KR102357259B1

KR102357259B1 - 보행패턴의 균일성 및 대칭성의 직관적 인지가 가능한 보행패턴 분석시스템

Info

Publication number: KR102357259B1
Application number: KR1020200127527A
Authority: KR
Inventors: 박만규
Original assignee: 박만규
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-02-07

Abstract

본 발명은, 검사자 및 보행자가 보행패턴 분석 결과를 직관적으로 인식할 수 있고, 스탠스 상태에서 발의 족저 압력뿐만 아니라 상부 및 측부 압력도 측정하여 스탠스 상태에서의 발의 3차원적 움직임을 감지하며, 걸음주기 상 스탠스 상태 및 스윙 상태에서의 발의 3차원 움직임을 측정하여 종합적인 보행패턴의 분석이 가능한 보행패턴 분석시스템에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명에 따른 보행패턴의 균일성 및 대칭성의 직관적 인지가 가능한 보행패턴 분석시스템은, 발의 움직임을 감지하도록 신발에 장착되는 센서부(10); 상기 센서부(10)에서 감지된 정보를 토대로 특정 시간 동안의 평균값과 편차를 산출하여 각 발의 보행패턴의 균일성을 판단하며, 상기 편차값의 차이를 도출하여 보행패턴의 양발 대칭성을 판단하는 제어부(20); 및 상기 제어부(20)에 의하여 분석된 결과를 표시하되, 보행패턴의 균일성은 대칭되는 도형의 좌측과 우측을 각각 왼발과 오른발로 지정하고 각측에 각 발에서 보행패턴의 균일한 정도를 면적으로 표시되고, 보행패턴의 대칭성은 대칭되는 도형의 좌측과 우측을 각각 왼발과 오른발로 지정하고 도형의 중심선에서 불균일성이 상대적으로 큰 측으로 불균일성에 해당하는 지점에 표시되는 표시부(30);를 포함한다.

Description

보행패턴의 균일성 및 대칭성의 직관적 인지가 가능한 보행패턴 분석시스템{A WALKING PATTERN ANALYSIS SYSTEM RECOGNIZING INTUITIVELY UNIFORMITY AND SYMMETRY OF WALKING PATTERN}

본 발명은 보행패턴의 균일성 및 대칭성의 직관적 인지가 가능한 보행패턴 분석시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 검사자 및 보행자가 보행패턴 분석 결과를 직관적으로 인식할 수 있고, 스탠스 상태에서 발의 족저 압력뿐만 아니라 상부 및 측부 압력도 측정하여 스탠스 상태에서의 발의 3차원적 움직임을 감지하며, 걸음주기 상 스탠스 상태 및 스윙 상태에서의 발의 3차원 움직임을 측정하여 종합적인 보행패턴의 분석이 가능한 보행패턴 분석시스템에 관한 것이다.

일반적으로 현대인의 일상생활에서의 운동량은 적절한 신체 건강을 유지하기에 상당히 부족하다는 점이 꾸준히 지적되어 왔으며, 이에 따라 효과적으로 건강을 촉진할 수 있도록 하는 체계적인 운동 방법에 대한 관심도가 유례없이 높아지고 있다. 이러한 요구에 부합하는 운동 방법 중 하나로서, 누구나 쉽게 할 수 있는 보행 또는 주행 운동이 있다.

한편 사람의 신체는 대부분 생활습관이나 타고난 상태 등에 의하여 좌우 균형이 완전하게 맞지 않는 경우가 많다. 손의 사용에 있어서도 오른손잡이/왼손잡이/양손잡이로 나뉘는 것과 마찬가지로, 발의 사용에 있어서도 오른발잡이/왼발잡이 등 주로 사용하는 발이 사람마다 상이하다는 것이 잘 알려져 있다. 어느 한쪽 발을 주로 사용할 경우, 주로 사용하는 쪽의 발, 다리 근육 등이 좀더 강화되기도 하지만, 관절이 더욱 상하는 등의 문제가 누적되기도 한다. 주행 및 보행 시 좌우 불균형이란 이처럼 신체적인 불균형 등의 문제로 인하여 걸음에서의 좌우 양쪽 발 간의 균형이 어그러지는 정도를 말한다. 이처럼 주행 및 보행 시 좌우 양쪽 발 간의 불균형 은, 운동을 할수록 건강 증진의 선영향보다는 부상 누적의 악영향을 초래할 수 있는 문제가 있다. 예를 들어 오른발잡이로서 무의식적으로 오른발을 좀더 강하게 딛는 보행 습관이 있는 사람의 경우, 계단을 오르내리거나 조깅 등을 할 때에도 오른발을 계속 더 강하게 딛음으로써 충격이 누적되어 오른쪽 무릎 관절이 더욱 빨리 상하는 등의 문제가 발생하는 것이다.

전문적인 운동선수 트레이닝 센터 등과 같은 곳의 경우 좌우 불균형의 정도를 측정하는 특수 장비가 구비되는 경우도 있겠으나, 실제로 이러한 곳에서조차 왼쪽/오른쪽 근력을 측정하여 좌우 불균형도를 측정하는 정도에 불과한 경우가 많다. 즉 전문가 집단에서조차도 걸음마다의 좌우 불균형을 정량적으로 측정하여 진단하는 수준까지의 장비가 갖추어지지 않은 경우가 많으며, 더욱이 일반인의 경우에는 이러한 문제를 정확하게 측정하는 것이 거의 불가능하다.

더구나, 현재까지는 보행패턴을 감지하기 위해서는, 신체의 각 부위에 센서를 장착하거나 신발에 장착하였고, 발의 움직임을 감지하기 위해서는 신발에 센서를 부착하는 것이 보다 바람직할 것이며, 실제로 신발에 센서를 부착하여 사용자의 보행패턴을 측정하는 특허가 다수 건 존재한다.

그리고 걸음주기는 스탠스 상태(stance)와 스윙(swing) 상태로 구분되고, 스탠스 상태는 시간상으로 60%를 차지하고 스윙 상태는 40%만 차지하며, 발이 땅에 닿은 시점(heel strike)부터 떨어지는 시점(toe off)까지의 스탠스 상태에서의 발의 움직임에 따른 결과로 스윙 상태의 궤적이 그려지기 때문에 정확한 보행패턴 분석이나, 불균일하고 비대칭적인 보행패턴의 원인을 규명하기 위해서는 스탠스 상태에서의 보행패턴을 확인하여야 한다.

그러나 신발에 장착되는 자이로센서나 가속도센서와 같은 관성센서는 장착된 위치에서의 발의 움직임을 점의 이동으로 표시하고, 발이 지면에 닿아 있는 스탠스 상태가 아니라 3차원 공간 상에서 이동하는 스윙 상태에서의 발의 움직임을 주로 표시한다. 따라서 관성센서를 통해서는 3차원 공간 상에서 이동하는 스윙 상태에서의 발의 움직임을 감지하고 분석하는 데에는 적절할 수 있지만, 발이 지면에 닿고 떨어지는 스탠스 상태에서의 발의 복잡한 3차원적 변화에 대해서는 감지 성능이 미흡하였다.

또한 압전센서와 같은 압력센서는 발에 가해지는 압력을 감지하여 보행패턴을 분석하는 데 사용되나, 압전센서는 발의 압력, 더욱 상세하게는 신발 밑창에 가해지는 압력을 감지하여 하중 분포상의 정상 유무를 판단하는데 사용될 뿐 실질적인 보행패턴 분석에는 적용하기 어려웠다.

한편, 발은 발목 관절에 의해 다양한 방향으로의 움직임이 가능하다. 즉, 발은 3차원 공간 상에서 크게 병진운동과, 회전운동을 하며, 다시 병진운동은 전후방향(Anterior/Posterior), 좌우방향(Medial/Lateral) 및 상하방향(Superior/Inferior) 운동을 하고, 회전운동은 롤링(Rolling; Inversion/Eversion), 피칭(Pitching : Dorsiflexion/Plantarflexion) 및 요잉 운동(Yawing : Adduction/Abduction)을 한다.

보다 상세히 설명하면, 병진운동은 도 1에 도시된 바와 같이, 발의 전진 후진 이동인 전후 방향(Anterior/Posterior) 운동과, 발의 측면안쪽/측면바깥 이동인 좌우 방향(Medial/Lateral) 운동, 및 발의 상향/하향 이동인 상하 방향(Superior/Inferior) 운동으로 구분된다.

또한 회전운동은, 도 2의 (a)와 같이 전후 방향을 축으로 회전하는 운동인 롤링(Rolling; Inversion/Eversion)과, 도 2의 (b)와 같이 좌우 방향을 축으로 회전하는 운동인 피칭(Pitching; Dorsiflexion/Plantarflexion), 및 도 2의 (c)와 같이 상하 방향을 축으로 회전하는 운동인 요잉(Yawing; Adduction/Abduction)으로 구분된다.

여기서 Inversion(내전 운동)은 Heel Strike가 일어난 후 안쪽으로 Rolling이 일어나는 경우(Pronation)를 의미한다. 그리고 Eversion(외전 운동)은 Heel Strike가 일어난 후 바깥쪽으로 Rolling이 일어나는 경우를 의미한다. 또한 Dorsiflexion(배굴 운동)은 발목이 위를 향해 Pitching 운동을 하는 경우를 의미한다. 그리고 Plantarflexion(외측 굴곡 운동)은 발목이 아래를 향해 Pitching 운동을 하는 경우를 의미한다. 또한 Adduction(내전 운동)은 발앞꿈치가 몸 중심을 향해 상하 방향을 축으로 Yawing 운동을 하는 경우를 의미한다. 아울러, Abduction(외전 운동)은 발앞꿈치가 몸 중심 바깥으로 상하 방향을 축으로 Yawing 운동을 하는 경우를 의미한다.

이와 같이 다양한 운동을 측정하기 위하여 그에 적절한 다양한 센서가 사용되어 측정됨으로서 사람의 보행패턴을 분석하여 교정 또는 치료에 이용되고 있다. 그런데 이러한 정보에 익숙한 의사 또는 검사자의 경우에는 각 데이터의 의미에 대해서 바로 알 수 있겠지만, 보행자는 데이터의 결과를 실제 발의 움직임에 적용하기가 쉽지 않았다. 그것은 발의 운동이 상당히 다양한데도 결과값이 단순히 수치로만 표시되거나, 이해하기 힘든 그래프로 표시되어 있기 때문이다. 따라서 의사 또는 검사자나 특히 보행자가 측정 결과에 대해 직관적으로 인식할 수 있다면 보행패턴 분석결과를 이해하는데 도움을 줄 수 있고, 또한 그 결과를 토대로 측정자의 보행패턴 교정 또는 치료에 쉽게 적용할 수 있을 것이다.

대한민국 등록특허 제10-1988718호(2019.06.05.) 대한민국 등록특허 제10-1924441호(2018.11.27.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 의사, 검사자 및 보행자가 보행패턴 분석 결과를 직관적으로 인식할 수 있는 보행패턴 분석시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 스탠스 상태에서 발의 족저 압력뿐만 아니라 상부 및 측부 압력도 측정하여 스탠스 상태에서의 발의 3차원적 움직임을 감지하는 보행패턴 분석시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 걸음주기 상 스탠스 상태 및 스윙 상태에서의 발의 3차원 움직임을 측정하여 종합적인 보행패턴의 분석이 가능한 보행패턴 분석시스템을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 특징에 따르면, 보행패턴의 균일성 및 대칭성의 직관적 인지가 가능한 보행패턴 분석시스템은, 발의 움직임을 감지하도록 신발에 장착되는 센서부; 상기 센서부에서 감지된 정보를 토대로 특정 시간 동안의 평균값과 편차를 산출하여 각 발의 보행패턴의 균일성을 판단하며, 상기 편차값의 차이를 도출하여 보행패턴의 양발 대칭성을 판단하는 제어부; 및 상기 제어부에 의하여 분석된 결과를 표시하되, 보행패턴의 균일성은 대칭되는 도형의 좌측과 우측을 각각 왼발과 오른발로 지정하고 각측에 각 발에서 보행패턴의 균일한 정도를 면적으로 표시되고, 보행패턴의 대칭성은 대칭되는 도형의 좌측과 우측을 각각 왼발과 오른발로 지정하고 도형의 중심선에서 불균일성이 상대적으로 큰 측으로 불균일성에 해당하는 지점에 표시되는 표시부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 센서부는 신발 밑창에 가해지는 발바닥의 압력을 감지하도록 상기 밑창의 다수 개소에서 상호 교차되게 배치되고 그 교차지점에서 광이 누출되는 다수개의 제1광누출구가 형성되는 제1광섬유 센서부와, 신발 갑피에 가해지는 발등 및 발측면의 압력을 감지하도록 상기 갑피의 다수 개소에서 상호 교차되게 배치되고 그 교차지점에서 광이 누출되는 다수개의 제2광누출구가 형성되는 제2광섬유 센서부를 포함할 수 있다.

이때 상기 제어부는, 특정 시간 동안에 제1 또는 제2광섬유 센서부로부터 감지된 압력분포 및 강도의 평균값을 특정 개인의 보행특성값으로 규정하고, 차후에 특정 개인에 대한 압력분포 및 강도의 평균값과 대비하여 해당 보행자의 보행 특이성을 판단하고, 특정 시간 동안에 제1 또는 제2광섬유 센서로부터 감지된 압력분포 및 강도의 평균값과 편차를 토대로 해당 보행자의 보행패턴 균일성을 판단한다.

또한 상기 제어부는, 발바닥에 압력이 가해지는 힐스트라이크(heel-strike)로부터 토우오프(toe-off) 시의 발바닥의 압력분포 및 강도로 보행자 보행 특이성 및 보행패턴 균일성을 판단할 수 있다.

그리고 상기 제2광섬유 센서부는, 얇은 천 또는 망사에 배치되고 상기 천 또는 망사에 그 배치 형태가 유지되도록 고정될 수 있다.

아울러, 상기 센서부는, 보행시 발이 지면으로부터 상승하여 이동하고 지면에 착지하는 과정에서 발생하는 직선방향 움직임과 회전방향 움직임을 각각 검출하도록 신발 밑창에 설치되어 가속도 신호 또는 자이로 신호를 검출하는 3축 가속도 센서 또는 3축 자이로 센서로 구성되는 관성센서부로 이루어지고, 상기 제어부는, 상기 센서부에서 감지된 정보를 토대로 특정 시간 동안의 평균값과 편차를 산출하여 각 발의 전후방향, 좌우방향 및 상하방향에 대한 보행패턴의 균일성을 판단하고, 각 발의 롤링, 피칭 및 요잉에 대한 보행패턴의 균일성을 판단하며, 각 발의 전후방향, 좌우방향, 상하방향, 롤링, 피칭 및 요잉에 대한 편차값의 차이를 도출하여 보행패턴의 양발 대칭성을 판단할 수 있다.

본 발명에 따른 보행패턴의 균일성 및 대칭성의 직관적 인지가 가능한 보행패턴 분석시스템에 의하면, 의사, 검사자 및 보행자가 보행패턴 분석 결과를 직관적으로 인식할 수 있어 보행패턴 분석결과를 용이하게 이해하여 그 결과를 토대로 측정자의 보행패턴 교정 또는 치료에 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따르면, 스탠스 상태에서 발의 족저 압력뿐만 아니라 상부 및 측부 압력도 측정하여 스탠스 상태에서의 발의 3차원적 움직임을 감지함으로서 걸음주기의 60%에 해당하는 스탠스 상태에 대한 보행패턴을 파악하여 치료 또는 교정에 적용할 수 있는 효과가 있다.

아울러, 본 발명에 따르면, 걸음주기 상 스탠스 상태 및 스윙 상태에서의 발의 3차원 움직임을 측정하여 종합적인 보행패턴의 분석이 가능함으로서 스탠스 상태와 스윙 상태와의 보행패턴 관계를 파악하고 잘못된 보행패턴의 발생요인을 정확히 탐지함으로써 실질적이고 근본적인 치료 또는 교정이 가능하다는 이점이 있다.

도 1은 발의 병진운동을 설명하는 도면,
도 2는 발의 회전운동을 설명하는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 일실시예의 구성을 도시한 블록도,
도 4는 본 실시예에 따른 광섬유 센서부의 장착 상태를 도시한 분해 사시도,
도 5는 본 실시예에 따른 광섬유 센서부의 구성을 도시한 도면,
도 6은 본 실시예에 따른 광섬유 센서부에서 압력 지점을 감지하는 방식을 설명하는 도면,
도 7은 본 실시예에서 보행패턴의 균일성의 측정결과를 표시하는 도면,
도 8은 본 실시에에서 보행패턴의 대칭성의 측정결과를 표시하는 도면,
도 9는 스탠스 상태의 여러 시점에서 신발에 가해지는 압력을 표시하는 도면,
도 10은 정상 상태와 비정상 상태에서의 발바닥의 하중 이동을 도시한 도면이다.

본 발명의 특징과 장점은 첨부된 도면에 의하여 설명되는 실시예에 의하여 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

다음에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 일실시예의 구성을 도시한 블록도이고, 도 4는 본 실시예에 따른 광섬유 센서부의 장착 상태를 도시한 분해 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 보행패턴 분석시스템은 크게 센서부(10), 제어부(20) 및 표시부(30)로 구성된다.

상기 센서부(10)는 발의 움직임을 감지하도록 신발에 장착되는 것으로, 특정 센서로 한정되는 것은 아니지만, 본 실시예에서는 광섬유 센서와 관성센서가 사용된다.

보다 상세히 설명하면, 상기 센서부(10)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 신발의 밑창(O)에 가해지는 발바닥의 압력을 감지하도록 상기 밑창(O)의 다수 개소에서 상호 교차되게 배치되고 그 교차지점에서 광이 누출되는 다수개의 제1광누출구(11d)가 형성되는 제1광섬유 센서부(11)와, 신발 갑피(U)에 가해지는 발등 및 발측면의 압력을 감지하도록 상기 갑피(U)의 다수 개소에서 상호 교차되게 배치되고 그 교차지점에서 광이 누출되는 다수개의 제2광누출구(12d)가 형성되는 제2광섬유 센서부(12)를 포함하여 구성될 수 있다.

일반적으로 널리 사용되는 광섬유는 석영 유리로 형성하는데 가용성이 우수한 플라스틱 광섬유도 많이 사용되고 있으며 폴리메틸메타아크릴레이트나 폴리카보네이트계의 수지를 재료로 하여 형성한다. 이러한 플라스틱 광섬유는 유리 광섬유보다 성능은 떨어지나 취급이 용이하고 가요성이 우수하여 널리 사용되고 있다.

이러한 광섬유는 빛의 전송을 목적으로 하는 섬유모양의 도파관이며, 굴절율이 높은 매질이 중심을 이루고 주변은 굴절률이 낮은 매질로 덮혀져 있다. 즉, 광섬유의 단면을 보아 중앙의 코아(core)부분과 이를 둘러싼 클래딩(cladding)이라는 부분이 이중 원기둥 모양을 하고 있으며 외부의 충격으로부터 보호하기 위해 합성수지피복을 입히는 경우도 있다.

이러한 광섬유에 의한 광을 전송하는 것은 전반사를 이용한 것으로, 굴절률이 다른 두가지 투명체의 경계면에서 광이 입사하는 각도가 조건에 맞을 경우 광의 완전반사가 일어나는 현상을 이용한 것이다.

광이 광섬유를 통과하여 나갈 때에 클래드는 거울과 같은 역할을 수행하여 광을 반사하고 이 반사된 광은 다시 코아속을 통과하고 다시 클래드로 가서 반사된다. 이러한 과정이 반복됨으로써 광이 광섬유를 통하여 전송되는 것이다. 즉, 코어와 클래딩의 경계면에서 반사만 일으키고 굴절이 일어나지 않아 광이 방출되지 않고 광섬유의 타단까지 도달된다.

이와 같이 통상적인 광섬유는 외부로 광이 누출되는 것을 최대한 방지하여 광섬유의 일단에서 타단까지 광섬유 내부(코아)를 전달경로로 하여 100% 전송되도록 하기 위한 기술만이 제시되고 있으나, 본 실시예에서는 의도적으로 광섬유의 길이방향을 따라 광이 누출될 수 있는 광누출부를 형성하여, 광섬유의 일단에서 타단까지의 광이 전달되는 비율 즉, 광 전달 비율을 판단하여 광섬유의 휘어진 정도를 감지할 수 있게 된다. 즉, 광섬유가 일직선 상태를 유지하는 경우에는 광섬유의 일단에서 타단까지 광 전달 비율이 100%에 가까운 상태가 되며 광섬유가 휘어지는 경우 그 휘어진 정도에 따라 광누출부가 확장 또는 확대되어 광이 외부로 누출되어 결과적으로 광 전달 비율이 낮아지게 되며, 최종적으로 광 전달 비율을 분석하여 역으로 광섬유의 휘어진 상태를 판단할 수 있게 된다.

다시 말해, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12)는 광누출부(11d, 12d)가 형성된 광섬유(11a, 12a)와, 상기 광섬유로 광을 입사시키는 광신호 송신모듈(11b, 12b)과 광을 수광하는 광신호 수신모듈(11c, 12c)로 구성될 수 있고, 광섬유가 일직선에 가깝게 배치되는 경우에는 광누출부로 광신호가 누출되지 않거나 적게 누출된다. 또한 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 광섬유가 휘어지면 광누출부의 절개부가 확장되면서 외부로 누출되는 광이 많아지게 되고 이를 감지하는 것이다.

이를 이차원 평면으로 확장하면, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 다수의 광섬유를 격자형으로 배치할 수 있다. 이렇게 배치된 광섬유에 각각 연결된 광신호 송신모듈에서 광을 입사시키고 광신호 수신모듈에서 광을 수광하는 경우에, (X3, Y3) 좌표 지점에 압력이 가해지면, 광섬유는 도 6의 (b)와 같이 휘어지면서 광누출부로 광이 누출된다. 따라서 각 광섬유로 광이 입사되면 일직선상일 경우에는 도 6의 (b)에서 X1, X2 및 X4와 같이 일정한 광이 검출되지만, X3의 경우에는 압력에 의한 휘어짐으로 광누출부로 광이 누출되었기 때문에 그만큼 적은 광이 수광된다. 이러한 매카니즘은 Y3의 광섬유에도 동일하게 발생된다. 따라사 X3 및 Y3 광섬유에서 수광된 신호에 의해 (X3, Y3) 좌표 지점에 압력이 가해진 것을 감지하게 되는 것이다.

이러한 광섬유를 이용한 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12)는 도 4에 도시된 바와 같이, 신발의 밑창(O) 및 갑피(U)에 각각 격자형으로 배치된다. 제1광섬유 센서부(11)는 신발 밑창(O)에 배치되고, 신발 밑창(O)의 상부에 격자형으로 배치되고 광신호 송신모듈(12b)과 광신호 수신모듈(12c)은 신발 밑창(O)의 하부에 배치될 수 있다. 여기서 도 4에서는 광신호 송신모듈 및 수신모듈과 제어부 및 전원부와의 연결관계는 생략되어 있으나, 이들 간의 연결은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려진 방법으로 구현 가능하다.

또한 제2광섬유 센서부(12)는 신발 갑피(U)에 배치되되, 수직방향 및 수평방향으로 격자형태로 배치된다. 그리고 제2광섬유 센서부(12)는 갑피(U)의 외측에 배치되는 것이 아니라, 발의 움직임을 감지할 수 있도록 갑피(U)의 내측에 배치되되, 얇은 천 또는 망사에 배치되고 상기 천 또는 망사가 그 배치형태를 유지하도록 갑피(U) 내측에 고정되는 것이 바람직하다. 따라서 도 4에서는 제2광섬유 센서부(12)가 외부에서 보이도록 도시되어 있지만, 실제로는 외부에서는 보이지 않는다.

한편, 본 실시예에 따른 센서부(10)는, 보행시 발이 지면으로부터 상승하여 이동하고 지면에 착지하는 과정에서 발생하는 직선방향 움직임과 회전방향 움직임을 각각 검출하도록 신발 밑창(O)에 설치되어 가속도 신호 또는 자이로 신호를 검출하는 3축 가속도 센서 또는 3축 자이로 센서로 구성되는 관성센서부(13)로 이루어질 수 있고, 또는 관성센서부(13)와 상술한 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12)가 함께 사용될 수도 있다.

가속도 센서는 상하, 좌우, 전후 방향을 검출하는 3축으로 구성되고, 자이로 센서는 한 쌍으로 구성되어 상하방향회전, 좌우방향회전, 전후방향회전을 검출하며, 검출된 자이로 및 가속도 신호를 제어부(20)로 전송한다.

제어부(20)는 상기 센서부(10)에서 감지된 정보를 토대로 특정 시간 동안의 평균값과 편차를 산출하여 각 발의 보행패턴의 균일성을 판단하며, 상기 편차값의 차이를 도출하여 보행패턴의 양발 대칭성을 판단한다.

상기 제어부(20)는 상술한 센서부가 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12)인 경우에는, 특정 시간 동안에 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12)로부터 감지된 압력분포 및 강도의 평균값을 특정 개인의 보행특성값으로 규정하고, 차후에 특정 개인에 대한 압력분포 및 강도의 평균값과 대비하여 해당 보행자의 보행 특이성을 판단하고, 특정 시간 동안에 제1 또는 제2광섬유 센서부(11, 12)로부터 감지된 압력분포 및 강도의 평균값과 편차를 토대로 해당 보행자의 보행패턴 균일성을 판단한다.

이때 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12)에서는 스탠스 상태, 즉 힐스트라이크(heel-strike)로부터 토우오프(toe-off) 시의 발바닥에 압력이 가해지면서 그 압력을 감지하므로, 상기 제어부(20)는 그 감지된 정보를 토대로 스탠스 상태에서의 발바닥의 압력분포 및 강도로 보행자 보행 특이성 및 보행패턴 균일성을 판단하게 된다. 그리고 상기 제어부(20)에서 각 발에 대한 보행자 보행 특이성 및 보행패턴 균일성이 판단되면, 그 값을 토대로 양발을 대비하여 보행패턴의 양발 대칭성을 판단할 수 있다.

여기서 보행 특이성이란 각 보행자마다의 보행의 특성을 나타내는 것으로 정상유무를 의미하는 것은 아니고, 이 값을 토대로 각 보행자의 보행의 특성을 특정할 수 있으므로, 이후에 그 보행자의 보행을 확인하여 특정 목적을 위해 대비 판단할 수 있는 정보이다.

또한 평균값과 표준편차는, 특정 시간 동안에 보행자가 걷는 동안 측정된 데이터를 걸음주기로 중첩시킨 상태에서 그 값들의 평균값과 표준편차를 계산한 값을 의미한다.

한편, 상기 제어부(20)는 상술한 센서부가 관성센서부(13)인 경우에는, 상기 센서부에서 감지된 정보를 토대로 특정 시간 동안의 평균값과 편차를 산출하여 각 발의 전후방향, 좌우방향 및 상하방향에 대한 보행패턴의 균일성을 판단하고, 각 발의 롤링, 피칭 및 요잉에 대한 보행패턴의 균일성을 판단하며, 각 발의 전후방향, 좌우방향, 상하방향, 롤링, 피칭 및 요잉에 대한 편차값의 차이를 도출하여 보행패턴의 양발 대칭성을 판단한다.

그리고 상기 제어부(20)는 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12) 및 관성센서부(13)의 신호를 무선으로 전송하기 위하여 무선통신부(40)에서 블루투스 등의 무선통신 방식으로 표시부(30)로 전송한다. 이에 따라 보행자는 모바일폰 등의 표시부(30)에서 보행패턴을 표시할 수 있게 된다.

한편, 상술한 바와 같이, 보행시 각 시점별로 발의 움직임이 다양하므로, 감지된 정보를 표현하여도 보행자는 그 결과값을 쉽게 이해하기 어려웠다. 이에 따라 본 발명에서는 표시부(30)에서 발의 움직임을 시각화하여 이해하기 쉽도록 표시하는 방법을 제안한다. 즉, 본 발명에서는, 표시부(30)가 상기 제어부(20)에 의하여 분석된 결과를 표시하되, 보행패턴의 균일성은 대칭되는 도형의 좌측과 우측을 각각 왼발과 오른발로 지정하고 각측에 각 발에서 보행패턴의 균일한 정도를 면적으로 표시하고, 보행패턴의 대칭성은 대칭되는 도형의 좌측과 우측을 각각 왼발과 오른발로 지정하고 도형의 중심선에서 불균일성이 상대적으로 큰 측으로 불균일성에 해당하는 지점에 표시한다.

본 실시예에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 도넛의 절반 형태의 도형의 중심선을 기준으로 좌측을 왼발 영역으로 하고, 우측을 오른발 영역으로 지정하며, 왼발의 불균일 정도를 좌측에 그 정도에 해당하는 면적으로 표시하고, 동일한 방법으로 오른발의 불균일 정도를 우측에 그 정도에 해당하는 면적으로 표시한다. 이렇게 표시하면 발의 해당 움직임에 대해 왼발과 오른발의 균일성 정도를 직관적으로 인식할 수 있게 된다.

보행패턴의 균일성은 각 발의 전후방향(Anterior-Posterior), 좌우방향(Medial-Lateral) 및 상하방향(Superior-Inferior)에 대한 보행패턴의 균일성와, 각 발의 롤링(Inversion-Eversion), 피칭(Dorsi-Plantar) 및 요잉(Adduct-Abduct)에 대한 보행패턴 균일성, 및 전후(Front-Rear), 좌우(Left-Right) 및 상하(Up-Down)방향으로의 압력에 대한 보행패턴 균일성을 각각 상술한 방식으로 표시된다.

이렇게 왼발과 오른발의 균일성 정도가 표시되면, 왼발과 오른발의 대칭성도 유사한 방법으로 직관적으로 표시될 수 있다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 발의 해당 움직임에 대해 왼발과 오른발의 불균일 면적이 상대적으로 큰 방향으로 화살표를 표시하되 그 상대적으로 큰 면적에 해당하는 비율만큼 화살표의 길이를 결정하여 표시한다. 이와 같이 표시하면, 발의 해당 움직임에 대해 어느쪽 발의 움직임이 더욱 불균일한지를 직관적으로 확인할 수 있게 된다.

한편, 전원부(50)는 본 발명에 따른 구성요소에 전원을 공급하기 위한 것으로, 통상 배터리가 사용되고, 상기 배터리는 신발 밑창(O)의 측면에서 충전기를 연결하여 충전할 수 있는 구조가 바람직하다.

다음으로 본 발명에 따른 보행패턴의 균일성 및 대칭성의 직관적 인지가 가능한 보행패턴 분석시스템의 작용에 대해 설명한다.

본 발명에서 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12)와 관성센서부(13)가 구비된 신발을 보행자기 신고 설정된 시간동안 걷게 되면, 상기 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12) 및 관성센서부(13)에서 발의 병진운동과 회전운동 및 압력분포에 대한 정보를 감지하여 제어부(20)로 전송하고, 제어부(20)에서는 이러한 신호를 처리하여 무선통신부(40)를 통해 표시부(30)로 보내어 표시되게 한다.

이때 상기 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12)는 다수의 광섬유가 신발 밑창(O)과 갑피(U)에 격자형으로 배치되어 있고, 각 격자의 교차점에서 가해진 압력에 의해 광섬유가 휘어지면서 발생되는 광누출로 인해 어느 지점에서 압력이 가해지는지를 판단한다. 특히 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 힐스트라이크로부터 토우오프시까지 신발에 가해지는 발의 압력을 측정한다.

보다 상세히 설명하면, 신발에 가해지는 압력이 없는 스윙 상태에서 도 9의 (a)와 같이 발의 뒷꿈치가 지면에 닿는 순간에는 발의 뒷꿈치에 해당하는 신발의 밑창(O)에 압력이 작용하고 신발의 상단에도 밑창(O)보다는 상대적으로 작은 압력이 가해지게 된다. 따라서 제1광섬유 센서부(11)의 발 뒷꿈치 대응부분과 제2광섬유 센서부(12)의 갑피(U) 상단 대응부분에서 압력신호가 감지된다.

그리고 도 9의 (b)와 같이 발의 앞꿈치가 하강하게 되면 신발의 밑창(O)에 가해지는 압력의 범위는 증가하면서 신발 측면에도 압력이 발생하게 되고 상부의 압력은 줄어들게 된다. 따라서 제1광섬유 센서부(11)의 감지범위가 증가하면서 제2광섬유 센서부(12)의 신발 측면부위에도 압력이 감지된다.

또한 도 9의 (c)와 같이 발 전체가 지면에 닿게 되면, 신발의 밑창(O)에 압력이 최대로 가해지게 되고 이와 함께 신발의 측면에도 폭넓게 압력이 가해지며 상부에는 압력이 사라진다. 따라서 제1광섬유 센서부(11)의 거의 전체에서 발의 압력이 감지되고, 제2광섬유 센서부(12)의 신발 측면부위에서 폭넓게 압력이 감지된다.

계속하여 도 9의 (d)에 이르면 발의 앞꿈치 측으로 압력이 이동하면서 그 측면으로도 압력이 발생하고 상부에도 상대적으로 작은 압력이 감지되게 된다. 따라서 제1광섬유 센서부(11)의 감지범위 및 제2광섬유 센서부(12)의 측면부위의 감지범위가 감소하면서 제2광섬유 센서부(12)의 상단 부위에서 압력이 감지된다.

그리고 도 9의 (e)와 같이 앞꿈치가 지면을 딪는 토오오프 상태가 되면 발의 앞꿈치에 발의 하중이 가해지고 신발의 상부에도 압력이 증가한다. 따라서 제1광섬유 센서부(11)의 발 앞꿈치 대응부분과 제2광섬유 센서부(12)의 갑피(U) 상단 대응부분에서 압력 신호가 감지된다.

이와 같이 스탠스 상태를 종료하고 스윙 상태로 진입하면 신발에 가해지는 압력이 거의 없게 되어 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12)에서 감지되는 신호도 사라지게 된다.

이러한 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12)는 스탠스 상태에서 발 전체를 둘러싸는 신발의 압력 분포를 감지하기 때문에 스탠스 상태에서의 발의 3차원적 움직임을 이해하게 해 준다. 즉, 도 10의 (a)에 도시된 정상적인 발바닥에 대한 하중 이동과, 도 10의 (b)에 도시된 비정상적인 발바닥에 대한 하중 이동을 구분할 수 있을 뿐만 아니라, 각 시점에서 발등의 움직임도 함께 감지하여 발의 3차원 움직임을 파악할 수 있다.

그리고 스윙상태에서는 가속도 센서와 자이로 센서로 구성된 관성센서부(13)에 의해 발의 3차원적 운동을 감지한다.

이와 같이 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12) 및 관성센서부(13)에서 감지된 정보는 제어부(20)로 전송되고, 제어부(20)는 스탠스 상태에서는 특정 시간 동안에 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12)로부터 감지된 압력분포 및 강도의 평균값을 특정 개인의 보행특성값으로 규정하고, 차후에 특정 개인에 대한 압력분포 및 강도의 평균값과 대비하여 해당 보행자의 보행 특이성을 판단하고, 특정 시간 동안에 제1 또는 제2광섬유 센서로부터 감지된 압력분포 및 강도의 평균값과 편차를 토대로 해당 보행자의 보행패턴 균일성을 판단한다. 또한 제어부(20)는 스윙 상태에서는 상기 관성센서부(13)에서 감지된 정보를 토대로 특정 시간 동안의 평균값과 편차를 산출하여 각 발의 전후방향, 좌우방향 및 상하방향에 대한 보행패턴의 균일성을 판단하고, 각 발의 롤링, 피칭 및 요잉에 대한 보행패턴의 균일성을 판단하며, 각 발의 전후방향, 좌우방향, 상하방향, 롤링, 피칭 및 요잉에 대한 편차값의 차이를 도출하여 보행패턴의 양발 대칭성을 판단한다.

이때 상기 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12)에서도 스탠스 상태에서의 발의 3차원적 운동을 감지하므로 관성센서부(13)에서 감지된 정보 중에서 스탠스 상태에서의 발의 움직임을 대체하여 적용할 수 있다. 특히 토우오프 시점에서는 발과 신발의 뒷굽 간에 이격되는 현상이 발생하여 관성센서만으로는 발의 움직임에 오차가 발생하므로, 이를 제1 및 제2광섬유 센서부(11, 12)가 보완하여 보다 정확한 발의 움직임을 측정할 수 있게 된다.

그리고 이러한 정보는 표시부(30)로 전송되어 도 7 및 도 8과 같이 표시된다. 즉, 표시부(30)는 도 7에 도시된 바와 같이, 보행패턴의 균일성을 각 발에 대한 각 운동별로 표시하되, 도넛의 절반 형태의 도형의 중심선을 기준으로 좌측과 우측을 나누어 면적으로 불균일 정도를 표시함으로서 발의 해당 움직임에 대해 왼발과 오른발의 균일성 정도를 직관적으로 인식할 수 있게 된다.

또한 표시부(30)에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 보행패턴의 대칭성을 각 운동별로 표시하되, 발의 해당 움직임에 대해 왼발과 오른발의 불균일 면적이 상대적으로 큰 방향으로 화살표를 표시하고 그 상대적으로 큰 면적에 해당하는 비율만큼 화살표의 길이를 결정하여 표시하여, 발의 해당 움직임에 대해 어느쪽 발의 움직임이 더욱 불균일한지를 직관적으로 확인할 수 있게 한다.

이상에서와 같이 본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

10 : 센서부 11 : 제1광섬유 센서부
12 : 제2광섬유 센서부 13 : 관성센서부
20 : 제어부 30 : 표시부
40 : 무선통신부 50 : 전원부
O : 신발 밑창 U : 신발 갑피

Claims

발의 움직임을 감지하도록 신발에 장착되는 센서부(10);
상기 센서부(10)에서 감지된 정보를 토대로 특정 시간 동안의 평균값과 편차를 산출하여 각 발의 보행패턴의 균일성을 판단하며, 상기 편차값의 차이를 도출하여 보행패턴의 양발 대칭성을 판단하는 제어부(20); 및
상기 제어부(20)에 의하여 분석된 결과를 표시하되, 보행패턴의 균일성은 대칭되는 도형의 좌측과 우측을 각각 왼발과 오른발로 지정하고 각측에 각 발에서 보행패턴의 균일한 정도를 면적으로 표시되고, 보행패턴의 대칭성은 대칭되는 도형의 좌측과 우측을 각각 왼발과 오른발로 지정하고 도형의 중심선에서 불균일성이 상대적으로 큰 측으로 불균일성에 해당하는 지점에 표시되는 표시부(30);를 포함하고,
상기 센서부(10)는
신발 밑창(O)에 가해지는 발바닥의 압력을 감지하도록 상기 밑창(O)의 다수 개소에서 상호 교차되게 배치되고 그 교차지점에서 광이 누출되는 다수개의 제1광누출구(11d)가 형성되는 제1광섬유 센서부(11)와,
신발 갑피(U)에 가해지는 발등 및 발측면의 압력을 감지하도록 상기 갑피(U)의 다수 개소에서 상호 교차되게 배치되고 그 교차지점에서 광이 누출되는 다수개의 제2광누출구(12d)가 형성되는 제2광섬유 센서부(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행패턴의 균일성 및 대칭성의 직관적 인지가 가능한 보행패턴 분석시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제어부(20)는, 특정 시간 동안에 제1 또는 제2광섬유 센서부(12)로부터 감지된 압력분포 및 강도의 평균값을 특정 개인의 보행특성값으로 규정하고, 차후에 특정 개인에 대한 압력분포 및 강도의 평균값과 대비하여 해당 보행자의 보행 특이성을 판단하고, 특정 시간 동안에 제1 또는 제2광섬유 센서로부터 감지된 압력분포 및 강도의 평균값과 편차를 토대로 해당 보행자의 보행패턴 균일성을 판단하는 것을 특징으로 하는 보행패턴의 균일성 및 대칭성의 직관적 인지가 가능한 보행패턴 분석시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어부(20)는, 발바닥에 압력이 가해지는 힐스트라이크(heel-strike)로부터 토우오프(toe-off) 시의 발바닥의 압력분포 및 강도로 보행자 보행 특이성 및 보행패턴 균일성을 판단하는 것을 특징으로 하는 보행패턴의 균일성 및 대칭성의 직관적 인지가 가능한 보행패턴 분석시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2광섬유 센서부(12)는, 얇은 천 또는 망사에 배치되고 상기 천 또는 망사에 그 배치 형태가 유지되도록 고정되는 것을 특징으로 하는 보행패턴의 균일성 및 대칭성의 직관적 인지가 가능한 보행패턴 분석시스템.
제1항에 있어서,
상기 센서부(10)는, 보행시 발이 지면으로부터 상승하여 이동하고 지면에 착지하는 과정에서 발생하는 직선방향 움직임과 회전방향 움직임을 각각 검출하도록 신발 밑창(O)에 설치되어 가속도 신호 또는 자이로 신호를 검출하는 3축 가속도 센서 또는 3축 자이로 센서로 구성되는 관성센서부(13)로 이루어지고,
상기 제어부(20)는, 상기 센서부에서 감지된 정보를 토대로 특정 시간 동안의 평균값과 편차를 산출하여 각 발의 전후방향, 좌우방향 및 상하방향에 대한 보행패턴의 균일성을 판단하고, 각 발의 롤링, 피칭 및 요잉에 대한 보행패턴의 균일성을 판단하며, 각 발의 전후방향, 좌우방향, 상하방향, 롤링, 피칭 및 요잉에 대한 편차값의 차이를 도출하여 보행패턴의 양발 대칭성을 판단하는 것을 특징으로 하는 보행패턴의 균일성 및 대칭성의 직관적 인지가 가능한 보행패턴 분석시스템.