KR101873860B1 - 균형 훈련 시스템 - Google Patents

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Abstract

균형 훈련 시스템은, 사용자가 탑승할 수 있는 이동 보드와, 상기 이동 보드를 지면 상에서 전방위로 이동시키는 구동체;를 포함하는 이동 장치를 포함하고, 상기 이동 보드가 사용자의 체중 이동에 의해 수평 상태를 벗어나 기울어지면 상기 구동체가 굴러 이동 장치를 이동 보드의 기울어진 방향으로 이동시키고, 상기 이동 보드가 수평 상태를 회복하면 이동 장치의 이동이 중지되어, 사용자가 자신의 균형 상태를 인지하도록 한다.

Description

균형 훈련 시스템{Balance training system}
본 발명은 균형 훈련 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 균형 감각 향상이 필요한 사용자에게 균형 훈련을 제공할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
나이가 들어 자연적으로 균형 감각이 떨어진 노인이나 선후천적인 영향으로 균형 감각이 약해져 정상적인 생활을 할 수 없는 환자 등에게는 자신의 균형 상태를 인지하고 체중의 이동 방법 등을 몸으로 숙지하여 균형 감각을 회복할 수 있는 균형 훈련이 필요하다.
하지만, 환자가 다른 도움없이 스스로 균형 감각 회복을 위한 훈련을 하기에는 상당한 어려움이 따른다. 따라서, 사용자의 균형 감각 향상을 돕기 위한 균형 훈련 시스템이 제공되고 있다.
종래 기술에 따르면, 균형 훈련을 위한 시스템으로서 다수의 센서를 부착한 판을 이용해 발의 압력을 측정하여 사용자의 균형 상태를 수치적 또는 시각적으로 피드백해주는 시스템에 있다.
하지만, 이러한 시스템은 사용자에게 균형 상태에 대한 직관적인 느낌을 제공하지 않기 때문에, 수치적 또는 시각적인 자료에 근거해 사용자가 불균형 상태인 체중 이동 방법 등을 숙지하기에는 어려움이 따르고 효과 또한 크지 않다.
한국 특허공개 제10-1999-0004305호
본 발명을 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사용자의 체중 이동에 즉각 반응하여 전방위 이동하는 이동 장치를 이용해 사용자에게 자신의 균형 상태에 대한 직관적인 인지를 제공하고, 수평 유지 또는 체중 이동 등에 대한 다양한 균형 상태에 대한 훈련 프로그램을 자유롭게 제공할 수 있는 균형 훈련 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 사용자의 균형 훈련을 돕는 균형 훈련 시스템은, 사용자가 탑승할 수 있는 이동 보드와, 상기 이동 보드를 지면 상에서 전방위로 이동시키는 구동체;를 포함하는 이동 장치를 포함하고, 상기 이동 보드가 사용자의 체중 이동에 의해 수평 상태를 벗어나 기울어지면 상기 구동체가 굴러 이동 장치를 이동 보드의 기울어진 방향으로 이동시키고, 상기 이동 보드가 수평 상태를 회복하면 이동 장치의 이동이 중지되어, 사용자가 자신의 균형 상태를 인지하도록 한다.
일 실시예에 따르면, 균형 훈련 시스템은 사용자의 체중 이동에 의해 상기 이동 보드의 수평 상태가 회복되어야 상기 이동 장치의 이동이 중지되는 체중 이동 훈련 모드를 제공한다.
일 실시예에 따르면, 균형 훈련 시스템은 상기 사용자의 체중 이동에 의해 상기 이동 보드가 수평 상태를 벗어나면, 강제로 상기 이동 보드의 수평 상태를 회복시키는 중심 유지 훈련 모드를 제공한다.
일 실시예에 따르면, 균형 훈련 시스템은 상기 이동 장치의 위치를 추적하기 위한 위치 확인 장치를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 균형 훈련 시스템은, 상기 이동 장치가 이동하여 정해진 위치를 벗어나는 경우, 강제로 상기 이동 보드의 수평 상태를 회복시켜 상기 이동 장치의 이동을 중지시키는 비상 정지 모드를 제공한다.
일 실시예에 따르면, 상기 구동체는 하나의 공이고, 상기 이동 보드는, 상기 공의 적어도 일부를 덮도록 상기 공에 얹어져 지면으로부터 이격되는 커버와, 상기 커버를 기준으로 외측으로 연장되어 사용자가 올라설 수 있는 발판과, 상기 커버 내부에서 상기 공에 접촉하여 상기 공을 굴리는 구동 휠을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 복수의 구동 휠이 상기 공을 중심으로 방사상으로 배치되고, 상기 구동 휠은, 모터에 의해 회전하는 원판체인 메인 휠과, 상기 메인 휠의 외주면을 따라 배치되고 상기 메인 휠에 대해 회전 가능한 복수의 보조 휠을 포함하는 옴니 휠이다.
일 실시예에 따르면, 상기 발판은 상기 커버의 아래쪽의 측면 둘레를 감싸도록 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 커버는 상기 공의 중심이 커버의 내부에 위치하도록 상기 공을 덮는다.
일 실시예에 따르면, 균형 훈련 시스템은, 상기 이동 장치의 운동 상태를 사용자에게 시각적으로 알려주는 디스플레이 장치를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 균형 훈련 시스템은, 사용자가 좇아 상기 이동 장치를 작동시키기 위한 훈련 프로그램을 상기 디스플레이 장치를 통해 표시한다.
일 실시예에 따르면, 균형 훈련 시스템은, 상기 훈련 프로그램에 대한 이행 성과도를 상기 디스플레이 장치를 통해 사용자에게 제공한다.
일 실시예에 따르면, 균형 훈련 시스템은, 상기 이동 장치를 둘러싸는 공간을 형성하는 안전 프레임을 포함하고, 상기 이동 장치가 상기 안전 프레임의 내측에 정의된 안전 위치를 벗어나는 경우, 강제로 상기 안정 보드의 수평 상태를 회복시켜 상기 이동 장치의 이동을 중지시킨다.
일 실시예에 따르면, 균형 훈련 시스템은, 상기 안전 프레임 및 사용자에게 고정되어 사용자의 추락을 방지하는 안전 하니스를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 균형 훈련 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 장치의 사시도이다.
도 3은 도 2의 이동 장치의 구동 휠을 상세히 도시한 것이다.
도 4는 도 2의 이동 장치가 이동 가능한 방향을 도시한 것이다.
도 5 및 도 6은 도 2의 이동 장치의 구동 휠의 구동에 따른 공의 회전 상태를 표현한 것이다.
도 7은 도 2의 이동 장치가 이동 보드의 기울기에 따라 이동하는 원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 8은 도 1의 균형 훈련 시스템의 블록도이다.
도 9는 도 1의 균형 훈련 시스템이 제공하는 중심 유지 훈련 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 1의 균형 훈련 시스템에서의 이동 장치의 동작 영역을 도시한 것이다.
도 11은 도 1의 균형 훈련 시스템이 제공하는 비상 정지 모드를 설명하는 도면이다.
도 12는 도 1의 균형 훈련 시스템의 동작 순서도이다.
도 13 및 도 14는 체중 이동 훈련 모드에 대한 훈련 프로그램의 일 예를 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 균형 훈련 시스템(1)을 도시한 것이다.
본 실시예에 따른 균형 훈련 시스템(1)은 사용자(U)가 탑승 가능하고 지면 위에서 전방위로 이동 가능한 이동 장치(10)와, 이동 장치(10)를 둘러싸는 안전 프레임(20)과, 안전 프레임(20)에 결합되어 사용자가 추락하는 것을 방지하는 안전 하니스(30)를 포함한다.
아울러, 균형 훈련 시스템(1)은, 컴퓨터(40)를 포함하고, 컴퓨터(40)는 이동 장치(10)의 운동 상태를 사용자에게 시각적으로 보여주는 디스플레이 장치(41)와, 이동 장치(10) 및 사용자의 위치를 추적하기 위한 위치 확인 장치(42)를 포함한다. 본 실시예에 따른 위치 확인 장치(42)는 이동 장치(10)에 마주하도록 배치되는 카메라(42)이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 안전 프레임은 대략 "U"자형 영역(50)을 형성하는 측면 프레임(22)과 상기 측면 프레임(22)의 상부를 가로지르도록 형성되는 상부 프레임(21)을 포함한다. 안전 프레임의 내부 영역(50)은 반드시 "U"자형일 필요가 없으며, 훈련을 위한 공간을 확보하기 위한 형태라면 그 형태가 한정되지 않는다.
측면 프레임(22)은 사용자(U)가 이동 장치(10) 위에 올라섰을 때, 손으로 잡고 의지할 수 있을 정도의 높이로 형성된다. 상부 프레임(21)에는 안전 하니스(30)의 안전 로프(31)가 연결되어 있으며, 안전 로프(31)에는 사용자의 허리를 감쌀 수 있는 복대(32)가 형성된다.
안전 로프(31)는 소정의 탄성을 가져서 사용자가 이동 장치(10)로부터 낙하하였을 때 충격을 감소시킨다. 또한, 안전 로프(31)의 길이는, 사용자가 이동 장치(10)와 함께 사용자가 이동하거나 이동 장치(10) 위에서 체중을 이동시키는데 방해되지 않도록 적절히 조정된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 장치(10)의 사시도이다.
이동 장치(10)는 사용자가 탑승할 수 있는 이동 보드(11)와, 이동 보드(11)를 지면 상에서 전방위로 이동시키는 구동체를 포함한다.
본 실시예에 따른 구동체는 하나의 공(12)으로, 이동 장치(10)는 일종의 공 구동 로봇으로 구성된다.
이동 보드(11)는 공(12)의 적어도 일부를 덮도록 공(12)에 얹어져 지면으로부터 소정 높이를 가지도록 이격되는 커버(111)와, 상기 커버(111)를 기준으로 외측으로 연장되어 사용자가 올라설 수 있도록 형성되는 발판(112)을 포함한다.
커버(111)의 내부에는 공(12)에 접촉하여 공(12)을 굴릴 수 있는 복수의 구동 휠(121)을 포함한다.
커버(111)의 상면 내측에는 고정 판(123)이 구비되고, 고정 판(123)에는 등간격을 이루어 방사형으로 배치되는 세 개의 모터(122)가 고정된다. 세 개의 모터(122)의 모터 축은 커버(111)의 상면과는 경사를 이루어 배치된다.
각각의 모터(122)의 모터 축에는 구동 휠(121)이 하나씩 배치된다. 모터(122)의 배치에 의해, 세 개의 구동 휠(121)은 공(12)을 중심으로 방사상을 배치되며, 그 측면이 공(12)에 접촉하도록 배치된다.
커버(111)는 공(12)의 중심이 커버(111)의 내부에 위치하도록 공을 덮도록 형성된다. 커버(111)의 하부 측 내면에는 복수의 볼 캐스터(131)가 형성되어 공(12)을 지지하도록 함으로써, 공(12)이 커버(111)와 예기치 않게 분리되어 탈락하는 것을 방지한다. 볼 캐스터(131)는 공(12)과의 접촉을 유지하되 자유 회전 가능하여, 공(12)이 회전하는 것을 방해하지 않는다.
커버(111)의 하부측 측면 둘레에는 발판(112)이 돌출 형성되며, 발판은 커버의 둘레를 완전히 둘러싸도록 형성된다. 발판(112)은 사용자가 올라설 수 있을 정도의 넓이로 형성된다.
본 실시예에 따르면, 커버(111)는 공(12)의 중심이 커버(111)의 내부에 위치하도록 공을 덮도록 형성되므로, 커버(111)의 하부측 측면 둘레로 연장되는 발판(112)이 이동 장치(10)의 회전 중심이 되는 공(12)의 중심보다 낮게 형성된다. 따라서, 이동 장치(10) 전체의 무게 중심이 낮아져 사용자가 중심을 잡기가 수월해진다.
아울러, 발판(112)은 커버(111)의 둘레 전체를 둘러 돌출되어 있으므로, 이동 보드(11)의 균형 유지에 실패해 이동 보드(11)가 넘어지더라도, 발판(112)이 지면을 지지하여 이동 보드(11)가 큰 각도로 넘어지는 것이 방지되어, 사용자가 이동 보드(11)에서 탈락하는 현상을 최소화할 수 있다.
커버(111)의 고정판(123)에는 모터(122)들 사이에 이동 장치(10)를 제어할 수 있는 제어 박스(124)가 구비된다.
제어 박스(124)에는 이동 보드(11)의 기울기를 검출할 수 있는 기울기 센서(161)와, 기울기 센서(161)에서 검출된 이동 보드(11)의 기울기 값을 바탕으로 모터(122)의 회전 방향과 출력을 결정하여 모터(122)를 구동시키는 마이크로 프로세서(162)가 구비된다. 본 실시예에 따른 기울기 센서는, 자이로 센서 및 가속도 센서가 이용되지만, 이에 한정되지 않고 이동 보드의 기울기 각도와 크기 등을 검출할 수 있는 다양한 센서가 이용될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 이동 장치(10)가 전방위 이동 가능하도록 구동 휠(121)로서 옴니 휠을 이용한다.
도 3은 본 실시예에 따른 구동 휠(121)을 상세히 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 구동 휠(121)은, 모터(122)에 의해 모터 축(153)을 중심으로 회전하는 원판 형태의 메인 휠(151)과, 상기 메인 휠(151)의 외주면을 따라 등간격으로 배치되고 메인 휠(151)의 둘레방향으로 연장되는 축(154)에 대해 회전 가능한 복수의 보조 휠(152)을 포함한다. 보조 휠(152)은 메인 휠(151)에 대해 자유 회전 가능하다.
본 실시예에 따른 구동 휠(121)은 한 개 열을 이루는 보조 휠(152)을 구비하는 옴니 휠 형태를 가지지만 이에 한정되지는 않는다. 보조 휠(152)은 두 개 열을 이루어 메인 휠(151)의 둘레를 따라 배치될 수도 있다. 그밖에, 매우 다양한 형태의 옴니 휠이 공지되어 있으며, 본 명세서에서 설명하는 이동 장치의 동작을 수행할 수 있는 형태라면 옴니 휠의 형태는 제한되지 않는다.
본 실시예에 따르면, 모터(122)의 회전에 의해 메인 휠(151)이 회전한다. 공(12)에는 보조 휠(152)이 접촉하게 되며, 보조 휠(152)은 공(12)에 대해 소정의 마찰력을 가지는 재질로 형성된다.
도 4는 본 실시예에 따른 이동 장치(10)가 이동 가능한 방향을 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이동 장치(10)는 x-y 축에 의해 정의되는 지면 상에서 전방위로 이동 가능하다.
이러한, 이동 장치(10)의 전방위 구동은, 이동 장치(10)에 구비된 세 개의 구동 휠(121)을 독립적으로 회전 구동하여 공(12)을 굴림으로써 가능하다.
도 5 및 도 6은 구동 휠(121)의 구동에 따른 공(12)의 회전을 표현한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1 구동 휠(121-1)의 메인 휠은 회전하지 않은 상태에서, 제2 구동 휠(121-2)과 제3 구동 휠(121-3)의 메인 휠 반대방향으로 회전시키면, 공(12)은 제1 구동 휠(121-1)이 배치된 방향으로 굴러 이동 장치(10)가 해당 방향으로 이동하게 된다(도면에서 직선 화살표 방향).
이때, 각 구동 휠(121)에 구비된 보조 휠(152)은 메인 휠(151)에 대해 자유 회전 가능하므로, 각 구동 휠(121)의 메인 휠(151) 들은 서로 공(12)과의 마찰에 의해 방해받지 않고 독립적인 방향과 크기로 회전할 수 있게 된다. 예를 들어, 제1 구동 휠(121-1)의 메인 휠은 공에 대해 회전하지 않고 있지만, 공(12)이 회전함에 따라서 제1 구동 휠(121-1)의 보조 휠은 메인 휠에 대하여 공(12)의 굴림 방향과 반대 방향으로 회전하고 있다.
아울러, 도 6에 도시된 바와 같이, 세 개의 구동 휠의 메일 휠을 동일한 출력과 방향으로 회전시키면, 공(12)이 특정 방향으로 회전하지 않고 지면과 수직한 축을 중심으로 제자리에서 회전하도록 하는 것도 가능하다.
위와 같이, 세 개의 구동 휠의 메인 휠들의 회전 방향과 출력을 조절하면 공(12)이 구르는 방향 및 속도 등을 조절할 수 있다.
본 실시예에 따른 이동 장치(10)는 이동 보드(11)가 지면에 대해 경사지지 않은 상태로 이동하도록 제어될 수 있지만, 사용자의 균형 훈련을 위해 이동 보드(11)의 기울기에 따라 구동하도록 제어된다.
도 7은 이동 장치(10)가 기울기에 따라 이동하는 원리를 설명하기 위한 개략도이다.
본 실시예에 따른 이동 장치(10)는 이동 보드(11)의 각도 변화에는 구속력이 없고, x-y축(지면 상)으로의 구속력을 가지고 있다. 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이동 장치(10)는 일종의 "카트형 역진자 시스템"으로 개략화될 수 있다.
이동 보드(11)와 그에 탑승한 사용자는 하나의 팬들럼(170)으로 표현할 수 있다. 또한, 세 개의 구동 휠(121)은, 공(12)과 점 접촉하며 그 중심점을 기준으로 전방위 회전 구동하는 하나의 볼 롤러(171)로 통합하여 표현할 수 있다. 볼 롤러(171)는 그 중심점을 기준으로 전방위 회전 구동이 가능하다.
본 실시예에서는 세 개의 구동 휠(121)을 이용해 공(12)을 회전시키지만, 하나의 볼 롤러(171)로 표현될 수 있는 합성력을 공(12)에 전달할 수 있는 다양한 형태의 구동체가 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다.
이동 장치(10)의 이동은 마치 손바닥 위에 막대를 올려 막대가 쓰러지지 않도록 균형을 잡는 것과 같은 원리로 설명할 수 있다.
막대가 쓰러지는 방향으로 손바닥을 이동시키면 막대를 쓰러뜨리지 않고 균형을 잡을 수 있게 된다. 이때 손바닥의 이동에 따라 막대에 가해지는 관성력이 막대의 하중에 의한 힘과 균형을 이루면 막대는 기울어진 각도를 유지한 채 쓰러지지 않게 된다. 반면, 손바닥을 빠른 속도로 막대가 쓰러지는 방향으로 이동시키면, 막대에 가해지는 관성력이 막대의 하중을 이겨 막대는 수직으로 세워지게 된다.
사용자가 이동 보드(11)에 올라탄 상태에서 체중이 한쪽으로 쏠리면 이동 보드(11)가 한쪽으로 기울어지게 된다.
본 실시예에 따르면, 이동 보드(11)가 사용자의 체중 이동에 의해 수평 상태를 벗어나 기울어지면 공(12)이 굴러 이동 장치(10)를 이동 보드(11)의 기울어진 방향으로 이동시키고, 이동 보드(11)가 수평 상태를 회복하면 이동 장치의 이동이 중지되도록 한다. 즉, 이동 보드(11)의 기울기를 제어 입력으로 하여 이동 장치(10)의 위치 이동이 이루어지며, 이동 보드(11)의 기울기가 0일 때 이동 장치(10)는 제자리에 머물도록 제어된다.
이동 보드(11)의 기울기는 발판(112)이 평평한 지면에 대해 수평한 자세를 취한 상태를 기준으로 정의되고, 기울기의 방향 및 크기는 지면과 수직한 축을 중심으로 정의된다.
도 7을 참조하면, 이동 보드(11)가 기울어지게 되면, 기울기의 크기(θ)와 방향(D) 정보가 기울기 센서(161)를 통해 감지 및 계산된다.
마이크로 프로세서(162)는 기울기가 감지되면, 모터를 구동하여 볼 롤러(171)를 팬들럼(170)을 세우기 위한 방향(즉, 이동 보드(11)가 기울어진 방향의 반대 방향)으로 회전 구동(R1)시킨다. 다시 말해서, 세 개의 구동 휠의 합성 회전력이 이동 보드(11)가 기울어진 방향의 반대 방향으로 공(12) 작용하도록, 세 개의 구동 휠을 독립적으로 회전시킨다. 이에 따라서, 공(12)이 반대 방향으로 회전(R2)하여 이동 장치(10) 전체가 이동 보드(11)가 기울어진 방향(D)으로 이동하게 된다.
이때, 팬들럼(170)의 하중(Fg)에서 팬들럼(170)을 기울이는 토크를 제공하는 성분의 힘(Fg')과 이동 장치(10)의 이동에 따라 팬들럼(170)에 가해지는 힘(관성)(Fa)이 평형을 이루는 경우, 팬들럼(170)(사용자와 이동 보드)은 기울어진 각도를 유지한 채로 기울어진 방향(D)으로 이동하게 된다.
반면, 공(12)의 굴림 속도 및 가속도 증가에 따라, 하중에 의한 힘(Fg)보다 이동 장치(10)의 이동에 의한 힘(Fa)이 커지면, 이동 보드(11)는 최종적으로 기울기가 0인 상태가 되도록 바로 세워질 수 있다.
도 8은 본 실시예에 따른 균형 훈련 시스템(1)의 블록도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 사용자(U)의 체중 이동에 따라 이동 보드(11)가 기울어진 정보가 기울기 센서(161)에 의해 감지되면, 마이크로 프로세서(162)는 모터(122)를 구동하여 이동 장치(10)를 구동시킨다.
이동 장치(10)의 위치는 카메라(42)에 의해 추적되고, 추적된 위치는 컴퓨터(40)에 의해 계산된다. 마이크로 프로세서(162)는 이동 보드(11)의 기울기 정보, 이동 장치(10)의 이동 속도 및 가속도 등의 정보를 컴퓨터(40)에 제공하고, 컴퓨터(40)는 위 정보들을 종합하여 디스플레이 장치(41)를 통해 사용자에게 시각적인 피드백을 제공한다.
본 실시예에 따른 이동 장치(10)는 사용자가 타고다닐 수 있는 이동 수단이 아닌, 사용자의 균형 훈련을 돕는 수단으로 이용되므로, 균형 훈련 시스템(1) 내의 구성 간의 상호 작용하여, 사용자에게 다양한 균형 훈련 모드를 제공할 수 있게 제어된다.
먼저, 균형 훈련 시스템(1)은 "체중 이동 훈련 모드"를 제공한다.
다시 도 7을 참조하여 체중 이동 훈련 모드를 설명한다.
체중 이동 훈련 모드는, 팬들럼(170)의 하중(Fg)에서 팬들럼(170)을 기울이는 토크를 제공하는 성분의 힘(Fg')과 이동 장치(10)의 이동에 의한 힘(관성)(Fa)이 평형을 이루도록 이동 장치(10)가 제어되는 모드이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 사용자가 좌측으로 체중을 이동시켜 이동 보드(11)가 좌측으로 기울어지는 것이 감지되면, 마이크로 프로세서(162)는 공(12)을 굴려 이동 장치(10) 전체가 이동하도록 제어한다.
이때, 모터의 출력은 공(12)의 속도는 하중에 의한 힘(Fg)보다 이동 장치(10)의 이동에 의한 힘(Fa)이 평형을 이룰 때까지 증가하게 되는데, 모터의 출력이 평형을 이루는데 미치지 못하는 경우, 기울어진 각도(θ)가 증가하게 될 것이고 이에 대응하여 모터의 출력이 더 증가하여 이동 장치(10)의 이동 속도가 증가하게 된다.
이동 장치(10)의 이동 속도가 증가하게 되면, 하중에 의한 힘(Fg)보다 이동 장치(10)의 이동에 의한 힘(Fa)이 서로 평형점을 찾게 되는 순간이 있다. 즉, 기울어진 각도(θ)가 변하지 않는 평형점에서 모터의 출력은 더 이상 증가하지 않고 현재 출력을 유지하도록 제어된다. 사용자가 체중을 현재 위치에서 좌측으로 더 이동시켜 힘을 싣지 않는 이상 이동 보드(11)는 현재 각도를 유지한 채로 좌측으로 계속해서 이동하게 된다.
사용자가 체중을 좌측으로 이동시켜 좌측에 힘을 싣게 되면, 이동 보드(11)의 기울기의 크기(θ)가 증가하게 되고, 이에 상응하여 모터의 출력은 다시 평형점을 찾기 전까지 증가하게 된다.
반대로, 사용자가 체중을 우측으로 이동시켜 우측으로 힘을 싣게 되면, 이동 보드(11)의 기울기의 크기(θ)가 감소하게 된다. 이에 상응하여 모터의 출력은 감소하게 되고 하중에 의한 힘(Fg)보다 이동 장치(10)의 이동에 의한 힘(Fa)이 평형을 이루게 된다. 이동 장치(10)는 계속해서 좌측으로 이동하게 되지만, 모터의 출력이 감소한 만큼 이동 속도는 감소하게 된다.
이와 같이, 체중 이동 훈련 모드에서는 하중에 의한 힘(Fg)보다 이동 장치(10)의 이동에 의한 힘(Fa)이 평형을 이루어지도록 제어되므로, 이동 보드(11)의 수평 상태는 실질적으로 사용자의 체중 이동에 의해서만 회복될 수 있다. 즉, 이동 장치(10)의 이동 속도는 팬들럼(170)이 더 쓰러지지 않고 현재 자세를 유지할 수 있는 정도로 설정되며, 이동 보드(11)가 수평 상태를 회복하기 위해서는 사용자가 몸을 일으켜 체중에 의해 이동 보드(11)를 수평 상태로 만들어야 한다.
다만, 이동 보드(11)가 설정된 각도보다 더 많이 기울어져 전복의 위험이 있는 경우, 모터의 출력을 일시적으로 증가시켜 이동 보드(11)의 기울기를 소정 정도 이하로 감소시키도록 비상 제어하는 것은 가능하다.
이와 같은 체중 이동 훈련 모드에서는, 이동 장치(10)의 이동 방향 및 속도에 의해 사용자가 자신의 균형이 어디로 얼마큼 쏠려 있는지를 직관적으로 인식할 수 있으며, 이동 장치(10)를 정지시키거나 원하는 방향으로 이동시키기 위해 체중 이동을 스스로 하여야 하므로 체중의 이동 방법을 몸으로 직접 숙지할 수 있게 된다.
한편, 균형 훈련 시스템(1)은 "중심 유지 훈련 모드"를 제공한다.
도 9는 중심 유지 훈련 모드를 설명하기 위한 도면이다.
중심 유지 훈련 모드에서는, 사용자의 체중 이동에 의해 이동 보드(11)가 수평 상태를 벗어나면, 강제로 상기 이동 보드의 기울기가 0이 되도록 하여 안전 보드의 수평 상태를 회복시킨다.
구체적으로, 중심을 제대로 유지하지 못해 제자리에 서있기 힘든 사용자는 이동 보드(11) 위에서 자신의 의지와 상관없이 한쪽으로 체중을 싣게 된다. 이러한 체중의 이동에 의해 이동 보드(11)는 한쪽으로 기울게 된다.
도 9를 참조하면, 현재 위치(Lc)에서 이동 보드(11)의 기울기가 감지되면, 마이크로 프로세서는 공(12)이 기울기 방향(D1) 방향으로 최대 속도로 구르도록 하여 이동 장치(10)가 최대 속도로 기울어진 방향으로 이동하도록 제어한다. 여기서 이동 장치(10)의 최대 속도는 모터의 가용한 최대 출력에 의해 정해질 수 있고, 다르게는 최초 탑승시 입력한 사용자의 체중을 고려하여 체중에 의한 최대 힘을 이길 수 있을 정도로 정해질 수도 있다. 후자의 경우 이동 장치(10)의 급격한 이동에 의한 관성으로 사용자가 받는 충격을 최소화할 수 있다.
이러한 이동 장치(10)의 이동에 의한 관성에 의해 소정의 거리(X)를 이동한 위치(LT)에서 이동 보드(11)가 지면과 수직(즉, 이동 보드(11)가 지면과 수평)하게 바로 선다. 이때, 이동 장치(10)는 위치(LT)에서 바로 정지하지 못하고, 위치(Lc')까지 더 진행하면서 이동 보드(11)는 최초 기울기 반대 방향으로 기울어질 수 있다. 이동 보드(11)의 기울기에 대응하여, 이동 장치(10)는 다시 이동 보드(11)가 기울어진 방향(D2)으로 최대 속도로 이동하게 된다.
이러한 이동 장치(10)의 이동 관성에 의해 이동 장치(10)가 위치(LT)를 지난 위치(Lc")까지 더 진행하게 되고, 이동 보드(11)는 최초 기울기 방향으로 기울어지는 현상이 발생한다. 단, 위치(LT)에서 위치(Lc")까지 거리(X2)는 위치(LT)에서 위치(Lc')까지 거리(X1)보다는 줄어들게 된다. 이동 보드(11)의 기울기 방향에 따라, 공(12)은 다시 위치(LT) 쪽으로 이동하게 되고, 이러한 과정을 반복하는 동안, 이동 장치(10)는 위치(LT)에 점점 수렴하여 위치하게 된다.
이 과정에서 사용자가 체중을 이동시켜 이동 보드(11)가 억지로 기울게 되면, 이동 장치(10)는 상술한 과정을 다시 반복하여 마치 오뚜기와 같이 이동 보드(11)의 수평 상태를 유지하기 위한 힘을 지속적으로 전달한다.
사용자는 최초 이동 장치(10)의 순간적인 이동으로 사용자는 잠시 중심을 잃게 될 수 있지만, 이동 장치(10)의 진동이 점차 줄어들면서 사용자는 바로 서있기 위해서 자신의 중심을 어찌 위치시켜야 하는지를 스스로 깨닫고 숙지할 수 있게 된다.
본 실시예에 따른 균형 훈련 시스템(1)이 사용자는 중심을 스스로 잡기 어려운 경우가 많으므로, 사용자의 안전한 사용이 보장되어야 한다.
따라서, 본 실시예에 따른 균형 훈련 시스템(1)은 이동 장치(10)가 이동하여 정해진 위치를 벗어나는 경우, 강제로 이동 보드(11)의 수평 상태를 회복시켜 이동 장치(10)의 이동을 중지시키는 비상 정지 모드를 제공한다.
본 실시예에 따르면, 비상 정지 모드의 자동 활성화를 위해, 안전 프레임(20)이 정의하는 지면 영역(50) 안에 이동 장치(10)의 동작 영역을 정의한다.
도 10은 일 실시예에 따른 동작 영역(Aa)을 도시한 것이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 지면 영역(50) 안에는 동작선(La)에 의해 정의되는 원형의 동작 영역(Aa)이 정의되어 있다. 동작 선(La)의 외부에는 동작 영역(Aa)보다 큰 영역을 형성하는 안전 선(Ls)이 함께 정의되어 있다.
본 실시예에 따르면, 이동 장치(10)의 동작 영역(Aa)이 원형으로 지정되어 있지만, 이에 한정되지 않으면, 동작 영역(Aa)은 다양한 형태의 도형으로 지정 가능하다.
동작 선(La)과 안전 선(Ls)은 사용자에게 일종의 정보를 제공하기 위해 지면에 표시될 수도 있지만, 컴퓨터(40)가 정의하는 좌표 공간에서 지정된 가상의 선이면 족하다. 즉, 카메라(42)가 촬영한 정보를 바탕으로, 컴퓨터(40)는 안전 프레임(20) 내부의 영역(50)을 좌표화되며, 동작 선(La)과 안전 선(Ls)의 좌표가 좌표 공간 내에 설정된다.
카메라(42)가 이동 장치(10)의 위치를 추적하면 컴퓨터(40)가 이를 좌표화하고, 이동 장치(10)의 좌표가 동작 영역(Aa) 내에 있는지 여부를 판단하게 된다.
컴퓨터(40)에서 이동 장치(10)가 동작 선(La)에 위치한 것으로 판단하게 되면, 마이크로 프로세서는 이동 보드(11)의 기울기를 검출하여 해당 기울기가 동작 영역(Aa)을 벗어나는 방향을 향해 있는지 판단한다.
이동 장치(10)가 동작 영역(Aa)을 벗어날 것으로 예상되면 비상 정지 모드를 자동으로 활성화한다.
도 11은 균형 훈련 시스템의 "비상 정지 모드"를 설명하는 도면이다.
비상 정지 모드의 동작은 기본적으로 중심 유지 훈련 모드의 동작과 유사하다. 다만, 중심 유지 훈련 모드에서는 모터의 출력을 최단시간에 최대로 올려 이동 장치(10)가 가급적 제자리를 유지한 상태에서 이동 보드(11)가 수평을 유지하도록 하는 반면, 비상 정지 모드는 소정의 완충 영역을 둔다.
완충 영역은 동작 선(La)과 안전 선(Ls) 사이의 영역이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 이동 장치(10)가 동작 선(La)을 넘어 이동하는 것으로 예측되면, 마이크로 프로세서는 안전 선(Ls)에서 이동 보드(11)의 기울기가 0이 되도록 이동 장치(10)의 속도(vc)를 산출한다. 동작 선(La)에서 안전 선(Ls)까지 이동하는 동안 팬들럼(170)에 작용하는 힘에 의해 감소할 이동 보드(11)의 기울기가 예측된다. 마이크로 프로세서는 예측된 위치에서 이동 보드(11)의 기울기가 예상되는 기울기로 줄어들지 않으면, 모터의 출력을 높여 이동 장치(10)의 속도(vc)를 증가시킨다. 이와 같은 과정을 통해 이동 장치(10)는 안전 선(Ls)에서 정지될 수 있으며, 이동 장치(10)가 안전 선(Ls)을 벗어나 사용자가 안전 프레임(20)에 충돌하는 일을 방지할 수 있다.
비상 정지 모드에서 안전 선(Ls)에서 정지한 이동 장치(10)는 최초로 훈련을 시작한 위치로 자동으로 복귀하도록 설정될 수도 있다.
도 12는 본 실시예에 따 균형 훈련 시스템(1)의 동작 순서도이다.
도 1 및 도 12를 참조하면, 사용자 또는 보조자는 이동 장치(10)의 이동 보드(11)가 평행하게 유지되도록 세팅하고, 기울기 센서 등의 센서 장치를 초기화한다. 이때, 이동 장치(10)의 평행 유지는 보조 받침대(미도시)를 이용해 유지될 수 있다. 보조 받침대는 이동 보드(11)를 좌우에서 잡아주는 형태의 각종 프레임 또는 도구일 수 있다.
이동 장치(10)의 초기 세팅이 마무리되면, 카메라(42)를 이용해 이동 보드의 위치를 확인하고, 현재 위치를 기준 위치로 세팅한다.
사용자(U)가 발판(112) 위에 올라서 탑승하면, 사용자 또는 보조자는 훈련 모드를 선택한다.
사용자가 체중 이동 훈련이 필요한 사람이라면 체중 이동 훈련 모드를 선택하고, 중심 유지 훈련이 필요한 사람이라면 중심 유지 훈련 모드를 선택한다. 본 실시예에 따르면, 체중 이동 훈련 모드와 중심 유지 훈련 모드가 임의의 순서대로 반복되는 복합 훈련 모드도 제공될 수 있다.
훈련 모드가 선택되면, 컴퓨터(40)는 사용자가 좇아 이동 장치(10)의 작동시키기 위한 훈련 프로그램을 디스플레이 장치(41)를 통해 표시한다.
도 13 및 도 14는 체중 이동 훈련 모드에서의 훈련 프로그램의 일 예를 도시한 것이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치(41)는 판(45) 형태의 그래픽을 표시하고, 판(45) 위에 사용자가 이동시켜야 하는 목표물(O)의 그래픽을 표시한다.
디스플레이 장치(41) 또는 스피커를 통해, 사용자에게 목표물(O)을 판(45)에서 좌측 전방 모서리로 소정 시간 안에 보내라는 지령을 하달한다. 사용자는 체중을 좌측 전방을 향해 기울여 이동 보드(11)가 해당 방향으로 기울어지도록 함으로써, 이동 장치(11)를 좌측 전방으로 이동시킨다.
카메라(42)는 이동 장치(11)의 위치를 추적하고, 컴퓨터(40)는 이동 장치(11)의 위치 좌표를 목표물(O)의 좌표로 변환하여, 목표물(O)의 그래픽이 판(45) 위에서 움직이도록 한다.
위와 같이 이동 장치(11)의 실제 이동과, 디스플레이 장치(42)를 통한 그래픽의 이동이 사용자에게 동시에 전달되도록 함으로써, 사용자는 더 직관적이고 효율적으로 자신의 체중 이동 상태를 인지할 수 있게 된다.
다르게는, 도 14에 도시된 바와 같이, 구불구불한 길(47)과 목표 위치(goal)를 사용자에게 제시하고, 사용자가 길이 정의하는 곡선 주로를 따라 이동 장치(11)를 이동시키도록 유도할 수도 있다. 사용자는 길의 곡선을 따라 이동 장치(11)를 전후좌우로 이동시켜야 하며, 이를 통해 체중 이동을 원활하게 하는 방법을 체득하게 된다.
도시하지는 않았지만, 중심 유지 훈련 모드에 대한 훈련 프로그램에서는 목표물(O)을 제자리에 몇 초간 정지시키라는 등의 지령을 사용자에게 주도록 하여, 사용자가 중심을 유지하기 위한 근육의 이용 방법을 체득하도록 할 수 있다.
또한, 복합 모드에서는 목표물(O)을 특정 위치로 이동시킨 후 몇 초간 제자리에 머문 뒤 사이 특정 위치로 이동시키라는 지령을 담은 훈련 프로그램이 제공될 수도 있을 것이다.
다시 도 12를 참조하면, 훈련 프로그램의 선택이 끝나면, 보조자 등에 의해 이동 보드(11)를 고정하던 받침대가 제거되며, 즉시 이동 장치의 모터가 구동되면서 훈련 프로그램이 실행된다.
이때, 체중 이동 훈련 모드가 선택되어 있는 경우라도, 훈련 프로그램에서 훈련 시작의 지령이 하달되지 않는 경우, 이동 장치(10)는 중심 유지 훈련 모드로 동작하여 사용자가 바로 중심을 잃어 훈련이 종료되는 것을 방지하도록 할 수 있다.
훈련 프로그램이 실행되는 동안 카메라(42)는 지속적으로 이동 장치(10)를 관찰하여 위치를 확인한다. 카메라(42)를 통해 추적되는 이동 장치(10)의 위치 및 이동 보드(11)의 기울기, 이동 장치(10)의 이동 속도 등은 디스플레이 장치(42)를 통해 사용자에게 제공될 수 있다.
컴퓨터(40)는 이동 장치(10)가 동작 영역(Aa) 내에 있는지를 판단하고, 이동 장치(10)가 동작 영역(Aa)을 벗어나게 되면 비상 정지 모드를 자동으로 활성화시켜 이동 장치(10)가 안전 영역 내에 머무르도록 제어한다.
이동 장치(10)가 동작 영역(Aa) 내에서 무사히 훈련 프로그램을 마치면, 컴퓨터(40)는 훈련 성과를 평가하여 디스플레이 장치(42)를 통해 표시한다.
훈련 성과는 훈련 프로그램에서 제시한 이동 위치에 대한 이행 정확도, 이행 시간 등으로 평가될 수 있다.
본 실시예에 따른 균형 훈련 시스템(1)에 따르면, 이동 보드가 사용자의 체중 이동에 의해 수평 상태를 벗어나 기울어지면 구동체가 굴러 이동 장치를 이동 보드의 기울어진 방향으로 이동시키고, 이동 보드가 수평 상태를 회복하면 이동 장치의 이동이 중지되어, 사용자가 자신의 균형 상태를 즉각적으로 인지하는 것이 가능하다.
또한, 이동 장치로 공 구동 로봇을 이용함으로써, 전후 좌우 전방향에 대한 균형 훈련이 가능하며, 체중 이동에 따른 공 구동 로봇의 균형 제어를 통해 즉각적이고 현실감이 있는 균형 훈련이 가능해진다.

Claims (14)

  1. 사용자의 균형 훈련을 돕는 균형 훈련 시스템으로서,
    사용자가 탑승할 수 있는 이동 보드;와, 상기 이동 보드를 지면 상에서 전방위로 이동시키는 구동체;를 포함하는 이동 장치를 포함하고,
    상기 이동 보드가 사용자의 체중 이동에 의해 수평 상태를 벗어나 기울어지면 상기 구동체가 굴러 이동 장치를 이동 보드의 기울어진 방향으로 이동시키고,
    상기 이동 보드가 수평 상태를 회복하면 이동 장치의 이동이 중지되어,
    사용자가 자신의 균형 상태를 인지하도록 하되,
    상기 이동 보드의 기울기의 크기와 상기 이동 장치의 이동 속도는 비례하되,
    이동장치의 최대 속도는 사용자의 체중에 의한 최대 힘을 견딜 수 있는 범위로 결정되는 것을 특징으로 하는 균형 훈련 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    사용자의 체중 이동에 의해 상기 이동 보드의 수평 상태가 회복되어야 상기 이동 장치의 이동이 중지되는 체중 이동 훈련 모드를 제공하는 것을 특징으로 하는 균형 훈련 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 체중 이동에 의해 상기 이동 보드가 수평 상태를 벗어나면, 강제로 상기 이동 보드의 수평 상태를 회복시키는 중심 유지 훈련 모드를 제공하는 것을 특징으로 하는 균형 훈련 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이동 장치의 위치를 추적하기 위한 위치 확인 장치를 포함하는 것으로 특징으로 하는 균형 훈련 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이동 장치가 이동하여 정해진 위치를 벗어나는 경우, 강제로 상기 이동 보드의 수평 상태를 회복시켜 상기 이동 장치의 이동을 중지시키는 비상 정지 모드를 제공하는 것을 특징으로 하는 균형 훈련 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구동체는 하나의 공이고,
    상기 이동 보드는,
    상기 공의 적어도 일부를 덮도록 상기 공에 얹어져 지면으로부터 이격되는 커버;
    상기 커버를 기준으로 외측으로 연장되어 사용자가 올라설 수 있는 발판;
    상기 커버 내부에서 상기 공에 접촉하여 상기 공을 굴리는 구동 휠을 포함하는 것을 특징으로 하는 균형 훈련 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    복수의 구동 휠이 상기 공을 중심으로 방사상으로 배치되고,
    상기 구동 휠은,
    모터에 의해 회전하는 원판체인 메인 휠과, 상기 메인 휠의 외주면을 따라 배치되고 상기 메인 휠에 대해 회전 가능한 복수의 보조 휠을 포함하는 옴니 휠인 것을 특징으로 하는 균형 훈련 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 발판은 상기 커버의 아래쪽의 측면 둘레를 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 균형 훈련 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 커버는 상기 공의 중심이 커버의 내부에 위치하도록 상기 공을 덮는 것을 특징으로 하는 균형 훈련 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이동 장치의 운동 상태를 사용자에게 시각적으로 알려주는 디스플레이 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 균형 훈련 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치는,
    사용자가 상기 이동 장치를 목적하는 위치로 이동시키기 위한 훈련 프로그램을 표시하는 것을 특징으로 하는 균형 훈련 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 훈련 프로그램에 대한 이행 성과도를 상기 디스플레이 장치를 통해 사용자에게 제공하는 것을 특징으로 하는 균형 훈련 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 이동 장치를 둘러싸는 공간을 형성하는 안전 프레임을 포함하고,
    상기 이동 장치가 상기 안전 프레임의 내측에 정의된 안전 위치를 벗어나는 경우, 강제로 상기 이동 보드의 수평 상태를 회복시켜 상기 이동 장치의 이동을 중지시키는 것을 특징으로 하는 균형 훈련 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 안전 프레임 및 사용자에게 고정되어 사용자의 추락을 방지하는 안전 하니스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 균형 훈련 시스템.
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