KR101454291B1 - Device and method for gait estimation of wearable exoskeleton - Google Patents

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Abstract

본 발명은 착용식 외골격의 보행 추정 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 보행 추정 장치는, 외골격 장치 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력을 측정해주는 복수의 발 압력 센서로 이루어진 발 압력 센서부; 상기 착용자의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 측정해주는 복수의 관절각 센서로 이루어진 관절각 센서부; 상기 발 압력 센서부 및 관절각 센서부에 의해 측정된 데이터를 이용하여, 데이터 베이스에 저장되어 있는 외골격 장치의 보행 단계 중 적어도 하나를 상기 외골격 장치의 보행 단계로 결정하기 위한 보행 데이터를 산출하는 보행데이터 산출부; 및 상기 산출된 보행 데이터를 기초로 상기 외골격 장치의 보행 단계를 결정하는 보행단계 결정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to an apparatus and a method for estimating a wearable exoskeletal gait. A foot pressure sensor unit including a plurality of foot pressure sensors for measuring pressure acting on the floor of a foot of a wearer of the exoskeleton device; A joint angle sensor unit including a plurality of joint angle sensors for measuring a femoral, ankle, and ankle joint angles of the wearer; A step of calculating walking data for determining at least one of the walking steps of the exoskeleton device stored in the database as the walking step of the exoskeleton device using the data measured by the foot pressure sensor part and the joint angle sensor part A data calculation unit; And a gait determining unit determining gait steps of the exoskeleton apparatus based on the calculated gait data.

Description

착용식 외골격의 보행 추정 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR GAIT ESTIMATION OF WEARABLE EXOSKELETON}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an apparatus and method for estimating a walking exoskeleton,

본 발명은 착용자의 보행 기능을 향상시킬 수 있는 착용식 외골격의 보행 추정 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a wearable exoskeletal gait estimation apparatus and method capable of improving a walking function of a wearer.

외골격 장치는 착용자의 인체 기능을 향상시킬 수 있도록 고안된 장치이다. 이러한 외골격 장치는 착용자가 착용 시 편안함을 느낄 수 있고, 착용자의 동작에 간섭을 주지 않도록 설계 및 작동되어야 한다. The exoskeleton device is a device designed to improve the human body function of the wearer. Such an exoskeleton device should be designed and operated so that the wearer can feel comfortable when worn and does not interfere with the operation of the wearer.

기존의 외골격 장치는 조작반을 적용하는 방식, 착용자로부터 근전 신호를 감지하거나 착용자의 움직임을 감지할 수 있는 센서를 이용하는 방식으로 작동될 수 있다. 조작반을 적용하는 방식은 착용자가 동작 명령을 직접 전달하는 방식으로, 운동기능이 곤란한 환자의 운동을 보조하는 장치에 적용될 수 있다. Existing exoskeleton devices can be operated in a manner of applying an operation panel, a method of sensing a near-end signal from a wearer, or a sensor capable of detecting the movement of a wearer. The method of applying the operation panel can be applied to a device that assists the movement of the patient in which the movement function is difficult, in a manner that the wearer directly transmits an operation command.

한편, 또 한가지 방식은 착용자의 신체에 직접 부착된 센서가 인체의 움직임을 직접 감지할 수 있다. 그러나 인체의 움직임에 따라 센서 부착 부위가 계속 변동될 수 있다는 문제점이 발생하게 된다. 또한, 착용자가 불편함을 느낄 수 있기 때문에 센서를 장시간 신체에 밀착시키기 어렵고, 감지된 신호의 신뢰성을 장시간 유지하기 어렵다는 문제점도 발생하게 된다. On the other hand, another method is that a sensor directly attached to the wearer's body can directly detect the movement of the human body. However, there arises a problem that the sensor attachment site may be continuously changed according to the movement of the human body. In addition, since the wearer feels uncomfortable, it is difficult to keep the sensor in close contact with the user's body for a long time, and it is difficult to maintain the reliability of the sensed signal for a long time.

또 다른 방식으로, 압력 센서와 ON/OFF 스위치를 발 부분에 적용하여 외골격을 제어하는 두 가지 방법인 외발 지지 제어 모드와 양발 지지 제어 모드를 선택하는데 사용하였다. 그러나 이 경우, 지면과 발의 접촉 여부만으로 착용자의 관절 움직임을 판단해야 하기 때문에 자연스러운 추정을 위한 충분한 정보가 제공되기 어렵다. Alternatively, two methods of controlling the exoskeleton by applying a pressure sensor and an ON / OFF switch to the foot portion were used to select the out-of-support control mode and the bipedal support control mode. However, in this case, since it is necessary to judge the movement of the wearer's joint by only contacting the ground with the foot, sufficient information for natural estimation is difficult to be provided.

따라서, 센서를 착용자의 신체에 직접 부착하지 않으며, 착용자의 동작에 의한 간섭 없이 외골격의 보행 동작 상태를 실시간으로 추정하는 착용식 외골격의 보행 추정 장치의 개발이 요구된다.Therefore, it is required to develop a wearable exoskeletal gait estimating device that does not directly attach the sensor to the wearer's body, and estimates the walking operation state of the exoskeleton in real time without interference by the wearer's operation.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 착용자의 보행 동작을 실시간으로 추정하고 이를 기초로 외골격 장치를 동작시킬 수 있는 착용식 외골격의 보행 추정 장치 및 방법을 제공함에 있다. An object of the present invention is to provide a wearable exoskeletal gait estimation apparatus and method capable of estimating a wearer's gait motion in real time and operating the exoskeleton device based on the gait.

본 발명의 일 실시 예에 따른 보행 추정 장치는, 외골격 장치 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력을 측정해주는 복수의 발 압력 센서로 이루어진 발 압력 센서부; 상기 착용자의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 측정해주는 복수의 관절각 센서로 이루어진 관절각 센서부; 상기 발 압력 센서부 및 관절각 센서부에 의해 측정된 데이터를 이용하여, 데이터 베이스에 저장되어 있는 외골격 장치의 보행 단계 중 적어도 하나를 상기 외골격 장치의 보행 단계로 결정하기 위한 보행 데이터를 산출하는 보행데이터 산출부; 및 상기 산출된 보행 데이터를 기초로 상기 외골격 장치의 보행 단계를 결정하는 보행단계 결정부;를 포함한다. A foot pressure sensor unit including a plurality of foot pressure sensors for measuring pressure acting on the floor of a foot of a wearer of the exoskeleton device; A joint angle sensor unit including a plurality of joint angle sensors for measuring a femoral, ankle, and ankle joint angles of the wearer; A step of calculating walking data for determining at least one of the walking steps of the exoskeleton device stored in the database as the walking step of the exoskeleton device using the data measured by the foot pressure sensor part and the joint angle sensor part A data calculation unit; And a gait step determiner for determining a gait step of the exoskeleton device based on the calculated gait data.

실시 예에 있어서, 상기 결정된 보행 단계에 따라 상기 외골격 장치를 구동시키는 제어 명령을 산출하는 제어명령 산출부; 및 상기 산출된 제어명령에 따라 상기 외골격 장치를 구동시키는 외골격 구동부;를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the control command calculation unit calculates a control command to drive the exoskeleton device according to the determined gait step. And an exoskeleton driver driving the exoskeleton device according to the calculated control command.

실시 예에 있어서, 상기 보행데이터 산출부는, 상기 복수의 발 압력 센서에서 측정된 압력과 상기 착용자의 발 바닥에 대응되는 상기 복수의 발 압력 센서의 위치를 기초로, 상기 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치를 상기 보행 데이터로 산출할 수 있다. In an embodiment, the gait data calculation unit may calculate the gait data based on the pressure measured by the plurality of foot pressure sensors and the position of the plurality of foot pressure sensors corresponding to the floor of the wearer's foot, The center position of the pressure can be calculated as the walking data.

실시 예에 있어서, 상기 보행단계 결정부는, 상기 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치가 사전에 설정한 소정의 패턴에 따라 변경되고, 사전에 설정한 소정의 토크로 상기 외골격 장치의 슬관절 조인트를 구동시킬 때 사전에 설정한 소정의 각도 변화가 감지되면, 상기 착용자가 보행을 시작한 것으로 판단할 수 있다. In the embodiment, the walking step determining section may change the center position of the pressure acting on the foot floor according to a predetermined pattern set in advance, and drive the knee joint of the exoskeleton device with a predetermined torque set in advance It is possible to determine that the wearer has started to walk when a predetermined angle change set in advance is detected.

실시 예에 있어서, 상기 보행 단계는, 상기 외골격 장치의 양쪽 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치 변화와 상기 외골격 장치의 양쪽 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각의 변화를 기초로 설정될 수 있다. In an embodiment, the walking step may be set based on a change in the center position of pressure acting on the floor of both feet of the exoskeleton device and a change in both femoral, angular, and ankle angles of the exoskeleton device.

본 발명의 일 실시 예에 따른 보행 추정 방법은, (a) 복수의 발 압력 센서 및 복수의 관절각 센서로 외골격 장치 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력 및 상기 착용자의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 측정하는 단계; (b) 상기 측정된 데이터를 이용하여, 데이터 베이스에 저장되어 있는 외골격 장치의 보행 단계 중 적어도 하나를 상기 외골격 장치의 보행 단계로 결정하기 위한 보행 데이터를 산출하는 단계; 및 (c) 상기 산출된 보행 데이터를 기초로 상기 외골격 장치의 보행 단계를 결정하는 단계;를 포함할 수 있다. The method of estimating gait according to an embodiment of the present invention is characterized in that (a) a plurality of foot pressure sensors and a plurality of joint angle sensors detect a pressure acting on a foot bottom of a wearer of an exoskeleton device, Measuring an angle; (b) calculating gait data for determining at least one of gait steps of the exoskeleton device stored in the database as gait steps of the exoskeleton device using the measured data; And (c) determining a walking step of the exoskeleton device based on the calculated gait data.

실시 예에 있어서, (d) 상기 결정된 보행 단계에 따라 상기 외골격 장치를 구동시키는 제어 명령을 산출하는 단계; 및 (e) 상기 산출된 제어명령에 따라 상기 외골격 장치를 구동시키는 단계;를 더 포함할 수 있다. (D) calculating a control command to drive the exoskeleton device according to the determined gait step; And (e) driving the exoskeleton device according to the calculated control command.

실시 예에 있어서, 상기 (b) 단계는, 상기 복수의 발 압력 센서에서 측정된 압력과 상기 착용자의 발 바닥에 대응되는 상기 복수의 발 압력 센서의 위치를 기초로, 상기 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치를 상기 보행 데이터로 산출하는 단계;를 포함할 수 있다. In the embodiment, the step (b) may include a step of, based on the pressure measured by the plurality of foot pressure sensors and the position of the plurality of foot pressure sensors corresponding to the foot bottom of the wearer, And calculating the center position of the pressure as the walking data.

실시 예에 있어서, 상기 (c) 단계는, 상기 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치가 사전에 설정한 소정의 패턴에 따라 변경되고, 사전에 설정한 소정의 토크로 상기 외골격 장치의 슬관절 조인트를 구동시킬 때 사전에 설정한 소정의 각도 변화가 감지되면, 상기 착용자가 보행을 시작한 것으로 판단하는 단계;를 포함할 수 있다. In the embodiment, the step (c) may include changing the center position of the pressure acting on the floor of the foot according to a predetermined pattern set in advance, and moving the knee joint of the exoskeleton device And determining that the wearer has started to walk when a predetermined angle change that is set in advance is sensed when the vehicle is driven.

실시 예에 있어서, 상기 보행 단계는, 상기 외골격 장치의 양쪽 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치 변화와 상기 외골격 장치의 양쪽 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각의 변화를 기초로 설정될 수 있다. In an embodiment, the walking step may be set based on a change in the center position of pressure acting on the floor of both feet of the exoskeleton device and a change in both femoral, angular, and ankle angles of the exoskeleton device.

본 발명에 의하면, 외골격 장치의 착용자는 각종 센서를 신체에 직접 부착할 필요가 없게 된다. 그 결과 착용자의 움직임에 따른 감지 신호의 신뢰성 저하, 착용자와 센서의 간섭, 센서 착용의 불편함과 같은 문제점이 해결될 수 있다. According to the present invention, the wearer of the exoskeleton device does not need to directly attach various sensors to the body. As a result, it is possible to solve problems such as a decrease in the reliability of the detection signal due to the movement of the wearer, interference between the wearer and the sensor, and inconvenience of wearing the sensor.

또한, 본 발명에 따른 보행 추정 장치는 외골격 장치의 보행 단계를 실시간으로 추정할 수 있다. 이에 따라, 착용자의 동작 간섭을 최소화하여 착용자에게 착용 전과 유사한 자연스러운 동작을 제공할 수 있다. In addition, the gait estimation apparatus according to the present invention can estimate the gait steps of the exoskeleton device in real time. Accordingly, it is possible to minimize movement interference of the wearer and to provide the wearer with a natural motion similar to that before wear.

그리고, 착용자의 보행 시작 여부를 판단하여 착용자에게 미칠 수 있는 불필요한 하중을 감소시킬 수 있다. Then, it is possible to determine whether or not the wearer starts to walk, thereby reducing the unnecessary load on the wearer.

도 1은 본 발명에 따른 보행 추정 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2는 복수의 발 압력 센서의 일 실시 예를 나타낸 개념도이다.
도 3은 표 1의 실시 예에 따른 발 압력 중심 위치를 도시한 개념도이다.
도 4는 복수의 발 압력 센서의 배치 및 발 압력 중심의 위치를 보여주는 개념도이다.
도 5는 외골격 장치의 보행 단계의 일 실시 예를 도시한 개념도이다.
도 6은 도 1에 따른 보행 추정 장치에서 수행되는 보행 추정 방법을 보여주는 순서도이다.
도 7은 도 1에 따른 보행 추정 장치에서 수행되는 보행 시작 추정 방법을 보여주는 순서도이다. FIG. 1 is a block diagram showing a gait estimation apparatus according to the present invention.
2 is a conceptual diagram showing an embodiment of a plurality of foot pressure sensors.
3 is a conceptual diagram showing the center of the foot pressure according to the embodiment of Table 1. FIG.
4 is a conceptual diagram showing the arrangement of a plurality of foot pressure sensors and the position of the foot pressure center.
5 is a conceptual diagram showing an embodiment of a walking step of the exoskeleton device.
6 is a flowchart showing a gait estimation method performed in the gait estimation apparatus according to FIG.
FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of estimating the start of walking performed in the gait estimating apparatus according to FIG. 1. FIG.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the technical idea of the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly explain the present invention, parts not related to the description are omitted, and like parts are denoted by similar reference numerals throughout the specification.

도 1은 본 발명에 따른 보행 추정 장치를 보여주는 블록도이다. FIG. 1 is a block diagram showing a gait estimation apparatus according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 보행 추정 장치는 발 압력 센서부(200, 210), 관절각 센서부(100, 110, 120, 130, 140, 150), 보행데이터 산출부(30), 보행단계 결정부(20), 제어명령 산출부(10) 및 외골격 구동부(300, 310)를 포함한다. 1 is a block diagram of a gait estimation apparatus according to an embodiment of the present invention. The gait estimation apparatus includes foot pressure sensors 200 and 210, joint angle sensors 100, 110, 120, 130, 140 and 150, a walking data calculator 30, A walking step determining unit 20, a control command calculating unit 10, and an exoskeleton driving unit 300 and 310. [

발 압력 센서부(200, 210)는 외골격 장치 착용자(외골격 장치)의 발 바닥에 작용하는 압력을 측정할 수 있는 복수의 발 압력 센서를 포함한다. 복수의 발 압력 센서는 착용자(외골격 장치)의 발 바닥에 작용하는 압력(힘)의 위치 및 크기를 측정할 수 있다. 구체적인 사항은 도 2에서 서술한다. The foot pressure sensor units 200 and 210 include a plurality of foot pressure sensors capable of measuring the pressure acting on the foot floor of the exoskeleton device wearer (exoskeleton device). The plurality of foot pressure sensors can measure the position and size of the pressure (force) acting on the foot floor of the wearer (exoskeleton device). Specific details will be described in Fig.

관절각 센서부(100, 110, 120, 130, 140, 150)는 착용자(외골격 장치)의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 측정해주는 복수의 관절각 센서를 포함한다. The joint angle sensor units 100, 110, 120, 130, 140, and 150 include a plurality of joint angle sensors for measuring an angle of a femur, a knee, and an ankle joint of a wearer (exoskeleton device).

구체적으로, 대퇴관절각을 측정하는 대퇴관절각 센서(100, 130), 슬관절각을 측정하는 슬관절각 센서(110, 140) 및 족관절각을 측정하는 족관절각 센서(120, 150)를 포함한다. Specifically, the apparatus includes femoral joint angle sensors 100 and 130 for measuring a femoral joint angle, knee angle sensors 110 and 140 for measuring a knee angle, and ankle joint angle sensors 120 and 150 for measuring ankle angle.

보행데이터 산출부(30)는 발 압력 센서부(200, 210) 및 관절각 센서부(100, 110, 120, 130, 140, 150)에 의해 측정된 데이터로부터 보행 데이터를 산출한다. The walking data calculation unit 30 calculates the walking data from the data measured by the foot pressure sensor units 200 and 210 and the joint angle sensor units 100, 110, 120, 130, 140 and 150.

구체적으로, 보행 데이터는 보행단계 결정부(20)에 위치하는 데이터 베이스에 저장되어 있는 외골격 장치의 보행 단계 중 적어도 하나를 외골격 장치의 보행 단계로 결정하기 위한 데이터를 의미한다. 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 보행 데이터는 발 압력 센서부(200, 210) 및 관절각 센서부(100, 110, 120, 130, 140, 150)에 의해 측정된 데이터로부터 산출될 수 있다. Specifically, the walking data means data for determining at least one of the walking steps of the exoskeleton device stored in the database located in the walking step determination unit 20 as the walking step of the exoskeleton device. As described above, the walking data can be calculated from the data measured by the foot pressure sensor units 200 and 210 and the joint angle sensor units 100, 110, 120, 130, 140 and 150.

구체적으로, 보행데이터 산출부(30)는 각각의 센서에서 측정된 압력, 회전각, 각속도 등의 물리적인 값을 전기적인 신호로 변환하고, 각각의 신호에 포함된 노이즈(noise)를 제거하여 보행 데이터를 산출할 수 있다. Specifically, the walking data calculation unit 30 converts physical values such as the pressure, the rotation angle, and the angular velocity measured by the respective sensors into electrical signals, removes the noise included in each of the signals, Data can be calculated.

예를 들면, 복수의 발 압력 센서(200, 210)에서 측정된 압력과 착용자의 발 바닥에 대응되는 복수의 발 압력 센서(200, 210)의 위치를 기초로, 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치를 보행 데이터로 산출할 수 있다. 구체적인 사항은 후술한다. For example, based on the pressure measured at the plurality of foot pressure sensors 200 and 210 and the positions of the plurality of foot pressure sensors 200 and 210 corresponding to the floor of the wearer's foot, Can be calculated as walking data. Specific details will be described later.

보행단계 결정부(20)는 산출된 보행 데이터를 기초로 외골격 장치의 보행 단계를 결정한다. 구체적인 사항은 후술한다. The walking step determination unit 20 determines a walking step of the exoskeleton device based on the calculated walking data. Specific details will be described later.

제어명령 산출부(10)는 결정된 보행 단계에 따라 외골격 장치의 조인트를 구동시킬 수 있는 제어 명령을 산출하고, 산출된 제어 명령을 외골격 구동부(300, 310)로 전송한다. The control command calculating unit 10 calculates a control command capable of driving the joint of the exoskeleton device according to the determined gait step and transmits the calculated control command to the exoskeleton driving units 300 and 310. [

이에 따라, 외골격 구동부(300, 310)는 산출된 제어명령에 따라 외골격 장치를 구동시킨다. 예를 들면, 외골격 구동부(300, 310)는 조인트를 유압 또는 전동기로 작동시켜 외골격 장치의 양쪽 다리를 움직이게 할 수 있다. Accordingly, the exoskeleton drive units 300 and 310 drive the exoskeleton device according to the calculated control command. For example, the exoskeletal drive units 300 and 310 may operate the joints with hydraulic or electric motors to move both legs of the exoskeleton device.

도 2는 복수의 발 압력 센서(201, 202, 203, 204, 205, 211, 212, 213, 214, 215)의 일 실시 예를 나타낸 개념도이다. 2 is a conceptual diagram showing an embodiment of a plurality of foot pressure sensors 201, 202, 203, 204, 205, 211, 212, 213, 214,

도 2를 참조하면, 복수의 발 압력 센서(201, 202, 203, 204, 205, 211, 212, 213, 214, 215)는 착용자의 발에 작용하는 압력을 측정하기 위해 외골격 장치의 왼쪽 및 오른쪽 발에 각각 5개씩 배치될 수 있으며, 배치된 위치에서 감지되는 발의 압력을 측정할 수 있다. 이는 일 실시 예에 해당하는 것으로, 복수의 발 압력 센서의 위치 및 개수는 임의로 설정될 수 있다. 2, a plurality of foot pressure sensors 201, 202, 203, 204, 205, 211, 212, 213, 214 and 215 are arranged on the left and right sides of the exoskeleton device Five feet can be placed on each foot, and the foot pressure sensed at the placed position can be measured. This corresponds to one embodiment, and the position and the number of the plurality of foot pressure sensors can be arbitrarily set.

한편, 보행데이터 산출부(30)는 측정된 착용자의 발에 작용하는 압력, 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 기초로, 착용자의 발 뒤꿈치가 지면에 접촉하는지 여부나 발 앞쪽이 지면과 떨어지는지 여부를 보행 데이터로 산출할 수 있다. On the other hand, the gait data calculation unit 30 determines whether or not the wearer's heel is in contact with the ground based on the measured pressure applied to the foot of the wearer, the femoral joint angle, the knee angle, and the ankle angle, It can be calculated as walking data.

이와 관련된 실시 예로, 보행데이터 산출부(30)는 착용자의 발 뒤꿈치 부분과 맞닿는 발 압력 센서(201, 211)의 측정값을 이용하여 착용자의 발 뒤꿈치가 지면에 닿는 시점을 결정할 수 있다. According to this embodiment, the walking data calculation unit 30 can determine the time when the heel of the wearer touches the ground by using the measured values of the foot pressure sensors 201 and 211 in contact with the heel of the wearer.

또 다른 실시 예로, 보행데이터 산출부(30)는 착용자의 발 앞쪽과 맞닿는 발 압력 센서(205, 215)의 측정값을 이용하여 착용자의 발가락이 지면과 분리되는 시점을 결정할 수 있다. In another embodiment, the gait data calculator 30 may determine the point of time when the toe of the wearer is separated from the ground using the measured values of the foot pressure sensors 205 and 215 in contact with the front of the wearer's foot.

또한 앞서 설명한 바와 같이, 보행데이터 산출부(30)는 착용자의 발에 작용하는 압력의 중심 위치를 산출할 수 있다. As described above, the walking data calculation unit 30 can calculate the center position of the pressure acting on the wearer's foot.

구체적으로, 보행데이터 산출부(30)는 각각의 발 압력 센서(201, 202, 203, 204, 205, 211, 212, 213, 214, 215)에서 측정된 압력을 이용하여 발 압력 중심의 위치(Xcof, Ycof)를 다음의 수학식 1과 같이 산출할 수 있다. Specifically, the gait data calculation unit 30 calculates the gait data based on the position of the center of the foot pressure using the pressures measured by the respective foot pressure sensors 201, 202, 203, 204, 205, 211, 212, 213, 214, X cof , Y cof ) can be calculated by the following Equation (1).

Figure 112013027166561-pat00001
Figure 112013027166561-pat00001

여기서, i는 총 M개의 수평축 발 센서를 지시하는 인덱스를 나타내고, j는 총 N개의 수직축 발 센서를 지시하는 인덱스를 나타내며, Fij는 수평축 i번째 및 수직축 j번째에 해당하는 발 센서로부터 측정된 힘(force)을 나타낸다. Here, i represents an index indicating a total of M horizontal axis foot sensors, j represents an index indicating a total of N vertical axis foot sensors, F ij represents an index from a foot sensor corresponding to the i-th horizontal axis and the j- Represents a force.

이와 관련된 실시 예로, 다음의 표 1은 발 압력 센서(201, 202, 203, 204, 205)에서 측정된 측정 값(Fij)을 이용하여 산출된 발 압력 중심 위치(Xcof, Ycof)를 나타낸 것이다. In the related example, the following Table 1 shows the foot pressure center position (X cof , Y cof ) calculated using the measured value Fij measured at the foot pressure sensors 201, 202, 203, 204, will be.

Figure 112013027166561-pat00002
Figure 112013027166561-pat00002

도 3은 표 1의 실시 예에 따른 발 압력 중심 위치를 도시한 개념도이다. 3 is a conceptual diagram showing the center of the foot pressure according to the embodiment of Table 1. FIG.

도 3을 참조하면, 각각의 발 센서 인덱스와 발 압력 센서의 위치 관계를 확인할 수 있다. 이에 따라, 발 압력 중심의 위치는 수평축이 2.9이고 수직축이 3.7인 위치에 해당함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3, the positional relationship between each foot sensor index and the foot pressure sensor can be confirmed. As a result, it can be seen that the position of the center of the foot pressure corresponds to the position where the horizontal axis is 2.9 and the vertical axis is 3.7.

도 4는 복수의 발 압력 센서의 배치 및 발 압력 중심의 위치를 보여주는 개념도이다. 4 is a conceptual diagram showing the arrangement of a plurality of foot pressure sensors and the position of the foot pressure center.

도 4를 참조하면, 양쪽 발 각각에 대하여, 발가락 영역에 한 개의 발 압력 센서가 배치되고 발 바닥의 볼 영역에 두 개의 발 압력 센서가 배치되어 있음을 확인할 수 있다. 또한, 발 뒤꿈치 영역에는 한 개의 발 압력 센서가 배치되고, 발 바닥의 중앙 영역에는 발 압력 센서가 배치되지 않음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that one foot pressure sensor is disposed in the toe region and two foot pressure sensors are disposed in the ball region of the foot floor, for each foot. Further, it can be confirmed that one foot pressure sensor is disposed in the heel region, and no foot pressure sensor is disposed in the central region of the foot bottom.

그리고, 착용자의 발 압력 중심은 발의 볼 영역으로부터 발의 뒤꿈치 영역으로 점차 이동됨을 확인할 수 있다. 이러한 발 압력 중심 위치의 변화는 앞서 설명한 보행데이터로, 외골격 장치의 보행 단계를 결정하는데 사용된다. It can be confirmed that the center of the foot pressure of the wearer is gradually moved from the ball area of the foot to the heel area of the foot. This change in the foot pressure center position is used to determine the walking phase of the exoskeleton device with the gait data described above.

한편, 도 4는 복수의 발 압력 센서 배치에 대한 일 실시 예로서, 본 발명에 따른 발 압력 센서는 착용자의 발 압력을 충분히 고려할 수 있도록 다양하게 배치될 수 있다. Meanwhile, FIG. 4 shows an embodiment of a plurality of foot pressure sensors, and the foot pressure sensor according to the present invention can be variously arranged so as to sufficiently consider the foot pressure of the wearer.

도 5는 외골격 장치의 보행 단계의 일 실시 예를 도시한 개념도이다. 5 is a conceptual diagram showing an embodiment of a walking step of the exoskeleton device.

도 5를 참조하면, 외골격 장치의 보행 단계는 외골격 장치의 양쪽 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치 변화와 외골격 장치의 양쪽 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각의 변화를 기초로 설정될 수 있다. Referring to FIG. 5, the gait step of the exoskeleton device can be set based on the change in the center position of the pressure acting on the feet of both feet of the exoskeleton device, and the change in both the femoral, angular, and ankle angles of the exoskeleton device.

이와 같은 외골격 장치의 보행 단계는 8단계로 정의될 수 있다. The walking step of such an exoskeleton device can be defined as eight steps.

구체적으로, 외골격 장치의 뒷발(도 5에서 왼쪽 발)이 지면과 접촉 상태(뒷발의 압력이 일정 압력 이상인 상태)에서 전진하는 앞발(도 5에서 오른쪽 발)의 뒤꿈치가 지면과 접촉하는 순간, 즉 발 압력 센서(201)에서 소정의 크기 이상의 압력이 감지될 때를, 제1 보행 단계로 정의할 수 있다. Specifically, the moment when the heel of the forefoot (right foot in Fig. 5) advancing in a state where the rear foot of the exoskeleton device (the left foot in Fig. 5) is in contact with the ground When the pressure detected by the foot pressure sensor 201 is equal to or greater than a predetermined magnitude, it can be defined as a first walking step.

이때, 지지하고 있는 발의 압력은 전진하고 있는 발의 압력보다 커야하며, 지지하고 있는 발 압력의 중심은 발의 전방에 위치해야 한다. At this time, the pressure of the supporting foot should be greater than the pressure of the advancing foot, and the center of the supporting foot pressure should be located in front of the foot.

그리고, 양쪽 발 압력 센서의 신호가 소정의 압력 이상을 유지하고 있는 상태에서, 지지하고 있는 발의 발가락 부분의 발 압력 센서의 압력이 영(zero)이 되고 전진하고 있는 발의 발 압력이 지지하고 있는 발의 압력보다 크며, 전진하고 있는 발의 압력 중심이 발 뒤꿈치에 위치하는 경우를, 제2 보행 단계로 정의할 수 있다. When the pressure of the foot pressure sensor at the toe portion of the supporting foot is zero and the foot pressure of the advancing foot is in a state where the signal of both feet pressure sensor is maintained at a predetermined pressure or more, The case where the pressure center of the advancing foot is located on the heel, which is larger than the pressure, can be defined as the second walking step.

이어지는 제3 보행 단계에서는, 제2 보행 단계에서 앞서고 있는 발(오른쪽 발)이 지면을 지지하는 뒤쪽 발로 변경된다. 구체적으로, 오른쪽 발의 압력이 소정의 값 이상이 되고 신체와 외골격 장치의 하중을 지지하고 있는 외골격 장치의 대퇴부와 외골격 장치의 정강이가 이루는 각도가 소정의 각도 범위의 오차를 가지며 일직선이 될 때를, 제3 보행 단계로 정의할 수 있다. In the following third gait step, the foot (right foot) ahead of the second gait is changed to the rear foot supporting the ground. Specifically, when the right foot pressure is equal to or greater than a predetermined value and the angle between the thigh of the exoskeleton device supporting the body and the load of the exoskeleton device and the shin of the exoskeleton device has an error of a predetermined angle range and becomes a straight line, And a third gait step.

또한, 제1 보행 단계와 마찬가지로 외골격 장치의 지면을 지지하고 있는 오른쪽 발이 지면과 접촉되어 있는 상태(일정한 압력을 감지하고 있는 상태)에서, 발 압력 센서(211)에서 소정 크기 이상의 압력이 감지될 때를, 제4 보행 단계로 정의할 수 있다. In the same manner as in the first gait step, when a pressure of a predetermined magnitude or more is sensed by the foot pressure sensor 211 in a state where the right foot supporting the floor of the exoskeleton device is in contact with the ground (a state in which a certain pressure is sensed) Can be defined as a fourth walking step.

마찬가지로, 제2 보행 단계에서와 같이 양쪽 발의 압력 센서의 신호가 소정의 압력 이상을 유지하고 있는 경우, 제5 보행 단계로 정의할 수 있다. Similarly, when the signals of the pressure sensors on both feet are maintained at a predetermined pressure or more as in the second walking step, it can be defined as a fifth walking step.

이어서, 왼쪽의 발 압력 센서에서 지면과 소정의 압력이 감지되고 외골격 장치의 오른쪽 대퇴부와 정강이가 최대로 굴곡(flexion)될 때, 즉 외골격 장치의 오른쪽 슬관절각이 약 60도 정도로 굴절할 때를, 제6 보행 단계로 정의할 수 있다. Then, when the left foot pressure sensor senses the ground and a predetermined pressure and the right femur and shin of the exoskeleton device are flexed to the maximum, that is, when the right knee angle of the exoskeleton device is refracted to about 60 degrees, And the sixth walking step.

이어지는 제7 보행 단계는, 제3 보행 단계와 마찬가지로 왼쪽 발로만 지지하고 있고 외골격 장치의 대퇴부와 정강이부가 일직선을 이루며, 외골격 장치의 족관절이 지면과 90도를 유지하게 된다. In the following seventh gait step, as in the third gait step, only the left foot is supported, and the femur part and the shin part of the exoskeleton device form a straight line, and the ankle joint of the exoskeleton device maintains 90 degrees with the ground.

마지막으로, 제8 보행 단계는 제1 보행 단계와 마찬가지로 한 사이클이 완료된다. Finally, in the eighth walking step, one cycle is completed as in the first walking step.

결과적으로, 보행단계 결정부(20)는 산출된 보행 데이터를 기초로 외골격 장치의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각의 변화율, 대퇴관절, 슬관절 및 족관절의 관절 각속도, 착용자(외골격 장치)의 발에 작용하는 압력의 변화, 압력의 중심 위치의 변화 등을 산출하고, 이를 이용하여 외골격 장치의 보행 단계를 결정할 수 있다. As a result, the gait determining unit 20 calculates the gait angle, the knee angle, and the rate of change of the ankle joint angle of the exoskeleton device based on the calculated gait data, the joint angular velocity of the femur joint, the knee joint and the ankle joint, A change in pressure acting on the exoskeleton device, a change in the center position of the pressure, etc., and the gait step of the exoskeleton device can be determined.

구체적으로, 보행단계 결정부(20)는 데이터 베이스에 저장되어 있는 보행 단계를 측정 및 산출된 보행 데이터와 비교하여, 8가지 보행 단계 중 현재 및 이어질 외골격 장치의 보행 단계를 선택할 수 있다. Specifically, the walking step determination unit 20 can compare the walking step stored in the database with the measured and calculated walking data to select the walking step of the current and the exoskeletal device to be connected among the eight walking steps.

도 6은 도 1에 따른 보행 추정 장치에서 수행되는 보행 추정 방법을 보여주는 순서도이다. 6 is a flowchart showing a gait estimation method performed in the gait estimation apparatus according to FIG.

도 6을 참조하면, 우선, 복수의 발 압력 센서(201, 202, 203, 204, 205)는 착용자(외골격 장치)의 발에 작용하는 압력을 측정한다(S610).Referring to FIG. 6, first, a plurality of foot pressure sensors 201, 202, 203, 204, 205 measure the pressure acting on the foot of a wearer (exoskeleton device) (S610).

그리고, 대퇴관절각 센서(100, 130), 슬관절각 센서(110, 140) 및 족관절각 센서(120, 150)는 각각 착용자(외골격 장치)의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 측정한다(S610).The femoral joint angle sensors 100 and 130, the knee joint angle sensors 110 and 140 and the ankle joint angle sensors 120 and 150 measure the femoral, knee, and ankle angles of the wearer (exoskeleton device) S610).

그 후, 보행데이터 산출부(30)는 앞서 측정된 값들을 수신하고 이를 전기적인 신호로 변환하여 보행 데이터를 산출한다(S620). 이때, 산출된 보행 데이터는 보행데이터 산출부(30)에 내장된 플래시 메모리에 저장될 수 있다. Thereafter, the walking data calculating unit 30 receives the measured values and converts the measured values into electrical signals to calculate the walking data (S620). At this time, the calculated walking data can be stored in the flash memory built in the walking data calculating unit 30. [

앞서 설명한 바와 같이, 보행 데이터에는 착용자(외골격 장치)의 발에 작용하는 압력, 압력의 중심 위치, 대퇴관절각 및 대퇴관절의 각속도, 슬관절각 및 슬관절의 각속도, 족관절각 및 족관절의 각속도 등 및 이를 전기적 신호로 변환한 것이 포함될 수 있다. As described above, the gait data includes the pressure and pressure center position of the wearer (exoskeleton device), the angular velocity of the femoral and femoral joints, the angular velocity of the knee joint and the knee joint, the angular velocity of the ankle joint and the ankle joint, And may be converted into an electrical signal.

또한, 보행 데이터에는 앞서 설명한 데이터의 변화율이 포함될 수 있다. 구체적으로, 착용자(외골격 장치)의 각 관절각의 변화율, 각 관절의 각속도 변화율, 발에 작용하는 압력 및 압력의 중심 위치 변화 등이 포함될 수 있다. In addition, the walking data may include the rate of change of the data described above. Specifically, the rate of change of each joint angle of the wearer (exoskeleton device), the rate of change of angular velocity of each joint, the change of the center position of the pressure and the pressure acting on the foot, and the like may be included.

그 다음으로, 보행단계 결정부(20)는 보행데이터 산출부(30)에 내장된 플래시 메모리에 저장되어 있는 보행 데이터를 보행단계 결정부(20)에 위치한 데이터 베이스에 저장되어 있는 도 5의 보행 단계와 비교한다(S630).5, which is stored in the database located in the walking step determination unit 20, is stored in the flash memory built in the walking data calculation unit 30. Next, the walking step determination unit 20 reads the walking data stored in the flash memory built in the walking data calculation unit 30, (S630).

즉, 보행단계 결정부(20)는 도 5의 보행 단계 ① 내지 ⑧(제1 보행 단계 내지 제8 보행 단계) 가운데 하나를 현재 외골격 장치의 보행 단계로 선택(S630)한 후 이를 코드화한 신호를 제어명령 산출부(10)로 전송한다(S630).That is, the walking step determination unit 20 selects one of the walking steps? To? (The first to eighth walking steps) of FIG. 5 as the walking step of the current exoskeleton device (S630) To the control command calculating unit 10 (S630).

일 실시 예로, 현재 착용자의 보행 상태에서 우측 발 압력 센서(201)가 착용자의 우측 발 뒤꿈치가 지면에 닿는 것을 감지할 수 있다. 또한 좌측 발 압력 중심의 위치가 좌측 발 압력 센서(214, 215) 근처에서 산출될 수 있다. In one embodiment, the right foot pressure sensor 201 can sense that the right heel of the wearer touches the ground in the current wearer's walking state. The position of the left foot pressure center can be calculated in the vicinity of the left foot pressure sensors 214 and 215. [

그리고 우측 다리의 대퇴관절, 슬관절 및 족관절의 관절각과 관절각속도가 데이터 베이스에서 저장된 도 5의 보행 단계 ①(제1 보행 단계)에 해당하면, 보행단계 결정부(20)는 외골격 장치의 현재 보행 상태가 보행 단계 ①에 있다고 결정할 수 있다. When the joint angles of the femur joint, the knee joint, and the ankle joint of the right leg and the joint angular velocity of the right leg correspond to the gait step 1 (first gait step) of FIG. 5 stored in the database, the gait step determination unit 20 determines the current gait state Can be determined to be in the walking step (1).

이에 따라, 보행단계 결정부(20)는 외골격 장치의 현재 보행 단계가 보행 단계 ①(제1 보행 단계)에 있음을 나타내는 신호를 디지털 데이터로 코드화하여 제어명령 산출부(10)로 전송할 수 있다. Accordingly, the walking step determination unit 20 can code the signal indicating that the current walking step of the exoskeleton device is in the walking step 1 (first walking step) as digital data, and transmit it to the control command calculating unit 10. [

또 다른 실시 예로, 보행단계 결정부(20)는 앞서 설명한 것과 동일한 방식으로, 외골격 장치가 보행 단계 ② 내지 ⑧(제2 보행 단계 내지 제8 보행 단계) 중 어느 하나의 단계에 있음을 결정할 수 있다. In another embodiment, the walking step determination unit 20 can determine that the exoskeleton device is in any one of the walking steps? To? (The second to eighth steps) in the same manner as described above .

그 후, 제어명령 산출부(10)는 결정된 외골격 장치의 보행 단계에 따라 외골격 장치의 조인트를 제어할 수 있는 제어 명령을 산출하고, 외골격 구동부(300, 310)는 산출된 제어 명령에 따라 조인트를 작동시킨다(S640).Thereafter, the control command calculating unit 10 calculates a control command for controlling the joint of the exoskeleton device in accordance with the determined walking step of the exoskeleton device, and the exoskeleton driving units 300 and 310 calculate joints according to the calculated control command (S640).

일 실시 예로, 제어 명령은 다음 시점에 이어질 외골격 장치의 보행 단계에 대응하는 조인트의 작동 제어 명령을 포함할 수 있다. In one embodiment, the control command may include an operation control command of the joint corresponding to a walking step of the exoskeleton device to be followed at a next time point.

이와 같은 과정에 따라, 본 발명에 따른 보행 추정 장치는 착용자의 움직임을 실시간으로 추종하여 외골격 장치를 자연스럽게 구동시킬 수 있다. According to this process, the gait estimation apparatus according to the present invention can naturally drive the exoskeleton device by following the movement of the wearer in real time.

한편, 본 발명에 따른 보행 추정 장치는 착용자가 보행을 시작하였는지를 판단할 수 있다. Meanwhile, the gait estimation apparatus according to the present invention can determine whether the wearer has started to walk.

구체적으로, 보행단계 결정부(20)는 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치가 사전에 설정한 소정의 패턴에 따라 변경되고, 사전에 설정한 소정의 토크로 외골격 장치의 슬관절 조인트를 구동시킬 때 사전에 설정한 소정의 각도 변화가 감지되면, 착용자가 보행을 시작한 것으로 판단하게 된다. Specifically, the walking step determination unit 20 changes the center position of the pressure acting on the floor of the foot according to a predetermined pattern set in advance, and when driving the knee joint of the exoskeleton apparatus with a predetermined torque set in advance When a predetermined change in angle is detected, it is determined that the wearer has started to walk.

이와 관련된 실시 예로, 도 7은 도 1에 따른 보행 추정 장치에서 수행되는 보행 시작 추정 방법을 보여주는 순서도이다. FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of estimating the start of walking performed in the gait estimating apparatus of FIG. 1. Referring to FIG.

도 7을 참조하면, 우선, 보행데이터 산출부(30)는 발 압력 센서(201, 202, 203, 204, 205, 211, 212, 213, 214, 215)에서 측정되는 발 압력과 발 압력 중심의 변화를 모니터링한다(S710).7, the walking data calculating unit 30 calculates the walking pressure measured by the foot pressure sensors 201, 202, 203, 204, 205, 211, 212, 213, 214, The change is monitored (S710).

이어서, 소정의 압력 이상의 값이 감지된 발에서 발 압력의 중심이 발가락 방향으로 이동되는지 판단한다(S720).Next, in step S720, it is determined whether the center of the foot pressure is moved in the toe direction from the foot on which the predetermined pressure or more is sensed.

이러한 소정의 패턴이 감지되면, 외골격 구동부(300, 310)는 사전에 설정한 소정의 토크로 외골격 장치의 슬관절 조인트를 구동시킨다(S730). If such a predetermined pattern is detected, the exoskeleton driving units 300 and 310 drive the knee joints of the exoskeleton device with predetermined torques set in advance (S730).

한편, 앞서 설명한 패턴이 감지되지 않으면, 다시 발 압력 및 발 압력 중심의 변화를 모니터링하는 단계(S710)로 되돌아 간다. On the other hand, if the above-described pattern is not detected, the process returns to step S710 in which the change of the foot pressure and the center of the foot pressure is monitored again.

이어서 S730 단계 이후, 사전에 설정한 소정의 각도 변화가 슬관절 조인트에서 감지되는지 판단하는 단계(S740)가 진행된다. Thereafter, in step S730, it is determined whether a predetermined angle change is detected in the knee joint (S740).

그리고, 슬관절 조인트에 소정의 각도 변화가 감지되면 착용자가 보행을 시작한 것으로 판단하고 앞서 설명한 도 6의 보행 단계 추정 과정을 시작할 수 있다(S750). If a predetermined angle change is detected in the joint of the knee joint, it is determined that the wearer has started to walk, and the gait estimation process of FIG. 6 described above may be started (S750).

한편, 앞서 설명한 각도 변화가 감지되지 않으면, S710 단계로 되돌아 간다. On the other hand, if the angle change described above is not detected, the process returns to step S710.

또 다른 일 실시 예로, 외골격 작동부(300, 310)에 구비된 실린더에 작용하는 힘의 변화를 감지하여 착용자의 보행 시작을 판단할 수 있다. According to another embodiment, the change in the force acting on the cylinder provided in the exoskeletal actuators 300 and 310 may be sensed to determine the start of walking of the wearer.

이와 같이 정상 토크보다 미소한 소정의 토크를 인가하여(보행 시작에 필요한 토크의 일부만을 생성) 착용자의 보행 시작 여부를 판단하게 되면, 보행 시작에 대한 판단 오류 시 착용자의 신체에 미치는 하중을 감소시킬 수 있다. If the wearer starts to walk or not, it is possible to reduce the load on the wearer's body in the event of a judgment error at the start of walking, by applying a predetermined torque that is smaller than the normal torque (generating only a part of the torque necessary for starting the walking) .

결과적으로, 본 발명에 의하면, 외골격 장치의 착용자는 각종 센서를 신체에 직접 부착할 필요가 없게 된다. 그 결과 착용자의 움직임에 따른 감지 신호의 신뢰성 저하, 착용자와 센서의 간섭, 센서 착용의 불편함과 같은 문제점이 해결될 수 있다. As a result, according to the present invention, the wearer of the exoskeleton device does not need to attach various sensors directly to the body. As a result, it is possible to solve problems such as a decrease in the reliability of the detection signal due to the movement of the wearer, interference between the wearer and the sensor, and inconvenience of wearing the sensor.

또한, 본 발명에 따른 보행 추정 장치는 외골격 장치의 보행 단계를 실시간으로 추정할 수 있다. 이에 따라, 착용자의 동작 간섭을 최소화하여 착용자에게 착용 전과 유사한 자연스러운 동작을 제공할 수 있다. 그리고, 착용자의 보행 시작 여부를 판단하여 착용자에게 미칠 수 있는 불필요한 하중을 감소시킬 수 있다. In addition, the gait estimation apparatus according to the present invention can estimate the gait steps of the exoskeleton device in real time. Accordingly, it is possible to minimize movement interference of the wearer and to provide the wearer with a natural motion similar to that before wear. Then, it is possible to determine whether or not the wearer starts to walk, thereby reducing the unnecessary load on the wearer.

상기와 같이 보행 추정 장치 및 방법은, 상기 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.As described above, the configuration and method of the above-described embodiments are not limited to be applied to the apparatus and method for estimating gait, but the embodiments may be modified such that all or some of the embodiments are selectively combined .

Claims (10)

외골격 장치의 이동에 따른 보행상태에 관한 복수의 보행 단계를 저장하는 데이터베이스;
외골격 장치 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력을 측정해주는 복수의 발 압력 센서로 이루어진 발 압력 센서부;
상기 착용자의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 측정해주는 복수의 관절각 센서로 이루어진 관절각 센서부;
상기 발 압력 센서부 및 관절각 센서부로부터 수신한 측정 값을 전기적인 신호로 변환한 보행 데이터를 산출하는 보행데이터 산출부;
산출된 상기 보행 데이터를 기초로 상기 복수의 보행 단계 중 하나를 상기 외골격 장치의 현재 보행 단계로 결정하는 보행단계 결정부; 및
상기 데이터베이스를 참조하여 상기 현재 보행 단계 및 상기 현재 보행 단계의 다음 보행 단계에 대응되게 상기 외골격 장치의 구동을 제어하는 제어명령을 산출하는 제어명령 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 장치. A database for storing a plurality of walking steps related to a walking state according to the movement of the exoskeleton device;
A foot pressure sensor unit comprising a plurality of foot pressure sensors for measuring the pressure acting on the floor of the foot of the wearer of the exoskeleton device;
A joint angle sensor unit including a plurality of joint angle sensors for measuring a femoral, ankle, and ankle joint angles of the wearer;
A walking data calculation unit for calculating walking data obtained by converting measurement values received from the foot pressure sensor unit and the joint angle sensor unit into an electrical signal;
A walking step of determining one of the plurality of walking steps as a current walking step of the exoskeleton device based on the calculated walking data; And
And a control command calculation unit for calculating a control command for controlling the driving of the exoskeleton device in correspondence with the next walking step of the current walking step and the current walking step with reference to the database. 제 1항에 있어서,
산출된 상기 제어명령에 따라 상기 외골격 장치를 구동시키는 외골격 구동부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 장치.The method according to claim 1,
And an exoskeleton driving unit for driving the exoskeleton device according to the calculated control command. 제 1항에 있어서,
상기 보행데이터 산출부는,
상기 복수의 발 압력 센서에서 측정된 압력과 상기 착용자의 발 바닥에 대응되는 상기 복수의 발 압력 센서의 위치를 기초로, 상기 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치를 상기 보행 데이터로 산출하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 장치. The method according to claim 1,
The walking data calculation unit calculates,
A center position of a pressure acting on the bottom of the wearer's foot is calculated as the walking data based on the pressure measured by the plurality of foot pressure sensors and the position of the plurality of foot pressure sensors corresponding to the floor of the wearer's foot And the gait estimation unit. 제 3항에 있어서,
상기 보행단계 결정부는,
상기 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치가 사전에 설정한 소정의 패턴에 따라 변경되고, 사전에 설정한 소정의 토크로 상기 외골격 장치의 슬관절 조인트를 구동시킬 때 사전에 설정한 소정의 각도 변화가 감지되면, 상기 착용자가 보행을 시작한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 장치. The method of claim 3,
Wherein the walking-
The center position of the pressure acting on the foot floor is changed according to a predetermined pattern set in advance and a predetermined angle change set in advance when driving the knee joint of the exoskeleton device at a predetermined torque set in advance And when it is detected, it is determined that the wearer has started to walk. 제 1항에 있어서,
상기 보행 단계는,
상기 외골격 장치의 양쪽 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치 변화와 상기 외골격 장치의 양쪽 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각의 변화를 기초로 설정되는 것을 특징으로 하는 보행 추정 장치. The method according to claim 1,
Wherein the walking step comprises:
Wherein the center of gravity of the exoskeleton device is set based on a change in a center position of a pressure acting on both feet of the exoskeleton device and a change in both ankle joint angle, knee angle, and ankle angle of the exoskeleton device. (a) 외골격 장치의 이동에 따른 보행상태에 관한 복수의 보행 단계를 데이터베이스에 저장하는 단계;
(b) 복수의 발 압력 센서 및 복수의 관절각 센서로 외골격 장치 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력 및 상기 착용자의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 측정하는 단계;
(c) 상기 발 압력 센서 및 복수의 관절각 센서로부터 수신한 측정 값을 전기적인 신호로 변환한 보행 데이터를 산출하는 단계;
(d) 산출된 상기 보행 데이터를 기초로 상기 복수의 보행 단계 중 하나를 상기 외골격 장치의 현재 보행 단계로 결정하는 단계; 및
(e) 상기 데이터베이스를 참조하여 상기 현재 보행 단계 및 상기 현재 보행 단게의 다음 단계에 대응되게 상기 외골격 장치의 구동을 제어하는 제어명령을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 방법. (a) storing in a database a plurality of walking steps related to a walking state according to movement of the exoskeleton device;
(b) measuring a pressure acting on the foot bottom of the wearer of the exoskeleton device and a femoral, angular, and ankle angles of the wearer with a plurality of foot pressure sensors and a plurality of joint angle sensors;
(c) calculating gait data obtained by converting measurement values received from the foot pressure sensor and a plurality of joint angle sensors into electrical signals;
(d) determining one of the plurality of walking steps as a current walking step of the exoskeleton device based on the calculated walking data; And
(e) referring to the database, calculating a control command for controlling driving of the exoskeleton device in correspondence with the current walking step and the next step of the current walking step. 제 6항에 있어서,
(f) 산출된 상기 제어명령에 따라 상기 외골격 장치를 구동시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 방법. The method according to claim 6,
(f) driving the exoskeleton device according to the calculated control command. 제 6항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
상기 복수의 발 압력 센서에서 측정된 압력과 상기 착용자의 발 바닥에 대응되는 상기 복수의 발 압력 센서의 위치를 기초로, 상기 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치를 상기 보행 데이터로 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 방법. The method according to claim 6,
The step (c)
A center position of a pressure acting on the bottom of the wearer's foot is calculated as the walking data based on the pressure measured by the plurality of foot pressure sensors and the position of the plurality of foot pressure sensors corresponding to the floor of the wearer's foot Wherein the step of estimating the gait comprises the steps of: 제 8항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
상기 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치가 사전에 설정한 소정의 패턴에 따라 변경되고, 사전에 설정한 소정의 토크로 상기 외골격 장치의 슬관절 조인트를 구동시킬 때 사전에 설정한 소정의 각도 변화가 감지되면, 상기 착용자가 보행을 시작한 것으로 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 방법. 9. The method of claim 8,
The step (d)
The center position of the pressure acting on the foot floor is changed according to a predetermined pattern set in advance and a predetermined angle change set in advance when driving the knee joint of the exoskeleton device at a predetermined torque set in advance And if it is detected, determining that the wearer has started to walk. 제 6항에 있어서,
상기 보행 단계는,
상기 외골격 장치의 양쪽 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치 변화와 상기 외골격 장치의 양쪽 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각의 변화를 기초로 설정되는 것을 특징으로 하는 보행 추정 방법.The method according to claim 6,
Wherein the walking step comprises:
Wherein the center of gravity of the exoskeleton device is set on the basis of a change in the center position of the pressure acting on both feet of the exoskeleton device and a change in both the femoral, angular, and ankle angles of the exoskeleton device.
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