KR102294261B1 - 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 과제는 근력 운동을 실시하는 사용자의 관절의 움직임을 실시간 추적하고, 추적 결과를 해부학적 자세를 기반으로 정상적인 움직임과 비정상적인 움직임을 판단하고, 그 판단 결과에 따른 운동 평가를 실시하여 올바른 운동 자세에 대한 코칭 정보를 제공하는데 있다.
일례로, 3차원 카메라부를 통해 운동을 실시하는 사용자를 촬영하여 생성된 영상데이터로부터 사용자의 관절위치데이터를 추출 및 추적하고, 상기 관절위치데이터를 기반으로 생성된 관절움직임정보를 을 이용하여 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작을 평가하는 시스템에 관한 것으로, 근력운동 별 관절의 움직임조합정보를 기초로 미리 정의된 기준선과 기준각도범위 중 적어도 하나를 상기 관절움직임정보에 적용하여 사용자의 근력운동에 대한 정상과 오류를 판단하고, 그 판단 결과에 따른 사용자 근력운동평가정보를 제공하는 근력 운동 평가부를 포함하는 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템을 개시한다.

Description

근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템{SYSTEM FOR EVALUATING EXERCISE MOTION FOR COACHING STRENGTH TRAINING}
본 발명의 실시예는 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템에 관한 것이다.
관절의 형태를 판단하는 것은 엑스레이(X-ray) 촬영을 통해 가능하며, 엑스레이(X-ray) 촬영정보를 이용해 관절의 형태 확인이 가능하다.
그러나, 관절의 움직임 또는 관절의 각도를 판단하는 것은 검사자가 매뉴얼 테스트(직접 손으로 검사)를 하는 방법이 주로 사용되는데, 이러한 방법은 검사자의 경험과 수치화 되지 않은 방법으로 일관성이 부족한 단점이 있다.
또한, 관절의 형태를 판단하는 방법으로는 피험자를 주로 중력을 받지 않는 누운 상태에서 검사를 하는 방법이 있으며, 이러한 방법은 중력을 받지 않은 상태에서 관절의 각도 평가는 가능하나, 중력을 받은 상태가 되면, 특히 하지의 평가가 불가능하며, 이로 인해 중력을 받은 상태와 중력을 받지 않은 상태의 결과는 서로 다르게 나타난다. 인간은 중력은 받는 상태로 삶을 유지하고 있기 때문에, 중력을 배제하고 관절의 움직임을 평가하는 것은 신뢰도와 타당성이 높은 검사라고 할 수 없다.
중력(gravity)에 대하여 신체는 안정성을 유지하고 효율적으로 중력에 대항하여 움직이는 것이 중요하다. 특히, 척추만곡(spine curve)의 이상적인 정렬(ideal alignment)은 중력에 대항하는 것에 있어 매우 중요하다. 체중을 지지하는 관절을 안정시키기 위해서는 중력선(gravity line)이 관절의 회전축(axis)을 통과해야 하는데, 이러한 신체의 정렬에 기준에 대하여 비정상적인 관절의 형태나 움직임을 가진 사람이 운동을 실시할 경우 관절에 미치는 악영향은 크다고 할 수 있다.
이에 따라 근력 운동 시 관절의 비정상적인 움직임은 근육 또는 관절에 비정상적인 스트레스를 증가시켜 통증을 유발하는 원인이 될 수 있다.
등록특허공보 제10-1784410호(등록일자: 2017년09월27일) 공개특허공보 제10-2020-0022776호(공개일자: 2020년03월04일)
본 발명의 실시예는, 근력 운동을 실시하는 사용자의 관절의 움직임을 실시간 추적하고, 추적 결과를 해부학적 자세를 기반으로 정상적인 움직임과 비정상적인 움직임을 판단하고, 그 판단 결과에 따른 운동 평가를 실시하여 올바른 운동 자세에 대한 코칭 정보를 제공할 수 있는 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 근력 운동의 코칭을 위한 운동동작 평가 시스템은, 3차원 카메라부를 통해 운동을 실시하는 사용자를 촬영하여 생성된 영상데이터로부터 사용자의 관절위치데이터를 추출 및 추적하고, 상기 관절위치데이터를 기반으로 생성된 관절움직임정보를 이용하여 근력 운동의 코칭을 위한 운동동작을 평가하는 시스템에 관한 것으로, 근력운동 별 관절의 움직임조합정보를 기초로 미리 정의된 기준선과 기준각도범위 중 적어도 하나를 상기 관절움직임정보에 적용하여 사용자의 근력운동에 대한 정상과 오류를 판단하고, 그 판단 결과에 따른 사용자 근력운동평가정보를 제공하는 근력 운동 평가부를 포함한다.
또한, 상기 근력 운동 평가부는, 굴곡(flexion), 신전(extension), 내전(adduction), 외전(abduction), 회전(rotation) 및 안정화(stabilization)를 포함하는 움직임의 조합으로 근력운동 별 관절의 움직임조합정보를 구성할 수 있다.
또한, 상기 근력 운동 평가부는, 근력운동 시 인체의 중앙선, 중력선 및 두 번째 발가락의 중심선에 대한 정렬정보에 기초하여 상기 기준선을 각각 정의하고, 각각의 상기 기준선을 이용하여 상기 관절움직임정보에서 좌우 비대칭, 회전, 앞뒤 자세 정렬 및 무게 중심에 대한 근력운동의 움직임 정상과 오류를 판단할 수 있다.
또한, 상기 근력 운동 평가부는, 하체 근력운동 시 무릎의 정상 각도를 판단하기 위한 Q-angle, 경골(tilbia)과 목말뼈(talus) 및 종골(calcaneus)이 일직선을 이루는 발목정상각도, 팔꿈치의 굴곡 운동 시 팔꿈치의 밖굽이와 안굽이에 대한 팔꿈치정상각도, 및 어깨 운동 시 견갑골과 흉곽, 상완골 간의 정상각도에 대한 상기 기준각도범위를 각각 정의하되, Q-angle과 팔꿈치 밖굽이에 대한 팔꿈치정상각도 각각은 성별에 따라 다르게 정의하고, 상기 관절움직임정보에서 움직이는 관절의 각도가 상기 기준각도범위를 벗어나는지 여부에 따라 근력운동의 움직임 정상과 오류를 판단할 수 있다.
또한, 상기 근력 운동 평가부는, 발목의 회내(pronation)와 회외(supination), 무릎의 외반슬(genu valgum)과 내반슬(genu varum), 골반의 전반경사와 후방경사, 요추와 흉추의 굽은등과 편편등이, 경추의 일자목, 중 적어도 하나의 운동오류자세정보를 더 정의하고, 상기 관절움직임정보에서 상기 운동오류자세정보 중 적어도 하나를 검출하면 근력운동의 움직임 오류로 판단할 수 있다.
또한, 상기 사용자 근력운동평가정보에서 근력운동 오류 횟수가 미리 설정된 기준치를 초과하는 경우, 해당 근력운동에 대하여 미리 제작된 코칭영상정보를 디스플레이를 통해 출력되도록 제공하거나, 해당 사용자의 휴대통신단말로 전송하여 근력 운동 코칭 서비스를 제공하는 운동 코칭 서비스부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 사용자 근력운동평가정보에서 근력운동 오류 횟수가 미리 설정된 기준치를 초과하는 경우, 상기 관절움직임정보 중 상기 사용자 근력운동평가정보에서 근력운동 오류로 판단된 관절움직임정보를 미리 설정된 3차원 가상 캐릭터 상에 오버랩하거나 코칭영상과 상호 비교 가능하도록 코칭영상과 3차원 가상 캐릭터 영상이 분할된 3차원 시뮬레이션 영상을 생성하고, 생성된 상기 3차원 시뮬레이션 영상에 해당 사용자에 대한 근력운동 오류설명정보 및 코칭정보를 부가하여 코칭영상정보를 생성하고, 생성된 상기 코칭영상정보를 디스플레이를 통해 출력되도록 제공하거나, 해당 사용자의 휴대통신단말로 전송하여 근력 운동 코칭 서비스를 제공하는 운동 코칭 서비스부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 근력 운동을 실시하는 사용자의 관절의 움직임을 실시간 추적하고, 추적 결과를 해부학적 자세를 기반으로 정상적인 움직임과 비정상적인 움직임을 판단하고, 그 판단 결과에 따른 운동 평가를 실시하여 올바른 운동 자세에 대한 코칭 정보를 제공할 수 있는 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템의 전체 구성과 동작 순서를 나타낸 개요도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 운동 코칭 서비스부의 기능 구성을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 중앙선과 중력선을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하체 근력 운동 시 두 번째 발가락 중심선과 무릎 중심선에 대한 정렬을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 Q-angle을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 두 번째 발가락의 중심선과 무릎 중심축의 정렬에 의한 정상운동을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 발목의 정상각도를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 팔꿈치의 정상각도를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 어깨 운동 시 견갑골과 흉곽, 상완골의 정상각도 관계를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 스쿼트 운동의 오류를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
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 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템의 전체 구성과 동작 순서를 나타낸 개요도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 운동 코칭 서비스부의 기능 구성을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 중앙선과 중력선을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하체 근력 운동 시 두 번째 발가락 중심선과 무릎 중심선에 대한 정렬을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 Q-angle을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 두 번째 발가락의 중심선과 무릎 중심축의 정렬에 의한 정상운동을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 발목의 정상각도를 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 팔꿈치의 정상각도를 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 어깨 운동 시 견갑골과 흉곽, 상완골의 정상각도 관계를 설명하기 위해 나타낸 도면이며, 도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 스쿼트 운동의 오류를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템(1000)은, 3차원 카메라부(10)를 통해 운동을 실시하는 사용자를 촬영하여 생성된 영상데이터로부터 사용자의 관절위치데이터를 추출 및 추적하고, 관절위치데이터를 기반으로 생성된 관절움직임정보를 이용하여 근력 운동의 코칭을 위한 운동동작을 평가하는 시스템에 관한 것으로 근력 운동 평가부(100)를 포함할 수 있으며, 더불어 도 2에 도시된 바와 같이 운동 코칭 서비스부(200)를 더 포함할 수 있다.
상기 3차원 카메라부(10)는, 운동을 실시하는 사용자를 촬영하여 생성된 영상데이터로부터 사용자의 관절위치데이터를 추출 및 추적하고, 관절위치데이터를 기반으로 관절움직임정보를 생성할 수 있다. 좀 더 구체적으로, 3차원 카메라부(10)는 적외선 카메라의 중심점을 원점으로 하여 객체(사용자)를 3차원으로 표시하는데, 이때 깊이 센서는 반사된 레이저 빔 포인트로 각 픽셀간 거리를 측정하여 사용자를 인식할 수 있다. 본 실시예에서는 3차원 카메라부(10)로서 키넥트 카메라(Kinect camera), 라이다 스캐너(LiDAR sensor), ToF(Time of Flight), 3차원 깊이 카메라(3D Indepth camera), 웹 캠(Web CAM), 3차원 인뎁스 카메라(3D In depth camera) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 운동을 실시하는 사용자의 영상으로부터 3차원 모션정보(x, y, z 축의 위치 값)를 획득하고, 그로부터 관절의 위치정보 즉 움직임이 발생한 관절의 각도를 확인할 수 있는 장비이면 적용 가능하다. 이러한 3차원 모션정보(x, y, z 축의 위치 값)는 3차원의 위치정보로서 어떠한 방향에 3차원 카메라부(10)가 위치하여도 관절의 정면과 측면에 대한 위치정보를 확인할 수 있다.
상기 근력 운동 평가부(100)는, 근력운동 별 관절의 움직임조합정보를 기초로 미리 정의된 기준선과 기준각도범위 중 적어도 하나를 관절움직임정보에 적용하여 사용자의 근력운동에 대한 정상과 오류를 판단하고, 그 판단 결과에 따른 사용자 근력운동평가정보를 제공할 수 있다.
이러한 근력 운동 평가부(100)는 다양한 근력 운동에 대하여 해부학적 자세를 기반으로 관절 각도 기준을 정의하고, 근력운동 시 정의된 관절 각도 기준이 초과 또는 감소되면 해당 운동의 오류로 판단하며, 운동의 정상과 오류를 판단하는 기준에 있어서, 인체의 중앙선, 중력선, 발의 중심선을 이용한 이상적인 정렬과 좌우대칭정보의 확인을 통해 각 근력 운동의 정상과 오류를 판단할 수 있으며, 이와 더불어 Q-angle, 발목의 각도, 견갑골과 흉곽, 상완골의 각도, 팔꿈치의 각도 등의 정상 관절 각도 범위를 기준으로 정상 관절 각도 범위를 벗어나지 않으면 정상 관절 움직임으로 판단하고, 해당 정상 관절 각도 범위를 벗어난 다른 움직이면 비정상 관절 움직임에 따른 오류로 판단할 수 있다.
상기 근력 운동 평가부(100)는, 기본적으로 굴곡(flexion), 신전(extension), 내전(adduction), 외전(abduction), 회전(rotation) 안정화(stabilization)를 포함하는 움직임의 조합으로 근력운동 별 관절의 움직임조합정보를 구성할 수 있다. 근력운동 시 관절에서 발생할 수 있는 움직임은 굴곡(flexion), 신전(extension), 내전(adduction), 외전(abduction), 회전(rotation) 안정화로 한정된다. 어느 특정한 근력운동에 대해서는 어떻게 움직여야 하는지 정해져 있으며, 이는 굴곡과 신전 또는 외전과 내전, 안정화 등의 움직임이 정해진 상태로 해당 관절에서 그에 따른 움직임이 발생한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 스쿼트(squat) 운동의 경우 무릎과 고관절 굴곡과 신전 이외에 움직임이 발생하면 오류로 판단되고, 데드리프트(dead lift)의 경우 고관절에서 굴곡과 신전 이외에 움직임이 발생하면 오류로 판단되고, 덤벨컬(dumbbell curl)의 경우 팔꿈치 굴곡과 신전 이외에 움직임(내전과 외전 등)이 발생하면 오류로 판단될 수 있다. 그러나, 숄더프레스(shoulder press)의 경우 어깨의 외전과 내전운동 외에는 오류가 맞으나 견갑면이라는 것이 존재하므로 견갑면상에서 외전과 내전이 일어나는 것이 중요한 포인트라 해부학적 기준이 추가될 수 있다.
미리 정의된 근력운동으로 복합관절운동(하나 이상의 관절이 움직이는 운동)의 대표적인 스쿼트(squat), 데드리프트(dead lift), 숄더프레스(shoulder press), 덤벨컬(dumbbell curl) 등의 상지와 하지의 관절을 복합적으로 움직이는 다양한 운동이 있으며, 이하에서는 근력운동 시 근육과 관절에서 발생하는 주동근과 협력, 정적 안정성, 운동 제어와 운동 조절에 관한 포괄적인 개념을 간략히 설명한다.
근육은 골격에 부착되어 관절을 움직인다. 근육의 활동은 근육이 수축을 하여 움직임을 발생시키는 것을 의미한다. 근육의 수축에 의한 움직임에 있어 주동근과 협력근과 안정근의 개념은 중요하다. 주동근은 특정움직임을 수행하는 것에 있어 주도적으로 사용되어 가장 큰 힘을 발생시키는 근육이다. 예를 들어 팔꿈치 관절을 구부리는 동작에서 주동근은 상완근(brachialis)이며, 협력근은 주동근을 도와 보조적으로 움직임을 만들어 내는 근육이다. 예를 들어 팔꿈치 관절을 구부리는 동작에서 주동근이 상완근(brachialis)이라면, 협력근은 상완이두근(biceps brachii)과 상완요골근(brachioradialis)이 이에 해당된다. 또한, 운동에서의 협력근의 역할과 개념은 광범위한데, 상술한 상완이두근(biceps brachii) 및 상완요골근(brachioradialis)과 같이 상완근과 동일한 방향에서 수축을 하여 주동근을 협력하는 관점과 운동시 인접한 관절에서 팔꿈치만의 움직임을 발생시키기 위해 어깨관절을 고정하는 회전근개와 같이 안정화 근육의 개념을 포함한다. 예를 들어, 팔꿈치를 구부리는 운동동작에 있어 어깨관절에서 움직임의 발생은 주동근의 활동을 저해하기도 한다. 이러한 관점에서 팔꿈치를 구부리는 운동은 해당관절에서의 정확한 해부학적 각도의 움직임만이 요구되거나 또는 협력근의 도움으로 운동이 발생하는 관절 이외의 제2의 관절에서 움직임을 통제하는 것은 중요하다.
추가적인 예를 들면, 스쿼트 운동시 고관절과 무릎관절의 움직임이 주가 되고, 척추관절은 정적안정성과 신경계의 운동제어 및 조절(등척성수축, 정지상태) 에 의해 움직임이 발생하지 않는다. 그러나, 척추관절의 움직임이 발생하여 척추관절의 정적 안정성 그리고 운동제어 및 조절을 못하는 것은 정상적인 움직임을 벗어나므로 운동의 효율과 척추의 안전성을 저하시키는 원인이 된다. 스쿼트 운동은 무릎관절의 굴곡운동에서 주동근은 햄스트링과 신전근의 주동근은 대퇴사두근이 된다. 또한, 흉곽과 골반의 안정화를 위하여 운동제어와 조절이 발생하는데 신경계의 상위 영역인 뇌의 영역에서 이루어지며, 복부와 척추를 구성하는 근육을 조절하여 스쿼트 운동시 척추화 골반의 안정화를 이루게 된다.
또한, 근력운동은 근육의 수축형태(등척성, 장력은 발생되나 근육의 길이가 변하지 않는 수축, 등장성, 근장력이 발생되며 근육의 길이가 변하는 수축으로 움직임이 발생)에 따라 관절의 움직임 형태를 판단할 수 있으므로, 움직임이 발생하는 관절과 근육을 상호보완적으로 평가할 수 있다.
본 실시예에서는 상술한 근력운동 시 근육과 관절에서 발생하는 주동근과 협력, 정적 안정성, 운동 제어와 운동 조절의 개념을 바탕으로 근력운동 시 정상 관절 움직임과 비정상 관절 움직임을 판단하여 그에 따른 운동 평가를 실시한다.
상술한 바와 같이, 근력 운동 평가부(100)는 근력운동 시 인체의 중앙선, 중력선 및 두 번째 발가락의 중심선에 대한 정렬정보에 기초하여 상기의 기준선을 각각 정의하고, 각각의 기준선을 이용하여 관절움직임정보에서 좌우 비대칭, 회전, 앞뒤 자세 정렬 및 무게 중심에 대한 근력운동의 움직임 정상과 오류를 판단할 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 켄덜(Kendall)의 자세의 분류를 참고하면 정상자세는 중력선이 외이도-견봉-허리부근(중심보다 살짝 뒤쪽)-고관절의 뒤쪽-무릎중심에서 약간 앞쪽-복숭아뼈 앞쪽을 통과하는 기준이 될 수 있다. 또한, 중앙선은 머리의 이동여부, 어깨 높이와 대칭, 척추의 휘어짐, 팔꿈치 높이, 골반의 높이와 좌우 이동, 무릎과 발 등의 좌우 대칭을 평가하였을 때 균등한 대칭을 보인다. 정상척추를 살펴보면 경추와 요추는 전만(Lordosis), 흉추와 천추는 후만(kyphosis)의 형태를 나타낸다. 척추의 생리학적 커브를 유지한 채 운동을 실시하는 것은 신체의 안정성, 힘의 발생 및 코어와 사지의 연결에 있어 중요한 부분이 된다.
중앙선과 중력선에 대하여 도 4에 도시된 스쿼트(squat)를 일례로 설명하면, 중앙선을 기준으로 좌우 비대칭과 회전을 확인할 수 있으며, 비대칭 정보에는 머리, 어깨 흉곽, 골반, 고관절, 무릎, 발목관절 등의 대칭 관절을 확인할 수 있다. 또한, 중력선을 기준으로 앞뒤 자세정렬정보를 확인할 수 있으며, 이러한 중력선 정보는 스쿼트(squat)와 같은 근력운동 시 이상적인 자세정렬 및 무게의 중심을 확인할 수 있도록 한다.
또한, 두 번째 발가락 중심선을 이용한 무릎 굴곡 운동 시 이상적인 정렬과 비정상적인 정렬에 대하여 설명하면, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 무릎을 구부리는 운동은 대부분 하체운동을 포함하는데, 해당 운동 시 무릎의 정상각도를 판단하는 기준이 될 수 있다. 발의 중심선 각도(붉은선)를 나타내는 두 번째 발가락 중심선을 기준으로 하며, 무릎의 중심축이 중심선 각도와 일치할 때 이상적인 정렬 상태를 나타낸다. 이는 스쿼트 운동시 발생하는 무릎의 굴곡운동에 대해 규정된 각도(무릎의 중심축이 발의 방향과 일치)외의 다른 축의 움직임이 발생하면 운동의 오류로 판단하는 기준이 될 수 있다. 또한, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 무릎의 중심축은 발의 중앙선보다 안쪽으로 위치해 있는 비정상적인 정렬을 나타내며, 원인은 주로 발의 회내(pronation) 또는 무릎 Q-angle의 증가로 발생할 수 있다.
상기 근력 운동 평가부(100)는, 하체 근력운동 시 무릎의 정상 각도를 판단하기 위한 Q-angle, 경골(tilbia)과 목말뼈(talus) 및 종골(calcaneus)이 일직선을 이루는 발목정상각도, 팔꿈치의 굴곡 운동 시 팔꿈치의 밖굽이와 안굽이에 대한 팔꿈치정상각도, 및 어깨 운동 시 견갑골과 흉곽, 상완골 간의 정상각도에 대한 기준각도범위를 각각 정의하되, Q-angle과 팔꿈치 밖굽이에 대한 팔꿈치정상각도 각각은 성별에 따라 다르게 정의하고, 관절움직임정보에서 움직이는 관절의 각도가 기준각도범위를 벗어나는지 여부에 따라 근력운동의 움직임 정상과 오류를 판단할 수 있다.
상기 Q-angle은 전상 장골극(Anterior Superior iliac spine)에서 경골(tibial tuberosity)의 중앙을 연결한 선과 슬개골의 중앙선과의 각도를 의미한다. 남성과 여성의 신체적 구조차이로 여성은 남성보다 골반이 큼에 따라 대퇴골 형성 각도가 더 크게 형성되며, 여성은 남성에 비해 골반이 넓고 발이 쉽게 내전되어 다리가 휘는 각도가 남성은 평균 13도, 여성의 경우 18도 정도가 된다. 예를 들어 남녀 성차로 발생하는 무릎의 Q-angle, 팔꿈치 밖굽이 정상각도는 성에 따라 다르게 설정될 수 있다.
이러한 Q-angle에 따라 달라지는 대표적인 운동으로 도 7에 도시된 바와 같이 스쿼트(squat)뿐만 아니라, 무릎과 고관절의 움직임이 발생하는 운동 등이 있으며, 이러한 스쿼트 운동 시 감소된 Q-angle에 의해 무릎 외반슬(Genu valgus)이 발생하고 감소된 Q-angle에 의해 무릎 내반슬(Genu varus)이 발생하게 된다. 이와 같이 스쿼트 운동 시 규정된 Q-angle의 각도가 증가 또는 감소되면 운동의 오류로 판단하는 기준이 될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 해부학적으로 발의 중심선 각도는 두 번째 발가락이 기준이 되며, 상위 무게의 중심은 발의 중심선을 통과할 때 이상적인 정렬을 의미한다. 무릎관절의 움직임이 발생할 경우 무릎의 중심축은 발의 중심축과 정렬상태를 이루는 것을 정상으로 판단하며, 무릎의 중심이 발의 내측으로 증가된 것을 무릎 외반슬(Genu valgus) 또는 회내(pronation)로 판단할 수 있다. 또한, 무릎의 중심이 발의 외측으로 증가된 것을 무릎 내반슬(Genu varus) 또는 발의 회외(supination)로 판단할 수 있다. 이러한 해부학적인 정상 움직임을 기반으로 스쿼트 운동을 실시하면 정상과 비정상적인 움직임을 정확히 판단할 수 있다
상기 근력 운동 평가부(100)는, 발목의 회내(pronation)와 회외(supination), 무릎의 외반슬(genu valgum)과 내반슬(genu varum), 골반의 전반경사와 후방경사, 요추와 흉추의 굽은등과 편편등이, 경추의 일자목, 중 적어도 하나의 운동오류자세정보를 더 정의하고, 관절움직임정보에서 운동오류자세정보 중 적어도 하나를 검출하면 근력운동의 움직임 오류로 판단할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 발목의 정상각도는 경골(tibia, 종아리), 목말뼈(talus)와 종골(calcaneus, 뒤꿈치뼈)이 일직선상을 이룰 수 있다. 회내(pronation)는 목말뼈(talus)의 안쪽 각도가 크고, 회외(Supination)는 바깥쪽의 각도가 크게 나타난다. 발의 회내(pronation) 또는 회외(Supination)는 정강이 뼈에 영향을 미치므로, 무릎관절(Q-angle)과 고관절(Hip joint)까지 이상 움직임을 발생시키는 요인이 될 수 있다. 이와 같이 발목관절에서 규정된 운동(굴곡과 신전)이외의 다른 축의 움직임(회내, 회외)이 발생하면 운동의 오류를 판단하는 기준이 될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 정상인의 팔꿈치의 정상 밖굽이 평균각도는 13도 정도이며, 과도한 밖굽이 팔꿈치는 20-25도의 각도가 형성되고, 안굽이 팔꿈치는 전완부가 안쪽으로 5도정도 편위된 것의 나타낸다. 이는 팔꿈치의 굴곡(flexion, 구부리는 동작)과 신전(extension, 펴지는 동작) 운동 시 규정된 밖굽이 각도를 벗어나면 운동의 오류를 판단할 수 있다.
견갑골은 흉곽위에 위치하고 있으며, 도 10의 (a)의 B, (c)의 B와 같이, 견갑골은 앞쪽으로 30-35도 정도 기울어져 있으며, 이것을 견갑면(scapular plain)이라고 한다. 이러한 견갑면의 각도로 인해 도 10의 (a)의 C, (b)의 A와 같이 상완골의 후념(retroversion)은 필연적인 관계일 수 있다. 이는 견갑면에 위치한 상관골의 골두가 견갑면에 관절와에 들어가야 하는 것을 의미한다. 견갑골과 상완골의 정상각도로 인하여 어깨관절의 외전과 내전, 굴곡과 신전 운동을 발생시키는 어깨운동(숄더프레스(Shoulder press), 레터럴 레이즈(Lateral raise)) 등은 견갑면에서의 상완골과 운동이 발생하는 것이 정상각도의 운동이다. 숄더프레스 운동 시 규정된 견갑면에서의 상완골의 운동(외전과 내전)이외의 다른 축의 운동(수평 내전과 수평 외전, 과도한 굴곡과 신전)등이 발생하면 운동의 오류로 판단하는 기준이 될 수 있다.
스쿼트 운동의 오류를 판단하는 예를 들면, 정상적인 스쿼트 운동시 움직임은 발목, 무릎, 고관절, 골반, 척추 등에서 발생하므로, 이를 기반으로 스쿼트 운동 시 관절 움직임의 측정 기준을 설정할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 스쿼트 운동은 고관절과 무릎관절에서 동시에 움직임이 발생하고, 척추와 골반은 안정화 상태로 움직임이 발생하지 않는 운동으로 근력 또는 골격의 문제로 인하여 관절에서 비정상적인 움직임 또는 자세가 초래될 수 있다.
이로 인한 문제는 관절과 근육에 문제를 초래하게 되는 부정렬증후군의 원인이 되고, 신체에 통증이 발생하므로 관절 움직임의 이상여부를 판단하여 올바른 운동을 유도하는 것이 바람직하다. 이에 따른 스쿼트 운동시 발생하는 각 관절의 정상 움직임과 이상움직임과 자세를 설명하면, 발목에서 굴곡과 신전 이외에 회내(발의 엎침)와 회외(발의 뒤침) 발생은 운동 오류로 판단할 수 있다. 또한, 무릎에서는 굴곡과 신전 이외에 외반슬(무릎의 안쪽 엎침)과 내반슬(무릎의 안쪽 안굽이)이 발생하면 운동오류로 판단할 수 있다. 또한, 골반에서는 중립 이외에 전방경사(허리아치)와 후방경사(허리 휨) 골반의 회전 등의 비대칭이 발생하면 운동 오류로 판단할 수 있다.
도 11의 (a)(지나친 상체 굽힘)에 도시된 같이 스쿼트 운동 시 발생하는 과도한 고관절의 굴곡 움직임을 측정하거나, (b)(팔이 앞쪽으로 떨어짐)에 도시된 같이 다른 관절을 평가할 수 있으며, 관절의 움직임을 발생시키는 근육 또한 평가할 수 있다. 예를 들어, 스쿼트 운동 시 관절의 움직임의 영향을 미치는 무릎의 굴곡과 신전운동을 주로 담당하는 근육은 무릎신전근인 대퇴사두근과 무릎굴곡근은 햄스트링이다. 그러나, 스쿼트 운동시 무릎에서 내반슬 또는 외반슬의 움직임이 발생을 하면 무릎 내측부의 근육과 외측부의 근육의 약화 또는 경직 그리고 이와 관련된 발목관절과 고관절 근육의 약화 또는 경직 등을 확인할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 요추와 흉추에서는 중립 이외에 굽은 등과 편편등이가 발생하면 운동 오류로 판단할 수 있다. 또한, 경추에서는 중립 이외에 일자 목 등의 이상 움직임과 자세가 발생하면 운동 오류로 판단할 수 있다.
이와 같이, 스쿼트 운동 시 규정된 관절 움직임에 대한 정상각도를 벗어나는 경우, 도 11에 도시된 바와 같이 스쿼트 운동 시 주로 발목관절과 무릎관절에서 발생하는 이상 움직임이 나타날 수 있으며, 도 12에 도시된 바와 같이 척추관절에서 발생하는 이상 움직임이 나타날 수 있다.
본 실시예에 따른 근력 운동 평가부(100)는 미리 정의된 근력운동에 대하여 관절 정상 움직임과 관절 비정상 움직임을 미리 정의하고, 이를 기준으로 3차원 카메라부(10)에서 획득한 3차원 관절움직임정보로부터 정상 운동 또는 오류를 판단할 수 있으며, 중앙선, 중력선, 발의 중심선, Q-angle, 발목의 각도, 팔꿈치의 각도를 기반으로 운동 정상 또는 오류를 판단하는 3차원 좌표계 방식(x, y, z)을 간략히 정리하면, 골반과 무릎의 각도로 대퇴부의 각도를 측정하고, 고관절의 앞뒤 움직임은 x축을 좌우 움직임은 z축을, 수평 내전과 외전의 움직임은 y축을 기준으로 이용하고, 골반의 앞뒤 기울기 각도는 x축을, 좌우 높이의 움직임은 z축을, 골반의 회전은 y축을 기준으로 이용하고, 척추와 가슴의 앞뒤 움직임 x축을, 좌우 움직임은 Z축을 기준으로 측정하고, 무릎의 앞뒤 움직임은 x축을, 그리고 좌우 움직임은 y축을 기준으로 이용하여 측정하고, 발목의 앞뒤 움직임은 x축을, 좌우 움직임은 y축을 기준으로 이용하여 측정하고, 머리의 앞뒤 움직임은 x축을, 좌우 움직임은 z축을 기준으로 이용하여 측정하고, 어깨는 앞뒤 움직임은 x축을, 수평 내전과 외전은 y축을, 좌우 움직임은 z축을 기준으로 이용하여 측정하고, 또는 3개의 관절의 특징점을 연결하여 각도를 계산하는 방식 외에 가상의 축을 만들어서 관절의 각도를 산출 할 수 있으며, 좌우 대칭(머리, 어깨, 골반, 무릎 발목, 팔꿈치, 발목 등)은 중앙선을 기준으로 이용하여 측정할 수 있다.
상기 운동 코칭 서비스부(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이 사용자 근력운동평가정보에서 근력운동 오류 횟수가 미리 설정된 기준치를 초과하는 경우, 해당 근력운동에 대하여 미리 제작된 코칭영상정보를 디스플레이(10)를 통해 출력되도록 제공하거나, 해당 사용자의 휴대통신단말(10)로 전송하여 근력 운동 코칭 서비스를 제공할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 운동 코칭 서비스부(200)는 근력 운동 평가부(100)로부터 사용자 근력운동평가정보를 수신하는데, 수신된 사용자 근력운동평가정보에는 사용자가 어떠한 근력 운동을 하고 있고, 어떠한 자세 또는 포인트에서 어떠한 운동 오류를 범했는지에 대한 정보가 포함되어 있으며, 이러한 운동 오류가 미리 정해진 횟수(예를 들어, 스쿼트 30회당 10회의 운동 오류가 포함됨)를 초과하면, 데이터베이스에 저장된 해당 운동의 코칭영상정보를 추출하거나, 해당 코칭영상정보에서 특정 자세에 대한 코칭정보만을 추출하여 헬스장에 구비된 디스플레이(20)를 통해 바로 출력되도록 함으로써 영상 코칭이 이루어지도록 할 수 있으며, 뿐만 아니라 해당 사용자의 휴대통신단말(30)로 해당 코칭영상정보 또는 코칭정보를 전송하여, 현장 또는 집에서 해당 근력운동의 코칭이 이루어지도록 할 수 있다. 이러한 운동 코칭 서비스는 유료 서비스로서 트레이너의 역할을 대신하여 사용자의 운동 자세를 바르게 교정할 수 있도록 가이드 할 수 있다.
한편, 운동 코칭 서비스부(200)는, 사용자 근력운동평가정보에서 근력운동 오류 횟수가 미리 설정된 기준치를 초과하는 경우, 관절움직임정보 중 사용자 근력운동평가정보에서 근력운동 오류로 판단된 관절움직임정보를 미리 설정된 3차원 가상 캐릭터 상에 오버랩하거나 비교 가능하도록 코칭영상과 3차원 가상 캐릭터 영상이 분할한 3차원 시뮬레이션 영상을 생성하고, 생성된 3차원 시뮬레이션 영상에 해당 사용자에 대한 근력운동 오류설명정보 및 코칭정보를 부가하여 코칭영상정보를 생성하고, 생성된 코칭영상정보를 디스플레이(20)를 통해 출력되도록 제공하거나, 해당 사용자의 휴대통신단말(30)로 전송하여 근력 운동 코칭 서비스를 제공할 수 있다.
예를 들어, 상술한 바와 같이 기본적인 코칭영상정보를 추출하여 제공하되, 사용자의 운동코칭영상에 사용자의 운동과정을 나타낸 3차원 캐릭터 그래픽을 오버랩하여 표시하거나, 해당 코칭영상과 3차원 캐릭터 그래픽 영상을 분할하여 비교 가능하도록 가공한 3차원 시뮬레이션 영상을 생성할 수 있다. 여기서, 3차원 캐릭터 그래픽 영상은 근력 운동 평가부(100)로부터 관절움직임정보를 별도로 획득하고, 획득된 관절움직임데이터에 3차원 가상 캐릭터 그래픽을 입혀 생성할 수 있으며, 해당 3차원 가상 캐릭터 그래픽을 통해 사용자가 어떠한 동작에서 어떠한 오류를 범했는지 코칭영상과 직접적으로 비교함으로써 운동 자세에 대한 교정이 보다 효과적으로 수행될 수 있도록 한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
1000: 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템
10: 3차원 카메라부
100: 근력 운동 평가부
200: 운동 코칭 서비스부
20: 디스플레이
30: 휴대통신단말

Claims (7)

  1. 3차원 카메라부를 통해 운동을 실시하는 사용자를 촬영하여 생성된 영상데이터로부터 사용자의 관절위치데이터를 추출 및 추적하고, 상기 관절위치데이터를 기반으로 생성된 관절움직임정보를 이용하여 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작을 평가하는 시스템에 관한 것으로,
    근력운동 별 관절의 움직임조합정보를 기초로 미리 정의된 해부학적 기준선과 해부학적 기준각도범위 중 적어도 하나를 상기 관절움직임정보에 적용하여 사용자의 근력운동과정에서 사용자의 동적 움직임에 대한 정상과 오류를 판단하고, 그 판단 결과에 따른 사용자 근력운동평가정보를 제공하는 근력 운동 평가부를 포함하고,
    상기 근력 운동 평가부는,
    하체 근력운동 시 무릎의 정상 각도를 판단하기 위한 Q-angle, 경골(tilbia)과 목말뼈(talus) 및 종골(calcaneus)이 일직선을 이루는 발목정상각도, 팔꿈치의 굴곡 운동 시 팔꿈치의 밖굽이와 안굽이에 대한 팔꿈치정상각도, 및 어깨 운동 시 견갑골과 흉곽, 상완골 간의 정상각도에 대한 상기 기준각도범위를 각각 정의하되, 상기 관절움직임정보에서 움직이는 관절의 각도가 상기 기준각도범위를 벗어나는지 여부에 따라 근력운동의 움직임 정상과 오류를 판단하는 것을 특징으로 하는 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 근력 운동 평가부는,
    굴곡(flexion), 신전(extension), 내전(adduction), 외전(abduction), 회전(rotation) 및 안정화(stabilization)를 포함하는 움직임의 조합으로 근력운동 별 관절의 움직임조합정보를 구성하는 것을 특징으로 하는 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 근력 운동 평가부는,
    근력운동 시 인체의 중앙선, 중력선 및 두 번째 발가락의 중심선에 대한 정렬정보에 기초하여 상기 기준선을 각각 정의하고, 각각의 상기 기준선을 이용하여 상기 관절움직임정보에서 좌우 비대칭, 회전, 앞뒤 자세 정렬 및 무게 중심에 대한 근력운동의 움직임 정상과 오류를 판단하는 것을 특징으로 하는 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 근력 운동 평가부는,
    Q-angle과 팔꿈치 밖굽이에 대한 팔꿈치정상각도 각각은 성별에 따라 다르게 정의하는 것을 특징으로 하는 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 근력 운동 평가부는,
    발목의 회내(pronation)와 회외(supination), 무릎의 외반슬(genu valgum)과 내반슬(genu varum), 골반의 전반경사와 후방경사, 요추와 흉추의 굽은등과 편편등이, 경추의 일자목 중 적어도 하나의 운동오류자세정보를 더 정의하고, 상기 관절움직임정보에서 상기 운동오류자세정보 중 적어도 하나를 검출하면 근력운동의 움직임 오류로 판단하는 것을 특징으로 하는 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 사용자 근력운동평가정보에서 근력운동 오류 횟수가 미리 설정된 기준치를 초과하는 경우, 해당 근력운동에 대하여 미리 제작된 코칭영상정보를 디스플레이를 통해 출력되도록 제공하거나, 해당 사용자의 휴대통신단말로 전송하여 근력 운동 코칭 서비스를 제공하는 운동 코칭 서비스부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 사용자 근력운동평가정보에서 근력운동 오류 횟수가 미리 설정된 기준치를 초과하는 경우, 상기 관절움직임정보 중 상기 사용자 근력운동평가정보에서 근력운동 오류로 판단된 관절움직임정보를 미리 설정된 3차원 가상 캐릭터 상에 오버랩하거나 상호 비교 가능하도록 코칭영상과 3차원 가상 캐릭터 영상이 분할된 3차원 시뮬레이션 영상을 생성하고, 생성된 상기 3차원 시뮬레이션 영상에 해당 사용자에 대한 근력운동 오류설명정보 및 코칭정보를 부가하여 코칭영상정보를 생성하고, 생성된 상기 코칭영상정보를 디스플레이를 통해 출력되도록 제공하거나, 해당 사용자의 휴대통신단말로 전송하여 근력 운동 코칭 서비스를 제공하는 운동 코칭 서비스부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 운동의 코칭을 위한 운동 동작 평가 시스템.
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