KR20240079832A - 압력 변화를 이용한 보행 의도 추정 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력 변화를 이용한 보행 의도 추정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 보행 의도 추정 장치는 소켓 내부에 설치되는 복수의 압력 센서로부터 각각의 압력값을 획득하는 압력값 획득부, 상기 현재 시점에서 획득한 압력값과 초기 압력값을 비교하여 압력 변화를 분석하는 압력 변화 분석부, 그리고 압력 변화가 발생된 것으로 판단되면, 복수의 압력값의 압력 변화 패턴을 이용하여 사용자의 보행 의도를 추정하는 추정부를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 필름 형태의 센서를 이용하므로 절단 부위의 신체 특성에 적합하고 소켓 내부의 온습도 조건에 영향을 받지 않으며, 다양한 크기의 제작이 쉬운 효과를 지닌다.

Description

압력 변화를 이용한 보행 의도 추정 장치 및 그 방법{Apparatus for walking intention estimation using pressure change and method thereof}

본 발명은 압력 변화를 이용한 보행 의도 추정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 절단 부위와 직접 접촉하는 소켓 내부에 필름 형태의 센서를 설치하고, 센서로부터 획득한 압력 변화를 이용하여 보행 모드 변경 의도를 추정하는 보행 의도 추정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

대퇴의족은 사고 및 질병으로 인하여 슬관절 이하가 절단된 환자의 신체기능 복원을 위한 보조기기이다. 대퇴의족은 과거 하지 절단 장애인의 보행 시 신체 지지 및 미용 목적을 시작으로 1990년해 이후 비 절단자의 보행동작을 보다 유사하게 모방하기 위하여 전자제어식 의족으로 연구 개발되고 있으며, 현재는 단순 보행 기능 모방과 더불어 다양한 일상 생활 동작까지 모방이 가능한 수준이다.

그러나, 불연속적인 보행 환경에 대응하여 환경에 적합한 보행 방식으로의 변경이 필요한 시점에서 의족의 스스로의 유연한 대처가 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 종래에는 보행 모드를 변경하기 위하여 외부의 조작 장비 혹은 애플리케이션을 통해 변경하는 방식을 신뢰하고 있다. 그러나, 의족 착용자들은 외부의 장치 소지에 따른 부담과 외부의 장치를 꺼내 조작하는 과정에서 발생하는 부자연스러움에 불편함을 호소하고 있다.

이러한 요구에 최근에는 근전도 센서를 이용한 보행 모드 변경 의도를 검출하는 연구를 수행되고 있다. 근전도 센서는 근육의 움직임에 따라 변하는 전기적 신호를 검출하는 센서로서, 근육의 움직임을 통해 외부의 조작 장비 없이 보행 모드 변경이 가능한 효과를 도모할 수 있었다.

그러나, 근전도 센서가 부착되는 절단 부위에 피부 연장 시술 혹은 인공 피부가 이식된 경우 또는 장시간 활동으로 인한 근 피로도가 누적된 경우에는 명확한 근전도 신호를 검출하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0006833호 (2020.01.21. 공개)에 개시되어 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 절단 부위와 직접 접촉하는 소켓 내부에 필름 형태의 센서를 설치하고, 센서로부터 획득한 압력 변화를 이용하여 보행 모드 변경 의도를 추정하는 보행 의도 추정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 압력 변화를 이용한 보행 의도 추정 장치는 소켓 내부에 설치되는 복수의 압력 센서로부터 각각의 압력값을 획득하는 압력값 획득부, 상기 현재 시점에서 획득한 압력값과 초기 압력값을 비교하여 압력 변화를 분석하는 압력 변화 분석부, 그리고 압력 변화가 발생된 것으로 판단되면, 복수의 압력값의 압력 변화 패턴을 이용하여 사용자의 보행 의도를 추정하는 추정부를 포함한다.

상기 압력센서는, 압력감지천 전도성 필름으로 형성되며, 사용자의 대퇴부 전면부, 대퇴부 후면부 및 절단부 저면에 대응되도록 소켓의 내부에 설치될 수 있다.

상기 압력센서는, 소켓의 내측 전면부에 상하로 복수개 설치되고, 소켓의 내측 저면 및 내측 후면에는 각각 하나씩 설치될 수 있다.

상기 압력 변화 분석부는, 사용자가 특정 동작을 행하기 직전에 측정된 각각의 압력값을 초기 압력값으로 설정하고, 상기 설정된 초기 압력값과의 변화 여부를 분석할 수 있다.

상기 추정부는, 평지에서의 보행, 계단 오르기 또는 내려가기, 정지, 앉기, 기립 중에서 적어도 하나의 보행 의도를 추정할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 보행 의도 추정 장치를 이용한 보행 의도 추정 방법은 소켓 내부에 설치되는 복수의 압력 센서로부터 각각의 압력값을 획득하는 단계, 상기 현재 시점에서 획득한 압력값과 초기 압력값을 비교하여 압력 변화를 분석하는 단계, 그리고 압력 변화가 발생된 것으로 판단되면, 복수의 압력값의 압력 변화 패턴을 이용하여 사용자의 보행 의도를 추정하는 단계를 포함한다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 필름 형태의 센서를 이용하므로 절단 부위의 신체 특성에 적합하고 소켓 내부의 온습도 조건에 영향을 받지 않으며, 다양한 크기의 제작이 쉬운 효과를 지닌다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 보행 의도 추정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 센서 크기 별 압력 인가에 따른 출력 분포를 나타내는 그래프이다.
도 3은 소켓 내에 설치되는 압력센서의 위치를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 보행 의도 추정 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 보행 의도 추정 장치를 이용한 보행 의도 추정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 소켓 내부에 작용하는 압력의 힘을 나타내는 예시도이다.
도 7은 도 5에 도시된 S520단계에서 사용자의 보행 변화를 나타내는 예시도이다.
도 8a 내지 도 8e는 도 7에 도시된 보행 변화에 따라 측정된 압력값을 나타내는 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

이하에서는 도 1 내지 도 4를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 보행 의도 추정 장치에 대해 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 보행 의도 추정 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 보행 의도 추정 장치(100)는 의족 소켓 내에 설치된 압력센서(200)로부터 압력값을 획득하고, 획득한 압력값을 이용하여 사용자의 보행 의도를 추정한다.

먼저 압력센서(200)에 대해 설명하면, 압력센서(200)는 주로 정전 및 방전에 취약한 제품을 보호하기 위한 포장재로 사용되는 전기 전도성이 있는 재료이다. 압력센서(200)의 크기가 커질수록 초기 저항값은 작으며 이로 인해 압력 인가 시의 저항 변화량 또한 크기에 따라 다른 특성을 가진다.

도 2는 센서 크기 별 압력 인가에 따른 출력 분포를 나타내는 그래프이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 크기가 상이한 10개의 센서에 각각의 압력을 인가하면, 10개의 센서 중 800㎟, 900㎟ 및 1600㎟ 크기를 가지는 센서에서는 선형적인 출력인 나타난다. 하지만 900㎟ 및 1600㎟ 센서의 경우 최대 압력 출력량이 2.7V로 낮으며, 140kPa에서 조기 포화 상태에 도달한다.

이와 비교하여 면적 800㎟ 센서는 최대 압력 출력량이 3V로 비교적 높으며, 170kPa 부근에서 포화상태에서 도달함을 알 수 있다.

따라서, 소켓 내부 압력 범위가 200kPa일 경우에는, 가로 20㎜, 세로 40㎜이며 면적 800㎟ 크기의 센서가 적합함을 알 수 있다.

상기와 같은 방법으로 압력센서(200)의 크기가 결정되면, 결정된 크기의 압력센서(200)를 소켓 내에 설치될 수 있도록 재단한다.

도 3은 소켓 내에 설치되는 압력센서의 위치를 설명하기 위한 예시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 압력센서(200)는 사용자의 대퇴부 전면부, 대퇴부 후면부 및 절단부 저면에 대응되도록 소켓의 내부에 설치된다. 다만, 후면에 가해지는 압력보다 전면에 가해지는 압력이 크므로, 소켓의 내측 전면부에는 제1 압력센서 및 제2 압력센서를 설치한다. 그리고, 소켓의 내측 저면에는 제3 압력센서가 설치되고, 내측 후면에는 제4 압력센서가 설치된다.

상기와 같이 소켓 내에 설치된 제1 압력센서, 제2 압력센서, 제3 압력센서 및 제4 압력센서는 인가되는 압력을 측정하고, 측정된 압력을 보행 의도 추정 장치(100)에 전달한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 보행 의도 추정 장치를 설명하기 위한 구성도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 보행 의도 추정 장치 (100)는 압력값 획득부(110), 압력 변화 분석부(120) 및 추정부(130)를 포함한다.

먼저 압력값 획득부(110)는 소켓 내에 설치된 압력센서로부터 압력값을 획득한다.

부연하자면, 압력값 획득부(110)는 제1 압력센서(201), 제2 압력센서(202), 제3 압력센서(203) 및 제4 압력센서(204)로부터 각각의 압력값을 획득한다.

압력 변화 분석부(120)는 초기 압력값과 현재 시점에서 획득한 압력값을 상호 비교하여 압력 변화가 발생되었는지 여부를 분석한다.

부연하자면, 압력 변화 분석부(120)는 사용자가 특정 자세를 취하기 직전에 획득한 압력값을 초기 압력값으로 설정하고, 설정된 초기 압력값과 현재 시점에서 획득한 압력값의 변화 발생 여부를 분석한다.

압력 변화가 발생된 것으로 분석되면, 추정부(130)는 복수의 압력값의 압력 변화 패턴을 이용하여 사용자의 보행 의도를 추정한다.

이하에서는 도 5 내지 도 8을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 보행 의도 추정 장치(100)를 이용한 보행 의도 추정 방법에 대해 더욱 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 보행 의도 추정 장치를 이용한 보행 의도 추정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 보행 의도 추정 장치(100)는 소켓에 설치된 복수의 압력센서로부터 압력값을 획득한다(S510).

부연하자면, 압력값 획득부(110)는 제1 압력센서(201), 제2 압력센서(202), 제3 압력센서(203) 및 제4 압력센서(204)로부터 각각의 압력값을 획득한다

그 다음, 압력 변화 분석부(120)는 획득한 압력값의 변화를 분석한다(S520).

먼저, 사용자의 체중에 따른 소켓 내에 압력 인가 여부에 따라 전면부 센서 즉, 제1 압력센서(201) 및 제2 압력센서(202)에서 출력되는 압력과 제4 압력 센서(204)에서 출력되는 압력은 상이하다.

도 6은 소켓 내부에 작용하는 압력의 힘을 나타내는 예시도이다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 사용자가 기립하여 족척과 지면이 접촉하게 되면, 소켓 내의 압력은 전면, 저면 및 후면에 골고루 압력이 인가된다.

반면에 도 6b에 도시된 바와 같이, 사용자가 무릎을 굽힐 경우 즉 슬관절 굴곡이 발생될 경우 족척과 지면이 비접촉하게 되므로, 소켓 내의 압력은 전면에 치중되게 된다.

따라서, 압력 변화 분석부(120)는 사용자가 특정 동작을 행하기 직전에 측정된 각각의 압력값을 초기 압력값으로 설정하고, 현재 시점에서 측정된 압력값과 초기 압력값을 비교하여 압력에 대한 변화 여부를 분석한다.

도 7은 도 5에 도시된 S520단계에서 사용자의 보행 변화를 나타내는 예시도이고, 도 8a 내지 도 8e은 도 7에 도시된 보행 변화에 따라 측정된 압력값을 나타내는 그래프이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 보행 변화는 기립상태, 평지 보행 상태, 계단 상행 상태, 계단 하행 상태, 기립에서 착석으로 변환된 상태, 착석에서 기립으로 변환된 상태로 분류될 수 있다.

이때, 사용자가 기립상태에서 평지 보행 상태로 보행 동작을 변화시켰다고 가정하면, 압력 변화 분석부(120)는 초기 압력값과 보행 시작 상태에서 측정된 압력값을 상호 비교한다.

비교한 결과 도 8a에 도시된 바와 같이, 제1 압력센서에서 측정된 압력값은 100% 하강하였고, 제2 압력센서에서 측정된 압력값은 100% 상승하였다. 또한, 제3 압력센서에서 측정된 압력값은 100% 하강하였고, 제4 압력센서에서 측정된 압력값은 50% 상승하였다. 이를 색 변화로 표현하면, 제1 센서 및 제3 센서는 청색으로 표현되고, 제2 압력센서 및 제4 압력센서는 적색으로 표현되되, 제2 입력센서의 압력 변화는 제4 압력센서의 압력 변화보다 높게 형성되므로 더욱 진한색으로 표현된다.

또한, 사용자가 기립상태에서 계단 상행 상태로 보행 동작을 변화시켰다고 가정하면, 압력 변화 분석부(120)는 초기 압력값과 계단 상행 상태에서 측정된 압력값을 상호 비교한다.

비교한 결과 도 8b에 도시된 바와 같이, 제1 압력센서에서 측정된 압력값은 100% 하강하였고, 제2 압력센서에서 측정된 압력값은 100% 상승하였다. 또한, 제3 압력센서에서 측정된 압력값은 50% 하강하였고, 제4 압력센서의 압력 변화는 차이가 없었다.

이를 색 변화로 표현하면, 제1 압력센서 및 제3 압력센서는 청색으로 표현되고, 제2 압력센서는 적색으로 표현되며, 제4 압력센서는 무색으로 표현되었다. 다만, 제1 입력센서의 압력 변화는 제3 압력센서의 압력 변화보다 높게 형성되므로 더욱 진한색으로 표현된다.

또한, 사용자가 기립상태에서 계단 하행 상태로 보행 동작을 변화시켰다고 가정하면, 압력 변화 분석부(120)는 초기 압력값과 계단 하행 상태에서 측정된 압력값을 상호 비교한다.

비교한 결과 도 8c에 도시된 바와 같이, 제1 압력센서, 제2 압력센서, 제3 압력센서 및 제4 압력센서에서 측정된 압력값은 모두 100% 상승하였다.

이를 색 변화로 표현하면, 제1 압력센서, 제2 압력센서, 제3 압력센서 및 제4 압력센서는 모두 적색으로 표현된다.

또한, 사용자가 기립상태에서 착석상태로 보행 동작을 변화시켰다고 가정하면, 압력 변화 분석부(120)는 초기 압력값과 착석 상태에서 측정된 압력값을 상호 비교한다.

비교한 결과 도 8d에 도시된 바와 같이, 제1 압력센서에서 측정된 압력값은 100% 하강하였고, 제2 압력센서에서 측정된 압력값은 100% 상승하였다. 또한, 제3 압력센서에서 측정된 압력값은 50% 상승하였고, 제4 압력센서에서 측정된 압력값은 차이가 없었다.

이를 색 변화로 표현하면, 제1 압력센서는 청색으로 표현되고, 제2 압력센서 및 제3 압력센서는 적색으로 표현되며, 제4 압력센서는 무색으로 표현되었다. 다만, 제2 입력센서의 압력 변화는 제3 압력센서의 압력 변화보다 높게 형성되므로 더욱 진한색으로 표현된다.

또한, 사용자가 착석상태에서 기립상태로 보행 동작을 변화시켰다고 가정하면, 압력 변화 분석부(120)는 착석상태에서 측정된 압력값과 기립상태의 압력값을 상호 비교한다.

비교한 결과 도 8e에 도시된 바와 같이, 제1 압력센서, 제2 압력센서 및 제3 압력센서에서 측정된 압력값은 착석상태에서 측정된 압력값을 유지하고 있고, 제4 압력센서에서 측정된 압력값은 50% 상승하였다.

이를 색 변화로 표현하면, 제1 압력센서, 제2 압력센서 및 제3 압력센서는 청색으로 표현되고, 제4 압력센서는 무색으로 표현되었다.

한편, 제4 압력센서에서 측정된 압력값은 50% 상승되어 적색으로 표시되는 것이 바람직하나, 이는 초기 압력값 즉, 기립상태의 제4 압력센서에서 측정된 값과 동일하므로 무색으로 표현된다.

S520 단계가 완료되면, 추정부(130)는 분석 결과에 따라 사용자의 보행 의도를 추정한다(S530).

추정부(130)는 제1 압력센서(201), 제2 압력센서(202), 제3 압력센서(203) 및 제4 압력센서(204) 각각의 압력 변화와 기 설정된 압력 변화 패턴을 비교하여 사용자의 보행 의도를 추정한다.

이때, 사용자의 보행 의도는 평지에서의 보행, 계단 오르기 또는 내려가기, 정지, 앉기, 기립 중에서 적어도 하나를 포함한다.

S220단계에서 설명한 바와 같이, 기립상태에서 측정된 압력값을 초기 압력값으로 설정하였을 경우, 제1 압력센서 내지 제4 압력센서에서 각각 측정되는 압력의 변화는 일정한 패턴을 가지게 된다. 따라서, 앞서 설명한 바와 같이, 보행 동작에 따라 각각의 압력 변화 패턴을 설정하고, 현재 시점에서 측정된 압력값이 기 설정된 압력 변화 패턴에 부합된다고 판단되면, 추정부(130)는 압력 변화 패턴에 따라 사용자의 보행 의도를 추정할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100 : 보행 의도 추정 장치
110 : 압력값 획득부
120 : 압력 변화 분석부
130 : 추정부

Claims (10)

1. 압력 변화를 이용한 보행 의도 추정 장치에 있어서,
   소켓 내부에 설치되는 복수의 압력 센서로부터 각각의 압력값을 획득하는 압력값 획득부,
   상기 현재 시점에서 획득한 압력값과 초기 압력값을 비교하여 압력 변화를 분석하는 압력 변화 분석부, 그리고
   압력 변화가 발생된 것으로 판단되면, 복수의 압력값의 압력 변화 패턴을 이용하여 사용자의 보행 의도를 추정하는 추정부를 포함하는 보행 의도 추정 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 압력센서는,
   압력감지천 전도성 필름으로 형성되며,
   사용자의 대퇴부 전면부, 대퇴부 후면부 및 절단부 저면에 대응되도록 소켓의 내부에 설치되는 보행 의도 추정 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 압력센서는,
   소켓의 내측 전면부에 상하로 복수개 설치되고,
   소켓의 내측 저면 및 내측 후면에는 각각 하나씩 설치되는 보행 의도 추정 장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 압력 변화 분석부는,
   사용자가 특정 동작을 행하기 직전에 측정된 각각의 압력값을 초기 압력값으로 설정하고,
   상기 설정된 초기 압력값과의 변화 여부를 분석하는 보행 의도 추정 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 추정부는,
   평지에서의 보행, 계단 오르기 또는 내려가기, 정지, 앉기, 기립 중에서 적어도 하나의 보행 의도를 추정하는 보행 의도 추정 장치.
6. 보행 의도 추정 장치를 이용한 보행 의도 추정 방법에 있어서,
   소켓 내부에 설치되는 복수의 압력 센서로부터 각각의 압력값을 획득하는 단계,
   상기 현재 시점에서 획득한 압력값과 초기 압력값을 비교하여 압력 변화를 분석하는 단계, 그리고
   압력 변화가 발생된 것으로 판단되면, 복수의 압력값의 압력 변화 패턴을 이용하여 사용자의 보행 의도를 추정하는 단계를 포함하는 보행 의도 추정 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 압력센서는,
   압력감지천 전도성 필름으로 형성되며,
   사용자의 대퇴부 전면부, 대퇴부 후면부 및 절단부 저면에 대응되도록 소켓의 내부에 설치되는 보행 의도 추정 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 압력센서는,
   소켓의 내측 전면부에 상하로 복수개 설치되고,
   소켓의 내측 저면 및 내측 후면에는 각각 하나씩 설치되는 보행 의도 추정 방법.
9. 제6항에 있어서,
   상기 압력 변화를 분석하는 단계는,
   사용자가 특정 동작을 행하기 직전에 측정된 각각의 압력값을 초기 압력값으로 설정하고,
   상기 설정된 초기 압력값과의 변화 여부를 분석하는 보행 의도 추정 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 보행 의도를 추정하는 단계는,
    평지에서의 보행, 계단 오르기 또는 내려가기, 정지, 앉기, 기립 중에서 적어도 하나의 보행 의도를 추정하는 보행 의도 추정 방법.