KR101866217B1 - 스마트 인솔을 이용한 레일 하네스 재활 시스템 - Google Patents

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권대규
홍철운
오승용
강승록
권형진
권형준
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전북대학교산학협력단
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Abstract

본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템은, 사용자의 보행 훈련을 위한 보행 재활 장치 및 상기 사용자의 족저면에 구비되는 인솔(insole)을 포함하는 레일 하네스 재활 시스템으로, 상기 보행 재활 장치는, 천장 혹은 공중에 구비된 가이드 레일을 따라 이동하는 이동체, 사용자의 신체에 착용되어 상기 사용자를 지지하는 지지 하네스 및 일단이 상기 이동체에 연결되고, 타단이 상기 지지 하네스에 연결되는 연결 와이어를 포함하고, 상기 인솔은, 상기 족저면의 움직임 가속도 및 지면에 대한 상기 족저면의 각도를 검출하는 센서부, 전족부 및 후족부에 배치되어, 상기 사용자의 보행시 지면에 닿을 족저면 영역에 촉각 자극을 제공하는 진동부, 센서부의 센싱 정보를 전송하는 통신부, 인솔의 구동을 위한 전원을 공급하는 배터리; 및 상기 배터리의 무선 충전을 위한 무선 패치;를 포함한다. 이에 의하면 족저면의 3방향 가속도와 3방향 각도를 측정하고, 측정되는 데이터를 통해 사용자의 보행 패턴 빅데이터를 구축하며, 빅데이터를 이용하여 진동 피드백을 통해 낙상주의 사전경보를 제공할 수 있게 된다.

Description

스마트 인솔을 이용한 레일 하네스 재활 시스템{A RAIL HARNESS REHABILITATION SYSTEM USING A SMART INSOLE}
본 발명은 스마트 인솔을 이용한 레일 하네스 재활 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진동 피드백을 통해 낙상을 방지하고, 보행 패턴 빅데이터를 구축할 수 있는 스마트 인솔을 이용한 레일 하네스 재활 시스템에 관한 것이다.
스포츠재활은 운동선수만의 재활뿐만 아니라 일반인의 근골격계의 손상 후 운동을 통해 재활을 실시하는 방식으로 물리치료, 재활도수치료, 근력 운동치료 등을 통해 손상을 입은 측과 정상 측의 근육 밸런스 개선, 신경근 조절운동, 기능적 운동, 운동가동범위의 확보, 유연성증진, 고유수용성신경근 촉진 등의 스포츠재활 프로그램을 실시해 손상을 입기 전의 상태로의 최대한 빠른 복귀를 도와준다.
특히, 스포츠 선수들의 신체 밸런스 감퇴와 잘못된 경기 수행 자세 등으로 근골격계 스트레스, 근력감퇴 및 요추질환과 같은 많은 근골격계 질환이 발생되고 있는 실정이다. 스포츠 선수 대다수가 신체 불균형을 가지고 있으며 그 원인은 복잡하고 다양하고 선천적인 이상(해부학적 이상 : anatomical abnormality)보다는 생활습관인 기능적 이상(functional abnormality)이 불균형 유발요인으로 가장 큰 비중을 차지한다.
스포츠 선수들의 체력관리 및 운동상해 방지에 대한 관심도가 높아지면서 새로운 스포츠과학 기반 제품에 관한 요구가 증가하였지만 아직까지 신체 밸런스에 대하여 명확하게 규명되어 있지 않아 그 중요성을 인지하지 못하고 있고, 기존 제품 또한 이를 고려하지 않고 단순한 측정기술에 국한되어 불균형을 악화시키고 있다.
스포츠 의학 및 재활에서 신체 밸런스 감퇴 및 통증 유발이 중요한 요소로 대두되고 있으며, 스포츠 선수들의 신체 밸런스 감퇴는 인체에 지속적으로 기능 변형이 작용되면서 골반 뒤틀림이나 척추 변형과 같은 심각한 정형학적 손상과 통증을 유발한다고 보고된 바 있다.
스포츠 선수들이나 구단주에게 운동상해로 인한 경기력 저하는 엄청난 경제적 손실로 이어져 최근 스포츠 선수들의 경기력 상태 모니터링과 운동상해를 동시에 측정 및 분석 가능한 실시간 스마트 스포츠 용품 개발에 대한 요구가 급증하고 있다.
이러한 스포츠 선수들의 경기력 향상과 운동상해 방지를 위하여 스포츠 선수들이 시간과 장소에 제한 받지 않고 훈련이나 경기 시 다양한 신체 데이터와 경기력 정보를 수집, 데이터베이스화와 분석이 가능한 소프트웨어/하드웨어 시스템이 등장하고 있지만, 아직 수요자의 기술적 요구를 만족시키지 못하는 실정이다.
최근 국내에서 국민의 여가활동이 늘어나면서 국내 스포츠 용품 시장 규모는 지난해 4조원에 달하며 국민체육진흥공단 스포츠산업본부가 한국갤럽에 의뢰해 인구 50만 명 이상 대도시 거주자 1천명을 대상으로 최근 1년간 구입한 스포츠 용품에 대한 면접조사를 실시한 결과 시장규모가 3조8천745억원으로 추정된다고 발표한 바 있다.
따라서, 스포츠 선수들의 안전과 경기력 향상뿐만 아니라 일반인의 개인운동 문화를 창조해 스포츠 대중화를 유도 가능한 시스템 개발이 요구되며, 실시간 스포츠 경기력 모니터링 및 분석이 가능한 실시간 모니터링 기술 기반 훈련 프로그램 및 플랫폼 개발이 필요한 상황이다.
본 발명은 상술한 기술적 요구를 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 족저면의 3방향 가속도와 3방향 각도를 측정하고, 측정되는 데이터를 통해 사용자의 보행 패턴 빅데이터를 구축하며, 빅데이터를 이용하여 진동 피드백을 통해 낙상주의 사전경보를 제공할 수 있는 스마트 인솔을 이용한 레일 하네스 재활 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템은 사용자의 보행 훈련을 위한 보행 재활 장치 및 상기 사용자의 족저면에 구비되는 인솔(insole)을 포함하는 레일 하네스 재활 시스템으로, 상기 보행 재활 장치는, 천장 혹은 공중에 구비된 가이드 레일을 따라 이동 가능하게 구비된 이동체; 상기 사용자의 신체에 착용되어 상기 사용자를 지지하는 하네스; 및 일단이 상기 이동체에 연결되고, 타단이 상기 하네스에 연결되는 연결 와이어;를 포함하고, 상기 인솔은, 상기 족저면의 움직임 가속도 및 지면에 대한 상기 족저면의 각도를 검출하는 센서부; 전족부 및 후족부 중 적어도 하나의 영역에 배치되어 상기 사용자의 족저면에 촉각 자극을 제공하는 진동부; 및 상기 센서부의 센싱 정보에 기초하여 상기 사용자의 낙상 위험이 존재한다고 판단되면 상기 사용자의 족저면에 촉각 자극을 제공하도록 상기 진동부를 제어하는 컨트롤러;를 포함한다.
그리고, 상기 컨트롤러는 지면에 대한 족저면의 각도가 기설정된 범위를 초과하는 경우 낙상 위험 신호를 생성하고, 상기 보행 재활 장치는 상기 인솔로부터 수신된 상기 낙상 위험 신호에 기초하여 상기 이동체의 구동을 제어할 수 있다.
또한, 상기 센서부는 상기 사용자의 보행 방향을 기준으로 지면에 대한 족저면의 각도를 검출하는 동시에 상기 사용자의 보행 방향에 수직인 방향을 기준으로 지면에 대한 족저면의 각도를 검출할 수 있다.
그리고, 상기 진동부는 전족부, 후족부, 우측족부 및 좌측족부 영역에 각각 하나씩 배치되고, 상기 컨트롤러는 기설정된 범위를 초과하는 각도가 감지된 영역에 배치된 진동부를 제어하여 촉각 자극을 제공할 수 있다.
또한, 상기 레일 하네스 재활 시스템은, 디스플레이부를 포함하는 트레드밀(treadmill)을 더 포함하고, 상기 인솔의 컨트롤러는 지면에 대한 족저면의 각도가 기설정된 범위를 초과하는 경우 낙상 위험 신호를 생성하고, 상기 트레드밀은 상기 인솔로부터 수신된 상기 낙상 위험 신호에 기초하여 낙상 위험 정보를 상기 디스플레이부에 표시할 수 있다.
또한, 상기 레일 하네스 재활 시스템은, 상기 사용자 모습을 반사하는 미러 패널(mirror panel) 및 상기 인솔로부터 수신된 사용자의 보행 정보 및 상기 낙상 위험 정보를 상기 사용자 모습에 오버랩하여 디스플레이하는 디스플레이 패널(display pannel)을 포함하는 스마트 미러;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 진동부는 사용자의 보행 자세를 가이드하기 위해 상기 사용자의 보행 중 지면에 닿아야 할 전족부 또는 후족부에 실시간으로 촉각 자극을 제공할 수 있다.
또한, 상기 인솔은 전족부 및 후족부에 각각 배치되어 사용자의 보행 자세를 가이드하기 위해 촉각 자극이 제공된 영역이 지면에 닿는지를 감지하는 압력 센서;를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 압력 센서의 센싱값을 수신하여 촉각 자극이 제공된 영역이 지면에 닿지 않았다고 판단되면 낙상 위험 신호를 생성할 수 있다.
그리고, 상기 보행 재활 장치는, 상기 인솔로부터 실시간 수신되는 상기 센서부의 센싱 정보에 기초해 상기 사용자의 낙상 위험이 있다고 판단되면, 상기 이동체를 정지시키거나 상기 연결 와이어를 상방으로 끌어당길 수 있다.
또한, 상기 이동체는 상기 사용자의 보행 훈련 정보를 나타내는 레이저빔을 상기 사용자의 전방 바닥을 향해 발사하는 레이저 표시부;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 인솔은 RFID 태그를 포함하고, 상기 보행 재활 장치는 상기 인솔에 포함된 RFID 태그를 인식하여 상기 RFID 태그에 대응하는 사용자 정보에 따라 상기 이동체의 구동 모드를 결정할 수 있다.
또한, 상기 인솔은, 상기 센서부의 센싱 정보를 무선으로 송신하는 통신부; 상기 인솔을 구동하기 위한 전원을 공급하는 배터리; 및 상기 배터리의 무선 충전을 위한 무선 패치;를 더 포함하고, 상기 센서부는 가속도 센서, 자이로 센서 및 지자기 센서를 포함하는 9축 센서일 수 있다.
본 발명에 따른 스마트 인솔을 이용한 레일 하네스 재활 시스템에 의하면, 족저면의 3방향 가속도와 3방향 각도를 측정하고, 측정되는 데이터를 통해 사용자의 보행 패턴 빅데이터를 구축하며, 빅데이터를 이용하여 진동 피드백을 통해 낙상주의 사전경보를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템의 일구성인 인솔의 블록도이다.
도 3은 지면에 대한 족저면의 각도(α,β)를 나타내는 도면이다.
도 4는 인솔에 구비된 배터리 및 무선 패치의 동작을 나타내는 도면이다.
도 5는 인솔과 스마트폰 사이의 데이터 통신을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템에 있어, 진동부를 이용한 보행 가이드 방식을 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템의 일구성인 인솔의 또 다른 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템에 구비된 레이저 표시부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 인솔에 포함된 RFID 태그를 이용한 사용자 인식 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 지면에 대한 족저면의 각도(α,β,γ)를 나타내는 도면이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 진동부의 배치를 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템(1000)에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템(1000)의 개략도이다. 레일 하네스 시스템(1000)은 사용자의 보행 훈련을 위한 보행 재활 장치(100)와 사용자의 족저면에 구비되는 인솔(insole)(200)을 포함한다.
보행 재활 장치(100)는 천장 혹은 공중에 구비된 가이드 레일(105), 가이드 레일(105)을 따라 이동 가능하게 구비된 이동체(110), 사용자(U)의 신체에 착용되어 사용자를 지지하는 하네스(120) 및 연결 와이어(130)를 포함하고, 연결 와이어(130)의 일단은 이동체(110)에 연결되고, 타단은 하네스(130)에 연결되어 양자를 서로 연결시킨다.
가이드 레일(105)은 도 1에 도시된 바와 같이, 천장에 구비될 수도 있지만, 다른 실시예에서는 복수의 수직 프레임(미도시)을 이용하여 공중에 부양된 형태로 구비될 수도 있다. 본 발명의 권리범위는 가이드 레일(105)의 형상, 구조, 재질 등에 한정되지 않는다.
이동체(110)는 가이드 레일(105)을 따라 이동 가능하게 구비되며, 레일을 따라 주행하기 위한 롤러(미도시), 롤러에 구동력을 제공하는 모터(미도시), 이들을 제어하는 제어기(미도시) 등을 포함할 수 있으며, 기존의 레일 하네스 시스템에 이용되는 다양한 이동체를 응용 및 적용할 수 있다.
이동체(110)와 하네스(120)를 연결하는 연결 와이어(130)는 길이 방향의 부재로 벨트, 편조부재, 로프, 케이블 등의 형상으로 제조될 수 있다. 한편, 연결 와이어(130)는 사용자(U)의 체중을 지탱할 수 있을 정도의 인장강도를 지닌 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 연결 와이어(130)와 이동체(110)가 연결된 영역에는 연결 와이어(130)를 끌어올리거나 내리기 위한 벨트 드라이브(미도시) 등의 수단을 더 포함할 수 있고, 연결 와이어(130)와 하네스(120)가 연결된 영역에는 하네스(120)의 이탈을 방지하기 위한 체결 수단(미도시)이 포함될 수 있다. 하네스(130)는 사용자(U)의 상체 또는 하체에 착용 가능하도록 조끼, 점퍼 등으로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템(1000)의 일구성인 인솔(200)의 구성을 나타내는 블록도이다. 인솔(200)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(210), 센서부(220), 통신부((230), 제1 진동부(241), 제2 진동부(242), 배터리(250) 및 무선 패치(260)를 포함한다. 다만, 다른 실시예에서는 상기 열거된 구성 중 일부가 생략될 수도 있고, 다수의 구성이 하나의 구성으로 치환될 수도 있으며, 언급되지 않은 다른 구성이 더 포함될 수도 있다.
인솔(200)은 사용자(U)가 착용하는 신발 내부에 삽입되는 형태로 제조될 수도 있지만, 신발이나 슬리퍼와 인솔(200)이 일체화된(고정된) 형태로 제조될 수도 있다. 따라서, 본 명세서에서 지칭하는 인솔(200)은 독립적인 제조품뿐만 아니라 이를 포함하는 신발이나 슬리퍼를 아우르는 개념으로 이해해야 한다.
센서부(220)는 족저면의 움직임 가속도 및 지면에 대한 족저면의 각도를 검출한다. 센서부(220)는 가속도 센서, 자이로 센서 및 지자기 센서 등의 센싱 모듈을 포함할 수 있다. 더욱 상세하게, 센서부(220)는 3축 가속도 센서, 3축 자이로 센서 및 3축 지자기 센서로 구성된 9축 센서일 수 있다. 센서부(220)는 도 3에 도시된 바와 같이, 사용자(U)의 보행 중 족저면의 움직임 가속도나 지면에 대한 족저면의 각도(α,β)를 검출할 수 있다. 센서부(220)에서 측정되는 움직임 가속도 정보는 사용자(U)의 보행 속도 등을 판단하기 위한 기초 자료로 이용될 수 있고, 지면에 대한 족저면의 각도 정보는 사용자(U)의 낙상 위험 여부를 판단하기 위한 기초 자료로 이용될 수 있다.
도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 센서부(220)는 입각기(stance phase)에서 뒤꿈치가 닿을 때의 지면에 대한 족저면의 각도(β)와 뒤꿈치가 들리고 발가락 부위(앞꿈치)로 지탱할 때의 지면에 대한 족저면의 각도(α)를 검출한다. 이때, 족저면의 각도(α,β)는 사용자(U)의 보행 방향에 평행인 방향을 기준으로 측정된 값이다. 이와 함께, 센서부(220)는, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 보행 방향에 수직인 방향을 기준으로 한 지면에 대한 족저면의 각도(γ)를 검출할 수도 있고, 이는 사용자(U)의 좌우측 방향으로의 낙상 위험을 감지하기 위한 기초 정보로 활용될 수 있다.
제1 진동부(241) 및 제2 진동부(242)는 사용자(U)의 족저면에 촉각 자극을 제공한다. 촉각 자극은 진동 자극, 전기 자극 등 다양한 방식의 자극일 수 있고, 진동 자극이나 전기 자극의 패턴, 세기, 주기 등은 사용자에 의하여 다양하게 설정될 수 있다. 나아가, 스마트폰(400) 등의 수단을 이용해 진동 자극이나 전기 자극의 패턴, 세기, 주기 등을 변경할 수도 있다.
족저면의 앞꿈치 부분인 전족부(前足部)에 구비된 제1 진동부(241)는 발가락이 존재하는 족저부 영역에 대하여 촉각 자극을 인가하고, 족저면의 뒤꿈치 부분인 후족부(後足部)에 구비된 제2 진동부(242)는 뒤꿈치가 존재하는 족저부 영역에 대하여 촉각 자극을 인가한다.
통신부(230)는 센서부(220)의 센싱 정보나 후술할 컨트롤러(210)의 낙상 위험 판단 결과를 보행 재활 장치(100)나 외부 장치(트레드밀(treadmill), 스마트 미러(smart mirror) 등)로 무선 전송할 수 있다. 또한, 통신부(230)는 외부 디바이스(예를 들어, 스마트폰(400))로부터 제어 신호 등을 수신할 수 있다. 통신부(230)는 와이파이(Wi-fi), 블루투스(Bluetooth), 인터넷(internet), 지그비(Zigbee) 등 기공지된 다양한 무선 네트워크 기술을 응용한 통신 모듈로 구현될 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 통신부(230)는 센서부(220)의 센싱값이나 후술할 컨트롤러(210)의 판단 결과를 스마트폰(400)에 전송할 수 있고, 스마트폰(400)에 전송된 센싱값들은 저장 및 가공되어 사용자(U)의 보행 패턴 등을 분석하기 위한 빅데이터로 구축될 수 있다.
컨트롤러(210)는 센서부(220)에서 센싱한 센싱 정보(족저면의 가속도, 지면에 대한 족저면의 각도 등)에 기초하여 사용자(U)의 낙상 위험이 존재한다고 판단되면 사용자의 족저면에 촉각 자극을 제공하도록 제1 진동부(241) 또는 제2 진동부(242)를 제어한다.
구체적으로, 컨트롤러(210)는 지면에 대한 족저면의 적정 각도를 기준으로, 센서부(220)에서 센싱한 족저면의 각도가 기설정된 적정 각도를 초과하는 경우, 사용자(U)의 낙상 위험이 크다는 것으로 인지하여, 낙상 위험 신호를 생성한다. 지면에 대한 족저면의 적정 각도란 사용자(U)가 낙상 위험 없이 안정적으로 보행할 수 있는 각도로서, 사용자의 보행 방향을 기준으로 지면에 대한 족저면의 각도(α,β)(도 10의 (a)에 도시)나 사용자의 보행 방향에 수직인 방향을 기준으로 지면에 대한 족저면의 각도(γ)(도 10의 (b)에 도시)의 정적값을 의미한다. 족저면의 적정 각도는 사용자(U)마다 달리 설정될 수도 있고, 본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템(1000)은 이를 저장하기 위한 저장 수단(미도시)을 포함할 수 있다.
센서부(220)는 사용자의 보행 방향을 기준으로 지면에 대한 족저면의 각도를 검출(도 10의 (a) 참조)하는 동시에 사용자의 보행 방향에 수직인 방향을 기준으로 지면에 대한 족저면의 각도(도 10의 (b) 참조)를 검출한다.
따라서, 센서부(220)에서 센싱된 족저면의 각도는 보행 방향에 평행한 방향을 기준으로 측정된 족저면의 각도(도 10의 (a) 참조)일 수도 있고, 보행 방향에 수직인 방향을 기준으로 측정된 족저면의 각도(도 10의 (b) 참조)일 수도 있다. 보행 방향에 평행한 방향을 기준으로 측정된 족저면의 각도는 사용자(U)가 전방 또는 후방으로 넘어질 위험에 있음을 판단하는 기준이 되고, 보행 방향에 수직인 방향을 기준으로 측정된 족저면의 각도는 사용자(U)가 좌측이나 우측으로 넘어질 위험에 있음을 판단하는 기준이 될 수 있다.
컨트롤러(210)가 생성한 낙상 위험 신호는 보행 재활 장치(100)로 송신되고, 보행 재활 장치(100)는 낙상 위험 신호에 기초하여 이동체(110)의 구동을 제어한다. 예를 들어, 보행 재활 장치(100)는 인솔(200)로부터 낙상 위험 신호가 수신된 경우 이동체(110)를 정지시키거나 연결 와이어(130)를 상방으로 끌어당겨 사용자(U)의 낙상을 방지한다. 이때, 연결 와이어(130)를 상방으로 끌어당기기 위해 벨트 드라이브(미도시) 등의 수단을 구동시킬 수 있다.
한편, 다른 실시예에서 레일 하네스 재활 시스템(1000)은 롤러, 컨베이어 및 디스플레이부를 포함하는 트레드밀(treadmill)(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이때, 레일 하네스 재활 시스템(1000)의 이동체(110)는 트레드밀(미도시) 상부에 고정되어 있을 수 있다.
인솔(200)의 컨트롤러(210)는 지면에 대한 족저면의 각도가 기설정된 범위를 초과하는 경우 낙상 위험 신호를 생성하고, 이를 상기의 트레드밀(미도시)로 전송하며, 트레드밀(미도시)은 인솔(200)로부터 수신된 낙상 위험 신호에 기초하여 낙상 위험 정보를 디스플레이부에 표시한다. 사용자(U)는 트레드밀(미도시)의 디스플레이부를 눈으로 확인하며 재활 트레이닝을 수행하므로 낙상 위험의 존부를 즉각적으로 인식할 수 있게 된다.
또 다른 실시예에서 레일 하네스 재활 시스템(1000)은 사용자 모습을 반사하는 미러 패널(mirror panel) 및 디스플레이 패널(display panel)을 포함하는 스마트 미러(smart mirror)(미도시)를 더 포함할 수 있다.
인솔(200)의 컨트롤러(210)는 지면에 대한 족저면의 각도가 기설정된 범위를 초과하는 경우 낙상 위험 신호를 생성하고 이를 스마트 미러(미도시)로 전송하고, 스마트 미러(미도시)는 낙상 위험 정보를 사용자 모습에 오버랩하여 디스플레이한다. 또한, 스마트 미러(미도시)는 인솔(200)로부터 수신된 사용자의 보행 정보, 예컨대, 족저면의 가속도, 지면에 대한 족저면의 각도, 보행 거리, 보행 속도 등을 사용자 모습에 오버랩하여 디스플레이할 수도 있다.
배터리(250)는 인솔(200)의 각 구성을 동작시키기 위한 전원을 공급하는 기능을 가지며, 배터리(250)의 자동 충전을 위해 무선 패치(260)를 구비할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 인솔(200)이 무선 충전기(300) 위에 놓이면 무선 패치(260)와 무선 충전기(300) 사이의 작용에 의하여 배터리(250)가 무선 충전될 수 있다. 무선 충전 방식으로는 코일 간 전자기 유도 현상을 이용한 자기 유도 방식, 코일간 자기공진 현상을 이용한 자기 공진 방식, 방사 현상을 이용한 안테나 방식 등이 있는데, 본 발명에 구비되는 인솔(200)의 무선 충전은 상기 무선 충전 방식을 비롯하여 기공지된 다양한 무선 충전 방식을 이용할 수 있다. 물론, 충전 방식에 따라 무선 패치(260)의 형태, 구성 및 재질 등이 상이해질 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템(1000)에 있어서, 사용자의 보행 자세를 가이드하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 센서부(220)를 통해 센싱된 사용자(U)의 보행 정보에 기초하면, 사용자(U)의 보행 속도나 보행 주기를 알 수 있다. 보행 주기는 초기 닿기(initial contact), 반대쪽 발가락 떼기(oppsite toe off), 발뒤꿈치 상승(heel rise), 반대쪽 초기 닿기(opposite contact), 발가락 떼기(toe off), 양발 인접(feet adjacent), 경골 수직(tibial vertical)과 다시 초기 닿기(initial contact)의 8개의 과정으로 세분화될 수 있다. 이를 크게 나누면, 한쪽 발 뒤꿈치가 닿을 때부터 같은 다리의 발가락이 떨어질 때까지의 보행주기인 입각기(stance phase)(대략 60% 차지)와 한쪽 발가락이 떨어질 때부터 같은 발의 뒤꿈치가 닿을 때까지의 보행주기인 유각기(swing phase)(대략 40% 차지)로 나뉘는데, 센서부(220)의 센싱 결과, 사용자(U)의 보폭, 후술할 압력 센서(220)의 센싱 결과에 기초하여, 사용자가 보행하면서 지면에 닿아야 할 족저면의 영역을 검출할 수 있다.
사용자가 보행하면서 지면에 닿아야 할 족저면의 영역에 대한 데이터에 기초하여, 진동부(241,242)는 사용자의 보행 자세를 가이드할 수 있다. 구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, (a)단계에서는 사용자(U)의 오른발 앞꿈치가 지면에 먼저 닿아야 하기 때문에, 전족부 영역에 배치된 제1 진동부(241)가 촉각 자극을 인가한다. 그 다음 (b)단계에서는 사용자(U)의 오른발 뒤꿈치가 지면에 닿아야 하므로, 후족부 영역에 배치된 제2 진동부(242)가 촉각 자극을 인가한다. 다시 (c)단계를 거쳐 (d)단계에 이르면, 사용자(U)의 오른발 뒤꿈치가 지면에 닿아야 하므로, 후족부 영역에 배치된 제2 진동부(242)가 촉각 자극을 인가한다. 왼발에 대해서는 도시하지 않았지만, 왼발에 대해서도 제1 및 제2 진동부(241,242)가 동일한 원리로 동작하게 된다.
상술한 진동부(241,242)의 가이드 동작에 따라 보행이 제대로 이루어지는지를 판단하기 위하여, 도 7에 도시된 바와 같이, 인솔(200)은 전족부 및 후족부 영역에 제1 압력 센서(245) 및 제2 압력 센서(246)를 더 포함할 수 있다. 제1 압력 센서(245) 및 제2 압력 센서(246)는 가이드를 위한 촉각 자극 인가 뒤에 해당 영역이 지면에 닿았는지를 판단한다.
다시, 도 6을 참조하면서 설명하면, (a)단계에서는 사용자(U)의 오른발 앞꿈치가 지면에 먼저 닿아야 하기 때문에, 전족부 영역에 배치된 제1 진동부(241)가 촉각 자극을 인가한다. 그리고, 전족부 영역에 배치된 제1 압력 센서(245)는 촉각 자극 인가 뒤에 전족부 영역이 지면에 닿았는지, 다시 말해, 전족부 영역으로부터 압력이 인가되었는지를 판단한다.
그 다음 (b)단계에서는 사용자(U)의 오른발 뒤꿈치가 지면에 닿아야 하므로, 후족부 영역에 배치된 제2 진동부(242)가 촉각 자극을 인가한다. 그리고, 후족부 영역에 배치된 제2 압력 센서(246)는 촉각 자극 인가 뒤에 후족부 영역이 지면에 닿았는지, 다시 말해, 후족부 영역으로부터 압력이 인가되었는지를 판단한다.
다시 (c)단계를 거쳐 (d)단계에 이르면, 사용자(U)의 오른발 뒤꿈치가 지면에 닿아야 하므로, 후족부 영역에 배치된 제2 진동부(242)가 촉각 자극을 인가한다. 그리고, 후족부 영역에 배치된 제2 압력 센서(246)는 촉각 자극 인가 뒤에 후족부 영역이 지면에 닿았는지, 다시 말해, 후족부 영역으로부터 압력이 인가되었는지를 판단한다. 왼발에 대해서는 도시하지 않았지만, 왼발에 대해서도 제1 및 제2 진동부(241,242) 및 제1 및 제2 압력 센서(245,246)가 동일한 원리로 동작하게 된다.
컨트롤러(210)는 압력 센서(245,246)의 센싱값에 기초하여 낙상 위험이 있는지를 판단한다. 예를 들어, 컨트롤러(210)는 압력 센서(245,2464)의 센싱값을 수신하여, 진동부(241,242)에 의하여 촉각 자극이 제공된 영역이 지면에 닿지 않았다고 판단되면 낙상 위험 신호를 생성한다.
낙상 위험 신호는 보행 재활 장치(100), 트레드밀(미도시) 또는 스마트 미러(미도시)로 전달될 수 있고, 보행 재활 장치(100)의 경우, 낙상 위험 신호가 수신되면 이동체(110)의 동작을 정지하거나, 연결 와이어(120)를 상방으로 끌어당기도록 제어할 수 있고, 트레드밀(미도시)의 경우, 낙상 위험 신호에 기초한 위험 정보를 디스플레이에 표시하고, 스마트 미러(미도시)의 경우, 낙상 위험 신호에 기초한 위험 정보를 사용자 모습에 오버랩시켜 디스플레이할 수 있다.
본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템(1000)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 사용자(U)의 보행 훈련 정보를 나타내는 레이저빔(L)을 사용자의 전방 바닥을 향해 발사하는 레이저 표시부(115)를 더 포함할 수 있다. 보행 훈련 정보는 보행 거리, 보행 속도, 휴식 시간, 보행 방향 등을 포함할 수 있다. 나아가, 보행 훈련 정보는 위에서 설명한 낙상 위험 정보를 포함할 수 있고, 낙상 위험 정보는 족저면의 지면에 대한 각도 등에 기초하여 생성될 수 있다.
이때, 사용자의 전방 바닥을 향해 발사되는 레이저빔(L)은 사용자가 보행을 수행하면서 지속적으로 전방 바닥에 표시되어야 하기 때문에, 레이저빔(L)을 발사하는 레이저 표시부(115)는 사용자의 보행 속도에 맞추어 이동하는 보행 재활 장치(100)의 이동체(110)에 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템(1000)은, 도 9에 도시된 바와 같이, 사용자를 식별하기 위한 RFID 태그를 포함할 수 있다. 구체적으로, 인솔(200)은 RFID 태그를 포함하고, 보행 재활 장치(100)는 인솔(200)에 포함된 RFID 태그를 인식한다.
RFID 태그는 사용자(U)에 대한 각종 정보를 포함하기 때문에, 이에 기초하여 사용자(U) 상태에 적합한 재활 모드를 결정할 수 있다. 다시 말해, 보행 재활 장치(100)는 RFID 태그에 대응하는 사용자 정보에 따라 이동체(110)의 구동 모드를 결정할 수 있다. 또한, 보행 재활 장치(100)는 RFID 태그에 대응하는 사용자 정보에 따라 연결 와이어(130)의 길이를 조절할 수도 있다. 이와 관련하여, 본 발명에 따른 레일 하네스 재활 시스템(1000)은 사용자(U)별 구동 모드를 저장하는 저장부(미도시)를 포함할 수 있고, 사용자(U)별 구동 모드는 이동체(110)의 이동 속도, 휴식 패턴, 연결 와이어(130)의 길이 등에 대한 정보를 포함할 수 있다.
도 10 및 11은 낙상을 방지하기 위한 촉각 자극을 인가하는 진동부의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 센서부(220)는 입각기(stance phase)에서 뒤꿈치가 닿을 때의 지면에 대한 족저면의 각도(β)와 뒤꿈치가 들리고 발가락으로 지탱할 때의 지면에 대한 족저면의 각도(α)를 검출할 수 있다. 이때, 족저면의 각도(α,β)는 사용자(U)의 보행 방향에 평행인 방향을 기준으로 측정된 값이다. 이와 동시에, 센서부(220)는, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 보행 방향에 수직인 방향을 기준으로, 지면에 대한 족저면의 각도(γ)를 검출할 수도 있다.
다시 말해, 센서부(220)에서 센싱된 족저면의 각도는 보행 방향에 평행한 방향을 기준으로 측정된 족저면의 각도(도 10의 (a) 참조)일 수도 있고, 보행 방향에 수직인 방향을 기준으로 측정된 족저면의 각도(도 10의 (b) 참조)일 수도 있다. 보행 방향에 평행한 방향을 기준으로 측정된 족저면의 각도는 사용자(U)가 전방 또는 후방으로 넘어질 위험에 있음을 판단하는 기준이 되고, 보행 방향에 수직인 방향을 기준으로 측정된 족저면의 각도는 사용자(U)가 좌측이나 우측으로 넘어질 위험에 있음을 판단하는 기준이 된다.
컨트롤러(210)는 센서부(220)에서 센싱한, 지면에 대한 족저면의 각도에 기초하여 사용자(U)의 낙상 위험이 존재한다고 판단되면 사용자의 족저면에 촉각 자극(진동 자극, 전기 자극 등)을 제공한다.
도 11의 실시예에서는 전족부 및 후족부 영역에 배치된 제1 및 제2 진동부(241,242)에 더해 우측족부 및 좌측족부 영역에 배치된 제3 및 제4 진동부(243,244)를 더 포함하며, 컨트롤러(210)는 기설정된 범위를 초과하는 각도가 감지된 영역에 배치된 진동부를 제어하여 촉각 자극을 제공함으로써, 사용자가 어느 방향으로 낙상될 위험이 있는지를 인식시킨다.
예컨대, 지면에 대한 뒤꿈치의 각도(α)가 기설정된 범위를 초과하는 경우 후족부에 위치한 영역의 제2 진동부(242)를 제어하여 진동 자극을 인가하고, 지면에 대한 앞꿈치의 각도(β)가 기설정된 범위를 초과하는 경우 전족부에 위치한 영역의 제1 진동부(241)를 제어하여 진동 자극을 인가하며, 사용자의 보행 방향에 수직인 방향을 기준으로 지면에 대한 족저면의 각도(γ)가 기설정된 범위를 초과하는 경우 좌측족부에 위치한 제3 진동부(243)나 우측족부에 위치한 제4 진동부(244)를 제어하여 진동 자극을 인가함으로써, 낙상의 위험뿐만 아니라 낙상 방향까지 인식시킬 수 있게 된다.
본 발명에 따른 스마트 인솔을 이용한 레일 하네스 재활 시스템(1000)에 의하면, 족저면의 3방향 가속도와 3방향 각도를 측정하고, 측정되는 데이터를 통해 사용자의 보행 패턴 빅데이터를 구축하며, 빅데이터를 이용하여 진동 피드백을 통해 낙상주의 사전경보를 제공할 수 있게 된다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000: 레일 하네스 재활 시스템 100: 보행 재활 장치
110: 이동체 120: 하네스
130: 연결 와이어 115: 레이저 표시부
200: 인솔 210: 컨트롤러
220: 센서부 230: 통신부
241: 제1 진동부 242: 제2 진동부
243: 제3 진동부 244: 제4 진동부
245: 제1 압력 센서 246: 제2 압력 센서
250: 배터리 260: 무선 패치
300: 무선 충전기 400: 스마트폰
U: 사용자

Claims (10)

  1. 사용자의 보행 훈련을 위한 보행 재활 장치 및 상기 사용자의 족저면에 구비되는 인솔(insole)을 포함하는 레일 하네스 재활 시스템으로,
    상기 보행 재활 장치는,
    천장 혹은 공중에 구비된 가이드 레일을 따라 이동 가능하게 구비된 이동체;
    상기 사용자의 신체에 착용되어 상기 사용자를 지지하는 하네스; 및
    일단이 상기 이동체에 연결되고, 타단이 상기 하네스에 연결되는 연결 와이어;를 포함하고,
    상기 인솔은,
    상기 족저면의 움직임 가속도 및 지면에 대한 상기 족저면의 각도를 검출하는 센서부;
    전족부 및 후족부 중 적어도 하나의 영역에 배치되어 상기 사용자의 족저면에 촉각 자극을 제공하는 진동부; 및
    상기 센서부의 센싱 정보에 기초하여 상기 사용자의 낙상 위험이 존재한다고 판단되면 상기 사용자의 족저면에 촉각 자극을 제공하도록 상기 진동부를 제어하는 컨트롤러;를 포함하며,
    상기 레일 하네스 재활 시스템은,
    상기 사용자의 모습을 반사하는 미러 패널(mirror panel) 및 상기 인솔로부터 수신된 상기 사용자의 보행 정보 및 상기 낙상 위험의 정보를 상기 사용자의 모습에 오버랩하여 디스플레이하는 디스플레이 패널(display panel)을 포함하는 스마트 미러;를 더 포함하는 레일 하네스 재활 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 지면에 대한 족저면의 각도가 기설정된 범위를 초과하는 경우 낙상 위험 신호를 생성하고,
    상기 보행 재활 장치는 상기 인솔로부터 수신된 상기 낙상 위험 신호에 기초하여 상기 이동체의 구동을 제어하는 레일 하네스 재활 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 사용자의 보행 방향을 기준으로 지면에 대한 족저면의 각도를 검출하는 동시에 상기 사용자의 보행 방향에 수직인 방향을 기준으로 지면에 대한 족저면의 각도를 검출하는 레일 하네스 재활 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 진동부는 전족부, 후족부, 우측족부 및 좌측족부 영역에 각각 하나씩 배치되고, 상기 컨트롤러는 기설정된 범위를 초과하는 각도가 감지된 영역에 배치된 진동부를 제어하여 촉각 자극을 제공하는 레일 하네스 재활 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레일 하네스 재활 시스템은,
    디스플레이부를 포함하는 트레드밀(treadmill)을 더 포함하고,
    상기 인솔의 컨트롤러는 지면에 대한 족저면의 각도가 기설정된 범위를 초과하는 경우 낙상 위험 신호를 생성하고, 상기 트레드밀은 상기 인솔로부터 수신된 상기 낙상 위험 신호에 기초하여 낙상 위험 정보를 상기 디스플레이부에 표시하는 레일 하네스 재활 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 진동부는 사용자의 보행 자세를 가이드하기 위해 상기 사용자의 보행 중 지면에 닿아야 할 전족부 또는 후족부에 실시간으로 촉각 자극을 제공하는 레일 하네스 재활 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인솔은 전족부 및 후족부에 각각 배치되어 사용자의 보행 자세를 가이드하기 위해 촉각 자극이 제공된 영역이 지면에 닿는지를 감지하는 압력 센서;를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 압력 센서의 센싱값을 수신하여 촉각 자극이 제공된 영역이 지면에 닿지 않았다고 판단되면 낙상 위험 신호를 생성하는 레일 하네스 재활 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 이동체는 상기 사용자의 보행 훈련 정보를 나타내는 레이저빔을 상기 사용자의 전방 바닥을 향해 발사하는 레이저 표시부;를 더 포함하는 레일 하네스 재활 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 인솔은 RFID 태그를 포함하고, 상기 보행 재활 장치는 상기 인솔에 포함된 RFID 태그를 인식하여 상기 RFID 태그에 대응하는 사용자 정보에 따라 상기 이동체의 구동 모드를 결정하는 레일 하네스 재활 시스템.
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