KR20210139115A

KR20210139115A - 웨어러블 장치 및 웨어러블 장치의 동작 방법

Info

Publication number: KR20210139115A
Application number: KR1020200113357A
Authority: KR
Inventors: 노창현
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2020-05-13
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2021-11-22

Abstract

사용자의 신체에 착용되어 운동 부하를 사용자에게 제공하는 웨어러블 장치 및 웨어러블 장치의 동작 방법이 개시된다. 웨어러블 장치는 모터, 모터 드라이버 회로, 모터와 연결되고 사용자의 신체에 착용되어 상기 신체를 지지하는 프레임, 모터 드라이버 회로의 전기적 연결 관계를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 프로세서 및 사용자의 신체 움직임을 센싱하는 센서를 포함한다. 프로세서는 센싱된 신체 움직임의 속도에 기초하여 모터 드라이버 회로의 전기적 연결이 폐루프인 제1 제어 상태와 모터 드라이버 회로의 전기적 연결이 개루프인 제2 제어 상태 간의 시간당 변환 비율을 제어하는 것에 의해 상기 프레임을 통해 신체 움직임의 속도에 따라 운동 부하를 제공한다.

Description

웨어러블 장치 및 웨어러블 장치의 동작 방법{WEARABLE DEVICE AND OPERATION METHOD THEREOF}

아래의 실시예들은 사용자의 신체에 착용되어 운동 기능을 제공할 수 있는 웨어러블 장치와 그 웨어러블 장치의 동작 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 보행 보조 장치(walking assistance device)는 각종 질환이나 사고 등으로 인하여 스스로 걷지 못하는 환자들이 재활 치료를 위한 보행 운동을 할 수 있도록 도와주는 기구 또는 장치를 말한다. 최근 고령화 사회가 심화됨에 따라 다리 관절의 문제로 정상적인 보행이 어렵거나 보행에 대해 불편을 호소하는 사람들이 증가하여 보행 보조 장치에 대한 관심도 높아지고 있다. 보행 보조 장치는 사용자의 신체에 장착되어 사용자가 보행하는데 필요한 근력을 보조(assistance)해 주고, 사용자가 정상적인 보행 패턴으로 보행할 수 있도록 사용자의 보행을 유도한다.

일 실시예에 따른 웨어러블 장치는, 모터; 모터 드라이버 회로; 상기 모터와 연결되고, 상기 사용자의 신체에 착용되어 상기 신체를 지지하는 프레임; 상기 모터 드라이버 회로의 전기적 연결 관계를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 프로세서; 및 상기 사용자의 신체 움직임을 센싱하는 센서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 센싱된 신체 움직임의 속도에 기초하여, 상기 모터 드라이버 회로의 전기적 연결이 폐루프인 제1 제어 상태와 상기 모터 드라이버 회로의 전기적 연결이 개루프인 제2 제어 상태 간의 시간당 변환 비율을 제어하는 것에 의해 상기 프레임을 통해 상기 신체 움직임의 속도에 따라 운동 부하를 제공할 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 제1 제어 상태와 상기 제2 제어 상태가 주기적으로 교대로 반복되도록 제어할 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 센싱된 신체 움직임에 기초하여 상기 신체 움직임의 속도를 결정하고, 상기 결정된 속도에 기초하여 상기 제1 제어 상태가 유지되는 시간과 상기 제2 제어 상태가 유지되는 시간 간의 비율을 조정할 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 신체 움직임의 속도가 제1 속도에서 제2 속도로 변한 경우, 상기 비율을 상기 제2 속도에 대응하는 비율로 조정할 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 제2 속도가 상기 제1 속도보다 큰 경우, 상기 제1 제어 상태가 유지되는 시간의 비율을 줄이고, 상기 제2 제어 상태가 유지되는 시간의 비율은 늘리는 것으로 조정할 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 제2 속도가 상기 제1 속도가 작은 경우, 상기 제1 제어 상태가 유지되는 시간의 비율을 늘리고, 상기 제2 제어 상태가 유지되는 시간의 비율은 줄이는 것으로 조정할 수 있다.

상기 프로세서는, 목표 운동 부하와 상기 신체 움직임의 속도에 기초하여 상기 비율을 조정할 수 있다.

상기 프로세서는, 배터리의 전력을 이용하여 상기 모터를 구동시키는 것 없이, 상기 제1 제어 상태와 상기 제2 제어 상태 간의 변환을 제어하는 것에 의해 상기 운동 부하를 발생시킬 수 있다.

상기 모터 드라이버 회로는, 상기 프로세서로부터 출력되는 제어 신호에 기초하여 상기 모터 드라이버 회로의 전기적 연결을 제어하기 위한 복수의 스위치들을 포함할 수 있다.

일 시시예에 따른 웨어러블 장치의 동작 방법은, 상기 웨어러블 장치의 센서를 이용하여 상기 사용자의 신체 움직임을 센싱하는 단계; 상기 센싱된 신체 움직임의 속도에 기초하여 상기 웨어러블 장치의 모터 드라이버 회로를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계; 및 상기 제어 신호에 기초하여 상기 모터 드라이버 회로의 전기적 연결 관계를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 제어하는 단계는, 상기 제어 신호에 기초하여, 상기 모터 드라이버 회로의 전기적 연결이 폐루프인 제1 제어 상태와 상기 모터 드라이버 회로의 전기적 연결이 개루프인 제2 제어 상태 간의 시간당 변환 비율을 제어하는 것에 의해 상기 모터에 연결된 프레임을 통해 상기 신체 움직임의 속도에 따라 운동 부하를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 사용자에 착용된 웨어러블 장치를 도시하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 웨어러블 장치의 외부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 웨어러블 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 모터 드라이버 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 프로세서의 제어 동작을 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 일 실시예에 따른 사용자의 다리 움직임에 따른 프로세서의 제어 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 다리 움직임의 속도 변화에 따른 웨어러블 장치의 제어 동작의 변화를 설명하기 위한 도면들이다.
도 9는 일 실시예에 따른 웨어러블 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 달리 명시되지 않는 한 일반적으로 "하나 이상의"를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 사용자에 착용된 웨어러블 장치를 도시하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 웨어러블 장치(110)는 사용자(100)의 신체에 착용되어 사용자(100)의 운동(exercise)을 보조해 주는 장치이다. 웨어러블 장치(110)는 사용자(100)의 하체(다리, 발목, 무릎 등), 상체(몸통, 팔, 손목 등) 또는 허리에 착용되어 사용자(100)의 신체 움직임에 저항력을 제공하여 사용자(100)의 운동 효과를 보다 강화시킬 수 있다. 저항력은 사용자(100)의 움직임을 방해하거나 사용자(100)의 움직임에 저항을 주기 위한 힘으로서, 사용자(100)가 움직일 때 사용자(100)의 움직임 방향과 반대 방향으로 작용하는 힘을 나타낼 수 있다. 아래 설명에서 저항력은 '운동 부하'로도 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 웨어러블 장치(110)는 다리에 착용된 상태로 사용자(100)의 신체에 운동 부하를 제공하여 사용자(100)의 운동 효과를 보다 강화시킬 수 있다. 사용자(100)는 운동을 위해 웨어러블 장치(110)를 착용한 상태에서 보행 동작을 취할 수 있고, 이 경우 웨어러블 장치(110)는 사용자(100)의 보행 동작에서 사용자(100)의 다리에 운동 부하를 가할 수 있다. 이하에서는 하체(다리)에 착용되는 웨어러블 장치(110)를 예를 들어 설명하나, 위에서 설명한 것과 같이 웨어러블 장치(110)는 하체 이외에 다른 신체 부위에도 착용될 수도 있고, 착용되는 신체 부위에 따라 형태와 구성이 달라질 수 있다. 아래 설명에서 '다리'는 다른 신체 부위로 치환되어 설명될 수 있다.

실시예에 따라, 웨어러블 장치(110)는 위에서 설명한 운동을 도와주는 기능 이외에 사용자(110)의 보행(walking)을 보조(assistance)하는 기능을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 웨어러블 장치(110)는 사용자(100)의 다리 일부 또는 전체를 보조하여 사용자(100)의 보행을 도울 수 있다. 웨어러블 장치(110)는 사용자(100)의 보행에 필요한 힘을 보조함으로써 독립적인 보행을 가능하게 하거나 또는 장시간 보행을 가능하게 하여 사용자(100)의 보행 능력을 확장시켜 줄 수 있다. 또는, 웨어러블 장치(110)는 보행 습관이나 보행 자세가 비정상인 보행자의 보행을 개선시킬 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 웨어러블 장치의 외부 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 웨어러블 장치(110)는 웨어러블 장치(110)가 사용자(100)의 신체에 착용되었을 때, 웨어러블 장치(110)를 사용자(100)의 신체에 고정시키고 신체를 지지하기 위한 프레임을 포함한다. 이러한 프레임은, 예를 들어 웨어러블 장치(110)를 사용자(100)의 허리에 고정시키기 위한 허리 착용 프레임과 사용자(100)의 다리에 착용되어 웨어러블 장치(110)의 일 부분을 사용자(100)의 다리에 고정시키기 위한 다리 착용 프레임을 포함할 수 있다. 웨어러블 장치(110)의 구현 형태에 따라 프레임의 형태나 구성은 그 구현 형태에 맞게 변형될 수 있다.

일 실시예에서, 웨어러블 장치(110)의 동작을 제어하기 위한 프로세서와 메모리 등이 배치된 메인 회로(230)는 사용자(100)의 허리 뒤쪽에 위치할 수 있다. 사용자(100)의 왼쪽/오른쪽 고관절(220L, 220R) 부근에는 각각 프로세서에 의해 제어되는 모터 및 사용자(100)의 신체 움직임을 센싱할 수 있는 센서가 배치될 수 있다.

왼쪽/오른쪽 고관절(220L, 220R) 부근에 배치된 각각의 모터에 전력이 공급되어 모터가 동작하는 경우, 모터로부터 출력되는 힘은 왼쪽/오른쪽 전달부(240L, 240R)를 통해 각각의 다리 착용 프레임에 전달되고, 다리 착용 프레임에 전달된 힘은 사용자의 다리에 가해진다. 사용자가 왼쪽 다리를 움직이는 경우, 왼쪽 다리에 착용된 다리 착용 프레임이 함께 움직이고, 다리 착용 프레임의 움직임은 왼쪽 전달부(240L)를 통해 왼쪽 고관절(220L) 부근에 배치된 센서에 의해 센싱될 수 있다. 예를 들어, 왼쪽 고관절(220L) 부근에는 엔코더(encoder)가 배치되어 엔코더가 왼쪽 다리의 움직임에 대응하는 왼쪽 전달부(240L) 움직임의 회전 위치 또는 회전 속도를 측정할 수 있다. 사용자가 오른쪽 다리를 움직이는 경우, 오른쪽 다리에 착용된 다리 착용 프레임이 함께 움직이고, 다리 착용 프레임의 움직임은 오른쪽 전달부(240R)를 통해 오른쪽 고관절(220R) 부근에 배치된 엔코더와 같은 센서에 의해 센싱될 수 있다. 해당 엔코더는 오른쪽 다리의 움직임에 대응하는 오른쪽 전달부(240R) 움직임의 회전 위치 또는 회전 속도를 측정할 수 있다.

웨어러블 장치(110)가 운동 모드로 동작하는 경우, 웨어러블 장치(110)는 웨어러블 장치(110)에 포함된 모터에 전력을 공급하여 구동하는 것 없이 모터 드라이버 회로의 전기적 연결을 제어하는 것에 의해 목표로 하는 운동 부하를 발생시킬 수 있다. 이 경우, 사용자(100)의 신체 움직임의 반대 방향으로 작용하는 운동 부하가 웨어러블 장치(110)의 모터로부터 발생하여 각각의 왼쪽/오른쪽 전달부(220L, 220R)를 거쳐 다리 착용 프레임을 통해 사용자(100)의 신체 전달될 수 있다. 한편, 웨어러블 장치(110)는 사용자(100)의 신체 움직임 속도에 적응적으로 모터 드라이버 회로의 전기적 연결을 제어함으로써 사용자(100)의 신체 움직임 속도가 변하더라도 목표로 하는 운동 부하를 안정적으로 발생시킬 수 있다. 이하 도면들을 참조하여 웨어러블 장치(110)의 구성과 동작에 대해 보다 자세히 설명한다.

도 3은 일 실시예에 따른 웨어러블 장치의 구성을 도시하는 도면이다.

도 3을 참조하면, 웨어러블 장치(300)는 모터(310)에 전력을 공급하여 구동하는 것 없이도 모터 드라이버 회로(320)의 스위치 연결을 반복적으로 제어하는 것에 의해 운동 부하를 발생시킬 수 있다. 이러한 제어를 통해 웨어러블 장치(300)에 전력을 공급하는 배터리의 전력을 모터(310)에 공급하지 않고도 운동 부하를 발생시킬 수 있으므로, 상대적으로 배터리의 전력 소모가 덜 발생하여 웨어러블 장치(300)의 사용 시간이 보다 증대될 수 있다. 또한, 모터(310)에 전력을 공급하여 모터(310)를 직접 구동시키는 것이 아니므로, 상대적으로 운동 부하를 위해 모터(310)를 구동하는 경우보다 소음이 덜 발생할 수 있다. 또한, 웨어러블 장치(300)는 사용자의 움직임을 모니터링하고, 사용자의 움직임에 따라 적응적으로 모터 드라이버 회로(320)의 스위치 연결을 제어함으로써 목적하는 일정한 크기(또는 세기)의 운동 부하를 사용자에게 제공할 수 있다. 이하에서는, 웨어러블 장치(300)의 구성들을 기초로 웨어러블 장치(300)의 동작을 보다 자세히 설명한다.

웨어러블 장치(300)는 모터(310), 모터 드라이버 회로(320), 센서(330), 프로세서(340) 및 메모리(350)를 포함한다.

모터(310)는 모터(310)에 전력이 공급되어 구동될 때 사용자의 다리 움직임을 보조하는 힘이나 다리 움직임을 방해하는 힘을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 모터(310)는 적어도 2개의 모터들을 포함할 수 있고, 각각의 모터는 사용자가 웨어러블 장치(300)를 착용하였을 때 사용자의 양쪽 고관절 부근에 위치할 수 있다. 이 경우, 오른쪽 고관절 부근에 위치한 모터는 오른쪽 다리의 움직임을 보조하거나 방해하는 힘을 제공하고, 왼쪽 고관절 부근에 위치한 모터는 왼쪽 다리의 움직임을 보조하거나 방해하는 힘을 제공할 수 있다.

웨어러블 장치(300)는 사용자의 보행을 도와주는 모드인 보행 보조 모드 또는 사용자의 운동 효과를 증대시키기 위해 사용자의 다리 움직임을 방해하는 운동 모드로 동작할 수 있다. 보행 보조 모드에서, 모터(310)는 사용자의 보행을 돕기 위한 보조 힘을 출력할 수 있다. 운동 모드에서, 모터(310)는 위에서 설명한 것과 같이, 모터(310)에 전력이 공급되지 않은 상태에서 모터 드라이버 회로(320)의 스위치 연결 제어를 통해 운동 부하를 발생시킬 수 있다. 또는, 모터(310)는 모터 드라이버 회로(320)의 스위치 연결 제어 뿐만 아니라 모터(310)에 공급된 전력에 기초하여 사용자의 다리 움직임을 방해하는 인위적인 힘을 발생시킬 수도 있다. 예를 들어, 모터 드라이버 회로(320)의 스위치 연결 제어만으로는 목표하는 운동 부하에 해당하는 운동 부하를 발생시키기 어려운 경우, 모터(310)가 추가적으로 구동되어 사용자의 신체 움직임을 방해하는 힘을 생성할 수 있다.

모터 드라이버 회로(320)는 프로세서(340)의 제어 하에 모터(310)의 동작을 제어하는 회로로서, 모터(310)에 공급되는 전류의 경로나 모터(310) 주변의 전기적 연결 관계를 제어하는 회로이다. 모터 드라이버 회로(320)는 프로세서(340)부터 전달되는 제어 신호에 기초하여 모터(310)를 구동시키거나 모터(310)의 구동을 정지시킬 수 있다. 일 실시예에서, 모터 드라이버 회로(320)는 모터(310)의 주변의 전기적 연결을 제어하기 위한 복수의 스위치들을 포함할 수 있고, 모터 드라이버 회로(320)의 스위치들은 프로세서(340)로부터 전달되는 제어 신호에 기초하여 제어될 수 있다. 실시예에 따라, 모터 드라이버 회로(320)는 해당 스위치들을 제어하기 위한 별도의 내부 프로세서를 포함할 수도 있고, 이 경우 해당 내부 프로세서는 프로세서(340)로부터 제어 신호를 수신하고, 수신한 제어 신호에 기초하여 스위치들을 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 모터 드라이버 회로(320)는 모터(310) 주변의 전기적 연결 관계를 제어하기 위한 H 브릿지 회로 등과 같은 제어 회로를 포함할 수 있다. H 브릿지 회로는 모터(310)와 같은 부하(load)에 적용되는 전압의 극성을 전환할 수 있는 회로이다. H 브릿지 회로의 일례가 도 4에 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, H 브릿지 회로는 복수의 스위치들(410, 420, 430, 440)을 통해 모터(310) 주변의 전기적 연결을 제어한다. 스위치들(410, 420, 430, 440)은 예를 들어 MOSFET과 같은 반도체 소자로 구현될 수 있다. 프로세서(340)의 제어 하에 제1 스위치(410)와 제4 스위치(440)가 턴 온(turn on)(또는 단락(short)) 상태가 되고, 제2 스위치(420)와 제3 스위치(430)이 턴 오프(turn off)(또는 개방(open)) 상태가 되면, 배터리(450)에서 모터(310)로 전력이 공급될 수 있다. 또는, 프로세서(340)의 제어 하에 제2 스위치(420)와 제3 스위치(430)가 턴 온 상태가 되고, 제1 스위치(410)와 제4 스위치(440)이 턴 오프 상태가 되면, 배터리(450)에서 모터(310)로 전력이 공급될 수 있다. 제3 스위치(430)와 제4 스위치(440) 모두가 턴 오프 상태이면, 배터리(450)에서 모터(310)로 전력이 공급되지 않는다.

다시 도 3으로 돌아오면, 센서(330)는 사용자의 신체 움직임으로서 다리 움직임을 센싱하고, 센싱한 다리 움직임에 대한 정보를 프로세서(340)에 전달할 수 있다. 센서(330)는 사용자의 고관절 각도, 다리 움직임의 속도나 가속도, 다리의 움직임 방향 등을 센싱하기 위한 하나 이상의 센서, 예를 들어 엔코더, 가속도 센서, 관성 센서, 자이로 센서 등을 포함할 수 있다. 센서(330)가 엔코더를 포함하는 경우, 엔코더는 사용자의 다리 움직임에 따른 엔코더 축(shaft)의 회전 속도, 회전 위치 등을 검출할 수 있다. 엔코더의 축의 회전 각도는 사용자의 관절 각도에 대응할 수 있다. 일 실시예에서, 엔코더는 축의 각 회전 위치에 해당하는 비트 값을 프로세서(340)에 전달할 수 있고, 프로세서(340)는 전달받은 비트 값을 기초로 축의 회전 각도를 계산할 수 있다. 프로세서(340)는 서로 다른 시간에서 수신한 비트 값들 간의 차이에 기초하여 해당 시간 동안의 축의 회전 각도의 변화 또는 회전 속도(각속도)를 계산할 수 있다. 본 명세서에서 '신체 움직임의 속도'는 이와 같은 회전 각도의 변화 또는 회전 속도(각속도) 등을 의미할 수 있다.

프로세서(340)는 웨어러블 장치(300)의 전체적인 동작을 제어한다. 프로세서(340)는 실시예에 따라 하나 또는 복수의 프로세서들로 구성될 수 있다. 메모리(350)는 프로세서(340)가 처리 동작을 수행하는데 필요한 정보 나 데이터를 저장한다. 예를 들어, 메모리(350)는 프로세서(340)에 의해 실행하기 위한 인스트럭션들 저장할 수 있다. 메모리(350)는 RAM, DRAM, SRAM, 또는 이 기술 분야에서 알려진 다른 형태의 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다.

웨어러블 장치(300)의 제어 동작은 프로세서(340)로부터 출력되는 제어 신호에 의해 구현될 수 있다. 프로세서(340)는 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결 관계를 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 프로세서(340)는 웨어러블 장치(300)가 운동 모드에서 동작할 때, 사용자에게 운동 부하를 제공하기 위해, 센서(330)에 의해 센싱된 사용자의 다리 움직임의 속도에 기초하여 모터 드라이버 회로(320)의 스위치 연결을 제어할 수 있다.

모터 드라이버 회로(320)의 스위치 연결에 대한 제어 상태는 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결 관계가 폐루프(closed loop)인 제1 제어 상태와 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결 관계가 개루프(open loop)인 제2 제어 상태를 포함할 수 있다. 프로세서(340)는 제1 제어 상태와 제2 상태 간의 시간당 변환 비율을 제어하는 것에 의해 웨어러블 장치(300)의 프레임을 통해 사용자의 다리 움직임의 속도에 따라 운동 부하를 제공할 수 있다. 프로세서(340)는 운동 부하를 형성하기 위해 모터 드라이버 회로(320)에 대한 제어 상태를 위 제1 제어 상태와 제2 제어 상태가 주기적 교대로 반복되도록 제어할 수 있다. 제1 제어 상태는 모터(310)가 배터리(450)에 연결되지 않고, 모터(310), 스위치(410) 및 스위치(420)를 포함한 회로가 전기적으로 폐루프를 형성한 상태를 나타낸다. 제1 제어 상태에서는 모터(310)의 양 단자가 서로 연결되어 모터(310), 스위치(410) 및 스위치(420)를 포함한 폐루프 내 저항이 매우 낮다.(모터(310)의 양 단자 간의 전압이 동일하므로 폐루프 내 저항은 옴의 법칙에 따라 이론상으로는 0이 될 것이다) 이러한 회로 상태에서는, 폐루프 내의 매우 낮은 저항을 유지하려는 성질 때문에, 모터(310)가 회전할 때 모터(310)에 생기는 전압인 기전력이 작은 경우에도 그 기전력을 발생시키지 않으려는 방향으로 힘이 유도되어 모터(310)의 회전을 방해하려는 회전 저항(rotation resistance)이 크게 발생될 수 있다. 웨어러블 장치(300)를 착용한 사용자의 신체 움직임에 의해 웨어러블 장치(300)의 프레임이 움직이는 경우, 프레임의 움직임이 모터(310)에 전달되어 모터(310)에 기전력이 발생된다. 이 때, 모터 드라이버 회로(320)가 폐루프 상태에 있어 모터(310)로부터 기전력을 상쇄하는 저항 또는 저항력인 회전 저항이 생성된다.

웨어러블 장치(300)에서 외부 프레임은 사용자의 신체(예, 다리)에 착용되어 사용자의 신체와 동일한 방향으로 움직이고, 외부 프레임은 모터(310)로부터 전달되는 회전 저항을 사용자의 신체에 제공한다. 앞서 설명한 것과 같이 제1 제어 상태에서는 사용자의 신체 움직임에 응답하여 큰 세기의 회전 저항이 발생되고, 이러한 상황에서 사용자가 외부 프레임이 착용된 신체를 움직이려고 하면, 해당 회전 저항이 외부 프레임을 통해 신체에 작용하므로 사용자는 센 저항력을 느끼게 된다. 제2 제어 상태는 모터(310)를 포함한 회로의 연결이 개방되어 모터(310)에 대한 전기적인 연결이 없는 상태를 나타낸다. 제2 제어 상태에서는 전기적인 힘이나 회전 저항이 발생되지 않아 사용자가 느끼는 저항력은 최소가 된다.

프로세서(340)는 배터리의 전력을 이용하여 모터(310)를 구동시키는 것 없이, 위 제1 제어 상태와 제2 제어 상태 간의 시간당 변환 비율을 제어하는 것에 의해 운동 부하를 발생시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 프로세서(340)는 제1 제어 상태와 제2 제어 상태 간의 시간당 변환 비율을 제어하는 것에 의해 운동 부하를 발생시키는 것에 더하여 배터리의 전력을 모터(310)에 공급하여 모터(310)가 사용자의 다리 움직임을 방해하는 방향으로 토크를 발생시키도록 제어할 수도 있다. 프로세서(340)는 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결 관계를 제어하는 것에 의해 유도되는 회전 저항에 의해 목표로 하는 운동 부하를 달성하는 것이 어렵다고 판단된 경우, 모터(310)를 구동 시켜 다리 움직임을 방해하기 위한 토크를 발생시킬 수 있다.

프로세서(340)는 일 반복 주기 내에서 제1 제어 상태가 유지되는 시간과 제2 제어 상태가 유지되는 시간 간의 제어 비율을 조정하여 운동 부하의 크기를 제어할 수 있다. 이러한 제어 비율을 조정하기 위한 제어 신호는, 예를 들어 신호 펄스 폭(pulse width)의 듀티 비(duty ratio)에 따라 제어 상태를 결정할 수 있는 신호인 PWM(pulse width modulation) 신호의 형태로 구현될 수 있다. 이 경우, PWM 신호의 하이 레벨(high level) 값은 제1 제어 상태에 대응하고, 로우 레벨(low level) 값은 제2 제어 상태에 대응할 수 있다. 일반적으로, 일 주기 내에서 제2 제어 상태보다 제1 제어 상태로 동작하는 비중이 커질수록 사용자에게 가해지는 운동 부하는 커지는 경향이 있으며, 또한 사용자의 다리 움직임의 속도가 커질수록 운동 부하는 커지는 경향이 있다.

사용자가 다리를 움직이면서 운동할 때에는 사용자의 다리 움직임 속도는 시간에 따라 변동될 수 있다. 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결을 고려하지 않더라도, 시간에 따라 다리 움직임 속도가 변하게 되면 사용자가 느끼는 운동 부하가 다리 움직임 속도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 제1 제어 상태와 제2 제어 상태 간의 비율이 고정된 상황에서, 사용자의 다리 움직임 속도가 증가하는 경우에는 사용자가 느끼는 운동 부하는 커질 수 있다. 다리 움직임 속도의 큰 변화는 운동 부하의 급격한 변화를 야기할 수 있고, 이러한 운동 부하의 급격한 변화는 사용자에게 불쾌감을 일으킬 수 있다는 문제가 있다. 프로세서(340)는 모터(310)의 주변의 전기적 연결을 제어하는 모터 드라이버 회로(320)를 제어하는데 있어, 사용자의 다리 움직임을 고려하여 제1 제어 상태가 유지되는 시간과 제2 제어 상태가 유지되는 시간 간의 비율을 조절함으로써 앞서 말한 다리 움직임 속도에 따라 의도하지 않은 크기의 운동 부하가 발생하는 문제를 방지할 수 있다.

일 실시예에서, 프로세서(340)는 센서(330)로부터 수신한 사용자의 다리 움직임의 각속도 정보에 기초하여 다리 움직임의 속도를 결정하고, 결정한 다리 움직임의 속도와 사용자에게 제공해야 할 목표 운동 부하를 기초로 모터 드라이버 회로(320)를 제어할 수 있다. 시간에 따른 다리 움직임의 속도 변화에 따라 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결 관계는 조정될 수 있다. 사용자에게 동일한 운동 부하를 제공하기 위해 제1 제어 상태가 유지되는 시간과 제1 제어 상태 이후에 제2 제어 상태가 유지되는 시간 간의 비율을 나타내는 제어 비율이 다리 움직임 속도에 따라 조정될 수 있다. 예를 들어, 사용자의 다리 움직임의 속도가 제1 속도에서 제2 속도에서 변한 경우, 프로세서(340)는 제1 제어 상태가 유지되는 시간과 제2 제어 상태가 유지되는 시간 간의 비율을 제2 속도에 대응하는 비율로 조정할 수 있다. 제2 속도가 제1 속도보다 큰 경우(즉, 다리 움직임의 속도가 이전보다 빨라진 경우), 프로세서(340)는 제1 제어 상태가 유지되는 시간의 비율을 줄이고, 제2 제어 상태가 유지되는 시간의 비율은 늘리는 것으로 해당 제어 비율을 조정할 수 있다. 이와 반대로, 제2 속도가 제1 속도가 작은 경우(즉, 다리 움직임의 속도가 이전보다 느려진 경우), 프로세서(340)는 제1 제어 상태가 유지되는 시간의 비율을 늘리고, 제2 제어 상태가 유지되는 시간의 비율은 줄이는 것으로 해당 제어 비율을 조정할 수 있다.

제어 신호가 PWM 신호의 형태로 구현되고, 웨어러블 장치(330)가 시간에 따라 동일한 크기의 운동 부하를 사용자 신체에 가하는 것을 목표로 한다고 가정하면, 프로세서(340)는 사용자의 다리 움직임의 속도가 이전보다 빨라진 경우에는 PWM 신호의 각각의 주기 내에서 하이 레벨 값이 유지되는 비율을 이전보다 줄이고, 로우 레벨 값이 유지되는 비율을 이전보다 늘릴 수 있다. 반대로, 사용자의 다리 움직임의 속도가 이전보다 느려진 경우에는, 프로세서(340)는 PWM 신호의 각각의 주기 내에서 하이 레벨 값이 유지되는 비율을 이전보다 늘리고, 로우 레벨 값이 유지되는 비율을 이전보다 줄일 수 있다.

사용자의 다리 움직임 속도, 제1 제어 상태가 유지되는 시간과 제2 제어 상태가 유지되는 시간 간의 제어 비율, 및 운동 부하 크기(또는 세기) 간의 관계는 제어 모델에 의해 미리 결정될 수 있다. 제어 모델에 관한 정보는 메모리(350)에 저장되어 있을 수 있다.

사전에, 사용자의 다양한 다리 움직임 속도에 대응하는 특정한 회전 속도, 모터 드라이버 회로(320)에 적용되는 특정한 제어 비율이 주어졌을 때 토크를 측정하는 토크 센서에 의해 운동 부하에 대응하는 토크 값을 측정할 수 있다. 이러한 측정 과정을 다양한 회전 속도와 다양한 제어 비율에 대해 수행함으로써, 각각의 회전 속도 및 제어 비율에 따라 운동 부하가 어느 정도 될지에 대한 데이터를 수집할 수 있다. 수집된 데이터를 기초로 다리 움직임 속도, 제어 비율 및 운동 부하 크기 간의 관계를 정의할 수 있는 제어 모델이 생성될 수 있고, 해당 제어 모델은 현재 다리 움직임의 속도가 주어졌을 때 목표 운동 부하를 발생시키기 위해서는 제어 비율을 어떻게 설정해야 하는지에 대한 값을 출력할 수 있다. 해당 값에 따라 제1 제어 상태가 유지되는 시간과 제2 제어 상태가 유지되는 시간 간의 비율이 결정될 수 있다. 이와 같은 제어 모델은 예를 들어 맵핑 테이블이나 관계식 등에 의해 정의될 수 있다. 예를 들어, 각각의 정의된 다리 움직임 속도 및 운동 부하 크기(또는 세기)에 따라 어떠한 값으로 제어 비율을 설정해야 하는지가 사전에 미리 결정되어 맵핑 테이블 형태로 정의되어 있을 수 있다. 사전에 측정된 데이터에 의해 다리 움직임 속도, 제어 비율, 및 목표 운동 부하 각각의 특정 값들에 대한 관계가 맵핑 테이블에 의해 정의될 수 있고, 그 외의 값들에 대해서는 비례식을 통해 결정될 수 있다. 예를 들어, 맵핑 테이블은 아래 표 1과 같이 정의될 수 있다.

	V1	V2	…	Vn
T1	P1
T2		P2
…			…
Tn				Pn

표 1에서 V1, V2, ?? Vn 은 서로 다른 다리 움직임 속도에 해당하고, T1, T2, ??, Tn 은 서로 다른 목표 운동 부하에 해당한다. P1, P2, ?? Pn은 각각 주어진 다리 움직임 속도와 목표 운동 부하에서, 해당 목표 운동 부하를 사용자가 느끼게 하기 위해 제어 비율을 어떻게 설정해야 하는지에 대한 값(제1 제어 상태가 유지되는 시간과 제2 제어 상태가 유지되는 시간 간의 비율)이다.다른 예로, 다리 움직임 속도와 운동 부하의 크기(또는 세기)가 독립 변수들에 해당하고, 제어 비율의 값이 종속 변수에 해당하는 관계식이 사전에 정의되어 있을 수 있다. 해당 관계식에 목표 운동 부하와 다리 움직임 속도가 입력되면, 관계식은 해당 목표 운동 부하를 사용자가 느끼게 하기 위해 제어 비율을 어떻게 설정해야 하는지에 대한 값(제1 제어 상태가 유지되는 시간과 제2 제어 상태가 유지되는 시간 간의 비율)을 제공할 수 있다.

프로세서(340)는 위와 같은 제어 모델에 기초하여, 사용자의 다리 움직임 속도와 사용자에게 제공해야 할 목표 운동 부하에 기초하여 모터 드라이버 회로(320)에 적용되는 제1 제어 상태의 유지 시간과 제2 제어 상태의 유지 시간의 비율을 결정할 수 있다. 목표 운동 부하 크기(또는 세기)는 사용자에 의해 설정되거나, 또는 사용자의 운동을 보조하기 위한 운동 프로그램(운동 종류와 시간에 따라 운동 강도를 조절할 수 있는 프로그램)을 관리하는 소프트웨어에 의해 사용자의 운동 상태, 정해진 시간에 따라 운동 도중에 실시간으로 설정되는 운동 부하 크기(또는 세기)일 수 있다. 프로세서(340)는 결정된 제어 비율을 기초로 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결 관계를 제어함으로써, 사용자의 현재 다리 움직임 속도에 상관없이, 본래 의도한 크기의 목표 운동 부하를 사용자에게 제공할 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 프로세서의 제어 동작을 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 프로세서(340)는 제어 신호에 기초하여 모터 드라이버 회로(320)를 제어할 수 있다. 본 실시예에서는 모터 드라이버 회로(320)가 복수의 스위치들(410, 420, 430, 440)을 통해 전기적 연결 관계를 제어하는 H 브리지 회로를 포함한다고 가정한다. 프로세서(340)는 제1, 제2, 제3 및 제4 제어 신호들 각각에 기초하여 제1 스위치(410), 제2 스위치(420), 제3 스위치(430) 및 제4 스위치(440)의 상태(턴 온 또는 턴 오프)를 제어할 수 있다.

프로세서(340)는 배터리(450)에서 모터(310)로 전력을 공급하는 것 없이, 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결 관계를 제어하는 것에 의해 운동 부하를 발생할 수 있다. 프로세서(340)는 제3 제어 신호와 제4 제어 신호를 통해 제3 스위치(430)와 제4 스위치(440)를 턴 오프 상태로 만들어 배터리(450)와 모터(310) 간의 전기적 연결을 차단하고, 연결 차단 상태를 계속 유지할 수 있다. 제3 스위치(430)와 제4 스위치(440)를 턴 오프 상태로 만들어 배터리(450)와 모터(310) 간의 전기적 연결이 차단된 상태에서, 프로세서(340)는 모터 드라이버 회로(320)에 대한 제1 제어 상태(510)와 제2 제어 상태(520)가 교대로 반복되도록 제어함으로써 운동 부하를 발생시킬 수 있다. 제1 제어 상태(510)에서는 제1 제어 신호와 제2 제어 신호에 의해 제1 스위치(410)와 제2 스위치(420)가 턴 온 상태가 되고, 이에 의해 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결이 폐루프(closed loop)를 형성한다. 제2 제어 상태(510)에서는 제1 제어 신호와 제2 제어 신호에 의해 제1 스위치(410)와 제2 스위치(420)가 턴 오프 상태가 되고, 이에 의해 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결이 개루프(open loop)를 형성한다. 앞서 설명한 것과 같이, 제1 제어 상태(510)에서는 모터(310)의 회전 저항이 크게 발생하여 사용자는 다리의 움직임 방향에 반대되는 방향으로 큰 저항력을 느끼게 되고, 제2 제어 상태(520)에서는 전기적인 힘이나 회전 저항이 발생하지 않아 사용자가 느끼는 저항력은 최소가 된다.

프로세서(340)는 제1 제어 상태(510)가 유지되는 시간과 제2 제어 상태(520)가 유지되는 시간 간의 비율을 조정함으로써 저항력의 크기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 반복되는 각각의 시간 주기 내에서 제1 제어 상태(510)가 유지되는 시간이 차지하는 비중이 높아질수록 사용자가 느끼는 저항력의 크기는 커지고, 반대로 제2 제어 상태(520)가 유지되는 시간이 차지하는 비중이 높아질수록 사용자가 느끼는 저항력의 크기는 작아질 수 있다.

도 6a, 도 6b 및 도 6c는 일 실시예에 따른 사용자의 다리 움직임에 따른 프로세서의 제어 동작을 설명하기 위한 도면들이다.

프로세서(340)는 도 5에서 설명한 프로세서(340)의 제어 동작을 웨어러블 장치(600)를 착용한 사용자의 다리 움직임에 적응적으로 수행할 수 있다. 도 6a 및 도 6b는 왼쪽 다리(610)에 대한 웨어러블 장치(600)의 제어를 설명하기 위한 도면들이고, 도 6c는 오른쪽 다리(650)에 대한 웨어러블 장치(600)의 제어를 설명하기 위한 도면이다. 설명의 편의를 위해, 도 6a 및 도 6c에서는 사용자의 다리 움직임 속도가 상대적으로 빠르고, 도 6b에서는 사용자의 다리 움직임 속도가 상대적으로 느리다고 가정한다. 또한, 도 6a와 도 6b에서는 웨어러블 장치(600)가 사용자에게 동일한 크기의 목표 운동 부하를 제공하려고 한다고 가정한다.

도 6a에 도시된 실시예에서, 프로세서(340)는 PWM 신호 형태의 제어 신호(620)를 기초로 모터 드라이버 회로(320)에 포함된 스위치(410) 및 스위치(420)을 제어할 수 있다. 스위치(410) 및 스위치(420)에는 서로 동일한 신호 파형의 제어 신호(620)가 공급될 수 있다. 제어 신호(620)의 값이 하이 레벨(high level) 값(622)을 가지는 상태에서는 스위치(410) 및 스위치(420)가 턴 온 상태가 되고, 제어 신호(620)의 값이 로우 레벨(low level) 값(624)을 가지는 상태에서는 스위치(410) 및 스위치(420)가 턴 오프 상태가 된다. 이러한 제어 동작이 수행되는 시간 동안에는 스위치(430) 및 스위치(440)은 턴 오프 상태로 계속 유지된다. 제어 신호(620)의 값이 하이 레벨 값(622)을 가지면 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결이 폐루프를 형성하는 제1 제어 상태(510)가 되고, 제어 신호(620)의 값이 로우 레벨 값(624)을 가지면 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결이 개루프를 형성하는 제2 제어 상태(520)가 된다. 제어 신호(620)의 값은 주기적으로, 반복적으로 바뀌고, 이에 따라 제1 제어 상태(510)와 제2 제어 상태(520)가 일정한 주기로 교대로 반복된다. PWM 신호 형태의 제어 신호(620)는 헤르쯔(Hz) 단위로 사이클(cycle)이 반복되는 신호로서, 하나의 예시로 제어 신호(620)는 40 KHz 의 주파수로 제1 제어 상태(510)와 제2 제어 상태(520) 간의 변환을 제어할 수 있다.

도 6b에 도시된 실시예에서, 프로세서(340)는 제어 신호(640)를 기초로 모터 드라이버 회로(320)에 포함된 스위치(410) 및 스위치(420)을 제어할 수 있다. 스위치(410) 및 스위치(420)에는 서로 동일한 신호 파형의 제어 신호(640)가 공급된다. 제어 신호(640)의 값이 하이 레벨 값(642)을 가지는 상태에서는 스위치(410) 및 스위치(420)가 턴 온 상태가 되고, 제어 신호(640)의 값이 로우 레벨 값(644)을 가지는 상태에서는 스위치(410) 및 스위치(420)가 턴 오프 상태가 된다. 도 6a에서와 유사하게, 제어 신호(640)의 값이 주기적으로, 반복적으로 변화됨에 따라 제1 제어 상태(510)와 제2 제어 상태(520)가 일정한 주기로 교대로 반복된다.

앞서 설명한 것과 같이, 사용자의 다리 움직임의 속도가 상대적으로 작아진 경우 사용자가 느끼는 운동 부하가 작아지므로, 의도한 운동 부하 크기를 유지하기 위해서는, 도 6a에서 도시한 제2 제어 상태(520)보다 제1 제어 상태(510)가 유지되는 시간의 비중을 늘려서 사용자가 느끼는 운동 부하를 크게 해야 한다. 제1 제어 상태(510) 및 제2 제어 상태(520) 각각이 유지되는 시간 비중에 따라 사용자가 느끼는 운동 부하 크기가 달라지는 관계를 고려할 때, 사용자의 다리 움직임의 속도에 따라 제1 제어 상태(510)와 제2 제어 상태(520)가 각각 유지되는 시간을 적절히 조절한다면 사용자에게 일정한 크기의 운동 부하를 제공하는 것이 가능해 진다.

웨어러블 장치(600)에서 다리 움직임을 센싱하는 센서(330)가 엔코더라고 가정하면, 센서(330)는 시간에 따른 다리의 회전 각도의 변화를 센싱하고 센싱된 정보를 비트 값으로서 프로세서(340)에 전달할 수 있다. 프로세서(340)는 수신한 비트 값에 기초하여 다리 움직임의 회전 각도를 추정하고, 회전 각도의 시간에 따른 변화에 기초하여 다리 움직임의 속도를 추정할 수 있다. 프로세서(340)는 추정한 다리 움직임의 속도에 기초하여 제1 제어 상태(510)가 유지되는 시간의 비중을 조절함으로써 사용자에게 일정한 크기의 운동 부하를 제공할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 다리 움직임의 속도가 처음에는 도 6a의 실시예와 같이 상대적으로 빠르다가 이후에 도 6b의 실시예와 같이 느려지는 경우를 가정한다. 프로세서(340)는 제2 제어 상태(520)보다 제1 제어 상태(510)가 유지되는 시간이 비중이 상대적으로 증가하도록, 제1 제어 신호(620)와 같은 신호 파형에서 제2 제어 신호(640)와 같은 신호 파형으로 제어 신호를 조정할 수 있다. 사용자의 다리 움직임의 속도가 느려지는 경우에 특정한 제어 동작을 취하지 않으면, 사용자가 느끼는 운동 부하의 크기가 감소할 수 있다. 하지만, 프로세서(340)는 이러한 경우에 제1 제어 상태(510)가 유지되는 시간의 비중이 증가하도록 제어하는 것에 의해 사용자가 느낄 운동 부하의 크기 감소를 상쇄시킴으로써 사용자가 일정한 크기의 운동 부하를 느끼게끔 할 수 있다.

다른 예로, 사용자의 다리 움직임의 속도가 처음에는 도 6b의 실시예와 같이 상대적으로 느리다가 이후에 도 6a의 실시예와 같이 빨라지는 경우(사용자가 도 6b의 다리 움직임에 앞의 예시와 다른 적절한 운동 부하의 크기를 미리 설정한 경우), 프로세서(340)는 제2 제어 상태(520)보다 제1 제어 상태(510)가 유지되는 시간이 비중이 상대적으로 줄어들도록 제2 제어 신호(640)와 같은 신호 파형에서 제1 제어 신호(620)와 같은 신호 파형으로 제어 신호를 조정할 수 있다. 사용자의 다리 움직임의 속도가 빨라지는 경우에 특정한 제어 동작을 취하지 않으면, 사용자가 느끼는 운동 부하의 크기는 의도하지 않게 증가할 수 있다. 하지만, 프로세서(340)는 이러한 경우에 제1 제어 상태(510)가 유지되는 시간의 비중이 상대적으로 감소하도록 제어하는 것에 의해 사용자가 느낄 운동 부하의 크기 증가를 상쇄시킴으로써 사용자가 일정한 크기의 운동 부하를 느끼게끔 할 수 있다.

도 6c에 도시된 실시예를 참조하면, 운동 부하를 제공하기 위한 프로세서(340)의 제어는 사용자의 왼쪽 다리(610)와 오른쪽 다리(650)에 대해 별개로 수행될 수 있다. 이에 따라, 오른쪽 다리(650)에 적용되는 운동 부하의 크기 및 어 신호는 왼쪽 다리(610)에 적용되는 운동 부하의 크기 및 제어 신호(제1 제어 신호, 620)와 각각 서로 다를 수 있다. 오른쪽 다리(650)에 운동 부하를 제공하기 위한 제3 제어 신호(660)에서, 하이 레벨 값(662)을 가지는 상태가 유지되는 시간과 로우 레벨 값(664)을 가지는 상태가 유지되는 시간 간의 비율은, 왼쪽 다리(610)에 운동 부하를 제공하기 위한 제어 신호(제1 제어 신호, 620)에서의 비율과 다를 수 있다.

도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 다리 움직임 속도 변화에 따른 웨어러블 장치의 제어 동작의 변화를 설명하기 위한 도면들이다.

도 7은 제1 제어 상태(510)가 유지되는 시간과 제2 제어 상태(520)가 유지되는 시간 간의 비율을 나타내는 제어 비율과 사용자의 다리 움직임 속도에 따른 운동 부하의 크기의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 파형들(710, 720, 730, 740)은 각각 고정된 값의 서로 다른 다리 움직임 속도들에 대응한다. 제1 파형(710), 제2 파형(720), 제3 파형(730), 제4 파형(740)의 순서로 갈수록 보다 큰 다리 움직임 속도에 대응한다.

제어 비율의 크기는 퍼센테이지로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 제어 비율의 크기가 70%라는 것은, 일 주기 내에서 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결이 폐루프를 형성하는 제1 제어 상태(510)가 유지되는 시간이 70%이고, 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결이 개루프를 형성하는 제2 제어 상태(520)가 유지되는 시간이 30%라는 것을 의미할 수 있다.

제어 비율의 크기가 동일하다고 가정할 때, 예를 들어 제어 비율의 크기가 'A'라고 가정할 때, 다리 움직임의 속도가 커질수록 운동 부하의 크기는 커진다는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 사용자가 웨어러블 장치를 착용한 상태에서 보행할 때, 고정된 제어 비율의 환경에서 보행 속도를 높이는 경우에는 사용자가 느끼는 운동 부하의 크기는 커지게 된다. 이와 반대로, 고정된 제어 비율의 환경에서 사용자가 보행 속도를 낮추는 경우에는 사용자가 느끼는 운동 부하의 크기는 작아지게 된다. 사용자가 고정된 목표 운동 부하를 기대하는 상황에서, 사용자의 보행 속도 변화는 의도하지 않는 운동 부하의 변화로 이어져 사용자에게 불편함을 느끼게 할 수 있다.

도 8을 참조하면, 프로세서(340)는 사용자의 다리 움직임 속도 변화에 따라 제어 비율을 적절히 조절할 수 있다. 웨어러블 장치(110)의 센서(330)는 사용자의 다리 움직임을 측정하고, 프로세서(340)는 측정된 다리 움직임에 기초하여 다리 움직임의 속도(예, 관절 움직임의 회전 속도, 각속도)를 추정할 수 있다. 프로세서(340)는 추정된 다리 움직임의 속도의 변화에 따라 메모리(350)에 저장된 제어 모델을 이용하여 목표 운동 부하를 제공하기 위해서는 제어 비율을 어떻게 조정해야 할지를 결정할 수 있다. 목표 운동 부하가 주어지고, 제어 모델에 다리 움직임의 속도가 입력되면, 해당 제어 모델은 해당 목표 운동 부하를 달성하기 위한 모터 드라이버 회로(320)의 제어 비율을 제공할 수 있다.

이전 시점에서 사용자의 다리 움직임의 속도가 제4 파형(740)에 대응하는 속도(810)에서 목표 운동 부하를 제공하기 위한 제어 비율의 크기가 'B'였다고 가정한다. 이후에, 사용자의 다리 움직임의 속도가 느려져 제3 파형(730)에 대응하는 속도(820)가 되었다면, 속도(820)에 대응되어 모터(310)의 기전력이 작아져서 회전 저항력 역시 작아지므로 앞서 속도(810)에 대응하여 설정한 목표 운동 부하 보다 작은 운동 부하를 사용자가 느끼게 된다. 사용자에게 이전과 동일한 목표 운동 부하를 제공하기 위해서는 제어 비율의 크기는 'C'로 증가되어야 한다. 프로세서(340)는 다리 움직임의 줄어든 속도에 따라 제어 비율을 자동으로 늘림으로써 일정한 크기의 목표 운동 부하를 유지할 수 있다. 예를 들어, 도 6a의 실시예에서 사용자의 다리 움직임의 속도가 속도(810)에 해당하여 프로세서(340)가 제어 신호(620)에 기초하여 모터 드라이버 회로(320)를 제어하고 있었다고 가정한다. 이후에, 사용자의 다리 움직임의 속도가 속도(820)과 같이 이전 속도(810)보다 느려 졌다면, 프로세서(340)는 이전 제어 신호(620)에서 제2 제어 상태(520)보다 제1 제어 상태(510)가 유지되는 시간의 비중을 늘려 제어 신호(640)와 같이 모터 드라이버 회로(320)의 제어 신호를 변경할 수 있다. 이러한 제어 신호의 변경에 따라, 사용자의 다리 움직임의 속도가 줄어들더라도 사용자는 동일한 크기의 운동 부하를 느낄 수 있게 된다.

도 9는 일 실시예에 따른 웨어러블 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 9를 참조하면, 단계(910)에서 센서(330)는 사용자의 신체 움직임을 센싱한다. 센서(330)에 의해 센싱된 신체 움직임에 대한 정보는 프로세서(340)에 전달되고, 프로세서(340)는 신체 움직임에 대한 정보에 기초하여 신체 움직임의 속도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 센서(330)로부터 사용자의 다리 움직임에 따른 회전 위치 및 회전 각도의 변화에 대한 정보가 프로세서(340)에 전달될 수 있고, 프로세서(340)는 센서(330)로부터 수신한 정보를 처리하여 신체 움직임의 속도를 계산할 수 있다.

단계(920)에서, 프로세서(340)는 사용자에게 제공하려고 하는 목표 운동 부하를 설정한다. 목표 운동 부하는 시간에 따라 고정된 값을 가질 수도 있고, 시간에 따라 변할 수도 있다. 목표 운동 부하는 예를 들어 사용자가 선택한 운동 강도에 기초하여 결정되거나 또는 알고리즘에 의해 시간에 따라 운동 부하의 크기를 조절하는 소프트웨어에 의해 결정될 수도 있다. 단계(910)과 단계(920)는 병렬적으로 수행되거나 또는 수행되는 순서에 관계 없이 서로 순차적으로 수행될 수 있다.

단계(930)에서, 프로세서(340)는 센싱된 신체 움직임의 속도에 기초하여 웨어러블 장치의 모터 드라이버 회로(320)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 프로세서(340)는 센싱된 신체 움직임에 기초하여 신체 움직임의 속도를 결정하고, 결정된 속도에 기초하여 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결이 폐루프인 제1 제어 상태가 유지되는 시간과 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결이 개루프인 제2 제어 상태가 유지되는 시간 간의 비율을 나타내는 제어 비율을 조정하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어 비율은 제1 제어 상태와 제2 제어 상태 간의 시간당 변환 비율에 대응할 수 있다. 프로세서(340)는 신체 움직임의 속도가 변하는 경우, 의도한 목표 운동 부하를 제공하기 위해, 위 제어 비율을 달라진 신체 움직임의 속도에 대응하는 비율로 조정하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다.

신체 움직임의 속도가 빨라진 경우, 프로세서(340)는 제1 제어 상태가 유지되는 시간의 비율을 줄이고, 제2 제어 상태가 유지되는 시간의 비율은 늘리는 것으로 제어 비율을 조정하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 한편, 신체 움직임의 속도가 느려진 경우, 프로세서(340)는 제1 제어 상태가 유지되는 시간의 비율을 늘리고, 제2 제어 상태가 유지되는 시간의 비율은 줄이는 것으로 제어 비율을 조정하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다.

단계(940)에서, 프로세서(340)는 제어 신호에 기초하여 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결 관계를 제어할 수 있다. 프로세서(340)는 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결이 폐루프 인 제1 제어 상태와 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결이 개루프인 제2 제어 상태 간의 변환을 제어할 수 있다. 프로세서(340)는 모터 드라이버 회로(320)의 전기적 연결 상태가 제1 제어 상태와 제2 제어 상태가 주기적으로 교대로 반복되도록 제어하는 것에 의해 모터(310)에 연결된 프레임을 통해 사용자의 신체 움직임의 속도에 따라 운동 부하를 제공할 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 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 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 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims

사용자의 신체에 착용되어 운동 부하를 사용자에게 제공하는 웨어러블 장치에 있어서,
모터;
모터 드라이버 회로;
상기 모터와 연결되고, 상기 사용자의 신체에 착용되어 상기 신체를 지지하는 프레임;
상기 모터 드라이버 회로의 전기적 연결 관계를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 프로세서; 및
상기 사용자의 신체 움직임을 센싱하는 센서를 포함하고,
상기 프로세서는,
상기 센싱된 신체 움직임의 속도에 기초하여, 상기 모터 드라이버 회로의 전기적 연결이 폐루프(closed loop)인 제1 제어 상태와 상기 모터 드라이버 회로의 전기적 연결이 개루프(open loop)인 제2 제어 상태 간의 시간당 변환 비율을 제어하는 것에 의해 상기 프레임을 통해 상기 신체 움직임의 속도에 따라 운동 부하를 제공하는,
웨어러블 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 제1 제어 상태와 상기 제2 제어 상태가 주기적으로 교대로 반복되도록 제어하는,
웨어러블 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 센싱된 신체 움직임에 기초하여 상기 신체 움직임의 속도를 결정하고, 상기 결정된 속도에 기초하여 상기 제1 제어 상태가 유지되는 시간과 상기 제2 제어 상태가 유지되는 시간 간의 비율을 조정하는,
웨어러블 장치.
제3항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 신체 움직임의 속도가 제1 속도에서 제2 속도로 변한 경우, 상기 비율을 상기 제2 속도에 대응하는 비율로 조정하는,
웨어러블 장치.
제4항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 제2 속도가 상기 제1 속도보다 큰 경우, 상기 제1 제어 상태가 유지되는 시간의 비율을 줄이고, 상기 제2 제어 상태가 유지되는 시간의 비율은 늘리는 것으로 조정하는,
웨어러블 장치.
제4항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 제2 속도가 상기 제1 속도가 작은 경우, 상기 제1 제어 상태가 유지되는 시간의 비율을 늘리고, 상기 제2 제어 상태가 유지되는 시간의 비율은 줄이는 것으로 조정하는,
웨어러블 장치.
제3항에 있어서,
상기 프로세서는,
목표 운동 부하와 상기 신체 움직임의 속도에 기초하여 상기 비율을 조정하는,
웨어러블 장치.
제7항에 있어서,
상기 목표 운동 부하는,
상기 사용자에 의해 설정된 운동 부하 또는 상기 사용자의 운동을 보조하기 위한 소프트웨어에 의해 설정되는 운동 부하인,
웨어러블 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는,
배터리의 전력을 이용하여 상기 모터를 구동시키는 것 없이, 상기 제1 제어 상태와 상기 제2 제어 상태 간의 변환을 제어하는 것에 의해 상기 운동 부하를 발생시키는,
웨어러블 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는,
배터리의 전력을 상기 모터에 공급하여 상기 모터가 상기 신체 움직임을 방해하는 방향으로 토크를 발생시키도록 제어하고, 상기 제1 제어 상태와 상기 제2 제어 상태 간의 변환을 제어하는 것에 의해 상기 운동 부하를 발생시키는,
웨어러블 장치.
제1항에 있어서,
상기 모터 드라이버 회로는,
상기 프로세서로부터 출력되는 제어 신호에 기초하여 상기 모터 드라이버 회로의 전기적 연결을 제어하기 위한 복수의 스위치들을 포함하는,
웨어러블 장치.
제1항에 있어서,
상기 웨어러블 장치는,
상기 사용자의 하체에 착용되어 상기 사용자의 하체 움직임에 저항력을 제공하는,
웨어러블 장치.
사용자의 신체에 착용되어 운동 부하를 사용자에게 제공하는 웨어러블 장치의 동작 방법에 있어서,
상기 웨어러블 장치의 센서를 이용하여 상기 사용자의 신체 움직임을 센싱하는 단계;
상기 센싱된 신체 움직임의 속도에 기초하여 상기 웨어러블 장치의 모터 드라이버 회로를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계; 및
상기 제어 신호에 기초하여 상기 모터 드라이버 회로의 전기적 연결 관계를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 제어하는 단계는,
상기 제어 신호에 기초하여, 상기 모터 드라이버 회로의 전기적 연결이 폐루프인 제1 제어 상태와 상기 모터 드라이버 회로의 전기적 연결이 개루프인 제2 제어 상태 간의 시간당 변환 비율을 제어하는 것에 의해 상기 모터에 연결된 프레임을 통해 상기 신체 움직임의 속도에 따라 운동 부하를 제공하는 단계를 포함하는, 동작 방법.
제13항에 있어서,
상기 제어하는 단계는,
상기 제1 제어 상태와 상기 제2 제어 상태가 주기적으로 교대로 반복되도록 제어하는 단계
를 포함하는 동작 방법.
제13항에 있어서,
상기 생성하는 단계는,
상기 센싱된 신체 움직임에 기초하여 상기 신체 움직임의 속도를 결정하는 단계; 및
상기 결정된 속도에 기초하여 상기 제1 제어 상태가 유지되는 시간과 상기 제2 제어 상태가 유지되는 시간 간의 비율을 조정하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계
를 포함하는 동작 방법.
제15항에 있어서,
상기 생성하는 단계는,
상기 신체 움직임의 속도가 제1 속도에서 제2 속도로 변한 경우, 상기 비율을 상기 제2 속도에 대응하는 비율로 조정하는 제어 신호를 생성하는 단계
를 포함하는 동작 방법.
제16항에 있어서,
상기 생성하는 단계는,
상기 제2 속도가 상기 제1 속도보다 큰 경우, 상기 제1 제어 상태가 유지되는 시간의 비율을 줄이고, 상기 제2 제어 상태가 유지되는 시간의 비율은 늘리는 것으로 조정하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계
를 포함하는 동작 방법.
제16항에 있어서,
상기 생성하는 단계는,
상기 제2 속도가 상기 제1 속도가 작은 경우, 상기 제1 제어 상태가 유지되는 시간의 비율을 늘리고, 상기 제2 제어 상태가 유지되는 시간의 비율은 줄이는 것으로 조정하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계
를 포함하는 동작 방법.
제13항 내지 제18항 중 어느 하나의 항의 방법을 실행하기 위한 인스트럭션들을 저장하는 컴퓨터 판독 가능한 저장매체.