KR102246686B1

KR102246686B1 - Muscle synergy measurement system and method for analysis using the same

Info

Publication number: KR102246686B1
Application number: KR1020190022360A
Authority: KR
Inventors: 박형순; 박정호; 박찬범; 이한길; 신준호
Original assignee: 한국과학기술원; 대한민국(국립재활원장)
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2021-04-30
Also published as: KR20200104025A

Abstract

근육 시너지를 측정하는 시스템으로서, 피험자가 직선 운동을 통해 특정 작업을 수행하는 운동 수행 장치, 피험자가 운동 수행 장치를 이용하여 특정 작업을 수행하면, 피험자로부터 특정 작업에 대한 복수의 근전도, 작업 동작, 그리고 운동 수행 장치에 가해진 힘의 세기를 측정하는 생체 신호 측정 장치를 포함한다. 그리고 생체 신호 측정 장치가 측정한 복수의 근전도를 토대로 특정 작업에 대한 복수의 근육 시너지들을 확인하고, 작업 동작을 통해 추출한 상기 피험자의 상지 관절 각도와 힘의 세기를 기초로 피험자의 운동 능력을 측정하여, 운동 능력이 저하된 임의의 시점에서의 근육 시너지를 이상 근육 시너지로 추출하는 데이터 분석 장치를 포함한다.As a system for measuring muscle synergy, an exercise performing device in which a subject performs a specific task through linear motion, and when a subject performs a specific task using an exercise performing device, a plurality of electromyograms for a specific task from the subject, a task motion, And it includes a bio-signal measuring device for measuring the strength of the force applied to the exercise performing device. Then, based on the plurality of EMGs measured by the bio-signal measuring device, a plurality of muscle synergies for a specific task are checked, and the subject's motor ability is measured based on the subject's upper limb joint angle and strength of force extracted through the work motion. And a data analysis device for extracting muscle synergy at an arbitrary time point in which the motor ability is decreased as abnormal muscle synergy.

Description

Muscle synergy measurement system and method for analysis using the same}

본 발명은 근육 시너지 측정 시스템 및 이를 이용한 근육 시너지 분석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a muscle synergy measurement system and a muscle synergy analysis method using the same.

피험자가 특정 작업을 수행하는 동안, 피험자가 해당 작업을 수행할 수 있도록 관련된 근육들의 활성을 측정하여, 작업을 수행하기 위해 동시에 사용되는 근육의 조합을 찾아 인체의 운동 제어 방식을 분석하는 것을 근육 시너지 연구라 한다. 근육 시너지 연구를 이용하면 다양한 작업들에 대한 근육 활성을 측정할 수 있으며, 여러 작업에서 공통적으로 사용되는 운동 제어 방식을 분석할 수 있다. While a subject performs a specific task, analyzing the human body's motor control method by measuring the activity of related muscles so that the subject can perform the task, finding a combination of muscles used simultaneously to perform the task, is a muscle synergy. It is called research. Muscle synergy studies can be used to measure muscle activity for a variety of tasks, and to analyze motor control methods commonly used in multiple tasks.

작업을 다양하게 구현하기 위해서는 피험자가 다양한 동작(예를 들어, 앞으로 팔 뻗기 또는 옆으로 팔 뻗기 등)을 수행할 수 있도록 제공해야 한다. 뿐만 아니라, 피험자가 같은 동작을 수행하더라도 동작을 수행하는 동안 힘을 어떻게 내야 하는지에 관한 작업 조건(예를 들어, 팔을 뻗는 방향으로 최대의 힘을 내면서 움직여야 하는지, 팔을 뻗는 방향과 관계없이 항상 일정한 방향으로 힘을 내며 움직여야 하는지 등)을 변화시키는 것이 필요하다.In order to implement the task in various ways, it should be provided so that the subject can perform various actions (for example, stretching an arm forward or stretching an arm to the side, etc.). In addition, even if the subject performs the same movement, the working conditions regarding how to exert force while performing the movement (e.g., whether the subject should move with maximum force in the direction of extending the arm or the direction in which the arm is extended, always It is necessary to change whether it has to move with force in a certain direction, etc.).

종래의 근육 시너지 분석 방법 및 시스템에 관한 선행 연구들의 경우, 피험자가 일관된 동작을 수행하도록 통제하는 방법이 고려되지 않았다. 동일한 작업을 평가한다고 할지라도 피험자에 따라 수행하는 동작이 일관되게 유지되지 않는다면, 분석한 근육 시너지 차이의 원인을 파악하기 어렵다. In the case of prior studies on the conventional muscle synergy analysis method and system, a method of controlling a subject to perform a consistent motion was not considered. Even if the same task is evaluated, it is difficult to determine the cause of the difference in the analyzed muscle synergy if the motion performed by the subject is not consistently maintained.

즉, 근육 시너지 분석을 통해 찾아낸 근육 조합이 다르게 나타난 원인이 단순히 피험자가 다른 동작을 수행했기 때문인지 또는 운동 제어 전략이 달라서 발생한 것인지 불분명해진다. 따라서 근육 시너지 연구의 정확성이 감소하는 문제가 발생한다.In other words, it becomes unclear whether the cause of the different muscle combinations found through muscle synergy analysis was simply because the subject performed different movements or because the exercise control strategy was different. Therefore, a problem arises in that the accuracy of muscle synergy studies decreases.

또 다른 종래의 근육 시너지 분석 시스템에서는 작업을 수행하는 피험자의 동작을 측정하여, 운동 능력이 다른 피험자 군에서 같은 작업에 대해서도 동작 패턴이 다르다는 것을 관찰하였다. 하지만 동작 패턴의 차이와 근육 시너지 패턴의 차이를 연관 지어 해석하지 않고, 단순히 다른 피험자 군에서 동작과 근육 시너지 패턴에서 각각 차이가 관찰되는 것을 확인하는 수준에 그쳤다. In another conventional muscle synergy analysis system, the motion of subjects performing the task was measured, and it was observed that the motion pattern was different for the same task in the group of subjects with different motor skills. However, it did not correlate and interpret the difference in the motion pattern and the difference in the muscle synergy pattern, but only at the level of confirming that a difference was observed in the motion and muscle synergy patterns in different groups of subjects.

또한, 피험자의 동작과 더불어 인체의 운동 제어의 주요 결과물 중 하나인, 힘을 측정하고 분석하는 시스템은 없다. 시너지 패턴의 모든 차이가 피험자의 작업 수행 능력을 저하시키는 것은 아니기 때문에, 힘이나 동작과 같은 작업 수행 결과와의 정량적인 비교를 거치지 않고서는 피험자 별 작업 수행 능력의 차이를 유발하는 근육 시너지 패턴의 차이를 특정할 수 없다는 한계가 있다. In addition, there is no system for measuring and analyzing force, which is one of the main outcomes of controlling the motion of the human body along with the motion of the subject. Since not all differences in synergy patterns degrade the subject's ability to perform tasks, differences in muscle synergy patterns that cause differences in task performance capabilities for each subject without a quantitative comparison with the results of task performance such as force or movement. There is a limit that it cannot be specified.

미국공개특허공보 2016-0324436호 (공개일: 2016.11.10.)U.S. Patent Publication No. 2016-0324436 (Publication date: 2016.11.10.) 미국등록특허공보 9078585호 (등록일: 2015.07.14.)U.S. Patent Publication No. 9078585 (Registration Date: 2015.07.14.)

따라서, 본 발명은 정해진 동작만을 수행하도록 기구적으로 제한하면서, 생체역학적 특성이 다른 여러 작업 환경을 구현하는 로봇 장치를 포함한 근육 시너지 측정 시스템 및 이를 이용한 근육 시너지 분석 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a muscle synergy measurement system including a robot device that implements various work environments having different biomechanical characteristics while mechanically limiting to perform only a predetermined motion, and a muscle synergy analysis method using the same.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징인 근육 시너지를 측정하는 시스템으로서,As a system for measuring muscle synergy, which is one characteristic of the present invention for achieving the technical problem of the present invention,

피험자가 공간 상의 다양한 위치에서 직선 운동을 하거나 평면 상의 정해진 궤적을 따라 작업을 수행하는 운동 수행 장치, 상기 피험자가 상기 운동 수행 장치를 이용하여 특정 작업을 수행하면, 상기 피험자로부터 상기 특정 작업에 대한 복수의 근전도, 작업 동작, 그리고 상기 피험자가 상기 운동 수행 장치에 가한 힘의 세기를 측정하는 생체 신호 측정 장치, 그리고 상기 생체 신호 측정 장치가 측정한 복수의 근전도를 토대로 상기 특정 작업에 대한 복수의 근육 시너지들을 확인하고, 상기 작업 동작을 통해 추출한 상기 피험자의 상지 관절 각도와 상기 힘의 세기를 기초로 상기 피험자의 운동 능력을 측정하며, 측정한 운동 능력이 저하된 임의의 시점에서의 근육 시너지를 저장된 비교 근육 시너지 패턴과 비교하여 상기 특정 작업을 수행함에 있어 이상 근육 시너지를 추출하는 데이터 분석 장치를 포함한다.An exercise performing device in which a subject performs a linear motion at various locations on a space or performs a task along a predetermined trajectory on a plane, and when the subject performs a specific task using the exercise performing device, the subject performs a plurality of actions for the specific task. A bio-signal measurement device for measuring the EMG, a work motion, and the strength of the force applied by the subject to the exercise performing device, and a plurality of muscle synergies for the specific task based on a plurality of EMGs measured by the bio-signal measurement device. And, based on the subject's upper limb joint angle and the strength of the force extracted through the working motion, the subject's motor ability is measured, and the muscle synergy at any point in which the measured motor ability is lowered is stored. It includes a data analysis device for extracting the abnormal muscle synergy in performing the specific task compared to the muscle synergy pattern.

상기 데이터 분석 장치는, 상기 생체 신호 측정 장치로부터 수신한 복수의 근전도를 토대로, 상기 특정 작업에 대한 복수의 근육 시너지를 추출하고, 상기 저장된 비교 근육 시너지 패턴과 비교하여 근육 시너지 변화를 확인하는 근전도 분석부, 상기 작업 동작으로부터 상기 피험자의 복수의 상지 관절 각도를 추출하고, 상기 힘의 세기를 기초로 상기 피험자가 상기 운동 수행 장치에 가한 힘의 방향 및 세기를 추출하고, 상기 관절 각도와 힘의 방향 및 세기를 토대로 상기 피험자의 운동 능력을 분석하는 운동 능력 분석부, 그리고 상기 분석한 운동 능력이 임계 기준 이하인 시점을 확인하고, 상기 복수의 근육 시너지 중 확인한 상기 시점에 사용되는 근육 시너지를 확인하며, 상기 비교 근육 시너지 패턴과 확인한 상기 근육 시너지를 비교하여 이상 근육 시너지를 추출하는 이상 근육 시너지 특정부를 포함할 수 있다.The data analysis device extracts a plurality of muscle synergies for the specific task based on a plurality of EMGs received from the bio-signal measuring device, and compares the stored comparative muscle synergy pattern with the stored comparison muscle synergy pattern to confirm a change in muscle synergy. Part, extracting the plurality of upper limb joint angles of the subject from the work motion, extracting the direction and strength of the force applied by the subject to the exercise performing device based on the strength of the force, and the joint angle and the direction of the force And an exercise ability analysis unit that analyzes the exercise ability of the subject based on the intensity, and checks a time point when the analyzed exercise ability is less than or equal to a threshold criterion, and checks a muscle synergy used at the determined time point among the plurality of muscle synergy It may include an abnormal muscle synergy specific part for extracting the abnormal muscle synergy by comparing the muscle synergy confirmed with the comparison muscle synergy pattern.

상기 근전도 분석부는, 상기 피험자에 부착된 복수의 근전도 검사 센서로부터 상기 특정 작업에 대한 복수의 근전도를 수신하는 근전도 수집 모듈, 상기 복수의 근전도로부터 상기 특정 작업에 대하여 시간대별 복수의 근육 시너지를 추출하는 근육 시너지 분석 모듈, 미리 저장되어 있는 복수의 작업 각각에 대한 상기 근육 시너지 패턴들을 저장하는 근육 시너지 패턴 저장 모듈, 그리고 상기 근육 시너지 패턴들로부터 상기 추출한 복수의 근육 시너지와 동일한 패턴을 가지는 상기 비교 근육 시너지 패턴을 확인하고, 추출한 복수의 근육 시너지와 비교 근육 시너지 패턴을 비교하여 상기 특정 작업에 영향을 주는 상기 피험자의 근육을 확인하는 근육 시너지 변화 확인 모듈을 포함할 수 있다.The EMG analysis unit includes an EMG collection module for receiving a plurality of EMGs for the specific task from a plurality of EMG sensors attached to the subject, and extracting a plurality of muscle synergies for each time period for the specific task from the plurality of EMGs. A muscle synergy analysis module, a muscle synergy pattern storage module that stores the muscle synergy patterns for each of a plurality of pre-stored tasks, and the comparative muscle synergy having the same pattern as the plurality of muscle synergies extracted from the muscle synergy patterns. It may include a muscle synergy change check module for confirming the pattern, comparing the extracted plurality of muscle synergies with the comparison muscle synergy pattern to check the muscle of the subject that affects the specific task.

상기 운동 능력 분석부는, 상기 생체 신호 측정 장치로부터 상기 피험자가 특정 작업을 수행하는 작업 동작을 수신하고, 수신한 작업 동작으로부터 상기 피험자의 상지 관절 각도를 추출하는 관절 각도 수집 모듈, 상기 생체 신호 측정 장치로부터 힘의 세기를 수신하는 힘 정보 수집 모듈, 상기 특정 작업에 대한 상기 피험자의 운동 능력을 시간대별로 측정하는 운동 능력 측정 모듈을 포함할 수 있다.The motor capability analysis unit includes a joint angle collection module configured to receive a work motion in which the subject performs a specific task from the biological signal measuring device and extract the joint angle of the upper limb of the subject from the received work motion, the biological signal measuring device It may include a force information collection module that receives the strength of the force from, and an exercise ability measurement module that measures the exercise ability of the subject for the specific task for each time period.

상기 생체 신호 측정 장치는, 상기 특정 작업을 수행하는 피험자의 근육 수축 및 이완에 따른 근전도를 측정하는 근전도 측정 장치, 상기 특정 작업을 실행하는 피험자의 작업 동작을 측정하는 동작 측정 장치, 그리고 상기 운동 수행 장치에 구비되어, 상기 피험자가 상기 운동 수행 장치에 가하는 힘의 방향 및 세기를 측정하는 힘 측정 장치를 포함할 수 있다.The bio-signal measuring device includes an EMG measuring device for measuring EMG according to muscle contraction and relaxation of a subject performing the specific task, a motion measuring device for measuring a task motion of the subject executing the specific task, and performing the exercise It is provided in the device, it may include a force measuring device for measuring the direction and intensity of the force applied by the subject to the exercise performing device.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 근육 시너지를 측정하기 위하여 피험자가 직선 운동을 수행하는 운동 수행 장치로서,As an exercise performing device in which a subject performs linear motion in order to measure muscle synergy, which is another feature of the present invention for achieving the technical problem of the present invention,

지면에 수직으로 형성된 수직 프레임, 상기 수직 프레임에 90도 각도로 연결되어 지면과 수평 방향으로 구비되는 수평 프레임, 상기 피험자가 직선 운동을 수행하는 운동부, 상기 운동부의 하단에 구비되며, 상기 운동부를 제1 방향으로 회전시키거나 제2 방향으로 기울이는 2자유도를 가지는 회전 블록, 상기 회전 블록에 일단이 연결되고 타단은 상기 수직 프레임에 연결되며, 상기 운동부를 제3 방향과 제4 방향으로 움직이는 2자유도를 갖는 링크, 그리고 상기 수평 프레임과 수직 프레임이 연결되는 위치에 형성된 연결 프레임에 일측이 연결되어 있고, 제5 방향으로 직선 운동하는 1자유도를 갖는 의자를 포함한다.A vertical frame formed perpendicular to the ground, a horizontal frame connected to the vertical frame at an angle of 90 degrees and provided in a horizontal direction with the ground, an exercise part for performing a linear motion by the subject, and provided at the lower end of the exercise part, and A rotation block having 2 degrees of freedom that rotates in one direction or tilts in a second direction, one end is connected to the rotation block and the other end is connected to the vertical frame, and the movement part moves in the third and fourth directions. And a chair having one degree of freedom connected to a link having a link and a connection frame formed at a position where the horizontal frame and the vertical frame are connected, and linearly moving in a fifth direction.

상기 피험자의 방향으로 상기 수직 프레임에 병렬로 구성되고, 수직 슬라이딩 구조물과 레일이 형성되어 있으며, 상기 수직 슬라이딩 구조물을 상기 레일을 따라 수직 이동시켜 상기 운동부의 높낮이를 결정하는 제1 위치 결정부, 레일이 형성되어 있는 상기 수평 프레임의 상면에 구성되고, 상기 레일을 따라 이동하는 수평 슬라이딩 구조물을 이용하여 상기 운동부와 상기 피험자 사이의 간격을 결정하는 제2 위치 결정부, 상기 제1 위치 결정부와 상기 제2 링크를 연결하는 링크 연결부, 그리고 일단은 상기 수직 프레임에 연결되고 타단은 제2 링크 연결부에 의해 상기 제2 링크에 연결되어 있는 수직 프레임 연결부를 포함할 수 있다.A first positioning unit configured in parallel to the vertical frame in the direction of the subject, a vertical sliding structure and a rail are formed, and vertically moving the vertical sliding structure along the rail to determine the height of the exercise unit, a rail A second positioning unit configured on the upper surface of the horizontal frame and configured to determine a distance between the exercise unit and the subject using a horizontal sliding structure moving along the rail, the first positioning unit and the A link connection part connecting the second link, and one end connected to the vertical frame and the other end may include a vertical frame connection part connected to the second link by a second link connection part.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 근육 시너지 측정 시스템이 피험자의 근육 시너지를 추출하는 방법으로서,As a method for extracting the muscle synergy of a subject by the muscle synergy measuring system, which is another feature of the present invention for achieving the technical problem of the present invention,

운동 수행 장치를 통해 제한되는 특정 작업을 수행하는 피험자의 복수의 근전도, 피험자 동작 및 힘의 방향과 세기를 측정하는 단계, 상기 복수의 근전도로부터 상기 특정 작업에 대한 근육 시너지를 추출하고, 미리 저장된 근육 시너지 패턴들 중 비교 근육 시너지를 추출하는 단계, 상기 피험자 동작 및 힘의 방향과 세기를 토대로 상기 피험자의 운동 능력을 추출하는 단계, 그리고 상기 운동 능력이 저하된 시점에서의 근육 시너지를 확인하고, 확인한 근육 시너지와 비교 근육 시너지로 상기 특정 작업에 대한 피험자의 이상 근육을 확인하는 단계를 포함한다.Measuring the direction and intensity of a plurality of EMGs, motions, and forces of a subject performing a specific task limited by an exercise performing device, extracting muscle synergy for the specific task from the plurality of EMGs, and pre-stored muscles Extracting the comparative muscle synergy among synergy patterns, extracting the exercise ability of the subject based on the direction and intensity of the motion and force of the subject, and confirming and confirming the muscle synergy at the time when the exercise ability is lowered. And identifying abnormal muscles of the subject for the specific task with muscle synergy and comparison muscle synergy.

상기 비교 근육 시너지를 추출하는 단계는, 상기 복수의 근전도를 토대로 상기 특정 작업에 대한 근육 시너지들과 각 근육 시너지의 시간대별 활성 정도를 각각 추출하는 단계, 그리고 추출한 근육 시너지의 패턴과 유사한 비교 근육 시너지를 추출하는 단계를 포함하고, 상기 근육 시너지는 상기 특정 작업을 실행하는데 사용된 근육들의 조합에 따라, 각각의 근육들에 대한 가중치로 표현될 수 있다.The step of extracting the comparative muscle synergy includes extracting the muscle synergies for the specific task and the degree of activity of each muscle synergy for each time period based on the plurality of EMGs, and a comparative muscle synergy similar to the pattern of the extracted muscle synergy. And extracting, and the muscle synergy may be expressed as a weight for each of the muscles according to a combination of muscles used to perform the specific task.

상기 운동 능력을 추출하는 단계는, 상기 피험자 동작으로부터 상기 특정 작업을 수행하는 피험자 상지의 관절 각도들을 추출하는 단계, 상기 힘의 방향과 세기를 토대로 상기 특정 작업을 수행하는 방향으로 가해진 힘의 세기를 확인하는 단계, 그리고 상기 추출한 관절 각도와 힘, 상기 피험자의 말단 위치, 그리고 상지 길이를 토대로 상기 특정 작업을 수행하는 데 방해가 되는 관절을 확인하는 단계를 포함할 수 있다.The extracting of the motor capability includes extracting joint angles of the upper limb of the subject performing the specific task from the motion of the subject, and determining the strength of the force applied in the direction of performing the specific task based on the direction and strength of the force. The step of confirming, and based on the extracted joint angle and force, the distal position of the subject, and the length of the upper limb, identifying a joint that interferes with performing the specific task.

상기 피험자의 이상 근육을 확인하는 단계는, 상기 특정 작업에 방해가 되는 관절이 존재하면 운동 능력이 저하된 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.The step of checking the abnormal muscle of the subject may include determining that the motor ability is degraded if there is a joint that interferes with the specific task.

본 발명에 따르면 피험자가 정해진 동작만을 수행하도록 제한하기 때문에, 근육 시너지 비교의 정확도를 높일 수 있다.According to the present invention, since the subject is limited to perform only a predetermined motion, it is possible to increase the accuracy of muscle synergy comparison.

또한, 근육 시너지 분석을 위해 근전도 뿐만 아니라 피험자 동작, 그리고 힘까지 측정하기 때문에, 시간에 따른 피험자의 동작 수행 능력을 정량적으로 평가하고 이를 참고하여 작업 수행 능력에 영향을 미치는 근육 시너지 패턴 변화를 특정하는, 작업 수행 능력 지표 기반의 근육 시너지 분석이 가능하다. In addition, since muscle synergy analysis not only measures the EMG, but also the subject's motion and force, the subject's ability to perform movements over time is quantitatively evaluated and the change in the muscle synergy pattern that affects the ability to perform the task is specified. , It is possible to analyze muscle synergy based on task performance indicators.

작업 수행 능력에 영향이 큰 근육 시너지 패턴 변화를 특정함으로써, 이 정보를 토대로 효과적인 재활을 시행할 수 있다.Effective rehabilitation can be performed based on this information by specifying changes in muscle synergy patterns that have a large influence on work performance.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 근육 시너지 측정 시스템의 예시도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 운동 수행 장치의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 동작 측정 장치의 구조도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 데이터 분석 장치의 구조도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 근육 시너지 분석 방법에 대한 흐름도이다.1 is an exemplary diagram of a muscle synergy measurement system according to an embodiment of the present invention.
2A to 2D are structural diagrams of an exercise performing apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a structural diagram of an apparatus for measuring motion according to an embodiment of the present invention.
4 is a structural diagram of a data analysis device according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart of a method for analyzing muscle synergy according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 근육 시너지 측정 시스템 및 이를 이용한 근육 시너지 분석 방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a muscle synergy measurement system according to an embodiment of the present invention and a muscle synergy analysis method using the same will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 근육 시너지 측정 시스템의 예시도이다.1 is an exemplary diagram of a muscle synergy measurement system according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 근육 시너지 측정 시스템은 크게 운동 수행 장치(100), 생체신호 측정 장치(200), 그리고 데이터 분석 장치(300)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 근육 시너지 측정 시스템은, 실험 중 측정한 피험자들의 동작과 힘 데이터로부터 피험자 간의 동작 차이와 힘 세기 및 방향의 차이를 지표를 통해 정량화할 수 있다. 그리고 시간에 따른 피험자의 작업 수행 능력을 평가하고, 시간에 따른 근육 시너지 변화의 해석에 참고하는 작업 수행 능력 지표 기반 근육 시너지 분석할 수 있다. As shown in FIG. 1, the muscle synergy measurement system largely includes an exercise performing device 100, a biological signal measuring device 200, and a data analysis device 300. The muscle synergy measurement system according to an embodiment of the present invention may quantify, through an index, a difference in motion between subjects and a difference in force intensity and direction from motion and force data of subjects measured during an experiment. In addition, it is possible to evaluate the task performance ability of the subject over time and analyze the muscle synergy based on the task performance ability index that is referred to the interpretation of the change in muscle synergy over time.

운동 수행 장치(100)는 피험자가 작업을 일정하게 수행할 수 있도록 한다. 운동부(150)의 위치 및 방향을 결정하는 운동 정렬부는 총 5자유도의 기구적 구조를 가지도록 설계된다. 본 발명의 실시예에서는 운동 정렬부를 2절 링크(120)인 것으로 예를 들어 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다. 운동 수행 장치(100)의 상세 구조는 이후 도 2a 내지 도 2d를 참조로 설명한다.The exercise performing device 100 allows the subject to perform a task regularly. The movement alignment unit that determines the position and direction of the movement unit 150 is designed to have a mechanical structure of a total of 5 degrees of freedom. In the embodiment of the present invention, the movement alignment unit is described as an example as the two-fold link 120, but is not necessarily limited as such. The detailed structure of the exercise performing apparatus 100 will be described later with reference to FIGS. 2A to 2D.

생체신호 측정 장치(200)는 작업을 수행하는 피험자의 근전도를 측정하는 근전도 측정 장치(210), 피험자가 작업을 수행하면서 사용하는 상지 관절 각도를 측정하기 위하여 작업 동작을 측정하는 동작 측정 장치(220), 그리고 피험자가 작업을 수행하기 위해 운동 수행 장치(100)에 구비된 손잡이(151)를 미는, 상지의 말단 힘의 세기를 측정하는 힘 측정 장치(230)를 포함한다.The biosignal measuring device 200 includes an EMG measuring device 210 for measuring the EMG of a subject performing a task, and a motion measuring device 220 for measuring a work motion in order to measure an upper limb joint angle used by the subject while performing the task. ), and a force measuring device 230 for measuring the strength of the distal force of the upper limb, pushing the handle 151 provided in the exercise performing device 100 in order for the subject to perform the task.

근전도 측정 장치(210)는 피험자의 피부에 부착되는 복수의 근전도 검사 센서(210-1, 210-2), 복수의 근전도 검사 센서(210-1, 210-2)들과 케이블 또는 무선 통신 방식으로 연결되어 있는 근전도 감지 단말(210-3)을 포함한다. The EMG measuring device 210 is connected to a plurality of EMG sensors 210-1 and 210-2 attached to the skin of a subject, and a plurality of EMG sensors 210-1 and 210-2 through a cable or wireless communication method. It includes an EMG sensing terminal 210-3 connected to it.

근전도 검사 센서(210-1, 210-2)는 피험자의 근육에 삽입되거나 혹은 근육 바로 위 피부에 부착되어, 피험자가 작업을 수행할 때 근육의 수축/이완에 따라 변하는 전압 신호를 센싱한다. 본 발명의 실시예에서는 근전도 검사 센서(210-1, 210-2)를 피부에 부착되는 하나의 쌍으로 구성된 전극 패치인 것으로 예를 들어 설명하며, 동일한 근육에 길이 방향으로 일정 간격 떨어져 부착되는 것을 예로 하여 설명하나 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다. The EMG sensors 210-1 and 210-2 are inserted into the subject's muscle or attached to the skin immediately above the muscle, and sense a voltage signal that changes according to contraction/relaxation of the muscle when the subject performs a task. In the embodiment of the present invention, the EMG sensors 210-1 and 210-2 are described as being an electrode patch composed of a pair attached to the skin, and are attached to the same muscle at regular intervals in the longitudinal direction. Although described as an example, it is not necessarily limited as such.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 근전도 검사 센서(210-1, 210-2)를 피험자의 상지의 복수의 근육 위치에 부착되는 것을 예로 하여 설명하나, 근육의 위치를 어느 한 곳으로 한정하지 않는다. 근전도 검사 센서(210-1, 210-2)가 근전도 신호를 수집하는 방법은 이미 알려진 사항으로 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다. Further, in the embodiment of the present invention, the EMG sensors 210-1 and 210-2 are described as an example in which the EMG sensors 210-1 and 210-2 are attached to a plurality of muscle locations of the upper limb of the subject, but the location of the muscles is not limited to any one location. The method of collecting the EMG signals by the EMG sensors 210-1 and 210-2 is a known matter, and a detailed description thereof will be omitted in the exemplary embodiment of the present invention.

근전도 검사 센서(210-1, 210-2)는 임의의 작업을 수행하는 피험자에 대해, 작업이 시작되는 시점부터 종료되는 시점까지 복수의 전극들을 근육별로 각각 수집한다.The EMG sensors 210-1 and 210-2 collect a plurality of electrodes for each muscle from a point in time to an end point in time for a subject performing an arbitrary task.

근전도 감지 단말(210-3)은 복수의 근전도 검사 센서(210-1, 210-2)들이 각각 센싱한 전압 신호를 수신한다. 그리고 제1 근전도 검사 센서(210-1)가 센싱한 제1 전극과 제2 근전도 검사 센서(210-2)가 센싱한 제2 전극에 각각 대응하는 제1 전압과 제2 전압을 계산하고, 제1 전압과 제2 전압의 전압 차를 확인한다. The EMG detection terminal 210-3 receives voltage signals sensed by the plurality of EMG sensors 210-1 and 210-2, respectively. In addition, a first voltage and a second voltage respectively corresponding to the first electrode sensed by the first EMG sensor 210-1 and the second electrode sensed by the second EMG sensor 210-2 are calculated, Check the voltage difference between the first voltage and the second voltage.

근전도 감지 단말(210-3)은 확인한 전압 차와 전극을 센싱한 시간 정보를 포함하는 근전도 신호 생성하여, 근육별로 각각 데이터 분석 장치(300)로 전달한다. 즉, 근전도 신호는 전압 차에 해당하는 전압 값과 시간 정보를 포함하며, 피험자에 부착된 근전도 검사 센서의 수만큼 생성된다.The EMG sensing terminal 210-3 generates an EMG signal including the determined voltage difference and time information of sensing the electrode, and transmits the EMG signal to the data analysis device 300 for each muscle. That is, the EMG signal includes a voltage value and time information corresponding to the voltage difference, and is generated as many as the number of EMG sensors attached to the subject.

동작 측정 장치(220)는 작업을 수행하는 피험자의 시간에 따른 자세를 측정하여, 피험자의 동작 동영상을 생성한다. 생성한 동작 동영상은 이후 데이터 분석 장치(300)에서 동작 정보로 추출된다. 동작 측정 장치(220)에 대해서는 이후 도 3을 참조로 설명한다.The motion measurement device 220 measures a posture of a subject performing a task according to time, and generates a motion video of the subject. The generated motion video is then extracted as motion information by the data analysis device 300. The motion measurement device 220 will be described later with reference to FIG. 3.

힘 측정 장치(230)는 피험자가 동작을 수행하기 위하여 이후 설명할 운동부(150)의 손잡이(151)를 쥐면, 피험자가 수행하는 동작 방향을 포함하여 여러 방향으로 가해지는 힘의 세기를 측정한다. 본 발명의 실시예에서는 힘 측정 장치(230)가 3축 힘 센서로 구현되는 것을 예로 하여 설명하나 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.When the subject holds the handle 151 of the exercise unit 150 to be described later in order to perform an operation, the force measuring device 230 measures the strength of the force applied in various directions, including the direction of movement performed by the subject. In the embodiment of the present invention, the force measuring device 230 is described as an example implemented as a three-axis force sensor, but is not necessarily limited as such.

또한, 힘 센서가 피험자의 힘의 세기를 측정하는 방법은 이미 알려진 것으로 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 본 발명의 실시예에서는 힘 측정 장치(230)가 3축 힘 센서로 구현되어, 동작 방향에 가해지는 힘의 세기뿐만 아니라 다른 방향으로 가해지는 힘의 세기(x축, y축, z축 방향의 힘의 세기)도 동시에 측정할 수 있는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.In addition, a method by which the force sensor measures the strength of the subject's force is already known, and a detailed description thereof will be omitted. And, in the embodiment of the present invention, the force measurement device 230 is implemented as a three-axis force sensor, so that not only the strength of the force applied in the direction of movement but also the strength of the force applied in other directions (x-axis, y-axis, z-axis) Directional force intensity) is also described as an example that can be measured at the same time, but is not necessarily limited as such.

데이터 분석 장치(300)는 생체신호 측정 장치(200)가 수집한 근전도를 토대로 근육 시너지를 분석한다. 그리고, 생체 신호 측정 장치(200)가 측정한 피험자 동작 및 힘 세기를 토대로 분석된 피험자 운동 능력을 참고하여, 운동 능력에 부정적 영향을 주는 근육 시너지를 이상 근육 시너지로 추출한다. 데이터 분석 장치(300)의 상세 구조에 대해서는 이후 도 4를 참조로 설명한다.The data analysis device 300 analyzes muscle synergy based on the EMG collected by the biological signal measuring device 200. In addition, the muscle synergy that negatively affects the exercise ability is extracted as an abnormal muscle synergy by referring to the subject's motor ability analyzed based on the subject's motion and strength measured by the biological signal measuring device 200. The detailed structure of the data analysis device 300 will be described later with reference to FIG. 4.

이상에서 설명한 근육 시너지 측정 시스템 중 운동 수행 장치(100)의 구조에 대해 도 2a 내지 도 2d를 참조로 설명한다.The structure of the exercise performing apparatus 100 among the muscle synergy measuring systems described above will be described with reference to FIGS. 2A to 2D.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 운동 수행 장치의 구조도이다.2A to 2D are structural diagrams of an exercise performing apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 운동 수행 장치(100)는 프레임(110), 2절 링크(120), 위치 결정부(130), 회전 블록(140), 운동부(150), 의자부(160)를 포함한다.2A and 2B, the exercise performing apparatus 100 includes a frame 110, a two-section link 120, a positioning unit 130, a rotation block 140, an exercise unit 150, and a chair unit. Includes 160.

프레임(110)은 운동 수행 장치(100)의 수직 프레임(111), 수직 프레임(111)에 90도 각도로 연결되어 지면과 수평이 되도록 구비되는 수평 프레임(112)이 구비되어 있다. 그리고, 수직 프레임(111)과 수평 프레임(112)이 만나는 지점에서 의자부(160)까지 연결되어 있는 연결 프레임(113)도 포함되어 있다. 본 발명의 실시예에서는 수직 프레임(111), 수평 프레임(112) 그리고 연결 프레임(113)의 재질과 폭을 어느 하나의 재질과 수치로 한정하지 않는다.The frame 110 includes a vertical frame 111 and a horizontal frame 112 connected to the vertical frame 111 of the exercise performing apparatus 100 at a 90 degree angle to be horizontal with the ground. Further, a connection frame 113 connected to the chair 160 at a point where the vertical frame 111 and the horizontal frame 112 meet is also included. In the embodiment of the present invention, the material and width of the vertical frame 111, the horizontal frame 112, and the connection frame 113 are not limited to any one material and numerical value.

도 2a 및 도 2b에 나타낸 본 발명의 실시예에서는 5자유도의 기구적 구조를 제공하기 위해, 2절 링크(120) 및 회전 블록(140) 각각의 2자유도 회전을 통해 4자유도를 제공하고, 의자부(160)의 좌/우 방향 미끄러짐을 통해 나머지 1자유도를 갖도록 예를 들어 설명한다. 구체적으로는 운동부(150)의 위/아래 및 앞/뒤 방향 위치는 2절 링크(120)의 회전을 통해 조절하며, 2절 링크(120)의 각도를 고정하여 운동부의 위치를 고정할 수 있는 형태를 예를 들어 설명한다.In the embodiment of the present invention shown in FIGS. 2A and 2B, in order to provide a mechanical structure of 5 degrees of freedom, 4 degrees of freedom are provided through the 2 degrees of freedom rotation of each of the two-section link 120 and the rotation block 140, An example will be described so as to have the remaining 1 degree of freedom through the sliding of the chair unit 160 in the left/right direction. Specifically, the position of the exercise unit 150 in the up/down and front/rear directions is adjusted through the rotation of the section 2 link 120, and the position of the exercise unit can be fixed by fixing the angle of the section 2 link 120. The form will be described as an example.

그러나, 링크(120)는 의자부(160)와 더불어 다음과 같이 구성될 수 있다. However, the link 120 may be configured as follows in addition to the chair unit 160.

즉, 링크(120)는 회전 블록(140)에 일단이 연결되고 타단은 수직 프레임(111) 또는 수평 프레임(112)에 연결되며, 운동부(150)를 세 개의 직선 방향으로 움직이는 3자유도를 가질 수 있다. 운동부(150)가 3자유도를 가질 경우 의자부(160)는, 수평 프레임(111)과 수직 프레임(112)이 연결되는 위치에 형성된 연결 프레임(113)에 일측이 고정되어 연결될 수 있다.That is, the link 120 has one end connected to the rotation block 140 and the other end connected to the vertical frame 111 or the horizontal frame 112, and can have three degrees of freedom to move the movement unit 150 in three straight directions. have. When the exercise unit 150 has three degrees of freedom, the chair unit 160 may be connected by fixing one side to the connection frame 113 formed at a position where the horizontal frame 111 and the vertical frame 112 are connected.

또한, 링크(120)는 회전 블록(140)에 일단이 연결되고 타단은 수직 프레임(111) 또는 수평 프레임(112)에 연결되며, 운동부(150)를 어느 하나의 하나의 방향으로 움직일 수 있는 1자유도를 가질 수 있다. 운동부(150)가 1자유도를 가질 경우, 의자부(160)는 수평 프레임(111)과 수직 프레임(112)이 연결되는 위치에 형성된 연결 프레임(113)에 일측이 연결되어 두 개의 방향으로 직선 운동하는 2자유도를 가질 수 있다.In addition, the link 120 has one end connected to the rotation block 140 and the other end connected to the vertical frame 111 or the horizontal frame 112, and the movement unit 150 can be moved in any one direction. You can have degrees of freedom. When the exercise unit 150 has one degree of freedom, the chair unit 160 has one side connected to the connection frame 113 formed at the position where the horizontal frame 111 and the vertical frame 112 are connected, so as to move linearly in two directions. You can have 2 degrees of freedom.

또한, 링크(120)는 회전 블록(140)을 수직 프레임(111) 또는 수평 프레임(112)에 고정되도록 연결할 수 있다. 이 때 운동부(150)는 자유도를 갖지 않으며, 의자부(160)는 수평 프레임(111)과 수직 프레임(112)이 연결되는 위치에 형성된 연결 프레임(113)에 일측이 연결되어, 세 개의 방향으로 직선 운동하는 3자유도를 가질 수 있다.In addition, the link 120 may connect the rotation block 140 to be fixed to the vertical frame 111 or the horizontal frame 112. At this time, the exercise unit 150 does not have a degree of freedom, and the chair unit 160 has one side connected to the connection frame 113 formed at a position where the horizontal frame 111 and the vertical frame 112 are connected, so that one side is connected in three directions. It can have 3 degrees of freedom for linear motion.

피험자가 큰 힘을 가하는 경우에도 운동부(150)의 위치를 단단히 고정하기 위해서, 2절 링크(120)에 위치 결정부(130)를 병렬적으로 배치할 수 있다. 의자부(160)의 좌/우 방향 미끄러짐을 통해 운동부(150)가 피험자에 대해 좌/우 방향으로 정렬된다. In order to firmly fix the position of the exercise unit 150 even when the subject applies a large force, the positioning unit 130 may be arranged in parallel on the second link 120. The exercise unit 150 is aligned in the left/right direction with respect to the subject through the left/right sliding of the chair unit 160.

2절 링크(120), 위치 결정부(130) 및 의자부(160)를 조작함으로써 운동부(150)를 3차원 공간 상에서 피험자에 대하여 자유롭게 위치시킬 수 있다. 회전 블록(140)의 2자유도 회전을 통해 운동부(150)를 3차원 공간 상에서 기울여, 피험자가 다양한 방향으로 운동을 할 수 있도록 정렬된다. Section 2 By manipulating the link 120, the positioning unit 130, and the chair unit 160, the exercise unit 150 can be freely positioned with respect to the subject in a three-dimensional space. The exercise unit 150 is tilted in a three-dimensional space through two degrees of freedom rotation of the rotation block 140, and the subject is aligned so that the subject can exercise in various directions.

이 외에도 회전 블록(140) 및 링크(120)만으로도 5자유도를 모두 구현할 수 있고, 또는 회전블록 (140)과 링크(120)로 3자유도만 구현하고 의자를 두 방향으로 미끄러지게 하여 2자유도를 구현하는 등 5자유도를 구현할 수 있는 구체적인 실시 방법은 다양하다.In addition to this, it is possible to implement all 5 degrees of freedom with only the rotation block 140 and the link 120, or implement only 3 degrees of freedom with the rotation block 140 and the link 120, and implement 2 degrees of freedom by sliding the chair in two directions. There are various specific implementation methods that can implement 5 degrees of freedom, such as.

먼저, 2절 링크(120)는 제1 링크(121)와 제2 링크(122)로 구성된다. 제1 링크(121)의 일단은 수직 프레임(111)의 제1 위치에 제1 관절(123)로 연결되어 있다. 그리고 제1 링크(121)의 타단에는 제2 링크(122)가 제2 관절(124)로 연결되어 있으며, 제2 링크(122)의 타단은 회전 블록(140)에 연결되어 있다.First, the section 2 link 120 includes a first link 121 and a second link 122. One end of the first link 121 is connected to a first position of the vertical frame 111 by a first joint 123. The second link 122 is connected to the second joint 124 at the other end of the first link 121, and the other end of the second link 122 is connected to the rotation block 140.

제1 링크(121)는 제1 관절(123)에 의해 임의의 각도로 펼쳐지거나 접히는 회전 운동을 한다. 제2 링크(122)는 제2 관절(124)에 의해 임의의 각도로 펼쳐지거나 접히는 회전 운동을 한다. 제1 관절(123)과 제2 관절(124)은 각각 제1 고정부(125)와 제2 고정부(126)가 구비되어 있다. The first link 121 performs a rotational motion that is unfolded or folded at an arbitrary angle by the first joint 123. The second link 122 performs a rotational motion that is unfolded or folded at an arbitrary angle by the second joint 124. The first joint 123 and the second joint 124 are provided with a first fixing part 125 and a second fixing part 126, respectively.

제1 고정부(125)와 제2 고정부(126)는 제1 관절(123)과 제2 관절(124)에 의해 제1 링크(121)와 제2 링크(122)의 자세가 정해지면, 피험자가 작업을 수행할 때 2절 링크의 자세가 유지되도록 수직 프레임(111)과 제1 고정부(125)가 연결된 지점, 그리고 제1 고정부(125)와 제2 고정부(126)가 연결된 지점을 고정한다.When the postures of the first link 121 and the second link 122 are determined by the first joint 123 and the second joint 124, the first fixing part 125 and the second fixing part 126, When the subject performs the task, the vertical frame 111 and the first fixing part 125 are connected to each other, and the first fixing part 125 and the second fixing part 126 are connected so that the posture of the link is maintained. Fix the point.

2절 링크(120)와 제1 위치 결정부(131) 및 제2 위치 결정부(132)는 병렬적 연결 구조를 나타낸다. 회전 블록(140)과 연결되는 제2 링크(122)의 일단에는 제1 위치 결정부(131)와 제2 위치 결정부(132)를 따라 수직 및 수평으로 움직이는 2절 링크 연결부(135)가 연결되어 있는 형태이다. 이러한 구조로 형성되어 있어, 제1 링크(121)와 제2 링크(122)의 각도 즉, 2절 링크(120)의 자세가 변경되면, 제1 위치 결정부(131)와 제2 위치 결정부(132)도 앞/뒤, 위/아래로 함께 움직인다. 이러한 연결 상태를 기구학적으로는 병렬적 연결 구조라 지칭한다. Section 2 The link 120, the first positioning unit 131, and the second positioning unit 132 represent a parallel connection structure. At one end of the second link 122 connected to the rotation block 140, a two-fold link connecting part 135 moving vertically and horizontally along the first positioning unit 131 and the second positioning unit 132 is connected. It is in the form of being. Since it is formed in such a structure, when the angle of the first link 121 and the second link 122, that is, the posture of the second link 120 is changed, the first positioning unit 131 and the second positioning unit (132) also moves forward/backward and up/down together. This connection state is kinematically referred to as a parallel connection structure.

위치 결정부(130)는 제1 위치 결정부(131)와 제2 위치 결정부(132)를 포함한다. 또한, 제1 위치 결정부(131)에는 수직 슬라이딩 구조물(134)이, 제2 위치 결정부(132)에 수평 슬라이딩 구조물(133)이 장착되어 있다. The positioning unit 130 includes a first positioning unit 131 and a second positioning unit 132. In addition, a vertical sliding structure 134 is mounted on the first positioning unit 131, and a horizontal sliding structure 133 is mounted on the second positioning unit 132.

운동부(150)의 위/아래 방향 위치를 고정하는 제1 위치 결정부(131)는 수직 프레임(111)의 앞쪽에 의자부(160) 방향으로 나란히 배치되어 있고, 운동부(150)의 앞/뒤 방향 위치를 고정하는 제2 위치 결정부(132)는 수평 프레임(112)의 위쪽 면에 배치되어 있다. 제1 위치 결정부(131)의 한쪽 끝은 제2 위치 결정부(132)에 90도 각도로 제2 위치 결정부(132)의 임의의 위치에 연결되어 있다.The first positioning unit 131 for fixing the up/down position of the exercise unit 150 is arranged side by side in the direction of the chair unit 160 at the front of the vertical frame 111, and the front/rear of the exercise unit 150 The second positioning unit 132 for fixing the directional position is disposed on the upper surface of the horizontal frame 112. One end of the first positioning unit 131 is connected to the second positioning unit 132 at an angle of 90 degrees to an arbitrary position of the second positioning unit 132.

제2 위치 결정부(132)의 하단(수평 프레임(112)을 향하는 위치)에는 수평 슬라이딩 구조물(133)이 구비되어 있다. 수평 슬라이딩 구조물(133)은 수평 프레임(112)에 구현되어 있는 레일을 따라 제2 위치 결정부(132)가 제1 방향으로 직선 운동할 수 있도록 한다. A horizontal sliding structure 133 is provided at a lower end of the second positioning unit 132 (a position facing the horizontal frame 112). The horizontal sliding structure 133 allows the second positioning unit 132 to move linearly in the first direction along the rail implemented in the horizontal frame 112.

수평 슬라이딩 구조물(133)은 도 2b에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 바퀴(133-1)와 슬라이딩 블록(133-3)은 수평 지지판(133-4)의 제1 면에 설치되어 있고, 레버(133-2)는 수평 지지판(133-4)의 제2 면에 설치되어 있다. In the horizontal sliding structure 133, as shown in FIG. 2B, at least one wheel 133-1 and the sliding block 133-3 are installed on the first surface of the horizontal support plate 133-4, and the lever Reference numeral 133-2 is provided on the second surface of the horizontal support plate 133-4.

수평 지지판(133-4)의 제1 면에 설치되어 있는 적어도 하나의 바퀴(133-1)는 수평 프레임(112)의 레일을 따라 제1 방향으로 직선 운동한다. 사용자가 수평 지지판(133-4)의 제2 면에 설치되어 있으며 수평 지지판(133-4)을 관통하는 레버(133-2)를 돌리면, 수평 지지판(133-4)의 제1 면에 설치되어 있는 슬라이딩 블록(133-3)이 수평 프레임(112)에 밀착된다. 이에 따라, 제2 위치 결정부(132)가 움직이지 않고 수평 프레임(112)에 고정되도록 브레이크 역할을 한다. At least one wheel 133-1 installed on the first surface of the horizontal support plate 133-4 moves linearly in the first direction along the rail of the horizontal frame 112. When the user turns the lever 133-2 installed on the second surface of the horizontal support plate 133-4 and penetrates the horizontal support plate 133-4, it is installed on the first surface of the horizontal support plate 133-4. A sliding block (133-3) is in close contact with the horizontal frame (112). Accordingly, it acts as a brake so that the second positioning unit 132 does not move and is fixed to the horizontal frame 112.

여기서 수평 지지판(133-4)의 제2 면은 제2 위치 결정부(132)와 맞닿는 면이고, 제1 면은 제2 면과 반대편 즉, 수평 프레임(112)을 향하는 면을 의미한다. 수평 슬라이딩 구조물(133)을 구성하는 구성 요소들에 의해 제2 위치 결정부(132)가 수평 프레임(112)에서 직선 운동하거나 고정되는 방법은 이미 알려진 사항으로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다.Here, the second surface of the horizontal support plate 133-4 is a surface in contact with the second positioning unit 132, and the first surface is a surface opposite to the second surface, that is, a surface facing the horizontal frame 112. The method in which the second positioning unit 132 is linearly moved or fixed in the horizontal frame 112 by the components constituting the horizontal sliding structure 133 is known, and detailed descriptions are provided in the embodiment of the present invention. Omit it.

제1 위치 결정부(131)의 일단은 제2 위치 결정부(132)에 지면에서 수직인 방향으로 고정 연결되어 있다. 제1 위치 결정부(131)의 제1 면에는 수직 슬라이딩 구조물(134)이 구비되어 있다. 여기서 제1 면이라 함은, 제1 위치 결정부(131)가 수직 프레임(111)을 향하지 않는 반대 면 즉, 의자부(160)를 향하는 면을 의미한다. One end of the first positioning unit 131 is fixedly connected to the second positioning unit 132 in a direction perpendicular to the ground. A vertical sliding structure 134 is provided on the first surface of the first positioning unit 131. Here, the first surface means a surface opposite to which the first positioning unit 131 faces the vertical frame 111, that is, a surface that faces the chair unit 160.

그리고 제1 면에는 수직 슬라이딩 구조물(134)이 수직 방향으로 직선 운동할 수 있도록 레일이 구현되어 있다. 수직 슬라이딩 구조물(134)에 대해 도 2b를 참조로 설명한다.In addition, a rail is implemented on the first surface so that the vertical sliding structure 134 can linearly move in the vertical direction. The vertical sliding structure 134 will be described with reference to FIG. 2B.

도 2b에 도시된 바와 같이, 수직 슬라이딩 구조물(134)은 수평 슬라이딩 구조물(133)과 마찬가지로 적어도 하나의 바퀴(134-1), 레버(134-2), 그리고 슬라이딩 블록(134-3)이 수직 지지판(134-4)에 구비되어 있다. 2B, the vertical sliding structure 134 has at least one wheel 134-1, the lever 134-2, and the sliding block 134-3 vertically similar to the horizontal sliding structure 133. It is provided on the support plate 134-4.

수직 지지판(134-4)의 제1 면에 설치되어 있는 바퀴(134-1)는 제1 위치 결정부(131)에 형성되어 있는 레일을 따라, 지면에 수직 방향으로 직선 운동한다. The wheel 134-1 installed on the first surface of the vertical support plate 134-4 moves linearly in a direction perpendicular to the ground along a rail formed in the first positioning unit 131.

사용자가 수직 지지판(134-4)의 제2 면에 설치되어 있고 수직 지지판(134-4)을 관통하여 형성된 레버(134-2)를 돌리면, 수직 지지판(134-4)의 제1 면에 설치되어 있는 슬라이딩 블록(134-3)이 수직 프레임(111)의 제1 면에 밀착된다. 이에 따라, 수직 슬라이딩 구조물(134)이 제1 위치 결정부(131)에서 움직이지 않고 고정되도록 브레이크 역할을 한다. 여기서 수직 지지판(134-4)의 제1 면은 제1 위치 결정부(131)를 향하는 면이고, 제2 면은 제1 면과 반대 면을 의미한다.When the user turns the lever 134-2 installed on the second surface of the vertical support plate 134-4 and formed through the vertical support plate 134-4, it is installed on the first surface of the vertical support plate 134-4. The sliding block 134-3 is in close contact with the first surface of the vertical frame 111. Accordingly, the vertical sliding structure 134 acts as a brake so that the first positioning unit 131 does not move and is fixed. Here, the first surface of the vertical support plate 134-4 is a surface facing the first positioning unit 131, and the second surface is a surface opposite to the first surface.

본 발명의 실시예에서는 피험자를 기준으로 운동부(150)의 3차원 공간상의 위치(x, y, z 방향 위치) 및 3차원 공간상의 방향(수평 및 수직 회전)을 자유롭게 조절할 수 있다. 여기서, 3차원 공간상의 방향이라는 것은 운동부(150)를 다양한 방향으로 기울일 수 있다는 것을 의미한다In an embodiment of the present invention, a position of the exercise unit 150 in a three-dimensional space (x, y, and z direction positions) and a direction in a three-dimensional space (horizontal and vertical rotation) of the exercise unit 150 can be freely adjusted based on the subject. Here, the direction in the three-dimensional space means that the movement unit 150 can be tilted in various directions.

예를 들어, 도 2b에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 1자유도(직선 운동)이 가능한 선형 구동기(152)를 사용하여 운동부(150)를 구현하였다. 이러한 운동부(150)를 이용하여 피험자가 다양한 방향으로의 팔 뻗기 운동을 하려면, 선형 구동기(152)를 여러 방향으로 기울이거나 회전시켜야 하며, 기구적으로 2자유도가 필요하다. For example, as shown in FIG. 2B, in the embodiment of the present invention, the exercise unit 150 is implemented using a linear actuator 152 capable of one degree of freedom (linear motion). In order for the subject to perform an arm extension movement in various directions using the exercise unit 150, the linear actuator 152 must be tilted or rotated in various directions, and mechanically, two degrees of freedom are required.

즉, 피험자는 운동부(150)를 앞이나 뒤로 기울일 수 있고, 앞 또는 뒤로 기울인 상태에서 운동부(150)를 좌/우로 돌릴 수 있어, 여러 방향으로 선형 구동기(152)를 정렬시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 선형 구동기(152)를 예로 하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 2자유도의 평면형 운동 장치를 이용하여 평면 상에서 임의의 궤적을 따라 운동할 수 있도록 구현할 수 있다.That is, the subject may tilt the exercise unit 150 forward or backward, and rotate the exercise unit 150 left/right in a forward or backward state, so that the linear actuator 152 can be aligned in various directions. In the exemplary embodiment of the present invention, the linear actuator 152 is used as an example for convenience of description, but the present invention is not limited thereto, and may be implemented to move along an arbitrary trajectory on a plane by using a two-degree-of-freedom planar exercise device.

이를 위해, 제2 링크(122)의 타단에 연결된 회전 블록(140)은 도 2c에 도시된 바와 같이 두 개의 회전 관절(141, 144)이 수직으로 연결된 구조를 가진다. 두 회전 관절(141, 144)의 각도를 조절하는 방식으로, 피험자는 운동부(150)를 수평 및 수직으로 회전하거나 앞뒤로 기울일 수 있어, 3차원 공간에서 임의의 방향으로 정렬될 수 있도록 한다.To this end, the rotation block 140 connected to the other end of the second link 122 has a structure in which two rotation joints 141 and 144 are vertically connected as shown in FIG. 2C. By adjusting the angles of the two rotating joints 141 and 144, the subject can rotate the exercise unit 150 horizontally and vertically or tilt it back and forth, so that it can be aligned in an arbitrary direction in a three-dimensional space.

제1 회전 관절(141)은 제1 회전축(142)을 통해 운동부(150)가 앞뒤로 기울어질 수 있도록 한다. 운동부(150)가 제1 회전축(142)을 통해 피험자가 원하는 방향으로 기울어지면, 운동 수행 장치(100)의 관리자는 제1 회전축 고정부(143)를 이용하여 제1 회전축(142)이 움직이지 않도록 고정한다.The first rotation joint 141 allows the movement unit 150 to be inclined back and forth through the first rotation shaft 142. When the exercise unit 150 is inclined in a direction desired by the subject through the first rotation shaft 142, the administrator of the exercise performing device 100 uses the first rotation shaft fixing part 143 to prevent the first rotation shaft 142 from moving. To be fixed.

제1 회전 관절(141)에 수직으로 연결되어 있는 제2 회전 관절(144)은 제2 회전축(145)을 통해 운동부(150)가 수직 또는 수평 방향으로 회전할 수 있도록 한다. 운동부(150)가 제2 회전축(145)을 통해 피험자가 원하는 방향으로 회전하면, 운동 수행 장치(100)의 관리자는 제2 회전축 고정부(146)를 이용하여 제2 회전축(144)이 움직이지 않도록 고정한다.The second rotation joint 144 vertically connected to the first rotation joint 141 allows the movement unit 150 to rotate in a vertical or horizontal direction through the second rotation shaft 145. When the exercise unit 150 rotates in a direction desired by the subject through the second rotation axis 145, the administrator of the exercise performance device 100 uses the second rotation axis fixing unit 146 to prevent the second rotation axis 144 from moving. To be fixed.

즉, 제1 회전 관절(141)과 제2 회전 관절(144)은 제1 회전축 고정부(143)와 제2 회전축 고정부(146)를 통해 회전축(142, 145)을 조여, 회전축 고정부(143, 146)의 부품과 회전축(142, 145) 사이의 마찰력을 통해 회전축이 고정되도록 한다. 이를 위해, 본 발명의 실시예에서는 회전축 고정부(143, 146)로 클램프 부품을 사용하는 클램핑 구조를 적용하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.That is, the first rotation joint 141 and the second rotation joint 144 tighten the rotation shafts 142 and 145 through the first rotation shaft fixing part 143 and the second rotation shaft fixing part 146, and the rotation shaft fixing part ( The rotation shaft is fixed through frictional force between the parts of the parts 143 and 146 and the rotation shafts 142 and 145. To this end, in the embodiment of the present invention, a clamping structure using a clamp component as the rotation shaft fixing portions 143 and 146 is applied, but is not necessarily limited as such.

이와 같이, 피험자는 운동부(150)를 자유롭게 정렬시킴으로써, 앞으로 손 뻗기, 옆으로 손 뻗기, 비스듬히 뻗기 등 다양한 상지 동작을, 운동 수행 장치(100)를 통해 수행할 수 있다. 또한, 피험자의 신체 크기에 따라 운동부(150)의 위치를 조정함으로써 피험자 별로 일관된 동작을 유지하며 측정할 수 있다. In this way, by freely aligning the exercise unit 150, the subject can perform various upper limb movements, such as reaching forward, reaching sideways, and extending at an angle, through the exercise performing device 100. In addition, by adjusting the position of the exercise unit 150 according to the body size of the subject, it is possible to measure while maintaining a consistent motion for each subject.

의자부(160)에 대해 도 2d를 참조로 설명한다. 피험자가 앉는 좌판(161)과 피험자가 등을 대는 등판(162)을 구비하는 의자부(160)는 트랙(163-1, 163-2) 상에 위치한다. 피험자가 정면을 바라볼 때 위치하는 트랙(163-2)의 임의의 위치는 연결 프레임(113)에 의해 수직 프레임(111)과 수평 프레임(112)에 연결되는 형태로 구현된다.The chair unit 160 will be described with reference to FIG. 2D. A chair unit 160 including a seat plate 161 on which the subject sits and a back plate 162 on which the subject rests on a back is positioned on the tracks 163-1 and 163-2. An arbitrary position of the track 163-2 located when the subject looks at the front is implemented in a form connected to the vertical frame 111 and the horizontal frame 112 by the connection frame 113.

그리고 좌판(161)에 연결되지 않은 의자 다리의 일단에는 바퀴(164-1~164-4)가 구비되어 있다. And wheels (164-1 to 164-4) are provided at one end of the leg of the chair that is not connected to the seat plate (161).

바퀴(164-1~164-4)는 트랙(163-1, 163-2)에 밀착되어, 트랙(163-1, 163-2)에 형성되어 있는 레일을 따라 트랙(163-1, 163-2)이 설치되어 있는 방향으로 직선 운동한다. 그리고 제1 바퀴(164-1)와 제2 바퀴(164-2)의 상단에는 슬라이딩 블록(166-1, 166-2)이 구비되어 있다.Wheels (164-1 to 164-4) are in close contact with the tracks (163-1, 163-2), along the rails formed in the tracks (163-1, 163-2), tracks (163-1, 163-) 2) It moves linearly in the direction in which it is installed. In addition, sliding blocks 166-1 and 166-2 are provided at upper ends of the first wheel 164-1 and the second wheel 164-2.

또한, 슬라이딩 블록(166-1, 166-2)을 통과하여 레버(165-1, 165-2)가 구비되어 있다. 레버(165-1, 165-2)를 돌리면 나사 구조를 통해 슬라이딩 블록(166-1, 166-2)이 트랙(163-1, 163-2) 방향으로 내려가고, 제1 바퀴(164-1)와 제2 바퀴(164-2)가 레일에 밀착되어 레일의 현재 위치에서 의자가 좌우로 움직이지 못하도록 고정된다.In addition, levers 165-1 and 165-2 are provided through the sliding blocks 166-1 and 166-2. When the levers 165-1 and 165-2 are turned, the sliding blocks 166-1 and 166-2 descend in the direction of the tracks 163-1 and 163-2 through the screw structure, and the first wheel 164-1 ) And the second wheel (164-2) are in close contact with the rail so that the chair cannot move from side to side at the current position of the rail.

피험자가 운동부(150)에 부착되어 있는 손잡이(151)를 잡고 정해진 궤적에 따라 임의의 작업을 수행할 때, 모터(153)는 피험자가 궤적을 따라 정해진 속도로 동작을 수행할 수 있도록 제한한다. 도 2b에 나타낸 실시예에서는 선형 구동기(152)를 사용하여 직선 운동만이 가능하도록 구현한다. 생체신호 측정 장치(200)가 피험자의 모든 방향에 대한 힘의 세기를 측정하여 데이터 분석 장치(300)로 전달하면, 데이터 분석 장치(300)는 힘의 방향에 따른 힘의 세기를 토대로 모터(153)의 속도를 결정한다.When the subject holds the handle 151 attached to the exercise unit 150 and performs an arbitrary task according to a predetermined trajectory, the motor 153 limits the subject to perform an operation at a predetermined speed along the trajectory. In the embodiment shown in FIG. 2B, the linear actuator 152 is used to implement only linear motion. When the biosignal measurement device 200 measures the strength of the force in all directions of the subject and transmits it to the data analysis device 300, the data analysis device 300 uses the motor 153 based on the strength of the force according to the direction of the force. ) To determine the speed.

그리고, 데이터 분석 장치(300)는 결정한 속도를 토대로 모터(153)에 인가될 전압이 결정된 후, 해당 전압으로 모터의 회전 속도를 제어하도록 제어 신호를 생성하여 모터(153)로 전달한다. 모터(153)는 데이터 분석 장치(300)로부터 수신한 제어 신호에 따라 발생한 전압으로 움직이면서 직선 운동을 수행하는 피험자가 손잡이(151)에 정해진 세기의 힘을 가할 수 있도록 제어한다.Then, the data analysis apparatus 300 determines a voltage to be applied to the motor 153 based on the determined speed, and then generates a control signal to control the rotational speed of the motor with the corresponding voltage and transmits it to the motor 153. The motor 153 controls the subject who performs a linear motion while moving with a voltage generated according to a control signal received from the data analysis device 300 to apply a force of a predetermined intensity to the handle 151.

이로써, 피험자가 임의의 작업인 실험 동작을 수행하는 동안 손잡이(151)에 가하는 힘을 제어하여, 피험자가 동작을 수행할 때 힘을 어떻게 내야 하는지를 제한할 수 있다. 그리고 다양한 상호작용 형태를 구현함으로써 생체 역학적 특징이 다른 여러 작업 환경을 구현할 수 있다. Accordingly, by controlling the force exerted on the handle 151 while the subject performs an experimental operation, which is an arbitrary task, it is possible to limit how the subject must exert the force when performing the operation. In addition, by implementing various types of interaction, various work environments with different biomechanical characteristics can be implemented.

다양한 작업 환경의 예로는 등척성, 등속성, 등장성, 자유 운동 등을 꼽을 수 있다. 등척성 작업의 경우, 고정된 자세에서 근력을 최대한 낸다. 등속성 작업의 경우, 일정한 속도로 운동하면서 최대 근력을 내는 작업이다. 등장성 작업의 경우, 피험자가 운동 속도 및 방향을 자유롭게 결정하되 항상 같은 방향으로 일정한 힘을 내면서 장치에서 가해지는 저항을 이겨야 하는 작업이다. 자유 운동의 경우, 등장성 작업과 비슷하게 피험자가 운동 속도와 방향을 자유롭게 결정하여 운동하지만 손잡이로부터 별도의 저항이 가해지지 않고 피험자 본인의 신체의 관성만 이겨내면 된다. 다양한 작업 환경의 예와 모터(153)를 통해 손잡이(151)의 동작을 제어하는 방법에 대해서는 다양한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다.Examples of various work environments include isometricity, isometricity, isotonicity, and free movement. In the case of isometric work, maximize muscle strength in a fixed position. In the case of an isokinetic task, it is a task that produces maximum muscle strength while exercising at a constant speed. In the case of isotonic work, the subject must freely determine the movement speed and direction, but always exert a constant force in the same direction to overcome the resistance applied from the device. In the case of free movement, similar to the isotonic work, the subject freely decides the movement speed and direction and moves, but no resistance is applied from the handle and only the inertia of the subject's own body needs to be overcome. Since examples of various work environments and a method of controlling the operation of the handle 151 through the motor 153 can be implemented in various forms, detailed descriptions are omitted in the embodiment of the present invention.

다음은 동작 측정 장치(220)에 대해 도 3을 참조로 설명한다.Next, the motion measurement device 220 will be described with reference to FIG. 3.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 동작 측정 장치의 구조도이다.3 is a structural diagram of an apparatus for measuring motion according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 동작 측정 장치(220)는 피험자의 몸에 부착되는 적외선 반사 마커(220-1)와 적외선 반사 마커(220-1)를 촬영하는 복수의 적외선 카메라들(220-2)을 포함한다.As shown in FIG. 3, the motion measurement device 220 includes an infrared reflective marker 220-1 attached to a subject's body and a plurality of infrared cameras 220-2 for photographing the infrared reflective marker 220-1. ).

피험자의 상지 관절 각도를 측정하기 위하여, 피험자는 적외선 반사 마커(220-1)를 몸에 부착한다. In order to measure the joint angle of the upper limb of the subject, the subject attaches an infrared reflective marker 220-1 to the body.

그리고 공간 상에 배치된 복수의 적외선 카메라(220-2)들을 이용하여, 피험자 몸에 부착된 적외선 반사 마커(220-1)를 촬영하여 피험자의 동작을 측정한다. 적외선 카메라(220-2)는 피험자가 부착한 적외선 반사 마커(220-1)에서 발산된 적외선 빛을 투과시켜, 마커 영상을 획득한다. 이를 위해, 적외선 카메라(220-2)들에는 적외선 빛을 투과시키는 적외선 밴드패스 필터(IR bandpass filter)가 장착되어 있는 카메라 모듈로 구현되는 것을 예로 하여 설명하며, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다. Then, using a plurality of infrared cameras 220-2 disposed in the space, the subject's motion is measured by photographing the infrared reflective marker 220-1 attached to the subject's body. The infrared camera 220-2 transmits the infrared light emitted from the infrared reflective marker 220-1 attached by the subject to obtain a marker image. To this end, the infrared camera 220-2 is described as an example implemented by a camera module equipped with an infrared bandpass filter that transmits infrared light, and is not necessarily limited as such.

본 발명의 실시예에서는 적외선 반사 마커(220-1)와 복수의 적외선 카메라들(220-2)을 동작 측정 장치(220)에 포함하는 것으로 설명하나, 적외선 반사 마커 없이도 피험자의 동작을 촬영할 수 있는 시스템이라면 무엇이든 적용 가능하다.In the embodiment of the present invention, it is described that the infrared reflective marker 220-1 and the plurality of infrared cameras 220-2 are included in the motion measurement device 220, but the motion of the subject can be photographed without the infrared reflective marker. Any system can be applied.

이상에서 설명한 운동 수행 장치(100)와 생체신호 측정 장치(200)가 각각 수집한 피험자의 상지 말단 힘, 근전도, 관절 각도를 토대로 병리적 근육 시너지를 선별하는 데이터 분석 장치(300)에 대해 도 4를 참조로 설명한다.4 for the data analysis device 300 for selecting pathological muscle synergy based on the upper extremity force, EMG, and joint angle of the subject collected by the exercise performing device 100 and the bio-signal measuring device 200 described above, respectively. It will be described with reference to.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 데이터 분석 장치의 구조도이다.4 is a structural diagram of a data analysis device according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이, 근전도 측정 장치(210), 동작 측정 장치(220) 그리고 힘 측정 장치(230)와 연동하는 데이터 분석 장치(300)는 근전도 분석부(310), 운동 능력 분석부(320), 그리고 이상 근육 시너지 특정부(330)를 포함한다.As shown in FIG. 4, the EMG measuring device 210, the motion measuring device 220, and the data analyzing device 300 interlocking with the force measuring device 230 include an EMG analysis unit 310, an exercise capacity analysis unit ( 320), and an abnormal muscle synergy specific unit 330.

근전도 분석부(310)는 근전도 수집 모듈(311), 근육 시너지 분석 모듈(312), 근육 시너지 패턴 저장 모듈(313), 그리고 근육 시너지 변화 확인 모듈(314)을 포함한다. 운동 능력 분석부(320)는 관절 각도 수집 모듈(321), 힘 정보 수집 모듈(322), 그리고 운동 능력 측정 모듈(323)을 포함한다.The EMG analysis unit 310 includes an EMG collection module 311, a muscle synergy analysis module 312, a muscle synergy pattern storage module 313, and a muscle synergy change confirmation module 314. The exercise capacity analysis unit 320 includes a joint angle collection module 321, a force information collection module 322, and an exercise capacity measurement module 323.

먼저, 근전도 측정 장치(210)가 측정한 근전도를 분석하는 근전도 분석부(310)를 설명하면, 근전도 수집 모듈(311)은 근전도 측정 장치(210)를 통해 획득한 피험자의 상지의 여러 근육에 대한 근전도 신호를 수집한다. First, explaining the EMG analysis unit 310 that analyzes the EMG measured by the EMG measurement device 210, the EMG collection module 311 is used for the various muscles of the upper limb of the subject acquired through the EMG measurement device 210. Collect EMG signals.

여기서, 근전도 신호는 각 근육에 부착된 근전도 검사 센서(210-1, 210-2)로부터 얻은 전압(voltage)을 의미한다. 즉, 도 1에 도시된 근전도 검사 센서를 예로 하여 설명하면, 제1 시점에 피험자가 임의의 동작을 수행하면, 제1 근전도 검사 센서(210-1)와 제2 근전도 검사 센서(210-2)가 해당 근육의 수축/이완에 따라 발생한 전극을 각각 센싱한다. 그리고, 센싱한 두 전극의 차를 전압으로 변환한 신호를 근전도 신호로써 수집한다.Here, the EMG signal means a voltage obtained from the EMG sensors 210-1 and 210-2 attached to each muscle. That is, when the EMG sensor shown in FIG. 1 is described as an example, when a subject performs an arbitrary operation at the first time point, the first EMG sensor 210-1 and the second EMG sensor 210-2 Each of the electrodes generated by contraction/relaxation of the corresponding muscle is sensed. Then, a signal obtained by converting the sensed difference between the two electrodes into a voltage is collected as an EMG signal.

근육 시너지 분석 모듈(312)은 근전도 수집 모듈(311)이 수집한 근전도 신호로부터 근육 시너지 패턴을 추출한다. 여기서, 근육 시너지 패턴은 피험자가 임의의 동작을 수행하고 있다고 가정하고, 임의의 타이밍에 동작을 수행하기 위하여 함께 활성화되는 복수의 근육 조합을 의미한다. The muscle synergy analysis module 312 extracts a muscle synergy pattern from the EMG signals collected by the EMG collection module 311. Here, the muscle synergy pattern means a combination of a plurality of muscles that are activated together to perform an action at an arbitrary timing, assuming that the subject is performing an arbitrary motion.

근육 시너지 분석 모듈(312)이 근전도 신호에서 시간에 따라 어떤 근육들이 어떤 비율로 조합되어 함께 사용되는지 분석하는 방법은 이미 알려진 사항으로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다. 그리고, 근육 시너지 분석 모듈(312)은 근육 시너지 패턴을 각 근육별 가중치(0에서 1 사이의 값)로 표현하여 추출한다.A method of analyzing the muscle synergy analysis module 312 to determine which muscles are combined and used with time in the EMG signal is already known, and detailed descriptions thereof will be omitted in the embodiment of the present invention. In addition, the muscle synergy analysis module 312 extracts the muscle synergy pattern by expressing it as a weight (a value between 0 and 1) for each muscle.

예를 들어, 한 쌍의 근전도 검사 센서가 10개의 근육에 부착되어 있다고 가정한다. 그리고, 피험자가 임의의 시점에 동작을 수행했을 때의 근육 시너지 패턴이 "(근육 1, 근육 2, …, 근육 10)=(0.1, 0.2, …, 0)"와 같이 추출되었다고 가정한다. 이것은 피험자가 해당 동작을 수행할 때 근육 1은 근육 2의 절반만큼 사용되고, 근육 10은 사용되지 않았다는 것을 의미한다.For example, assume that a pair of EMG sensors are attached to 10 muscles. And, it is assumed that the muscle synergy pattern when the subject performs the motion at a certain point in time is extracted as "(muscle 1, muscle 2, …, muscle 10) = (0.1, 0.2, …, 0)". This means that when the subject performs the movement, muscle 1 is used as much as half of muscle 2 and muscle 10 is not used.

근육 시너지 패턴 저장 모듈(313)은 정상인의 근육 시너지에 대한 패턴 정보가 저장, 관리된다. 근육 시너지에 대한 패턴 정보에는 정상인이 수행한 동작과 해당 동작이 진행되는 각 시점에서 어떤 근육 조합들이 얼만큼 사용되는지에 대한 정보가 포함된다.The muscle synergy pattern storage module 313 stores and manages pattern information on muscle synergy of a normal person. The pattern information on muscle synergy includes information on the motions performed by a normal person and which muscle combinations are used and how much at each time point in which the motion is performed.

근육 시너지 변화 확인 모듈(314)은 근육 시너지 분석 모듈(312)이 추출한 근육 시너지 패턴과, 근육 시너지 패턴 저장 모듈(313)에 저장된 정상인의 근육 시너지 패턴을 비교한다. 그리고 이를 토대로 피험자가 정상인에 비해 해당 동작을 수행하였을 때 덜 사용되거나 더 사용되는 근육이 무엇인지 근육 시너지 변화를 확인한다.The muscle synergy change checking module 314 compares the muscle synergy pattern extracted by the muscle synergy analysis module 312 with the muscle synergy pattern of a normal person stored in the muscle synergy pattern storage module 313. And based on this, when the subject performs the corresponding movement compared to a normal person, what muscles are used less or more are checked for changes in muscle synergy.

즉, 근육 시너지 변화 확인 모듈(314)은 정상인에 대한 근육 시너지 패턴(이하, 설명의 편의를 위하여 '정상인 근육 시너지 패턴'이라 지칭함)들과 근전도 수집 모듈(311)이 수집한 피험자의 근육 시너지 패턴(이하, 설명의 편의를 위하여 '피험자 근육 시너지 패턴'이라 지칭함)들을 비교하여, 유사한 패턴을 가지는 근육 시너지 패턴을 추출한다. 그리고 정상인 근육 시너지 패턴과 피험자 근육 시너지 패턴에서 가중치에 차이가 있는 근육이 무엇인지 확인한다.That is, the muscle synergy change checking module 314 includes muscle synergy patterns (hereinafter referred to as'normal muscle synergy patterns' for convenience of explanation) and the muscle synergy patterns of the subject collected by the EMG collection module 311 for the normal person. (Hereinafter, referred to as a'subject muscle synergy pattern' for convenience of description), a muscle synergy pattern having a similar pattern is extracted. In addition, in the normal muscle synergy pattern and the subject's muscle synergy pattern, what muscles have differences in weights are checked.

예를 들어, 정상인과 피험자가 3쌍의 근전도 검사 센서를 부착한 후 손잡이(151)를 쥐고 앞으로 팔 뻗기 동작을 수행하였다고 가정한다. 그리고, 정상인 근육 시너지 패턴은 (0.1, 0.3, 0.5)이고, 피험자 근육 시너지 패턴은 (0.1, 0.1, 0.5)로 추출되었다고 가정한다. 그러면, 근육 시너지 변화 확인 모듈(314)은 피험자가 정상인에 비해 앞으로 팔 뻗기 동작을 할 때 두 번째 근육을 덜 사용했음을 감지한다.For example, it is assumed that a normal person and a test subject attach three pairs of EMG sensors and then grasp the handle 151 and perform an arm extension operation. In addition, it is assumed that the normal muscle synergy pattern is (0.1, 0.3, 0.5), and the subject's muscle synergy pattern is (0.1, 0.1, 0.5). Then, the muscle synergy change checking module 314 detects that the subject has used less of the second muscle when performing the forward arm extension compared to the normal person.

운동 능력 분석부(320)의 관절 각도 수집 모듈(321)은 동작 측정 장치(220)가 수집한 피험자의 상지 움직임 정보 즉, 작업 동작을 수집한다. 그리고, 수집한 상지 움직임 정보로부터 피험자의 상지의 각 관절 각도를 추출한다. 관절 각도 수집 모듈(321)이 움직임 정보로부터 관절 각도를 추출하는 방법은 다양하게 실행할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 방법으로 한정하지 않는다.The joint angle collection module 321 of the motor capability analysis unit 320 collects upper limb motion information, that is, work motion, of the subject collected by the motion measurement device 220. Then, each joint angle of the upper limb of the subject is extracted from the collected upper limb motion information. Since the method of extracting the joint angle from the motion information by the joint angle collection module 321 can be executed in various ways, the present invention is not limited to any one method.

힘 정보 수집 모듈(322)은 힘 측정 장치(230)가 수집한 피험자의 힘 데이터를 수신한다. 힘 데이터는 피험자가 손잡이(151)를 잡고 동작을 하는 도중 손잡이(151)에 가해지는 힘의 세기를 힘 센서인 힘 측정 장치(230)가 수집한 것이다. 힘 측정 장치(230)가 손잡이(151)에 가해지는 힘 세기를 측정하는 방법은 다양하므로, 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 방법으로 한정하지 않는다. The force information collection module 322 receives force data of the subject collected by the force measurement device 230. The force data is obtained by collecting the force measuring device 230, which is a force sensor, of the strength of the force applied to the handle 151 while the subject holds the handle 151 and operates. Since there are various methods of measuring the strength of the force applied to the handle 151 by the force measuring device 230, it is not limited to any one method in the embodiment of the present invention.

운동 능력 측정 모듈(323)은 관절 각도 수집 모듈(321)이 수집한 관절 각도 정보와 힘 정보 수집 모듈(322)이 수집한 피험자의 힘의 세기를 토대로, 피험자의 운동 능력을 측정한다. 여기서, 피험자의 운동 능력은, 피험자가 수행하는 작업에 따라 달라진다.The exercise ability measurement module 323 measures the exercise ability of the subject based on the joint angle information collected by the joint angle collection module 321 and the strength of the subject's force collected by the force information collection module 322. Here, the subject's motor ability varies depending on the task performed by the subject.

예를 들어, 작업의 목표가 움직임이 방향을 제어하는 것이라면, 관절 각도 정보로부터 해당 방향으로 얼마나 똑바르게 움직였는지를 평가할 수 있다. 반대로 작업의 목표가 다른 방향으로는 힘 발생을 억제하면서 특정 방향으로만 큰 힘을 내는 것이라면, 각 방향의 힘의 크기를 비교해 볼 수 있다. 동작과 힘에 대한 평가 지표는 여러 가지로 표현될 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 형태로 한정하지 않는다.For example, if the goal of the task is to control the direction of movement, it is possible to evaluate how straight the movement is in the corresponding direction from the joint angle information. Conversely, if the goal of the work is to generate a large force only in a specific direction while suppressing the generation of force in the other direction, the magnitude of the force in each direction can be compared. Since the evaluation index for motion and force can be expressed in various ways, it is not limited to any one form in the embodiment of the present invention.

모터 제어부(324)는 힘 정보 수집 모듈(321)이 수집한 힘의 세기를 토대로, 모터(132)를 제어할 제어 신호를 생성한다. 모터 제어부(324)는 모터(153)의 제어를 위한 각종 하드웨어(전원 공급장치, 모터 드라이버 등)를 포함한다. 모터 제어부(324)가 제어 신호를 생성하는 방법이나, 생성된 제어 신호를 모터(132)로 전달하는 방법은 여러 방법으로 수행할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 방법으로 한정하지 않는다.The motor controller 324 generates a control signal to control the motor 132 based on the strength of the force collected by the force information collection module 321. The motor control unit 324 includes various hardware (power supply device, motor driver, etc.) for controlling the motor 153. The method of generating the control signal by the motor control unit 324 or the method of transmitting the generated control signal to the motor 132 can be performed in several ways, and thus the method is not limited to any one method in the embodiment of the present invention. .

이상 근육 시너지 특정부(330)는 근육 시너지 변화 확인 모듈(314)에서 확인한 근육 시너지의 변화와, 운동 능력 측정 모듈(323)에서 측정한 피험자의 운동 능력을 토대로 시간에 따라 작업 수행 능력에 부정적인 영향을 주는 근육 시너지를 추출한다. The abnormal muscle synergy specific unit 330 negatively affects the task performance ability over time based on the change in muscle synergy checked by the muscle synergy change check module 314 and the exercise ability of the subject measured by the exercise ability measurement module 323 It extracts the muscle synergy that gives it.

이상 운동 능력 측정 모듈(323)에서 작업 수행 능력을 평가하기 위한 힘과 동작에 대한 정량적 지표를 계산하는 방법은 다음과 같다. 아래에서 설명하는 지표는 힘과 동작으로부터 작업 수행 능력을 평가하기 위한 정량적 지표의 예시를 설명하는 것으로 아래의 예시에 한정되지 않는다.A method of calculating a quantitative index for force and motion for evaluating work performance in the abnormal exercise ability measurement module 323 is as follows. The indicators described below describe examples of quantitative indicators for evaluating the ability to perform tasks from force and motion, and are not limited to the examples below.

작업 공간에서의 속도와 힘을 자코비안 행렬을 통해 관절 공간에서의 각속도와 모멘트로 변환한다. 자코비안 행렬은 상지의 길이 및 자세에 따라 결정되며, 다음 수학식 1과 같다.The velocity and force in the working space are converted into angular velocity and moment in the joint space through the Jacobian matrix. The Jacobian matrix is determined according to the length and posture of the upper limb, and is shown in Equation 1 below.

여기서, L은 상지 각 분절의 길이, θ는 각 관절의 각도, P는 상지의 말단 부위, 즉 손의 위치를 나타내는 벡터를 의미한다. 손의 위치는 상지 각 분절의 길이와 각 관절의 각도로부터 계산할 수 있다.Here, L is the length of each segment of the upper limb, θ is the angle of each joint, and P is a vector representing the distal portion of the upper limb, that is, the position of the hand. The position of the hand can be calculated from the length of each segment of the upper limb and the angle of each joint.

이상 운동 능력 측정 모듈(323)은 말단 속도를 관절 각속도로 변환하고, 말단 힘을 관절 모멘트로 변환한다. 이는 다음 수학식 2와 같다.The ideal motor capability measurement module 323 converts the distal velocity into a joint angular velocity, and converts the distal force into a joint moment. This is shown in Equation 2 below.

이상 운동 능력 측정 모듈(323)은 피험자가 목표 동작을 수행할 때, 말단의 움직임을 방해하는 관절 동작이 나타나는지 다음 수학식 3을 통해 찾을 수 있다.When the subject performs a target motion, the abnormal motor ability measurement module 323 can find out whether a joint motion that hinders the motion of the distal end appears through Equation 3 below.

모든 관절(n)이 말단의 목표 동작 움직임에 기여하는 경우 α = 1, 목표 동작의 움직임을 방해하는 관절이 존재하는 경우 α < 1의 결과가 나온다. 수학식 3에 나타낸 지표를 토대로, 이상 운동 능력 측정 모듈(323)은 여러 관절이 목표 움직임을 효율적으로 발생시키고 있는지 확인한다.If all joints (n) contribute to the target motion motion of the distal end, α = 1, and if there is a joint that interferes with the motion of the target motion, a result of α <1 is obtained. Based on the index shown in Equation 3, the abnormal motor ability measurement module 323 checks whether several joints are efficiently generating target movements.

그리고, 이상 운동 능력 측정 모듈(323)은 근력에 대한 지표를 분석한다. 근력에 대한 지표는 피험자가 목표하지 않은 방향으로 말단 힘을 발생시키는 관절이 있는지 분석함으로써 이루어진다.In addition, the abnormal exercise ability measurement module 323 analyzes an index for muscle strength. Indices of muscle strength are made by analyzing whether there are joints that generate distal force in a direction the subject does not aim for.

β_j는 j번째 관절의 기여도로서 (j 번째 관절의 목표 방향 힘에 기여하는 모멘트)/(j 번째 관절의 전체 모멘트)로 나타낸다. 해당 관절이 목표 방향으로 힘을 주로 기여하면 β_j가 1에 가까워지고 그렇지 않다면 β_j<1을 만족한다.β _j is the contribution of the j-th joint, expressed as (moment contributing to the target direction force of the j-th joint)/(total moment of the j-th joint). If the joint mainly contributes the force in the target direction, β _j approaches 1, otherwise, β _j <1 is satisfied.

이상에서 설명한 지표는 피험자의 동작 수행능력을 평가하기 위한 힘 및 동작의 실시예로, 이 외에도 기존 생체역학 연구에서 사용되고 있는 다양한 지표들을 적용할 수 있다.The indicators described above are examples of forces and motions for evaluating the subject's ability to perform motions, and in addition, various indicators used in existing biomechanical studies can be applied.

정량적 지표를 계산한 후, 이상 근육 시너지 특정부(330)는 시간에 따라 피험자의 운동 수행 능력이 저하되는지를 평가한다. 즉, 특정 지표의 값이 임계 기준 이하로 떨어져 동작 혹은 힘 측면에서 작업 수행에 방해가 되는 관절이 존재하는 것으로 확인되면, 운동 수행 능력이 저하된 것으로 판단한다.After calculating the quantitative index, the abnormal muscle synergy specifying unit 330 evaluates whether or not the subject's ability to perform exercise decreases over time. That is, if the value of the specific index falls below the threshold criterion and it is determined that there is a joint that interferes with the task performance in terms of motion or force, it is determined that the exercise performance ability is degraded.

힘과 동작에 대한 정량적 지표를 통해 피험자의 동작 수행 능력의 변화를 평가하면, 이상 근육 시너지 특정부(330)는 동작 수행능력이 떨어지는 특정 시간대를 찾는다. 그리고 해당 시간대의 근육 시너지 패턴을 근육 시너지 변화 확인 모듈(314)로부터 수신하여, 피험자의 동작 수행 능력을 제한하는 이상 시너지 패턴으로 특정한다. When evaluating the change in the subject's ability to perform motion through quantitative indicators of force and motion, the abnormal muscle synergy specifying unit 330 finds a specific time period in which the motion performance ability is lowered. Then, the muscle synergy pattern in the corresponding time period is received from the muscle synergy change checking module 314, and is specified as an abnormal synergy pattern limiting the motion performance ability of the subject.

이상 근육 시너지 특정부(330)가 선별한 이상 근육 시너지를 관리자에게 제공함으로써, 피험자가 재활 훈련을 할 때 재활 방향을 제시하여 재활 효과를 극대화 시킬 수 있다. By providing the abnormal muscle synergy selected by the abnormal muscle synergy specific unit 330 to the manager, it is possible to maximize the rehabilitation effect by presenting a rehabilitation direction when the subject performs rehabilitation training.

이상에서 설명한 근육 시너지 측정 시스템을 이용하여 근육 시너지를 분석하는 방법에 대해 도 5를 참조로 설명한다.A method of analyzing muscle synergy using the muscle synergy measurement system described above will be described with reference to FIG. 5.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 근육 시너지 분석 방법에 대한 흐름도이다.5 is a flowchart of a method for analyzing muscle synergy according to an embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 몸에 적어도 한 쌍의 근전도 검사 센서(210-1, 210-2)들과 임의의 위치에 적외선 반사 마커(220-1)를 부착한다. 그리고 피험자의 신체 사이즈 또는 측정하고자 하는 작업에 따라 운동 수행 장치(100)의 2절 링크(120), 위치 결정부(130), 회전 블록(140), 운동부(150), 의자부(160) 등을 조절하여 근육 시너지 측정 시스템을 세팅한다(S100). As shown in FIG. 5, at least a pair of EMG sensors 210-1 and 210-2 and an infrared reflective marker 220-1 are attached to the body at an arbitrary position. And according to the body size of the subject or the task to be measured, the section 2 link 120, the positioning unit 130, the rotation block 140, the exercise unit 150, the chair unit 160, etc. By adjusting the muscle synergy measurement system is set (S100).

본 발명의 실시예에서는 피험자를 뇌졸중 환자인 것으로 예를 들어 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다. 그리고 피험자의 몸에 부착되는 한 쌍의 근전도 검사 센서(210-1, 210-2)의 수나 수행하고자 하는 작업, 근전도 검사 센서(210-1, 210-2)와 적외선 반사 마커(220-1)가 부착되는 위치 등은 어느 하나로 한정하지 않는다.In the embodiments of the present invention, the subject is described as an example as a stroke patient, but is not necessarily limited as such. And the number of the pair of EMG sensors 210-1 and 210-2 attached to the subject's body, the task to be performed, EMG sensors 210-1 and 210-2, and the infrared reflective marker 220-1. The position and the like are not limited to any one.

근육 시너지 측정 시스템이 세팅되면, 피험자는 의자부(160)에 앉아 운동부(150)의 손잡이(151)를 쥐고 미리 정해진 작업을 수행한다. 피험자가 작업을 수행할 때, 피험자 몸에 부착된 복수의 근전도 검사 센서(210-1, 210-2)들이 작업을 수행하면서 이완되거나 수축된 근육들의 근전도를 측정한다(S110). When the muscle synergy measurement system is set, the subject sits on the chair unit 160 and holds the handle 151 of the exercise unit 150 to perform a predetermined task. When the subject performs the task, a plurality of EMG sensors 210-1 and 210-2 attached to the subject's body measure the EMG of the relaxed or contracted muscles while performing the task (S110).

또한, 복수의 적외선 카메라(220-2)들은 피험자 몸에 부착된 적외선 반사 마커(220-1)를 촬영하여 작업을 수행하는 피험자의 동작을 측정한다. 그리고, 피험자가 손잡이(151)를 쥐고 가하는 힘을 힘 측정 장치(230)가 센싱하여 힘 정보로 수집한다(S120).In addition, the plurality of infrared cameras 220-2 measure the motion of the subject performing the task by photographing the infrared reflective marker 220-1 attached to the subject's body. Then, the force measurement device 230 senses the force applied by the subject holding the handle 151 and collects it as force information (S120).

근전도 검사 센서(210-1, 210-2)들이 측정한 근전도를 토대로 데이터 분석 장치(300)는 근육 시너지를 추출한다(S130). 데이터 분석 장치(300)는 S130 단계에서 추출한 피험자 근육 시너지와 미리 저장되어 있는 정상인 근육 시너지를 비교하여, 근육 시너지 변화를 확인한다(S150). 그리고 데이터 분석 장치(300)는 적외선 카메라(220-2)들과 힘 측정 장치(230)가 수집한 피험자의 동작 및 힘 정보를 토대로 피험자의 운동 능력을 추출한다(S140).The data analysis apparatus 300 extracts muscle synergy based on the EMG measured by the EMG sensors 210-1 and 210-2 (S130). The data analysis device 300 compares the muscle synergy of the subject extracted in step S130 with the previously stored normal muscle synergy, and checks the change in muscle synergy (S150). In addition, the data analysis device 300 extracts the exercise ability of the subject based on the motion and force information of the subject collected by the infrared cameras 220-2 and the force measuring device 230 (S140 ).

S150 단계에서 확인한 근육 시너지의 변화와 S140 단계에서 추출한 피험자의 운동 능력을 토대로, 데이터 분석 장치(300)는 피험자의 운동 능력이 미리 설정한 임계 기준 이하로 저하된 시점의 근육 시너지를 추출한다(S160). 이렇게 추출된 근육 시너지는 피험자인 뇌졸증 환자가 해당 작업을 수행할 때 운동 능력에 부정적 영향을 주는 가장 큰 요소로 작용하기 때문에, 해당 근육들을 위주로 재활 훈련이 될 수 있도록 관계자에게 제공한다.Based on the change in the muscle synergy identified in step S150 and the exercise ability of the subject extracted in step S140, the data analysis device 300 extracts the muscle synergy at a time point when the subject's motor ability is lower than a preset threshold reference (S160). ). The muscle synergy extracted in this way acts as the biggest factor that negatively affects the motor ability when the subject with stroke performs the task, so it is provided to the person concerned so that the relevant muscles can be mainly rehabilitation training.

예를 들어, 피험자가 손잡이(151)를 쥐고 피험자의 몸 안쪽에서 앞으로 앞으로 팔 뻗기 작업을 수행한다고 가정한다. 그리고 해당 작업을 수행할 때 팔과 등의 다양한 근육들이 사용되기 때문에, 피험자 손목, 팔, 어깨, 가슴, 등 등에 10쌍의 근전도 검사 센서(210-1, 210-2)들이 부착되어 있다고 가정한다. 또한, 피험자의 가슴 높이에서 앞으로 밀기 작업을 수행하는 피험자의 동작을 측정하기 위하여 하나의 적외선 반사 마커(220-1)가 부착되어 있다고 가정한다.For example, it is assumed that the subject holds the handle 151 and stretches the arm forward from the inside of the subject's body. And since various muscles such as arms and back are used when performing the task, it is assumed that 10 pairs of EMG sensors 210-1 and 210-2 are attached to the subject's wrist, arm, shoulder, chest, and back. . In addition, it is assumed that one infrared reflective marker 220-1 is attached to measure the motion of the subject performing the pushing operation at the height of the subject's chest.

피험자가 의자에 앉아 손잡이(151)를 쥐고 몸 앞으로 밀면, 손잡이(151)에 가해지는 힘과 앞으로 팔 뻗기 동작을 수행하는 피험자의 상지 동작, 그리고 근전도 검사 센서(210-1, 210-2)가 수집한 앞으로 팔 뻗기 작업을 수행하는 데 사용된 적어도 하나의 근육들에 대한 근전도를 수집하여 데이터 분석 장치(300)로 전달한다. When the subject sits on a chair and holds the handle 151 and pushes it in front of the body, the force applied to the handle 151, the motion of the upper limb of the subject performing a forward arm extension, and the EMG sensors 210-1 and 210-2 The EMG of at least one muscle used to perform the collected forward arm stretch is collected and transmitted to the data analysis device 300.

정상인이 앞으로 팔 뻗기 작업을 수행할 때, 10개의 근육들 중 손목, 팔, 어깨, 가슴, 등의 근육이 사용된다고 가정한다. 데이터 분석 장치(300)로 전달되는 근육 시너지 패턴은 앞으로 팔 뻗기 작업을 수행하는 전체 과정에서 시간별로 추출된다.When a normal person performs a forward arm stretch, it is assumed that among the 10 muscles, the muscles of the wrist, arm, shoulder, chest, and back are used. The muscle synergy pattern transmitted to the data analysis device 300 is extracted by time during the entire process of performing the forward arm stretching operation.

그러면, 데이터 분석 장치(300)는 피험자의 근육 시너지 패턴과 유사한 정상인 근육 시너지 패턴으로 앞으로 팔 뻗기 작업에 대한 근육 시너지 패턴을 추출한 후 측정된 피험자 근육 시너지 패턴과 비교하여 앞으로 팔 뻗기 작업에 대한 근육 시너지 패턴들을 시간대별로 추출한다.Then, the data analysis device 300 extracts the muscle synergy pattern for the forward arm stretching operation with a normal muscle synergy pattern similar to the muscle synergy pattern of the subject, and compares the measured muscle synergy pattern with the measured subject's muscle synergy for the forward arm stretching operation. Patterns are extracted by time period

데이터 분석 장치(300)는 피험자가 앞으로 팔 뻗기 작업을 수행할 때의 피험자 동작을 토대로 해당 작업에 모든 관절이 움직이는지, 또는 앞으로 팔 뻗기 동작을 방해하는 관절이 존재하는지 확인한다. 그리고 데이터 분석 장치(300)는 피험자가 앞으로 팔 뻗기 작업을 수행할 때 손잡이(151)에 가하는 힘의 정보를 토대로 모든 관절이 목표 방향인 피험자 몸 앞의 방향으로만 힘을 주고 있는지, 다른 방향(측면이나 상면 등)으로도 힘이 가해지고 있는지 확인한다. The data analysis device 300 checks whether all joints move in the corresponding task or whether there is a joint that interferes with the forward arm stretching operation based on the subject's motion when the subject performs the forward arm stretch operation. In addition, the data analysis device 300 determines whether all joints are applying force only in the direction in front of the subject's body, which is the target direction, based on information on the force applied to the handle 151 when the subject performs a forward arm extension operation. Check whether the force is applied to the side or the top, etc.).

이러한 분석을 통해 데이터 분석 장치(300)는 관절의 움직임(동작 지표)이나 힘이 가해지는 방향(힘 지표)을 토대로 동작 수행 능력이 떨어지는 시간대를 찾는다. 그리고 해당 시간대에서의 피험자 근육 시너지 패턴을 정상인 피험자 근육 시너지 패턴과 비교한다. Through this analysis, the data analysis apparatus 300 finds a time period in which the motion performance capability is inferior based on the motion of the joint (motion index) or the direction in which the force is applied (force index). Then, the muscle synergy pattern of the subject in the corresponding time period is compared with the muscle synergy pattern of the normal subject.

만약 해당 시간대에서의 피험자 근육 시너지 패턴을 (0.1, 0.1, 0.4, 0.4, 0.1, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0)이었다고 가정하고, 데이터 분석 장치(300)에 저장되어 있는 앞으로 팔 뻗기 작업에 대한 근육 시너지 패턴 중 해당 시간대에서 사용되는 근육 시너지 패턴이 (0.1, 0.5, 0.4, 0.4, 0.1, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0)이라고 가정한다. 여기서, 근육 시너지 패턴의 순서를 (손목, 팔, 어깨, 가슴, 등, 제1 근육, 제2 근육, 제3 근육, 제4 근육, 제5 근육)이라고 가정한다. If it is assumed that the subject's muscle synergy pattern at the corresponding time period was (0.1, 0.1, 0.4, 0.4, 0.1, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0), the forward arm extension stored in the data analysis device 300 Among the muscle synergy patterns for Korea, it is assumed that the muscle synergy pattern used in the corresponding time period is (0.1, 0.5, 0.4, 0.4, 0.1, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0). Here, it is assumed that the order of the muscle synergy pattern is (wrist, arm, shoulder, chest, back, first muscle, second muscle, third muscle, fourth muscle, fifth muscle).

그러면, 데이터 분석 장치(300)는 동작 수행 능력이 떨어진 시간대에서의 피험자 근육 시너지 패턴 중 팔 근육에 대한 사용 가중치가 정상인 근육 시너지 패턴과 차이가 있음을 알 수 있다. 이는, 뇌졸중 환자가 앞으로 팔 뻗기 작업을 수행할 때 팔 근육에 이상이 있어 앞으로 팔 뻗기 작업에 부정적인 영향을 주는 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 데이터 분석 장치(300)에서 분석된 정보인 팔 근육을 위주로 재활 훈련을 실행하면, 재활 효과를 극대화할 수 있다.Then, the data analysis apparatus 300 may recognize that among the muscle synergy patterns of the subject in a time zone in which the motion performance capability is inferior, the weight used for the arm muscles is different from the normal muscle synergy pattern. It can be determined that the stroke patient has an abnormality in the arm muscles when performing the forward arm stretch task, which negatively affects the forward arm stretch task. Therefore, if rehabilitation training is performed mainly on the arm muscles, which is information analyzed by the data analysis device 300, the rehabilitation effect can be maximized.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

Claims

As a system to measure muscle synergy,
An exercise performing device in which the subject performs a linear motion at various locations in space or performs a task along a predetermined trajectory on a plane,
When the subject performs a specific task using the exercise performing device, a plurality of electromyograms for the specific task from the subject, a task action, and a biological signal measuring the strength of the force applied by the subject to the exercise performing device are measured. Device, and
Based on a plurality of EMGs measured by the bio-signal measuring device, a plurality of muscle synergies for the specific task are checked, and the subject's movement based on the joint angle of the upper limb of the subject and the strength of the force extracted through the work motion A data analysis device for extracting abnormal muscle synergy when performing the specific task by measuring the ability and comparing the muscle synergy at an arbitrary time point at which the measured motor ability is decreased with a stored comparative muscle synergy pattern
Muscle synergy measurement system comprising a.

The method of claim 1,
The data analysis device,
An EMG analysis unit that extracts a plurality of muscle synergies for the specific task based on a plurality of EMGs received from the bio-signal measuring device, and compares the stored comparative muscle synergy pattern to confirm a change in muscle synergy,
Extracting a plurality of upper limb joint angles of the subject from the work motion, extracting the direction and strength of the force applied by the subject to the exercise performing device based on the strength of the force, and extracting the direction and strength of the joint angle and force Based on the exercise ability analysis unit for analyzing the exercise ability of the subject, and
Check the time point when the analyzed exercise capacity is less than the threshold criterion, check the muscle synergy used at the time point identified among the plurality of muscle synergies, and extract the abnormal muscle synergy by comparing the muscle synergy checked with the comparative muscle synergy pattern Abnormal muscle synergy specific area
Muscle synergy measurement system comprising a.

The method of claim 2,
The EMG analysis unit,
An EMG collection module for receiving a plurality of EMGs for the specific task from a plurality of EMG sensors attached to the subject,
A muscle synergy analysis module for extracting a plurality of muscle synergies for each time period for the specific task from the plurality of EMG,
A muscle synergy pattern storage module that stores the muscle synergy patterns for each of a plurality of tasks stored in advance, and
The muscle of the subject affecting the specific task by checking the comparison muscle synergy pattern having the same pattern as the extracted plurality of muscle synergies from the muscle synergy patterns, and comparing the extracted muscle synergy with the comparison muscle synergy pattern Muscle synergy change check module to check
Muscle synergy measurement system comprising a.

The method of claim 3,
The muscle synergy is a muscle synergy measurement system comprising weight information of a muscle used for the specific task for each of a plurality of muscles.

The method of claim 4,
The exercise ability analysis unit,
A joint angle collection module for receiving a work motion in which the subject performs a specific task from the biosignal measuring device, and extracting the joint angle of the upper limb of the subject from the received work motion,
A force information collection module that receives the strength of the force from the bio-signal measuring device, and
Exercise ability measurement module for measuring the exercise ability of the subject for the specific task by time slot
Muscle synergy measurement system comprising a.

The method of claim 5,
The exercise ability analysis unit,
A motor controller that generates a control signal to control the number of rotations of a motor provided in the exercise performing device based on the strength of the force
Muscle synergy measurement system further comprising a.

The method of claim 1,
The biological signal measuring device,
An EMG measuring device for measuring EMG according to muscle contraction and relaxation of a subject performing the specific task,
A motion measurement device for measuring a task motion of a subject executing the specific task, and
A force measuring device provided in the exercise performing device and measuring the direction and intensity of the force applied by the subject to the exercise performing device
Muscle synergy measurement system comprising a.

An exercise performing device in which a subject performs linear motion in order to measure muscle synergy,
A vertical frame formed perpendicular to the ground,
A horizontal frame connected to the vertical frame at an angle of 90 degrees and provided in a horizontal direction with the ground,
An exercise unit in which the subject performs linear motion,
A rotation block provided at the lower end of the movement unit and having two degrees of freedom to rotate the movement unit in a first direction or tilt in a second direction,
A link having one end connected to the rotating block and the other end connected to the vertical frame, and having two degrees of freedom moving the moving part in a third direction and a fourth direction, and
A chair with one side connected to a connection frame formed at a position where the horizontal frame and the vertical frame are connected, and having one degree of freedom for linear motion in a fifth direction
Exercise performing device comprising a.

The method of claim 8,
The rotating block,
A first rotation joint that rotates the movement part in the first direction through a first rotation axis, and
A second rotation joint that is connected vertically to the first rotation joint and rotates the movement unit so that the movement unit rotates in the second direction through a second rotation axis.
Exercise performing device comprising a.

The method of claim 9,
The rotating block,
A first rotation shaft fixing part for fixing the first rotation shaft rotated in the first direction, and
A second rotation shaft fixing part for fixing the second rotation shaft rotated in the second direction
Exercise performing device further comprising a.

The method of claim 10,
The exercise unit,
A linear actuator installed on the upper end of the second rotary joint and providing linear motion,
A handle installed on the upper end of the linear actuator and allowing the subject to perform a linear motion in a predetermined trajectory through the linear actuator, and
A motor installed on one side of the linear actuator and controlling an interaction force received from the handle by a subject performing linear motion
Exercise performing device comprising a.

The method of claim 11,
The above link is:
A first link that has one end connected to the vertical frame by a first joint, and performs a rotational motion through the first joint,
A second link having one end connected to the other end of the first joint by a second joint, the other end connected to the rotation block, and performing a rotational motion through the second joint, and
A first fixing part that fixes the postures of the first link and the second link determined by the first and second joints
Exercise performing device comprising a.

The method of claim 12,
The exercise performing device,
A first positioning unit configured in parallel to the vertical frame in the direction of the subject, a vertical sliding structure and a rail formed, and determining the height of the exercise unit by vertically moving the vertical sliding structure along the rail,
A second positioning unit configured on an upper surface of the horizontal frame on which a rail is formed and determining a distance between the exercise unit and the subject using a horizontal sliding structure moving along the rail,
A link connection unit connecting the first positioning unit and the second link, and
One end connected to the vertical frame and the other end connected to the second link by a second link connector
Exercise performing device comprising a.

The method of claim 13,
The vertical sliding structure,
Vertical support plate,
At least one wheel installed on the first surface of the vertical support plate,
A lever installed on the second surface of the vertical support plate and formed through the vertical support plate, and
A sliding block that is in close contact with the vertical frame according to the movement of the lever to fix the first positioning unit
Exercise performing device comprising a.

The method of claim 14,
The horizontal sliding structure,
Horizontal support plate,
At least one wheel installed on the first surface of the horizontal support plate,
A lever installed on the second surface of the vertical support plate and formed through the horizontal support plate, and
A sliding block that is in close contact with the horizontal frame according to the movement of the lever to fix the second positioning unit
Exercise performing device comprising a.

The method of claim 15,
The chair,
A seat on which the subject sits,
A plurality of chair legs having one side connected to the seat plate and a wheel connected to the other side, and
A pair of tracks with rails providing linear motion in the fifth direction through the wheels
Exercise performing device comprising a.

The method of claim 8,
The link, one end is connected to the rotation block, the other end is connected to the vertical frame or the horizontal frame, the movement unit may have three degrees of freedom to move in the third direction, the fourth direction, and the fifth direction,
The chair is an exercise performing apparatus in which one side is fixed and connected to a connection frame formed at a position where a horizontal frame and a vertical frame are connected.

The method of claim 8,
The link, one end is connected to the rotation block, the other end is connected to the vertical frame or the horizontal frame, and may have one degree of freedom to move the movement unit in the third direction,
The chair is an exercise performing device having two degrees of freedom for linear motion in the fourth and fifth directions by connecting one side to a connection frame formed at a position where a horizontal frame and a vertical frame are connected.

The method of claim 8,
The link connects the rotating block to be fixed to the vertical frame or the horizontal frame,
One side of the chair is connected to a connection frame formed at a position where the horizontal frame and the vertical frame are connected, so that the chair may have three degrees of freedom for linear motion in the third to fifth directions.

As a method for the muscle synergy measurement system to extract muscle synergy of a subject,
Measuring a plurality of EMGs of a subject performing a specific task limited by the exercise performing device, the subject's motion, and the direction and strength of the force,
Extracting muscle synergy for the specific task from the plurality of EMGs, and extracting a comparative muscle synergy among pre-stored muscle synergy patterns,
Extracting the motion ability of the subject based on the direction and strength of the subject's motion and force, and
Checking the muscle synergy at the time when the exercise capacity is lowered, and confirming the abnormal muscle of the subject for the specific task using the checked muscle synergy and the comparison muscle synergy.
Muscle synergy extraction method comprising a.

The method of claim 20,
The step of extracting the comparative muscle synergy,
Extracting the muscle synergies for the specific task and the degree of activity of each muscle synergy for each time period based on the plurality of EMGs, and
Step of extracting comparative muscle synergy similar to the extracted muscle synergy pattern
Including,
The muscle synergy extraction method in which the muscle synergy is expressed as a weight for each of the muscles according to a combination of muscles used to perform the specific task.

The method of claim 21,
The step of extracting the athletic ability,
Extracting joint angles of the upper limb of the subject performing the specific task from the motion of the subject,
Checking the strength of the force applied in the direction of performing the specific task based on the direction and strength of the force, and
Identifying a joint that interferes with performing the specific task based on the extracted joint angle and force, the distal position of the subject, and the length of the upper limb
Muscle synergy extraction method comprising a.

The method of claim 22,
Checking the abnormal muscle of the subject,
Determining that motor ability is degraded if there is a joint that interferes with the specific task.
Muscle synergy extraction method comprising a.