WO2024043656A1 - 보행 보조를 제어하기 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents

보행 보조를 제어하기 위한 장치 및 그 방법 Download PDF

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WO2024043656A1
WO2024043656A1 PCT/KR2023/012384 KR2023012384W WO2024043656A1 WO 2024043656 A1 WO2024043656 A1 WO 2024043656A1 KR 2023012384 W KR2023012384 W KR 2023012384W WO 2024043656 A1 WO2024043656 A1 WO 2024043656A1
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WO
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speed information
assistance device
walking assistance
control torque
information
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PCT/KR2023/012384
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English (en)
French (fr)
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송석훈
류정필
이석재
장경훈
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삼성전자주식회사
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls

Definitions

  • Embodiments of the present disclosure relate to a method for controlling walking assistance.
  • a walking assist device can be worn by a person to assist with muscle strength when walking. Walking can be improved by receiving muscle strength support through a walking assist device, and it makes walking possible for people who cannot walk normally.
  • the maximum output torque measured externally may differ from the internally controlled torque.
  • the control torque increases as the moving speed increases, and likewise, the final output torque also increases.
  • the limit torque of the drive motor and reducer is exceeded.
  • Embodiments seek to provide a method of determining a high-speed walking situation of a walking assistance device through sensor data.
  • Embodiments are intended to provide a control method for reducing the output torque load of a walking assistance device in a high-speed walking situation.
  • a method of controlling a walking assistance device includes obtaining sensor data from one or more sensors, acquiring a plurality of speed information based on the sensor data, and obtaining a plurality of speed information based on at least one of the plurality of speed information, determining whether the walking assistance device has reached a first state; determining a change control torque corresponding to at least one of a plurality of speed information based on the determination result; and controlling the walking assistance device with the change control torque. It may include steps.
  • An electronic device includes a memory storing at least one instruction and at least one processor executing at least one instruction, wherein the at least one processor executes at least one instruction.
  • a walking assistance device includes a sensor unit including at least one sensor, a driver, and a processor, wherein the processor acquires sensor data from one or more sensors and acquires a plurality of speed information based on the sensor data. And, based on at least one of the plurality of speed information, determine whether the walking assistance device has reached the first state, and based on the determination result, change control torque corresponding to at least one of the plurality of speed information. Determine, and the drive unit can provide a changeable control torque.
  • Embodiments may provide a method of determining a high-speed walking situation of a walking assistance device through sensor data.
  • Embodiments may provide a control method for reducing the output torque load of a walking assistance device in a high-speed walking situation.
  • FIG. 1A shows a side view of a walking assistance device according to one embodiment.
  • Figure 1B shows a front view of a walking assistance device according to one embodiment.
  • Figure 2 shows the input-output relationship of a walking assistance device according to an embodiment.
  • Figure 3 is a flowchart for explaining a control method of a walking assistance device according to an embodiment.
  • FIGS. 4A and 4B are diagrams for explaining a method of determining whether a first state exists, according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating current control torque and changed control torque according to an embodiment.
  • Figure 6 is a block diagram for explaining an electronic device according to an embodiment.
  • first or second may be used to describe various components, but these terms should be understood only for the purpose of distinguishing one component from another component.
  • a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component.
  • Embodiments may be implemented in various types of products such as personal computers, laptop computers, tablet computers, smart phones, televisions, smart home appliances, intelligent vehicles, kiosks, and wearable devices.
  • products such as personal computers, laptop computers, tablet computers, smart phones, televisions, smart home appliances, intelligent vehicles, kiosks, and wearable devices.
  • FIG. 1A shows a side view of a walking assistance device according to one embodiment.
  • the walking assistance device 100 may be mounted on a user and assist the user in walking.
  • the walking assistance device 100 may be a wearable device, and may hereinafter be referred to as a wearable robot.
  • Figure 1a shows a hip-type walking assistance device, but the type of the walking assistance device is not limited to the hip type, and the walking assistance device may be of a type that supports the entire lower limb or a type that supports a portion of the lower limb. Additionally, the walking assistance device may be one of a type that supports part of the lower extremities, a type that supports up to the knees, a type that supports up to the ankles, and a type that supports the entire body.
  • the description referring to FIG. 1A and below may be applied to the hip type, but is not limited thereto and may be applied to any device that assists the user's walking.
  • the walking assistance device 100 may include a driving unit 110, a sensor unit 120, and a control unit 130. However, not all of the illustrated components are essential components.
  • the walking assistance device 100 may be implemented with more components than the components shown, or may be implemented with fewer components.
  • the walking assistance device 100 may further include a user interface, a communication interface, and a memory in addition to the driving unit 110, the sensor unit 120, and the control unit 130.
  • ⁇ unit used in the components shown in FIG. 1A (drive unit 110, sensor unit 120, and control unit 130) refers to, for example, one of hardware, software, or firmware. It may refer to a unit containing a combination of two or more. “ ⁇ Part” is used interchangeably with terms such as, for example, module, unit, logic, logical block, component, or circuit. use) can be used. “ ⁇ part” may be the minimum unit of an integrated part or a part thereof.
  • ⁇ Part may be the minimum unit or part thereof that performs one or more functions. “ ⁇ part” may be implemented mechanically or electronically. For example, “ ⁇ part” refers to application-specific integrated circuit (ASIC) chips, field-programmable gate arrays (FPGAs), or programmable-logic devices, known or to be developed in the future, that perform certain operations. It may include at least one of: Below, we look at the above components in turn.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • FPGAs field-programmable gate arrays
  • the driving unit 110 drives both hip joints of the user and may be located on the user's right and left hips.
  • the driving unit 110 may include a motor capable of generating rotational torque.
  • the driving unit 110 may further include a reducer capable of amplifying torque by reducing the rotational speed of the motor.
  • the sensor unit 120 may include one or more sensors.
  • the sensor unit 120 may include at least one of an inertial sensor, an acceleration sensor, a gyroscope sensor, a geomagnetic sensor, a position sensor (e.g., GPS), a pressure sensor, and a proximity sensor, but is not limited thereto. no.
  • the walking assistance device 100 may include another sensor (e.g., ElectroMyoGram sensor (EMG sensor)) that can sense changes in the user's amount of exercise or biosignals according to walking motion. It may further include.
  • EMG sensor ElectroMyoGram sensor
  • the sensor unit 120 may include one or more potentiometers.
  • the potentiometer may sense at least one of the R-axis and L-axis joint angles or the R-axis and L-axis joint angular velocities according to the user's walking motion.
  • An inertial sensor can measure acceleration information and posture information when a user walks.
  • the inertial sensor may sense at least one of X-axis, Y-axis, and Z-axis acceleration or X-axis, Y-axis, and Z-axis angular velocity according to the user's walking motion.
  • the walking assistance device 100 may detect the landing point of the user's foot based on acceleration information measured by an inertial sensor.
  • the pressure sensor according to one embodiment is located on the sole of the user's foot and can detect the landing point of the user's foot.
  • the control unit 130 may control the driving unit 110 so that the driving unit 110 outputs torque (or assisting force) to help the user walk.
  • torque or assisting force
  • the control unit 130 may output a control signal to control the driver to generate torque. can do.
  • the driving unit 110 may generate torque based on the control signal output by the control unit 130.
  • Figure 1B shows a front view of a walking assistance device according to one embodiment.
  • the walking assistance device 100 may include a driving unit 110 for the right leg and a driving unit 110 for the left leg.
  • the control unit 130 may be designed to control either drive unit 110 on either side.
  • the control unit 130 controls only one driving unit 110, there may be a plurality of control units 130.
  • the control unit 130 may be designed to control both driving units 110.
  • FIG. 1B has been described as showing the front of the walking assistance device 100 according to one embodiment, but may be understood as showing the rear of the walking assistance device 100 of FIG. 2 depending on the design.
  • a preset torque signal may be set to the driving unit 110 according to the operating state of the walking assistance device 100.
  • the driving unit 110 may generate torque according to a set torque signal.
  • a torque signal may be set to the driver 110 according to the walking frequency at which the walking assistance device 100 operates.
  • the walking assistance device 100 may adjust the torque signal by referring to the result of the operation of the walking assistance device 100. In other words, the results of the operation can be fed back.
  • the walking assistance device 100 may calculate the torque signal using positive feedback.
  • the walking assistance device 100 may configure a closed loop to calculate the torque signal.
  • Figure 2 shows the input-output relationship of a walking assistance device according to an embodiment.
  • the walking assistance device 200 may be the walking assistance device 100 described with reference to FIGS. 1A and 1B.
  • the walking assistance device 200 can sense the movement of both hip joints of a user wearing the walking assistance device, identify the user's walking motion intention through this, and provide control torque for walking assistance suitable for the user. there is.
  • the user's both hip joint angles can be measured from a sensor unit such as a position sensor (e.g., the sensor unit 120 in FIG. 1A), and the hip joint angular velocities (qR', qL') ) and angular accelerations (qR'', qL'') can be measured or calculated as differences in joint angles.
  • a sensor unit such as a position sensor (e.g., the sensor unit 120 in FIG. 1A)
  • the hip joint angular velocities (qR', qL') ) and angular accelerations qR'', qL''
  • the walking assistance device 200 can determine the user's walking motion intention based on the measured hip joint angle information on both sides of the user, and thereby generate a control torque for walking assistance suitable for the user. .
  • the generated control torque for walking assistance may be transmitted to a driving unit (eg, the driving unit 110 in FIG. 1A) and provided to both hip joints of the user.
  • the externally measured output torque is greater than the control torque, it may exceed the limit torque of the drive motor and reducer.
  • the output torque is the control torque plus the torque caused by an external force (for example, the user's movement), and the faster the moving speed, the larger the output torque can be. If the output torque increases beyond the threshold and exceeds the limit torque of the drive motor and reducer, it may cause failure of the motor and reducer.
  • the walking assistance device 200 may detect a high-speed walking situation and adjust the control torque to reduce the output torque load in the high-speed walking situation.
  • Figure 3 is a flowchart for explaining a control method of a walking assistance device according to an embodiment.
  • steps 310 to 350 are described as being performed using the walking assistance device 200 shown in FIG. 2 .
  • steps 310-350 may be used via any other suitable electronic device and within any suitable system.
  • FIG. 3 may be performed in the order and manner shown, the order of some operations may be changed or some operations may be omitted without departing from the spirit and scope of the illustrated embodiment. Multiple operations shown in Figure 3 may be performed in parallel or simultaneously. Contents described with reference to FIGS. 1A to 2 can be applied equally to FIG. 3 , and overlapping content can be omitted.
  • the walking assistance device 200 may acquire sensor data from one or more sensors.
  • Sensor data may be data sensed by a sensor unit (eg, sensor unit 120 of FIG. 1A).
  • sensor data may include encoder data of a motor, R-axis and L-axis joint angles or R-axis and L-axis joint angular velocities according to the user's walking motion, and acceleration information or posture information when the user walks.
  • the walking assistance device 200 may obtain a plurality of speed information based on sensor data.
  • Speed information may include at least one of joint speed information, walking speed information, power information, and movement tempo information.
  • Joint speed information may mean joint angle change amount information per time.
  • the joint angle may refer to the R-axis and L-axis joint angles according to the user's walking motion.
  • Power information according to one embodiment may be determined by the product of joint speed and control torque.
  • Walking speed information may mean a change in position per time according to the user's walking motion, and therefore, when the user moves in place, the walking speed may be '0'.
  • Walking speed information according to one embodiment may be obtained based on encoder data of a motor.
  • Movement tempo information may mean information about a repetition period corresponding to a specific repeated movement of the user. A more detailed description of the movement tempo information according to one embodiment is described below with reference to FIG. 4B.
  • the walking assistance device 200 may determine whether the walking assistance device is in the first state based on at least one of a plurality of speed information.
  • the fact that the walking assistance device according to one embodiment is in the first state may mean the above-described high-speed walking situation.
  • the walking assistance device 200 sets each of a plurality of speed information (e.g., joint speed information, walking speed information, power information, and movement tempo information) to a threshold value corresponding to each of the plurality of speed information. By comparing with , it can be determined whether it is in the first state. A specific method of determining whether the first state according to an embodiment is described below with reference to FIGS. 4A and 4B.
  • a plurality of speed information e.g., joint speed information, walking speed information, power information, and movement tempo information
  • FIGS. 4A and 4B are diagrams for explaining a method of determining whether a first state exists, according to an embodiment.
  • the walking assistance device 200 may obtain joint speed information 410, walking speed information 420, and power information 430 based on sensor data.
  • the walking assistance device 200 may compare joint speed information 410 with a first threshold 411, and compare walking speed information 420 with a second threshold 421,
  • the power information 430 may be compared with the third threshold 431.
  • the first threshold 411, the second threshold 421, and the third threshold 431 may be determined to be different values.
  • the walking assistance device 200 has at least one of the joint speed information 410, walking speed information 420, and power information 430 exceeding the corresponding threshold values 411, 421, and 431, respectively. In this case, it may be determined that the walking assistance device 200 is in the first state.
  • the walking assistance device 200 may determine that it is currently in the first state.
  • the walking assistance device 200 has at least one of the speed information (joint speed information 410, walking speed information 420, and power information 430) continuously exceeding the threshold for a predetermined time or more. In this case, it may be determined that the walking assistance device 200 is in the first state.
  • the joint speed information 410 exceeds the first threshold 411, if it does not continuously exceed the first threshold 411 for a predetermined time, it is not determined that it currently corresponds to the first state. It may not be possible.
  • the predetermined time may differ depending on the type of speed information (joint speed information 410, walking speed information 420, and power information 430).
  • the walking assistance device 200 may be determined to be in the first state, and the walking speed In the case of the information 420, it may be determined that the walking assistance device 200 corresponds to the first state when the second threshold 421 is continuously exceeded for more than a second time, and in the case of the power information 430, the walking assistance device 200 may be determined to be in the first state.
  • the third threshold 431 is exceeded for more than a third time, it may be determined that the walking assistance device 200 is in the first state.
  • joint speed information 410 walking speed information 420, and power information 430 are described as examples of speed information, but speed information is not necessarily limited thereto.
  • speed information may include movement tempo information.
  • the walking assistance device 200 may obtain movement tempo information based on sensor data.
  • Movement tempo information may be information about a repetition period corresponding to a specific repeated movement of the user.
  • the walking assistance device 200 may count the specific movement and calculate the movement tempo through the interval between counts. Through this, the walking assistance device 200 according to one embodiment can also detect a high-speed walking situation that may occur when the user moves in place without walking.
  • the walking assistance device 200 may obtain joint angle information based on sensor data and identify movement corresponding to the joint angle information. If the joint angle change is repeated within a predetermined error, the walking assistance device 200 may determine that the user is currently performing a specific repeated movement.
  • the drawing 450 may be a graph of joint angles over time in this situation.
  • the joint angle increases from ⁇ 1 to ⁇ 2
  • the joint angle decreases from ⁇ 2 to ⁇ 3
  • the joint angle increases from ⁇ 3 to ⁇ 4.
  • the walking assistance device 200 compares ( ⁇ 2- ⁇ 1) and ( ⁇ 2- ⁇ 3) and ( ⁇ 2- ⁇ 3) and ( ⁇ 4- ⁇ 3) to determine if the joint angle change is within a predetermined error.
  • the walking assistance device 200 may determine that the user is currently performing a specific repeated movement (eg, squat exercise 440).
  • the walking assistance device 200 may calculate the movement tempo.
  • the walking assistance device 200 may calculate the movement tempo based on the joint angle change and repetition period. For example, the walking assistance device 200 may calculate the movement tempo corresponding to each of the time sections T1, T2, and T3. Alternatively, the walking assistance device 200 may calculate the movement tempo using the average values of ( ⁇ 2- ⁇ 1), ( ⁇ 2- ⁇ 3), and ( ⁇ 4- ⁇ 3) and the average values of T1, T2, and T3.
  • the walking assistance device 200 may compare the movement tempo with a threshold value and, if the movement tempo exceeds the threshold value, determine that the walking assistance device 200 is in the first state.
  • the walking assistance device 200 may determine a change control torque corresponding to at least one of a plurality of speed information based on the determination result.
  • the walking assistance device 200 may receive the current control torque and change the current control torque into a change control torque to reduce the output torque load.
  • the change control torque may vary depending on the magnitude of the plurality of speed information determined in step 330.
  • the walking assistance device 200 may vary the degree to which the torque is lowered as the speed increases, or may always set the change control torque to a specific value above a certain speed.
  • the walking assistance device 200 may use a lookup table to determine a change control torque corresponding to at least one of the current control torque and a plurality of speed information.
  • a lookup table according to one embodiment may be created for each of a plurality of pieces of speed information.
  • the first lookup table may store change control torque values corresponding to each of a plurality of joint speed values and control torque values
  • the second lookup table may store change control torque values corresponding to each of a plurality of walking speed values and control torque values.
  • the control torque value may be stored
  • the third lookup table may store the change control torque value corresponding to each of the plurality of power values and control torque values
  • the fourth lookup table may store the change control torque value corresponding to each of the plurality of movement tempo values and control torque values.
  • the corresponding change control torque value can be stored.
  • the walking assistance device 200 may determine a derating ratio corresponding to at least one of a plurality of speed information, multiply the current control torque by the derating ratio, and determine the change control torque. .
  • the walking assistance device 200 may control the walking assistance device using change control torque.
  • the walking assistance device 200 may control the current or voltage of the motor so that the driving unit (eg, the driving unit 110 in FIG. 1A) operates with a change control torque.
  • the walking assistance device 200 may repeat steps 310 to 330 to determine whether the walking assistance device 200 is still in the first state, and may determine whether the walking assistance device 200 is still in the first state. If applicable, steps 340 to 350 may be used to adjust the current control torque to a change control torque.
  • weights may be assigned according to the number of repetitions when determining the change control torque. For example, if the current control torque is still in the first state even though the current control torque is adjusted to the change control torque, the change control torque value can be determined by additionally reflecting the weight determined according to the number of repetitions.
  • the walking assistance device 200 may adjust the changed control torque value to the control torque value for the original resistance.
  • the walking assistance device 200 may multiply the changed control torque value by a specific ratio, or directly to the original control torque value. You can set it or use a lookup table.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating current control torque and changed control torque according to an embodiment.
  • the walking assistance device 200 When the walking assistance device 200 according to one embodiment is in the first state, it may change the current control torque to the change control torque.
  • the x-axis of the drawing 500 represents time (ms), and the y-axis represents torque value (Nm).
  • the drawing 500 shows a first graph 510 and a second graph 520, and the first graph 510 shows the time when the walking assistance device is not controlled with the change control torque according to an embodiment. It is a graph showing control torque values according to each other, and the second graph 520 is a graph showing control torque values according to time when controlling the walking assistance device with change control torque according to an embodiment.
  • the walking assistance device 200 uses the current control torque as is. Therefore, the first graph 510 and the second graph 520 may have the same torque value. However, when the walking assistance device 200 corresponds to the first state 530, the walking assistance device 200 controls the walking assistance device 200 with a change control torque having a lower torque value than the current control torque. Therefore, it can be confirmed that the torque value of the second graph 520 is lower than the torque value of the first graph 510.
  • the walking assistance device 200 detects the first state 530, that is, a high-speed walking situation, and changes the current control torque to a change control torque (a lower value than the current control torque) when the high-speed walking situation is detected.
  • the load applied to components (eg, drive motor, reducer) included in the walking assistance device 200 can be reduced.
  • Figure 6 is a block diagram for explaining an electronic device according to an embodiment.
  • the electronic device 600 may include a processor 610 and a memory 630.
  • the processor 610 acquires sensor data from one or more sensors, obtains a plurality of speed information based on the sensor data, and operates a walking assistance device based on at least one of the plurality of speed information. It may be determined whether it corresponds to the first state, and based on the determination result, a change control torque corresponding to at least one of the plurality of speed information may be determined.
  • the memory 630 may be a volatile memory or a non-volatile memory, and the processor 610 may execute a program and control the electronic device 600. Program code executed by the processor 610 may be stored in the memory 630.
  • the electronic device 600 can be connected to an external device through an input/output device (not shown) and exchange data.
  • the electronic device 600 is a variety of computing devices, such as walking assistance devices (e.g., walking assistance device 200 in FIG. 2), smart phones, tablet computers, laptop computers, desktop computers, televisions, wearable devices, security systems, and smart home systems. It may be mounted on a device and/or system.
  • the embodiments described above may be implemented with hardware components, software components, and/or a combination of hardware components and software components.
  • the devices, methods, and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, and a field programmable gate (FPGA).
  • ALU arithmetic logic unit
  • FPGA field programmable gate
  • It may be implemented using a general-purpose computer or a special-purpose computer, such as an array, programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions.
  • the processing device may execute an operating system (OS) and software applications running on the operating system. Additionally, a processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of software.
  • OS operating system
  • a processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of software.
  • a single processing device may be described as being used; however, those skilled in the art will understand that a processing device includes multiple processing elements and/or multiple types of processing elements. It can be seen that it may include.
  • a processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Additionally, other processing configurations, such as parallel processors, are possible.
  • Software may include computer programs, code, instructions, or combinations thereof, that configure a processing unit to operate as desired, or that operate independently or collectively. You can command.
  • Software and/or data may be used on any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device to be interpreted by or to provide instructions or data to a processing device. , or may be permanently or temporarily embodied in a transmitted signal wave.
  • Software may be distributed over networked computer systems and thus stored or executed in a distributed manner.
  • Software and data may be stored on a computer-readable recording medium.
  • the method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium.
  • Computer-readable media may include program instructions, data files, data structures, etc., singly or in combination. Program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment or may be known and available to those skilled in the art of computer software.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks.
  • Examples of program instructions include machine language code, such as that produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc.

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Abstract

보행 보조 장치 및 그 제어 방법이 개시된다. 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치의 제어 방법은 하나 이상의 센서로부터 센서 데이터를 획득하는 단계, 센서 데이터에 기초하여, 복수의 속도 정보들을 획득하는 단계, 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 기초하여, 보행 보조 장치가 제1 상태에 도달하였는지 여부를 판단하는 단계, 판단 결과에 기초하여, 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 변경 제어 토크를 결정하는 단계 및 변경 제어 토크로 보행 보조 장치를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

보행 보조를 제어하기 위한 장치 및 그 방법
본 개시의 실시 예들은 보행 보조를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
보행 보조 장치는 사람이 착용함으로써 보행 시 근력을 보조 받을 수 있다. 보행 보조 장치를 통해 근력을 보조 받음으로써 보행을 개선시킬 수 있으며, 정상적인 보행을 못하는 사람의 경우는 보행을 가능케 한다.
보행 보조 장치를 착용하고 걷기 및 운동을 위해 내부적으로 제어하는 토크 대비 외부에서 측정되는 최대 출력 토크는 차이가 날 수 있고, 이 때 제어 토크는 움직이는 속도가 빠를수록 높아지고 마찬가지로 최종 출력 토크도 높아지며, 이에 따라 구동 모터 및 감속기의 한계 토크를 벗어나는 경우가 발생 될 수 있다.
실시예들은 센서 데이터를 통해 보행 보조 장치의 고속 보행 상황을 판단하는 방법을 제공하고자 한다.
실시예들은 보행 보조 장치의 고속 보행 상황에서의 출력 토크 부하 감소를 위한 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시 예에 따른 보행 보조 장치의 제어 방법은 하나 이상의 센서로부터 센서 데이터를 획득하는 단계, 센서 데이터에 기초하여, 복수의 속도 정보들을 획득하는 단계, 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 기초하여, 보행 보조 장치가 제1 상태에 도달하였는지 여부를 판단하는 단계, 판단 결과에 기초하여, 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 변경 제어 토크를 결정하는 단계 및 변경 제어 토크로 보행 보조 장치를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 전자 장치는 적어도 하나의 인스트럭션(instruction)을 저장하는 메모리 및 적어도 하나의 인스트럭션을 실행하는 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 적어도 하나의 프로세서는, 적어도 하나의 인스트럭션을 실행함으로써, 하나 이상의 센서로부터 센서 데이터를 획득하고, 센서 데이터에 기초하여, 복수의 속도 정보들을 획득하고, 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 기초하여, 보행 보조 장치가 제1 상태에 도달하였는지 여부를 판단하고, 판단 결과에 기초하여, 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 변경 제어 토크를 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따른 보행 보조 장치는 적어도 하나의 센서를 포함하는 센서부, 구동부 및 프로세서를 포함하고, 프로세서는 하나 이상의 센서로부터 센서 데이터를 획득하고, 센서 데이터에 기초하여, 복수의 속도 정보들을 획득하고, 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 기초하여, 보행 보조 장치가 제1 상태에 도달하였는지 여부를 판단하고, 판단 결과에 기초하여, 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 변경 제어 토크를 결정하고, 구동부는 변경 제어 토크를 제공할 수 있다.
실시예들은 센서 데이터를 통해 보행 보조 장치의 고속 보행 상황을 판단하는 방법을 제공할 수 있다.
실시예들은 보행 보조 장치의 고속 보행 상황에서의 출력 토크 부하 감소를 위한 제어 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 측면을 도시한다.
도 1b는 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 정면을 도시한다.
도 2는 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 입출력 관계를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4a내지 도 4b는 일 실시예에 따른 제1 상태 해당 여부를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 현재 제어 토크와 변경 제어 토크를 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전자 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
본 명세서에서 개시되어 있는 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 기술적 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 실제로 구현된 형태는 다양한 다른 모습을 가질 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예로만 한정되지 않는다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 이해되어야 한다. 예를 들어 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
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. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~간의"와 "바로~간의" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
실시예들은 퍼스널 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 스마트 폰, 텔레비전, 스마트 가전 기기, 지능형 자동차, 키오스크, 웨어러블 장치 등 다양한 형태의 제품으로 구현될 수 있다. 이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1a는 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 측면을 도시한다.
도 1a를 참조하면, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(100)는 사용자에게 장착되어 사용자의 보행을 보조할 수 있다. 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(100)는 웨어러블 장치(wearable device)일 수 있고, 이하에서 웨어러블 로봇으로 지칭될 수 있다.
도 1a는 힙 타입의 보행 보조 장치를 도시하고 있으나, 보행 보조 장치의 타입은 힙 타입에 제한되는 것은 아니며, 보행 보조 장치는 하지 전체를 지원하는 형태 또는 하지 일부를 지원하는 타입일 수 있다. 그리고, 보행 보조 장치는 하지 일부를 지원하는 형태, 무릎까지 지원하는 형태, 발목까지 지원하는 형태 및 전신을 지원하는 형태 중 어느 하나일 수 있다.
도 1a 이하를 참조하는 설명은 힙 타입에 대해 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아니며 사용자의 보행을 보조하는 장치에 대해서 모두 적용될 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(100)는 구동부(110), 센서부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다. 그러나 도시된 구성요소 모두가 필수구성요소인 것은 아니다. 도시된 구성요소보다 많은 구성요소에 의해 보행 보조 장치(100)가 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성요소에 의해서도 보행 보조 장치(100)는 구현될 수 있다.
예를 들어 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(100)는 구동부(110), 센서부(120) 및 제어부(130) 이외에 사용자 인터페이스, 통신 인터페이스 및 메모리를 더 포함할 수도 있다.
도 1a에 도시된 구성요소들(구동부(110), 센서부(120) 및 제어부(130))에서 사용된 용어 "~부"은, 예를 들면, 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어(firmware) 중 하나 또는 둘 이상의 조합을 포함하는 단위(unit)를 의미할 수 있다. "~부"는, 예를 들면, 모듈(module), 유닛(unit), 로직(logic), 논리 블록(logical block), 부품(component), 또는 회로(circuit) 등의 용어와 바꾸어 사용(interchangeably use)될 수 있다. "~부"는, 일체로 구성된 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다.
"~부"는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는 최소 단위 또는 그 일부가 될 수도 있다. "~부"는 기계적으로 또는 전자적으로 구현될 수 있다. 예를 들면,"~부"는, 알려졌거나 앞으로 개발될, 어떤 동작들을 수행하는 ASIC(application-specific integrated circuit) 칩, FPGAs(field-programmable gate arrays) 또는 프로그램 가능 논리 장치(programmable-logic device) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이하 상기 구성요소들에 대해 차례로 살펴본다.
일 실시예에 따른 구동부(110)는 사용자의 양쪽 힙 관절을 구동시키고, 사용자의 오른쪽 및 왼쪽 힙 부분에 위치할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따른 구동부(110)는 회전 토크를 발생시킬 수 있는 모터를 포함할 수 있다. 구동부(110)는 모터의 회전속도를 줄여 토크를 증폭시킬 수 있는 감속기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 센서부(120)는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 센서부(120)는 관성 센서, 가속도 센서, 자이로스코프 센서, 지자기 센서, 위치 센서(예컨대, GPS), 압력 센서, 근접 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(100)는 보행 동작에 따른 사용자의 운동량 또는 생체 신호 등의 변화를 센싱할 수 있는 다른 센서(예를 들어, 근전도 센서(ElectroMyoGram sensor: EMG sensor)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 센서부(120)는 하나 이상의 포텐셔미터(potentiometer)들을 포함할 수 있다. 포텐셔미터는 사용자의 보행 동작에 따른 R축, L축 관절 각도 또는 R축, L축 관절 각속도 중 적어도 하나를 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따른 관성 센서는 사용자가 보행 시 가속도 정보와 자세 정보를 측정할 수 있다. 예를 들어, 관성 센서는 사용자의 보행 동작에 따른 X축, Y축, Z축 가속도 또는 X축, Y축, Z축 각속도 중 적어도 하나를 센싱할 수 있다. 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(100)는 관성 센서에서 측정된 가속도 정보에 기반하여 사용자 발의 착지 시점을 검출할 수 있다.
일 실시예에 따른 압력 센서는 사용자의 발바닥에 위치하여 사용자의 발의 착지 시점을 검출할 수 있다.
일 실시예에 따른 제어부(130)는 구동부(110)가 사용자의 보행을 돕기 위한 토크(또는, 보조력)을 출력하도록, 구동부(110)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 힙 타입의 보행 보조 장치(100)에서, 구동부(110)는 두 개(왼쪽 힙 및 오른쪽 힙)일 수 있고, 제어부(130)는 토크가 발생하도록 구동기를 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있다. 구동부(110)는 제어부(130)가 출력한 제어 신호에 기반하여, 토크를 발생시킬 수 있다.
도 1b는 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 정면을 도시한다.
일 실시예에 따른 보행 보조 장치(100)는 오른쪽 다리를 위한 구동부(110) 및 왼쪽 다리를 위한 구동부(110)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 제어부(130)는 양쪽의 어느 하나의 구동부(110)를 제어하도록 설계될 수 있다. 제어부(130)가 어느 하나의 구동부(110)만을 제어하는 경우, 제어부(130)는 복수 개일 수 있다. 다른 예로, 제어부(130)는 양쪽의 구동부(110)들을 모두 제어하도록 설계될 수 있다.
도 1b는 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(100)의 정면을 도시하는 것으로 설명하였으나, 설계에 따라 도 2의 보행 보조 장치(100)의 후면을 도시하는 것으로 이해될 수도 있다.
일 측면에 따르면, 보행 보조 장치(100)의 동작 상태에 따라 구동부(110)에 미리 설정된 토크 신호가 설정될 수 있다. 구동부(110)는 설정된 토크 신호에 따라 토크를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 보행 보조 장치(100)가 동작하는 보행 주파수에 따라 토크 신호가 구동부(110)에 설정될 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 보행 보조 장치(100)는 보행 보조 장치(100)가 동작한 결과를 참조하여 토크 신호를 조정할 수 있다. 다시 말하자면, 동작 결과가 피드백될 수 있다.
예를 들어, 보행 보조 장치(100)는 양의 피드백(positive feedback)을 이용하여 토크 신호를 계산할 수 있다. 보행 보조 장치(100)는 토크 신호를 계산하기 위해 폐쇄 루프(closed loop)를 구성할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 입출력 관계를 도시한다.
도 1a 내지 도 1b를 참조하여 설명한 내용은 도 2에 동일하게 적용될 수 있고, 중복되는 내용은 생략될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 도 1a 내지 도 1b를 참조하여 설명한 보행 보조 장치(100)일 수 있다.
일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 보행 보조 장치를 착용하고 있는 사용자의 양쪽 고관절 움직임을 센싱하고 이를 통해 사용자의 보행 동작 의도를 파악하여 사용자에게 적합한 보행 보조를 위한 제어 토크를 제공할 수 있다.
도 2를 참조하면, 사용자의 양쪽 고관절 각도(qR, qL)는 위치 센서등과 같은 센서부(예: 도 1a의 센서부(120))로부터 측정될 수 있고, 고관절 각속도(qR', qL') 및 각가속도(qR'', qL'')는 측정되거나 또는 관절 각도의 차분으로 계산될 수 있다.
일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 측정된 사용자의 양쪽 고관절 각도 정보에 기초하여 사용자의 보행 동작 의도 등을 파악할 수 있고, 이를 통하여 사용자에게 적합한 보행 보조를 위한 제어 토크를 생성할 수 있다. 생성된 보행 보조를 위한 제어 토크는 구동부(예: 도 1a의 구동부(110))로 전달되어 사용자의 양쪽 고관절에 제공될 수 있다.
제어 토크 보다 외부에서 측정되는 출력 토크가 클 경우, 구동 모터 및 감속기의 한계 토크를 벗어날 수 있다. 출력 토크는 제어 토크에 외부 힘(예를 들어, 사용자의 움직임)에 의한 토크가 더해진 것으로, 움직이는 속도가 빠를수록 출력 토크가 커질 수 있다. 출력 토크가 임계값 이상으로 커져 구동 모터 및 감속기의 한계 토크를 벗어나게 되면, 모터 및 감속기의 고장을 유발 할 수 있다.
아래에서 상세히 설명하겠지만, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 고속 보행 상황을 감지하고, 고속 보행 상황에서의 출력 토크 부하 감소를 위해 제어 토크를 조정할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
설명의 편의를 위해, 단계들(310 내지 350)은 도 2에 도시된 보행 보조 장치(200)를 사용하여 수행되는 것으로 기술된다. 그러나 이 단계들(310 내지 350)은 어떤 다른 적절한 전자 기기를 통해, 그리고 어떤 적절한 시스템 내에서도 사용될 수 있을 것이다.
나아가, 도 3의 동작은 도시된 순서 및 방식으로 수행될 수 있지만, 도시된 실시예의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 일부 동작의 순서가 변경되거나 일부 동작이 생략될 수 있다. 도 3에 도시된 다수의 동작은 병렬로 또는 동시에 수행될 수 있다. 도 1a 내지 도 2를 참조하여 설명한 내용은 도 3에 동일하게 적용될 수 있고, 중복되는 내용은 생략될 수 있다.
단계(310)에서, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 하나 이상의 센서로부터 센서 데이터를 획득할 수 있다. 일 실시예에 따른 센서 데이터는 센서부(예: 도 1a의 센서부(120))에서 센싱한 데이터일 수 있다. 예를 들어, 센서 데이터는 모터의 엔코더 데이터, 사용자의 보행 동작에 따른 R축, L축 관절 각도 또는 R축, L축 관절 각속도, 사용자가 보행 시 가속도 정보 또는 자세 정보를 포함할 수 있다.
단계(320)에서, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 센서 데이터에 기초하여, 복수의 속도 정보들을 획득할 수 있다. 일 실시예에 따른 속도 정보는 조인트 속도 정보, 보행 속도 정보, 파워 정보 및 움직임 템포 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 조인트 속도 정보는 시간 당 조인트 각도 변화량 정보를 의미할 수 있다. 조인트 각도는 사용자의 보행 동작에 따른 R축, L축 관절 각도를 의미할 수 있다. 일 실시예에 따른 파워 정보는 조인트 속도와 제어 토크의 곱에 의해 결정될 수 있다.
일 실시예에 따른 보행 속도 정보는 사용자의 보행 동작에 따른 시간 당 위치 변화를 의미할 수 있고, 따라서 사용자가 제자리에서 움직일 경우 보행 속도는 '0'일 수 있다. 일 실시예에 따른 보행 속도 정보는 모터의 엔코더 데이터에 기초하여 획득될 수 있다.
일 실시예에 따른 움직임 템포 정보는 사용자의 반복된 특정 움직임에 대응하는 반복 주기에 관한 정보를 의미할 수 있다. 일 실시예에 따른 움직임 템포 정보에 대한 보다 상세한 설명은 아래에서 도 4b를 참조하여 설명된다.
단계(330)에서, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 기초하여, 보행 보조 장치가 제1 상태에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다. 일 실시예에 따른 보행 보조 장치가 제1 상태 해당하는 것은 전술한 고속 보행 상황을 의미할 수 있다.
일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 복수의 속도 정보들(예를 들어, 조인트 속도 정보, 보행 속도 정보, 파워 정보 및 움직임 템포 정보) 각각을 복수의 속도 정보들 각각에 대응하는 임계값과 비교하여, 제1 상태 해당 여부를 판단할 수 있다. 일 실시예에 따른 제1 상태 해당 여부를 판단하는 구체적인 방법은 아래에서 도 4a 내지 도 4b를 참조하여 설명한다.
도 4a내지 도 4b는 일 실시예에 따른 제1 상태 해당 여부를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 센서 데이터에 기초하여, 조인트 속도 정보(410), 보행 속도 정보(420) 및 파워 정보(430)를 획득할 수 있다.
일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 조인트 속도 정보(410)를 제1 임계값(411)과 비교할 수 있고, 보행 속도 정보(420)를 제2 임계값(421)과 비교할 수 있고, 파워 정보(430)를 제3 임계값(431)과 비교할 수 있다. 여기서, 제1 임계값(411), 제2 임계값(421) 및 제3 임계값(431)은 서로 다른 값으로 결정될 수 있다.
일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 조인트 속도 정보(410), 보행 속도 정보(420) 및 파워 정보(430) 중 적어도 하나가 각각에 대응하는 임계값(411, 421, 431)을 초과할 경우, 보행 보조 장치(200)가 제1 상태에 해당한다고 판단할 수 있다.
예를 들어, 조인트 속도 정보(410) 및 보행 속도 정보(420)가 각각 제1 임계값(411) 및 제2 임계값(421)을 초과하지 않더라도, 파워 정보(430)가 제4 임계값(431)을 초과할 경우, 보행 보조 장치(200)는 현재 제1 상태에 해당한다고 판단할 수 있다.
일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 속도 정보들(조인트 속도 정보(410), 보행 속도 정보(420) 및 파워 정보(430)) 중 적어도 하나가 연속으로 미리 정해진 시간 이상 임계값을 초과할 경우, 보행 보조 장치(200)가 제1 상태에 해당한다고 판단할 수 있다.
예를 들어, 조인트 속도 정보(410)가 제1 임계값(411)을 초과하였더라도 미리 정해진 시간 동안 연속으로 제1 임계값(411)을 초과하지 못한 경우에는, 현재 제1 상태에 해당한다고 판단하지 않을 수 있다. 일 실시예에 따른 미리 정해진 시간은 속도 정보들(조인트 속도 정보(410), 보행 속도 정보(420) 및 파워 정보(430)) 종류에 따라 상이할 수 있다.
예를 들어, 조인트 속도 정보(410)의 경우 연속으로 제1 시간 이상 제1 임계값(411)을 초과할 경우에 보행 보조 장치(200)가 제1 상태에 해당한다고 판단할 수 있고, 보행 속도 정보(420)의 경우 연속으로 제2 시간 이상 제2 임계값(421)을 초과할 경우에 보행 보조 장치(200)가 제1 상태에 해당한다고 판단할 수 있고, 파워 정보(430)의 경우 연속으로 제3 시간 이상 제3 임계값(431)을 초과할 경우에 보행 보조 장치(200)가 제1 상태에 해당한다고 판단할 수 있다.
도 4a에서, 조인트 속도 정보(410), 보행 속도 정보(420) 및 파워 정보(430)를 속도 정보의 예시로 설명하였으나, 속도 정보가 반드시 이로 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 속도 정보는 움직임 템포 정보를 포함할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 센서 데이터에 기초하여, 움직임 템포 정보를 획득할 수 있다.
일 실시예에 따른 움직임 템포 정보는 사용자의 반복된 특정 움직임에 대응하는 반복 주기에 관한 정보일 수 있다. 사용자가 특정 움직임(예를 들어, 스쿼트 운동(440))을 반복할 경우, 보행 보조 장치(200)는 특정 움직임을 카운트할 수 있고, 카운트 사이의 간격을 통해 움직임 템포를 계산할 수 있다. 이를 통해, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 사용자가 보행하지 않고 제자리에서 움직일 경우에 발생할 수 있는 고속 보행 상황도 검출할 수 있다.
보다 구체적으로, 보행 보조 장치(200)는 센서 데이터에 기초하여, 조인트 각도 정보를 획득할 수 있고, 조인트 각도 정보에 대응하는 움직임을 식별할 수 있다. 보행 보조 장치(200)는 조인트 각도 변화가 미리 정해진 오차 이내에서 반복될 경우 보행 보조 장치(200)는 현재 사용자가 반복된 특정 움직임을 수행하고 있다고 판단할 수 있다.
예를 들어, 사용자가 보행 보조 장치(200)를 착용하고 스쿼트 운동(440)을 하고 있는 상황을 가정할 수 있고, 도면(450)은 이러한 상황에서 시간에 따른 조인트 각도 그래프일 수 있다. 도면(450)을 참조하면, 시간 구간 T1에서 조인트 각도가 θ1에서 θ2로 증가하고, 시간 구간 T2에서는 조인트 각도가 θ2에서 θ3로 감소하고, 시간 구간 T3에서는 조인트 각도가 θ3에서 θ4로 증가할 수 있다. 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 (θ2-θ1) 및 (θ2-θ3)를 비교하고, (θ2-θ3) 및 (θ4-θ3)를 비교하여, 조인트 각도 변화가 미리 정해진 오차 이내에서 반복될 경우 보행 보조 장치(200)는 현재 사용자가 반복된 특정 움직임(에를 들어, 스쿼트 운동(440))을 수행하고 있다고 판단할 수 있다.
현재 사용자가 반복된 특정 움직임을 수행하고 있다고 판단한 보행 보조 장치(200)는 움직임 템포를 계산할 수 있다. 보행 보조 장치(200)는 조인트 각도 변화 및 반복 주기에 기초하여 움직임 템포를 계산할 수 있다. 예를 들어, 보행 보조 장치(200)는 시간 구간 T1, T2, T3 각각에 대응하는 움직임 템포를 계산할 수 있다. 또는, 보행 보조 장치(200)는 (θ2-θ1), (θ2-θ3) 및 (θ4-θ3)의 평균 값과 T1, T2, T3의 평균 값을 이용하여 움직임 템포를 계산할 수도 있다.
일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 움직임 템포를 임계값과 비교하여, 임계값을 초과할 경우, 보행 보조 장치(200)가 제1 상태에 해당한다고 판단할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 단계(340)에서, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 판단 결과에 기초하여, 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 변경 제어 토크를 결정할 수 있다.
일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 현재 제어 토크를 수신할 수 있고, 출력 토크 부하 감소를 위해 현재 제어 토크를 변경 제어 토크로 변경할 수 있다. 일 실시예에 따른 변경 제어 토크는 단계(330)에서 판단한 복수의 속도 정보들의 크기 정도에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 속도가 빠를 수록 토크를 낮추는 정도를 달리 할 수 있고, 또는 특정 속도 이상에서는 변경 제어 토크를 항상 특정 값으로 설정 할 수 있다.
보다 구체적으로, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 룩업 테이블(lookup table)을 이용하여, 현재 제어 토크 및 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 변경 제어 토크를 결정할 수 있다. 일 실시예에 따른 룩업 테이블은 복수의 속도 정보들 별로 생성될 수 있다.
예를 들어, 제1 룩업 테이블은 복수의 조인트 속도 값들, 제어 토크 값들 각각에 대응되는 변경 제어 토크 값을 저장할 수 있고, 제2 룩업 테이블은 복수의 보행 속도 값들, 제어 토크 값들 각각에 대응되는 변경 제어 토크 값을 저장할 수 있고, 제3 룩업 테이블은 복수의 파워 값들, 제어 토크 값들 각각에 대응되는 변경 제어 토크 값을 저장할 수 있고, 제4 룩업 테이블은 복수의 움직임 템포 값들, 제어 토크 값들 각각에 대응되는 변경 제어 토크 값을 저장할 수 있다.
일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 디레이팅(derating) 비율을 결정하고, 현재 제어 토크에 디레이팅 비율을 곱하여, 변경 제어 토크를 결정할 수도 있다.
단계(350)에서, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 변경 제어 토크로 보행 보조 장치를 제어할 수 있다. 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 구동부(예: 도 1a의 구동부(110))가 변경 제어 토크 동작하도록 모터의 전류나 전압을 제어할 수 있다.
이후, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 단계들(310 내지 330)을 반복하여, 보행 보조 장치(200)가 여전히 제1 상태에 해당하는지 여부를 판단할 수 있고, 제1 상태에 해당할 경우 단계들(340 내지 350)를 통해 현재 제어 토크를 변경 제어 토크로 조정할 수 있다.
단계들(340 내지 350)을 반복할 경우, 변경 제어 토크 결정 시 반복 횟수에 따라 가중치를 부여할 수 있다. 예를 들어, 현재 제어 토크를 변경 제어 토크로 조정하였음에도 여전히 제1 상태에 해당할 경우, 반복 횟수에 따라 결정된 가중치를 추가로 반영하여 변경 제어 토크 값을 결정할 수 있다.
일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)가 정상적인 속도로 동작할 경우, 보행 보조 장치(200)는 변경된 제어 토크 값이 본래 저항을 위한 제어 토크 값으로 조정할 수 있다. 변경된 제어 토크 값이 본래 저항을 위한 제어 토크 값으로 조정하기 위해서, 일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 변경된 제어 토크 값에 특정 비율을 곱해줄 수 있고, 또는 바로 본래의 제어 토크 값으로 설정할 수도 있고, 룩업 테이블을 이용할 수도 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 현재 제어 토크와 변경 제어 토크를 도시한 도면이다.
일 실시예에 따른 보행 보조 장치(200)는 제1 상태에 해당할 경우 현재 제어 토크를 변경 제어 토크로 변경할 수 있다. 도 5를 참조하면, 도면(500)의 x축은 시간(ms)을, y축은 토크 값(Nm)을 의미한다. 도면(500)은 제1 그래프(510)와 제2 그래프(520)를 도시하고 있고, 제1 그래프(510)는 변경 제어 토크로 보행 보조 장치를 일 실시예에 따라 제어하지 않았을 때의 시간에 따른 제어 토크 값을 도시한 그래프이고, 제2 그래프(520)는 일 실시예에 따른 변경 제어 토크로 보행 보조 장치를 제어할 때의 시간에 따른 제어 토크 값을 도시한 그래프이다.
제1 그래프(510)와 제2 그래프(520)를 비교하면, 보행 보조 장치(200)가 제1 상태(530)에 해당하지 않을 경우에는, 보행 보조 장치(200)는 현재 제어 토크를 그대로 사용하기 때문에, 제1 그래프(510)와 제2 그래프(520)가 동일한 토크 값을 가질 수 있다. 그러나, 보행 보조 장치(200)가 제1 상태(530)에 해당할 경우에는, 보행 보조 장치(200)는 현재 제어 토크 보다 더 낮은 토크 값을 갖는 변경 제어 토크로 보행 보조 장치(200)를 제어하기 때문에, 제2 그래프(520)의 토크 값이 제1 그래프(510)의 토크 값보다 더 낮은 것을 확인할 수 있다.
보행 보조 장치(200)는 제1 상태(530), 다시 말해 고속 보행 상황을 감지하고, 고속 보행 상황이 감지될 경우 현재 제어 토크를 변경 제어 토크(현재 제어 토크 보다 낮은 값)로 변경함에 따라, 보행 보조 장치(200)에 포함된 구성들(예를 들어, 구동 모터, 감속기)에 가해지는 부하를 감소할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 전자 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 전자 장치(600)는 프로세서(610) 및 메모리(630)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 프로세서(610)는 하나 이상의 센서로부터 센서 데이터를 획득하고, 센서 데이터에 기초하여, 복수의 속도 정보들을 획득하고, 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 기초하여, 보행 보조 장치가 제1 상태에 해당하는지 여부를 판단하고, 판단 결과에 기초하여, 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 변경 제어 토크를 결정할 수 있다.
일 실시예에 따른 메모리(630)는 휘발성 메모리 또는 비 휘발성 메모리일 수 있고, 프로세서(610)는 프로그램을 실행하고, 전자 장치(600)를 제어할 수 있다. 프로세서(610)에 의하여 실행되는 프로그램 코드는 메모리(630)에 저장될 수 있다. 전자 장치(600)는 입출력 장치(미도시)를 통하여 외부 장치에 연결되고, 데이터를 교환할 수 있다. 전자 장치(600)는 보행 보조 장치(예: 도 2의 보행 보조 장치(200)), 스마트 폰, 테블릿 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 데스크톱 컴퓨터, 텔레비전, 웨어러블 장치, 보안 시스템, 스마트 홈 시스템 등 다양한 컴퓨팅 장치 및/또는 시스템에 탑재될 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 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, 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 소프트웨어 애플리케이션을 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(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 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. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 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.
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 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 보행 보조 장치의 제어 방법에 있어서,
    하나 이상의 센서로부터 센서 데이터를 획득하는 단계;
    상기 센서 데이터에 기초하여, 복수의 속도 정보들을 획득하는 단계;
    상기 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 보행 보조 장치가 제1 상태에 해당하는지 여부를 판단하는 단계;
    상기 판단 결과에 기초하여, 상기 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 변경 제어 토크를 결정하는 단계; 및
    상기 변경 제어 토크로 상기 보행 보조 장치를 제어하는 단계
    를 포함하는 보행 보조 장치의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 속도 정보들을 획득하는 단계는
    상기 센서 데이터에 기초하여, 조인트 속도 정보, 보행 속도 정보, 파워 정보 및 움직임 템포 정보 중 적어도 하나를 획득하는 단계
    를 포함하는, 보행 보조 장치의 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 속도 정보들을 획득하는 단계는
    상기 센서 데이터에 기초하여, 조인트 각도 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 조인트 각도 정보에 기초하여, 움직임 템포 정보를 획득하는 단계
    를 포함하는, 보행 보조 장치의 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 움직임 템포 정보를 획득하는 단계는
    상기 조인트 각도 정보에 대응하는 움직임을 식별하는 단계;
    상기 움직임에 대응하는 카운트 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 카운트 정보에 기초하여, 상기 움직임 템포 정보를 획득하는 단계
    를 포함하는, 보행 보조 장치의 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    현재 제어 토크를 수신하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 제어 토크를 결정하는 단계는
    룩업 테이블(lookup table)을 이용하여, 상기 현재 제어 토크 및 상기 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 상기 변경 제어 토크를 결정하는 단계
    를 포함하는, 보행 보조 장치의 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    현재 제어 토크를 수신하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 제어 토크를 결정하는 단계는
    상기 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 디레이팅(derating) 비율을 결정하는 단계; 및
    상기 현재 제어 토크에 상기 디레이팅 비율을 곱하여, 상기 변경 제어 토크를 결정하는 단계
    를 포함하는, 보행 보조 장치의 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는
    상기 복수의 속도 정보들 각각을 상기 복수의 속도 정보들 각각에 대응하는 임계값과 비교하는 단계; 및
    상기 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나의 속도 정보가 상기 임계값을 초과할 경우, 상기 보행 보조 장치가 상기 제1 상태에 해당한다고 판단하는 단계
    를 포함하는, 보행 보조 장치의 제어 방법.
  8. 하드웨어와 결합되어 제1항의 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  9. 적어도 하나의 인스트럭션(instruction)을 저장하는 메모리; 및
    상기 적어도 하나의 인스트럭션을 실행하는 적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 적어도 하나의 인스트럭션을 실행함으로써,
    하나 이상의 센서로부터 센서 데이터를 획득하고,
    상기 센서 데이터에 기초하여, 복수의 속도 정보들을 획득하고,
    상기 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 기초하여, 보행 보조 장치가 제1 상태에 해당하는지 여부를 판단하고,
    상기 판단 결과에 기초하여, 상기 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 변경 제어 토크를 결정하는, 전자 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는
    상기 센서 데이터에 기초하여, 조인트 속도 정보, 보행 속도 정보, 파워 정보 및 움직임 템포 정보 중 적어도 하나를 획득하는, 전자 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는
    상기 센서 데이터에 기초하여, 조인트 각도 정보를 획득하고 상기 조인트 각도 정보에 대응하는 움직임을 식별하고, 상기 움직임에 대응하는 카운트 정보를 획득하고, 상기 카운트 정보에 기초하여 상기 움직임 템포 정보를 획득하는, 전자 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는
    현재 제어 토크를 수신하고, 룩업 테이블(lookup table)을 이용하여 상기 현재 제어 토크 및 상기 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 상기 변경 제어 토크를 결정하는, 전자 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는
    현재 제어 토크를 수신하고, 상기 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 디레이팅(derating) 비율을 결정하고, 상기 현재 제어 토크에 상기 디레이팅 비율을 곱하여, 상기 변경 제어 토크를 결정하는, 전자 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는
    상기 복수의 속도 정보들 각각을 상기 복수의 속도 정보들 각각에 대응하는 임계값과 비교하고, 상기 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나의 속도 정보가 상기 임계값을 초과할 경우, 상기 보행 보조 장치가 상기 제1 상태에 해당한다고 판단하는, 전자 장치.
  15. 적어도 하나의 센서를 포함하는 센서부;
    구동부; 및
    프로세서
    를 포함하고,
    상기 프로세서는
    하나 이상의 센서로부터 센서 데이터를 획득하고,
    상기 센서 데이터에 기초하여, 복수의 속도 정보들을 획득하고,
    상기 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 기초하여, 보행 보조 장치가 제1 상태에 해당하는지 여부를 판단하고,
    상기 판단 결과에 기초하여, 상기 복수의 속도 정보들 중 적어도 하나에 대응하는 변경 제어 토크를 결정하고,
    상기 구동부는
    상기 변경 제어 토크를 제공하는, 보행 보조 장치.
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