KR101790945B1 - 밸런스 훈련시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지면에 놓이는 베이스와, 상기 베이스의 상부에 거리를 두고 이격 배치되어, 균형 훈련을 할 사용자가 상면에 올라서는 말단판 및 복수 개가 상기 베이스의 중심을 기준으로 방사상으로 배열되고, 상단이 상기 말단판의 저면과 관절로 연결되며, 관절 회전으로 상기 말단판이 승강, 롤링 및 피칭되도록 하는 3자유도병렬기구를 포함하여, 임피던스 제어를 이용해 말단판의 경사각을 제어함으로써 사용자에 따른 난이도 조정이 가능하고, 환자 또는 균형 운동하는 사람의 운동정보의 데이터인 속도, 반응성, 현재 임피던스의 적응력 등을 파악하여 과학적이고, 객관적인 데이터 분석을 바탕으로 사용자에게 알맞은 운동방법 및 방향을 제시할 수 있도록 한 밸런스 훈련시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

Description

밸런스 훈련시스템{Balance training system}

본 발명은 밸런스 훈련시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인가된 힘을 측정할 수 있으며, 길이를 원하는 대로 제어할 수 있는 직렬탄성구동기를 포함한 3자유도병렬기구를 구비하여, 상기 직렬탄성구동기의 임피던스를 제어함에 따라 밸런스 훈련하는 사용자가 올라서는 말단판의 경사각을 조작해, 사용자의 코어 근육 증가효과, 십자인대 파열 환자의 재활에 운동에 활용될 수 있고, 사용자에 따라 운동의 난이도를 조절할 수 있는 밸런스 훈련시스템에 관한 것이다.

일반적으로 자세 균형 훈련장치(밸런스 훈련 장치)는 주로 힘판을 이용하여 특정 감각시스템으로부터의 입력을 제한하거나 외력에 의해 평형 유지를 방해했을 때, 신체 전이(displacement), 압력중심(center of pressure; COP)의 움직임, 자세유지 시 작용하는 근육의 활동 전위 등을 측정하는 연구와 더불어 균형에 어려움을 느끼는 환자를 위한 바이오피드백(Biofeedback)을 적용하는 경우가 있다.

그러나, 이러한 종래의 기술 및 재활훈련 장치는 주로 안정한 지지면 위에서 균형을 유지하는 면에 초점이 맞춰져 자세 균형 재활에 필요한 시각, 전정감각, 체성감각을 통합적으로 자극하지 못할 뿐만 아니라 불안정판의 경우, 불안정 정도를 정량적으로 조절하지 못하는 시각적 피드백이 없는 단순한 형태로 구성되어 있다.

또한, 바이오 피드백시스템은 화면의 지시에 따라 움직이거나 외부에서 힘판을 움직였을 때 균형을 유지하는 수동적인 형태로 지루하여 피험자가 장시간의 훈련을 하기 어렵다.

그러므로 안정판에서 균형유지가 가능한 환자에게 보행감각을 익히며 근력을 향상시킬 수 있는 중간단계의 재활훈련이 필요하며, 능동적이고 자세균형에 필요한 통합된 감각을 효과적으로 자극하면서 피훈련자가 단조로움을 느끼지 않는 새로운 형태의 훈련장치가 요구된다.

또한, 근래에는 생활수준의 향상과 의료기술의 발전에 따라 65세 이상의 노인인구가 증가하고 있는데, 노인들은 노화나 질환으로 인하여 자세균형능력이 저하되고, 이러한 자세균형능력의 저하는 낙상으로 이어진다.

따라서, 노인들이나 여러 가지 질환을 가진 환자들에게는 자세균형능력을 향상시키는 것이 필수적이고, 이러한 이유 때문에 많은 자세균형 훈련장치의 개발이 최근에 더욱 촉진되고 있다.

그 중 국내출원 제10-2007-0049413호(2007. 05. 21) 자세균형 훈련기구와, 국내출원 제10-2000-0053388호(2000. 09. 08) 전자식 자세균형 진단시스템를 제공하였으나, 종래의 기술은 발판에 2개 이상의 로드셀을 좌우 대칭으로 장착하여 체중을 측정하고 인체의 좌우 대칭에 대한 치우침 정도를 파악하여 신체의 균형 정도와 좌우 밸런스 측정이 가능하나 신체의 전후 밸런스는 측정할 수 없는 문제점이 있다.

이와 함께 현재 주로 제시되고 있는 발판은 2축의 동작 구조를 갖도록 하여 삼차원 상에서 동작하지 않고 단순히 전후 방향으로만 동작하도록 하는 중력식 발판이 제공되고 있으며, 이러한 장치는 발판 사용자의 중심각각 훈련에는 효과적으로 사용될 수 있으나 삼차원 상에서 동작하지 않으므로 그 적용범위가 단순하고 발판의 작용과정에 발생하는 발판 작동상의 힘의 균형 즉 불안정 정도의 조절이 어렵다는 단점이 있다.

종래와 같이 밸런스 훈련장치는 노약자가 올라가 중심을 잡는 형태는 초보자가 운동하기 어렵고 또한 십자인대파열 환자에 재활치료에 사용하기에는 환자에게 큰 위험이 된다.

본 발명은 임피던스에 의해 길이를 신축하는 직렬탄성구동기를 포함한 3자유도병렬기구로 사용자가 올라서는 말단판을 지지하도록 구성하여, 말단판의 경사각 또는 경사각 방향의 임피던스를 제어함으로써 사용자에 따른 난이도 조정이 가능하고, 환자 또는 균형 운동하는 사람의 운동정보의 데이터인 속도, 반응성, 현재 임피던스의 적응력 등을 파악하여 과학적이고, 객관적인 데이터 분석을 바탕으로 사용자에게 알맞은 운동방법 및 방향을 제시할 수 있도록 한 밸런스 훈련시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 밸런스 훈련시스템은 지면에 놓이는 베이스와, 상기 베이스의 상부에 거리를 두고 이격 배치되어, 균형 훈련을 할 사용자가 상면에 올라서는 말단판, 및 상기 베이스의 상면에 구비되면서 상단이 상기 말단판의 저면과 관절로 연결되는 복수 개의 3자유도병렬기구를 포함하는데, 상기 3자유도병렬기구 복수 개는 상기 베이스의 중심을 기준으로 방사상으로 배열되고, 선택적인 길이 신축으로 상기 말단판이 승강, 롤링 및 피칭 모션을 한다.

이때 본 발명에 따른 상기 3자유도병렬기구는 회전 자유도를 구현하는 기구 2개와, 직동 자유도를 구현하는 기구 1개의 조합으로 이루어진 것이고, 상기 3자유도병렬기구는 상기 베이스의 상면에 형성된 제1브라켓에 후단이 결합되고, 선택적으로 길이를 신축하는 직렬탄성구동기와, 일단이 하향으로 굴곡된 '┏'자 형태로, 일단측 굴곡 지점이 상기 베이스의 상면에 형성된 제2브라켓에 회전 가능하게 결합되고, 하향으로 굴곡된 일단이 상기 직렬탄성구동기와 회전관절로 연결되어, 상기 직렬탄성구동기의 길이를 신축에 따라 굴곡지점을 축으로 회전하는 제1회전링크부재와, 상기 제1회전링크부재의 타측과 하단이 회전관절로 연결되고, 타측은 상기 말단판과 구형 관절로 연결되어, 상기 직렬탄성구동기의 길이를 신축에 따라 병진회전운동하는 제2회전링크부재를 포함한다.

그리고 본 발명에 따른 상기 직렬탄성구동기는 외부에서 인가되는 임피던스 값에 따라 수평방향으로 길이를 신축하는 것이고, 상기 베이스의 상면 내측에 형성된 제1브라켓과 상기 직렬탄성구동기의 후단사이에 스프링을 배치하여, 상기 스프링의 신축으로 외부에서 인가되는 상기 직렬탄성구동기의 구동력을 측정하며, 상기 말단판의 저면과 복수 개의 제2회전링크부재가 서로 연결되는 교점의 위치를 제어하여, 상기 말단판의 x축 방향 회전각도, y축 방향 회전각도, z축 높이 h를 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 밸런스 훈련시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 임피던스에 의해 길이를 신축하는 직렬탄성구동기를 포함한 3자유도병렬기구로 사용자가 올라서는 말단판을 지지하도록 구성하여, 말단판의 경사각 또는 경사각 방향의 임피던스를 제어함으로써 사용자에 따른 난이도 조정이 가능한 효과를 가진다.

둘째, 환자 또는 균형 운동하는 사람의 운동정보의 데이터인 속도, 반응성, 현재 임피던스의 적응력 등을 파악하여 과학적인 데이터 분석을 바탕으로 사용자에게 알맞은 운동방법을 제시할 수 있고, 재활 치료의 경우, 환자의 치료단계를 객관적인 데이터로 분석할 수 있어 치료방법 및 방향에도 큰 도움을 줄 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 밸런스 훈련시스템의 구성을 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 밸런스 훈련시스템의 실시 상태를 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 밸런스 훈련시스템의 위치/방향 관계를 보인 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 밸런스 훈련시스템 중 회전링크부재의 각도와 위치관계를 보인 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 외부에서 인가된 힘을 측정할 수 있고 또한 길이를 마음대로 제어할 수 있는 직렬탄성구동기를 포함한 3자유도병렬기구를 구비하여, 상기 직렬탄성구동기의 임피던스를 제어함에 따라 밸런스 훈련하는 사용자가 올라서는 말단판의 경사각 혹은 경사각 방향의 임피던스를 조작해, 사용자의 코어 근육 증가효과, 십자인대 파열 환자의 재활에 운동에 활용될 수 있고, 사용자에 따라 운동의 난이도를 조절할 수 있는 밸런스 훈련시스템에 관한 것으로, 도면을 참조하여 더욱 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시에 따른 밸런싱 훈련시스템은 베이스(100), 말단판(200), 3자유도병렬기구(300)를 포함하는데, 먼저 베이스(100)는 지면에 수평으로 놓여져 유동하지 않도록 고정되는 것으로, 상기 베이스(100)는 판 상으로 장치 구동에 따른 미동이나, 진동을 상쇄하기 위해 중량을 갖는 것이 바람직하다.

이때, 본 발명의 일 실시에 따른 베이스(100)는 원판을 한정하여 나타내나, 이에 한정하지 삼각형, 사각형, 오각형 및 육각형 등 선택적으로 다양한 형상으로 형성할 수 있다.

그리고, 상기 베이스(100)의 상부에는 거리를 두고 말단판(200)을 이격 배치하는데, 상기 말단판(200) 역시, 판 상으로 상기 베이스(100)의 형상에 대응하는 형상으로 형성할 수 있으나, 이에 한정하지 않고 상기 베이스(100)와는 별도로 삼각형, 사각형, 오각형 및 육각형 등 선택적으로 다양한 형상으로 형성할 수 있고, 상기 말단판(200)의 상면에는 밸런싱(균형) 훈련을 할 사용자가 올라서게 된다.

이때, 상기 말단판(200)은 상기 베이스(100) 상에 구비된 3자유도병렬기구(300)에 의해 지지되는데, 상기 3자유도병렬기구(300)는 상기 베이스(100) 상에 복수 개로 구비하고, 상기 베이스(100)의 중심을 기준으로 방사상으로 배치되며, 상기 3자유도병렬기구(300)의 상단을 상기 말단판(200)의 저면과 관절로 연결하여, 상기 3자유도병렬기구(300)의 관절 회전으로 상기 말단판(200)의 경사각이 변화해 상기 말단판(200)의 승강(직동모션), 롤링모션 및 피칭모션(2개의 회전모션)이 이루어진다.

본 발명의 일 실시에 따른 3자유도병렬기구(300)를 보다 상세하게 살펴보면, 본 발명의 일 실시에 따른 3자유도병렬기구(300)는 상기 베이스(100) 상에 총 3개를 구비하는데, 3개의 3자유도병렬기구(300)는 상기 베이스(100)의 중심을 축으로 방사상으로 배치한다.

이때, 상기 3자유도병렬기구(300)의 각각은 직동자유도인 직렬탄성구동기(310) 1개와, 회전자유도인 회전링크부재(320,330)를 2개로 구성되는데, 이에 한정하지 않고 회전링크부재 2개, 혹은 회전링크부재 1개와 직동링크기구 1개의 구조 등과 같이, 상기 베이스(100)에 대한 상기 말단판(200)의 높이를 자유롭게 조절할 수 있는 다양한 형태의 기구가 사용될 수 있다. 또한 하기에서 설명하는 직렬탄성구동기(310)를 직동기구가 아닌 회전링크부재(320,330)에 사용할 수도 있다.

여기서, 상기 직렬탄성구동기(310)는 다양한 직렬탄성구동기가 적용될 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 외부에서 인가되는 힘의 크기에 따라 길이가 신축하는 것을 구비하는 것이 바람직하다.

일예로 실린더와 같이 수평방향으로 길이를 갖는 하우징을 구비하고, 상기 하우징의 일측단에는 볼스크류와 같이 외부에서 자유롭게 제어하여 상기 하우징의 일측단에서 출몰하여 길이를 신축하는 구동로드를 포함한다.

상기한 구성의 상기 직렬탄성구동기(310)는 상기 베이스(100)의 상면 내측에 형성된 제1브라켓(110)과 하우징의 후단사이에 스프링을 배치하여 결합함으로 외력을 측정할 수 있도록 한다. 상기 하우징의 일측단에서 출몰하도록 구비된 구동로드는 상기 제1브라켓(110)과 대응하도록, 상기 베이스(100)의 상면 외측에 형성된 제2브라켓(120)을 향하게 배치하며, 상기 직렬탄성구동기(310)부분을 직동운동 시키도록 한다. 신축운동을 하는 구동로드는 전기적으로 연결된 제어부와 연결되어, 상기 제어부에서 인가하는 구동력에 따라 수평방향으로 상기 구동로드가 직선운동하여 상기 직렬탄성구동기(310)의 전체 길이가 신축된다.

또한 상기 제1브라켓(110)과 하우징의 후단간의 스프링의 신축을 측정함으로 외부에서 인가하는 구동력을 측정할 수 있다.

그리고 상기 직렬탄성구동기(310)의 구동로드 일측단에는 제1회전링크부재(320)를 연결하는데, 상기 제1회전링크부재(320)는 그 일단을 하향으로 절곡한 '┏'자 형태로, 일단측의 절곡 지점을 상기 베이스(100)의 상면에 형성한 제2브라켓(120)에 상, 하 방향으로 회전가능하게 결합한다.

또한, 하향으로 절곡된 일단을 상기 직렬탄성구동기(310)와 회전관절로 연결하여, 상기 직렬탄성구동기(310)의 길이신축에 따라 상기 제1회전링크부재(320)는 절곡지점을 축으로 상, 하 방향으로 회전한다.

더불어, 상기 제1회전링크부재(320)의 타측은 상기 제2회전링크부재(330)와 연결하는데, 상기 제2회전링크부재(330)는 상기 제1회전링크부재(320)의 타측과 하단이 회전관절로 연결하고, 타측은 상기 말단판(200)과 구형관절로 연결하여, 상기 직렬탄성구동기(310)의 직선운동에 따라 상기 제1회전링크부재(320)와 더불어 제2회전링크부재(330)가 회전운동하여 상기 말단판(200)의 경사각을 조정한다.

여기서, 사용자의 밸런스 훈련을 위한 본 발명 밸런스 훈련시스템의 일 실시예에 따른 말단판 경사 제어를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 상기 말단판(200)의 x축 방향 회전각도를 ψ, y축 방향 회전각도를 φ, z축 높이 h로 하여 실시간 제어할 수 있는데, 도 3을 참조하면 상기 말단판(200)의 저면과 3개의 제2회전링크부재(330)가 서로 연결되는 교점을 P₁, P₂, P₃로 지정하여, 상기한 교점 P₁, P₂, P₃의 위치를 제어함으로써, 상기 말단판(200)을 원하는 각도로 경사지게 만들 수 있다.

도 3의 좌표계에서

일 때의 P₁, P₂, P₃의 초기 위치는 아래의 [수학식1]로 주어진다.

여기서, l은 말단판(200)의 중심에서 P₁까지의 길이로 시스템의 크기에 따라 자유롭게 설정할 수 있고, 움직이고자 하는 말단판(200)의 경사각을 ψ,φ라고 했을 경우, 그를 구현하기 위한 P₁, P₂, P₃의 위치는 아래의 [수학식2]로 주어진다.

여기서,

를 의미하며,

는 y축 방향 회전각도이고, 이 각도는 ψ,φ를 지정하여 주면 SRR의 구조를 만족시켜주기 위하여 아래의 [수학식3]과 같이 자동적으로 정해진다.

따라서, 상기 말단판(200)의 y축 높이 h를 추가로 지정할 경우, P₁, P₂, P₃의 위치는 아래의 [수학식4]로 주어진다.

상기와 같이 말단판(200)의 원하는 ψ,φ를 구현하기 위한 P₁, P₂, P₃의 위치가 정해지면, 이를 각각의 3자유도병렬기구 중 회전링크부재 각도를 제어하여 각 3자유도병렬기구의 교점인 끝단이 P₁, P₂, P₃에 위치하도록 한다.

상기한 [수학식2]/[수학식4]와 같이 주어진 P₁, P₂, P₃의 위치에서

의 값을 아래의 [수학식5]와 같이 계산한다.

이렇게 계산된

값은 아래와 같이 3자유도병렬기구의 하단 관절에서 본 P₁, P₂, P₃의 위치이다.

그리고 3자유도병렬기구의 끝단인 교점이 이 위치에 있기 위한 θ₁,θ₂?瑛? 각도는 도4와 같이 구해지고, 끝으로 각 3자유도병렬기구에 설치된 직렬탄성구동기를 이용하여, θ₁,θ₂ 중 하나의 각도를 구현하면 나머지 하나는 SRR구조의 특징상 자동적으로 계산된 값으로 정하여지며 3자유도병렬기구의 끝단인 교점은 원하는 P1, P2, P3위치로 이동하게 된다.

사람의 움직임 및 사람이 만들어 내는 힘과 관계없이 일방적으로 말단판의 ψ,φ,h 방향 운동을 만들어 주는 트레이닝 이외에, ψ,φ,h 방향의 임피던스값을 바꾸어 사람의 상호작용 및 운동을 유도하는 트레이닝도 가능하다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 베이스
110: 제1브라켓
120: 제2브라켓
200: 말단판
300: 3자유도병렬기구
310: 직렬탄성구동기
320: 제1회전링크부재
330: 제2회전링크부재

Claims (6)

1. 지면에 놓이는 베이스;
   상기 베이스의 상부에 거리를 두고 이격 배치되어, 균형 훈련을 할 사용자가 상면에 올라서는 말단판; 및
   상기 베이스의 상면에 구비되면서 상단이 상기 말단판의 저면과 관절로 연결되는 복수 개의 3자유도병렬기구를 포함하는 밸런스 훈련시스템에 있어서,
   상기 3자유도병렬기구 복수 개는 상기 베이스의 중심을 기준으로 방사상으로 배열되고, 선택적인 길이 신축으로 상기 말단판이 승강, 롤링 및 피칭 모션을 하는 밸런스 훈련시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 3자유도병렬기구는
   회전 자유도를 구현하는 기구 2개와, 직동 자유도를 구현하는 기구 1개의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 밸런스 훈련시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 3자유도병렬기구는
   상기 베이스의 상면에 형성된 제1브라켓에 후단이 결합되고, 선택적으로 길이를 신축하여 직동 자유도를 구현하는 직렬탄성구동기와;
   일단이 하향으로 굴곡된 '┏'자 형태로, 일단측 굴곡 지점이 상기 베이스의 상면에 형성된 제2브라켓에 회전 가능하게 결합되고, 하향으로 굴곡된 일단이 상기 직렬탄성구동기와 회전관절로 연결되어, 상기 직렬탄성구동기의 길이를 신축에 따라 굴곡지점을 축으로 회전하여 회전 자유도를 구현하는 제1회전링크부재와;
   상기 제1회전링크부재의 타측과 하단이 회전관절로 연결되고, 타측은 상기 말단판과 구형 관절로 연결되어, 상기 직렬탄성구동기의 길이를 신축에 따라 병진회전운동하여 회전 자유도를 구현하는 제2회전링크부재를 포함하는 밸런스 훈련시스템.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 직렬탄성구동기는
   외부에서 인가되는 임피던스 값에 따라 수평방향으로 길이를 신축하는 것을 특징으로 하는 밸런스 훈련시스템.
   
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 베이스의 상면 내측에 형성된 제1브라켓과 상기 직렬탄성구동기의 후단사이에 스프링을 배치하여, 상기 스프링의 신축으로 외부에서 인가되는 상기 직렬탄성구동기의 구동력을 측정하는 것을 특징으로 하는 밸런스 훈련시스템.
   
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 말단판의 저면과 복수 개의 제2회전링크부재가 서로 연결되는 교점의 위치를 제어하여, 상기 말단판의 x축 방향 회전각도, y축 방향 회전각도, z축 높이 h를 제어하는 것을 특징으로 하는 밸런스 훈련시스템.
   

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