JP2023504364A - ウェアラブル装置のユーザに抵抗力を提供する方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
ユーザに抵抗力を提供するための方法及び装置が提供される。抵抗力を提供するために、ウェアラブル装置のセンサを用いてユーザの関節の角度を測定し、角度に基づいて関節に対する抵抗レベルを決定し、抵抗レベルに対応するウェアラブル装置のモータドライバ回路の連結比率を決定し、モータドライバ回路連結比率を介してモータを制御する。
Description
以下の実施形態は、ウェアラブル装置のユーザに抵抗力を提供する方法及び装置に関する。例えば、少なくとも1つの実施形態は、ウェアラブル装置のモータにエネルギーを提供していない状態で、ユーザに抵抗力を提供する方法及び装置に関する。
高齢化社会に進入して老化による筋力弱化又は関節異常により歩行に不便と苦痛を訴える人々が増加している。そのため、筋力の弱まった老人や根管節の不便な患者が歩行を円滑にする歩行補助装置に対する関心が高まっている。
本実施形態は、ユーザに抵抗力を提供するためにウェアラブル装置を動作させる方法に関する。
一実施形態に係るウェアラブル装置によって実行される、抵抗力提供方法は、センサを介してユーザの第1関節の第1角度を測定するステップと、前記第1角度に基づいて前記第1関節に対する抵抗レベルを決定するステップと、前記抵抗レベルに基づいて、前記ウェアラブル装置のモータに電気的に接続されるモータドライバ回路を閉ループとして制御する連結時間と、前記モータドライバ回路を開ループとして制御する非連結時間の間の連結比率を決定するステップと、前記連結比率に基づいて、前記モータドライバ回路を介して前記モータを制御するステップとを含む。
前記モータドライバ回路は、前記連結比率に基づいて制御される少なくとも1つのスイッチを含むことができる。
前記連結比率は、PWM(pulse width modulation)に示されることができる。
前記ユーザに提供される抵抗レベルは、前記連結比率によって調整され、前記モータドライバ回路が閉ループとして制御される前記連結時間が増加するほど前記抵抗力が増加し得る。
前記モータドライバ回路が閉ループとして制御された状態において、前記モータは前記ユーザによる外力に対して発電機として動作することができる。
前記抵抗力提供方法は、前記モータが前記発電機として動作する場合、前記発電機によって生成されたエネルギーに基づいて前記ウェアラブル装置のバッテリを充填するステップをさらに含むことができる。
前記抵抗力提供方法は、前記ユーザから前記ウェアラブル装置の動作モードを運動モードに設定するとの命令を受信するステップをさらに含むことができる。
前記運動モードとして設定された場合、前記モータには前記ウェアラブル装置のバッテリからエネルギーが提供されなくてもよい。
前記抵抗力提供方法は、前記ユーザから前記ウェアラブル装置の動作モードを補助モードに設定するとの命令を受信するステップと、前記第1角度に基づいて前記補助モードで前記第1関節に対する補助トルク値を算出するステップと、前記補助トルク値に基づいて前記モータを制御することにより前記ユーザに補助力を提供するステップとをさらに含むことができる。
一実施形態は、ユーザに抵抗力を提供するウェアラブル装置に関する。
一実施形態に係るユーザに抵抗力を提供するウェアラブル装置は、ユーザに抵抗力を提供するための命令を含むプログラムを格納するメモリと、前記ユーザの第1関節の第1角度を測定するセンサと、モータドライバ回路と、前記モータドライバ回路と電気的に接続されたモータと、前記プログラムを実行するプロセッサとを含み、前記プロセッサは、前記センサを用いて前記ユーザの前記第1関節の前記第1角度を測定し、前記第1角度に基づいて前記第1関節に対する抵抗レベルを決定し、前記抵抗レベルに基づいて、前記モータドライバ回路を閉ループとして制御する連結時間と、前記モータドライバ回路を開ループとして制御する非連結時間の間の連結比率を決定し、前記連結比率に基づいて、前記モータドライバ回路を介して前記モータを制御する。
前記モータドライバ回路は、連結比率に基づいて制御される少なくとも1つのスイッチを含むことができる。
前記連結比率は、PWM(pulse width modulation)に示され、前記ユーザに提供される抵抗力は、前記連結比率によって調整され、前記モータドライバ回路が閉ループとして制御される前記連結時間が増加するほど前記抵抗力が増加することができる。
前記モータドライバ回路が閉ループとして制御された状態において、前記モータは前記ユーザによる外力に対して発電機として動作することができる。
前記プロセッサは、前記モータが前記発電機として動作する場合、前記発電機によって生成されたエネルギーに基づいて前記ウェアラブル装置のバッテリを充填することができる。
前記プロセッサは、前記ユーザから前記ウェアラブル装置の動作モードを運動モードに設定するとの命令を受信し、前記運動モード及び前記第1角度に基づいて前記第1関節に対する前記抵抗レベルを決定することができる。
前記運動モードとして設定された場合、前記モータには前記ウェアラブル装置のバッテリからエネルギーが提供されなくてもよい。
前記プロセッサは、前記ユーザから前記ウェアラブル装置の動作モードを補助モードに設定するとの命令を受信し、前記第1角度に基づいて前記補助モードにおける前記第1関節に対する補助トルク値を算出し、前記補助トルク値に基づいて前記モータを制御することにより前記ユーザに補助力を提供することができる。
例示的な実施形態の追加的な態様は下記の説明で部分的に説明され、例示的な実施形態の追加的な態様は説明から明らかであるか、又は本開示の実施によって学習されることができる。
以下において、添付の図面を参照して実施形態を詳細に説明する。しかし、特許出願の範囲がこの実施形態により制限されたり、又は限定されることはない。各図面に示された同じ参照符号は同じ部材を示す。
以下で説明する実施形態には様々な変更が加えられる。以下で説明する実施形態は、実施形態に対して限定しようとするものではなく、これらに対する全ての変更、均等物ないし代替物を含むものとして理解されなければならない。
実施形態で用いられる用語は、単に、特定の実施形態を説明するために使用されたものであり、実施形態を限定しようとする意図はない。単数の表現は文脈上において明らかに異なる意味を有しない限り複数の表現を含む。本明細書において、「含む」又は「有する」等の用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品、又はこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、一つ又はそれ以上の異なる特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品、又はこれらを組み合わせたものの存在又は付加可能性をあらかじめ排除しないものとして理解されなければならない。
異なるように定義されない限り、技術的又は科学的な用語を含んでここで使用される全ての用語は、実施形態の属する技術分野において通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。一般的に使用されている辞書に定義されるような用語は、関連記述の文脈上有する意味と一致する意味を有するものと解されるべきであり、本出願で明らかに定義しない限り、理想的かつ過度に形式的な意味として解釈されない。
なお、添付図面を参照して説明することにおいて、図面符号にかかわらず同じ構成要素は同じ参照符号を付し、これに対する重複説明は省略する。実施形態を説明することにおいては、関連する公知技術についての具体的な説明が実施形態の要旨を曖昧にする可能性があると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
図1A~1Dは、一例に係るウェアラブル装置を示す。
図1A~1Cを参照すると、ウェアラブル装置100は、ユーザに装着され、ユーザの歩行(gait)を補助する。例えば、ウェアラブル装置100は、ユーザの歩行を補助する装置である。また、ウェアラブル装置100は、ユーザの歩行を補助するだけでなく、ユーザに抵抗力を提供することで運動機能を提供する運動装置である。ユーザに提供される抵抗力は、モータのような装置によって出力される力のように、ユーザに能動的に加えられる力ではなく、ユーザの動きを妨害する力(例えば、抵抗力は、ユーザが動く方向と反対方向に作用する力)である。言い換えれば、抵抗力は運動負荷として表現されてもよい。
図1A~1Bは、ヒップタイプのウェアラブル装置100を図示しているが、ウェアラブル装置のタイプはヒップタイプに制限されることなく、ウェアラブル装置は、下肢全体をサポートする形態又は下肢の一部をサポートするタイプであってもよい。そして、ウェアラブル装置は、下肢の一部をサポートする形態、膝までサポートする形態、足首までサポートする形態、及び全身をサポートする形態のいずれか1つであってもよい。
図1A~1Bを参照して説明される実施形態は、ヒップタイプに対して適用されるが、これに限定されることなく、様々なタイプのウェアラブル装置に対して全て適用されることができる。
図1A~1Dを参照すると、ウェアラブル装置100は、駆動部110、センサ部120、IMU(Inertial Measurement Unit)130、制御部140、及びバッテリ150を含む。
駆動部110は、モータ114及びモータ114を駆動させるためのモータドライバ回路112を含む。センサ部120は、少なくとも1つのセンサ121を含む。制御部140は、プロセッサ142、メモリ144及び入力インターフェース146を含む。図1Cには、1つのセンサ121、1つのモータドライバ回路112、及び1つのモータ114が図示されているが、これに制限されることはない。例えば、図1Dに例示したように、ウェアラブル装置100-1は、複数のセンサ121及び121-1、複数のモータドライバ回路112及び112-1、及び複数のモータ114及び114-1を含む。また、実現に応じて、ウェアラブル装置100は複数のプロセッサを含んでもよい。モータドライバ回路個数、モータ個数、又は、プロセッサ個数は、ウェアラブル装置100が着用される身体部位によって変わり得る。
後述するセンサ121、モータドライバ回路112、及びモータ114に対する説明は、図1Dに示されたセンサ121-1、モータドライバ回路112-1、及びモータ114-1についても適用され得る。
駆動部110は、ユーザの股関節(hip joint)を駆動させることができる。例えば、駆動部110は、ユーザの右側ヒップ及び/又は左側ヒップの部分に配置される。駆動部110は、ユーザの膝の部分及び足首に追加的に配置されてもよい。駆動部110は、回転トルクを発生させ得るモータ114、及びモータ114を駆動させるためのモータドライバ回路112を含む。
センサ部120は、歩行時にユーザの股関節の角度を測定することができる。センサ部120から検出される股関節の角度に関する情報は、右側股関節の角度、左側股関節の角度、両側股関節の角度間の差、及び股関節運動方向を含む。例えば、センサ121は、駆動部110内に配置されてもよい。センサ121の位置に応じてセンサ部120は、ユーザの膝角度及び足首角度を追加的に測定することができる。
一実施形態によれば、センサ部120は、ポテンショメータを含む。ポテンショメータは、ユーザの歩行動作によるR軸関節角度、L軸関節角度、R軸関節角速度、及びL軸関節角速度を検出する。
IMU130は、歩行時に加速度情報と姿勢情報を測定する。例えば、IMU130は、ユーザの歩行動作によるX軸、Y軸、Z軸の加速度、及びX軸、Y軸、Z軸の角速度を検出する。
ウェアラブル装置100は、IMU130で測定された加速度情報に基づいてユーザの足が着地する地点を検出する。
圧力センサ(図示せず)は、ユーザの足の裏に位置してユーザの足の着地時点を検出する。
ウェアラブル装置100は、先に説明したセンサ部120及びIMU130以外に、歩行動作によるユーザの運動量又は生体信号などの変化を検出できる他のセンサ(例えば、筋電図センサ(ElectroMyoGram sensor;EMG sensor))を含む。
一実施形態によれば、制御部140のプロセッサ142は、ユーザに抵抗力を提供するために駆動部110を制御することができる。この場合、駆動部110は、ユーザにトルクを出力せず、モータ114の逆駆動性(back-drivability)を用いてユーザに抵抗力を提供することができる。モータの逆駆動性とは、外部の力に対するモータ114の回転軸の反応性を意味し、モータ114の逆駆動性が高いほど、モータ114の回転軸に作用する外部の力に対して容易に反応する(即ち、モータ114の回転軸が容易に回転する)。例えば、モータ114の回転軸に同じ外部の力が加えられても、逆駆動性の程度に応じて、モータ114の回転軸が回転する程度が相違になる。
ユーザに抵抗力を提供する方法については、以下で図7~図21を参照して詳細に説明する。
他の一実施形態によれば、制御部140のプロセッサ142は、駆動部110がユーザの歩行を補助するためのトルク(又は、補助トルク)を出力するように駆動部110を制御してもよい。例えば、ヒップタイプのウェアラブル装置100において、駆動部110は、左側ヒップの部分及び右側ヒップの部分にそれぞれ配置されるよう構成されてもよく、制御部140は、トルクが発生するように駆動部110を制御する制御信号を出力することができる。
駆動部110は、制御部140が出力した制御信号に基づいてトルクを発生させることができる。トルクを発生させるためのトルク値は、外部によって設定されてもよく、制御部140によって設定されてもよい。例えば、制御部140は、トルク値の大きさを示すために、駆動部110に送信する信号に対する電流の大きさを用いてもよい。即ち、駆動部110が受信する電流の大きさが大きいほど、トルク値が大きい。
バッテリ150は、ウェアラブル装置100の構成要素に電力を供給する。バッテリ150の電力をウェアラブル装置100の構成要素の動作電圧に合わせて変換し、ウェアラブル装置100の構成要素に提供する回路(例えば、PMIC(Power Management Integrated Circuit))が存在する。また、ウェアラブル装置100の動作モードに応じて、バッテリ150は、モータ114に電力を供給したり供給しなくてもよい。言い換えれば、バッテリ150は、補助モードでモータ114に電力を供給してもよく、運動モードでモータ114に電力を供給しなくてもよい。そのため、運動抵抗モードでバッテリ150の電力消耗が少量発生することで、ウェアラブル装置100の使用時間が増大されることができる。
図2は、一例に係る電子装置と通信するウェアラブル装置を説明するための図である。
図2に示された例として、ウェアラブル装置100は、電子装置200と通信することがでる。電子装置200は、スマートフォン、タブレット、スマートウォッチ、グラスなどを含んでもよく、記載された実施形態に限定されない。電子装置200は、ウェアラブル装置100のユーザに関する電子装置であってもよい。又は、ユーザがウェアラブル装置100を着用したままトレーナーと運動してもよい。この場合、電子装置200は、トレーナーに関する電子装置に該当する。
実現に応じて、ウェアラブル装置100と電子装置200は、近距離無線通信方式又はセルラー移動通信方式を介してサーバ(図示せず)を経由し通信することができる。
電子装置200は、ディスプレイ200-1にウェアラブル装置100の動作を制御するためのUI(userinterface)を表示することができる。例えば、UIは、ユーザがウェアラブルデバイス100を制御できる少なくとも1つのソフトキーを含んでもよい。
ユーザ(又は、トレーナー)は、電子装置200のディスプレイ200-1上のUIを介してウェアラブル装置100の動作を制御するための制御命令を入力し、電子装置200は、該当の制御命令をウェアラブル装置100に送信することができる。ウェアラブル装置100は、受信された制御命令に応じて動作し、制御結果を電子装置200に送信する。電子装置200は、制御完了メッセージを電子装置200のディスプレイ200-1に表示することができる。
図3は、一例に係る歩行状態を示す。
歩行に対するユーザの一方の脚の歩行状態(又は、歩行位相)が予め定義され得る。例えば、歩行状態は、支持(stance)及びスイング(swing)を含む。スイングは脚が地面から離れている状態を意味する。左脚の歩行状態は左側支持(left stance:LSt)及び左側スイング(left swing:LSw)に区分される。右脚の歩行状態は、右側支持(right stance:RSt)及び右側スイング(right swing:RSw)に区分される。
有限オートマトン(Finite State Machine:FSM)には、歩行状態について予め歩行サイクルがマッピングされてもよい。例えば、支持が開始する時点では歩行サイクル0%がマッピングされ、スイングが開始する時点では歩行サイクル60%がマッピングされ、支持が開始する直前の時点では、歩行サイクル100%がマッピングされてもよい。
一実施形態によれば、支持及びスイングは、複数の状態に更に細分化されてもよい。例えば、支持は、初期接触(initial contact)、体重負荷(weight bearing)、支持中期(middle stance)、支持末期(terminal stance)、及び前スイング(pre swing)のように細分化されてもよい。スイングは、初期スイング(initial swing)、中間スイング(middle swing)及び末期スイング(terminal swing)に細分化されてもよい。支持及びスイングは、実施形態に応じて相違に細分化されてもよく、記載された実施形態に限定されない。
図4は、一例に係る歩行状態の間の遷移を示す。
一般的な歩行メカニズム(gait mechanism)によれば、それぞれの脚の歩行状態は支持及びスイングを含み、歩行のために支持及びスイングが交互に実行される。
歩行による右脚の変化400に対する右側歩行状態410は、右側支持及び右側スイングを含む。支持は、体重負荷、支持中期、及び支持末期を含むが、開示及び図示された実施形態に限定されることはない。右脚の変化400に対して、左脚の変化(図示せず)に対する左側歩行状態420は、左側支持及び左側スイングを含む。
ユーザの老化又は病気によりユーザの足首の筋力が弱くなると、歩行に不便が生じる。例えば、脚がスイングを始めるとき、足先の部分を持ち上げなければならないが、もし、持ち上げることができない場合、スイングする足が地面とぶつかる恐れがある。即ち、下垂足(foot drop)が発生する場合に転倒の恐れがある。このような危険を防止するために、歩行位相の進行又は歩行位相の変化により、足首の角度を調整しなければならない。足首の筋力が弱くなって自ら足首の角度を調整し難しいユーザにウェアラブル装置が提供されることができる。ウェアラブル装置は、ユーザの足首の付近に着用され、ユーザの歩行に関連して検知された値に基づいて補助トルクを出力することができる。補助トルクによりユーザの足首角度を調整することができる。
前記の実施形態は、足首を補助するための実施形態であるが、歩行を補助するために股関節又は膝を補助するための実施形態においても同様に説明される。
図5は、一例に係る歩行サイクルに対する足首関節角度の軌跡を示す。
人が一般的な歩行メカニズムで歩行する場合、人の足首関節角度の軌跡500は、図5に示すような軌跡を示す。同じ歩行状態である場合にも歩幅及び歩行速度により足首関節角度が変り得るが、1つの歩行サイクルに対する足首関節角度の軌跡は類似のパターンを示す。足首関節角度の軌跡500は、特定の歩行サイクルの進行度において例示的な変化量の範囲を有するように示されている。
一方の脚が不便な患者の場合、不便な脚に対しては足首関節角度の軌跡500が示されない。患者の不便な脚の足首関節が足首関節角度の軌跡500を有するように足首関節の角度が調整される場合、患者の歩行メカニズムは改善されることができる。
図5は、足首関節角度の軌跡を示しているが、図5に対する説明は、股関節の角度及び膝関節に対する説明にも同様に適用され得る。
図6は、一例に係る歩行サイクルに対する足首トルクの軌跡を示す。
図6を参照した説明は、ウェアラブル装置100がユーザの歩行を補助するモードとして動作する場合に適用され得る。ウェアラブル装置100が運動モードとして動作する場合に対する説明は、以下の図7~図21を参照して詳細に説明する。
人が一般的な歩行メカニズムで歩行する場合、人の足首関節によって出力される足首トルクの軌跡600は、図6に示すような軌跡を示す。正数の足首トルク値は、足首関節角度を増加(例えば、底屈(plantar flexion))させ、負数の足首トルクの値は、足首関節角度を減少(例えば、背屈(dorsiflexion))させる。
一実施形態によれば、プッシュ-オフ(push-off)が発生した後の区間に対応する足首トルクの軌跡600の第1部分610は、下垂足を防止するための背屈のための補助トルク値である。背屈のための補助トルク値は負数である。
一方の脚が不便な患者は、自ら補助トルクを発生させることができないため、補助トルクが提供されるために、患者はウェアラブル装置を不便な脚に着用することができる。ウェアラブル装置は、駆動装置を介して補助トルクを出力することで足首角度を調整できる。足首角度を調整するための補助トルクが適切なタイミングに出力されることで、ユーザは不便を感じない。例えば、不便な脚がプッシュ-オフを行わなければならないタイミングに足首角度を増加させるための強い補助トルクが提供されなければならない。例えば、前記のタイミングは、直接的に不便な脚の歩行状態を決定することによって決定され得る。異なる例として、前記のタイミングは、正常な脚の歩行状態に基づいて間接的に不便な脚の歩行状態を決定することによって決定されることができる。
ウェアラブル装置100がバッテリ150の利用が求められない運動モードで動作するための、駆動部110に含まれているモータドライバ回路112の構造について、以下の図7~図10を参照して詳細に説明する。
図7~図10は、一例に係るウェアラブル装置のモータドライバ回路を説明するための図である。
図7に示されたモータドライバ回路112はHブリッジ回路であり、複数のスイッチ710~740を含む。モータドライバ回路112は、モータ114に連結される。
プロセッサ142の制御下で、第1スイッチ710と第4スイッチ740が閉じられ、第2スイッチ220と第3スイッチ230が開放される場合、バッテリ150を含む閉ループが形成されることから、バッテリ150からモータ114に電力が供給される。モータ114は第1方向に回転する。
上記とは反対に、プロセッサ142の制御下で、第2スイッチ720と第3スイッチ730が閉じられ、第1スイッチ710と第4スイッチ740が開放される場合も、バッテリ150を含む閉ループが形成されることから、バッテリ150からモータ114に電力が供給される。但し、モータ114は、第1方向と反対方向にある第2方向に回転する。
図8は、バッテリ150を含む閉ループが形成されるようにモータドライバ回路112が制御された場合を示し、バッテリ150は、モータ114に電力を供給する。モータ114は、電流の方向に対応するように回転する。プロセッサ142は、ウェアラブル装置100の動作モードが補助モードとして動作する場合、バッテリ150を含む閉ループが形成されるようにモータドライバ回路112を制御することができる。
図7及び図8を参照して説明されたバッテリ150の含まれている閉ループを形成するように、モータドライバ回路112を制御する方法とは相違に、図9及び図10を参照して、バッテリ150を含まないモータドライバ回路112が制御される方法について説明する。図9及び図10に示すモータドライバ回路112の制御方法は、ウェアラブル装置100の動作モードが運動モードである場合に使用される。
図9を参照すると、プロセッサ142は、第1スイッチ710と第2スイッチ720を開放することによりバッテリ150とモータ114との間の電気的な接続を遮断する。運動モードにおいて、第1スイッチ710と第2スイッチ720は開かれた状態を保持する。運動モードにおいて、モータ114に連結された第3スイッチ730及び第4スイッチ740を含む下段ドライバ回路のみが制御されることができる。
プロセッサ142は、モータドライバ回路112の制御状態が第1制御状態と第2制御状態との間で変換するよう、第3スイッチ730に制御信号1を印加し、第4スイッチ740に制御信号2を印加する。制御信号1及び2は、High値とLow値が繰り返されるPWMの形態として、デューティ比(duty ratio)を有する。デューティ比は連結比率を意味する。デューティ比は、一周期(period)がTであり、一周期内でHigh値が保持される時間がtHである場合、tH/Tである。プロセッサ142が別個の制御信号1及び2を出力する実施形態について説明したが、これは例示的な事項にすぎない。異なる一例として、プロセッサ142は、1つの制御信号を出力し、出力された制御信号は別途の回路により分岐されてもよく、分岐された各制御信号は、第3スイッチ730及び第4スイッチ740それぞれに印加されてもよい。
制御信号1及び2がHigh値であるとき、モータ114の+端子と-端子は互いに接続されて等電位状態である。言い換えれば、第1制御状態において、モータ114の+端子と-端子は、互いに電気的に接続されて同じ電位(又は、電圧)を有する。
第1制御状態において、モータ114は、バッテリ150と電気的な接続なしにグラウンドと閉ループを形成することができるため、第1制御状態は、バッテリ150と電気的な接続のないモータ114の閉ループ状態のように異なって表現される。
第1制御状態において、ユーザが動く場合、ユーザの関節の動きに応じて該当関節の付近に位置しているモータ114が回転し、このような回転によってモータ114には起電力(又は、電位差)が発生する。第1制御状態において、モータ114の端子は等電位状態にあるため、モータ114には発生の起電力を減少させるための回転抵抗が発生する。このような回転抵抗がユーザに抵抗力として提供される。
制御信号1及び2がLow値である場合、モータ114の+端子と-端子は電気的に開放される。第2制御状態において、モータ114に対する電気的な接続がないため、第2制御状態はモータ114の開ループ状態のように異なって表現される。
第2制御状態において、ユーザが動く場合、ユーザの動きに応じてモータ114が回転することになる。第2制御状態において、モータ114の+端子と-端子は電気的に開放されているため、モータ114には上述した起電力が発生せず、抵抗力が出力されない。言い換えれば、モータ114の逆駆動性は高まり、ギヤ比による摩擦力のみがユーザに抵抗力として感じられる。
PWM信号により制御信号1及び2は、High値とLow値が繰り返されるため、モータドライバ回路112の制御状態は、第1制御状態と第2制御状態との間で繰り返しスイッチングされる。
プロセッサ142は、制御信号1及び2それぞれのデューティ比を制御して抵抗力の大きさを調整することができる。制御信号1及び2の各周期において、High値が保持される時間が増加すれば(言い換えれば、low値が保持される時間が減少)、制御信号1及び2の各周期において、モータ114は第2制御状態よりも第1制御状態として動作する比重が高まり、ユーザに出力される抵抗力の強度が増加する。反対に、制御信号1及び2の各周期において、High値が保持される時間が減少すれば(言い換えれば、low値が保持される時間が増加)、制御信号1及び2の各周期において、モータ114は第1制御状態よりも第2制御状態として動作する比重が高まり、ユーザに出力される抵抗力の強度が減少する。
ウェアラブル装置100は、運動モードにおいてモータ114にバッテリ150の電力を供給せず抵抗力を出力することができるため、バッテリ150の電力を少量に消耗し、ウェアラブル装置100の使用時間を向上させることができる。また、モータ114にバッテリ150の電力が供給されれば、モータ114は誤動作する場合があるが、運動モードでは、バッテリ150の電力がモータ114に供給されないことから、モータ114の誤動作の可能性が遮断され、ウェアラブル装置100の安全性を向上させることができる。
図10は、バッテリ150を含まないようにモータドライバ回路112が制御された場合を示し、バッテリ150はモータ114と電気的に遮断される。モータ114は、モータドライバ回路112の連結状態に応じて外部の力によって起電力を発生させたり(連結状態が閉ループである場合)、起電力を発生させない(連結状態が開ループである場合)。
図11は、一実施形態に係る抵抗力を提供する方法のフローチャートである。
一実施形態によれば、ステップ1110~1180は、上述したウェアラブル装置100によって実行される。図1に示されたウェアラブル装置100は、ユーザの下半身に着用されるものと説明するが、開示された内容に限定されない。例えば、ウェアラブル装置は、ユーザの上半身に着用されてもよい。異なる例として、ウェアラブル装置は、ユーザの全身に着用されてもよい。
ステップ1110において、ウェアラブル装置100は、ユーザからウェアラブル装置100を制御する動作モードが受信又は入力される。動作モードは、運動モード及び補助モードを含み、受信された動作モードは、運動モード又は補助モードであってもよい。
一実施形態によれば、ユーザは、ウェアラブル装置100と無線ネットワークに接続されたユーザ端末を介して特定動作モードをウェアラブル装置100に送信することができる。ウェアラブル装置100は、通信モジュールを介して特定の動作モードを受信する。無線ネットワークは、セルラーネットワーク、ブルートゥースネットワーク、及びワイパイネットワークなどを含んでもよく、記載された実施形態に限定されることはない。
他の一実施形態によれば、ユーザは、ウェアラブル装置100の入力インターフェース146を介して動作モードを入力することができる。例えば、入力インターフェース146は、ユーザの入力を受信するための物理的ボタン及びタッチパネルに基づいて形成されるソフトウェアボタンなどを含んでもよく、ウェアラブル装置100の状態などを出力するディスプレイ及びインジケータ(indicator)を含んでもよい。インジケータは、LED(Light Emitting Diode)であってもよいが、記載された実施形態に限定されない。
ウェアラブル装置100を制御できる複数の動的モードが、予めウェアラブル装置700に搭載されてもよい。
一実施形態によれば、ウェアラブル装置100は、制御アルゴリズムを介してウェアラブル装置100の動作を制御することができる。制御アルゴリズムは、ユーザからの入力、センサ部120、及びIMU130などの入力に対応する制御値を出力するアルゴリズムであり得る。例えば、制御アルゴリズムは、入力値に対する出力値を示す制御テーブルに基づいて動作してもよい。
他の一実施形態によれば、ウェアラブル装置100は、制御アルゴリズムよりも、各動作モードに対応する神経網に基づいてウェアラブル装置100の動作を制御してもよい。神経網は、人工神経網(artificial neural network)であってもよく、神経網は、機械学習を介して予め訓練されてもよい。神経網は、CNN(Convolutional Neural Network)、RNN(Recurrent Neural Network)、DNN(Deep Neural Network)及びこれらの組み合わせあってもよいが、記載の実施形態に限定されることはない。
神経網は、受信した入力に対する結果を出力することができる。例えば、補助モードに対して訓練された神経網は、関節の角度が入力された場合に角度に対応する歩行状態を決定し、関節に対する補助トルク値を算出することができる。異なる例として、運動モードに対して訓練された神経網は、関節の角度が入力された場合、角度に対応する歩行状態を決定し、関節に対する抵抗レベルを算出及び出力してもよい。算出される抵抗レベルは、ユーザが設定した運動レベルに応じて変わり得る。例えば、高い運動レベルが設定されるほど、高い抵抗レベルが算出される。
ステップ1120において、ウェアラブル装置100は、センサ121を用いてユーザの関節の角度を測定する。センサ121は角度センサであってもよく、股関節、膝関節、及び足首関節のうち少なくとも1つの角度を測定してもよい。複数の関節の角度が測定されてもよい。同時に測定された複数の関節の角度は、特定の時刻に対する関節角度セットを構成することができる。関節角度セットは、ユーザの歩行サイクルの程度を決定するために使用され得る。例えば、股関節の角度、膝関節角度、及び足首関節角度に基づいてユーザの脚姿勢が決定され得る。さらに、同じ関節角度の変化量に基づいて算出された各加速度が関節角度セットに含まれてもよい。
股関節、膝関節、及び足首関節を例示したが、下肢の関節以外の関節(例えば、肩関節、ヒジ関節、及び手首関節)にも前記の説明が適用され得る。
ステップ1120が、ステップ1110及びステップ1130の間で実行されるものと示したが、ステップ1120は、センサ121に電源が供給される間に常に実行されてもよい。センサ121は、予め設定された周期でデータ(例えば、関節角度)を生成することができる。即ち、関節角度の測定は、連続的かつ持続的に実行されることができる。
ステップ1130において、ウェアラブル装置100のプロセッサ142は、動作モードが運動モードであるか、又は補助モードであるかを決定する。動作モードが運動モードである場合ユーザに抵抗力が提供され、動作モードが補助モードである場合ユーザに補助力が提供される。ユーザに抵抗力を提供するためにステップ1140~1160が実行され、ユーザに補助力を提供するためにステップ1170~1180が実行される。
ステップ1130において、動作モードを判断するものと説明したが、異なる例として、ステップ1130は、動作モードが補助モードであるか否かを決定し、動作モードが補助モードでない場合、動作モードが運動モードであるか否かを決定してもよい。異なる例として、ステップ1130は、動作モードが運動モードであるか否かを決定し、動作モードが運動モードでない場合、動作モードが補助モードであるか否かを決定してもよい。
一実施形態によれば、ユーザが歩行する場合、運動モードは全体の歩行状態で適用される得るが、選択的に特定した歩行状態でのみ適用され得る。例えば、ユーザの選択に応じて支持状態及びスイング状態のうちスイング状態でのみ運動モードが適用され得る。ユーザの現在の歩行状態を決定するために、ユーザの関節の角度が使用されてもよい。
ステップ1140において、ウェアラブル装置100のプロセッサ142は、動作モードが運動モードである場合、測定された関節角度に基づいて関節に対する抵抗レベルを決定する。例えば、制御アルゴリズムを介して関節角度の入力に対する抵抗レベルが決定されてもよい。異なる例として、動作モードに基づいて決定された特定の神経網に関節角度を入力することにより抵抗レベルが出力されてもよい。
抵抗レベルは、ユーザが感じる抵抗力の程度又は大きさであってもよい。例えば、ユーザが歩行動作(又は、走り動作)の全体に対して同じ抵抗力が提供されることを所望する場合、歩行動作の全体に対して同じ抵抗レベルが決定される。異なる例として、ユーザが歩行メカニズムの特定ステップ(例えば、スイング状態)に対してのみ抵抗力が相違に提供されることを所望する場合、関節角度(例えば、関節角度セット)に基づいてユーザの歩行サイクルの程度が決定され、決定された歩行サイクルの程度に対応する抵抗レベルが決定されてもよい。歩行サイクルの程度がリアルタイムに変化することで、決定される抵抗レベルもリアルタイムに変化される。
一実施形態によれば、予め生成された抵抗力プロファイルは、全体の歩行サイクルに対する抵抗レベルの軌跡を示す。全体の歩行サイクルに対する抵抗力プロファイルに基づいて、現在の歩行サイクルの程度に対応する抵抗レベルが決定されることができる。
抵抗力プロファイルは、ユーザによって修正されることができる。例えば、ユーザがウェアラブル装置100の入力インターフェース146又はウェアラブル装置100に連結されたユーザ端末を介して、抵抗力プロファイルの少なくとも一部区間に対する抵抗レベルを修正してもよい。即ち、ユーザは、自身が希望する運動方法を設定するために、抵抗力プロファイルの少なくとも一部区間に対する抵抗レベルを修正することができる。抵抗力プロファイルについては、以下の図12を参照して詳細に説明する。
各動作モードに対する神経網は、ウェアラブル装置100の製造社によって予め訓練されてもよい(事前訓練(pre training))。また、神経網は、ウェアラブル装置100のユーザにより更に訓練されてもよい(精密調整(fine tuning))。例えば、ユーザは、現在の神経網の出力に対するフィードバックをウェアラブル装置100に入力してもよく、プロセッサ142は、フィードバックが反映されるように神経網を追加訓練してもよい。例えば、神経網の訓練のために、逆伝播又は強化学習などの方法が用いられてもよいが、記載された実施形態に限定されない。
一実施形態によれば、ユーザの関節の位置及び角度に基づいて抵抗レベルが決定されることができる。例えば、ユーザの左脚に対するターゲット姿勢が予め設定されてもよく、ターゲット姿勢とユーザの現在の姿勢との間の差に基づいて抵抗レベルが決定されることができる。現在の姿勢がターゲット姿勢との差が大きい場合、抵抗レベルが低く決定され、ターゲット姿勢に類似するほど、抵抗レベルが大きく決定される。現在の姿勢がターゲット姿勢である場合、ユーザに最も大きい抵抗レベルが提供されることができる。
例えば、太ももを一定の角度以上持ち上げる姿勢がターゲット姿勢として設定された場合、ユーザが太ももを持ち上げるほど抵抗レベルが大きくなり、ユーザは、ターゲット姿勢で最も強い抵抗力を感じる。
抵抗レベルを決定するために、筋肉モデルを適用したダンピング制御技術を用いてもよい。ダンピング制御技術により決定される抵抗レベルが順次変化する場合、ユーザが感じる運動負荷の変化に対する拒否感が減少し得る。
一般に知られている筋肉の生物学的モデル(医学工学で研究されたヒルタイプ(hill type)筋肉モデル)によれば、筋肉に刺激信号を入力すると、入力された刺激信号が筋肉が生成する力に比例して増幅される現像が現れ(正のフィードバック)、刺激信号によって増幅される筋力(力)は、筋肉の長さ及び筋肉の収縮速度に応じて一定の関係式を有する。
筋肉が最も多く収縮した場合及び筋肉が最も増加した場合は多い力を有することができず、筋肉が適切な長さである場合、筋肉が最も強い力を有することができる。筋肉の長さが変化する速度に応じて生成される力は、変化の速度が速いほど大きい。
筋肉の長さに応じて筋肉が発揮する筋力の関係は、正規分布(normal distribution)の形態に示すことができる。筋肉伸長の速度に応じて筋肉が発揮する筋力の関係はsigmoid形態であってもよい。
ユーザは、このような筋肉の伸長による身体動きの変化及び発揮される力の大きさになじんでいるため、身体動きの変化に対応して発揮される力の大きさに対応する抵抗レベルがユーザに提供される場合、ユーザは、その抵抗レベルによって提供される抵抗力(運動負荷)及び抵抗レベルの変化による抵抗力の変化もなじむように感じることになる。
ウェアラブル装置100は、ユーザの身体動きをユーザの関節の位置及び角度に基づいて算出することができる。ウェアラブル装置100のプロセッサ142は、運動モードでユーザの関節の位置及び角度に基づいてユーザの身体動き及びこれによる力の大きさを算出し、算出された力の大きさに基づいて制御レベルを算出することができる。
ステップ1150において、ウェアラブル装置100のプロセッサ142は、抵抗レベルに基づいてモータドライバ回路112を閉ループとして制御する時間と、モータドライバ回路112を開ループとして制御する時間との間の比率を決定する。モータドライバ回路112が閉ループとして制御される時間と、開ループとして制御される時間との間の比率は、連結比率のように命名することができる。例えば、抵抗レベルに対応するモータドライバ回路112の連結比率が決定されてもよい。モータドライバ回路112の連結比率は、バッテリ150からモータ114にエネルギーが提供されないように制御された状態で、モータドライバ回路112が閉ループ(即ち、第1制御状態)又は開ループ(即ち、第2制御状態)として制御される比率を意味する。例えば、閉ループ状態を基準にして回路連結比率が0.5であることは、予め設定された期間(period)内で閉ループ状態が50%であり、開ループ状態が50%として制御されることを意味する。回路連結比率は、抵抗レベルが変化する場合に動的に調整されることができる。
例えば、連結比率は、PWMを用いて実現されるが、記載された実施形態に限定されず、モータドライバ回路112の連結状態を調整できる様々な方法が適用され得る。連結比率を制御するためにPWMが使用される場合、ステップ1150で決定された連結比率は、特定のデューティ比を有するPWMに示されてもよい。特定のデューティ比を有するPWMは、PWMによって所望する抵抗力をユーザに提供できるように予め設定されてもよい。特定のデューティ比を有するPWMによってモータドライバ回路112が閉ループ(第1制御状態)又は開ループ(第2制御状態)に制御されてもよい。例えば、プロセッサ142は、PWMを用いてモータドライバ回路112内のスイッチの動作を制御することで、モータドライバ回路112を閉ループ又は開ループに制御することができる。
モータドライバ回路112が閉ループである場合、モータ114は発電機として動作し、動的制動(dynamic braking)によりモータ114の逆駆動性が低下する。逆駆動性が低くなるほど、ユーザが感じる抵抗力は増加する。一方、モータドライバ回路112が開ループである場合、モータ114の逆駆動性は高まり、ギヤ比による摩擦力のみがユーザに抵抗力として感じられる。
モータドライバ回路112の開閉状態の比率を連結比率に基づいて調整することで、所望する逆駆動性を達成することができる。例えば、ユーザに提供される抵抗力はPWMの均一で反復的な時間区間内でモータドライバ回路112が閉ループ又は開ループとして制御される比率により調整され、モータドライバ回路112が閉ループに制御される時間の比率が高いほど抵抗力が増加する。
ステップ1160において、ウェアラブル装置100のプロセッサ142は、決定された連結比率に基づいてモータドライバ回路112を介してモータ114を制御する。モータドライバ回路112は、連結比率に基づいて制御される少なくとも1つのスイッチ(例えば、第1スイッチ~第4スイッチ)710~740を含んでもよく、スイッチによってモータドライバ回路112が閉ループ又は開ループとして制御される。ウェアラブル装置100の動作モードが運動モードとして設定された場合、モータ114には、ウェアラブル装置100のエネルギーが提供されない。例えば、ウェアラブル装置100のバッテリ150に充填された電気エネルギーがモータ114に提供されない。電気エネルギーがモータ114に提供されなくてもモータドライバ回路112を開ループ又は閉ループとして制御することにより、モータ112の逆駆動性が制御され、制御された逆駆動性によって抵抗力が調整されることができる。
ユーザが動かない場合、モータ112も発電機として動作しない。モータ112が発電機として動作しないことからユーザに抵抗力が発生しない。即ち、モータ112の逆駆動性に基づいて発生する抵抗力は、ユーザが動く場合にのみ発生する。
モータ112が発電機として動作する場合、発電機によって生成されたエネルギーに基づいてウェアラブル装置100のバッテリ150が充填されることができる。即ち、ウェアラブル装置100が運動モードとして動作する間には、ウェアラブル装置100のバッテリ150のエネルギーが極めて少量消耗され、むしろ、充填されることができる。ウェアラブル装置100が運動モードとして動作する場合、外部からエネルギーが供給されなくてもウェアラブル装置100が継続的に運用され得る。
上述したステップ1140~1160は、ウェアラブル装置100の動作モードが運動モードとして設定された場合について説明しており、以下のステップ1170及び1180は、動作モードが補助モードとして設定された場合について説明している。
ステップ1170において、ウェアラブル装置100のプロセッサ142は、補助モードが受信又は入力された場合、測定された関節の角度に基づいて関節に対する補助トルク値を算出する。例えば、制御アルゴリズムを介して関節角度の入力に対する補助トルク値が決定されてもよい。異なる例として、動作モードに基づいて決定された神経網に関節角度を入力することで補助トルク値が出力されてもよい。
一実施形態によれば、プロセッサ142は、関節の角度に基づいてユーザの歩行状態又は歩行サイクルの程度を決定し、決定された歩行状態又は歩行サイクルの程度に対応する補助トルク値を決定することができる。測定される関節の個数が多いほど、より正確な歩行状態又は歩行サイクルの程度を決定することができる。
補助トルク値は、予め設定されたトルクプロファイルに基づいて決定される。補助トルク値を算出する方法については記載の実施形態に限定されない。
ステップ1180において、ウェアラブル装置100のプロセッサ142は、補助トルク値に基づいてモータ114を制御することでユーザに補助力を提供する。ウェアラブル装置100は、ウェアラブル装置100のバッテリ150を用いて補助トルクが出力されるようにモータ114を駆動し、モータ114が出力した補助トルクによりユーザに補助力を提供できる。補助トルク値は、モータ114に印加される制御信号を意味し、補助トルクは、補助トルク値に基づいてモータ114によって出力される回転トルクを意味し、補助力は、補助トルクによりユーザが感じる力を意味する。
図11を参照して説明された一実施形態は、ウェアラブル装置100がユーザに運動モード及び補助モードを共に提供できるものと説明したが、他の一実施形態によれば、ウェアラブル装置100は、運動モードとしてのみ動作してもよい。ウェアラブル装置100が運動モードとしてのみ動作する場合、上述したステップ1110、1130、1170及び1180が実行されなくてもよい。また、ウェアラブル装置100は、モータ114に電力を供給するためのバッテリを含まなくてもよい。バッテリが含まれていない場合、ウェアラブル装置100が軽量化される。
図12は、一例に係るユーザ端末に出力される抵抗力プロファイルを示す。
一実施形態によれば、ウェアラブル装置100は、ユーザ端末1200と有線又は無線ネットワークを介して接続される。例えば、ウェアラブル装置100は、ユーザ端末1200にインストールされたアプリケーションを介してウェアラブル装置100に関する情報を送受信することができる。ウェアラブル装置100に関する情報は、ウェアラブル装置100に対する設定値、ウェアラブル装置100の動作状態、ウェアラブル装置100の装置状態などを含む。ウェアラブル装置100に対する設定値は、ユーザが設定した補助モード又は運動モードに対する詳細設定値を含んでもよい。ウェアラブル装置100の動作状態は、ユーザの現在の歩行状態又は歩行サイクルの進行度を含んでもよい。ウェアラブル装置100の装置状態は、バッテリ150の残余容量などを含んでもよい。
ウェアラブル装置100又はユーザ端末1200には、運動モードに対する様々な抵抗力プロファイルが予め格納されることができる。例えば、抵抗力プロファイルのそれぞれは互いに異なる運動効果を示すように予め生成されてもよい。
ユーザは、従来における抵抗力プロファイル1210の少なくとも一部区間1220を自身が希望する抵抗レベルに修正することにより、抵抗力プロファイル1210を個人化できる。例えば、一部区間1220はスイング状態に対応し、ユーザは、スイング状態で抵抗レベルが最小になるよう、一部区間1220の抵抗レベルを修正することができる。例えば、ユーザは、ユーザ端末1200のタッチパネルを介して一部区間1220をタッチし、選択された一部区間1220の軌跡をドラッグすることで抵抗レベルを修正することができる。
図13は、他の一実施形態に係る抵抗力を提供する方法のフローチャートである。
他の一実施形態によれば、以下のステップ1310~1380は、上述したウェアラブル装置100によって実行される。
ステップ1310において、ウェアラブル装置100は、ユーザからウェアラブル装置100を制御する動作モードを受信する。ステップ1310に対する説明は、図11を参照して上述したステップ1110に対する説明に代替される。
ステップ1320において、ウェアラブル装置100は、センサ121を用いてユーザの関節の角度を測定する。ステップ1320に対する説明は、図11を参照して上述したステップ1120に対する説明に代替される。ステップ1320は、ステップ1330と独立的かつ並列的に実行されてもよい。
ステップ1330において、ウェアラブル装置100は、動作モードが運動モードであるか、補助モードであるか否かを決定する。
ウェアラブル装置100が複数の神経網に基づいて動作する場合、ウェアラブル装置100は、決定された動作モードに対応する神経網を決定する。決定された神経網に基づいて以後のステップを実行する。例えば、運動モードに対しては運動モード神経網が決定され、補助モードに対しては補助モード神経網が決定されてもよい。動作モードが運動モードである場合、ステップ1340~1360が実行され、動作モードが補助モードである場合、ステップ1370~1380が実行される。
運動モード又は補助モードがそれぞれの神経網に基づいて動作できるものと記載しているが、記載の実施形態に限定されることはない。例えば、神経網でない制御アルゴリズムを介してウェアラブル装置100の動作が制御されてもよい。
<運動モード>
ステップ1340において、ウェアラブル装置100のプロセッサ142は、測定された関節角度に基づいて関節に対する抵抗レベルを決定する。ステップ1340に対する説明は、図11を参照して上述したステップ1340に対する説明に代替される。
ステップ1340において、ウェアラブル装置100のプロセッサ142は、測定された関節角度に基づいて関節に対する抵抗レベルを決定する。ステップ1340に対する説明は、図11を参照して上述したステップ1340に対する説明に代替される。
ステップ1350において、ウェアラブル装置100のプロセッサ142は、抵抗レベルに対応するモータドライバ回路112の連結比率を決定する。ステップ1350に対する説明は、図11を参照して上述したステップ1350に対する説明に代替される。
ステップ1360において、ウェアラブル装置100のプロセッサ142は、モータドライバ回路112の連結比率を介してモータ114を制御する。ステップ1360に対する説明は、図11を参照して上述したステップ1160に対する説明に代替される。
<補助モード>
ステップ1370において、ウェアラブル装置100のプロセッサ142は、測定された関節の角度に基づいて関節に対する補助トルク値を算出する。ステップ1370に対する説明は、図11を参照して上述したステップ1170に対する説明に代替される。
ステップ1370において、ウェアラブル装置100のプロセッサ142は、測定された関節の角度に基づいて関節に対する補助トルク値を算出する。ステップ1370に対する説明は、図11を参照して上述したステップ1170に対する説明に代替される。
ステップ1380において、ウェアラブル装置100のプロセッサ142は、補助トルク値に基づいてモータ114を制御することでユーザに補助力を提供する。ステップ1380に対する説明は、図8を参照して上述したステップ1180に対する説明に代替される。
図14は、一例に係る開ループであるモータドライバ回路を示す。
一実施形態に係るモータドライバ回路1400は、Hブリッジ回路であってもよい。スイッチ1410~1440の連結状態によりモータドライバ回路1400の開閉状態が変わる。スイッチ1410~1440は、BJT(Bipolar Junction Transistor)及びMOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-effect Transistor)などに実現されるが、記載された実施形態に限定されることはない。
モータドライバ回路1400が開ループ状態である場合、モータ114の動的制動が最小になり、これにより、モータ114の逆駆動性が高まる。この場合、逆駆動性は、モータ114に連結されたギヤによって発生する摩擦力であり得る。
図15及び図16は、一例に係る閉ループであるモータドライバ回路を示す。
一実施形態によれば、バッテリ150及びモータ114を含むようにモータドライバ回路1400の閉ループが形成される。
例えば、モータドライバ回路1400のスイッチ1410及び1440が開放された状態で、スイッチ1420及び1430が閉じられた場合、モータ114に提供される電流は、第1方向1510に流れる。
異なる例として、モータドライバ回路1400のスイッチ1410及び1440が閉じられた状態で、スイッチ1420及び1430が開放された場合、モータ114に提供される電流は、第2方向1610に流れてもよい。第2方向1610は、第1方向1510と反対方向である。電流の方向によりモータ114の軸の回転方向が変わり得る。
前記の閉ループは、補助モードである場合に形成されてもよく、ユーザに提供される補助力の方向により電流の方向1510及び1610が決定されることができる。
図17は、一例に係る閉ループであるモータドライバ回路を示す。
実施形態によると、バッテリ150のエネルギーを利用しないように制御された、モータ114が連結されているモータードライバ回路1400は、閉ループを形成することができる、すなわち、図示されたモータドライバ回路1400は、バッテリ150の電力を使用しない運動モードに対するモータドライバ回路1400として、モータ114に連結されている閉ループ回路である。
例えば、回路1400のスイッチ1410及び1430が開放された状態であり、スイッチ1420及び1440が閉じられた場合、モータ114を含む閉ループが形成されてもよい。即ち、モータドライバ回路1400の下段ドライバ回路によって閉ループが形成されてもよい。前記の閉ループは、運動モードである場合に形成されてもよく、モータ114の動的制動が発生する。モータ114を回転させるユーザは、動的制動により抵抗力を感じることになる。
図18は、一例に係る制動抵抗器を含む閉ループであるモータドライバ回路を示す。
一実施形態に係るモータドライバ回路1800は、バッテリ150及び、モータ114に連結されるスイッチ1810~1840、及び制動抵抗器(braking resistor)1850を含む。図示された実施形態において、スイッチ1820及び1840が閉じられているため、モータ114を含む閉ループが形成される。閉ループが形成された状態では、ユーザが感じる抵抗力は最大となる。
モータドライバ回路1800に対する開ループ状態と閉ループ状態の比率が連結比率によって調整されることで、抵抗力の程度が調整され得る。抵抗力を最大にするためには閉ループ状態が維持され、抵抗力を最小限にするためには開ループ状態が引き続き維持されることができる。
モータドライバ回路1800が閉ループとして制御された状態で、モータ114はユーザによる外力に対して発電機として動作し、生成されたエネルギーは、制動抵抗器1850を介して熱に消耗されてもよい。異なる例として、図示されたモータドライバ回路1800において、モータ114により生成されたエネルギーとしての電流は、ダイオードによってモータ144の回転軸の回転方向に関係なく、バッテリ150の+端子から-端子の方向に流れる。そのため、生成されたエネルギーは、バッテリ150を充填することができる。
図19は、他の一例に係る抵抗を含む閉ループのモータドライバ回路を示す。
図14~図17を参照して上述した回路1400に少なくとも1つの抵抗1962及びスイッチ1964を含む補助経路を付加した回路1900は、閉ループの電気的な安全性を高めることができる。
モータ114が含まれている閉ループ状態のモータドライバ回路1900において、モータ114が外力によって回転すれば、発電機として動作して起電力が発生する。発生された起電力によって閉ループ内の電子素子が破損する恐れがある。閉ループに抵抗1962を加えると、閉ループ自体の内部抵抗値が大きくなるため、起電力によって生成される電流の大きさを低下させることができる。電流の大きさが低下されることにより、閉ループ内の電子素子が破損する恐れも低下される。
図20は、一例に係るBLDCモータを含む閉ループのモータドライバ回路を示す。
図14~図19を参照したモータドライバ回路1400,1800,1900はDCモータに接続されていたが、異なる例として、モータドライバ回路2000はBLDCモータ2005に接続されてもよい。BLDCモータ2005は、モータドライバ回路2000内の3つの端子に接続されてもよい。一般に、BLDCモータは、DCモータに比べて体積対比生成するトルクが大きく、DCモータに使用される電流整流のための機械的なブラシを使用しないため、ブラシと回転子巻線との間の摩擦が発生しない。そのため、BLDCモータには、ブラシと回転子巻線との間の摩擦が発生しないことから、DCモータに比べて耐久性が優秀である。
例えば、モータドライバ回路2000のスイッチ2010、2030及び2050が開放された状態であり、スイッチ2020、2040及び2060が閉じられた場合、BLDCモータ2005を含む閉ループが形成されてもよい。閉ループは、バッテリ150を除外するように形成されてもよい。
スイッチ2020、2040及び2060にPWM信号が印加されることによって、回路2000の閉ループ状態及び開ループ状態が制御される。抵抗レベルにより制御比率が変わり得る。
スイッチ2020は、BLDCモータ2005の第1端子uの開閉を制御し、スイッチ2040は、BLDCモータ2005の第2端子vの開閉を制御し、スイッチ2060は、BLDCモータ2005の第3端子wの開閉を制御する。例えば、スイッチ2020、2040及び2060に同じPWM信号を印加する場合、BLDCモータ2005に対する整流シーケンス(commutation sequence)に関係のない閉ループが形成されてもよい。
BLDCモータ2005は3つの端子u、v、wに接続されているため、端子u、v、w間の電気的な閉ループを構成するためには、回転子のホール(HALL)センサ情報(モータ回転軸の角度)を判断し、整流シーケンスに合うようにスイッチ2020、2040、及び2060のうち2つのスイッチを選択的に接続することによって閉ループを構成してもよいが、運動モードにおいて、BLDCモータ2005の逆駆動性のみを制御するための目的としてBLDCモータ2005を制御する場合、スイッチ2020、2040、及び2060を全て接続することによって整流シーケンスを考慮する必要のない閉ループを形成してもよい。閉ループを構成するために整流シーケンスを考慮する必要がないため、整流シーケンスの算出に必要な時間及びBLDCモータ2005の誤動作に対する恐れが減少し得る。
異なる例として、BLDCモータ2005の回転軸の角度に基づいて分類された状態に対する整流シーケンスに対応する閉ループが形成されるよう、スイッチ2020、2040及び2060それぞれにPWM信号が印加されてもよい。
図21は、一例に係るウェアラブル装置の駆動部の構成図である。
一実施形態によれば、上述したウェアラブル装置100の駆動部110は、モータ2110の他に、クラッチ2120及び複数のギヤ2130,2140を含む。複数のギヤ2130,2140は、ユーザの入力により、又は、決定された抵抗レベルにより相違に選択されてもよい。クラッチ2120は、モータ2110と複数のギヤ2130,2140のいずれか1つを選択的に連結することで、駆動力伝達を制御することができる。
ウェアラブル装置100の動作モードの目的に応じてギヤ比が相違に設定されることで、ユーザに提供される抵抗力の大きさが調整されることができる。
図1A~1Dを参照して示されたヒップタイプウェアラブル装置100とは異なって、ウェアラブル装置は、図22~図24を参照して前述される全身タイプのウェアラブル装置1である。全身タイプのウェアラブル装置1は、ユーザの股関節、膝関節、及び足首関節に歩行補助トルクをそれぞれ提供する装置である。
<全身タイプ歩行補助装置の概要>
図22~図24は、他の一例に係る全身タイプのウェアラブル装置を示す。
図22~図24は、他の一例に係る全身タイプのウェアラブル装置を示す。
図22は、全身タイプのウェアラブル装置1の一実施形態に対する正面図であり、図23は、全身タイプのウェアラブル装置1の側面図であり、図24は、全身タイプのウェアラブル装置1の裏面図である。
一実施形態によれば、全身タイプのウェアラブル装置1は、上述した駆動部110、センサ部120、IMU130、制御部140、及びバッテリ150を含む。
図22~図24に示すように、全身タイプのウェアラブル装置1は、ユーザの左脚及び右脚にそれぞれ着用されるように外骨格の構造を有する。ユーザは、ウェアラブル装置1を着用した状態で伸展(extension)、屈曲(flexion)、内転(adduction)、外転(abduction)などの動作を行うことができる。伸展動作は関節を伸展する運動であり、屈曲動作は関節を屈曲する運動である。内転動作は、脚を体の中心軸に近づける運動である。外転動作は、体の中心軸から遠ざかる方向に脚を伸ばす運動である。
図22~図24を参照すると、ウェアラブル装置1は、本体部10及び機構部20R、20L、30R、30L、40R、40Lを含む。
本体部10は、ハウジング11を含む。ハウジング11には、各種の部品が内蔵されている。ハウジング11に内蔵されている部品として、中央処理装置(Central Processing Unit:CPU)、プリント回路基板、及び様々な種類の格納装置、及び電源が例げられる。本体部10は、上述した制御部140を含む。制御部140は、CPU及びプリント回路基板を含む。
CPUは、マイクロプロセッサ(micro processor)であってもよい。マイクロプロセッサは、シリコンチップに算術論理演算器、レジスタ、プログラムカウンタ、命令デコーダ及び/又は制御回路などが設けられてもよい。CPUは、歩行環境に適切な制御モードを選択し、選択された制御モードに応じて機構部20,30,40の動作を制御するための制御信号を生成する。
プリント回路基板は、所定の回路が印刷されている基板であって、プリント回路基板には、CPU又は/及び様々な格納装置が設けられてもよい。プリント回路基板は、ハウジング11の内側面に固定されている。
ハウジング11に内蔵された格納装置は様々な種類を含んでもよい。格納装置は、磁気ディスクの表面を磁化させてデータを格納する磁気ディスク格納装置、様々な種類のメモリ半導体を用いてデータを格納する半導体記憶装置であってもよい。
ハウジング11に内蔵されている電源は、ハウジング11に内蔵されている各種の部品又は機構部20,30,40に動力を供給することができる。
本体部10は、ユーザの腰を支持するための腰支持部12をさらに含む。腰支持部12は、ユーザの腰を支持できるように湾曲した平面板の形状を有してもよい。
本体部10は、ユーザのヒップ部分にハウジング11を固定するための固定部11a、及びユーザの腰に腰支持部12を固定するための固定部12aをさらに含む。固定部11a,12aは、弾性力を備えるバンド、ベルト、ストラップ(strap)のうちの1つに実現されることができる。
本体部10は、上述したIMU130を含む。例えば、IMU130は、ハウジング11の外部又は内部に設けられてもよい。IMU130は、ハウジング11の内部に備えられたプリント回路基板上に設けられてもよい。IMU130は、加速度及び角速度を測定する。
機構部20,30,40は、図22~図24に示すように第1構造部20、第2構造部30、及び第3構造部40を含む。
第1構造部20R,20Lは、歩行動作において、ユーザの大腿部及び股関節の動きを補助する。第1構造部20R,20Lは、第1駆動装置21R,21L、第1支持部22R,22L及び第1固定部23R,23Lを含む。
上述した駆動部110は、第1駆動装置21R,21Lを含んでもよく、図19~図21を参照して説明された駆動装置110に対する説明は、第1駆動装置21R,21Lに対する説明に代替される。
第1駆動装置21R,21Lは、第1構造部20R,20Lの股関節に位置してもよく、所定の方向に様々な大きさの回転力を生成し得る。第1駆動装置21R,21Lで発生した回転力は、第1支持部22R,22Lに印加される。第1駆動装置21R,21Lは、人体の股関節の動作範囲内で回転するように設定される。
第1駆動装置21R,21Lは、本体部10で提供される制御信号により駆動されることができる。第1駆動装置21R,21Lは、モータ、真空ポンプ(vacuum pump)及び水圧ポンプ(hydraulic pump)のいずれか1つに実現されてもよいが、これに限定されることはない。
第1駆動装置21R,21Lの周辺には、関節角度センサが設けられてもよい。関節角度センサは、第1駆動装置21R,21Lが回転軸を中心に回転した角度を検出し得る。上述したセンサ部120は関節角度センサを含む。
第1支持部22R,22Lは、第1駆動装置21R,21Lと物理的に連結される。第1支持部22R,22Lは、第1駆動装置21R,21Lで発生した回転力により所定の方向に回転されることができる。
第1支持部22R,22Lは、様々な形状に実現されてもよい。例えば、第1支持部22R,22Lは、複数の節が互いに連結されている形状に実現されてもよい。ここで、節と節の間には関節が設けられ、第1支持部22R,22Lは、この関節によって一定の範囲内で曲がることができる。異なる例として、第1支持部22R,22Lは、棒状に実現されてもよい。ここで、第1支持部22R,22Lは、一定の範囲内で曲がるように可撓性のある素材から実現されてもよい。
第1固定部23R,23Lは、第1支持部22R,22Lに設けられてもよい。第1固定部23R,23Lは、第1支持部22R,22Lをユーザの大腿部に固定させる役割を果たす。
図22~図24は、第1支持部22R,22Lが第1固定部23R,23Lによってユーザの大腿部の外側に固定されている場合を示している。第1駆動装置21R,21Lが駆動するで第1支持部22R,22Lが回転されれば、第1支持部22R,22Lが固定されている大腿部も第1支持部22R,22Lの回転方向と同じ方向に回転する。
第1固定部23R,23Lは、弾性力を備えるバンド、ベルト、ストラップのいずれか1つに実現されたり、金属素材に実現されてもよい。図19は、第1固定部23R,23Lがチェーン(chain)の場合を示している。
第2構造部30R,30Lは、歩行動作において、ユーザの下腿部及び膝関節の動きを補助する。第2構造部30R,30Lは、第2駆動装置31R,31L、第2支持部32R,32L及び第2固定部33R,33Lを含む。
第2駆動装置31R,31Lは、第2構造部30R,30Lの膝関節に位置し、所定の方向に様々な大きさの回転力を生成することができる。第2駆動装置31R,31Lで発生した回転力は、第2支持部22R,22Lに印加される。第2駆動装置31R,31Lは、人体の膝関節の動作範囲内で回転するように設定されてもよい。
上述した駆動部110は、第2駆動装置31R,31Lを含む。図1~図2を参照して説明された股関節に関連する説明が、膝関節に関連する説明と同様に適用され得る。
第2駆動装置31R,31Lは、本体部10で提供される制御信号により駆動されることができる。第2駆動装置31R,31Lは、モータ、真空ポンプ、及び水圧ポンプのいずれか1つに実現されてもよいが、これに限定されることはない。
第2駆動装置31R,31Lの周辺には、関節角度センサが設けられてもよい。関節角度センサは、第2駆動装置31R,31Lが回転軸を中心に回転した角度を検出することができる。上述したセンサ部120は関節角度センサを含む。
第2支持部32R,32Lは、第2駆動装置31R,31Lと物理的に連結されている。第2支持部32R,32Lは、第2駆動装置31R,31Lで発生した回転力により所定の方向に回転されることができる。
第2固定部33R,33Lは、第2支持部32R,32Lに設けられる。第2固定部33R,33Lは、第2支持部32R,32Lをユーザの下腿部に固定させる役割を果たす。図11~図13は、第2支持部32R,32Lが第2固定装置33R,33Lによってユーザの下腿部の外側に固定されている場合を示す。第2駆動装置31R,31Lが駆動することで第2支持部22R,22Lが回転されれば、第2支持部22R,22Lが固定された大腿部も第2支持部22R,22Lの回転方向と同じ方向に回転する。
第2固定装置33R,33Lは、弾性力を備えるバンド、ベルト、ストラップのいずれか1つに実現されたり、金属素材に実現されてもよい。
第3構造部40R,40Lは、歩行動作においてユーザの足首関節及び関連筋肉の動きを補助することができる。第3構造部40R,40Lは、第3駆動装置41R,41L、足支え部42R,42L及び第3固定装置43R,43Lを含む。
上述した駆動部110は、第3駆動装置41R,41Lを含む。図1を参照して説明された股関節に関連する説明が、足首関節に関する説明と同様に適用され得る。
第3駆動装置41R,41Lは、第3構造部40R,40Lの足首関節に設けられ、本体部10から提供される制御信号により駆動され得る。第3駆動装置41R,41Lも第1駆動装置21R,21L又は第2駆動装置31R,31Lと同様にモータに実現されることができる。
足支え部42R,42Lは、ユーザの足の裏に対応する位置に備えられ、第3駆動装置41R,41Lと物理的に連結されている。
第3固定部43R,43Lは、足支え部42R,42Lに設けられる。第3固定部43R,43Lは、ユーザの足を足支え部42R,42Lに固定させる役割を果たす。
本開示で説明されたユニット及び/又はモジュールは、ハードウェア構成要素及びソフトウェア構成要素を用いて実現され得る。例えば、ハードウェア構成要素は、マイク、増幅器、帯域通過フィルタ、オーディオデジタルコンバータ、及び処理装置を含む。処理装置は、算術、論理、及び入出力演算を行うことで、プログラムコードを実行及び/又は実行するように構成された1つ以上のハードウェア装置を用いて実現できる。処理装置は、プロセッサ、コントローラ、及び算術論理装置、デジタル信号プロセッサ、マイクロコンピュータ、フィールドプログラム可能アレイ、プログラム可能論理装置、マイクロプロセッサー又は定義された方式で命令に応答して命令を実行できるその他の装置を含む。処理装置は、オペレーティングシステム(OS)及びOSで実行される1つ以上のソフトウェアアプリケーションを実行する。処理装置は、また、ソフトウェア実行に応答してデータに連結、格納、操作、処理、及び生成することができる。単純化のために、処理装置に対する説明は単数に使用されてもよい。しかし、当業者は、処理装置が多重処理要素及び処理要素の多重形式を含み得ることを理解できるのであろう。例えば、処理装置は、多重プロセッサ又はプロセッサとコントローラを含んでもよい。また、並列プロセッサのような様々な処理構成が可能である。
ソフトウェアは、コンピュータプログラム、コード、命令、又はそのうちの一つ以上の組合せを含み、希望する通りに動作するよう処理装置を構成したり、独立的又は結合的に処理装置を命令することができる。ソフトウェア及び/又はデータは、処理装置によって解釈されたり処理装置に命令又はデータを提供するために、いずれかの類型の機械、構成要素、物理的装置、仮想装置、コンピュータ格納媒体又は装置、又は送信される信号波に永久的又は一時的に具体化することができる。ソフトウェアはネットワークに連結されたコンピュータシステム上に分散され、分散した方法で格納されたり実行され得る。ソフトウェア及びデータは、一つ以上のコンピュータで読出し可能な記録媒体に格納され得る。
本実施形態による方法は、様々なコンピュータ手段を介して実施されるプログラム命令の形態で具現され、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録される。記録媒体は、プログラム命令、データファイル、データ構造などを単独又は組み合せて含む。記録媒体及びプログラム命令は、本発明の目的のために特別に設計して構成されたものでもよく、コンピュータソフトウェア分野の技術を有する当業者にとって公知のものであり使用可能なものであってもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体の例として、ハードディスク、フロッピー(登録商標)ディスク及び磁気テープのような磁気媒体、CD-ROM、DVDのような光記録媒体、フロプティカルディスクのような磁気-光媒体、及びROM、RAM、フラッシュメモリなどのようなプログラム命令を保存して実行するように特別に構成されたハードウェア装置を含む。プログラム命令の例としては、コンパイラによって生成されるような機械語コードだけでなく、インタプリタなどを用いてコンピュータによって実行される高級言語コードを含む。上記で説明したハードウェア装置は、本発明に示す動作を実行するために1つ以上のソフトウェアモジュールとして作動するように構成してもよく、その逆も同様である。
複数の例示的な実施形態が上記で説明したが、それにも関わらず例示的な実施形態に対して様々な技術的な修正及び変形が行われることが理解されなければならない。例えば、説明された技術が説明された方法と異なる順で実行され、及び/又は説明されたシステム、構造、装置、回路などの構成要素が説明された方法と異なる形態で結合又は組み合わせられてもよく、他の構成要素又は均等物によって置き換え又は置換されたとしても適切な結果を達成することができる。したがって、他の実現は下記の特許請求の範囲内にある。
Claims (15)
- ウェアラブル装置によって実行される、抵抗力提供方法は、
センサを介してユーザの第1関節の第1角度を測定するステップと、
前記第1角度に基づいて前記第1関節に対する抵抗レベルを決定するステップと、
前記抵抗レベルに基づいて、前記ウェアラブル装置のモータに電気的に接続されるモータドライバ回路を閉ループとして制御する連結時間と、前記モータドライバ回路を開ループとして制御する非連結時間の間の連結比率を決定するステップと、
前記連結比率に基づいて、前記モータドライバ回路を介して前記モータを制御するステップと、
を含む、抵抗力提供方法。 - 前記モータドライバ回路は、前記連結比率に基づいて制御される少なくとも1つのスイッチを含む、請求項1に記載の抵抗力提供方法。
- 前記連結比率は、PWM(pulse width modulation)に示される、請求項1に記載の抵抗力提供方法。
- 前記ユーザに提供される抵抗レベルは、前記連結比率によって調整され、
前記モータドライバ回路が閉ループとして制御される前記連結時間が増加するほど前記抵抗力が増加する、請求項3に記載の抵抗力提供方法。 - 前記モータドライバ回路が閉ループとして制御された状態において、前記モータは前記ユーザによる外力に対して発電機として動作する、請求項1に記載の抵抗力提供方法。
- 前記モータが前記発電機として動作する場合、前記発電機によって生成されたエネルギーに基づいて前記ウェアラブル装置のバッテリを充填するステップをさらに含む、請求項5に記載の抵抗力提供方法。
- 前記ユーザから前記ウェアラブル装置の動作モードを運動モードに設定するとの命令を受信するステップをさらに含む、請求項1に記載の抵抗力提供方法。
- 前記運動モードとして設定された場合、前記モータには前記ウェアラブル装置のバッテリからエネルギーが提供されない、請求項7に記載の抵抗力提供方法。
- 前記ユーザから前記ウェアラブル装置の動作モードを補助モードに設定するとの命令を受信するステップと、
前記第1角度に基づいて前記補助モードで前記第1関節に対する補助トルク値を算出するステップと、
前記補助トルク値に基づいて前記モータを制御することにより前記ユーザに補助力を提供するステップと、
をさらに含む、請求項1に記載の抵抗力提供方法。 - 請求項1に記載の方法を行うプログラムを収録したコンピュータで読み出し可能な記録媒体。
- ユーザに抵抗力を提供するウェアラブル装置は、
ユーザに抵抗力を提供するための命令を含むプログラムを格納するメモリと、
前記ユーザの第1関節の第1角度を測定するセンサと、
モータドライバ回路と、
前記モータドライバ回路と電気的に接続されたモータと、
前記プログラムを実行するプロセッサと、
を含み、
前記プロセッサは、
前記センサを用いて前記ユーザの前記第1関節の前記第1角度を測定し、
前記第1角度に基づいて前記第1関節に対する抵抗レベルを決定し、
前記抵抗レベルに基づいて、前記モータドライバ回路を閉ループとして制御する連結時間と、前記モータドライバ回路を開ループとして制御する非連結時間の間の連結比率を決定し、
前記連結比率に基づいて、前記モータドライバ回路を介して前記モータを制御する、ウェアラブル装置。 - 前記連結比率は、PWM(pulse width modulation)に示され、
前記ユーザに提供される抵抗力は、前記連結比率によって調整され、
前記モータドライバ回路が閉ループとして制御される前記連結時間が増加するほど前記抵抗力が増加する、請求項11に記載のウェアラブル装置。 - 前記モータドライバ回路が閉ループとして制御された状態において、前記モータは前記ユーザによる外力に対して発電機として動作する、請求項11に記載のウェアラブル装置。
- 前記プロセッサは、
前記ユーザから前記ウェアラブル装置の動作モードを運動モードに設定するとの命令を受信し、
前記運動モード及び前記第1角度に基づいて前記第1関節に対する前記抵抗レベルを決定する、請求項11に記載のウェアラブル装置。 - 前記プロセッサは、
前記ユーザから前記ウェアラブル装置の動作モードを補助モードに設定するとの命令を受信し、
前記第1角度に基づいて前記補助モードにおける前記第1関節に対する補助トルク値を算出し、
前記補助トルク値に基づいて前記モータを制御することにより前記ユーザに補助力を提供する、請求項11記載のウェアラブル装置。
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