KR101806557B1

KR101806557B1 - 근력강화운동방법 및 시스템

Info

Publication number: KR101806557B1
Application number: KR1020110079630A
Authority: KR
Inventors: 손영준; 양우성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2017-12-08
Also published as: KR20130017284A

Abstract

필요한 운동의 경로로 운동시스템의 구동부를 작동하여 사용자에게 운동방법을 교시하는 교시단계; 및 상기 운동경로를 복수의 구간으로 나누어 각 구간마다 역치기준을 설정하고,사용자의 힘정보를 실시간으로 피드백하여 그 힘정보와 구동부의 동작이 동기화되도록 하되, 사용자의 힘정보가 해당 구간에서 역치기준 이상일 경우와 미만일 경우를 나누어 구동부의 동작에 필요한 사용자 힘정보의 반영비율을 변화시키는 운동단계;를 포함하는 근력강화운동방법이 소개된다.

Description

근력강화운동방법 및 시스템 {ATHLETIC SYSTEM AND METHOD FOR STRENGTHENING MUSCULAR STRENGTH}

본 발명은 올바른 운동과 효과적인 근육부위별 운동을 안내하고 이를 반복수행할 수 있도록 하며, 사용자에게 이질감을 주지않고 자연스럽게 느낄 수 있도록 한 자율신경제어모델을 이용한 근력강화방법 및 이를 이용한 운동기구에 관한 것이다.

최근 재활과학과 스포츠의학 분야뿐만 아니라, 급속한 고령화와 웰빙 열풍으로 인해 운동에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 노화에 따른 근력 약화 방지와 재활을 위한 근력 강화 운동은 올바른 운동 방법(자세,경로,속도,힘)으로 해야 부상의 위험을 줄이고 운동 효과를 볼 수 있다.

그러나 종래의 운동기구들은 운동기구의 운동 경로를 단순히 한 가지의 경로로만 지정하여 운동을 할 수 있도록 하거나 경로를 변경 가능토록 하는 경우도 생각할 수 있을 것이나, 이러한 운동기구들은 신체의 움직임을 피드백하지 못함으로써 정해진 경로로 단순 안내하는 역할만을 수행할 수 있도록 하였다.

이러한 문제들은 착용식 로봇을 이용하여 해결할 수 있을 것이나, 착용식 로봇을 이용하여 운동기구를 구현한다는 개념은 아직 제시된바 없어, 운동기구 사용자의 움직임을 피드백하여 적절한 운동경로와 운동에 필요한 힘을 이끌어 내는 기술도 제시되지 않은 상황이다.

본 발명의 경우 이러한 상황에서 효과적으로 운동을 가르치고 반복 연습을 할 수 있도록 하는 것으로서, 사용자는 올바른 운동 방법(경로 위치,속도, 가속도)을 직관적으로 쉽게 교시받을 수 있게 된다.

또한, 교시받은 운동 방법을 숙달할 때까지 단계적으로 시험/확인할 수 있도록 하며, 경로 구간별로 알맞은 힘으로 운동을 수행하도록 할 수 있다. 또한, 사용자는 운동시 위험한 자세와 경로를 피할 수 있고, 이러한 운동시스템은 재활 환자, 노약자 근력 약화 예방 및 치료, 일반인, 운동 선수 대상 근력 강화 훈련 프로그램으로 응용될 수 있을 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 로봇을 이용하여 사용자에게 올바른 운동방법을 교시하고 운동을 수행토록 할 수 있으며, 사용자의 힘을 실시간으로 피드백하여 운동기구를 구동함으로써 어색하지 않은 상황에서 사용자가 운동기구를 사용할 수 있도록 하는 근력강화운동방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근력강화운동방법은, 필요한 운동의 경로로 운동시스템의 구동부를 작동하여 사용자에게 운동방법을 교시하는 교시단계; 및 상기 운동경로를 복수의 구간으로 나누어 각 구간마다 역치기준을 설정하고,사용자의 힘정보를 실시간으로 피드백하여 그 힘정보와 구동부의 동작이 동기화되도록 하되, 사용자의 힘정보가 해당 구간에서 역치기준 이상일 경우와 미만일 경우를 나누어 구동부의 동작에 필요한 사용자 힘정보의 반영비율을 변화시키는 운동단계;를 포함한다.

상기 교시단계는, 교시된 경로로 구동부를 작동시키되, 사용자가 운동시스템에 가하는 힘정보를 센싱하여 사용자의 힘정보에 따른 운동시스템의 구동이 상기 교시된 경로를 벗어날 경우에는 운동시스템의 구동부를 정지시키는 연습단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 교시단계는 필요한 운동의 경로, 속도 및 가속도로 구동부를 작동시키도록 할 수 있다.

상기 운동단계는 피드백된 사용자의 힘정보가 해당구간에서 역치기준 이상일 경우 역치기준 미만일 경우보다 사용자 힘정보의 반영비율을 더 크게 할 수 있다.

상기 운동단계는 피드백된 사용자의 힘정보에 따라 운동시스템의 구동부가 이를 실시간으로 추종하도록 함으로써 동기화시키도록 할 수 있다.

한편, 이러한 근력강화운동방법을 구현하기 위한 근력강화운동시스템은, 사용자가 운동을 함에 따라 조작하게 되는 조작부를 구동시키는 구동부; 사용자가 운동을 함에 따라 조작부에 가하는 힘을 센싱하는 센싱부; 및 미리 정해진 운동경로에 따라 상기 구동부를 동작시키며 운동경로를 복수의 구간으로 나누어 각 구간마다 역치기준을 설정하고, 상기 센싱부로부터 사용자의 힘정보를 실시간으로 피드백하여 그 힘정보와 구동부의 동작이 동기화되도록 하되, 사용자의 힘정보가 해당 구간에서 역치기준 이상일 경우와 미만일 경우를 나누어 구동부의 동작에 필요한 사용자 힘정보의 반영비율을 변화시키는 제어부;를 포함한다.

그리고, 상기 센싱부는 조작부를 통해 구동부로 전달되는 사용자의 힘을 반력으로 보아 구동부로부터 사용자의 힘을 센싱하도록 할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 근력강화운동방법 및 시스템에 따르면, 사용자에게 올바른 운동방법을 교시하고 이를 토대로 운동을 할 수 있도록 유도함으로써 다양한 용도로서 운동기구의 활용이 가능하다.

또한, 사용자의 힘 정보의 반영비율을 상황에 따라 달리 설정함으로써 최대한 사용자가 어색하지 않은 느낌을 갖는 상태에서 운동을 배우고 수행할 수 있도록 한다.

그리고 실시간으로 사람의 힘을 센싱하고 이를 추종하도록 하여 사용자가 최대한 자연스럽게 저항을 느끼면서 자유로이 운동을 할 수 있도록 도와준다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 근력강화운동시스템을 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 근력강화운동시스템을 이용한 근력강화운동방법의 순서도.
도 3은 도 2에 도시된 근력강화운동방법 중 연습단계의 상세 순서도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 근력강화운동방법 및 그 시스템에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 근력강화운동시스템을 나타낸 도면으로서, 본 발명의 근력강화운동시스템은, 사용자가 운동을 함에 따라 조작하게 되는 조작부(400)를 구동시키는 구동부(100); 사용자가 운동을 함에 따라 조작부에 가하는 힘을 센싱하는 센싱부(200); 및 미리 정해진 운동경로에 따라 상기 구동부를 동작시키며 운동경로를 복수의 구간으로 나누어 각 구간마다 역치기준을 설정하고, 상기 센싱부(200)로부터 사용자의 힘정보를 실시간으로 피드백하여 그 힘정보와 구동부(100)의 동작이 동기화되도록 하되, 사용자의 힘정보가 해당 구간에서 역치기준 이상일 경우와 미만일 경우를 나누어 구동부(100)의 동작에 필요한 사용자 힘정보의 반영비율을 변화시키는 제어부(300);를 포함한다.

그리고, 상기 센싱부(200)는 조작부(400)를 통해 구동부로 전달되는 사용자의 힘을 반력으로 보아 구동부(100)로부터 사용자의 힘을 센싱하도록 할 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 근력강화운동시스템은 운동기구를 구성하는 구동부(100)와 센싱부(200) 그리고 구동부(100)를 제어하는 제어부(300)로 구성된다. 구동부(100)는 모터를 이용하여 착용식 운동기구의 관절을 구현할 수 있도록 한다. 그리고 그 모터의 제어는 제어부(300)에서 센싱부(200)의 정보를 받아 적절히 제어하도록 한다.

센싱부(100)에서는 조작부(400)의 스트레인 게이지를 통하여 사용자가 가하는 힘을 측정하도록 할 수 있으며, 또는 모터에 걸리는 역기전력을 이용하여 사용자가 가하는 힘의 정도를 측정할 수도 있을 것이다.

제어부(300)에서는 이러한 센싱부(200)로부터 사람의 힘에 대한 정보를 얻고, 구동부(100)에 전달하는 출력신호를 정함에 있어 피드백된 사람의 힘 정보의 반영비율을 설정토록 하는 것이다.

일 예로, 도 1의 제어부(300)는 자율신경제어 이론을 통한 구동부(100)의 제어로서 구현될 수 있을 것이다. 자율신경제어 이론이란, 반응성이 뛰어난 생물학적 운동과 같은 모션을 구현하기 위한 로봇의 제어방법에 관한 이론으로서, 특히 미지의 환경에 대한 놀라운 적응 운동 능력을 보이는 것에 특징이 있다. 이는 생물체의 근육-골격 시스템과 이를 구동하는 신경 진동자의 상호 작용을 통해서 구현된다.

따라서, 수학적으로 모델링 되어 있는 신경 진동자를 기계 시스템과 결합하고 신경 진동자 모델의 자율운동 반응을 위한 센싱 정보는 피드백을 통해 외부의 환경변화를 감지할 수 있는 시스템을 구현할 수 있다. 그러한 시스템은 신경 진동자에 의해서 적절한 주기적 운동 패턴을 보이고 이러한 운동 패턴은 피드백된 센싱 신호에 의해서 외부환경에 적합한 운동 발생이 가능하게 된다. 따라서 이러한 시스템을 로봇에 적용하게 되면 생물체에서 보이는 신경과 근육 및 골격 시스템의 효율적인 모션이 로봇으로 구현될 수 있는 것이다. 결과적으로, 로봇은 임의의 외란에 따른 자율 운동을 적절히 보일 수 있는 것이다.

본 발명의 제어부는 이러한 자율신경제어 모델을 이용한 제어기가 적용될 수 있으며, 기본적으로는 주기적으로 반복되는 운동에 있어서 사용자에 의해 가해지는 외력을 센싱부로부터 감지하고 이를 구동부의 구동신호에 반영하여 적절하게 구동부가 움직이도록 하는 것이다.

적절한 운동이란, 경우에 따라 구동부에 작용되는 작동신호를 산출함에 있어 피드백된 사용자의 힘 정보의 반영비율을 임의적으로 조절함으로써 구현이 가능하다. 즉, 걷거나 숨을 쉬는 등의 주기적인 운동을 하는 사람의 자율신경이 반사적으로 외란에 적응하는 현상을 이용하는 것으로서, 그러한 시스템을 질량-스프링-댐퍼 모델을 통해 기계적인 시스템으로 구현할 수 있는 것이며, 여기서 외란 즉, 센싱된 외력을 반영하는 비율인 게인값을 조절할 경우 외력에 대한 추종 정도의 민감도가 결정된다고 볼 수 있는 것이다. 따라서 이러한 사용자 힘 정보의 반영비율을 조절할 경우 사용자는 운동기구로부터 느껴지는 반력의 정도가 다르게 느껴질 수 있는 것이다. 그리고 이는 사용자로하여금 올바른 방법대로 운동을 할 수 있도록 유도하는 기능을 구현하는 것이다.

구체적으로, 도 2는 도 1의 근력강화운동시스템을 이용한 근력강화운동방법의 순서도이고, 도 3은 도 2에 도시된 근력강화운동방법 중 연습단계의 상세 순서도로서, 상기 근력강화운동시스템을 이용한 근력강화운동방법은, 필요한 운동의 경로로 운동시스템의 구동부를 작동하여 사용자에게 운동방법을 교시하는 교시단계(S100); 및 상기 운동경로를 복수의 구간으로 나누어 각 구간마다 역치기준을 설정하고,사용자의 힘정보를 실시간으로 피드백하여 그 힘정보와 구동부의 동작이 동기화되도록 하되, 사용자의 힘정보가 해당 구간에서 역치기준 이상일 경우와 미만일 경우를 나누어 구동부의 동작에 필요한 사용자 힘정보의 반영비율을 변화시키는 운동단계(S300);를 포함한다.

그리고 상기 교시단계(S100)는, 교시된 경로로 구동부를 작동시키되, 사용자가 운동시스템에 가하는 힘정보를 센싱하여 사용자의 힘정보에 따른 운동시스템의 구동이 상기 교시된 경로를 벗어날 경우에는 운동시스템의 구동부를 정지시키는 연습단계(S200);를 더 포함할 수 있다.

먼저 교시단계(S100)에서는 운동시스템의 구동부를 작동하여 사용자에게 운동방법을 교시하도록 한다. 즉, 사용자가 착용식 운동기구를 착용하고 로봇의 제어기에 미리 입력된 운동방법과 같이 로봇이 구동하게 된다. 이때 교시단계(S100)는 필요한 운동의 경로, 속도 및 가속도로 구동부를 작동시키도록 한다. 즉, 구동부에 입력되는 로봇의 교시운동은 미리 정해진 구간별로 경로, 속도 및 가속도로 결정되도록 하는 것이다.

사용자는 몸에 힘을 빼고 운동기구가 교시하는 경로, 속도 및 가속도를 따라 운동을 인지하게 된다.

그 다음 연습단계(S200)를 거칠 수 있다. 연습단계(S200)에서는 교시된 경로로 구동부를 작동시키되, 사용자가 운동시스템에 가하는 힘정보를 센싱하여 사용자의 힘정보에 따른 운동시스템의 구동이 상기 교시된 경로를 벗어날 경우에는 운동시스템의 구동부를 정지시키도록 할 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 교시단계 후 사용자가 교시된 대로 운동을 행할 때 만약 교시된 경로를 벗어난다면 운동기구의 구동부를 정지시켜 사용자로 하여금 큰 부하를 느끼도록 한다. 그러면 사용자는 자연스럽게 다른 방향으로 시도를 할 것이고, 그 시도가 올바르다면 제어부는 다시 사용자의 힘 반영비율을 높여 사용자가 적당한 부하를 느끼며 운동을 할 수 있도록 구동부를 제어하는 것이다.

그 후에는 미리 설정된 운동구간에 따라 구간별로 다른 부하를 줄 수 있도록 구성할 수 있다. 즉, 본격적인 운동단계에서는 사용자가 이미 운동의 경로와 속도 및 가속도를 익혔다고 가정하고 운동을 시작하도록 한다.

일정하게 반복되는 주기적인 운동에서도 각각의 구간별로 다른 부하를 걸 경우에는 사용자가 필요한 부위의 근육별로 달리 강도를 설정하여 운동할 수 있어 특정 부위를 강화하고자 할 경우에 유효할 것이다.

운동단계에서는 각각의 구간별로 이와 같이 다른 역치값을 설정하여 두고, 피드백된 사용자의 힘정보가 해당구간에서 역치기준 이상일 경우 역치기준 미만일 경우보다 사용자 힘정보의 반영비율을 더 크게 하도록 할 수 있다(S300). 그리고, 운동단계(S300)는 피드백된 사용자의 힘정보에 따라 운동시스템의 구동부가 이를 실시간으로 추종하도록 함으로써 동기화시키도록 한다.

즉, 일반적으로 사용자가 운동경로를 따라 올바르게 운동하고 있다고 가정한다면, 운동기구는 사용자가 가하는 힘 정보에 따라 상기 자율신경제어 이론에 의한 구동부의 작동을 통해 사용자의 힘을 실시간으로 반영하여 그를 추종함으로써 사용자로 하여금 어색함을 느끼지 않고 일정한 반력을 느끼며 운동을 할 수 있도록 한다. 그러나 해당 구간에서 요구되는 역치값 이상의 힘이 감지되지 않을 경우에는 사용자의 힘 정보의 반영비율을 감소시키는 것이고, 그에 따라 운동기구는 사용자의 힘을 덜 추종하게 된다. 따라서 사용자는 자연스럽게 부하를 더 느끼게 되는 것이고, 교시된 바와 같은 운동 속도를 내기 위해 더욱 힘을 줄 것이다.

그러면 사용자의 가하는 힘이 증가될 것이고, 그에 따라 사용자의 힘은 역치값을 넘어서며 따라서 운동기구에 반영되는 사용자 힘 정보의 반영비율이 높아져 다시 자연스럽고 적당한 운동부하를 느끼도록 되는 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 구동부 200 : 센싱부
300 : 제어부 400 : 조작부

Claims

제어기에 미리 입력된 필요한 운동의 경로로 운동시스템의 구동부를 작동하여 사용자에게 운동방법을 교시하는 교시단계(S100); 및
교시 단계 이후에, 상기 운동경로를 복수의 구간으로 나누어 각 구간마다 역치기준을 설정하고, 사용자의 힘정보를 실시간으로 피드백하여 그 힘정보와 구동부의 동작이 동기화되도록 하되, 사용자의 힘정보가 해당 구간에서 역치기준 이상일 경우와 미만일 경우를 나누어 구동부의 동작에 필요한 사용자 힘정보의 반영비율을 변화시키는 운동단계(S300);를 포함하며,
상기 교시단계(S100)는, 교시된 경로로 구동부를 작동시키되, 사용자가 운동시스템에 가하는 힘정보를 센싱하여 사용자의 힘정보에 따른 운동시스템의 구동이 상기 교시된 경로를 벗어날 경우에는 운동시스템의 구동부를 정지시켜 사용자가 교시된 경로로 운동하도록 유도하는 연습단계(S200);를 더 포함하는 근력강화운동방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 교시단계(S100)는 필요한 운동의 경로, 속도 및 가속도로 구동부를 작동시키는 것을 특징으로 하는 근력강화운동방법.
청구항 1에 있어서,
상기 운동단계(S300)는 피드백된 사용자의 힘정보가 해당구간에서 역치기준 이상일 경우 역치기준 미만일 경우보다 사용자 힘정보의 반영비율을 더 크게 하는 것을 특징으로 하는 근력강화운동방법.
청구항 1에 있어서,
상기 운동단계(S300)는 피드백된 사용자의 힘정보에 따라 운동시스템의 구동부가 이를 실시간으로 추종하도록 함으로써 동기화시키는 것을 특징으로 하는 근력강화운동방법.
사용자가 운동을 함에 따라 조작하게 되는 조작부(400)를 구동시키는 구동부(100);
사용자가 운동을 함에 따라 조작부에 가하는 힘을 센싱하는 센싱부(200); 및
미리 정해진 운동경로에 따라 상기 구동부를 동작시켜 사용자에게 운동방법을 교시하는 교시과정을 수행한 후, 사용자가 운동시스템에 가하는 힘정보를 센싱하여 사용자의 힘정보에 따른 운동시스템의 구동이 정해진 운동경로를 벗어날 경우에는 운동시스템의 구동부를 정지시켜 사용자가 정해진 운동경로로 운동하도록 유도하는 연습과정을 수행하고, 상기 연습과정이 종료된 후 운동경로를 복수의 구간으로 나누어 각 구간마다 역치기준을 설정하고, 상기 센싱부(200)로부터 사용자의 힘정보를 실시간으로 피드백하여 그 힘정보와 구동부(100)의 동작이 동기화되도록 하되, 사용자의 힘정보가 해당 구간에서 역치기준 이상일 경우와 미만일 경우를 나누어 구동부(100)의 동작에 필요한 사용자 힘정보의 반영비율을 변화시키는 제어부(300);를 포함하는 근력강화운동시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 센싱부(200)는 조작부(400)를 통해 구동부로 전달되는 사용자의 힘을 반력으로 보아 구동부(100)로부터 사용자의 힘을 센싱하는 것을 특징으로 하는 근력강화운동시스템.