각도(offset angle)에 기초하여 제1 조정 각도를 계산하고, 상기 제1 조정 각도 및 상기 제2 각도에 기초하여 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도와 관련된 제1 상태 인자를 결정하고, 파라미터의 제1 값을 결정하고 - 상기 파라미터는 출력될 토크의 크기, 방향 및 타이밍 중 적어도 하나를 조절하기 위한 파라미터임 -, 상기 제1 상태 인자 및 상기 파라미터의 상기 제1 값에 기초하여 제1 토크 값을 결정하고, 상기 제1 토크 값이 출력되도록 상기 웨어러블 장치의 모터 드라이버를 제어하고, 상기 설정되는 오프셋 각도가 달라지는 경우 상기 결정되는 파라미터의 제1 값이 달라지고, 상기 출력된 제1 토크 값에 의해 상기 사용자에게 힘이 제공될 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 제1 관절의 각도에 대한 제1 각도 궤적 및 상기 제2 관절의 각도에 대한 제2 각도 궤적에 기초하여 상기 오프셋 각도를 결정할 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 제1 각도 궤적 및 상기 제2 각도 궤적에 기초하여 타겟 비대칭 정도를 결정하고, 상기 타겟 비대칭 정도에 대응하는 상기 오프셋 각도를 결정할 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 제1 조정 각도 및 상기 제2 각도에 기초하여 초기 상태 인자를 계산하고, 이전 상태 인자 및 상기 초기 상태 인자에 기초하여 상기 제1 상태 인자를 결정할 수 있다.

상기 파라미터는 상기 제1 상태 인자에 대한 게인 및 딜레이 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

도 1은 일 실시 예에 따른 웨어러블 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 예에 따른 전자 장치와 통신하는 웨어러블 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 4는 일 예에 따른 웨어러블 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 토크를 출력하는 방법의 흐름도이다.
도 6은 일 예에 따른 대칭 보행을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 예에 따른 비대칭 정도에 기초하여 오프셋 각도를 결정하는 방법의 흐름도이다.
도 8은 일 예에 따른 비대칭 보행을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 예에 따른 대칭으로 보행하는 사용자에 대해 서로 다른 오프셋 각도들을 적용한 경우 출력되는 토크 값의 궤적들을 도시한다.
도 10은 일 예에 따른 비대칭으로 보행하는 사용자의 힙 관절 각도의 궤적을 도시한다.
도 11은 일 예에 따른 대칭으로 보행하는 사용자에 대해 오프셋 각도를 적용한 경우 출력되는 토크 값의 궤적을 도시한다.
도 12는 일 예에 따른 웨어러블 장치의 동작 모드에 기초하여 제1 파라미터를 결정하는 방법의 흐름도이다.
도 13은 일 예에 따른 저항 모드에서 출력되는 토크 값의 궤적을 도시한다.

이하, 본 기재의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 기재를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 기재의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 일 실시 예에 따른 웨어러블 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 웨어러블 장치(100)는 사용자에게 장착되어 사용자의 보행(gait)을 보조한다. 예를 들어, 웨어러블 장치(100)는 사용자의 보행을 보조하는 장치일 수 있다. 또한, 웨어러블 장치(100)는 사용자의 보행을 보조할 뿐만 아니라, 사용자에게 저항력을 제공함으로써 운동 기능을 제공하는 운동 장치일 수 있다. 예를 들어, 사용자에게 제공되는 저항력은 모터와 같은 장치에 의해 출력되는 힘과 같이 사용자에게 능동적으로 가해지는 힘일 수도 있고, 다른 예로, 저항력은 사용자에게 능동적으로 가해지는 힘은 아니나 마찰력과 같이 사용자의 움직임을 방해하는 힘일 수 있다. 다른 말로, 저항력은 운동 부하로 표현될 수 있다.

도 1은 힙 타입의 웨어러블 장치(100)를 도시하고 있으나, 웨어러블 장치의 타입은 힙 타입에 제한되는 것은 아니며, 웨어러블 장치는 하지 전체를 지원하는 형태 또는 하지 일부를 지원하는 타입일 수 있다. 그리고, 웨어러블 장치는 하지 일부를 지원하는 형태, 무릎까지 지원하는 형태, 발목까지 지원하는 형태 및 전신을 지원하는 형태 중 어느 하나일 수 있다.

도 1을 참조하여 설명되는 실시예들은 힙 타입에 대해 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아니며 다양한 타입들의 웨어러블 장치에 대해서 모두 적용될 수 있다.

일 측면에 따르면, 웨어러블 장치(100)는 구동부(110), 센서부(120), IMU(Inertial Measurement Unit)(130), 제어부(140), 배터리(150) 및 통신 모듈(152)을 포함한다. 예를 들어, IMU(130) 및 제어부(140)는 웨어러블 장치(100)의 메인 프레임 내에 배치될 수 있다. 다른 예로, IMU(130) 및 제어부(140)는 웨어러블 장치(100)의 메인 프레임의 외부에 형성(또는, 부착)되는 하우징(미도시)에 포함될 수 있다.

구동부(110)는 모터(114) 및 모터(114)를 구동시키기 위한 모터 드라이버 회로(112)를 포함할 수 있다. 센서부(120)는 적어도 하나의 센서(121)를 포함할 수 있다. 제어부(140)는 프로세서(142), 메모리(144) 및 입력 인터페이스(146)를 포함할 수 있다. 도 1c에는 하나의 센서(121), 하나의 모터 드라이버 회로(112), 및 하나의 모터(114)가 도시되어 있으나 이는 예시적인 사항일 뿐, 도 1d에 도시된 예와 같이 다른 일례의 웨어러블 장치(100-1)는 복수의 센서들(121 및 121-1), 복수의 모터 드라이버 회로들(112 및 112-1), 및 복수의 모터들(114 및 114-1)을 포함할 수 있다. 또한, 구현에 따라 웨어러블 장치(100)는 복수의 프로세서들을 포함할 수 있다. 모터 드라이버 회로 개수, 모터 개수, 또는 프로세서 개수는 웨어러블 장치(100)가 착용되는 신체 부위에 따라 달라질 수 있다.

후술할 센서(121), 모터 드라이버 회로(112), 및 모터(114)에 대한 설명은 도 1d에 도시된 센서(121-1), 모터 드라이버 회로(112-1), 및 모터(114-1)에 대해서도 적용될 수 있다.

구동부(110)는 사용자의 힙 관절(hip joint)을 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 구동부(110)는 사용자의 오른쪽 힙 및/또는 왼쪽 힙 부분에 위치할 수 있다. 구동부(110)는 사용자의 무릎 부분 및 발목 부분에 추가적으로 위치할 수 있다. 구동부(110)는 회전 토크를 발생시킬 수 있는 모터(114) 및 모터(114)를 구동시키기 위한 모터 드라이버 회로(112)를 포함한다.

센서부(120)는 보행 시 사용자의 힙 관절의 각도를 측정할 수 있다. 센서부(120)에서 센싱되는 힙 관절의 각도에 대한 정보는 오른쪽 힙 관절의 각도, 왼쪽 힙 관절의 각도, 양쪽 힙 관절 각도들 간의 차이 및 힙 관절 운동 방향을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서(121)는 구동부(110) 내에 위치할 수 있다. 센서(121)의 위치에 따라 센서부(120)는 사용자의 무릎 각도 및 발목 각도를 추가적으로 측정할 수 있다. 센서(121)는 엔코더(encoder)일 수 있다. 센서부(120)에 의해 측정된 관절의 각도에 정보는 제어부(140)로 전송될 수 있다.

일 측면에 따르면, 센서부(120)는 포텐셔미터를 포함할 수 있다. 포텐셔미터는 사용자의 보행 동작에 따른 R축 관절 각도, L축 관절 각도, R축 관절 각속도, 및 L축 관절 각속도를 센싱할 수 있다. R/L축은 사용자의 오른쪽/왼쪽 다리에 대한 기준 축일 수 있다. 예를 들어, R/L축은 지면에 수직이 되도록 설정되고, 사람의 몸통의 앞면 쪽이 음수 값을 갖고, 몸통의 뒷면 쪽이 양수 값을 갖도록 설정될 수 있다.

IMU(130)는 보행 시 가속도 정보와 자세 정보를 측정할 수 있다. 예를 들어, IMU(130)는 사용자의 보행 동작에 따른 X축, Y축, Z축 가속도 및 X축, Y축, Z축 각속도를 센싱할 수 있다. IMU(130)에 의해 측정된 가속도 정보와 자세 정보는 제어부(140)로 전송될 수 있다.

웨어러블 장치(100)는 IMU(130)에서 측정된 가속도 정보에 기반하여 사용자의 발이 착지하는 지점을 검출할 수 있다.

압력 센서(도시되지 않음)는 사용자의 발바닥에 위치하여 사용자의 발의 착지 시점을 검출할 수 있다.

웨어러블 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 웨어러블 장치(100)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 센서부(120) 및 IMU(130) 각각이 센싱된 정보를 수신할 수 있다. IMU(130)에 의해 센싱된 정보는 가속도 정보 및 자세 정보를 포함하고, 센서부(120)에 의해 센싱된 정보는 오른쪽 고관절의 각도, 왼쪽 고관절의 각도, 양쪽 고관절 각도들 간의 차이 및 고관절 운동 방향을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 제어부(140)가 오른쪽 고관절의 각도 및 왼쪽 고관절의 각도에 기초하여 양쪽 고관절 각도들 간의 차이를 계산할 수도 있다. 제어부(140)는 센싱된 정보에 기초하여 구동부(110)를 제어하기 위한 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 생성된 신호는 사용자의 보행을 보조하기 위한 보조력일 수 있다. 다른 예로, 생성된 신호는 사용자의 보행을 방해하기 위한 저항력일 수 있다. 저항력은 사용자의 운동을 위해 제공될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 제어부(140)의 프로세서(142)는 사용자에게 저항력을 제공하기 위해 구동부(110)를 제어할 수 있다.

일 측면에 따르면, 구동부(110)는 모터(114)를 통해 사용자에게 능동적인 힘을 가함으로써 사용자에게 저항력을 제공할 수 있다. 다른 예로, 구동부(110)는 사용자에게 능동적인 힘을 가하지 않고, 모터(114)의 역 구동성(back-drivability)을 이용하여 사용자에게 저항력을 제공할 수 있다. 모터의 역 구동성이란, 외부의 힘에 대한 모터의 회전 축의 반응성을 의미할 수 있고, 모터의 역 구동성이 높을수록 모터의 회전 축에 작용하는 외부의 힘에 대해 쉽게 반응할 수 있다(즉, 모터의 회전 축이 쉽게 회전한다). 예를 들어, 모터의 회전 축에 동일한 외부의 힘이 가해지더라도, 역 구동성의 정도에 따라 모터의 회전 축이 회전하는 정도가 달라진다.

다른 일 측면에 따르면, 구동부(110)는 사용자의 움직임에게 방해되는 방향으로 토크를 출력함으로써 사용자에게 저항력을 제공할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 제어부(140)의 프로세서(142)는 구동부(110)가 사용자의 보행을 돕기 위한 토크(또는 보조 토크)를 출력하도록, 구동부(110)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 힙 타입의 웨어러블 장치(100)에서, 구동부(110)는 왼쪽 힙 부분 및 오른쪽 힙 부분에 각각 배치되도록 구성될 수 있고, 제어부(140)는 토크가 발생되도록 구동부(110)를 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있다.

구동부(110)는 제어부(140)가 출력한 제어 신호에 기반하여, 토크를 발생시킬 수 있다. 토크를 발생시키기 위한 토크 값은 외부에 의해 설정될 수도 있고, 제어부(140)에 의해 설정될 수도 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 토크 값의 크기를 나타내기 위해, 구동부(110)로 전송하는 신호에 대한 전류의 크기를 이용할 수 있다. 즉, 구동부(110)가 수신하는 전류의 크기가 클수록, 토크 값이 클 수 있다. 다른 예로, 제어부(140)의 프로세서(142)는 제어 신호를 구동부(110)의 모터 드라이버 회로(112)로 전송하고, 모터 드라이버 회로(112)는 제어 신호에 대응하는 전류를 생성함으로써 모터(114)를 제어할 수 있다.

배터리(150)는 웨어러블 장치(100)의 구성 요소에 전력을 공급한다. 웨어러블 장치(100)는 배터리(150)의 전력을 웨어러블 장치(100)의 구성 요소의 동작 전압에 맞게 변환하여 웨어러블 장치(100)의 구성 요소에 제공하는 회로(예를 들어, PMIC(Power Management Integrated Circuit))를 더 포함할 수 있다. 또한, 웨어러블 장치(100)의 동작 모드에 따라 배터리(150)는 모터(114)에 전력을 공급하거나 공급하지 않을 수 있다.

통신 모듈(152)은 웨어러블 장치(100)와 외부 전자 장치 간의 직접(예: 유선) 통신 채널 또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(152)은 직접(예: 유선) 통신 또는 무선 통신을 지원하는 하나 이상의 커뮤니케이션 프로세서를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 통신 모듈(152)은 무선 통신 모듈(예: 셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, 또는 GNSS(global navigation satellite system) 통신 모듈) 또는 유선 통신 모듈(예: LAN(local area network) 통신 모듈, 또는 전력선 통신 모듈)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제1 네트워크(예: 블루투스, WiFi(wireless fidelity) direct 또는 IrDA(infrared data association)와 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(예: 레거시 셀룰러 네트워크, 5G 네트워크, 차세대 통신 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크를 통하여 외부의 전자 장치와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성요소(예: 단일 칩)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성요소들(예: 복수 칩들)로 구현될 수 있다.

도 2는 일 예에 따른 전자 장치와 통신하는 웨어러블 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시된 예에서, 웨어러블 장치(100)는 전자 장치(200)와 통신할 수 있다. 전자 장치(200)는 스마트폰, 태블릿, 스마트 워치, 글래스 등을 포함할 수 있고, 기재된 실시예로 한정되지 않는다. 예를 들어, 전자 장치(200)는 웨어러블 장치(100)의 사용자의 전자 장치일 수 있다. 다른 예로, 전자 장치(200)는 웨어러블 장치(100)를 착용한 사용자를 지도하는 트레이너의 전자 장치일 수 있다.

구현에 따라, 웨어러블 장치(100)와 전자 장치(200)는 근거리 무선 통신 방식 또는 셀룰러 이동 통신 방식을 통해 서버(미도시)를 경유하여 통신할 수 있다.

전자 장치(200)는 디스플레이(200-1)에 웨어러블 장치(100)의 동작을 제어하기 위한 UI(user interface)를 표시할 수 있다. 예를 들어, UI는 사용자가 웨어러블 장치(100)를 제어할 수 있는 적어도 하나의 소프트키를 포함할 수 있다.

사용자는 전자 장치(200)의 디스플레이(200-1) 상의 UI를 통해 웨어러블 장치(100)의 동작을 제어하기 위한 명령을 입력할 수 있고, 전자 장치(200)는 명령에 대응하는 제어 명령을 생성하고, 생성된 제어 명령을 웨어러블 장치(100)로 전송할 수 있다. 웨어러블 장치(100)는 수신된 제어 명령에 따라 동작할 수 있고, 제어 결과를 전자 장치(200)로 전송할 수 있다. 전자 장치(200)는 제어 완료 메시지를 전자 장치(200)의 디스플레이(200-1)에 표시할 수 있다.

도 3 내지 도 4는 일 예에 따른 웨어러블 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 3 및 도 4에 도시된 예에서, 도 1의 웨어러블 장치(100)의 구동부들(110-1 및 110-2)은 사용자의 힙 관절 부근에 위치할 수 있고, 웨어러블 장치(100)의 제어부(140)는 허리 부근에 위치할 수 있다. 구동부들(110-1 및 110-2) 및 제어부(140)의 위치는 도 3 및 도 4에 도시된 예로 제한되지 않는다.

웨어러블 장치(100)는 사용자의 왼쪽 힙 관절 각도 q_l과 오른쪽 힙 관절 각도 q_r을 측정(또는, 센싱)한다. 일례로, 웨어러블 장치(100)는 왼쪽 엔코더를 통해 사용자의 왼쪽 힙 관절 각도 q_l을 측정할 수 있고, 오른쪽 엔코더를 통해 사용자의 오른쪽 힙 관절 각도 q_r을 측정할 수 있다. 도 4에 도시된 예에서, 왼쪽 다리는 기준선(420)보다 앞서므로 왼쪽 힙관절 각도 q_l은 음수(negative number)일 수 있고, 오른쪽 다리는 기준선(420)보다 뒤에 있으므로 오른쪽 고관절 각도 q_r은 양수(positive number)일 수 있다. 구현에 따라, 오른쪽 다리가 기준선(420)보다 앞설 때 오른쪽 힙관절 각도 q_r이 음수일 수 있고 왼쪽 다리가 기준선(420)보다 뒤에 있을 때 왼쪽 고관절 각도 q_l이 양수일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 웨어러블 장치(100)는 왼쪽 힙 관절 각도 q_l, 오른쪽 힙 관절 각도 q_r, 게인 κ, 및 딜레이 △t를 기초로 토크 값 τ(t)을 결정하고, 결정된 토크 값 τ(t)이 출력되도록 웨어러블 장치(100)의 모터 드라이버 회로(112)를 제어할 수 있다. 토크 값 τ(t)에 의해 사용자에게 제공되는 힘은 포스 피드백으로 명명될 수 있다. 일례로, 웨어러블 장치(100)는 아래의 [수학식 1]에 기초하여 토크 값 τ(t)을 결정할 수 있다.

[수학식 1]에서 y는 상태 인자(state factor)이고, q_r는 오른쪽 힙 관절 각도이고, q_l는 왼쪽 힙 관절 각도일 수 있다. 상기의 [수학식 1]에 따르면, 상태 인자 y는 두 다리들 사이의 거리와 관련될 수 있다. 예를 들어, y가 0인 경우에는 다리들 사이의 거리가 0인 상태(즉, 교차 상태)를 나타내고, y의 절대 값이 최대인 경우에는 다리들 사이의 각도가 최대인 상태(즉, 랜딩 상태)를 나타낼 수 있다. 일 실시 예에 따르면, q_r 및 q_l이 시각 t에서 측정된 경우, 상태 인자는 y(t)로 표현될 수 있다.

게인 κ는 출력되는 토크의 크기와 방향을 나타내는 파라미터이다. 게인 κ의 크기가 클수록 강한 토크가 출력될 수 있다. 게인 κ가 음수이면 사용자에게 저항력으로 작용하는 토크가 출력될 수 있고 게인 κ가 양수이면 사용자에게 보조력으로 작용하는 토크가 출력될 수 있다. 딜레이 △t는 토크의 출력 타이밍과 관련된 파라미터이다. 게인 κ의 값 및 딜레이 △t의 값은 미리 설정될 수 있고, 사용자 또는 웨어러블 장치(100)에 의해 조정 가능할 수 있다. [수학식 1], 게인 κ 및 딜레이 △t와 같은 파라미터들에 기초하여 사용자에게 보조력으로 작용하는 토크를 출력하는 모델은 토크 출력 모델(또는, 토크 출력 알고리즘)로 정의될 수 있다. 웨어러블 장치(100)는 센서들을 통해 수신한 입력 파라미터들의 값들을 토크 출력 모델에 입력함으로써 출력될 토크의 크기 및 딜레이를 결정할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 사용자가 왼쪽 다리와 오른쪽 다리가 비대칭인 보행을 수행하는 경우, 웨어러블 장치(100)는 비대칭 보행을 보조하기 위해 비대칭적인 토크를 사용자의 양쪽 다리들에 각각 제공할 수 있다. 예를 들어, 보폭이 작거나 또는 스윙 속도가 느린 다리 쪽에 더 강한 보조력을 제공할 수 있다. 이하에서, 보폭이 작거나 또는 스윙 속도가 느린 다리를 환측 다리(affected leg) 또는 타겟 다리(target leg)로 명명한다.

일 실시 예에 따라, 환측 다리에 작용하는 토크의 크기를 증가시키는 경우, 사용자는 환측 다리 및 건측 다리 간의 토크들 간의 차이에 의해 불편함을 느낄 수 있다.

일반적으로 환측 다리는 건측 다리에 비해 스윙 시간이 짧거나, 보폭이 작을 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 사용자의 보행을 보조하기 위해 환측 다리에 작용하는 토크의 타이밍을 조절하는 방식이 고려될 수 있다. 예를 들어, 환측 다리의 스윙 동작을 보조하기 위한 토크의 출력 시간을 증가시키기 위해 환측 다리에 대한 실제의 관절 각도에 오프셋 각도(offset angle)가 부가될 수 있다.

환측 다리의 실제의 관절 각도에 오프셋 각도가 부가됨으로써 웨어러블 장치(100)에 탑재(또는, 적용)된 토크 출력 모델에 입력되는 입력 파라미터의 값이 조정될 수 있다. 실제의 관절 각도에 오프셋 각도를 부가함으로써 입력 파라미터의 값을 변경하는 상기와 같은 방법은, 대칭 보행을 갖는 사용자에게 보행을 보조하기 위한 토크를 출력하는 토크 출력 모델을 비대칭 보행을 갖는 사용자에게도 그대로 적용할 수 있는 장점이 있다. 환측 다리의 실제의 관절 각도를 그대로 상기의 토크 출력 모델에 대한 입력 값으로 하는 경우, 상기의 토크 출력 모델은 작은 보폭 및 느린 스윙 속도에 의해 환측 다리의 스윙을 보조하기 위한 보조력을 약하고, 늦은 타이밍에 환측 다리에 제공하게 될 수 있다. 그러나, 환측 다리의 실제의 관절 각도에 오프셋 각도를 부가한 값을 상기의 토크 출력 모델에 대한 입력 값으로 하는 경우, 상기의 토크 출력 모델은 오프셋 각도에 의해 증가한 보폭 및 빨라진 스윙 속도에 의해 환측 다리의 스윙을 보조하기 위한 보조력을 비교적 강하고, 빠른 타이밍에 환측 다리에 제공하게 될 수 있다. 환측 다리의 관절 각도에 오프셋이 부가됨에 따라, 정상 다리의 스윙을 보조하기 위한 보조력은 오프셋이 부가되지 않았을 때보다 비교적 약하고, 늦은 타이밍에 제공될 수 있다. 그러나, 정상 다리의 스윙을 보조하기 위한 보조력이 약하더라도 사용자는 불편감을 느끼지 않을 수 있다.

아래에서 도 5 내지 도 11을 참고하여 사용자의 관절 각도에 부가된 오프셋 각도에 기초하여 사용자의 보행을 보조하기 위한 토크를 출력하는 방법에 대해 상세히 설명된다.

도 5는 일 실시 예에 따른 토크를 출력하는 방법의 흐름도이다.

일 실시 예에 따르면, 아래의 동작들 510 내지 560이 웨어러블 장치(100)의 제어부(140)(또는, 제어부(140)의 프로세서(142))에 의해 수행될 수 있다.

동작 510에서, 프로세서(142)는 웨어러블 장치(100)를 착용한 사용자의 제1 다리의 제1 관절의 제1 각도(예: q_r) 및 제2 다리의 제2 관절의 제2 각도(예: q_l)를 획득할 수 있다. 예를 들어, 제1 관절 및 제2 관절은 사용자의 왼쪽 힙 관절 및 오른쪽 힙 관절일 수 있고, 기재된 실시예로 한정되지 않는다. 다른 예로, 제1 관절 및 제2 관절은 사용자의 왼쪽 무릎 관절 및 오른쪽 무릎 관절일 수 있다. 또 다른 예로, 제1 관절 및 제2 관절은 사용자의 왼쪽 발목 관절 및 오른쪽 발목 관절일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 사용자의 관절 주위에 위치한 센서부(120)(또는, 엔코더)가 관절의 각도를 센싱하고, 프로세서(142)는 센서부(120)로부터 센싱된 관절의 각도를 획득할 수 있다. 측정된 관절의 각도는 측정된 시각에 대한 타임 스탬프와 연관되어 있을 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 프로세서(142)는 센서부(120)가 측정한 제1 원시 각도(예: q_r_raw) 및 제2 원시 각도(예: q_l_raw)를 필터링함으로써 제1 각도 및 제2 각도를 획득할 수 있다. 예를 들어, 이전 시각에 대해 측정된 제1 이전 각도 및 제2 이전 각도에 기초하여 제1 원시 각도 및 제2 원시 각도를 필터링할 수 있다. 원시 각도는 센서부(120)에 의해 측정된 값이 나타내는 미가공의 각도를 의미할 수 있다. 미가공의 각도는 측정 시에 발생할 수 있는 노이즈에 의해 실제의 각도와 차이가 클 수 있다. 프로세서(142)는 노이즈에 의한 영향을 감소시키기 위해 이전 시각에 대해 측정된 제1 이전 각도에 기초하여 금번 시각에 측정한 제1 원시 각도를 필터링함으로써 제1 각도를 획득할 수 있다. 원시 각도가 필터링됨에 따라 원시 각도가 이전 각도에 비해 급격한 값의 변화가 있더라도, 변화의 폭이 완만하게 수정될 수 있다.

동작 520에서, 프로세서(142)는 제1 각도 및 설정된 오프셋 각도(예: c)에 기초하여 제1 조정 각도를 계산할 수 있다. 예를 들어, 제1 각도는 사용자의 환측 다리의 제1 관절의 각도일 수 있다. 제1 각도가 q_r이고, 오프셋 각도가 c인 경우, 제1 조정 각도는 q_r + c로 계산될 수 있다. 보행의 비대칭 정도가 클수록 설정되는 오프셋 각도가 증가할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 오프셋 각도는 사용자에게 의해 설정된 각도일 수 있다. 예를 들어, 오프셋 각도는 0도 내지 25도 사이의 각도일 수 있다. 사용자는 오프셋 각도를 매번 구체적으로 웨어러블 장치(100)에 입력할 수도 있지만, 이전의 오프셋 각도 보다 각도를 증가시키고자 하는 신호 또는 이전의 오프셋 각도 보다 각도를 감소시키고자 하는 신호를 입력할 수도 있다. 사용자는 환측 다리의 스윙 동작에 대해 출력되는 토크의 시작 시점이 원하는 시점 보다 늦다고 느끼면, 웨어러블 장치(100)에 설정되는 오프셋 각도를 현재의 각도 보다 증가시킬 수 있다. 다른 예로, 사용자는 대응하는 오프셋 각도를 갖는 오프셋 레벨을 웨어러블 장치(100)에 입력할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 사용자는 웨어러블 장치(100)의 사용자 인터페이스를 통해 원하는 오프셋 각도를 입력할 수 있다. 사용자는 웨어러블 장치(100)의 사용자 인터페이스로서 버튼 또는 디스플레이를 통해 구현된 소프트 버튼을 통해 원하는 오프셋 각도를 입력할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 사용자는 웨어러블 장치(100)와 연결된 전자 장치(200)를 통해 원하는 오프셋 각도를 웨어러블 장치(100)로 입력할 수 있다. 전자 장치(200)는 사용자로부터 입력된 오프셋 각도에 대한 정보를 웨어러블 장치(100)로 전송할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 오프셋 각도는 웨어러블 장치(100)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 웨어러블 장치(100)는 사용자의 보행 상태에 기초하여 비대칭 정도를 결정하고, 결정된 비대칭 정도에 기초하여 오프셋 각도를 결정할 수 있다. 결정된 오프셋 각도는 사용자의 비대칭 정도에 대한 보조력을 적절하게 제공할 수 있는 최적의 오프셋 각도일 수 있다. 웨어러블 장치(100)가 오프셋 각도를 결정하는 방법에 대해, 아래에서 도 7 및 도 8을 참조하여 상세히 설명된다.

동작 520에서는 제1 조정 각도를 계산하는 방법에 대해 설명하였으나, 제1 조정 각도의 계산과 함께 제2 각도 및 제2 오프셋 각도에 기초하여 제2 조정 각도가 계산될 수 있다.

동작 530에서, 프로세서(142)는 제1 조정 각도 및 제2 각도에 기초하여 제1 다리 및 제2 다리들 사이의 거리와 관련된 제1 상태 인자를 결정할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 제1 상태 인자는 아래의 [수학식 2]에 기초하여 계산될 수 있다.

[수학식 2]에 대한 설명은 [수학식 1]에 대한 설명이 유사하게 적용될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 사용자가 느끼는 불편감을 감소시키기 위해 상태 인자가 필터링될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(142)는 제1 조정 각도 및 제2 각도에 기초하여 현재 시각 t의 초기 상태 인자 y_raw를 결정하고, 이전 시각 t-1에 대해 결정된 이전 상태 인자 y^prv 및 초기 상태 인자 y_raw에 기초하여 제1 상태 인자 y를 결정할 수 있다.

[수학식 3]에서, α는 미리 설정된 상수일 수 있다.

동작 540에서, 프로세서(142)는 제1 상태 인자와 연관되는 파라미터의 제1 값을 결정할 수 있다. 파라미터는 출력될 토크의 크기, 방향 및 타이밍 중 적어도 하나를 조절하기 위한 파라미터일 수 있다. 예를 들어, 파라미터는 상태 인자와 연관되는 게인 및 딜레이 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 파라미터가 게인 또는 딜레이 중 어느 하나인 경우 파라미터는 1D(dimension)이고, 파라미터가 게인 및 딜레이를 포함하는 경우 파라미터는 2D일 수 있다. 제1 게인 값 및 제1 딜레이 값은 미리 설정될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 게인의 값 및 딜레이의 값은 개인화를 위해 조정될 수 있다. 사용자는 불편감이 최소화되도록 게인의 값 및 딜레이의 값을 조정할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 웨어러블 장치(100)는 복수의 동작 모드들 중 어느 하나의 동작 모드로 동작할 수 있으며, 동작 모드에 따라 파라미터의 제1 값이 달라질 수 있다. 예를 들어, 파라미터가 게인 및 딜레이 중 적어도 하나를 포함하는 경우, 게인의 제1 값 및 딜레이의 제1 값은 웨어러블 장치(100)의 복수의 동작 모드들 중 타겟 동작 모드에 따라 다르게 설정될 수 있다. 아래에서 도 12를 참조하여 동작 모드에 기초하여 파라미터의 제1 값을 결정하는 방법에 대해 상세히 설명된다.

일 실시 예에 따르면, 설정되는 오프셋 각도가 달라지는 경우, 파라미터의 제1 값이 달라질 수 있다. 예를 들어, 사용자의 제1 관절의 제1 각도 및 제2 관절의 제2 각도가 획득된 상태에서, 제1 오프셋 각도가 설정된 경우 결정되는 파라미터의 값과, 제1 오프셋 각도와 상이한 제2 오프셋 각도가 설정된 경우 결정되는 파라미터의 값은 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 각도에 적용되는 오프셋 각도가 증가할수록 제1 관절의 플렉시온 구간이 길어지고, 플렉시온 구간에서 출력되는 토크가 증가하도록 파라미터 값이 결정될 수 있다. 플렉시온 구간에 대한 설명은 도 9를 참조하여 상세히 설명된다.

일 실시 예에 따르면, 설정되는 오프셋 각도가 달라지더라도, 파라미터의 제1 값이 달라지지 않을 수 있다. 예를 들어, 사용자의 제1 관절의 제1 각도 및 제2 관절의 제2 각도가 획득된 상태에서, 제1 오프셋 각도가 설정된 경우 결정되는 파라미터의 값과, 제1 오프셋 각도와 상이한 제2 오프셋 각도가 설정된 경우 결정되는 파라미터의 값이 동일할 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 오프셋 각도들에 대해 결정되는 파라미터의 값이 같은 경우에도, 오프셋 각도가 증가할수록 제1 관절에 출력되는 토크의 최대 값이 증가할 수 있다.

동작 550에서, 프로세서(142)는 제1 상태 인자 및 파라미터의 제1 값에 기초하여 제1 토크 값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1 토크 값은 아래의 [수학식 4]로 계산될 수 있다.

두 다리들에 적용되어야 하므로, 계산된 제1 토크 값은 제1 관절에 대한 값 및 제2 관절에 대한 값을 포함할 수 있다. 예를 들어,

은 제2 관절인 왼쪽 힙 관절에 대한 값일 수 있고,

은 제1 관절인 오른쪽 힙 관절에 대한 값일 수 있다.

및

은 크기는 동일하고, 토크의 방향이 반대인 값일 수 있다.

동작 560에서, 프로세서(142)는 제1 토크 값이 출력되도록 모터 드라이버를 제어할 수 있다. 예를 들어, 웨어러블 장치(100)의 프로세서(142)는 제1 토크 값에 기초하여 모터(114)를 제어함으로써 사용자에게 보조력을 제공할 수 있다. 웨어러블 장치(100)는 웨어러블 장치(100)의 배터리(150)를 이용하여 보조 토크가 출력되도록 모터(114)를 구동하고, 모터(114)가 출력한 보조 토크에 의해 사용자에게 보조력이 제공될 수 있다. 제1 토크 값은 모터(114)에 인가되는 제어 신호를 의미하고, 보조 토크는 제1 토크 값에 기초하여 모터(114)에 의해 출력되는 회전 토크를 의미하고, 보조력은 보조 토크에 의해 사용자가 느끼는 힘을 의미한다.

도 6은 일 예에 따른 대칭 보행을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 그래프는 사용자의 보행에 따른 보행 데이터의 변화를 나타낸다. 그래프의 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 힙 관절 각도 또는 힙 관절 속도를 나타낸다.

시점 611에서 오른쪽 다리는 스윙을 멈출 수 있고, 시점 612에서 왼쪽 다리는 스윙하여 오른쪽 다리와 교차할 수 있고, 시점 613에서 왼쪽 다리는 스윙을 멈출 수 있고, 시점 614에서 오른쪽 다리는 스윙하여 왼쪽 다리와 교차할 수 있고, 시점 615에서 오른쪽 다리는 시점 611과 같이 스윙을 멈출 수 있다. 다시 말해, 시점 611 내지 시점 615에서의 보행 동작은 스트라이드를 나타내고, 시점 611 내지 시점 613에서의 보행 동작은 오른쪽 다리에 대한 스텝(또는, 왼쪽 다리에 대한 스윙)을 나타내고, 시점 613 내지 시점 615에서의 보행 동작은 왼쪽 다리에 대한 스텝(또는, 오른쪽 다리에 대한 스윙)을 나타낼 수 있다. 스트라이드는 어느 하나의 다리의 위치가 보행을 통해 다시 동일한 지점으로 돌아오기까지의 과정을 의미한다. 점선 621는 왼쪽 힙 관절 각도를 나타내고, 실선 622는 오른쪽 힙 관절 각도를 나타내고, 점선 631은 왼쪽 힙 관절 속도를 나타내고, 실선 632는 오른쪽 힙 관절 속도를 나타낼 수 있다.

사용자가 대칭 보행을 수행하고 있는 경우, 왼쪽 힙 관절 각도 및 오른쪽 힙 관절 각도는 유사한 궤적들을 나타내고, 왼쪽 힙 관절 속도 및 오른쪽 힙 관절 속도도 거의 유사한 궤적들을 나타낸다.

일 실시 예에 따르면, 사용자가 비대칭 보행을 수행하고 있는 경우, 왼쪽 힙 관절 각도 및 오른쪽 힙 관절 각도는 비대칭적일 수 있다. 예를 들어, 왼쪽 힙 관절 각도의 주기 및 오른쪽 힙 관절 각도의 주기가 서로 상이할 수 있다(즉, 다리들 각각의 스윙 속도가 다름). 다른 예로, 왼쪽 힙 관절 각도의 최대 각도(또는, 최소 각도)와 오른쪽 힙 관절 각도의 최대 각도가 상당히 차이가 날 수 있다(즉, 다리들 각각의 보폭이 다름).

예를 들어, 사용자가 비대칭 보행을 수행하고 있는 이유는 환측 다리를 스윙하기 위한 힘이 부족해서일 수 있다. 이러한 경우, 환측 다리의 스윙을 보조하기 위한 보조 토크가 대칭 보행인 경우 보다 타이밍 상으로 상대적으로 빠르고, 시간 상으로 길게 출력된다면 보행이 대칭적으로 변화될 수 있다.

도 7은 일 예에 따른 비대칭 정도에 기초하여 오프셋 각도를 결정하는 방법의 흐름도이다.

일 실시 예에 따르면, 도 5를 참조하여 전술된 동작 510이 수행된 후에, 아래의 동작 700이 더 수행될 수 있다. 동작 700은 동작들 710 및 720을 포함할 수 있다.

동작 710에서, 프로세서(142)는 제1 관절의 각도에 대한 제1 각도 궤적 및 제2 관절의 각도에 대한 제2 각도 궤적에 기초하여 타겟 비대칭 정도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 각도 궤적은 관절의 각도들의 타임 스탬프에 기초하여 생성될 수 있다. 타겟 비대칭 정보를 결정하는 방법에 대해 아래에서 도 8을 참조하여 상세히 설명된다.

동작 720에서, 프로세서(142)는 타겟 비대칭 정도에 대응하는 오프셋 각도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 타겟 비대칭 정도가 높을수록 큰 오프셋 각도가 결정될 수 있다. 프로세서(142)에 의해 결정된 오프셋 각도는 최적의 오프셋 각도일 수 있다.

도 8은 일 예에 따른 비대칭 보행을 설명하기 위한 도면이다.

도 8a의 그래프는 사용자의 보행에 따른 힙 관절 각도의 변화를 나타낸다. 도 8a의 그래프의 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 힙 관절 각도를 나타낸다.

시점 811에서 왼쪽 다리는 스윙을 멈출 수 있고, 시점 812에서 오른쪽 다리는 스윙하여 왼쪽 다리와 교차할 수 있고, 시점 813에서 오른쪽 다리는 스윙을 멈출 수 있고, 시점 814에서 왼쪽 다리는 스윙하여 오른쪽 다리와 교차할 수 있고, 시점 815에서 왼쪽 다리는 스윙을 멈출 수 있다. 또한, 시점 816에서 오른쪽 다리는 스윙하여 왼쪽 다리와 교차할 수 있고, 시점 817에서 오른쪽 다리는 시점 813과 같이 스윙을 멈출 수 있다. 시점 811 내지 시점 815에서의 보행 동작은 오른쪽 다리에 대한 하나의 스트라이드를 나타내고, 시점 813 내지 시점 817에서의 보행 동작은 왼쪽 다리에 대한 하나의 스트라이드를 나타낸다. 또한, 시점 811 내지 시점 813에서의 보행 동작 및 시점 815 내지 시점 817에서의 보행 동작은 왼쪽 다리의 스텝을 나타내고, 시점 813 내지 시점 815에서의 보행 동작은 오른쪽 다리의 스텝을 나타낸다. 실선 821는 오른쪽 힙 관절 각도를 나타내고, 점선 822는 왼쪽 힙 관절 각도를 나타낸다.

일 실시 예에 따르면, 프로세서(142)는 오른쪽 힙 관절 각도의 궤적(821)과 왼쪽 힙 관절 각도의 궤적(822)의 유사도를 추정하고, 추정된 유사도에 기초하여 타겟 비대칭 정도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 유사도에 반비례하도록 타겟 비대칭 정도가 결정될 수 있다.

프로세서(142)는 시점 811 내지 시점 815에서의 오른쪽 힙 관절 각도의 궤적과 시점 813 내지 시점 817에서의 왼쪽 힙 관절 각도의 궤적 간의 차이를 계산할 수 있다. 이 때, 시점 811 내지 시점 815에서의 오른쪽 힙 관절 각도의 궤적과 시점 813 내지 시점 817에서의 왼쪽 힙 관절 각도의 궤적은 하나의 스텝 간격일 수 있다.

도 8b의 그래프는 시점 811 내지 시점 815에서의 오른쪽 힙 관절 각도의 궤적(실선 831)과 시점 813 내지 시점 817에서의 왼쪽 힙 관절 각도의 궤적(점선 832)의 차이(833)를 나타낸다. 도 8b의 그래프에서, 가로축은 NST(Normalized Stride Time)를 나타내고, 세로축은 힙 관절 각도를 나타낸다.

일 실시 예에 따르면, 프로세서(142)는 궤적들(831, 832)간의 차이(833) 및 궤적들(831, 832)의 NST를 위해 적용된 스케일링 인자 중 적어도 하나에 기초하여 비대칭 정도를 결정할 수 있다.

도 9는 일 예에 따른 대칭으로 보행하는 사용자에 대해 서로 다른 오프셋 각도들을 적용한 경우 출력되는 토크 값의 궤적들을 도시한다.

일 실시 예에 따른, 사용자의 제1 관절(예: 오른쪽 힙 관절)의 제1 각도 궤적(910) 및 제2 관절(예: 왼쪽 힙 관절)의 제2 각도 궤적(912)은 대칭적일 수 있다. 사용자가 대칭으로 보행하고, 특정 관절(예: 제1 관절)의 각도에 대한 오프셋 각도가 적용되지 않는다면, 사용자의 제1 관절에 대해 토크 궤적(900r) 및 제2 관절에 대해 토크 궤적(900l)이 계산될 수 있다. 토크 궤적(900r) 및 토크 궤적(900l)가 유사하므로 사용자는 특별히 불편감을 느끼지 않을 수 있다.

일 실시 예에 따라, 제1 관절의 측정 각도에 대해 오프셋 각도를 적용하는 경우 제1 관절 및 제2 관절 각각에 출력되는 토크 궤적들이 대칭 보행에 비하여 변화할 수 있다.

예를 들어, 제1 오프셋 각도를 제1 관절의 각도에 대해 적용하는 경우 제1 관절에 대해 토크 궤적(902r)이 나타나고, 제2 관절에 대해 토크 궤적(902l)이 나타날 수 있다. 제1 오프셋 각도 보다 큰 제2 오프셋 각도를 제1 관절의 각도에 대해 적용하는 경우 제1 관절에 대해 토크 궤적(904r)이 나타나고, 제2 관절에 대해 토크 궤적(904l)이 나타날 수 있다. 제2 오프셋 각도 보다 큰 제3 오프셋 각도를 제1 관절의 각도에 대해 적용하는 경우 제1 관절에 대해 토크 궤적(906r)이 나타나고, 제2 관절에 대해 토크 궤적(906l)이 나타날 수 있다. 오프셋 각도가 증가할수록 오프셋 각도가 적용된 제1 관절의 플렉시온(flexion) 구간에서 상대적으로 증가된 토크 값이 출력될 수 있다. 반대로, 오프셋 각도가 증가할수록 오프셋 각도가 적용된 제1 관절의 익스텐션(extension) 구간에서 상대적으로 감소된 토크 값이 출력될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 제1 관절에 적용된 오프셋 각도가 증가할수록 제1 관절의 플렉시온 구간이 길어질 수 있다. 다시 말하자면, 제1 관절에 적용된 오프셋 각도가 증가할수록 제1 관절의 플렉시온 구간이 증가할 수 있다. 오프셋 각도가 적용되지 않은 경우의 제1 관절의 플렉시온 구간의 길이(920) 보다 제3 오프셋 각도가 적용된 경우의 제1 관절의 플렉시온 구간의 길이(922)가 더 길 수 있다. 즉, 제1 관절에 적용된 오프셋 각도가 증가할수록 제1 관절의 플렉시온 구간에서 웨어러블 장치(100)가 제1 다리를 강하고, 길게 보조함을 알 수 있다.

반대로, 제1 관절에 적용된 오프셋 각도가 증가할수록 제2 관절의 플렉시온 구간의 길이가 짧아지므로, 제2 관절에 토크가 출력되는 시간이 감소될 수 있다.

도 10은 일 예에 따른 비대칭으로 보행하는 사용자의 힙 관절 각도의 궤적을 도시한다.

일 실시 예에 따르면, 사용자의 보행 비대칭성이 제1 관절의 제1 각도 궤적(1010) 및 제2 관절의 제2 각도 궤적(1012)로 나타날 수 있다.

예를 들어, 보행 비대칭성은 제1 관절 및 제2 관절이 교차하는 제1 시각 및 제1 관절 및 제2 관절이 다시 교차하는 제2 시각 간의 제1 시간(1032)과 제2 시각 및 제1 관절 및 제2 관절이 또 다시 교차하는 제3 시각 간의 제2 시간(1034)이 차이가 큰 것으로 나타날 수 있다. 도시된 실시예에서는 제2 관절의 플렉시온에 대한 제2 시간(1034)이 제1 관절의 플렉시온에 대한 제1 시간(1032)에 비해 짧으므로, 제1 관절이 환측 다리의 관절일 수 있다.

다른 예로, 보행 비대칭성은 제1 관절의 최소 각도(1040) 및 제2 관절의 최소 각도(1042) 간의 차이가 큰 것으로 나타날 수 있다. 도시된 실시예에서는 제2 관절의 최소 각도(1042)가 제1 관절의 최소 각도(1040)에 비해 절대값이 작으므로, 제1 관절이 환측 다리의 관절일 수 있다.

도 11은 일 예에 따른 대칭으로 보행하는 사용자에 대해 오프셋 각도를 적용한 경우 출력되는 토크 값의 궤적을 도시한다.

일 실시 예에 따르면, 사용자가 도 10을 참조하여 전술된 제1 각도 궤적(1010) 및 제2 각도 궤적(1012)으로 비 대칭 보행을 수행할 수 있다. 웨어러블 장치(100)는 이러한 비 대칭 보행을 수행하는 사용자의 환측 다리를 보조하기 위한 토크를 출력할 수 있다. 예를 들어, 웨어러블 장치(100)는 환측 다리의 관절 각도에 오프셋 각도를 적용함으로써 계산된 토크 값을 환측 다리에 출력함으로써 환측 다리를 보조할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 오른쪽 다리가 환측 다리인 경우 오른쪽 다리를 보조하기 위해 오른쪽 힙 관절 각도에 오프셋 각도가 적용될 수 있다. 오프셋 각도에 기초하여 출력되는 오른쪽 토크 궤적(1110) 및 왼쪽 토크 궤적(1112)에 따르면, 오른쪽 다리의 플렉시온 구간(1120)이 왼쪽 다리의 플렉시온 구간(1122)에 비해 길게 나타나고, 토크의 크기도 크게 나타난다. 오른쪽 다리의 플렉시온 구간(1120)의 시간이 증가하고, 토크의 크기가 증가함으로써 환측 다리인 오른쪽 다리가 효과적으로 보조될 수 있다. 오른쪽 다리 및 왼쪽 다리에 출력되는 토크가 대칭적으로 증가함으로써 사용자는 토크 출력의 비대칭에 의한 불편감을 느끼지 않을 수 있다.

도 12는 일 예에 따른 웨어러블 장치의 동작 모드에 기초하여 파라미터의 제1 값을 결정하는 방법의 흐름도이다.

일 실시 예에 따르면, 도 5를 참조하여 전술된 동작 540는 아래의 동작들 1210 내지 1230을 포함할 수 있다.

동작 1210에서, 프로세서(142)는 웨어러블 장치(100)가 수행할 수 있는 하나 이상의 동작 모드들 중 타겟 동작 모드를 결정할 수 있다. 예를 들어, 동작 모드들은 사용자의 보행을 보조하는 보조 모드 및 사용자의 보행을 어렵게 하기 위한 저항 모드를 포함할 수 있다. 저항 모드는 운동 모드일 수 있다. 사용자가 비대칭 보행을 수행하는 경우, 웨어러블 장치(100)는 환측 다리의 근력을 강화시키기 위해 환측 다리에 저항력을 제공할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 사용자는 웨어러블 장치(100)의 사용자 인터페이스 또는 웨어러블 장치(100)와 연결된 전자 장치(예: 도 2의 전자 장치(200))를 통해 원하는 동작 모드를 입력할 수 있다.

동작 1220에서, 프로세서(142)는 동작 모드가 보조 모드인 경우, 보조 모드에 대해 설정된 파라미터의 제1 값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 파라미터로서의 게인의 제1 값은 사용자의 움직임을 보조하도록 양수로 결정될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 보행 시에 사용자의 제1 다리 및 제2 다리의 움직임이 비대칭인 경우 보조 모드로 동작하는 웨어러블 장치(100)는 상대적으로 근력이 부족한 환측 다리에 대한 관절 각도에 오프셋 각도를 부가함으로써 환측 다리 및 정상 다리의 움직임을 대칭적으로 교정할 수 있다. 사용자는 웨어러블 장치(100)의 도움을 통해 대칭적인 다리들의 움직임을 반복적으로 체험함으로써 다리들의 대칭적 움직임을 기억할 수 있게 될 수 있다. 웨어러블 장치(100)의 도움이 없더라도 사용자가 기억된 다리들의 대칭적 움직임을 재현할 수 있게 됨으로써 보행 자세의 교정 효과가 나타날 수 있다.

동작 1230에서, 프로세서(142)는 동작 모드가 저항 모드인 경우, 저항 모드에 대해 설정된 파라미터의 제1 값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 파라미터로서의 게인의 제1 값은 사용자의 움직임을 방해하도록 음수로 결정될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 보행 시에 사용자의 제1 다리 및 제2 다리의 움직임이 비대칭인 경우 저항 모드로 동작하는 웨어러블 장치(100)는 상대적으로 근력이 부족한 환측 다리에 대한 관절 각도에 오프셋 각도를 부가함으로써 환측 다리의 근력을 강화시키기 위한 저항력을 사용자에게 제공할 수 있다. 사용자는 환측 다리의 근력을 강화시킴으로써 다리들의 비대칭적 움직임을 감소시킬 수 있다.

도 13은 일 예에 따른 저항 모드에서 출력되는 토크 값의 궤적을 도시한다.

일 실시 예에 따르면, 오른쪽 힙 관절에 대한 오른쪽 각도 궤적(1310) 및 왼쪽 힙 관절에 대한 오른쪽 각도 궤적(1312)이 도시되고, 오른쪽 다리에 대한 오른쪽 토크 궤적(1320) 및 왼쪽 다리에 대한 왼쪽 토크 궤적(1312)이 도시된다.

도시된 그래프에 따르면, 환측 다리인 오른쪽 다리가 스윙하는 구간에 대해 저항력이 출력되는 구간(1330)이 왼쪽 다리가 스윙하는 구간에 대해 저항력이 출력되는 구간(1332)에 비해 크고, 길게 나타남을 알 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.

Claims

웨어러블 장치에 의해 수행되는, 토크 출력 방법은,
사용자의 제1 다리의 제1 관절의 제1 각도 및 제2 다리의 제2 관절의 제2 각도를 획득하는 동작;
상기 제1 각도 및 상기 제1 관절에 대해 설정되는 오프셋 각도(offset angle)에 기초하여 제1 조정 각도를 계산하는 동작;
상기 제1 조정 각도 및 상기 제2 각도에 기초하여 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도와 관련된 제1 상태 인자를 결정하는 동작;
파라미터의 제1 값을 결정하는 동작 - 상기 파라미터는 출력될 토크의 크기, 방향 및 타이밍 중 적어도 하나를 조절하기 위한 파라미터임 -;
상기 제1 상태 인자 및 상기 파라미터의 상기 제1 값에 기초하여 제1 토크 값을 결정하는 동작; 및
상기 제1 토크 값이 출력되도록 상기 웨어러블 장치의 모터 드라이버를 제어하는 동작
을 포함하고,
상기 설정되는 오프셋 각도가 증가할수록 상기 제1 관절에 출력되는 상기 제1 토크 값의 최대 값이 증가하는,
토크 출력 방법.
제1항에 있어서,
상기 오프셋 각도는 상기 사용자에게 의해 설정된 각도인,
토크 출력 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 관절의 각도에 대한 제1 각도 궤적 및 상기 제2 관절의 각도에 대한 제2 각도 궤적에 기초하여 상기 오프셋 각도를 결정하는 동작
을 더 포함하는,
토크 출력 방법.
제3항에 있어서,
상기 제1 관절의 각도에 대한 제1 각도 궤적 및 상기 제2 관절의 각도에 대한 제2 각도 궤적에 기초하여 상기 오프셋 각도를 결정하는 동작은,
상기 제1 각도 궤적 및 상기 제2 각도 궤적에 기초하여 타겟 비대칭 정도를 결정하는 동작; 및
상기 타겟 비대칭 정도에 대응하는 상기 오프셋 각도를 결정하는 동작
을 포함하는,
토크 출력 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 상태 인자는 상기 제1 다리 및 상기 제2 다리 사이의 거리와 관련된,
토크 출력 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 조정 각도 및 상기 제2 각도에 기초하여 제1 상태 인자를 결정하는 동작은,
상기 제1 조정 각도 및 상기 제2 각도에 기초하여 초기 상태 인자를 결정하는 동작; 및
이전 상태 인자 및 상기 초기 상태 인자에 기초하여 상기 제1 상태 인자를 결정하는 동작
을 포함하는,
토크 출력 방법.
제1항에 있어서,
상기 오프셋 각도가 증가할수록 상기 제1 관절의 플렉시온 구간이 증가하는,
토크 출력 방법.
제1항에 있어서,
상기 오프셋 각도가 증가할수록 상기 제2 관절의 플렉시온 구간이 감소되는,
토크 출력 방법.
제1항에 있어서,
상기 파라미터는 상기 제1 상태 인자와 연관되는 게인 및 딜레이 중 적어도 하나를 포함하는,
토크 출력 방법.
제1항에 있어서,
상기 파라미터의 상기 제1 값은 상기 오프셋 각도에 따라 다르게 결정되는,
토크 출력 방법.
제9항에 있어서,
상기 게인의 제1 값 및 상기 딜레이의 제1 값은 상기 웨어러블 장치의 하나 이상의 동작 모드들 중 타겟 동작 모드에 따라 다르게 설정되는,
토크 출력 방법.
제10항에 있어서,
상기 하나 이상의 동작 모드들은,
상기 제1 관절이 움직이는 방향과 동일한 방향으로 상기 제1 토크 값을 출력하는 보조 모드, 및 상기 제1 관절이 움직이는 방향과 반대 방향으로 상기 제1 토크 값을 출력하는 보조 모드를 포함하는,
토크 출력 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록매체.
사용자에게 힘(force)을 제공하는 웨어러블 장치는,
웨어러블 장치를 제어하는 프로세서;
상기 사용자의 관절의 각도를 측정하는 적어도 하나의 센서;
상기 프로세서에 의해 제어되는 모터 드라이버 회로; 및
상기 모터 드라이버 회로와 전기적으로 연결된 모터
를 포함하고,
상기 프로세서는,
상기 센서를 이용하여 사용자의 제1 다리의 제1 관절의 제1 각도 및 제2 다리의 제2 관절의 제2 각도를 획득하고,
상기 제1 각도 및 상기 제1 관절에 대해 설정되는 오프셋 각도(offset angle)에 기초하여 제1 조정 각도를 계산하고,
상기 제1 조정 각도 및 상기 제2 각도에 기초하여 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도와 관련된 제1 상태 인자를 결정하고,
파라미터의 제1 값을 결정하고 - 상기 파라미터는 출력될 토크의 크기, 방향 및 타이밍 중 적어도 하나를 조절하기 위한 파라미터임 -,
상기 제1 상태 인자 및 상기 파라미터의 상기 제1 값에 기초하여 제1 토크 값을 결정하고,
상기 제1 토크 값이 출력되도록 상기 웨어러블 장치의 모터 드라이버를 제어하고,
상기 설정되는 오프셋 각도가 증가할수록 상기 제1 관절에 출력되는 상기 제1 토크 값의 최대 값이 증가하는,
상기 출력된 제1 토크 값에 의해 상기 사용자에게 힘이 제공되는,
웨어러블 장치.
제14항에 있어서,
상기 오프셋 각도는 상기 사용자에게 의해 설정된 각도인,
웨어러블 장치.
제14항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 제1 관절의 각도에 대한 제1 각도 궤적 및 상기 제2 관절의 각도에 대한 제2 각도 궤적에 기초하여 상기 오프셋 각도를 결정하는,
웨어러블 장치.
제16항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 제1 각도 궤적 및 상기 제2 각도 궤적에 기초하여 타겟 비대칭 정도를 결정하고,
상기 타겟 비대칭 정도에 대응하는 상기 오프셋 각도를 결정하는,
웨어러블 장치.
제14항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 제1 조정 각도 및 상기 제2 각도에 기초하여 초기 상태 인자를 계산하고,
이전 상태 인자 및 상기 초기 상태 인자에 기초하여 상기 제1 상태 인자를 결정하는,
웨어러블 장치.
제14항에 있어서,
상기 파라미터의 제1 값은 상기 웨어러블 장치의 하나 이상의 동작 모드들 중 타겟 동작 모드에 따라 다르게 설정되는,
웨어러블 장치.
제19항에 있어서,
상기 하나 이상의 동작 모드들은,
상기 제1 관절이 움직이는 방향과 동일한 방향으로 상기 제1 토크 값을 출력하는 보조 모드, 및 상기 제1 관절이 움직이는 방향과 반대 방향으로 상기 제1 토크 값을 출력하는 보조 모드를 포함하는,
웨어러블 장치.