KR102174370B1

KR102174370B1 - 착용 가능한 능동 목 보조장치 및 이를 이용한 목 부하 저감방법

Info

Publication number: KR102174370B1
Application number: KR1020200042714A
Authority: KR
Inventors: 이호길; 이진수; 박우연
Original assignee: (주)위드넥
Priority date: 2020-04-08
Filing date: 2020-04-08
Publication date: 2020-11-04

Abstract

본 발명은 능동 목 보조장치 및 이를 이용한 목 부하 저감방법에 관한 것으로, 목운동을 제한 함으로써 목상태를 관리하는 기존의 목 보조기(Cervical Orthosis)와 달리, 작업 중에도 일상적으로 착용하여 목부하를 저감, 목통증 또는 경추변형을 예방하는 Wearable형으로써, 머리운동과 일체가 되어 움직이는 머리착용부, 목 후면에 밀착되는 목지지부, 그리고 목지지부를 목과 어깨에 고정하는 베이스부, 와이어 메커니즘과 서보모터를 포함하는 장력제어부로 4개의 모듈로 구성되어, 중력에 의한 정적하중과 인간의 동작 의도에 따른 동적하중을 분리하고, 경추의 해부학적 구조와 운동학적인 메커니즘을 고려한 착용 가능한 능동 목 보조장치 및 이를 이용한 목 부하 저감방법에 관한 것이다.

Description

착용 가능한 능동 목 보조장치 및 이를 이용한 목 부하 저감방법{A WEARABLE ACTIVE NECK BRACE AND NECK LOAD REDUCTION METHOD USING THEREOF}

본 발명은 능동 목 보조장치 및 이를 이용한 목 부하 저감방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중력에 의한 정적하중과 인간의 동작 의도에 따른 동적하중을 분리하고, 경추의 해부학적 구조와 운동학적인 메커니즘을 고려한 착용 가능한 능동 목 보조장치 및 이를 이용한 목 부하 저감방법에 관한 것이다.

국내의 10대에서 30대 연령층의 일자목 환자가 60%, 40대이상에서는 목디스크 환자가 180만명 이상으로 일자목 증후군 환자가 급증하고 있다. 이는 전 세계적인 문제로써, 컴퓨터 작업, 스마트폰 보기 등 구부린 자세로 장시간 작업 함이 원인이다. 구부린 자세는 목 통증, 어지러움 등을 유발하며 나아가 경추곡선 (cervical spine)이 굳어져 일자목, 거북목으로, 심한 경우 목 디스크로 진행되는 사례가 빈번해졌다.

시중에는 목 통증이 있을 때, 이를 완화시키기 위한 목 베개, 목을 들어올려 주는 공압식 보조기, 마사지기 등 목디스크 환자용 보조기, 보정기 등 증상으로 인한 통증을 완화시키는 치료용 보조기가 사용되고 있지만, 반드시 치료를 하는 시간 동안에만 착용하여야 하고 일상생활 중에는 사용할 수 없는 문제가 있다.

또한, 일상생활에 착용한 상태에서 일자목 또는 거북목 등을 예방하기 위한 장치 또는 착용한 상태에서 구부린 자세의 컴퓨터 작업 및 일상생활 등을 자유롭게 할 수 있는 Wearable형 착용용 보조기(사전에 일자목 증후군을 예방하는 방식)는 보급되지 않은 실정이다.

이와 관련된 선행문헌으로, 대한민국 등록특허 10-1613046호 "신체 균형 및 일자목 교정 운동용 베개", 대한민국 등록특허 10-1809348호 "일자목 교정 자동장치", 대한민국 등록특허 10-1659358호 "일자목 교정기", 대한민국 공개특허 10-2015-0137173호 "거북목 및 일자목 교정 장치" 등이 공개되어 있으나, 모두 누워있는 자세에서 사용하기 위한 목침과 관련된 것으로, 이와 같은 장치를 착용한 상태에서 컴퓨터 작업 또는 학습 등의 일상생활을 할 수 있도록 개시된 기술은 전무하다.

즉, 작업 중에도 착용하여 목 통증을 발생시키지 않도록 하는 wearable장치를 실현시키기 위해서는 자유로운 머리운동 즉 머리신전-굴절운동에 장애가 되지 않으면서도 또 구부린 자세 유지시의 정적부하(특히 머리의 중력과 회전모멘트)를 분담하는 방법 개발이 필요한 실정이다.

대한민국 등록특허 10-1613046호 대한민국 등록특허 10-1809348호 대한민국 등록특허 10-1659358호 대한민국 공개특허 10-2015-0137173호

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 중력에 의한 정적하중과 인간의 동작의도에 따른 동적하중을 분리하고, 경추의 해부학적 구조와 운동학적인 메커니즘을 고려한 착용 가능한 능동 목 보조장치 및 이를 이용한 목 부하 저감방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치의 구성은, 사용자의 머리에 밀착되도록 착용하는 머리착용부; 상기 머리착용부의 후방에 결합되어 사용자의 목 후면으로 연장되며, 길이 방향을 따라 이동 가능하도록 형성되는 목 지지부; 상기 목 지지부의 끝단과 연결되며, 사용자의 신체 목주위를 둘러싸도록 고정하는 베이스부; 및 상기 목 지지부 및 베이스부의 일측과 연결되며, 상기 목 지지부를 움직이는 장력을 제어하는 장력제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 머리착용부는 사용자의 머리에 덮어쓰는 방식으로 착용하도록 이루어져 사용자의 머리와 일체로 움직이도록 형성되며, 사용자의 머리 전면과 밀착하도록 하는 전방밴드; 사용자의 머리 후면과 밀착하도록 하는 후방밴드; 상기 전방밴드와 후방밴드가 교차하는 지점에서 결합되어 상호 회전 가능하도록 하는 밴드회전축; 상기 전방밴드의 양측 끝단에 형성되어 상기 목 지지부로부터 연장되는 와이어의 끝단을 상기 전방밴드에 고정시키는 고정핀; 상기 밴드회전축에 결합되어 사용자의 머리운동상태를 측정하는 IMU센서; 를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목 지지부는, 사용자의 머리 움직임에 따라 슬라이딩 되며 길이가 조절되도록 지지하는 슬라이딩 링크; 상기 슬라이딩 링크의 일측 끝단에 형성되어 상기 머리착용부의 후방밴드가 회전하도록 하는 후방밴드 회전축; 상기 후방밴드의 끝단으로부터 연장되어 상기 후방밴드의 움직임을 제공하는 후방밴드 연결구; 상기 후방밴드 연결구에 형성되어 와이어의 장력을 전달하는 제2장력풀리; 상기 슬라이딩 링크의 타측 끝단에 형성되어 와이어의 장력을 전달하는 제1장력풀리; 및 일측 끝단은 상기 슬라이딩 링크에 결합되고 타측 끝단은 상기 후방밴드 연결구에 결합되어, 상기 후방밴드의 회전시 탄성력을 제공하는 인장스프링; 을 포함하는 것이 바람직하다.

나아가, 상기 슬라이딩 링크의 길이 방향을 따라 슬라이딩 홀이 형성되며, 상기 후방밴드 회전축이 상기 슬라이딩 홀의 길이 방향을 따라 슬라이딩 되는 동시에 회전하도록 길이변화에 대응하며 지지되는 것이 좋다.

또한, 상기 목 지지부와 사용자의 목이 맞닿는 부위에는 전후 및 좌우의 회전이 가능한 구관절 베어링이 형성되어, 상기 베이스부를 기준으로 상기 머리착용부와 상기 목 지지부의 상대적인 자유운동이 가능하도록 이루어지는 것이 바람직하며, 특히 상기 구관절 베어링은 사용자의 경추뼈 C7 근방에 위치하도록 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 베이스부는, 사용자의 목을 감싸는 목고정용 베이스 밴드; 상기 베이스 밴드를 고정하는 스토퍼; 상기 스토퍼 위에 위치한 모터 조작용 전원스위치; 및 작동 상태를 알리는 LED램프; 를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 장력제어부는, 상기 목 지지부와 연결된 상기 와이어의 길이를 조절하는 동력을 제공하는 서보모터 및 전원배터리; 상기 서보모터 및 상기 목 지지부의 제1장력풀리를 연결하는 와이어를 모멘트로 변환하는 모멘트 디스크; 상기 목 지지부 및 상기 머리착용부에 제공하는 와이어의 장력을 제어하는 장력제어기; 및 상기 장력제어부를 상기 베이스부에 고정하는 제어부고정판; 을 포함하는 것이 바람직하다.

나아가, 상기 장력제어기는 제어회로부를 더 포함하며, 상기 제어회로부는 중력보상 피드퍼워드 제어회로, 임피던스 피드백 제어회로 및 착용 가능한 능동 목 보조장치의 상태를 감시하고 제어명령을 조절하는 장력제어회로를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치가 적용된 목 디스크 환자용 능동장치로 사용될 수 있다.

한편, 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치의 제어방법에 있어서, 상기 머리착용부에 형성된 IMU센서를 통하여 사용자의 머리운동상태를 모니터링하며, 모니터링된 결과 얻어지는 데이터를 활용하여 상기 와이어에 필요한 장력을 산출하도록 이루어지는 중력보상 피드퍼워드 제어방법 또는 임피던스 피드백 제어방법을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 머리착용부에 형성된 IMU센서를 통하여 사용자의 머리운동상태를 모니터링하며, 모니터링된 결과 얻어지는 데이터가 기 설정된 변위보다 클 경우 상기 와이어에 가해지는 장력을 완화 조절하여 사용자의 머리 운동의 자유도를 높이도록 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치의 작동방법에 있어서, (a) 상기 능동 목 보조장치가 사용자에게 착용된 후, IMU센서의 전원이 들어오는 단계; (b) 상기 IMU센서에서 측정된 데이터를 바탕으로 장력제어회로가 사용자의 머리운동이 정지상태인지를 체크하는 단계; (c) 상기 사용자의 머리운동이 정지된 후, 상기 IMU센서에서 측정된 데이터에 따라 중력보상 피드퍼워드 제어회로가 와이어에 초기장력을 인가하는 단계; (d) 상기 사용자의 머리운동이 감지된 후, 상기 IMU센서에서 측정된 데이터에 따라 상기 장력제어회로가 사용자 머리의 전후굽힘상태를 판단하여 제어데이터를 산출하는 단계; (e) 상기 IMU센서에서 일정 시간 이상 움직임이 감지되지 않는 경우, 브레이크를 작동시켜 대기하는 단계; (f) 상기 (a) 내지 (e) 단계가 반복적으로 수행되는 단계; 를 포함하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 IMU센서에서 측정된 데이터는 자세각

, 각속도

, 접선방향가속도

, 법선방향 가속도

인 것이 바람직하며, 상기 장력제어회로가 사용자 머리의 전후굽힘상태를 판단하는 제어데이터는 피드퍼워드 중력보상력

, 임피던스 피드백의 위치, 장력제어회로의 목표치

인 것이 바람직하다.

한편, 상기 (d) 단계에서, 사용자의 머리 움직임이 미리 설정된 좌우 또는 비틀림 한계값 이상으로 감지될 경우, 상기 장력제어회로는 장력을 초기장력상태로 완화하도록 이루어지는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 작업 중에도 일상적으로 착용하는 Wearable형 목 부하 저감장치로써, 일자목, 거북목 등의 예방이 가능하고, 경량으로 착용성도 좋다.

또한, 장력 능동 제어방식을 사용함으로써, 전력소모량을 극소화하기 위한 전자브레이크와 클러치를 추가하거나 착용편의성을 보강하기 위한 스프링 드럼의 추가, 또는 제어기의 위치 변경도 가능한 장점이 있다.

또한, 인체 경추의 운동을 분석하여 실현한 장치로써, 머리의 좌우 굽힘, 목비틀림에도 대응하는 구조로 자유로운 경추 곡선 움직임을 보장하며, 이에 따라 본 발명은 전 세계적으로 급증하고 있는 경추 관련 질환의 예방에 공헌할 수 있다.

본 발명은 컴퓨터작업, 스마트폰 등 일상 노출에 따라 최근 크게 증가하고 있는 경추관련질환을 예방하고, 나아가 목 디스크 환자의 재활 보조기로써 목부하 저감 능동, 또는 수동제어 등 응용방식으로도 활용될 수 있다.

도 1은 경추곡선과 경추 뼈의 이동궤적을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치를 사용자가 착용한 상태를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치의 구성을 나타낸 사시도 및 단면도이다.
도 6은 전후/좌우 자세각에 따른 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치의 동작을 나타낸 도면이다.
도 7a는 머리부하에 따른 하중변화(C7반력 및 근력지지)를 나타낸 개략도이다.
도 7b는 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치를 이용하여 C7반력, 근력, 보조기장력 등의 지지장력을 분산시키는 과정을 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치를 제어하는 장력 제어회로를 도시한 도면이다.
도 9는 사용자가 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치를 착용하여 작동하는 과정 및 탈의하는 과정을 도시한 순서도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 경추곡선과 경추 뼈의 이동궤적을 도시한 도면이다.

경추(cervical spine)에 작용하는 부하는 중력에 의한 머리자중의 무게와 관성력, 머리중심과 경추간의 거리에 의한 회전 모멘트로써, 일정한 자세를 유지해야 할 때는 정적부하, 인간의 의도적인 머리의 자세각 변경에 따라 경추의 신전-굴절 (extension-flexion)을 일으키는 간혈적인 동적부하가 있다.

이 부하는 경추로 지지되며 목 근육의 근력으로 조절된다. 이때 머리는 도 1과 같이 자세각에 따라 회전중심(순간회전중심)이 이동되면서 반경도 달라지며, 목 경추의 곡선유형(경추는 C1~C7까지 6개의 경추뼈로 구성되며 각 경추뼈의 중심을 연결한 곡선이 경추곡선이다)도 바뀌게 된다.

정상인의 경우 머리를 바로 세운 중립자세(neutral posture)에서 경추는 ‘C’자형을 가지며, 신전 시에도(머리를 뒤로 젖혔을 때) 유사한 ‘C’형 곡선을 이룬다. 그러나 굴절 시는(머리를 숙였을 때) 완만한 S자형 곡선을 이루며 머리부하를 경추 뼈에 적절히 배분 지지한다.

비정상인의 경우 경추곡선은 이러한 굴절-신전에 유기적으로 대응하지 못하여 굳어진 경추 곡선 즉 1자형, 또는 거북 목 같은 형상을 나타내며, 경추 뼈에 부하가 적절히 배분되지 않아 목 근육의 과도한 긴장을 유발, 목 뻐근함과 통증을 호소한다.

이를 방지하기 위해 목 부위에 적절한 지지대를 밀착하여 머리하중을 분담시킴으로써 목 근육의 긴장을 완화시키는 것이 기본적인 방법이 된다. 그러나 상시 착용을 전제로 하는 wearable기구의 경우, 목 부하를 지지하는 동시에 자유로운 머리운동, 즉 머리 앞뒤 신전-굴절, 좌우 굽힘 비틀림 등 동적운동에 장애가 되지 않아야 된다.

머리의 자유로운 회전운동을 보장하면서 부하를 완화시키는 손쉬운 방법으로써, 목에 부착하는 ‘1개 회전 중심만을 허용하는 1축회전 보조기구’를 생각할 수도 있지만, 회전 중심위치가 변하는 경추의 경우, 이 방법은 경추에 무리를 주게 되며 장기간 사용시 경추곡선을 변형시키는 원인이 될 수 있다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 순간 회전 중심은 궤적을 그리면서 변하지만, 머리회전에도 변동이 없는 경추뼈 C7이 있어 회전중심으로 이용이 가능할 수 있다. 그러나 C7는 전후, 좌우로 목 피부에서 5~7cm안쪽에 위치하고 있어, 피부표면에 따라 장착해야만 하는 보조기구에 위치bias가 필연적으로 생긴다. 이 bias때문에 회전중심을 일치시킬 수가 없다. 또한 목 표면의 신장 수축에 대응하여 보조기의 길이 또한 바뀌어야만 한다.

이와 같은 조건에서는 회전 축을 중심으로 하는 설계방식보다는 ‘회전은 목 근육의 수축, 신장에 의해 일어난다는 점’에 주목한 장력제어방식이 유용하다. 본 발명에서는 적절한 위치에서 힘과 모멘트의 평형을 유지토록하는 장력 보조기와 머리근육(capitis muscle)이 함께 부하장력을 분담하는 장력제어 (tension control) 방식을 채택하였다.

즉, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치는 머리착용부(100), 목 지지부(200), 베이스부(300) 및 장력제어부(400)로 이루어진 4개 모듈의 일체형 구조로, 머리앞 뒤의 밴드를 모자처럼 머리 위로부터 덮어쓰면 목 지지부(200) 및 장력제어부(400)가 목 후면으로 늘어지게 되며 또 그 끝단의 고정용 베이스 밴드(301)가 목어깨 부위에 이르게 된다.

상기 베이스 밴드(301)를 목 앞쪽으로 감아 벨크로 벨트(velcro belt)를 구비한 스토퍼(302)로 고정하여 착용하게 된다. 전원스위치(303)를 누르면 LED램프(304)가 작동개시를 알리면서 초기화 및 작동 대기상태로 진입한다.

머리운동과 일체가 되어 움직이는 머리착용부(100)는 헤어밴드 또는 모자와 같이 머리에 덮어쓰는 방식으로 착용하여 머리와 일체로 움직이는 기구로써, 전방밴드(101), 후방밴드(102), 밴드회전축(103), 와이어의 끝단을 고정하는 고정핀(104) 및 머리운동을 측정하는 IMU센서(105)로 구성된다.

목 지지부(200)는 목 후편에 밀착되어 목 후편과 함께 운동하는 기구로써, 후방밴드(102)와 슬라이딩 링크(204)를 연결하는 후방밴드 연결구(206)와 상대회전이 되는 후방밴드 회전축(201)이 머리를 굽히면 늘어나는 인장스프링(203)으로 탄성지지 되며, 슬라이딩 홀(207)을 갖는 슬라이딩 가능한 링크로써, 길이변화에 대응하며 지지된다.

상기 슬라이딩 링크(204)에는 전방밴드(101)에 연결된 와이어(403)의 장력을 전송하기 위해 제2장력풀리(202), 제1장력풀리(205)가 구비되어 있으며 장력을 서보모터(401)앞의 모멘트 디스크(402)로 전달한다.

또한 목 지지부 아래쪽 목 C7부위에 전후 및 좌우의 회전이 가능한 구관절 베어링(208)을 배치하여 머리와 함께 움직이는 머리착용부(100), 목 후편과 함께 움직이는 목 지지부(200)의 자유운동을 허용한다. 즉, 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치의 베이스부(300) 와의 상대운동을 허용한다. 따라서 인체 목이 가동하는 좌우굽힘, 목비틀림에 대처가 가능하다.

베이스부(300)는 제어기의 인터페이스를 갖춘 모듈이며, 또한 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치를 신체 목주위로 둘러 감아 고정하는 역할을 담당한다.

보다 상세하게는, 목을 감싸는 목고정용 베이스 밴드(301), 상기 베이스 밴드(301)를 고정하는 벨크로형 스토퍼(302), 상기 스토퍼(302) 위에 위치한 모터 조작용 전원스위치(303), 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치의 상태를 알리는 LED램프(304)를 구비한다.

장력제어부(400)는 목 지지부(200)의 제1장력풀리(205)에서 나온 와이어(403)를 연결하여 모멘트로 변환하는 모멘트 디스크(402)가 포함되는데, 이러한 장력 모멘트를 IMU센서(105)로부터 받는 머리자세 정보로써 제어하는 서보모터(401)를 포함한다. 그리고 장력제어기(404), 전원배터리(405)를 포함하며, 상기 장력제어부(400)를 베이스부(300)에 고정하는 제어부고정판(406)이 포함된다.

장력제어기(404)내에는 도 8에 도시된 바와 같은 전자적 제어회로부(500)가 포함되는데, 상기 제어회로부(500)는 중력보상 피드퍼워드 제어회로(501), 임피던스 피드백 제어회로(502) 및 착용 가능한 능동 목 보조장치의 상태를 감시하고 제어명령을 조절하는 장력제어회로(503)로 구성된다.

여기서 보조적으로 에너지효율을 높이도록 서보모터(401)와 모멘트 디스크(402)간에는 전자클러치, 또는 전자 브레이크를 삽입하거나, 와이어 길이와 감김을 조절하기 위한 스프링식 와이어 드럼을 추가할 수도 있다.

또한 와이어(403)는 슬립튜브를 통해 통과시킴으로써 착용성을 향상시키는 설계도 가능하며, 장력제어부(400)를 몸 앞쪽으로 이동 배치시킬 수도 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 머리에 헤어밴드 등을 씌우고, 중력으로 인한 힘과 모멘트를 산출하여 이에 상당하는 장력으로 끈 또는 와이어로 당김으로써 정적부하가 사라지게 되며, 더불어 적절한 임피던스 제어(Impedance Control)를 추가함으로써 동적부하 즉 신전-굽힘의 운동의도에 대한 가동력도 조절이 가능하다.

끈 당김방식은 풀리를 이용하여 장력을 전달할 수 있어, 서보제어기와 서보모터, 전원 배터리 등 제어모듈을 어깨 또는 가슴 등 비교적 자유롭게 위치시킬 수 있는 장점이 있다.

이러한 장력제어를 위해 본 발명에서는IMU센서를 활용하여 머리의 운동상태를 모니터링하고, 좌우 비틀림에 대해서도 운동자유도를 확보하도록 와이어를 제어한다.

즉, 장력제어기는 IMU센서에서 얻어진 머리자세각과 가속도 각속도 정보와 사전에 입력시킨 설정 파라미터를 이용, 부하크기를 추정하고, 목 근육과의 부담율에 따라 서보 모터를 구동시켜 와이어로 당기도록 설계되었으며, 인체 경추의 운동을 분석하여 실현한 장치로써, 경추에 무리한 힘을 인가시키지 않고 머리의 좌우굽힘, 목비틀림에도 대응하는 구조로, 자연스러운 경추곡선 움직임을 보장한다.

따라서, 이와 같은 회전중심의 변동에도 유연한 장력제어 (tension control)방식을 이용함으로써, 굽힘 자세에 따른 중력모멘트, 즉 정적부하를 C7부근의 장력으로 변환하여 근력과 더불어 분담하고, 동시에 적절한 임피던스 피드백제어 (impedance feedback control)를 연동함으로써 동적부하에 대한 가동특성을 조절할 수 있는 장점이 있다.

도 6은 전후/좌우 신전·굽힘 자세각에 따른 보조기의 동작을 설명하는 모식도이다. 전방으로 머리굽힘(굴절, flexion)시 전방밴드(101)와 후방밴드(102)의 길이는 변화되지 않고 각 밴드 사이의 밴드회전축(103)의 미소회전이 있다.

한편 최대 굽힘에서 슬라이딩 링크(204)는 후방밴드 회전축(201)과 제2장력풀리(202)가 슬라이드 홀(207) 윗단까지 올라가 인장스프링(203)의 변위도 최대가 된다.

머리를 수직으로 세울 때는 슬라이드 홀(207) 중단에 머무르고 장력을 유지하기 위한 최소한의 스프링 인장력(1kgf 정도)을 갖도록 설계된다.

머리를 완전히 뒤로 젖혔을 때(신장, extension)은 슬라이딩 링크(204)가 목 후방의 밀착상태에서 떨어져 나와 링크길이에 의한 제약을 해소한다. 이때 슬라이딩 링크(204)의 길이는 100mm, 슬라이딩 홀(207)은 50mm내외이다.

한편, 도 6의 우측 도면은 머리의 좌우회전시 본 발명의 착용 가능한 능동 목 보조장치의 착용상태를 나타내고 있다. 좌측굽힘에 대해 구관절 베어링(208)은 좌측으로 회전하게 되고 제2장력풀리(202)의 위치도 와이어(403)의 왼쪽 장력작용으로 약간 아래로 내려간다.

머리가 더욱 깊이 숙여지면 링크길이의 한계 때문에 구관절 베어링(208)이 후면으로 후퇴회전하며 링크가 목 접촉에서 떨어지게 된다. 따라서 힘을 받으면서도 굽힘 자유도는 유지된다. 우측 굽힘도 똑같이 설명될 수 있으며, 전후, 좌우 동시의 굽힘에서도 이상의 분석으로부터 운동자유도가 보장됨을 알 수 있다.

목 비틀림의 경우는 굽힘이 없는데도 비틀림에 의한 와이어 길이의 변화가 생긴다. 이때는 IMU센서(105)로부터 측정된 비틀림 자세각을 신호로 하여 장력제어기(404)가 장력완화를 하도록 제어함으로써 자유도를 확보한다.

이하에서는 경추운동에 따른 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치의 작동원리에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 1에서와 같이 머리의 회전에 따라 경추의 각 경추뼈가 이동하며 그리는 궤적을 원주곡선(circumferential curve)이라 한다. 경추 C1 ~ C7 각 관절의 원주곡선은 C7을 중심으로 하는 부채꼴 형상을 이루고, 원주곡선은 중립 축을 기준으로 좌우 비대칭이다. 이 때, C7은 이동이 없을 뿐으로 원주곡선의 회전중심이 아니며, 원주곡선에 대한 접선에서 수직인 선을 그렸을 때 그 위의 어느 점인가에 순간회전중심이 있다.

또한, 각 경추뼈는 자기중심에 대해 미소한 회전(자전)을 한다. 그러나 각 경추뼈 사이는 비교적 등 간격을 유지한다. 따라서 머리의 무게중심도 이동궤적이 머리를 직접 지지하는 C1의 원주곡선과 유사한 패턴을 갖는다고 유추할 수 있다.

머리 무게중심을 CoM(Center of Mass)이라 명명하고 그 운동궤적을 CoM 원주곡선이라 부른다. 이 CoM 원주곡선 위에 접선방향을 s, 법선방향을r_com이라고 하고, CoM 위치에 이동좌표계 s-r을 설정한다.

한편 후술하는 힘평형 해석의 편의성을 위해 경추의 첫번째 경추뼈 C1과는 일정한 편차각

을, C1의 순간 중심반경은 r이다. 굽힘의 경우, 순간 회전중심은 거의 C7위치에 근접하므로 굽힘시의 목부하 경감이 주목적임을 고려하여 회전중심위치를 C7으로 간주한다.

즉, 회전에 대해 이동이 없는 7번째 뼈 C7을 기준으로 지면에 수직한 중력 반대방향을 z, 인간정면을 x방향으로 하는 관성좌표계 x-z를 설정한다.

신체와 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치는 착용시마다 또 개인별 신체 사이즈마다 치수, 각도차가 있어 엄밀한 운동역학적 해석보다는 운동특성을 명료하게 나타내는 해석과 편차를 흡수하는 보조기구 설계가 훨씬 중요하다.

도 7(a)와 같이 머리의 질량을 m, 머리에 작용하는 힘은 중력 mg와 머리의 관성력

이 머리의 중심 CoM(center of mass)에 작용할 때, 우선 경추뼈 C1에서 지지반력

과 모멘트

로써 힘평형, 모멘트평형을 계산한다.(모멘트 팔의 각 길이는 도 7(a)의 부호를 참조).

(1)

(2)

(3)

경추뼈 C1의 작용력과 모멘트가 경추뼈 C7에 전달되어 평형을 이룰 때의 관계식

(4)

(5)

(6)

으로부터 C7의 수평면에 대한 반력

과 모멘트

를 얻는다. 목 근골격은 이때의 모멘트

를 머리근육(capitis muscle)의 목장력

로써 지지한다. 근섬유의 평균 팔의 길이는

이므로 아래 식으로

의 크기를 구할 수 있다.

(7)

이 관계식으로부터 머리의 굽힘이 커지면

값도 급격히 증가됨을 알 수 있다. (

, 정지자세의 경우, 자세각

에서

이던 것이,

이면

로 머리 중량의 3~4배 부하가 급증하고, 이러한 부하가 장시간 지속되면 근골격계 이상으로 증폭 됨을 이해할 수 있다)

한편, 순간적인 중심의 원운동에서 법선가속도는 접선속도

에 의한 원심가속도로써

(8)

가 된다.

그러나 이 작업자의 머리회전 운동속도는 저속, 식(8)에서 알 수 있듯이 각속도의 2차항(고차항)이므로 무시 가능하다. 따라서 여기서는 우측 3번째 항은 무시하고 외란으로써 취급한다. 또 순간중심의 아래 미분 관계식으로부터 2차항(고차항)을 무시하면 우측 2번째 항도 자세 각가속도

함수로 근사할 수 있다.

(9)

이 식 (8), (9) 관계를 이용하여 운동방정식 식(7)을 근사, 수정하면 자세각 변수에 대한 동적운동방정식(dynamic equation)을 얻는다.

(10)

좌측의 제1항은 관성력에 의한 동적부하 ,제2항은 중력에 의한 정적부하, 우변은 여기서는 목근육에 의해 지지되는 근력이다.

상기와 같은 분석 방법을 바탕으로, 본 발명인 착용 가능한 능동 목 보조장치의 중력보상형 장력 제어방법을 살펴보면 다음과 같다.

도 7(b)와 같이 장력을 보조하는 능동 목 보조장치를 목후면에 장착하고, 목 근력 긴장을 완화시키도록 인장력을 생성한다. 장력 분담율을

라고 할 때 보조기가 분담하는 장력

은

(11)

나머지 장력부하는 목근육의 부담으로써

로 표현한다.

(12)

한편 목보조기에서는 장력

로 인하여 중간 풀리 압축력이 생성되고 이 힘은 목에 밀찰하여 경추를 누르는 힘으로 작용하므로 적절한 힘 배분이 중요하다. 장력은 모터의 모멘트 디스크를 통해 토크로 바뀌고 서보모터의 기어 감속비를

이라고 하면 모터가 부담해야하는 토크

는

(13)

이 된다.

운동방정식 식 (10)에서, 근력

를 보조기로써

분담하고, 나머지는 목근육으로써

를 감당시킨다. 그리고 보조기 장력

는 정적부하와 동적부하에 대응하는 제어력으로 구성한다. 즉,

이고, 정적부하에 대한 제어력을

, 동적부하에 대한 제어력을

로 하면 식 (10)은

(14)

으로 우변을 수정한다.

여기서, 정적부하 제어력을 피드퍼워드 방식으로 생성하고,

(15)

동특성을 개선하기 위해 다음의 임피던스 피드백 제어법을 실현한다.

(16)

이러한 보상입력식(15), 피드백입력식(16), 운동방정식(14)에 의해 구성된 폐회로시스템은 식(17)과 같다. 이 폐회로시스템의 피드백 게인(feedback gain)

는 착용자의 동적 선호도에 맞추어

인 한도 내에서 설정하면,

즉 점근안정성이 보장되며 외란(disturbance)에 대해 강인한 제어루프가 된다 (Liapunov stability 선형시스템 등 전문서 참조).

(17)

도 8은 이 제어법을 구현한 목부하 저감 장력제어회로이며, 이를 이용하여 목의 전후 굽힘이외의 좌우굽힘, 비틀림은 IMU 신호로써 알 수 있다. 운동상태추정기(Motion State Estimator)는 좌우굽힘, 비틀림자세가 한계값 이상일 경우 장력을 초기장력

상태로 이완하는 지령을 보내, 목자세 자유도를 확보하도록 한다. 목표치 생성기(Target Value Generator)는 운동 바로 전의 정지상태 자세값을 목표치

로 하고 이 값을 기준으로 현재 자세각과 각속도

와의 임피던스를 조정한다. 그리고 다시 정지상태가 감지되면 목표치를 갱신해놓는다.

도 1에서와 같이, 머리의 헤드밴드에 IMU센서를 CoM원주궤적상의 법선방향과 접선방향에 맞추어 정렬하면 IMU센서는 3축 가속도센서와 3축 각속도센서, 3축 경사계로써 구성된다.

이로써 이동좌표계에서의 접선가속도

, 법선가속도

그리고 중력에 대한 경사각

, 각속도

을 얻을 수 있다. 이때 CoM과 경추뼈 C1간의 자세각 차는 고정값

이므로 이를 반영하여 측정된 경사각(자세각)을 보정, 다시

를 산정해도 좋지만, 식(14)~(16)에서 보여주듯이 결국 근력 분담율의 다소간의 차이를 가져 올 뿐이므로 실용상 그대로 사용하고 경험적인 분담율로 커버하는 방법도 좋다.

또한, 굴절시의 긴장을 완화시키기 위한 능동 목 보조장치의 용도로 볼 때, 굴절시의 순간회전반경은 근사적으로 C7근방에 있으므로

로써 근사계산해 장력제어 보상량을 결정해도 큰 문제는 없다.

본 IMU 좌표계는 시상면(sagittal plane)에서 정의된 좌표계이지만, 좌우측의 좌표를 정의하면 3차원으로 쉽게 확장된다. 좌우측 운동은 장시간 자세유지로 인한 일자목, 거북목 등에 관여가 적어 좌우의 굽힘자유도를 허용하는 기구부, 즉 구관절 베어링(208)으로 대응하고 역학적인 관계는 깊이 해석하지 않는다.

이에 비하여, 목의 좌우굽힘과 목비틀림에 대해서는 능동제어의 필요성이 적다. 왜냐하면, 장시간 이런 자세를 유지하는 작업은 흔치 않아 일자목이나 거북목 등의 변형의 원인이 되지 않기 때문이다.

좌우굽힘에 대해 구관절 베어링(208)은 좌측으로 회전하게 되고 제2장력풀리(202) 위치도 와이어 (403)의 왼쪽 장력작용으로 약간 아래로 내려간다. 더욱 깊이 숙여지면 링크 길이의 한계 때문에 구관절 베어링(208)이 후면으로 후퇴회전하며 링크가 목 접촉에서 떨어지게 되며, 따라서 힘을 받으면서도 굽힘 자유도는 유지된다.

또한, 목 비틀림의 경우는 굽힘이 없는데도 비틀림에 의한 와이어 길이의 변화가 생긴다. 이 때는 IMU센서(105)로부터 측정된 비틀림 자세각을 신호로 하여 장력제어기(404)가 장력완화를 하도록 제어함으로써 자유도를 확보할 수 있다.

본 발명인 능동 목 보조장치는 도 9와 같은 순서로 작동되며, 이에 대한 상세한 작동과정을 살펴보면 다음과 같다.

1. 본 발명인 능동 목 보조장치를 착용하고, On-Off 전원스위치(303)를 켠다.

2. IMU센서(105)의 전원이 들어오고, 장력제어회로(503) 운동상태 추정기로써 머리운동이 정지상태인지를 체크하며 정지될 때까지 대기한다.

3. 정지되면, IMU센서(105)에서 자세각을 받고, 장력제어회로(503)는 모멘트 디스크(402) 축과 서보모터(401) 축을 전자클러치로 연결한다. 이때 신호 LED램프(304)가 켜지고 동작가능 상태임을 알리며, 수초 후 IMU 자세각 신호로써 중력보상 피드퍼워드 제어회로(501)는 와이어에 초기장력

을 인가한다.

4. 중력보상 피드퍼워드 제어회로(501), 임피던스 피드백 제어회로(502), 장력제어회로(503)는 머리의 운동대기 상태를 유지한다.

5. 머리의 움직임이 감지되면, 장력제어회로(503)는 IMU센서(105)로 측정된 자세각

, 각속도

, 접선방향가속도

, 법선방향 가속도

를 이용하여 전후굽힘상태를 판단하고 중력보상제어기(501)로써 (식(15)의 피드퍼워드 중력보상력

, 임피던스제어회로(502) 로써 식(16)의 임피던스 피드백의 위치, 장력제어회로(503)로써 목표치

를 산출한다. 중력보상 제어회로와, 임피던스 제어회로를 가동하여, 경추에 걸리는 목부하를 분담하고, 의도적인 머리회전운동을 지원한다.

6. 만일, 머리의 움직임이 좌우, 비틀림 한계값 이상으로 감지되면 장력제어회로는 장력을 초기장력상태로 완화하여 보조기의 머리운동추종을 허용한다.

7. 브레이크가 있는 경우, 장력제어회로(503)는 일정시간 이상 정지하고 있다고 판단되면 브레이크를 작동시켜 전력소모를 줄여 대기하며, IMU센서는 운동여부를 지속 감시한다.

8. 작업자가 능동 목 보조장치를 탈착하려면 On-Off 전원스위치(303)를 끈다. 장력제어회로(503)는 먼저 브레이크를 OFF시키고, 각 제어기와 IMU센서전원을 끈다. 전자클러치가 구비된 경우, 클러치를 OFF함으로써 와이어는 줄 당김이 해제된다. 이로써 와이어는 자유상태로가 되어 머리벨트가 착탈하기 쉽게 된다. 또 스프링 드럼이 구비된 경우 스프링 드럼에서 스프링력으로 줄을 감거나 풀려진다.

9. 이 상태에서 신호 LED램프(304)가 꺼지고, 이 LED꺼짐 신호로써 능동 목 보조장치를 탈의하면 된다.

본 발명에서 다루는 목 부하로는 머리에 작용하는 중력과 목운동에 의한 관성력, 경추와 머리중심간의 거리에 의해 생성되는 회전모멘트로써 신체의 경추 근골격계가 받고 있는 힘이다. 이때 머리는 굽힘 각에 따라 회전반경(곡률)이 순간순간 변한다.

본 발명에서는 회전중심의 변동에도 유연한 장력제어 (tension control)방식을 채용한다. 머리에 헤어밴드 등을 씌우고, 이를 끈 또는 와이어로 당겨 중력으로 인한 정적부하 즉 장력을 능동제어기로써 서보모터를 기동시켜 보상한다. 동시에 적절한 임피던스 제어 루프(impedance control loop)를 연동함으로써 동적부하 즉 신전-굽힘의 운동의도에 대한 가동력을 조절한다. 머리굽힘에 의한 장력은 풀리를 통해 와이어 이송메커니즘으로 이송하여 서보모터의 모멘트 디스크와 연결시킨다. 장력조절 메커니즘은 장력제어부에서 제어한다. 본 발명에서는 기본 실시예를 제시하고 여기에 슬립튜브 등 이송메커니즘을 추가 설계하면 어깨 또는 가슴 등 비교적 자유롭게 서보제어부를 위치시킬 수 있다.

또 본 발명에서는IMU센서를 활용하여 머리의 운동상태를 모니터링하고, 좌우 비틀림에 대해서도 운동자유도를 확보하도록 와이어를 제어한다. 인체 경추의 운동을 분석하여 실현한 장치로써, 경추에 무리한 힘을 인가시키지 않고 머리의 좌우굽힘, 목비틀림에도 대응하는 구조로써, 자연스러운 경추곡선 움직임을 보장한다. 본 발명은 컴퓨터작업, 스마트폰 등 일상 노출에 따라 최근 크게 증가하고 있는 경추관련질환을 예방하고, 나아가 목 디스크 환자의 재활 보조기로써 목부하 저감 능동, 또는 수동제어 등 응용방식으로도 활용될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 머리착용부
101 : 전방밴드 102 : 후방밴드
103 : 밴드회전축 104 : 고정핀
105 : IMU센서
200 : 목 지지부
201 : 후방밴드 회전축 202 : 제2장력풀리
203 : 인장스프링 204 : 슬라이딩 링크
205 : 제1장력풀리 206 : 후방밴드 연결구
207 : 슬라이딩 홀 208 : 구관절 베어링
300 : 베이스부
301 : 베이스밴드 302 : 스토퍼
303 : 전원스위치 304 : LED 램프
400 : 장력제어부
401 : 서보모터 402 : 모멘트 디스크
403 : 와이어 404 : 장력제어기
405 : 전원배터리 406 : 제어부 고정판
500 : 제어회로부
501 : 중력보상 피드퍼워드 제어회로 502 : 임피던스 피드백 제어회로
503 : 장력제어회로

Claims

자세 교정 및 예방을 위한 목 보조장치에 있어서,
사용자의 머리에 밀착되도록 착용하는 머리착용부;
상기 머리착용부의 후방에 결합되어 사용자의 목 후면으로 연장되며, 길이 방향을 따라 이동 가능하도록 형성되는 목 지지부;
상기 목 지지부의 끝단과 연결되며, 사용자의 신체 목주위를 둘러싸도록 고정하는 베이스부; 및
상기 목 지지부 및 베이스부의 일측과 연결되며, 상기 목 지지부를 움직이는 장력을 제어하는 장력제어부; 를 포함하며,
상기 머리착용부는 사용자의 머리에 덮어쓰는 방식으로 착용하도록 이루어져 사용자의 머리와 일체로 움직이도록 형성되며,
사용자의 머리 전면과 밀착하도록 하는 전방밴드;
사용자의 머리 후면과 밀착하도록 하는 후방밴드;
상기 전방밴드와 후방밴드가 교차하는 지점에서 결합되어 상호 회전 가능하도록 하는 밴드회전축;
상기 전방밴드의 양측 끝단에 형성되어 상기 목 지지부로부터 연장되는 와이어의 끝단을 상기 전방밴드에 고정시키는 고정핀;
상기 밴드회전축에 결합되어 사용자의 머리운동상태를 측정하는 IMU센서; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 목 지지부는,
사용자의 머리 움직임에 따라 슬라이딩 되며 길이가 조절되도록 지지하는 슬라이딩 링크;
상기 슬라이딩 링크의 일측 끝단에 형성되어 상기 머리착용부의 후방밴드가 회전하도록 하는 후방밴드 회전축;
상기 후방밴드의 끝단으로부터 연장되어 상기 후방밴드의 움직임을 제공하는 후방밴드 연결구;
상기 후방밴드 연결구에 형성되어 와이어의 장력을 전달하는 제2장력풀리;
상기 슬라이딩 링크의 타측 끝단에 형성되어 와이어의 장력을 전달하는 제1장력풀리; 및
일측 끝단은 상기 슬라이딩 링크에 결합되고 타측 끝단은 상기 후방밴드 연결구에 결합되어, 상기 후방밴드의 회전시 탄성력을 제공하는 인장스프링; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치.
제3항에 있어서,
상기 슬라이딩 링크의 길이 방향을 따라 슬라이딩 홀이 형성되며, 상기 후방밴드 회전축이 상기 슬라이딩 홀의 길이 방향을 따라 슬라이딩 되는 동시에 회전하도록 길이변화에 대응하며 지지되는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치.
제3항에 있어서,
상기 목 지지부와 사용자의 목이 맞닿는 부위에는 전후 및 좌우의 회전이 가능한 구관절 베어링이 형성되어, 상기 베이스부를 기준으로 상기 머리착용부와 상기 목 지지부의 상대적인 자유운동이 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치.
제5항에 있어서,
상기 구관절 베어링은 사용자의 경추뼈 C7 근방에 위치하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치.
제1항에 있어서, 상기 베이스부는,
사용자의 목을 감싸는 목고정용 베이스 밴드;
상기 베이스 밴드를 고정하는 스토퍼;
상기 스토퍼 위에 위치한 모터 조작용 전원스위치; 및
작동 상태를 알리는 LED램프; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치.
제1항에 있어서, 상기 장력제어부는,
상기 목 지지부와 연결된 상기 와이어의 길이를 조절하는 동력을 제공하는 서보모터 및 전원배터리;
상기 서보모터 및 상기 목 지지부의 제1장력풀리를 연결하는 와이어를 모멘트로 변환하는 모멘트 디스크;
상기 목 지지부 및 상기 머리착용부에 제공하는 와이어의 장력을 제어하는 장력제어기; 및
상기 장력제어부를 상기 베이스부에 고정하는 제어부고정판; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치.
제8항에 있어서, 상기 장력제어기는 제어회로부를 더 포함하며,
상기 제어회로부는 중력보상 피드퍼워드 제어회로, 임피던스 피드백 제어회로 및 착용 가능한 능동 목 보조장치의 상태를 감시하고 제어명령을 조절하는 장력제어회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치.
제1항, 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항의 착용 가능한 능동 목 보조장치가 적용된 목 디스크 환자용 능동장치.
제1항, 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항의 착용 가능한 능동 목 보조장치의 제어방법에 있어서,
상기 머리착용부에 형성된 IMU센서를 통하여 사용자의 머리운동상태를 모니터링하며, 모니터링된 결과 얻어지는 데이터를 활용하여 상기 와이어에 필요한 장력을 산출하도록 이루어지는 중력보상 피드퍼워드 제어방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치의 제어방법.
제1항, 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항의 착용 가능한 능동 목 보조장치의 제어방법에 있어서,
상기 머리착용부에 형성된 IMU센서를 통하여 사용자의 머리운동상태를 모니터링하며, 모니터링된 결과 얻어지는 데이터를 활용하여 상기 와이어에 필요한 장력을 산출하도록 이루어지는 임피던스 피드백 제어방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치의 제어방법.
제1항, 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항의 착용 가능한 능동 목 보조장치의 제어방법에 있어서,
상기 머리착용부에 형성된 IMU센서를 통하여 사용자의 머리운동상태를 모니터링하며, 모니터링된 결과 얻어지는 데이터가 기 설정된 변위보다 클 경우 상기 와이어에 가해지는 장력을 완화 조절하여 사용자의 머리 운동의 자유도를 높이도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치의 제어방법.
제1항, 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항의 착용 가능한 능동 목 보조장치의 작동방법에 있어서,
(a) 상기 능동 목 보조장치가 사용자에게 착용된 후, IMU센서의 전원이 들어오는 단계;
(b) 상기 IMU센서에서 측정된 데이터를 바탕으로 장력제어회로가 사용자의 머리운동이 정지상태인지를 체크하는 단계;
(c) 상기 사용자의 머리운동이 정지된 후, 상기 IMU센서에서 측정된 데이터에 따라 중력보상 피드퍼워드 제어회로가 와이어에 초기장력을 인가하는 단계;
(d) 상기 사용자의 머리운동이 감지된 후, 상기 IMU센서에서 측정된 데이터에 따라 상기 장력제어회로가 사용자 머리의 전후굽힘상태를 판단하여 제어데이터를 산출하는 단계;
(e) 상기 IMU센서에서 일정 시간 이상 움직임이 감지되지 않는 경우, 브레이크를 작동시켜 대기하는 단계;
(f) 상기 (a) 내지 (e) 단계가 반복적으로 수행되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치의 작동방법.
제14항에 있어서,
상기 IMU센서에서 측정된 데이터는 자세각
, 각속도
, 접선방향가속도
, 법선방향 가속도
중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치의 작동방법.
제14항에 있어서,
상기 장력제어회로가 사용자 머리의 전후굽힘상태를 판단하는 제어데이터는 피드퍼워드 중력보상력
, 임피던스 피드백의 위치, 장력제어회로의 목표치
중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치의 작동방법.
제14항에 있어서,
상기 (d) 단계에서, 사용자의 머리 움직임이 미리 설정된 좌우 또는 비틀림 한계값 이상으로 감지될 경우, 상기 장력제어회로는 장력을 초기장력상태로 완화하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 능동 목 보조장치의 작동방법.