KR102655665B1 - 보행 보조 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

일실시예에 따른 보행 보조 장치는 사용자의 양쪽 다리에 각각 고정되는 제1 고정부 및 제2 고정부, 하나 이상의 모터를 이용하여 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 능동 보조력을 제공하는 모터부, 및 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 연결되어 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 피동 보조력을 제공하는 피동 보조력 전달부를 포함한다.

Description

보행 보조 장치 및 그 동작 방법{APPARATUS FOR GAIT ASSISTANCE AND OPERATING METHOD THEREOF}
보행 보조 장치 및 그 동작 방법에 연관되며, 보다 구체적으로는 사용자의 양쪽 다리 사이에 연결되어 피동 보조력을 제공하는 탄성체를 이용하여 효율적으로 보조력을 제공하는 보행 보조 장치 및 그 동작 방법에 연관된다.
신체의 외골격에 장착되는 웨어러블 타입의 보행 보조 장치는 보행 시에 근력에 대한 보조력을 제공 받아 보행을 개선시키는 기능을 한다. 예를 들어, 사용자의 양쪽 고관절 부위에 모터를 이용하여 보조 토크를 제공하는 타입의 보행 보조 장치가 이용된다.
일반적인 보행 보조 장치의 경우, 보행 사이클 상에서 다리가 움직이는 방향과 동일한 방향으로 힘을 가하는 포지티브 워크(positive work) 구간뿐만 아니라 다리가 움직이는 방향과 반대 방향으로 힘을 가하는 네거티브 워크(negative work) 구간에서도 모터 등을 이용하여 보조력 전부를 제공하기 때문에 에너지 효율 측면에서 최적화되어 있다고 보기 어렵다.
인체의 보행 메커니즘 상에서도 인대 또는 근육 등의 탄성을 가지는 신체 부위를 이용하여 운동 에너지가 저장 및 사용되는 것을 관찰할 수 있는데, 이와 같이 탄성력을 이용하는 보행 메커니즘을 보행 보조 장치에서 제공하는 보조력에도 반영하여 효율적인 보행 보조를 제공하는 방안이 고려될 수 있다.
일측에 따르면, 보행 보조 장치는 사용자의 양쪽 다리에 각각 고정되는 제1 고정부 및 제2 고정부, 하나 이상의 모터를 이용하여 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 능동 보조력을 제공하는 모터부, 및 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 연결되어 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 피동 보조력을 제공하는 피동 보조력 전달부를 포함한다.
일실시예에서, 상기 피동 보조력 전달부는 적어도 하나의 탄성 엘리먼트를 포함하고, 상기 피동 보조력 전달부는 상기 사용자가 보행 사이클 상에서 네거티브 워크 구간에 있는 동안 탄성 에너지를 저장하고, 상기 탄성 에너지를 이용하여 상기 피동 보조력을 제공한다.일실시예에서, 상기 보행 보조 장치는 상기 피동 보조력 전달부에 의해 제공되는 피동 보조력의 크기를 제어하는 피동 보조력 제어부를 더 포함한다.
일실시예에서, 상기 피동 보조력 제어부는 상기 피동 보조력 전달부의 길이를 제어함으로써 상기 피동 보조력의 크기를 제어한다. 일실시예에서, 상기 피동 보조력 제어부는 상기 피동 보조력 전달부의 적어도 하나의 단부에 연결된 하나 이상의 모터를 이용하여 상기 피동 보조력의 크기를 제어한다.
일실시예에서, 상기 보행 보조 장치는 상기 모터부를 제어하여 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 제공하는 능동 보조력의 크기를 조정하는 모터 제어부를 더 포함한다. 실시예에서, 상기 모터 제어부는 상기 피동 보조력의 크기에 기초하여 상기 능동 보조력의 크기를 결정한다.
실시예에서, 상기 모터 제어부는 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 각각 제공할 총 보조력을 결정하고, 상기 총 보조력에서 상기 피동 보조력에 대응하는 기여분을 감산함으로써 상기 능동 보조력의 크기를 계산한다.
일실시예에서, 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부는 상기 사용자의 다리 둘레 중 일부를 지지하는 제1 지지부 및 제2 지지부를 각각 포함하고, 기 피동 보조력 전달부는 상기 제1 지지부 및 상기 제2 지지부를 연결한다.
일실시예에서, 상기 제1 고정부는 상기 사용자의 오른쪽 허벅지에 고정되고, 상기 제2 고정부는 상기 사용자의 왼쪽 허벅지에 고정된다. 일실시예에서, 상기 피동 보조력 전달부는 상기 사용자의 양쪽 다리 둘레를 둘러싸도록 배치된다.
다른 일측에 따르면, 컴퓨터로 구현되는 보행 보조 장치의 동작 방법은, 사용자의 보행 사이클을 식별하는 단계, 상기 사용자의 양쪽 다리에 각각 제공할 총 보조력을 계산하는 단계, 상기 사용자의 양쪽 다리에 각각 고정되는 제1 고정부 및 제2 고정부에 연결된 피동 보조력 전달부에 의해 제공되는 피동 보조력을 계산하는 단계, 상기 총 보조력 및 상기 피동 보조력에 기초하여 상기 사용자의 양쪽 다리에 각각 제공할 능동 보조력을 결정하는 단계, 및 하나 이상의 모터를 이용하여 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 상기 능동 보조력을 제공하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 피동 보조력 전달부는 적어도 하나의 탄성 엘리먼트를 포함하고, 상기 피동 보조력 전달부는 상기 사용자가 보행 사이클 상에서 네거티브 워크 구간에 있는 동안 탄성 에너지를 저장하고, 상기 탄성 에너지를 이용하여 상기 피동 보조력을 제공한다.
일실시예에서, 상기 보행 보조 장치의 동작 방법은 상기 피동 보조력 전달부의 길이를 제어하여 상기 피동 보조력의 크기를 조정하는 단계를 더 포함한다.
일실시예에서, 상기 능동 보조력을 결정하는 단계는, 상기 총 보조력에서 상기 피동 보조력에 대응하는 기여분을 감산함으로써 상기 능동 보조력의 크기를 계산하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부는 상기 사용자의 다리 둘레 중 일부를 지지하는 제1 지지부 및 제2 지지부를 각각 포함하고, 상기 피동 보조력 전달부는 상기 제1 지지부 및 상기 제2 지지부를 연결한다.
일실시예에서, 상기 제1 고정부는 상기 사용자의 오른쪽 허벅지에 고정되고, 상기 제2 고정부는 상기 사용자의 왼쪽 허벅지에 고정된다.
도 1은 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 예시적 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 구현 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 구현 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 구현 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 예시적 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9는 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에서, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 권리범위는 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
도 1은 일실시예에 따른 보행 보조 장치(100)의 예시적 구성을 나타내는 블록도이다. 일실시예에서, 보행 보조 장치(100)는 제1 모터부(110), 제2 모터부(120), 제1 고정부(130), 제2 고정부(140), 피동 보조력 전달부(150), 및 모터 제어부(160)를 포함할 수 있다.
이하에서, 보행 보조 장치(100)는 힙-타입(hip-type) 보행 보조 장치의 동작을 전제로 설명되지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 설명되는 실시예의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다른 유형의 보행 보조 장치에서도 이용될 수 있다.
일실시예에서, 보행 보조 장치(100)는 센싱된 사용자의 보행 동작에 기초하여 사용자의 보행 사이클을 식별하고 사용자의 보행 동작에 따라 가변적인 크기의 보조력을 사용자의 고관절 부위에 제공할 수 있다. 보행 보조 장치(100)가 사용자에게 제공하는 보조력은 예를 들어 사용자의 고관절 부위에 제공되는 보조 토크(assistance torque)일 수 있다.
구체적으로, 보행 보조 장치(100)는 제1 모터부(110) 및 제2 모터부(120)는 사용자의 양쪽 다리에 각각 기계적으로 연결되어 스윙하는 다리를 밀어주는 방향 또는 당겨주는 방향으로 보조 토크를 제공할 수 있다. 모터를 이용하여 제공되는 보조력은 모터의 제어를 통해 능동적으로 제공된다는 점에서 능동 보조력으로 지칭될 수 있다.
일실시예에서, 제1 고정부(130) 및 제2 고정부(140)는 사용자의 양쪽 다리에 각각 고정되어 사용자의 다리를 지지하고 사용자에게 보조력을 전달하는 기능을 수행하는 프레임의 집합일 수 있다. 제1 고정부(130) 및 제2 고정부(140)는 사용자의 다리 둘레에 밀착되는 조임부를 포함할 수 있다. 한편, 제1 고정부(130) 및 제2 고정부(140)는 사용자의 다리 둘레에 밀착되는 조임부를 대신하여 사용자의 다리 둘레의 일부를 지지하는 지지부만을 포함할 수도 있다. 또한, 제1 고정부(130) 및 제2 고정부(140)는 제1 모터부(110) 및 제2 모터부(120)에서 제공되는 보조력을 사용자에게 전달하기 위한 보조력 전달부를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 피동 보조력 전달부(150)가 제1 고정부(130) 및 제2 고정부(140) 사이에 물리적으로 연결될 수 있다. 피동 보조력 전달부(150)가 제1 고정부(130)에 연결된 위치 및 피동 보조력 전달부(150)가 제2 고정부(140)에 연결된 위치가 특정 거리 이상으로 멀어진 경우, 피동 보조력 전달부(150)는 제1 고정부(130) 및 제2 고정부(140)를 서로 당기는 방향으로 보조력을 제공할 수 있다. 피동 보조력 전달부(150)를 이용하여 제공되는 보조력은 제1 고정부(130) 및 제2 고정부(140)의 이동에 대하여 피동적으로 제공된다는 점에서 피동 보조력으로 지칭될 수 있다.
일실시예에서, 피동 보조력 전달부(150)에 의해 제공되는 피동 보조력의 크기는 피동 보조력 제어부(미도시)에 의해 원하는 크기로 제어될 수 있다. 예를 들어, 피동 보조력 제어부는 피동 보조력 연산부 및 하나 이상의 모터를 포함할 수 있다. 피동 보조력 연산부는 피동 보조력 전달부(150)에 의해 제공될 피동 보조력의 크기를 계산할 수 있으며, 계산된 피동 보조력을 적용하기 위하여 하나 이상의 모터가 피동 보조력 전달부의 길이 또는 탄성 등의 특성을 변경하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 피동 보조력 전달부의 적어도 하나의 단부에 하나 이상의 모터가 연결되어 계산된 피동 보조력에 따라 피동 보조력 전달부의 피동 보조력의 크기를 제어할 수 있다.일실시예에서, 피동 보조력 전달부(150)는 고무 밴드 및/또는 스프링 등의 임의의 탄성 엘리먼트를 포함할 수 있다. 피동 보조력 전달부 (150)가 탄성 엘리먼트인 경우 제공되는 피동 보조력은 탄성 엘리먼트의 용수철 상수에 의존적이다. 탄성 엘리먼트의 길이 및 용수철 상수는 실험 및 최적화를 통해 임의의 초기 값으로 결정될 수 있으며, 사용자의 정보에 따라 커스터마이징 될 수 있다.
피동 보조력 전달부(150)는 다리가 움직이는 방향과 반대 방향으로 힘을 가하는 네거티브 워크 구간에서 효율적으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 사용자의 보행 사이클 상에서 네거티브 워크 구간은 스윙하는 다리가 스윙 속도를 줄여 점차 멈추는 구간 및 지지하는 다리가 스윙으로 전환하는 구간 등에서 나타날 수 있다. 피동 보조력 전달부(150)는 피동 보조력 전달부(150)가 제1 고정부(130)에 연결된 위치 및 피동 보조력 전달부(150)가 제2 고정부(140)에 연결된 위치가 특정 거리 이상으로 멀어진 경우에 보조력을 제공하기 때문에, 실험 및 최적화를 통해 네거티브 워크 구간에서 적합한 피동 보조력을 제공하도록 설계될 수 있다.
일실시예에서, 모터 제어부(160)는 제1 모터부(110) 및 제2 모터부(120)에 포함된 하나 이상의 모터를 각각 제어하여 제1 모터부(110) 및 제2 모터부(120)가 제1 고정부(130) 및 제2 고정부(140)를 통해 사용자의 양쪽 다리에 전달하는 능동 보조력의 크기를 조정할 수 있다.
일실시예에서, 모터 제어부(160)는 사용자의 양쪽 다리에 각각 제공할 총 보조력을 계산하고, 현재의 보행 사이클 상에서 사용자의 보행 동작에 따라 피동 보조력 전달부(150)에 의해 제공되는 피동 보조력을 계산하고, 총 보조력에서 피동 보조력에 대응하는 기여분을 감산함으로써 능동 보조력의 크기를 계산할 수 있다.
일실시예에서, 총 보조력 및 능동 보조력은 고관절에 가해지는 토크이고, 피동 보조력은 양쪽 고정부 사이에 작용하는 탄성력일 수 있다. 이 경우, 피동 보조력에 대응하는 기여분은 탄성력을 고관절에 가해지는 토크로 환산한 수치일 수 있다.
일실시예에서, 사용자의 양쪽 다리에 각각 제공할 총 보조력은 사용자의 보행 동작에 따라 가변적이고, 피동 보조력 전달부(150)는 사용자의 보행 동작에 따라 가변적인 피동 보조력을 제공한다. 따라서, 모터 제어부(160)는 제1 모터부(110) 및 제2 모터부(120)가 가변적인 능동 보조력을 제공하도록 제어할 수 있다.
이러한 방식으로, 보행 보조 장치(100)는 피동 보조력 제어부(150)를 이용하여 일부 구간에서 피동 보조력을 제공함으로써 해당 구간에서 모터부를 이용한 에너지 소비를 감소시킬 수 있다.
도 2 내지 도 4는 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 2 내지 도 4에는 일실시예에 따른 보행 보조 장치를 착용 중인 사용자의 보행 동작의 일부가 도시된다.
도 2를 참조하면, 오른쪽 다리로 지지하고 왼쪽 다리를 스윙하는 사용자의 보행 동작이 도시된다. 모터부를 이용하여 사용자의 양쪽 다리에 각각 제공되는 능동 보조력(210, 220)은 보행 사이클 상에서 각각의 다리의 움직임에 적합하게 제공된다. 도시된 예에서, 사용자의 왼쪽 다리가 움직이는 방향(230) 및 사용자의 오른쪽 다리가 움직이는 방향(240)은 각각 현재의 보행 동작에서 필요한 근력 및/또는 보조력의 방향과 동일하다. 이러한 경우에, 피동 보조력 전달부는 사용자의 양쪽 다리에 아무런 힘도 가하지 않도록 설계될 수 있다.
도 3을 참조하면, 왼쪽 다리가 전진 방향으로 스윙하는 속도를 줄여 왼쪽 고관절의 각속도가 점차 0이 되고, 오른쪽 다리가 후진 방향으로 스윙하는 속도를 줄여 마찬가지로 오른쪽 고관절의 각속도가 점차 0이 되어가는 사용자의 보행 동작이 도시된다. 도시된 예에서, 사용자의 왼쪽 다리가 움직이는 방향(310) 및 사용자의 오른쪽 다리가 움직이는 방향(320)은 각각 현재의 보행 동작에서 필요한 근력 및/또는 보조력의 방향과 반대이다. 이러한 경우에, 피동 보조력 전달부는 사용자의 양쪽 다리가 서로 모아지는 방향으로 탄성력에 따른 피동 보조력(330, 340)을 각 다리에 가할 수 있다.
도 4를 참조하면, 왼쪽 다리가 스윙을 멈추고 지지로 전환하고, 오른쪽 다리가 지지를 멈추고 스윙으로 전환하는 사용자의 보행 동작이 도시된다. 도시된 예에서, 사용자의 왼쪽 다리가 움직이는 방향(410) 및 사용자의 오른쪽 다리가 움직이는 방향(420)은 각각 현재의 보행 동작에서 필요한 근력 및/또는 보조력의 방향과 동일하다. 이러한 경우에, 피동 보조력 전달부는 축적된 탄성 에너지를 이용하여 사용자의 양쪽 다리가 서로 모아지는 방향으로 피동 보조력(430, 440)을 각 다리에 가할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 구현 예를 설명하기 위한 도면이다. 모터만을 이용하여 사용자에게 보조력을 제공하는 방식에서는 보행 사이클 중 네거티브 워크 구간 동안 에너지 측면에서 비효율이 발생하지만, 도 5 내지 도 7에 도시된 실시예에서는 피동 보조력 전달부를 추가로 구비하여 피동 보조력을 제공함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 일실시예에 따른 보행 보조 장치는 사용자의 양쪽 고관절 부위에 배치된 제1 모터부(510) 및 제2 모터부(520)를 포함한다. 또한, 보행 보조 장치는 제1 모터부(510) 및 제2 모터부(520)에서 제공되는 보조력을 사용자의 다리에 전달하기 위한 제1 보조력 전달부(530) 및 제2 보조력 전달부(540)와 보행 보조 장치가 사용자의 다리에 안정적으로 고정될 수 있도록 하는 제1 조임부(550), 및 제2 조임부(560)를 포함한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 보행 보조 장치는 제1 조임부(550) 및 제2 조임부(560)를 연결하는 피동 보조력 전달부(570)를 포함한다. 피동 보조력 전달부(570)는 고무 밴드 및/또는 스프링 등의 임의의 탄성 엘리먼트를 포함할 수 있으며, 제1 조임부(550) 및 제2 조임부(560)의 위치 이동에 따라 사용자의 양쪽 다리를 서로 당기는 방향으로 가변적인 피동 보조력을 제공할 수 있다.
도 6을 참조하면, 일실시예에 따른 보행 보조 장치는 사용자의 양쪽 고관절 부위에 배치된 제1 모터부(610) 및 제2 모터부(620)를 포함한다. 또한, 보행 보조 장치는 제1 모터부(610) 및 제2 모터부(620)에서 제공되는 보조력을 사용자의 다리에 전달하기 위한 제1 지지부(630) 및 제2 지지부(640)를 포함한다. 사용자의 다리 둘레에 밀착되는 조임부를 대신하여 사용자의 다리 둘레의 일부를 지지하는 지지부를 구비함으로써, 사용자가 보행 보조 장치 착용 시 느낄 수 있는 불편함을 방지할 수 있다
도 6에 도시된 바와 같이, 보행 보조 장치는 제1 지지부(630) 및 제2 지지부(640)를 연결하는 피동 보조력 전달부(650)를 포함한다. 피동 보조력 전달부(650)는 고무 밴드 및/또는 스프링 등의 임의의 탄성 엘리먼트를 포함할 수 있으며, 제1 지지부(630) 및 제2 지지부(640)의 위치 이동에 따라 사용자의 양쪽 다리를 서로 당기는 방향으로 가변적인 피동 보조력을 제공할 수 있다.
도 7을 참조하면, 일실시예에 따른 보행 보조 장치는 사용자의 양쪽 고관절 부위에 배치된 제1 모터부(710) 및 제2 모터부(720)를 포함한다. 또한, 보행 보조 장치는 제1 모터부(710) 및 제2 모터부(720)에서 제공되는 보조력을 사용자의 다리에 전달하기 위한 제1 지지부(730) 및 제2 지지부(740)를 포함한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 보행 보조 장치는 제1 지지부(730) 및 제2 지지부(740)를 연결하고 사용자의 양쪽 다리를 둘러싸는 피동 보조력 전달부(750)를 포함한다. 피동 보조력 전달부(750)는 고무 밴드 및/또는 스프링 등의 임의의 탄성 엘리먼트를 포함할 수 있으며, 제1 지지부(730) 및 제2 지지부(740)의 위치 이동에 따라 사용자의 양쪽 다리를 서로 당기는 방향으로 가변적인 피동 보조력을 제공할 수 있다.
도 8은 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 예시적 구성을 나타내는 블록도이다. 일실시예에 따른 보행 보조 장치는 제1 고정부(810), 제2 고정부(820), 피동 보조력 전달부(830) 및 피동 보조력 제어부(840)를 포함한다.
도 8의 피동 보조력 전달부(830)는 양쪽 다리에 각각 고정된 제1 고정부(810) 및 제2 고정부(820) 사이를 서로 연결한다는 점에서는 도 1의 피동 보조력 전달부(150)와 유사하다. 다만, 도 8의 보행 보조 장치는 피동 보조력 전달부(830)의 길이 또는 탄성 등의 특성을 제어하는 피동 보조력 제어부(840)를 추가적으로 구비한다.
일실시예에서, 피동 보조력 제어부(840)는 하나 이상의 모터를 이용하여 피동 보조력 전달부의 길이를 제어함으로써 피동 보조력 전달부가 당겨지고 느슨해지는 강도 및 구간을 조정할 수 있다. 즉, 피동 보조력 제어부(840)의 개입을 통해 피동 보조력 전달부(830)에 의해 제공되는 피동 보조력의 크기를 원하는 값으로 조정하여 보행 사이클 상의 보행 동작에 적합한 보조력을 제공할 수 있다.
도 8의 보행 보조 장치는 독자적으로 활용될 수도 있으나, 예를 들어 도 1의 보행 보조 장치와 결합되어 피동 보조력의 크기를 추가적으로 제어하는 방식으로 활용될 수도 있다.
도 9는 일실시예에 따른 보행 보조 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 9의 방법은 예를 들어 도 1의 보행 보조 장치를 동작시키는 데 이용될 수 있다.
단계(910)에서, 보행 보조 장치는 사용자의 보행 사이클을 식별할 수 있다. 사용자의 보행 사이클 식별을 위하여, 보행 동작과 연관된 파라미터를 센싱하여 사용자의 보행 사이클을 식별할 수 있다. 보행 동작과 연관된 파라미터는 예를 들어, 사용자의 양쪽 고관절의 각도 및 각속도를 포함할 수 있다. 보행 보조 장치는 보행 동작과 연관된 파라미터에 기초하여 사용자의 현재의 보행 동작이 사용자의 보행 사이클 상에서 어느 지점에 위치하는지 결정할 수 있다.
단계(920)에서, 보행 보조 장치는 사용자의 양쪽 다리에 제공할 총 보조력을 계산할 수 있다. 사용자의 현재의 보행 동작이 사용자의 보행 사이클 상에서 어느 지점에 위치하는지에 따라 사용자의 다리에 제공하고자 하는 총 보조력이 달라질 수 있다.
단계(930)에서, 보행 보조 장치는 피동 보조력 전달부에 의해 사용자의 양쪽 다리에 제공되는 피동 보조력을 계산할 수 있다. 사용자의 양쪽 다리에 제공할 총 보조력을 계산할 수 있다. 피동 보조력 전달부는 사용자의 양쪽 다리에 각각 고정되는 제1 고정부 및 제2 고정부에 연결되며, 제1 고정부 및 제2 고정부의 위치 이동에 따라 사용자의 양쪽 다리를 서로 당기는 방향으로 가변적인 피동 보조력을 제공한다. 피동 보조력을 이용한 에너지 효율 개선을 위하여, 보행 보조 장치는 가변적인 피동 보조력의 현재의 크기를 계산할 수 있다.
단계(940)에서, 보행 보조 장치는 총 보조력 및 피동 보조력에 기초하여 모터를 이용하여 제공될 능동 보조력을 계산할 수 있다. 보행 보조 장치는 총 보조력에서 피동 보조력에 대응하는 기여분을 감산함으로써 능동 보조력의 크기를 계산할 수 있다. 총 보조력 및 능동 보조력이 고관절에 가해지는 토크이고, 피동 보조력이 양쪽 고정부 사이에 작용하는 탄성력인 경우, 피동 보조력에 대응하는 기여분은 탄성력을 고관절에 가해지는 토크로 환산한 수치일 수 있다.
단계(950)에서, 보행 보조 장치는 모터를 이용하여 사용자의 양쪽 다리에 능동 보조력을 제공할 수 있다. 모터를 이용하여 제공되는 능동 보조력은 상기 단계(940)에서 피동 보조력에 대응하는 기여분을 고려하여 계산된 값이므로, 피동 보조력이 가해지는 구간에서 모터를 이용한 에너지 소비를 감소시킬 수 있다.
이와 같은 방식으로, 양쪽 다리 사이를 연결하는 피동 보조력 전달부를 이용하여 보행 시 네거티브 워크 구간에서 모터 구동에 따른 에너지 소모를 감소시키고, 피동 보조력 전달부에 저장된 에너지를 포지티브 워크 구간에서 활용하여 모터 구동에 따른 에너지 소모를 감소시키거나 추가적인 추진력을 얻을 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, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 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 이들 중 하나 이상의 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 장치에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 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. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 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 (18)

  1. 사용자의 양쪽 다리에 각각 고정되는 제1 고정부 및 제2 고정부;
    하나 이상의 모터를 이용하여 상기 제1 고정부에 능동 보조력을 제공하는 제1 모터부;
    하나 이상의 모터를 이용하여 상기 제2 고정부에 능동 보조력을 제공하는 제2 모터부;
    상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 피동 보조력을 제공하는 피동 보조력 전달부; 및
    상기 제1 모터부 및 상기 제2 모터부 각각으로부터 제공되는 능동 보조력을 제어하는 모터 제어부를 포함하고,
    상기 피동 보조력 전달부는,
    상기 사용자의 서로 다른 다리에 위치하는 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부 사이에 연결되고, 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부를 서로 당기는 방향으로 보조력을 제공하는 것인,
    보행 보조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피동 보조력 전달부는 적어도 하나의 탄성 엘리먼트를 포함하고,
    상기 피동 보조력 전달부는 상기 사용자가 보행 사이클 상에서 네거티브 워크 구간에 있는 동안 탄성 에너지를 저장하고, 상기 탄성 에너지를 이용하여 상기 피동 보조력을 제공하는,
    보행 보조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피동 보조력 전달부에 의해 제공되는 피동 보조력의 크기를 제어하는 피동 보조력 제어부
    를 더 포함하는, 보행 보조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 피동 보조력 제어부는 상기 피동 보조력 전달부의 길이를 제어함으로써 상기 피동 보조력의 크기를 제어하는,보행 보조 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 피동 보조력 제어부는 상기 피동 보조력 전달부의 적어도 하나의 단부에 연결된 하나 이상의 모터를 이용하여 상기 피동 보조력의 크기를 제어하는,
    보행 보조 장치.
  6. 삭제
  7. 사용자의 양쪽 다리에 각각 고정되는 제1 고정부 및 제2 고정부;
    하나 이상의 모터를 이용하여 상기 제1 고정부에 능동 보조력을 제공하는 제1 모터부;
    하나 이상의 모터를 이용하여 상기 제2 고정부에 능동 보조력을 제공하는 제2 모터부;
    상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 피동 보조력을 제공하는 피동 보조력 전달부; 및
    상기 제1 모터부 및 상기 제2 모터부 각각으로부터 제공되는 능동 보조력을 제어하는 모터 제어부를 포함하고,
    상기 모터 제어부는,
    상기 피동 보조력의 크기에 기초하여 상기 능동 보조력의 크기를 결정하는,
    보행 보조 장치.
  8. 사용자의 양쪽 다리에 각각 고정되는 제1 고정부 및 제2 고정부;
    하나 이상의 모터를 이용하여 상기 제1 고정부에 능동 보조력을 제공하는 제1 모터부;
    하나 이상의 모터를 이용하여 상기 제2 고정부에 능동 보조력을 제공하는 제2 모터부;
    상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 피동 보조력을 제공하는 피동 보조력 전달부; 및
    상기 제1 모터부 및 상기 제2 모터부 각각으로부터 제공되는 능동 보조력을 제어하는 모터 제어부를 포함하고,
    상기 모터 제어부는,
    상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 각각 제공할 총 보조력을 결정하고, 상기 총 보조력에서 상기 피동 보조력에 대응하는 기여분을 감산함으로써 상기 능동 보조력의 크기를 계산하는,
    보행 보조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부는 상기 사용자의 다리 둘레 중 일부를 지지하는 제1 지지부 및 제2 지지부를 각각 포함하고,
    상기 피동 보조력 전달부는 상기 제1 지지부 및 상기 제2 지지부를 연결하는,
    보행 보조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고정부는 상기 사용자의 오른쪽 허벅지에 고정되고,
    상기 제2 고정부는 상기 사용자의 왼쪽 허벅지에 고정되는,
    보행 보조 장치.
  11. 사용자의 양쪽 다리에 각각 고정되는 제1 고정부 및 제2 고정부;
    하나 이상의 모터를 이용하여 상기 제1 고정부에 능동 보조력을 제공하는 제1 모터부;
    하나 이상의 모터를 이용하여 상기 제2 고정부에 능동 보조력을 제공하는 제2 모터부;
    상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 피동 보조력을 제공하는 피동 보조력 전달부; 및
    상기 제1 모터부 및 상기 제2 모터부 각각으로부터 제공되는 능동 보조력을 제어하는 모터 제어부를 포함하고,
    상기 피동 보조력 전달부는,
    상기 사용자의 양쪽 다리 둘레를 둘러싸도록 배치된 것인,
    보행 보조 장치.
  12. 컴퓨터로 구현되는 보행 보조 장치의 동작 방법에 있어서,
    사용자의 보행 사이클을 식별하는 단계;
    상기 사용자의 양쪽 다리에 각각 제공할 총 보조력을 계산하는 단계;
    상기 사용자의 양쪽 다리에 각각 고정되는 제1 고정부 및 제2 고정부에 연결된 피동 보조력 전달부에 의해 제공되는 피동 보조력을 계산하는 단계;
    상기 총 보조력 및 상기 피동 보조력에 기초하여 상기 사용자의 양쪽 다리에 각각 제공할 능동 보조력을 결정하는 단계; 및
    하나 이상의 모터를 이용하여 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부에 상기 능동 보조력을 제공하는 단계
    를 포함하는, 보행 보조 장치의 동작 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 피동 보조력 전달부는 적어도 하나의 탄성 엘리먼트를 포함하고,
    상기 피동 보조력 전달부는 상기 사용자가 보행 사이클 상에서 네거티브 워크 구간에 있는 동안 탄성 에너지를 저장하고, 상기 탄성 에너지를 이용하여 상기 피동 보조력을 제공하는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 피동 보조력 전달부의 길이를 제어하여 상기 피동 보조력의 크기를 조정하는 단계를 더 포함하는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 능동 보조력을 결정하는 단계는,
    상기 총 보조력에서 상기 피동 보조력에 대응하는 기여분을 감산함으로써 상기 능동 보조력의 크기를 계산하는 단계를 포함하는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부는 상기 사용자의 다리 둘레 중 일부를 지지하는 제1 지지부 및 제2 지지부를 각각 포함하고,
    상기 피동 보조력 전달부는 상기 제1 지지부 및 상기 제2 지지부를 연결하는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 제1 고정부는 상기 사용자의 오른쪽 허벅지에 고정되고,
    상기 제2 고정부는 상기 사용자의 왼쪽 허벅지에 고정되는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  18. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 보행 보조 장치의 동작 방법을 실행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
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