KR101338049B1 - 운동 협응 측정 장치 및 방법 - Google Patents

운동 협응 측정 장치 및 방법 Download PDF

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KR101338049B1
KR101338049B1 KR1020120128362A KR20120128362A KR101338049B1 KR 101338049 B1 KR101338049 B1 KR 101338049B1 KR 1020120128362 A KR1020120128362 A KR 1020120128362A KR 20120128362 A KR20120128362 A KR 20120128362A KR 101338049 B1 KR101338049 B1 KR 101338049B1
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김창환
신성열
이준원
이상협
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 운동 협응 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 간단한 구조의 측정 장치를 통해 피험자의 의지에 따른 동작 수행 능력을 정량적으로 정밀하게 측정할 수 있는 운동 협응 측정 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 협응 측정 장치는, 제1 회전 조인트가 형성되는 연장부를 구비하며, 말단에 제2 회전 조인트가 형성되는 지지 부재; 상기 제2 회전 조인트에 결합하며, 2 이상의 방향으로 연장하면서 일체로 형성되는 링크들을 갖는 보조 링크 부재; 상기 제1 회전 조인트와 제3 회전 조인트에 결합하여 회동가능하며, 모터의 구동에 따라 길이가 변하는 가변 링크 부재; 및 상기 가변 링크 부재의 선단에 구비되며, 피험자과 보조 링크 부재 사이에 발생하는 토크(torque)를 측정하는 로드 셀(load cell)을 포함한다.

Description

운동 협응 측정 장치 및 방법 {MEASURING DEVICE AND METHOD FOR MOTOR COORDINATION}
본 발명은 운동 협응 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 간단한 구조의 측정 장치를 통해 피험자의 의지에 따른 동작 수행 능력을 정량적으로 정밀하게 측정할 수 있는 운동 협응 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 뇌졸중, 척수신경마비 등과 같은 질병을 앓고 있는 환자를 대상으로 로봇을 적용한 재활 치료가 활발히 진행되고 있다. 로봇이 재활 분야에 적용됨으로써 물리치료사들의 노동을 줄여주고, 로봇에 부착된 센서를 통하여 정확한 정보를 얻을 수 있다는 장점들이 있다. 특히 로봇은 모터와 같은 엑츄에이터와 엔코더, 로드셀과 같은 센서를 통하여 동작과 힘을 다루기가 용이하고, 정확한 정보를 얻을 수 있기 때문에 로봇을 이용하면 환자의 상태를 정량적으로 측정할 수 있다는 장점이 있다.
현재 재활의학분야에서 주로 활용되고 있는 환자 평가 방법은 크게 두 가지 방법으로 나뉜다. 첫 번째는 환자의 기능성을 평가하는 방법으로 대표적으로 기능적 독립 측정도구(Functional independence measure, FIM), 뇌졸중 기능회복평가(Fugl-Meyer Assessment, FMA) 와 같은 방법이 있다. FIM은 일상 생활에 필요한 (예: 옷입기, 밥먹기 등) 기능들을 평가하여 점수를 매기는 방식이고, FMA는 환자의 상지와 하지의 운동 감각 능력을 평가하여 점수를 매기는 방식이다. 두 번째는 환자의 근력을 측정하는 방법으로 대표적으로 의학 연구위원회(Medical research council, MRC) 스케일(scale), 다이너모미터(dynamometer)와 같은 장비를 사용하여 토크를 측정하여 근력을 측정하는 방법이 있다. 이 방법들은 현재 재활병원에서 실제로 적용되는 방법들이기는 하지만 평가자(의사)의 경험과 성격 등이 반영되어 결과가 주관적일 수 있고, 모든 환자에 대해서 몇 단계의 레벨(level)로만 평가하기 때문에 (예를 들어 FIM 과 MRC는 각각 1~7, 0~5 로 환자의 레벨(level)을 평가) 환자의 상태를 세분화시키기 어렵다는 단점이 있다. 또한 바이오덱스(Biodex)와 같은 다이너모미터(dynamometer)를 통한 근력 측정 방법은 정략적으로 환자의 근력을 평가할 수는 있지만 환자가 본인의 의지대로 얼마나 잘 움직일 수 있는지에 대해서는 평가에 반영되지 않는다.
출원공개 10-2007-0054596 (모토리카 리미티드) 2007.05.29. 출원공개 10-2011-0054275 (을지대학교 산학협력단) 2011.05.25. 출원공개 10-2005-0081994 (재단법인 산재의료관리원) 2005.08.22.
본 발명의 목적은 피험자의 의지에 따른 동작 수행 능력을 정량적으로 정밀하게 측정할 수 있는 운동 협응 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 협응 측정 장치는, 제1 회전 조인트가 형성되는 연장부를 구비하며, 말단에 제2 회전 조인트가 형성되는 지지 부재; 상기 제2 회전 조인트에 결합하며, 2 이상의 방향으로 연장하면서 일체로 형성되는 링크들을 갖는 보조 링크 부재; 상기 제1 회전 조인트와 제3 회전 조인트에 결합하여 회동가능하며, 모터의 구동에 따라 길이가 변하는 가변 링크 부재; 및 상기 가변 링크 부재의 선단에 구비되며, 피험자과 보조 링크 부재 사이에 발생하는 토크(torque)를 측정하는 로드 셀(load cell)을 포함한다.
상기 가변 링크 부재는, 볼 스크류와, 상기 볼 스크류가 맞물리는 슬라이더 너트를 구비하며 내부에 볼 스크류를 수용하는 공간을 갖는 하우징으로 이루어질 수 있다.
상기 모터의 일면에는 플레이트가 결합하며, 상기 플레이트의 일 지점이 상기 제1 회전 조인트와 연결되어, 상기 제1 회전 조인트를 중심으로 상기 플레이트, 모터, 가변 링크 부재의 회동이 가능하도록 구성될 수 있다.
상기 운동 협응 측정 장치는, 상기 로드 셀에서 측정된 토크를 기반으로 피험자의 동작 수행 능력을 평가하는 IMPA(Intended Movement Performance Ability) 평가부를 더 포함할 수 있다.
상기 IMPA 평가부는 하기 수학식 1에 따라 IMPA 값을 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112012093342143-pat00001
여기서,
Figure 112012093342143-pat00002
는 IMPA 값이고,
Figure 112012093342143-pat00003
는 보조 링크 부재 사이에 발생하는 상호작용 토크,
Figure 112012093342143-pat00004
는 테스트 수행 시간이다.
상기 상호작용 토크는 하기 수학식 2에 따라 산출될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112012093342143-pat00005
여기서,
Figure 112012093342143-pat00006
는 상호작용 토크,
Figure 112012093342143-pat00007
는 로드 셀(150)을 통해 측정된 토크,
Figure 112012093342143-pat00008
는 운동 협응 측정 장치의 운동방정식을 통해 구한 토크,
Figure 112012093342143-pat00009
는 운동 협응 측정 장치의 관성 매트릭스(inertia matrix),
Figure 112012093342143-pat00010
는 중력, 코리올리스(coriolis), 원심력을 포함한 비선형 항이며,
Figure 112012093342143-pat00011
는 각각 보조 링크 부재의 각도, 각속도, 각가속도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 운동 협응 측정 방법은 운동 협응 측정 장치를 통해 피험자의 동작 수행 능력을 평가하기 위한 방법으로서, 상기 운동 협응 측정 장치는, 제1 회전 조인트가 형성되는 연장부를 구비하며, 말단에 제2 회전 조인트가 형성되는 지지 부재; 상기 제2 회전 조인트에 결합하며, 2 이상의 방향으로 연장하면서 일체로 형성되는 링크들을 갖는 보조 링크 부재; 상기 제1 회전 조인트와 제3 회전 조인트에 결합하여 회동가능하며, 모터의 구동에 따라 길이가 변하는 가변 링크 부재; 및 상기 가변 링크 부재의 선단에 구비되며, 피험자과 보조 링크 부재 사이에 발생하는 토크(torque)를 측정하는 로드 셀(load cell)을 포함하며, 상기 모터를 구동하여 상기 피험자의 신체와 결합한 상기 보조 링크 부재를 회동시키는 단계; 상기 피험자와 상기 보조 링크 부재 사이에 발생하는 토크를 상기 로드 셀에서 측정하는 단계; 및 상기 로드 셀에서 측정된 토크를 기반으로 피험자의 동작 수행 능력을 평가하는 단계를 포함한다.
상기 피험자의 동작 수행 능력을 평가하는 단계는, 하기 수학식 1에 따라 IMPA(Intended Movement Performance Ability) 값을 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112012093342143-pat00012
여기서,
Figure 112012093342143-pat00013
는 IMPA 값이고,
Figure 112012093342143-pat00014
는 보조 링크 부재 사이에 발생하는 상호작용 토크,
Figure 112012093342143-pat00015
는 테스트 수행 시간이다.
상기 상호작용 토크는 하기 수학식 2에 따라 산출될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112012093342143-pat00016
여기서,
Figure 112012093342143-pat00017
는 상호작용 토크,
Figure 112012093342143-pat00018
는 로드 셀(150)을 통해 측정된 토크,
Figure 112012093342143-pat00019
는 운동 협응 측정 장치의 운동방정식을 통해 구한 토크,
Figure 112012093342143-pat00020
는 운동 협응 측정 장치의 관성 매트릭스(inertia matrix),
Figure 112012093342143-pat00021
는 중력, 코리올리스(coriolis), 원심력을 포함한 비선형 항이며,
Figure 112012093342143-pat00022
는 각각 보조 링크 부재의 각도, 각속도, 각가속도이다.
본 발명에 따른 운동 협응 측정 장치 및 방법은 간단한 구조의 측정 장치를 통해 피험자의 의지에 따른 동작 수행 능력을 정량적으로 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 운동 협응 측정 방법의 개략적인 개념을 도시하는 도면이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 협응 측정 장치를 도시하는 정면도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 협응 측정 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 운동 협응 측정 장치를 사용하여 측정을 수행하는 방법을 도시하는 예시적인 도면이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 운동 협응 측정 장치에 주어진 목표 궤도와 피험자의 실제 움직임 궤도를 도시하는 도면들이다.
도 6은 본 발명의 운동 협응 측정 장치를 사용한 실험예에서 상호작용 토크를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 운동 협응 측정 장치를 사용한 다른 실험예에서 IMPA 값의 변화를 도시하는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 운동 협응 측정 장치 및 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 운동 협응 측정 방법의 개략적인 개념을 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 운동 협응(Motor coordination)은 사람이 의도한 동작과 기구학(kinematic) 또는 운동학적(kinetic)으로 발생하는 동작과의 관계를 의미한다. 재활 의학 분야에서는 환자가 이 운동 협응이 잘 이루어지도록 훈련시키는 것을 핵심적인 목표로 한다. 본 발명의 운동 협응 측정 방법은, 운동 협응 측정 장치를 이용하여 피험자의 의도된 동작 수행 능력(Intended Movement Performance Ability, IMPA)을 정량적으로 평가할 수 있는 방법이다.
피험자는 운동 협응 측정 장치(100)를 착용하고, 최대한 운동 협응 측정 장치(100)의 움직임을 따라 움직이도록 지시받는다. 운동 협응 측정 장치(100)는 위치제어 모드로 동작이 제어되며, 운동 협응 측정 장치(100)가 움직이기 시작하면 피험자는 운동 협응 측정 장치(100)와 연결된 부분(human-robot interface)에서 상호작용 힘(interactive force)을 감지하게 된다. 이 감각 피드백(sensory feedback)은 보조 운동 영역(supplementary motor area), 즉, 뇌의 운동 명령을 담당하는 부분을 활성화시켜 운동 명령을 일으키고, 이에 따른 근육수축을 일으켜 피험자의 하지(또는 상지)가 운동 협응 측정 장치(100)를 따라 움직일 수 있도록 한다.
만약 피험자가 운동 협응 측정 장치(100)를 착용한 상태에서, 피험자의 움직임이 운동 협응 측정 장치(100)와 완벽하게 동일하게 움직인다면 피험자와 운동 협응 측정 장치(100) 사이에 발생하는 상호작용 힘은 0일 것이다. 실제로 정상인의 경우 의도한 대로 운동 협응 측정 장치(100)의 움직임에 따라 자연스럽게 움직일 수 있기 때문에 상호작용 힘은 거의 0에 가깝게 된다.
그러나, 만약 피험자가 운동 협응 능력이 손상된 환자라고 한다면 운동 협응 측정 장치(100)의 움직임을 의도대로 자유롭게 따라 움직이지 못하므로, 상호작용 힘은 커지게 된다.
본 발명의 운동 협응 측정 장치(100)는 피험자와의 사이에 발생하는 상호작용 힘을 측정하여 피험자의 운동 협응 상태를 평가한다. 운동 협응 측정 장치(100)는 이하에서 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 협응 측정 장치를 도시하는 정면도들이다.
도 2a 및 2b를 참조하면, 본 발명의 운동 협응 측정 장치(100)는 지지 부재(110), 보조 링크 부재(120), 가변 링크 부재(130), 모터(140) 및 로드 셀(load cell)(150)을 포함한다.
지지 부재(110)는 길이방향의 소정 지점에서 외측으로 연장하는 연장부(112)를 구비한다. 연장부(112)에는 제1 회전 조인트(X1)가 형성되며, 제1 회전 조인트(X1)에는 가변 링크 부재(130)가 결합할 수 있다.
또한, 지지 부재(110)의 말단에는 제2 회전 조인트(X2)가 형성되며, 제2 회전 조인트(X2)에는 보조 링크 부재(120)가 결합할 수 있다.
보조 링크 부재(120)는 2 이상의 방향으로 연장하면서 일체로 형성되는 링크들(120a, 120b)을 구비할 수 있다. 도 2a 및 2b에서는 링크들(120a, 120b)이 2개가 도시되었으나, 피험자 신체와의 결합 부분을 증가시키기 위해 3개 이상의 링크들로 구성될 수도 있다.
가변 링크 부재(130)는 일단이 제1 회전 조인트(X1)에 결합하며, 타단이 제3 회전 조인트(X3)에 결합하여 회동가능하다. 또한, 가변 링크 부재(130)는 모터(140)의 구동에 따라 길이가 변할 수 있으며, 가변 링크 부재(130)의 길이가 변함에 따라 보조 링크 부재(120)와 가변 링크 부재(130)의 회전 운동이 제1 회전 조인트(X1), 제2 회전 조인트(X2), 제3 회전 조인트(X3)를 통해 연동하여 발생한다.
본 발명의 일 실시예에서, 가변 링크 부재(130)는, 볼 스크류(132)와 하우징(136)으로 이루어질 수 있다. 하우징(136)은 일단에 상기 볼 스크류(132)가 맞물리는 슬라이드 너트(134)를 구비하며 내부에 볼 스크류(132)를 수용하는 공간을 갖는다. 또한, 모터(140)의 일면에는 플레이트(160)가 결합하며, 상기 플레이트(160)의 일 지점이 제1 회전 조인트(X1)와 연결되어, 제1 회전 조인트(X1)를 중심으로 플레이트(160), 모터(140), 가변 링크 부재(130)의 회동이 가능하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성을 갖는 경우, 제1 회전 조인트(X1)를 통해 가변 링크 부재(130)를 회동시키면서, 볼 스크류(132)와 하우징(136) 간의 직선 이동이 자유롭게 일어날 수 있다.
로드 셀(150)은 가변 링크 부재(130)의 선단에 구비되며, 피험자과 보조 링크 부재(120) 사이에 발생하는 토크(torque)를 측정한다. 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 피험자가 운동 협응 능력이 손상된 환자라고 하면, 피험자는 보조 링크 부재(120)의 움직임을 의도대로 자유롭게 따라 움직이지 못하므로, 피험자과 보조 링크 부재(120) 사이에 발생하는 토크(torque)는 커지게 된다.
본 발명의 운동 협응 측정 장치(100)는 로드 셀(150)에서 측정된 토크를 기반으로 피험자의 동작 수행 능력을 평가하는 IMPA(Intended Movement Performance Ability) 평가부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 IMPA 평가부에서 산출하는 IMPA 값은 물리적으로, 피험자가 운동 협응 측정 장치(100)를 착용하고 테스트를 수행하는 동안에 피험자와 보조 링크 부재(120) 사이에 발생하는 상호작용 토크(interactive torque)의 실효치(root mean square value)로 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112012093342143-pat00023
여기서,
Figure 112012093342143-pat00024
는 IMPA 값이고,
Figure 112012093342143-pat00025
는 보조 링크 부재(120) 사이에 발생하는 상호작용 토크,
Figure 112012093342143-pat00026
는 테스트 수행 시간이다.
또한, 상기
Figure 112012093342143-pat00027
는 하기 수학식을 통해 구할 수 있다.
Figure 112012093342143-pat00028
여기서,
Figure 112012093342143-pat00029
는 상호작용 토크,
Figure 112012093342143-pat00030
는 로드 셀(150)을 통해 측정된 토크,
Figure 112012093342143-pat00031
는 운동 협응 측정 장치(100)의 운동방정식을 통해 구한 토크,
Figure 112012093342143-pat00032
는 운동 협응 측정 장치(100)의 관성 매트릭스(inertia matrix),
Figure 112012093342143-pat00033
는 중력, 코리올리스(coriolis), 원심력을 포함한 비선형 항이며,
Figure 112012093342143-pat00034
는 각각 보조 링크 부재(120)의 각도, 각속도, 각가속도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 협응 측정 방법의 순서도이다.
도 3을 참조하면, 우선 피험자가 운동 협응 측정 장치(100)를 착용한 상태에서, 운동 협응 측정 장치(100)를 작동킨다(S310). 이에 따라, 피험자는 보조 링크 부재(120)에 결합된 신체 부위를 보조 링크 부재(120)의 움직임에 따라 움직인다.
이어서, 가변 링크 부재(130)의 선단에 배치된 로드 셀(150)에서 보조 링크 부재(120)에 작용하는 토크를 측정한다(S320). 피험자가 보조 링크 부재(120)의 움직임을 잘 따라 움직이는 경우, 피험자와 보조 링크 부재(120) 간에는 별다른 상호작용 토크가 발생하지 않으나, 그렇지 못한 경우, 상호 작용 토크가 발생하게 되며, 로드 셀(150)은 이러한 상호작용 토크 크기를 정량화하여 측정할 수 있다.
계속하여, 상기 로드 셀(150)에서 측정된 토크 값을 기반으로 IMPA 평가부에서 피험자의 동작 수행 능력을 평가한다(S330). 이를 위해, IMPA 평가부는 전술한 수학식 1과 수학식 2를 이용하여, 피험자의 동작 수행 능력 정도를 정량화하여 산출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 운동 협응 측정 장치를 사용하여 측정을 수행하는 방법을 도시하는 예시적인 도면이다.
본 실험예에서, 정상인 4명(남자 4명, 평균 나이: 31살, 나이 범위: 27~38)을 대상으로 실험을 수행하였다. 정상인들을 대상으로 환자와 유사한 상태를 만들기 위하여 각각 0kg, 2.5kg, 5kg, 7.5kg 무게의 아령을 들고 실험을 수행하였다. 여기서 아령을 드는 의미는 마치 환자인 것처럼 정상인의 운동 협응 능력을 방해하겠다는 것이다. 도 4와 같이 피험자의 팔과 운동 협응 측정 장치(100)는 벨크로 테이프로 꽉 쪼여 결합하였고, 각 피험자에게 운동 협응 측정 장치(100)의 움직임을 최대한 따라 움직이도록 지시하였다. 각 세션은 로봇의 움직임 범위 0°~50°, 속도 1rad/s, 실험 시간 1분으로 동일하게 실시되었다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 운동 협응 측정 장치에 주어진 목표 궤도와 피험자의 실제 움직임 궤도를 도시하는 도면들이다.
우선, 도 5a를 참조하면, 도 4와 같은 상태에서 피험자는 아령을 들고 실험을 수행하였으며, 실험을 수행한 피시험자에 결합된 보조 링크 부재(120)의 현재의 궤적이 보조 링크 부재(120)에 본래 주어진 목표 궤적과 대략 일치하고 있음을 확인할 수 있다. 그러나, 도 5a의 원 부분을 확대한 도 5b를 살펴보면, 실선으로 도시된 보조 링크 부재(120)의 본래 주어진 목표 궤적과 1점 쇄선으로 도시된 보조 링크 부재(120)의 현재 궤적이 미세하게 차이가 발생하고 있음을 알 수 있다. 이는 아령을 든 피험자가 보조 링크 부재(120)의 움직임을 완전히 따라가지 못해서 발생하는 차이이다.
도 6은 본 발명의 운동 협응 측정 장치를 사용한 실험예에서 상호작용 토크를 도시하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 각각의 아령 무게(0kg, 2.5kg, 5kg, 7.5kg)에 대하여 4명의 피험자의 평균 상호작용 토크가 도시된다. 무게가 올라간다는 것은 그만큼 운동 협응 능력이 떨어지는 것을 의미하며, 도 6의 그래프에서 아령의 무게가 올라감에 따라 상호작용 토크의 크기가 커지는 것을 관찰할 수 있다.
또한 아령의 무게가 0kg 인 경우 정상인이라고 가정할 수 있는데 상호작용 토크가 ±1Nm 안에서 발생한다는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 운동 협응 측정 장치를 사용한 다른 실험예에서 IMPA 값의 변화를 도시하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 상호작용 토크를 기반으로 얻은 IMPA 값에 대한 그래프로서 4명의 피험자(S1-S4)에 대하여 얻은 IMPA 값(3개의 실선)과 피험자 4명의 평균 IMPA 값(1개의 점선)을 나타낸다. 아령의 무게가 올라감에 따라 모든 피험자의 IMPA 값이 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 피험자의 운동 협응 능력이 떨어질수록 IMPA 값은 크게 나온다는 것을 유추할 수 있다.
따라서, 본 발명의 운동 협응 측정 장치(100)는 전술한 실험예들에서와 같이 IMPA 값을 통해 피험자의 운동 협응 능력을 정량적으로 측정할 수 있는 장점을 갖는다.
또한, 도 7에서 피험자 4명에 대해 아령을 들지 않았을 경우(0kg) IMPA 값이 평균 0.51이 나오는 것을 알 수 있는데, 이 수치를 통해 정상인인지 아닌지 여부를 판단하는 기준으로 활용할 수 있으며, 만약, 피험자가 이 수치를 벗어난 경우 정상인 기준에서 얼마나 벗어나 있는지에 대해서도 정량적인 정보를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 운동 협응 측정 장치
110: 지지 부재
112: 연장부
120: 보조 링크 부재
130: 가변 링크 부재
132: 볼 스크류
134: 슬라이드 너트
136: 하우징
140: 모터
150: 로드 셀
160: 플레이트

Claims (9)

  1. 제1 회전 조인트가 형성되는 연장부를 구비하며, 말단에 제2 회전 조인트가 형성되는 지지 부재;
    상기 제2 회전 조인트에 결합하며, 2 이상의 방향으로 연장하면서 일체로 형성되는 링크들을 갖는 보조 링크 부재;
    상기 제1 회전 조인트와 제3 회전 조인트에 결합하여 회동가능하며, 모터의 구동에 따라 길이가 변하는 가변 링크 부재; 및
    상기 가변 링크 부재의 선단에 구비되며, 피험자과 보조 링크 부재 사이에 발생하는 토크(torque)를 측정하는 로드 셀(load cell)을 포함하는 것을 특징으로 하는 운동 협응 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가변 링크 부재는, 볼 스크류와, 상기 볼 스크류가 맞물리는 슬라이더 너트를 구비하며 내부에 볼 스크류를 수용하는 공간을 갖는 하우징으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 운동 협응 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 모터의 일면에는 플레이트가 결합하며, 상기 플레이트의 일 지점이 상기 제1 회전 조인트와 연결되어, 상기 제1 회전 조인트를 중심으로 상기 플레이트, 모터, 가변 링크 부재의 회동이 가능한 것을 특징으로 하는 운동 협응 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 로드 셀에서 측정된 토크를 기반으로 피험자의 동작 수행 능력을 평가하는 IMPA(Intended Movement Performance Ability) 평가부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 운동 협응 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 IMPA 평가부는 하기 수학식 1에 따라 IMPA 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 운동 협응 측정 장치:
    [수학식 1]
    Figure 112012093342143-pat00035

    여기서,
    Figure 112012093342143-pat00036
    는 IMPA 값이고,
    Figure 112012093342143-pat00037
    는 보조 링크 부재 사이에 발생하는 상호작용 토크,
    Figure 112012093342143-pat00038
    는 테스트 수행 시간이다.
  6. 제5항에 있어서, 상기 상호작용 토크는 하기 수학식 2에 따라 산출되는 것을 특징으로 하는 운동 협응 측정 장치:
    [수학식 2]
    Figure 112012093342143-pat00039

    여기서,
    Figure 112012093342143-pat00040
    는 상호작용 토크,
    Figure 112012093342143-pat00041
    는 로드 셀(150)을 통해 측정된 토크,
    Figure 112012093342143-pat00042
    는 운동 협응 측정 장치의 운동방정식을 통해 구한 토크,
    Figure 112012093342143-pat00043
    는 운동 협응 측정 장치의 관성 매트릭스(inertia matrix),
    Figure 112012093342143-pat00044
    는 중력, 코리올리스(coriolis), 원심력을 포함한 비선형 항이며,
    Figure 112012093342143-pat00045
    는 각각 보조 링크 부재의 각도, 각속도, 각가속도이다.
  7. 운동 협응 측정 장치를 통해 피험자의 동작 수행 능력을 평가하기 위한 방법으로서, 상기 운동 협응 측정 장치는, 제1 회전 조인트가 형성되는 연장부를 구비하며, 말단에 제2 회전 조인트가 형성되는 지지 부재; 상기 제2 회전 조인트에 결합하며, 2 이상의 방향으로 연장하면서 일체로 형성되는 링크들을 갖는 보조 링크 부재; 상기 제1 회전 조인트와 제3 회전 조인트에 결합하여 회동가능하며, 모터의 구동에 따라 길이가 변하는 가변 링크 부재; 및 상기 가변 링크 부재의 선단에 구비되며, 피험자과 보조 링크 부재 사이에 발생하는 토크(torque)를 측정하는 로드 셀(load cell)을 포함하며,
    상기 모터를 구동하여 상기 피험자의 신체와 결합한 상기 보조 링크 부재를 회동시키는 단계;
    상기 피험자와 상기 보조 링크 부재 사이에 발생하는 토크를 상기 로드 셀에서 측정하는 단계; 및
    상기 로드 셀에서 측정된 토크를 기반으로 피험자의 동작 수행 능력을 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 운동 협응 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 피험자의 동작 수행 능력을 평가하는 단계는, 하기 수학식 1에 따라 IMPA(Intended Movement Performance Ability) 값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 운동 협응 측정 방법:
    [수학식 1]
    Figure 112012093342143-pat00046

    여기서,
    Figure 112012093342143-pat00047
    는 IMPA 값이고,
    Figure 112012093342143-pat00048
    는 보조 링크 부재 사이에 발생하는 상호작용 토크,
    Figure 112012093342143-pat00049
    는 테스트 수행 시간이다.
  9. 제8항에 있어서, 상기 상호작용 토크는 하기 수학식 2에 따라 산출되는 것을 특징으로 하는 운동 협응 측정 방법:
    [수학식 2]
    Figure 112012093342143-pat00050

    여기서,
    Figure 112012093342143-pat00051
    는 상호작용 토크,
    Figure 112012093342143-pat00052
    는 로드 셀(150)을 통해 측정된 토크,
    Figure 112012093342143-pat00053
    는 운동 협응 측정 장치의 운동방정식을 통해 구한 토크,
    Figure 112012093342143-pat00054
    는 운동 협응 측정 장치의 관성 매트릭스(inertia matrix),
    Figure 112012093342143-pat00055
    는 중력, 코리올리스(coriolis), 원심력을 포함한 비선형 항이며,
    Figure 112012093342143-pat00056
    는 각각 보조 링크 부재의 각도, 각속도, 각가속도이다.
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