KR102343379B1 - 착용형 보행 시작 의도 판단 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보행자의 보행 시작 의도를 판단하는 장치로서, 보행 중 좌측 발바닥에서 발생하는 좌측 지면 반력 신호를 측정하는 복수의 좌측 발바닥 센서부; 보행 중 우측 발바닥에서 발생하는 우측 지면 반력 신호를 측정하는 복수의 우측 발바닥 센서부; 좌측 지면 반력 신호와 우측 지면 반력 신호를 수신하여 연산하는 연산부를 포함하고, 연산부는 각각의 센서부로부터 측정된 지면 반력 신호의 데이터를 이용하여 보행 방향 및 보행 방향과 수직한 방향에서의 압력 중심의 위치를 연산하고, 보행자의 유각기 발뒤꿈치의 지면 반력이 증가함과 동시에 압력 중심 위치가 보행자의 후방으로 이동될 때를 보행 시작 의도가 있는 것으로 판단하는 보행 시작 의도 판단 장치에 관한 것이다.

Description

착용형 보행 시작 의도 판단 장치{WEARABLE GAIT START INTENTION DETECTION DEVICE}

본 발명은 정지 상태로 서 있던 보행자의 보행 시작 의도를 사전에 판단하는 보행 시작 의도 판단 장치에 관한 것이다.

보행능력이 저하된 노령자 또는 장애인의 경우 자발적으로 보행을 진행하는 데 어려움을 겪게 된다. 이 경우에 보행 보조 기기(또는 로봇) 등을 이용하여 상지와 하지의 움직임을 원활하게 하도록 도움을 줄 수 있는데, 이러한 로봇 또는 보조기기를 제어하기 위해서는 일정 시간이 소요되므로 보행자가 걷고자 하는 시점 이전에 그 보행 시작 의도를 판단하여야 한다.

그러나, 종래의 연구들에 의하면 보행 시작 의도 파악에 사용하는 센서로 인한 제약이 있을 뿐만 아니라, 보행 시작 의도를 사전에 파악하기 어렵다는 문제점이 있다.

한편, 인체는 임의의 행동으로 인하여 자세가 변하기 전에 이에 대응하는 특정 근육의 활성화가 먼저 일어남으로써 균형을 유지하게 된다. 예를 들어서, 똑바로 서 있는 자세에서 팔을 들어올리고자 할 때, 하지의 근육이 상지 근육보다 먼저 활성화되어 인체의 균형을 유지하는 것을 말한다. 이러한 무의식적인 근육의 조절현상은 의도한 움직임이 발생하기 이전에 나타나기 때문에, 선행적 자세조절 (APAs, anticipatory postural adjustments)이라고 부른다.

본 발명에서는 정지 상태로 서 있는 자세에서 선행적 자세조절 현상에 의하여, 보행이 발생하기 직전에 나타나는 특정 생체신호를 파악함으로써 보행 시작 의도를 판단하는 장치를 제안하고자 한다.

한국특허출원공개 제10-2016-0020279호

예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 특허문헌에 기재된 발명은 양 발의 엄지발가락 및 발뒤꿈치의 수직 지면 반발력을 측정하고, 앞서 가는 다리의 수직 지면 반발력의 크기가 최대가 되는 경우, 보행 시작 의도가 있다고 인식하며, 힘 센서가 부착된 힘 플레이트 또는 힘 센싱 레지스터(resistor) 센서 중 어느 하나를 센서로 사용한다.

그러나, 이러한 종래의 발명에서는 발바닥의 수직 지면 반발력의 크기가 최대가 되는 경우에, 보행 시작 의도가 있다고 판단하는데, 이 경우에는 이미 보행자의 움직임이 어느 정도 나타나야만 판단이 가능하므로, 보행 시작 의도의 판단에 많은 시간이 소요된다.

따라서, 보행 시작 의도를 즉각적으로 판단할 수 있고, 개인이 간편하게 착용할 수 있는 저비용 및 고성능의 보행 시작 의도 판단 시스템을 제어하는 기술의 개발이 요구된다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 보행자의 보행 시작 의도를 판단하는 장치로서, 보행 중 좌측 발바닥에서 발생하는 좌측 지면 반력 신호를 측정하는 복수의 좌측 발바닥 센서부; 보행 중 우측 발바닥에서 발생하는 우측 지면 반력 신호를 측정하는 복수의 우측 발바닥 센서부; 좌측 지면 반력 신호와 우측 지면 반력 신호를 수신하여 연산하는 연산부를 포함하고, 연산부는 각각의 센서부로부터 측정된 지면 반력 신호의 데이터를 이용하여 보행 방향 및 보행 방향과 수직한 방향에서의 압력 중심의 위치를 연산하고, 보행자의 유각기 발뒤꿈치의 지면 반력이 증가함과 동시에 압력 중심 위치가 보행자의 후방으로 이동될 때를 보행 시작 의도가 있는 것으로 판단하는 보행 시작 의도 판단 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 연산부는 지면 반력 신호로부터 압력 중심과 좌측발 및 우측발 압력 중심 위치와 그 비율을 연산하여 보행 단계를 구분할 수 있다.

또한, 본 발명의 좌측 발바닥 센서부와 우측 발바닥 센서부의 데이터를 전송할 때, 좌측 및 우측 발바닥 센서부 중 어느 하나로부터 다른 하나로 데이터를 전송하여 통합하여 연산부에 전송하거나, 좌측 발바닥 센서부와 우측 발바닥 센서부의 데이터를 각각 연산부로 전송하여 통합할 수 있다.

또한, 본 발명의 압력 중심의 위치와 각각의 발바닥에서 나타나는 개별 압력 중심의 비율을 스마트 기기를 통하여 실시간으로 열람 가능하다.

또한, 본 발명의 보행 시작 의도 판단 장치는, 좌측 지면 반력 신호와 우측 반력 신호를 증폭하는 증폭기를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 보행 시작 의도 판단 장치는, 좌측 지면 반력 신호와 우측 지면 반력 신호를 동기화하는 타이머를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 복수의 좌측 발바닥 센서와 복수의 우측 발바닥 센서는, 각각 좌우측 발의 엄지발가락, 첫 번째 중족골, 다섯 번째 중족골, 입방골 및 뒤꿈치에 설치될 수 있다.

본 발명은 안창(insole) 바닥에 설치하는 압력 센서(force sensing resistors, FSRs)를 이용하여 보행 중 발생하는 지면반력 정보를 취득, 분석할 수 있고, 이러한 정보에 따라 지면반력 발생 위치와 시기, 인체 압력 중심(center of pressure, COP)의 이동 상황 등을 실시간으로 파악할 수 있다.

따라서, 본 발명은 보행 시작 의도 발생 여부를 사전에 판단하여, 보행 보조 장치 등의 제어에 필요한 정보를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치를 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치의 센서 부착 위치를 설명하는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치의 운용프로세스를 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치를 적용함에 있어서, 선행적 자세 조절 단계를 포함하는 보행 초기 단계에서의 압력 중심 위치의 궤적을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치를 적용하여, 보행 실험을 통하여 취득한 생체 신호 데이터를 비교한 것이다.
도 7은 종래 기술에 따른 보행 시작 의도 인식 장치를 개략적으로 나타낸 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 기준으로 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치와 이를 이용한 분석 방법에 대하여 설명하기로 한다.

설명에 앞서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나, 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치(1)를 개략적으로 나타내는 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치(1)의 구성을 설명하는 모식도이다.

일반적으로, 보행 중에는 인체 양 발바닥이 교대로 지면에 닿았다가 떨어지기를 반복하게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치(1)는, 일반적으로 보행자가 정지 상태로 서 있거나 보행중에는 양 발바닥에서 지면 반력(ground reaction force)이 나타나는데, 이러한 지면 반력 및 지면 반력으로부터 계산한 압력 중심 위치(center of pressure, COP)의 변화를 고찰하여 보행 시작 의도를 판단할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치(1)는, 신발 내부의 안창(10) 바닥에 압력 센서(11)를 부착하는데, 양 발에 각각 5개씩의 센서(11)를 사용하며, 측정한 지면 반력 데이터는 증폭기로 증폭한 후 연산부에서 합쳐진다.

이러한 과정은 좌측발과 우측발에서 동일하다. 좌측발의 연산처리장치에서 취합한 데이터는 블루투스 장치를 통하여 우측발로 무선 송출될 수 있으며, 연산부는 우선 우측발의 지면반력 데이터를 연산 처리한 후 좌측발로부터 수집한 지면반력 데이터와 통합한다.

이 경우, 별도의 타이머를 두고 그 시간 데이터를 이용하여 양발의 지면 반력 데이터를 동기화(synchronization)할 수 있다. 즉, 외부 타이머를 적용하여 좌우 양발의 데이터의 측정 시간차를 최소화하는 동기화 과정을 거치기 때문에, 연속적인 보행 시작 의도 분석이 가능하다.

다음으로, 연산부에서는 지면 반력 데이터를 이용하거나, 이러한 데이터로부터 COP를 계산하고 보행 시작 의도의 발현 여부를 판단한다. 그 결과는 블루투스 장치를 통하여 보행 시작 의도 분석용 컴퓨터 또는 스마트 기기로 전송할 수 있다. 필요한 경우에는, 그 결과 또는 제어용 트리거 신호 등을 유무선 장치를 통하여 보행 보조 기기 등의 외부 기기로 전달할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치의 센서 부착 위치를 설명하는 모식도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 지면 반력을 측정하기 위하여 안창(10) 바닥에 설치한 압력 센서(11)의 부착 위치는, 각 보행 단계별로 순차적으로 지면에 닿는 엄지발가락(toe), 첫 번째 중족골(1st metatarsal bone), 다섯 번째 중족골(5th metatarsal bone), 입방골(cuboid bone) 및 뒤꿈치(heel) 등 총 5곳이다.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치(1)는 착용자의 발 크기와 발관절 위치를 고려한 압력 센서를 설치한 표준화된 안창을 이용하여 지면 반력을 취득하고 이 데이터로부터 COP를 계산하기 때문에, 착용자의 발 크기나 몸무게 등의 영향을 받지 않고, 일관성이 우수한 지면반력 데이터와 COP 데이터를 확보할 수 있다.

도 3에서 양 발의 뒤꿈치 중앙부를 연결한 선분을 x축, 그리고 양 발 사이의 중앙을 통과하면서 보행 진행 방향을 가리키는 방향을 y축으로 나타내었다.

보행 중 발생한 지면 반력 데이터를 이용하여 COP를 아래와 같이 계산할 수 있다.

여기에서 COP_X 와 COP_Y 는 보행 중 양 발의 움직임에 따라 지면에 투영되는 통합 COP의 각각 보행 방향(y축)과 보행 방향과 수직한 방향(x축) 방향에서의 위치를 나타낸다.

또한, 본 발명은 지면 반력 신호로부터 통합 인체 압력 중심과 좌측발 및 우측발 인체 압력 중심 위치와 그 비율을 연산하고 이들을 모두 고려하여, 추가적으로 보행자의 보행 단계를 구분하는 것도 가능하다.

도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치(1)의 운용프로세스를 나타낸 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치(1)를 적용함에 있어서, 선행적 자세 조절 단계를 포함하는 보행 초기 단계에서의 압력 중심 위치의 궤적을 나타내는 그래프이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 정지 상태(stand state)로 서 있다가 보행을 시작하는 단계에서 발생하는 COP의 변화 추이를 나타낼 수 있다.

구체적으로, 정지 상태로 서 있다가 보행의도가 발생하면, COP가 우선 보행방향과 반대쪽인 인체 후방의 유각기 발(swing foot) 뒤꿈치로 이동하는 불평형 단계(imbalance phase)를 거친다. 이후 COP가 다시 입각기 발(stance foot) 쪽으로 이동하면서 유각기 발뒤꿈치를 들어올리는 하중제거 단계(unloading phase)를 거치게 된다.

불평형 단계와 하중제거 단계를 합쳐서 선행단계(preparatory phase)라고 한다. 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치는, 불평형 단계 종료시점 이전에 보행 시작 의도의 판단이 가능하기 때문에, 보행 보조 기기와 같은 외부 기기 제어에 필요한 시간, 즉, 선행 시간(lead time)을 충분히 확보할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치(1)를 적용하여, 보행 실험을 통하여 취득한 생체 신호 데이터를 비교한 것으로, 구체적으로, 보행자가 정지 상태에서 출발신호(적색선)를 보고 보행을 시작하는 실험에서, 보행자 인체에서 발생하는 생체데이터를 예시한 것이다.

도 6에는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 보행 시작 의도 판단 장치(1)로 측정한 지면 반력, 정강이 근육(앞 정강근)에 EMG 센서를 부착하여 취득한 생체 신호(근전도 신호), COPx와 COPy, 그리고 이들 데이터를 검증하기 위한 모션 캡처 시스템(motion capture system)을 이용한 인체 움직임 데이터를 도시하였다. 보행자가 실제 보행을 시작한 시점은, 입각기 발 쪽 무릎에 마커(marker)를 붙이고 모션 캡처 시스템으로 움직임을 추적하여 무릎이 움직이는 경우 보행이 시작된 것으로 판단하였다.

도 6에 도시된 사항을 살펴보면, 보행 시작을 알리는 출발신호(도 6의 적색선)가 발생한 시점부터, 실제 무릎이 움직이는데 걸린 시간은 평균 0.8s 정도로 나타났다. 반면, 입각기 발의 정강이 근육 신호는 0.24s, 유각기 발뒤꿈치의 지면반력은 0.41s, COPx와 COPy의 위치는 0.41s 내지 0.42s 정도에서 변화를 보이는 것으로 나타났다.

따라서, 보행자가 실제로 움직이기 전에 선행적 자세조절에 의한 생체 신호가 인체 여러 부위에서 발생한다는 것을 알 수 있다.

즉, 이러한 선행적 자세 조절에 의한 생체 신호가 발생한 시점부터 실제 유각기 발 쪽의 무릎이 움직이기까지는 0.38s 내지 0.56s 정도의 시간적 여유, 즉, 선행 시간(lead time)이 있는데, 이는 보행 보조 기기 등 외부 기기의 제어에 소요되는 시간보다 훨씬 크다.

따라서, 선행적 자세조절에 의한 생체신호를 활용할 경우 보행 보조 기기의 제어를 원하는 시각에 맞추어 진행할 수 있다.

한편, 종래의 연구결과를 참조하면, EMG 센서를 이용하여 측정한 정강이 근육의 근전도 신호와 힘 플레이트(force plate)로 계측한 COP 데이터의 일관성 계수(inter-item correlation coefficient)는 각각 0.42 내지 0.64 및 0.6 내지 0.63 범위에 있었다.

그러나, 본 발명의 일 실시 형태에 의한 보행 시작 의도 판단 장치(1)에서 계측한 유각기 발뒤꿈치의 지면반력과 COPx, COPy 데이터의 일관성은, 각각, 0.8 내지 0.95 및 0.8 내지 0.96 정도로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 장치로 취득한 보행 시작 의도 판단용 생체 데이터의 일관성이 더욱 우수한 것을 확인할 수 있었다.

여기에서 일관성 계수는 동일한 피험자에게서 얻은 동일한 종류의 생체 데이터끼리의 유사성을 판단하는 척도로서 이 값이 1에 가까울수록 일관성이 좋다는 것을 의미한다. 즉, 반복 실험에 의한 데이터 재현성이 우수하다는 뜻이다.

따라서, 본 발명에 의한 보행 시작 의도 판단장치에서는, 유각기 발뒤꿈치의 지면반력이 증가함과 동시에 COPy가 인체 후방 쪽으로 이동할 때를 보행 시작 의도가 있는 것으로 판단하게 되며, 이 경우 판단 성공률이 종래의 기술에 비하여 현저히 높아지는 것을 확인할 수 있다.

전술한 설명들을 참고하여, 본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 지금까지 전술한 실시 형태는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 상기 실시 형태들에 한정하기 위한 것이 아님을 이해해야만 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구 범위에 의하여 나타내지며, 특허 청구 범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 착용형 보행 시작 의도 판단 장치를 제공하여, 보행 재활이 필요한 환자나 노약자를 위한 저비용, 고성능 보행 보조 기기 또는 재활용 의료 기기 개발에 적용할 수 있다.

1 보행 시작 의도 판단 장치
10 안창
11 센서

Claims (8)

1. 보행자의 보행 시작 의도를 판단하는 장치로서,
   보행 중 좌측 발바닥에서 발생하는 좌측 지면 반력 신호를 측정하는 복수의 좌측 발바닥 센서부;
   보행 중 우측 발바닥에서 발생하는 우측 지면 반력 신호를 측정하는 복수의 우측 발바닥 센서부;
   상기 좌측 지면 반력 신호와 상기 우측 지면 반력 신호를 수신하여 연산하는 연산부;
   상기 좌측 지면 반력 신호와 상기 우측 지면 반력 신호를 증폭하는 증폭기; 및
   상기 좌측 지면 반력 신호와 상기 우측 지면 반력 신호를 동기화하는 타이머를 포함하고,
   상기 복수의 좌측 발바닥 센서부와 상기 복수의 우측 발바닥 센서부는, 각각 좌우측 발의 엄지발가락, 첫 번째 중족골, 다섯 번째 중족골, 입방골 및 뒤꿈치에만 설치하여, 상기 연산부가 상기 좌우측 지면 반력 신호로부터 압력 중심과 좌측발 및 우측발 압력 중심 위치와 그 비율을 착용자의 발바닥 크기와 무게와 관계없이 연산하여, 보행 단계를 구분하고,
   상기 연산부는, 각각의 상기 센서부로부터 측정된 지면 반력 신호의 데이터를 이용하여 보행 방향 및 보행 방향과 수직한 방향에서의 압력 중심의 위치를 연산하고, 상기 압력 중심 위치가 보행자의 보행 방향과 반대 방향의 유각기 발뒤꿈치로의 이동이 종료되기 이전에, 보행자의 유각기 발뒤꿈치의 지면 반력이 증가함과 동시에 상기 압력 중심 위치가 보행자의 후방으로 이동될 때를 보행 시작 의도가 있는 것으로 판단하여, 상기 좌측 및 우측 지면 반력 신호가 발생한 시점부터 유각기 발 쪽의 무릎이 움직이기까지의 선행 시간을 확보하는 것을 특징으로 하는 보행 시작 의도 판단 장치.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 좌측 발바닥 센서부와 상기 우측 발바닥 센서부의 데이터를 전송할 때, 상기 좌측 및 우측 발바닥 센서부 중 어느 하나로부터 다른 하나로 데이터를 전송하여 통합한 이후에 상기 연산부에 전송하는 것을 특징으로 하는 보행 시작 의도 판단 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 좌측 발바닥 센서부와 상기 우측 발바닥 센서부의 데이터를 각각 상기 연산부로 전송하여 통합하는 것을 특징으로 하는 보행 시작 의도 판단 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 압력 중심의 위치와 각각의 발바닥에서 나타나는 개별 압력 중심의 비율을 스마트 기기를 통하여 실시간으로 열람 가능한 것을 특징으로 하는 보행 시작 의도 판단 장치.
   
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

Images