KR20110036066A

KR20110036066A - 타동 훈련 장치의 지지대용의 최적의 동작 조건에 관한 시뮬레이션 및 계측의 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20110036066A
Application number: KR1020117001724A
Authority: KR
Inventors: 가즈히로 오치; 요이치 시노미야; 다카오 고토; 다카히사 오자와
Original assignee: 파나소닉 전공 주식회사
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2011-04-06
Also published as: CN102112183A; JP2010004954A; US20110105962A1; WO2009157433A1; EP2305355A1; TW201007578A

Abstract

시뮬레이터는 타동 운동 기계의 지지대를 이동시키기 위한 동작 조건에 따라 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 근육 활동 및 관절 접촉력을 구한다. 동작 제한 유닛은 다양한 동작 조건에 따라 시뮬레이터로 구한 근육 활동 및 관절 접촉력으로부터 바람직한 근육 활동 및 관절 접촉력에 대응하는 복수의 중간 조건을 구한다. 모션 시뮬레이터는 복수의 중간 조건에 따라 지지대를 이동시킨다. 전근성 측정 디바이스는 지지대에 의해 지지되는 피실험자의 전근성 전위를 측정한다. 평가 디바이스는 근육 활동의 측정 결과로부터 큰 근육 활동량에 대응하는 동작 조건을 선택하고 그 선택된 동작 조건을 타동 운동 기계의 동작 조건으로서 규정한다.

Description

타동 훈련 장치의 지지대용의 최적 동작 조건에 관한 시뮬레이션 및 계측을 실행하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CARRYING OUT SIMULATION AND MEASUREMENT RELATING TO OPTIMUM OPERATIONAL CONDITION FOR SUPPORT STAND OF PASSIVE TRAINING DEVICE}

본 발명은 타동 운동 기계의 지지대용의 최적의 운동 조건, 예를 들어, 지지대를 통해 상대적으로 무거운 근육 부하 및 가벼운 관절 부하를 사용자에게 가하기 위한 최적의 동작 조건을 결정할 수 있는 시뮬레이션 및 계측의 방법 및 시스템에 관한 것이다.

사용자의 신체 일부를 지지하기 위한 지지대를 움직여서 사용자의 자세를 변화시키도록 구성된 다양한 타동 운동 기계가 제안되어 있다.

예를 들어, 2004년 12월 9일에 공개된 일본특허출원 공개번호 2004-344684에는 균형 운동 기계에 대해 개시되어 있다. 이 균형 운동 기계는 사용자가 앉아 탈 수 있는 지지대를 요동시켜 승마 운동을 모방하도록 구성되어 있다.

2006년 5월 18일에 공개된 일본특허출원 공개번호 2006-122595에는 스윙 운동 기계에 대해 개시되어 있다. 이 스윙 운동 기계는 사용자의 체중 일부를 다리로 지지하기 위한 자세(앉은 자세)로 사용자의 둔부 또는 허리를 지지할 수 있는 지지대를 구비한다. 이 스윙 운동 기계는 지지대를 요동시킴으로써 사용자의 다리에 작용하는 사용자의 체중의 비율을 변화시키도록 구성되어 있다. 사용자가 서 있는 자세로 자신의 다리를 걸칠 수 있는 지지대를 구비하는 기계도 있다. 이 기계는 사용자의 다리의 위치 또는 방향을 변화시키도록 지지대를 이동시킴으로써 다리의 관절이 움직일 수 있는 범위를 넓히기 위한 운동 및 보행 동작을 사용자에게 제공하도록 구성되어 있다.

타동 운동 기계에서는, 지지대의 동작 조건이 변하면, 각각의 근육에 작용하는 부하 크기 또는 각각의 관절에 작용하는 부하 크기가 변한다. 즉, 지지대의 동작 조건이 변함으로써 부하가 주로 작용하는 근육의 종류 또는 이 근육의 활동 정도가 변하며 각각의 관절의 관절 접촉력(관절력)도 변한다. 관절 접촉력이 감소되고 근육 활동이 향상되도록 지지대의 동작 조건을 결정하는 것이 바람직하다.

타동 운동 기계는 근육 활동 및 관절 접촉력뿐만 아니라 지지대의 동작 조건 간의 관계를 얻기 위해 현 상태에서 피실험자들에 의해 실제로 사용된다. 이 경우, 지지대의 동작 조건이 변함으로써 근육 활동 또는 관절 접촉력의 변화(프로세스)가 계측된다. 피실험자의 근전성 전위(myoelectric potential)를 계측함으로써 근육 활동을 얻을 수 있다. 그렇지만, 관절 접촉력을 직접 계측할 수는 없기 때문에 관절 접촉력을 추정하는 기술을 채택하고 있다(예를 들어, 2006년 2월 9일에 공개된 일본특허출원 공개번호 2006-034640를 참조하라). 즉, 계측할 수 있는 부위에 작용하는 힘을 계측하는 동시에 인체를 모방한 모델을 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행한다. 이 기술에서는, 관절에 작용하는 전단력(shear force)을 관절 접촉력으로서 얻는다.

타동 운동 기계를 실제로 가동시킴으로써 근육 활동 또는 관절 접촉력을 구하면, 하루에 실측할 수 있는 동작 조건의 수는 기껏해야 약 20이다. 그러므로 목적 근육의 활동을 향상시키고 관절 접촉력을 감소시키기 위한 최적의 동작 조건을 구하기 위해서는, 막대한 시간이 필요하다. 게다가, 피실험자에게 과중한 부담을 지운다는 문제도 있다.

또한, 지지대의 동작 조건에 의해 관절 접촉력이 커질 수도 있다. 그러므로 피실험자의 안전을 고려하여 실제의 계측을 행하기 위해서는, 관절 접촉력이 크게 될 것으로 예상되는 동작 조건을 배제하면서 측정을 수행할 필요가 있다. 그 결과, 동작 조건의 선택 범위가 필요 이상으로 좁아지고 최적이 아닌 동작 조건이 선택될 수 있다.

또한, 타동 운동 기계를 사용해서 사람의 실제 근육의 모든 움직임을 컴퓨터 시뮬레이션으로 구할 수는 없다. 한편, 신근 반사(extensor reflex)에서는 근육 방전량(근육의 전기 활동)이 작아질 수 있다. 따라서, 근전도로부터 관찰될 수 있는 근육 방전량만으로 근육을 판단하면 잘못된 판단을 내릴 수 있다.

본 발명의 목적은, 컴퓨터 시뮬레이션을 사용해서 비교적 단시간 동안 많은 동작 조건과 관련된 근육 활동 및 관절 접촉력을 평가하고, 컴퓨터 시뮬레이션에 의해서만 실제 기계의 동작 조건을 판단하는 대신 컴퓨터 시뮬레이션과 근육 방전량의 계측치를 조합하여, 피실험자의 근전성 전위를 또한 평가함으로써 최적의 동작 조건을 결정하며, 아울러 실제 기계에 제공된 동작 조건을 최적화하는 것이다.

본 발명은 타동 운동 기계의 지지대의 최적의 동작 조건에 관련된 시뮬레이션 및 측정의 방법이다. 상기 타동 운동 기계는 사용자의 체중의 전부 또는 일부를 지지하도록 구성된 지지대, 및 상기 지지대를 이동시키도록 구성된 구동 유닛을 포함한다. 상기 타동 운동 기계는 상기 구동 유닛을 통해 상기 지지대를 동작 조건에 따라 이동시킴으로써 사용자에게 타동 운동을 제공하도록 구성되어 있다. 본 발명은, (a) 각각의 동작 조건에 따라, 순차적으로, 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 사용자의 목적 부위에서, 각종 근육의 활동인 각종 근육 활동 및 각종 관절에서의 관절 접촉력인 각종 관절 접촉력을 구하는 단계; (b) 복수의 동작 조건으로부터 복수의 중간 조건을 구하는 단계로서, 상기 복수의 중간 조건은, 각각의 동작 조건에 따라 순차적으로 구해진 모든 근육 활동 및 모든 관절 접촉력이 각각 미리 정해진 근육 활동 범위 및 미리 정해진 관절 접촉력 범위 내에 있으면, 해당 동작 조건을 상기 복수의 중간 조건에 포함시킴으로써 얻어지는, 상기 복수의 중간 조건을 구하는 단계; (c) 상기 복수의 중간 조건 각각에 따라 복수의 자유도로 순차적으로 상기 지지대를 이동시키도록 구성된 모션 시뮬레이터를 제어하면서 상기 지지대 위에 있는 피실험자의 전근성 전위(myoelectric potential)를 측정하는 단계; 및 (d) 상기 복수의 중간 조건 각각에 따라 순차적으로 측정된 각각의 전근성 전위에 기초하여 상기 복수의 중간 조건으로부터 최적의 동작 조건을 판단하고 출력하는 단계

로 이루어지는 복수의 컴퓨터 실행 단계를 포함한다.

본 발명에서, 근육 활동 및 관절 접촉력은 실제의 타동 운동 기계를 사용하지 않고 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 다양한 동작 조건들과 관련해서 추정된다. 따라서, 근육 활동 및 관절 접촉력은 비교적 단시간 내에 많은 동작 조건들과 관련해서 추정될 수 있다. 그렇지만, 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 구해진 근육 활동 및 관절 접촉력에는 오차가 있다. 특히, 많은 동작 조건들이 단시간 동안 추정되는 경우에는 시뮬레이션을 위한 모델로서 적은 수의 파라미터를 가지는 단순한 모델을 사용해야 한다. 그러므로 동작 조건이 근육 활동 및 관절 접촉력에 관한 컴퓨터 시뮬레이션에 의해서만 판단되는 경우에는, 최적의 동작 조건이 선택될 수 없는 경우가 있다.

그러므로 본 발명은 컴퓨터 시뮬레이션 결과로부터, 사용자의 목적 부위에서 각종 근육 활동 및 각종 관절 접촉력이 목적 범위 내에 있는 동작 조건들을 선택함으로써 중간 조건들을 구한다. 최적의 동작 조건은 복수의 중간 조건으로부터 구해진다. 즉, 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 구해진 중간 조건을 충족하는 지지대의 이동은, 각각의 중간 조건에 의해, 지지대를 자유도로 이동시키는 모션 시뮬레이터를 제어함으로써 실현된다. 지지대 위에 있는 피실험자의 전근성 전위가 측정되고, 지지대의 동작 조건은 중간 조건마다의 전근성 전위 측정 결과로부터 판단된다.

그러므로 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 좁혀진 중간 조건들을 사용함으로써 피실험자의 전근성 전위가 실제로 측정되기 때문에, 일반적으로 다양한 동작 조건들이 단시간 내에 추정될 수 있다. 추정된 동작 조건들이 중간 조건들로 좁혀질 때, 근육-강화 효과를 중시하거나 피실험자의 안전성을 중시하도록 세밀하게 할 수 있다. 평가는 세밀해진 중간 조건들과 관련해서 전근성 전위의 실제 측정에 기초해서 수행되고, 따라서 전근성 전위를 실제 측정하는데 걸린 시간이 감축되고, 거의 최적의 조건이 비교적 단시간 내에 판단될 수 있다.

일실시예에서, 상기 단계(a)는, 상기 복수의 동작 조건 각각에 따라 인체 모델인 하나 이상의 역진자(inverted pendulum)가 순차적으로 강제 진동할 때 상기 하나 이상의 역진자의 시간의 경과에 따른 위치 변화로부터 사용자의 인체 관절의 시간의 경과에 따른 위치 변화를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 위치 변화를 근육-골격 모델(musculo-skeletal)에 적용함으로써 상기 각종 근육 활동 및 상기 각종 관절 접촉력을 구하는 단계를 포함한다. 본 실시예에서, 타동 운동 기계의 이동을 기계 진동 모델인 역진자 모델과 연관시킴으로써 관절의 시간의 경과에 따른 위치 변화를 추정한다. 근육-골격 모델을 사용하고 이 근육-골격 모델에 관절의 위치 변화를 적용함으로써 근육 활동 및 관절 접촉력을 추정한다. 따라서, 근육 활동 및 관절 접촉력을 비교적 적은 연산량으로 구할 수 있다. 즉, 많은 동작 조건들에 관련해서 비교적 단시간 동안에 컴퓨터 시뮬레이션을 수행할 수 있다.

일실시예에서, 상기 단계(d)는, 상기 복수의 중간 조건 각각에 따라 순차적으로 측정된 각각의 전근성 전위로부터 근육 방전의 최대 평균값 또는 최대 피크값을 구하는 단계; 및 상기 최대 평균값 또는 상기 최대 피크값에 대응하는 중간 조건을 상기 최적의 동적 조건으로서 규정하는 단계를 포함한다. 본 실시예에서, 각종 근육 방전량에 대한 최대 평균값 또는 최대 피크값을 가지는 동작 조건을 타동 운동 기계의 동작 조건으로서 판단한다. 따라서, 피실험자의 전근성 전위에 기초하여 복수의 중간 조건으로부터 최적의 동작 조건을 판단할 수 있다.

일실시예에서, 상기 관절 접촉력 범위는 규정값 이하이다. 상기 근육 활동 범위는 제1 근육 활동 내지 제2 근육 활동의 범위이다. 상기 제1 근육 활동은 상기 관절 접촉력 범위 내에 있는 복수의 동작 조건에 따라 구해진 각각의 근육 활동 중 가장 큰 근육 활동이다. 상기 제2 근육 활동은 상기 관절 접촉력 범위 내에 있는 복수의 동작 조건에 따라 구해진 각각의 근육 활동 중, 규정된 수만큼 상기 제1 근육 활동보다 낮은 근육 활동이다. 본 실시예에서, 복수의 중간 조건은 자동으로 선택될 수 있다.

본 발명은 타동 운동 기계의 지지대의 최적의 동작 조건에 관련된 시뮬레이션 및 측정의 시스템에 이다. 상기 타동 운동 기계는, 사용자의 체중의 전부 또는 일부를 지지하도록 구성된 지지대, 및 상기 지지대를 이동시키도록 구성된 구동 유닛을 포함한다. 상기 타동 운동 기계는, 상기 구동 유닛을 통해 상기 지지대를 동작 조건에 따라 이동시킴으로써 사용자에게 타동 운동을 제공하도록 구성되어 있다. 본 발명은 시뮬레이터, 모션 시뮬레이터, 전근성 측정 디바이스, 및 평가 디바이스를 포함한다. 상기 시뮬레이터는 (ⅰ) 각각의 동작 조건에 따라, 순차적으로, 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 사용자의 목적 부위에서 각종 근육 활동 및 각종 관절 접촉력을 구하며, (ⅱ) 복수의 동작 조건으로부터 복수의 중간 조건을 구하도록 구성되어 있다. 상기 각종 근육 활동은 각종 근육의 활동이다. 상기 각종 관절 접촉력은 각종 관절에서의 관절 접촉력이다. 상기 복수의 중간 조건은, 각각의 동작 조건에 따라 순차적으로 구해진 모든 근육 활동 및 모든 관절 접촉력이 각각 미리 정해진 근육 활동 범위 및 미리 정해진 관절 접촉력 범위 내에 있으면, 해당 동작 조건을 상기 복수의 중간 조건에 포함시킴으로써 얻어진다. 상기 모션 시뮬레이터는 상기 복수의 중간 조건 각각에 따라 복수의 자유도로 순차적으로 상기 지지대를 이동시키도록 구성되어 있다. 상기 전근성 측정 디바이스는 상기 지지대 위에 있는 피실험자의 전근성 전위(myoelectric potential)를 측정하도록 구성되어 있다. 상기 평가 디바이스는 상기 복수의 중간 조건 각각에 따라 순차적으로 측정된 각각의 전근성 전위에 기초하여 상기 복수의 중간 조건으로부터 최적의 동작 조건을 판단하고 출력하도록 구성되어 있다. 본 발명은 대응한 방법과 동일한 장점을 가진다.

일실시예에서, 상기 시뮬레이터는 밸런스 시뮬레이터 및 근골격 시뮬레이터를 포함한다. 상기 밸런스 시뮬레이터는, 상기 복수의 동작 조건 각각에 따라 인체 모델인 하나 이상의 역진자(inverted pendulum)가 순차적으로 강제 진동할 때 상기 하나 이상의 역진자의 시간의 경과에 따른 위치 변화로부터 사용자의 인체 관절의 시간의 경과에 따른 위치 변화를 추정하도록 구성되어 있다. 상기 근골격 시뮬레이터는, 상기 추정된 위치 변화를 근골격 모델(musculoskeletal)에 적용함으로써 상기 각종 근육 활동 및 상기 각종 관절 접촉력을 구하도록 구성되어 있다. 본 발명은 대응하는 방법과 동일한 장점을 가진다.

일실시예에서, 상기 평가 디바이스는 상기 복수의 중간 조건 각각에 따라 순차적으로 측정된 각각의 전근성 전위로부터 근육 방전의 최대 평균값 또는 최대 피크값을 구하고, 상기 최대 평균값 또는 상기 최대 피크값에 대응하는 중간 조건을 상기 최적의 동적 조건으로서 규정하도록 구성되어 있다. 본 발명은 대응하는 방법과 동일한 장점을 가진다.

일실시예에서, 상기 관절 접촉력 범위는 규정값 이하이다. 상기 근육 활동 범위는 제1 근육 활동 내지 제2 근육 활동의 범위이다. 상기 제1 근육 활동은 상기 관절 접촉력 범위 내에 있는 복수의 동작 조건에 따라 구해진 각각의 근육 활동 중 가장 큰 근육 활동이다. 상기 제2 근육 활동은 상기 관절 접촉력 범위 내에 있는 복수의 동작 조건에 따라 구해진 각각의 근육 활동 중, 규정된 수만큼 상기 제1 근육 활동보다 낮은 근육 활동이다. 본 발명은 대응하는 방법과 동일한 장점을 가진다.

본 발명의 바람직한 실시예를 더 상세히 설명한다. 본 발명의 다른 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조하여 더 잘 이해하게 될 것이다.
도 1은 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 실시예에서 타동 운동 기계를 나타내는 사시도이다.
도 3은 타동 운동 기계의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 타동 운동 기계의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시예에서 사용되는 동작 시뮬레이터의 일례에 대한 측면도이다.
도 6은 실시예에서 사용되는 동작 시뮬레이터의 블록도이다.
도 7은 실시예에서 역진자(inverted pendulum)에 의한 모델 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 실시예에서 역진자의 복원력에 대한 예시도이다.
도 9는 실시예에서 하나의 링크 모델과 관절 위치 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 실시예에서 두 개의 링크 모델과 관절 위치 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 실시예에서 사용되는 근육의 역학 모델을 나타내는 도면이다.
도 12는 실시예에서 다양한 동작 조건에 대해 구해진 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 실시예에서 각각의 후보 조건에 대한 %MVC를 나타내는 도면이다.

타동 운동 기계로서의 본 실시예는 사용자의 체중의 일부 또는 전부를 지지하도록 구성된 지지대(support base)를 포함하며, 상기 지지대는 구동 유닛을 통해 움직인다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 사용자는 서 있는 위치에서 타동 운동 기계(1)를 사용한다. 이 타동 운동 기계(1)는 사용자가 왼발 및 오른발을 각각 올려놓는 한 쌍의 발 디딤대(footrest base)(41)(제1 및 제2 지지대)를 포함하며, 베이스 프레임(base frame)(40)에 설치된 구동 유닛(도시되지 않음)을 통해 발 디딤대(41)의 위치를 변화시키도록 구성되어 있다. 이 한 쌍의 발 디딤대(41)는 전후방향, 좌우방향, 상하방향, 전후방향의 축 주변 방향, 좌우방향의 축 주변 방향 및 수직 축 주변 방향 중 적어도 1도의 자유도(one-degree-of-freedom)로 구성될 수 있는 구동 유닛에 의해 구동된다.

예를 들어, 6개의 신축 가능한 로드로 이루어지되 로드가 2개씩 병렬로 배치되어 있는 병렬 링크 메커니즘을 이용해서 각각의 발 디딤대(41)가 움직이는 경우, 각각의 발 디딤대(41)는 6도의 자유도로 위치를 변화할 수 있다. 각각의 발 디딤대(41)는 또한, 모터를 구동원으로 하고, 크랭크(들), 기어(들) 등의 조합으로 직진 이동과 회전 이동 간의 변환을 수행하도록 구성되어 있는 메커니즘을 사용해서 적정한 자유도로 움직일 수 있다. 특히, 하나의 구동원을 사용하면, 좌우 발 디딤대(41)는 특정한 관계로 용이하게 연동할 수 있다.

타동 운동 기계에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 사용자 H가 앉아 타면 사용자 H의 둔부를 지지하는 지지대(좌석(42))를 포함한다. 이 타동 운동 기계에서는 사용자가 좌석(42)을 움직이게 하여 승마를 모방하는 운동을 할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 기계는 사용자 H의 둔부 및 허리를 지지하기 위한 지지대 및 사용자 H가 왼발 및 오른발을 각각 올려놓는 지지대(발 디딤대(44))를 포함한다. 이 기계는, 사용자 H의 하중을 3 군데(three-point mounting supporting)에서 지지하면서 좌석(43)을 기울이게 해서 좌석(43)에 의해 지지되는 부하의 비율이 변화되도록 해서, 사용자 H의 다리에 작용하는 부하를 변화시키도록 구성되어 있다. 도 4의 구성에서는, 발 디딤대(44)에 작용하는 하중에 반응해서 발 디딤대(44)가 상하방향으로 움직일 수 있고, 각각의 발목 관절의 각도는 일정하게 유지된다.

도 2에 도시된 타동 운동 기계(1)에 적용되는 예를 이하에 설명하겠지만, 도 3 또는 도 4에 도시된 타동 운동 기계에도 본 발명을 적용할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 실시예는 시뮬레이터(2), 모션 시뮬레이터(3) 및 근전성 측정 디바이스(4)를 포함한다. 시뮬레이터(2)는 타동 운동 기계(1)의 지지대의 동작 조건이 변할 때 사용자의 신체 반응을 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 구하도록 구성되어 있다. 모션 시뮬레이터(3)는 다양한 동작 조건에 기초해서 타동 운동 기계(2)의 지지대의 각각의 이동을 모방하도록 구성되어 있다. 전근성 측정 디바이스(4)는 모션 시뮬레이터(3)의 지지대에 의해 지지받는 피실험자(He)에 대한 각각의 목적 근육의 전근성 전위를 측정하도록 구성되어 있다.

지지대의 동작 조건은 이동 지지대에 관한 궤도, 진폭(이동 범위), 주파수(이동 속도) 등과 같이, 파라미터로 설정되어 있는 조건을 의미한다. 시뮬레이터(2)의 내부에는, 동작 조건이 지지대의 대표점 위치의 시간 변화로서 표시되어 있다. 그렇지만, 시뮬레이터의 오퍼레이터가 파라미터를 설정하는 경우(구체예는 후술함), 각각의 지지대의 대표점 위치의 시간 변화가 시뮬레이터(2)의 내부에서 자동적으로 생성된다.

동작 조건이 실제의 타동 운동 기계(1)에 설정될 수 없는 범위에 있거나 사용자가 받아들일 수 없는 범위에 있더라도, 이러한 동작 범위를 시뮬레이터(2)를 통해 설정할 수 있다. 시뮬레이터(2)를 통해 비현실적인 동작 조건을 포함하는 다양한 동작 조건을 시행하는 경우에는, 동작 조건과 사용자의 신체 반응 간의 관계에 대한 대강의 경향을 구할 수 있다. 그러므로 시뮬레이터(2)에서는, 다양한 조건을 시행하고 사람이 실제로 탑승하는 지지대에 적용하는 경우, 높은 운동 효과를 얻을 수 있으면서 안전하게 사용할 수 있는 운동 조건을 좁힐 수 있다.

도 1에 도시된 구성에서는, 조건 제한 유닛(6)이 제공되어 있다. 이 조건 제한 유닛(6)에서는, 시뮬레이터(2)에서 시행된 다양한 동작 조건이 모션 시뮬레이터(3)에서 시행될 중간 조건들로 좁혀진다. 시뮬레이터(2) 및 조건 제한 유닛(6)은 컴퓨터에서 프로그램을 운용함으로써 실현되며, CRT나 액정 디스플레이와 같은 모니터 디바이스, 및 키보드와 마우스와 같은 입력 디바이스를 포함한다.

시뮬레이터(2)를 통해 다양한 동작 조건들을 시행함으로써 상당한 결과를 얻는다. 조건 제한 유닛(6)에서는, 이러한 결과가 모니터 디바이스의 화면에 디스플레이되고, 오퍼레이터는 입력 디바이스를 사용해서 중간 조건들을 지정할 수 있다. 후술되는 중간 조건들을 결정하기 위해 규칙(즉, 높은 운동 효과가 얻어지면서 안전하게 사용할 수 있는 동작 조건들을 선택하기 위한 규칙)이 또한 제공될 수 있다. 이러한 규칙에 대한 적합도(goodness-of-fit)가 높은 미리 정해진 수의 중간 조건들을 이러한 규칙을 따르는 동작 조건들 중에서 채택할 수 있다. 이러한 방법을 채택하면, 중간 조건들이 자동적으로 제한될 수 있다.

조건 제한 유닛(6)을 통해 중간 조건으로서 채택된 일부의 동작 조건들을 모션 시뮬레이터(3)에 적용한다. 모션 시뮬레이터(3)는 도 2에 도시된 타동 운동 기계(2)에서 각각의 지지대(발 디딤대(41))의 이동을 모방하도록 구성되어 있다. 따라서, 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 병렬 링크 메커니즘(50)을 사용한다. 이 병렬 링크 메커니즘(50)은 피실험자(He)의 좌우 다리를 지지하는 지지대(51)를 복수의 자유도(도면에 도시된 예에서는 6도의 자유도)로 각각 이동시키도록 구성되어 있다.

병렬 링크 메커니즘(50)은 마운트 베이스(mount base)(52)에 대해 6개의 링크(53)로 지지대(51)를 지지하는 동시에, 6개의 링크(53) 근처에 위치하여 각각 양방향으로 회전하도록 구성된 모터(54)를 통해 이 6개의 링크(53)를 각각 신축시킴으로써 지지대(51)를 이동시키도록 구성되어 있다. 링크(53)의 각각의 양단부는 유니버설 조인트(55)를 통해 지지대(51)와 마운트 베이스(52)에 각각 결합되어 있다. 이러한 구성에서, 링크(53)는 신축되고 이에 따라 지지대(51)는 전후방향, 좌우방향, 상하방향, 전후방향의 축 주변 방향, 좌우방향의 축 주변 방향 및 상하방향의 축 주변 방향으로 이동할 수 있다.

제어기(도시되지 않음)는 모션 시뮬레이터(3)의 각각의 모터(54)의 회전량과 회전 시간을 제어하도록 구성되어 있다. 그러므로 조건 제한 유닛(6)을 통해 채택된 각각의 중간 조건에 의해 지지대(51)를 이동시키기 위해, 제어기는 각각의 중간 조건을 각각의 모터(54)의 회전량 및 회전 시간으로 변환하도록 구성된 변환 연산 유닛을 구비한다. 하나의 중간 조건을 받아들이면, 변환 연산 유닛은 중간 조건을 각각의 모터(54)에 인가된 조작량의 시계열로 변환시키는 연산을 수행한다. 즉, 변환 연산 유닛은 컴퓨터로 이루어져 있으며 중간 조건의 입력에 반응하여 모터(54)의 조작량을 출력한다. 그러므로 변환 연산 유닛은 시뮬레이터(2)와 조건 제한 유닛(6)의 컴퓨터와 동일한 컴퓨터로 구성될 수 있다.

모션 시뮬레이터(3)는 피실험자(He)가 지지대(51)에 서 있는 동안 중간 조건에 의해 지지대(51)를 이동시키면서 피실험자(He)의 근육 활동을 측정하기 위해 제공된다. 그러므로 모션 시뮬레이터(3)가 구동되면, 근전성 측정 디바이스(4)는 피실험자(He)의 목표 부위에서 각종 근육에 대한 근육 활동을 검출한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 타동 운동 기계를 사용하는 경우, 사용자의 다리부(feet region), 하퇴부(lower thigh region), 대퇴부(femoral region), 둔부(buttock), 요배부(lower back), 복부(abdominal region) 등의 근육 활동이 강화된다. 따라서, 모션 시뮬레이터(3)에 서 있는 피실험자(He)에 대한 이러한 근육들을 목표 근육으로 설정하고, 전근성 측정 디바이스(4)로 각각의 전근성 전위를 측정한다.

시뮬레이터(2)를 통해 시뮬레이션을 수행하여 구한 복수의 (예를 들어 2000개의) 동작 조건들을 중간 조건들로 좁히면, 10개의 중간 조건에 따라 피실험자(He)에 대해 전극성 전위 측정을 수행한다. 본 예에서는, 단지 한 사람의 피실험자(He)에 대해 전근성 전위 측정을 수행하지만, 나이와 성별이 다양한 피실험자(He)들에 대해서도 수행될 수 있다. 이러한 전근성 전위 측정은 피실험자마다 1회 이상 수행되는 것이 바람직하다. 중간 조건의 수가 약 10인 경우, 전근성 전위의 실제 측정은 비교적 단시간 내에 수행될 수 있다.

전근성 전위 측정이 각각의 중간 조건에 따라 수행되는 경우, 지지대(51)를 각각의 중간 조건에 따라 이동시킴으로써 신체의 근육 활동을 구할 수 있다. 따라서, 평가 디바이스(5)는 이러한 중간 조건들로부터 근육 활동에 대한 최적의 중간 조건을 결정하고 그 중간 조건을 타동 운동 기계(1)의 동작 조건으로서 규정한다. 평가 디바이스(5)에 의해 규정된 동작 조건은 시뮬레이터(2)를 통해 설정된 동작 조건들이 최종적으로 좁혀진 하나의 동작 조건이다. 타동 운동 기계(1)가 안전하게 사용될 수 있는 범위 내에 있는지의 여부는 시뮬레이터(2)와 모션 시뮬레이터(3)에 의해 검증되며, 운동 효과는 모션 시뮬레이터(3)에 의해 검증된다. 따라서, 타동 운동 기계(1)에 탑재하는 동작 조건으로서 최적인 것으로 생각할 수 있다.

이하에 전술한 컴포넌트에 대해 상세히 설명한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하기 위한 3종류의 시뮬레이터(10, 20, 30) 각각이 결합되어 시뮬레이터(2)를 구성한다. 제2 시뮬레이터(20) 및 제3 시뮬레이터(30)를 각각 "밸런스 시뮬레이터" 및 "근골격 시뮬레이터"라 한다.

제1 시뮬레이터(10)는 타동 운동 기계(1)에서 각각의 지지대(발 디딤대(41))의 움직임을 모방하도록 구성된 디바이스 시뮬레이팅 유닛(1)을 포함한다. 시뮬레이터(10)는 타동 운동 기계(1)에 제공된 동작 조건을 동작 조건 설정 유닛(12)으로부터 수신하고 이 동작 조건에 따라 각각의 지지대의 이동을 모방하도록 구성되어 있다.

각각의 지지대의 이동에 있어서 주기성(periodicity)이 필수는 아니다. 각각의 지지대의 이동 궤적(movement locus)이 기하학적 형상을 형성하는 것도 필수는 아니다. 그렇지만, 실시예에서는, 동작 조건의 설치를 용이하게 하기 위해, 각각의 지지대의 이동이 주기성을 가지며 각각의 이동 궤적은 하나 이상의 방향으로 생기는 왕복 운동에 의해 표시되는 형상을 형성한다. 즉, 각각의 이동 궤적은 직진 왕복 운동 및 회전 왕복 운동으로부터 무작위로 선택되어 생기는 왕복 운동으로 표시된다. 직진 왕복 운동은 전후방향, 좌우방향 및 상하방향으로부터 선택된다. 회전 왕복 운동은 회전(roll)(전후방향의 축 주변 방향), 피치(pitch)(좌우방향의 축 주변 방향), 및 요(yaw)(상하방향의 주변 방향)로부터 선택된다. (당연하게, 1도의 자유도의 경우에는, 하나의 왕복 운동으로 표시된다.)

그러므로 동작 조건 설정 유닛(12)을 통해 동작 조건으로서, 각각의 지지대의 이동 궤적을 결정하는 왕복 운동의 방향, 왕복 운동의 방향마다의 진폭 및 주기(주파수), 일련의 왕복 운동이 추가될 때 각각의 왕복 운동 간의 위상관계, 및 왕복 운동의 기준 위치(왕복 운동의 중간 위치 등)를 설정할 수 있다.

본 실시예의 목적은 타동 운동 기계(1)의 각각의 지지대의 이동에 반응하여 사용자의 근육 활동 및 관절 접촉력(관절력)을 추정하는 것이다. 따라서, 근골격 시뮬레이터(30)는 신체 분절(body segment)(골격), 관절 및 조직(근육)을 가지는 근육-골격 모델을 사용한다. 관절 접촉력은 관절(관절 축)과 신체 분절(링크) 간의 접촉 표면에 대한 법선 방향으로 관절(관절 축)에 작용하는 힘을 말한다.

타동 운동 기계의 각각의 지지대의 이동을 근육-골격 모델에 직접적으로 적용하는 것은 곤란하다. 그러므로 본 실시예의 밸런스 시뮬레이터(20)에서는, 인체 이동의 본질을 잃어버리지 않을 정도로 단순화한 기계 진동 시스템의 모델을 서술하고 인체 대용으로 사용한다. 서술된 모델과 디바이스 시뮬레이팅 유닛(11)을 통해 모방된 타동 운동 기계의 이동 간의 관계를 운동 방정식으로 표현한다. 인체 대용으로서의 기계 진동 시스템의 모델의 서술은 진동 모델 생성 유닛(21)에서 수행된다. 밸런스 시뮬레이터(20)는 전술한 운동 방정식의 해를 구하기 위한 동력학 연산을 수행하기 위해 동력학 연산 유닛(22)도 구비한다. 동력학 연산 유닛(22)은 타동 운동 기계가 가동되면 인체 관절의 각각의 위치 변화(위치 및 속도)를 구한다.

관절에 관련된 근육 수축에 의해 관절의 굴신(bending and stretching)이 생긴다. 따라서, 밸런스 시뮬레이터(20)를 통해 구한 관절의 시간 경과에 따른 위치 변화를 근골격 시뮬레이터(30)에 의해 사용되는 근육-골격 모델에 적용함으로써, 해당 관절에 관련된 근육에 작용하는 부하(근육 활동)를 구할 수 있다. 신체 분절에 작용하는 부하도 구할 수 있고, 이에 의해 관절에 작용하는 부하(관절 접촉력)도 구해진다. 즉, 굴신 관절에 관련된 근육의 근육 활동(근육에 작용하는 부하)을 관절의 각각의 위치 변화(궤도)로부터 역 동력학 연산에 의해 구한다.

그러므로 근골격 시뮬레이터(30)는 근육-골격 모델 생성 유닛(31) 및 역 동력학 연산 유닛(32)을 구비한다. 근육-골격 모델 생성 유닛(31)은 근육-골격 모델을 인체의 대용으로서 규정하도록 구성되어 있다. 역 동력학 연산 유닛(32)은 밸런스 시뮬레이터(20)에서 구한 관절의 각각의 위치 변화로부터 근육 부하 및 관절 부하를 연산하도록 구성되어 있다.

시뮬레이터(2)의 동작에 대해 상세히 설명한다. 디바이스 시뮬레이팅 유닛(11)은 사용자의 부하를 지지하기 위한 지지대의 위치 및 지지대의 각각의 동작 조건에 초점을 맞추지만, 메커니즘에 대해서는 특별히 고려하지 않는다. 환언하면, 디바이스 시뮬레이팅 유닛(11)은 인체의 부위 지지대에 의해 지지받는 것과, 접촉 부위 중 어디가 어떻게 이동하는지를 모방한다. 지지대에 의해 지지받는 인체의 부위는 지지대와 접촉하고 있는 접촉 부위이고, 이 접촉 부위는 인체의 이동을 구속하는 구속 조건이다. 지지대의 각각의 이동에 대한 자유도는 동작 조건에서 왕복 운동의 방향으로 포함된다.

본 실시예에서 타동 운동 기계(1)는 사용자의 양발을 지지하고 각각의 발을 6도의 자유도(6개의 방향)로 이동시킨다. 따라서, 디바이스 시뮬레이팅 유닛(11)은 발 디딤대(41)의 각각의 이동을 규정하는 6도의 자유도의 동작 조건을 필요로 한다. 그렇지만, 동작 조건의 서술량은, 발 디딤대(41)에 관련된 동작 조건들을 개별적으로 규정하는 것에 비해, 좌우 발 디딤대(41)가 동위상으로 또는 역위상으로 대칭으로 이동하는 제약 조건을 사용해서 감소될 수 있다.

시뮬레이터(2)의 내부에서는, 동작 조건이, 전술한 바와 같이 각각의 지지대(41)의 대표점 위치의 시간 변화로 표시된다. 그렇지만, 오퍼레이터가 동작 조건 설정 유닛(12)을 통해 입력한 동작 조건은 동작 궤도, 주파수, 진폭, 위상 등과 같은 파라미터로 표시된다.

여기에서는, 발 디딤대(41)가 마루 등에 설치된 베이스 프레임(40)의 상부 표면을 따라 이동하는 것으로 가정한다. 실제의 타동 운동 기계(1)에서는, 각각의 발 디딤대(41)가 베이스 프레임(41)의 상부 표면을 따라 피봇을 중심으로 하는 회전 왕복 운동을 제공할 수 있고, 발목 관절을 중심으로 발 디딤대(41) 위에 탑재된 발의 회전(저굴 및 배굴 중 적어도 하나)을 제공할 수 있다. 그렇지만, 시뮬레이션을 단순화하기 위해, 본 실시예의 밸런스 시뮬레이터(20)에서는 동작의 시뮬레이션을 생략한다.

운동 궤도는 베이스 프레임(40)의 상부 표면을 따라는 평면에서의 지지대(41)의 대표점 위치의 이동 궤적이고, 일직선, 호형, 8자형 등의 이동 궤적으로부터 선택될 수 있다. 주파수는 지지대(41)의 왕복 운동의 초당 횟수이고 지지대(41)의 이동 속도를 규정한다. 진폭은 지지대(41)가 왕복 운동할 때의 이동 거리를 규정한다. 위상은 좌우 발 디딤대(41)가 동일한 쪽으로 이동할 때의 동작과 반대쪽으로 이동할 때의 동작 중에서 선택될 수 있다. 전자는 지지대(41) 중 하나가 그 이동 범위의 앞쪽 위치(front end position)에 있고 다른 하나가 그 이동 범위의 앞쪽 위치에 있을 때의 동작이고 "동상(same phase)"이라 칭한다. 후자는 지지대(41) 중 하나가 그 이동 범위의 앞쪽 위치에 있고 다른 하나가 그 이동 범위의 뒤쪽 위치(rear end position)에 있을 때의 동작이고 "역상(reverse phase)"이라 칭한다.

전술된바 외에, 지지대(40)의 전후방향에 관련해서 지지대(41)의 이동 방향의 각도(경사 각), 및 좌우 지지대(41)의 (대표점들(중심점들) 사이의 평균 거리(발 폭) 등이 파라미터로 된다. 본 실시예에서는, 저굴 및 배굴이 밸런스 시뮬레이터(20)에서 배제되지만, 지지대(41)를 상하로 회전시켜 저굴 및 배굴이 수행될 때는, 발 디딤대(41)의 피봇을 중심으로 하는 위치, 방향, 회전 각도 범위(회전 진폭), 베이스 프레임(40)의 상부 표면에 관련해서 회전 각도 범위의 중심 위치의 각도(오프셋 각도)도 파라미터로 된다.

본 실시예에서는, 이동 방향을 나타내기 위한 좌표 시스템으로서 왼손 직교 좌표계를 사용하고, 각각의 좌표 축을 중심으로 하는 회전은 각각의 좌표 축의 정의 방향(positive direction)을 향하는 오른손 회전(시계방향)이다. 각각의 좌표 축의 방향을 향하는 직진 운동에서는 적당한 위치를 위상이 0°인 기준 위치로 한다. 각각의 좌표 축을 중심으로 하는 회전 운동에서는 해당 좌표 축에 직교하는 평면에 포함되는 한쪽의 좌표 축의 방향을 위상이 0°인 기준 위치로 한다. 예를 들어, XYZ 직교 좌표계를 사용하는 경우, X-축을 중심으로 하는 회전 이동의 기준 위치는, X-축에 직교하는 YX 평면에 포함되는 Y-축 또는 Z-축의 방향이 위상이 0°인 기준 위치로 된다.

본 실시예의 타동 운동 기계(1)에서는, 각각의 발 디딤대(41)에 좌표계가 설정되어 있다. 발 크기는 무시하며 발목 관절이 Y-축을 중심으로 하는 관절로서 간주된다. 발 디딤대(41)의 상부 표면이 수평인 위치를 X-축 및 Y-축을 중심으로 하는 기준 위치로 설정한다. X-축의 정의 방향을 발 뒤꿈치로부터 발끝 쪽으로 방향으로 한다.

전술한 파라미터들이 수신되면, 디바이스 시뮬레이팅 유닛(11)은 발 디딤대(41)의 시간의 경과에 따른 위치 변화를 연산한다. 즉, 발 디딤대(41)에 관련한 위치의 시계열을 일정 시간마다 출력한다.

밸런스 시뮬레이터(20) 및 근골격 시뮬레이터(30)에서 인체의 대용으로서 모델(인체 모델)을 서술하기 위해서는 개인의 체격에 관한 조건이 필요하다. 이러한 모델을 서술하는 것은 근육 부하 및 관절 부하를 추정하는데 있어서 중요하며, 개인의 체격에 관한 조건은 신장 및 체중뿐만 아니라 근육 분포를 결정하기 위한 나이 및 성별도 필요하다. 체지방량, 근육량 등의 조건도 모델의 서술 정확도를 높이는데 유용하다. 예를 들어, 개인의 체격에 관한 정보로서 "신장: 170cm, 체중: 60kg, 나이: 70, 성별: 남성"이 밸런스 시뮬레이터(20) 및 근골격 시뮬레이터(30)에 제공된다. 체격에 관한 정보는 신체 정보 입력 유닛(13)을 통해 입력된다. 본 실시예에서는, 신체 정보 입력 유닛(13)을 통해 (신장, 체중, 나이, 성별)이 입력된다.

신체 정보 입력 유닛(13)을 통해 입력된 체격에 관한 정보는 신체 데이터 저장부(15)에서 검사되는데, 이 신체 데이터 저장부(15)는 (신장, 체중, 나이, 성별)의 4개를 (신체 분절 길이, 신체 분절 질량, 신체 분절의 관성 모멘트)와 조합하여 등록한다. 신체 데이터 저장부(15)의 데이터 세트는 신체의 통계값으로부터 구하여 사용된다. 그렇지만, 연산량을 감축하기 위해, 나이, 성별 및 신체 분절의 관성 모멘트를 고려함이 없이 신체 분절 길이(상반신 길이, 대퇴부 길이 등) 및 신체 분절 질량을 (신장, 체중)과 연관시킨다.

(신장, 체중)과 관련된 신체 분절 길이 및 신체 분절 질량을 위해 해부학에 기초한 통계값을 사용할 수 있다. 그렇지만, (신장, 체중)의 표준값과 관련된 신체 분절 길이 및 신체 분절 질량이 제공될 수 있다. 이 경우, 신체 정보 입력 유닛(13)을 통해 (신장, 체중)이 입력되면, 표준값(또는 다른 적절한 관계식)에 관련된 비례 연산으로 신체 분절 길이 및 신체 분절 질량을 산출한다. 이 연산의 경우에는, 나이 및 성별도 고려된다. 후술하는 바와 같이 인체 모델의 요소로서 관성 요소 및 복원 요소가 고려되어야 한다. 따라서, 복원의 세기도 신체 데이터 저장부(15)에 저장되는 것이 바람직하다. 복원력에 대해서도 표준값을 제공하여 나이 및 성별에 따른 근력에 관한 데이터를 사용해서 보정할 수 있다.

실시예에서는, 전술한 바와 같이, 밸런스 시뮬레이터(20)에 있어서 인체 대용으로서 기계 진동 시스템의 모델을 서술한다. 즉, 발 디딤대(41)에 탑재된 발은 접촉 부위이고 발 위치가 지지대에 의해 구속되는 구속 조건이 있다. 발 디딤대(41)가 주기적으로 움직일 때, 사용자는 자신의 균형을 유지하면서 똑바로 서 있으려 한다.

그러므로 도 7a에 도시된 바와 같이, 가장 단순화된 기계 진동 시스템의 모델로서 하나의 링크(L)로 형성된 역진자를 사용할 수 있다. 역진자는 사용자의 체중과 동등한 질량(M)을 가지며 이하에서는 "1 링크 모델"이라 칭한다. 역진자의 운동을 분석하기 위해, 이 역진자는 3개의 요소 - 관성 요소(가속에 비례하는 힘을 내는 요소: 중력을 포함함), 감쇄 요소(속도에 비례하는 힘을 내는 요소), 및 복원 요소(변위에 비례하는 힘을 내는 요소)를 포함한다.

타동 운동 기계(1)에서는, 링크(L)의 하단 위치를 주기적으로 변화시키는 동작으로, 발 디딤대(41)를 주기적으로 이동시키는 것을 표시한다. 1 링크 모델에서, 링크(L)는 이 하단 위치에 설치된 관절 축(J)을 중심으로만 회전할 수 있다. 즉, 링크(L)의 관성 요소, 감쇄 요소 및 복원 요소가 관절 축(J)을 중심으로 작용한다. 그러므로 역진자의 운동은 관성 요소, 감쇄 요소 및 복원 요소를 포함하는 운동 방정식으로 서술될 수 있다. 한편, 타동 운동 기계(1)가 역진자에 작용하는 힘으로서는 전술한 바와 같이 각 방향의 정현파 진동이 사용된다. 따라서, 동력학 연산 유닛(22)은 강제 진동(force oscillation)의 운동 방정식을 풀어 역진자의 위치에 대한 시간 변화를 연산할 수 있다.

시간 t에서 관절 축(J)을 중심으로 작용하는 토크 T(t)를 구하기 위해 도 8에 도시된 바와 같은 모델을 사용한다. 신체 분절(링크 L)이 관절 축(J)을 중심으로 기준 각 θ₀에 대한 각 θ(t)로 회전하면, 토크 T(t)는 다음과 같이 표시될 수 있다.

T(t) = Kpㆍ(θ(t)-θ₀)+Kdㆍdθ(t)/dt

각도 θ(t)는 관절 각도이고 1 링크 모델에서 링크(L)의 직립 위치에 대한 경사 각도에 상당한다. 한 쌍의 링크 간의 관절 축(J)을 중심으로, 이 각도는 링크들 간의 각도가 된다. 관절 각도 θ(t)로서는, 링크들 간의 각도의 절대값을 사용할 수도 있거나 또는 안정 시(직립 위치의 경우 직립 위치로 안정할 때)의 관절 각도를 기준 각도로 규정하여 측정된 각도를 사용할 수도 있다.

이와 관련해서, Kp는 비례 이득이고 Kd는 미분 이득이다. 비례 이득(Kp) 및 미분 이득(Kd)은 모델로 하는 인체의 근력으로부터 구해진다. 토크 T(t)는 관절 각도 θ(t)에 비례하는 값만이 될 수 있거나, 관절 각도 θ(t)의 적분값이 가산될 수 있거나, 인체의 반응 시간을 고려하여 시간 지연이 가산될 수 있다. 일반적인 PID 제어와 마찬가지로, 수학식 1의 항을 가산할 수도 있다. 수학식 1에서, Ki는 적분 이득이다.

전술한 역진자 모델에서는 관절의 각각의 위치가 알려져 있지 않다. 따라서, 관절 위치를 근골격 시뮬레이터(30)에 의해 사용되는 근육-골격 모델에 적용하는 것이 불가능하다. 그러므로 도 9에 도시된 바와 같이, 실제의 타동 운동 기계(1)의 초기 위치에서, 인체의 기준점(예를 들어, 중심)과 각각의 관절 간의 위치 관계를 실제로 측정한다. 그런 다음 이 위치 관계를 링크(L)의 기준점(예를 들어, 중심)의 위치에 적용한다. 이에 의해, 관절(j0-j6)의 각각의 위치를 역진자의 기준점의 위치로부터 추정한다. 도면에 도시된 예에서, j0는 허리 관절(waist joint), j1 및 j2는 고관절(hip joint), j3 및 j4는 무릎 관절, j5 및 j6은 발목 관절을 나타낸다. 인체의 기준점과 각각의 관절 간의 위치 관계를 실제로 측정할 때는, 모션 캡처(motion capture) 등의 디바이스를 사용한다.

1 링크 모델은 단순하기 때문에, 연산량이 적다. 그렇지만, 관절(j0-j6)의 각각의 위치를 하나의 기준점으로부터 추정하므로, 관절(j0-j6)의 그 추정된 위치가 정확도가 높다고 말할 수 없다. 그러므로 도 7b에 도시된 바와 같이, 인체는 두 개의 관절 축(J1 및 J2)뿐만 아니라 상반신 및 하반신의 질량(M1) 및 질량(M2)을 각각 가지는 두 개의 링크(L1 및 L2)로 이루어진 모델(이하 "2 링크 모델"이라 칭함)로 표시될 수 있다.

이 모델에서는, 도 10에 도시된 바와 같이, 하나의 기준점(예를 들어, 허리 관절 등)이 하나의 관절 축(J1)과 관련되어 있고, 하나의 기준점(예를 들어, 중심)이 링크(L1 및 L2) 각각에 설정되어 있다. 이와 관련해서, 본 실시예에서는, 하체에서의 관절(j0-j6) 각각의 이동을 고려한다. 따라서, 링크(L1 및 L2) 중에서 상반신에 대응하는 링크(L1)는 하반신에 대응하는 링크(L2)의 이동에 영향을 주는 요인으로서만 사용된다. 관절(j0-j6) 각각과 링크(L)의 기준점 간의 위치 관계는 불필요하다.

역진자 모델에서 각각의 관절 위치를 정확하게 검출하기 위해, 도 7c에 도시된 바와 같은 근육-골격 모델(이하, "멀티-링크 모델"이라 칭함)과 동일한 수의 인체 분절 및 관절 축(관절 j0-j6)을 포함하는 모델을 사용한다. 멀티-링크 모델에서는, 관절(j0-j6)의 각각의 개별적인 위치를 얻을 수 있다. 따라서, 밸런스 시뮬레이터(20)를 통해 획득된 관절(j0-j6)의 각각의 위치를 그대로 근골격 시뮬레이터(20)에 적용할 수 있다. 그렇지만, 밸런스 시뮬레이터(20)는 관절(j0-j6)의 각각의 위치를 연산하기 때문에, 연산량이 대폭 증가하게 된다.

도 7c에서는, M21 및 M22가 제1 및 제2 지지대의 모델로 각각 이루어져 있다. 예를 들어, 멀티-링크 모델(인체 모델)은 제1 내지 제6 링크(L1-L6)를 포함한다. 제1 링크(L1)는 관절(j3)과 등가인 제1 관절 축(J1)을 가지며 제1 링크(L1)의 하단에 배치된다. 제2 링크(L2)는 관절(j5)과 등가인 제2 관절 축(J2)을 가지며 제2 링크(L2)의 하단에 배치된다. 제2 링크(L2)의 상단은 제1 관절 축(J1)을 통해 제1 링크(L1)의 하단에 결합되는 반면, 제2 링크(L2)의 하단은 제2 관절 축(J2)을 통해 제1 지지대의 모델(M21)에 결합되어 있다. 제3 링크(L3)는 관절(j4)과 등가인 제3 관절 축(J3)을 가지며 제3 링크(L3)의 하단에 배치된다. 제4 링크(L4)는 관절(j6)과 등가인 제4 관절 축(J4)을 가지며 제4 링크(L4)의 하단에 배치된다. 제4 링크(L4)의 상단은 제3 관절 축(J3)을 통해 제3 링크(L3)의 하단에 결합되는 반면, 제4 링크(L4)의 하단은 제4 관절 축(J4)을 통해 제2 지지대의 모델(M22)에 결합되어 있다. 제5 링크(L5)는 관절(j1 및 j2)과 등가인 제5 및 제6 관절 축(J5 및 J6)을 각각 가지며 제5 링크(L5)의 양단에 배치된다. 제5 링크(L5)의 양단은 또한 제5 및 제6 관절 축(J5 및 J6)을 통해 제1 및 제3 링크(L1 및 L3)의 상단에 각각 결합된다. 제6 링크(L6)는 관절(j0)과 등가인 제7 관절 축(J7)을 가지며 제6 링크(L6)의 하단에 배치된다. 제6 링크(L6)의 하단은 또한 제7 관절 축(J7)을 통해 제5 링크(L5)의 중앙에 결합된다. 제1 및 제2 링크(L1 및 L2) 간의 각도에 반응하는 복원력은 제1 관절 축(J1)을 중심으로 작용한다. 제3 및 제4 링크(L3 및 L4) 간의 각도에 반응하는 복원력은 제3 관절 축(J3)을 중심으로 작용한다. 제2 링크(L2)의 직립 위치에 대한 각도에 반응하는 복원력은 제2 관절 축(J2)을 중심으로 작용한다. 제4 링크(L4)의 직립 위치에 대한 각도에 반응하는 복원력은 제4 관절 축(J4)을 중심으로 작용한다.

밸런스 시뮬레이터(20)에서, 연산량과 정확도는 트레이드-오프된다. 따라서, 모델을 필요에 따라 선택하는 것이 바람직하다. 사용의 예에서는, 개략의 평가에 있어서, 도 7a의 1 링크 모델 또는 도 7b의 2 링크 모델을 사용함으로써 동작 조건의 범위가 좁혀진다. 이후 그 좁혀진 범위 내에서 도 7c의 멀티-링크 모델을 사용함으로써 평가가 수행될 수 있다.

신체 데이터 저장부(15)로부터 추출된 데이터는 각각 인체 분절 길이 및 질량이다. 따라서, 1 링크 모델 또는 2 링크 모델을 사용하는 경우, 신체 데이터 저장부(15)로부터 추출된 데이터를 그대로 사용할 수 없으며, 링크 길이, 링크 질량 및 복원력을 수정해야 한다. 역진자 모델 수정 유닛(23)에서, 신체 데이터 저장부(15)로부터 추출된 데이터는 사용된 모델에 반응하여 수정되며, 이에 의해 링크 길이, 링크 질량 및 복원력이 구해진다. 도 9 및 도 10의 각각의 예에서, 머리 부위가 분리되어 있는 모델이 도시되어 있으나, 본 실시예에서는 머리 부위를 분리하지 않고 연산을 수행한다.

관절(j0-j6)의 각각의 위치는 일정한 시간 간격으로 구해진다. 즉, 동력학 연산 유닛(22)은 관절(j0-j6) 각각의 시간의 경과에 따른 위치 변화를 연산하다. 환언하면, 관절(j0-j6) 각각의 위치에 대한 시계열을 출력한다.

근골격 시뮬레이터(30)는 밸런스 시뮬레이터(20)의 동력학 연산 유닛(22)을 통해 구한 관절(j0-j6) 각각의 시간 변화를 근육-골격 모델 적용하고, 역 동력학 연산에 의해 각각의 근육 부하 및 각각의 관절 부하를 산출한다. 역진자의 인체 모델과 마찬가지로 신체 정보 입력 유닛(13)을 통해 입력된 (신장, 체중, 나이, 성별)을 사용해서 근육-골격 모델을 설정한다. 즉, 데이터 검증 유닛(14)은 신체 정보 입력 유닛(13)을 통해 입력된 데이터와 신체 데이터 저장부(15)를 대조하고 이에 의해 얻어진 인체 분절 길이, 인체 분절 질량, 인체 분절의 관성 모멘트 등을 사용한다. 신체 데이터 저장부(15)로부터 추출된 데이터는 필요에 따라 근육-골격 모델 수정 유닛(33)을 통해 수정된다. 근육-골격 모델 생성 유닛(31)은 그 수정된 데이터를 필요에 따라 근육-골격 모델을 생성한다.

근육-골격 모델에서는, 골격뿐만 아니라 신축하지 않는 라인은 강체(rigid body)의 링크로서 표시하고 관절은 관절 축으로 표시하고 있다. 근골격 시뮬레이터(30)에서의 역 동력학 연산 유닛(32)은 밸런스 시뮬레이터(20)에서의 역진자를 사용함으로써 구해진 관절(j0-j6)의 각각의 위치 변화를 근육-골격 모델의 관절 축의 위치 변화로서 사용한다. 근육-골격 모델에서는, 각각의 링크는 근육의 역학 모델에 따라 근육을 포함하고, 근육 또는 관절에 작용하는 부하를 역진자 연산에 의해 구한다.

근육의 역학 모델로서 힐 모델(Hill model)을 사용한다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 수축 성분(장력 발생기 및 감쇄 요소가 병렬로 결합되어 있는 것) 및 탄성 요소(62)가 직렬로 결합하고, 또한 탄성 요소(63)가 병렬로 결합하여 근육의 기능을 모방하고 있다. 또한, 도면에 도시된 예에서는, 탄성 요소(64)가 근육에 직렬로 결합되어 힘줄 기능(tendon function)을 모방한다.

근육-골격 모델에 적용되는 근육 모델은 도 11에 도시된 구성에 제한되지 않는다. 즉, 연산량을 감축하기 위해 탄성 요소로만 모방하는 단순한 구성이 될 수도 있거나, 또는 정확도를 높이기 위해 수축 속도를 고려하는 구성이 될 수도 있다.

역진자 연산 유닛(32)은 근육-골격 모델의 각각의 부위 위치의 시간 변화에 기초하여 역진자 연산을 수행함으로써 근육 부하 또는 관절 부하를 연산한다. 따라서, 역진자 연산 유닛(32)은 근육-골격 모델 생성 유닛(31)을 통해 생성된 근육-골격 모델 외에 디바이스 시뮬레이팅 유닛(11)을 통해 생성되는 발 디딤대(41)의 위치 변화 및 동력학 연산 유닛(22)을 통해 구해진 관절(j0-j6)의 각각의 위치 변화를 필요로 한다. 이러한 위치의 시계열을 근육-골격 모델에 적용하여 근육 활동 또는 관절 접촉력의 시계열을 산출할 수 있다.

일련의 이동에 관여하는 복수의 근육이 존재하므로, 일반적으로 복수의 관절의 각각의 위치 변화로부터 근육 부하 또는 관절 부하를 연산함으로써 복수의 해가 얻어진다. 그러므로 몇몇 규정(룰)에 의해 복수의 해를 좁혀야 한다. 본 실시예에서는, 생물은 에너지 소비가 낮은 효율이 좋은 해를 선택하는 룰에 기초해서 해를 좁히고 있다. 즉, 이러한 복수의 해 중에서 근육 사용(예를 들어, 최대로 발휘할 수 있는 근력에 대한 실제의 발휘할 수 있는 근력을 백분율로 표시하는 비율)의 합계가 최소인 해를 선택한다. 근육 사용뿐만 아니라 근육 체적을 근육 사용에 승산하여 구한 값, 또는 느린 근육 사용과 빠른 근육 사용의 비율도 해를 선택하는 지표로 사용할 수 있다.

디바이스 시뮬레이팅 유닛(11)으로 모방하는 타동 운동 기계(1)의 경우, 동작 조건 설정 유닛(12)을 통해 설정된 동작 조건 또는 신체 정보 입력 유닛(13)을 통해 입력된 체격 조건을 변화시킨 후 밸런스 시뮬레이터(20) 및 근골격 시뮬레이터(30)의 프로세스를 반복함으로써, 다양한 동작 조건 또는 체격에 의해 각각의 근육 부하 및 각각의 관절 부하를 산출할 수 있다.

산출 결과의 평가는, 타동 운동 기계(1)의 의도한 목적에 반응하여 다르지만, 목적 근육의 근육 활동을 모방하고 각각의 관절의 관절 접촉력을 감소시키는 조건이 수행되도록 산출 결과를 자주 평가하는 것이 고려된다. 목적 근육은 타동 운동 기계(1)의 동작 및 운동의 목적에 반응하여 다르다. 예를 들어, 고령자가 추락하는 것을 방지하기 위해 근육 군을 강화하거나, 무릎 통증 또는 요통을 예방하기 위해 무릎 또는 허리 주위의 근육 근을 강화할 수 있다.

목적 근육의 일련의 근육 활동의 평균(값)(발 디딤대(41)의 1 주기 동안의 평균값) 및 근육-골격으로 이루어진 모든 근육에서의 일련의 근육 활동의 평균값 등을 사용하여 근육 활동을 평가한다. 목적 근육은 각각의 근육(내측광근 및 외측광근)을 지정하고, 인체의 특정한 부위(대퇴 부위, 다리 부위 등)의 근육 군으로서 지정하고, 기능별 근육 군(무릎 관절의 퍼지는 근육 군, 발목 관절의 저굴 근육 군 등)으로서 지정함으로써 설정된다. 도 2의 타동 운동 기계(1)에서는 목적 근육이 예를 들어 대퇴 스트레칭(하퇴직근, 외측광근, 내측광근), 대퇴 굴곡(대퇴이두박근의 장두), 하퇴배굴(전경골근), 하퇴굴곡(비복근, 가자미근)이다.

특정한 관절(무릎 관절, 발목 관절, 고관절)에 작용하는 힘, 특정한 관절의 각도를 사용하여 관절 접촉력을 평가한다. 예를 들어, 무릎 관절에 작용하는 전단 방향에서의 힘을 400N 이하의 제약 조건으로 평가하고, 무릎 관절의 각도를 100°(무릎 관절이 스트레칭될 때의 위치를 0°로 규정함) 이하의 제약 조건으로 평가한다. 이러한 제약 조건들은 미리 제한값으로 제공되고 이 제한값의 범위를 벗어나는지에 대한 판단은 동작 조건 또는 체격에 반응하여 자동으로 이루어지는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이 근골격 시뮬레이터(30)를 통해 산출된 각각의 근육 및 관절에 작용하는 부하를 평가함으로써, 목적 근육(들)과 관련해서 근육 활동은 크게 하고 관절 접촉력은 작게 하기 위해 안전하게 사용 가능한 동작 조건을 구할 수 있다.

도 12는 예를 들어 각각의 무릎 관절의 접촉력, 즉 무릎 전단력뿐만 아니라 동작 조건마다의 모든 목적 근육에 관한 평균 근육 활동 비율을 구함으로써 대략 2000종류의 동작 조건에 관한 시뮬레이션 결과를 보여주고 있으며, 도면에서 수평축은 근육 활동 비율을 나타내고 수직축은 무릎 전단력을 나타낸다. 시뮬레이션의 경우, 실제의 타동 운동 기계(1)에서는 무효한 동작 조건들 및 각각의 근육 활동이 목적으로 하는 레벨에 대해 상당히 낮은 것으로 알려져 있는 동작 조건들은 분명하게 제외하는 것이 바람직하다. 그렇지만, 범위 밖에 있을 것으로 예상되더라도 바람직한 동작 조건들이면 포함한다.

도 12에 도시된 바와 같은 구해진 결과로부터, 사용자가 자신의 무릎에서 고통을 느끼지 않는 범위의 상한이 전단력(관절 접촉력)과 관련해서 설정될 수 있다. 따라서, 조건 제한 유닛(6)에서, 상한은 전단력과 관련해서 규정되고, 중간 조건(들)은 전단력이 상한보다 작은 범위(관절 접촉 범위)에서 추출된다. 즉, 관절 접촉력의 목표 범위를 미리 정해진 특정값 이하로 설정하고, 중간 조건들의 선택 범위를 안전하게 사용할 수 있는 범위로 좁힌다.

실시예에서, 중간 조건을 추출하기 위한 룰 세트(rule set)는,

(1) 전단력이 상한보다 작은 룰; 및

(2) 근육 활동 비율이 크게 되도록 하는 룰(근육 활동 범위)을 포함한다. 즉, 중간 조건은 룰(1) 및 룰(2)을 충족시키는 동작 조건이다.

그렇지만, 시뮬레이션에서, 실제의 기계를 사용할 때 예측에 기초한 사용자의 이동, 및 사용자들 간의 개인적 차이는 고려될 수 없다. 따라서, 실제의 기계를 사용할 때의 효과는 피실험자에 의한 효과를 통해 검증되어야 한다. 그러므로 복수의 중간 조건은 시뮬레이션 결과로부터 좁혀진다. 본 실시예에서는, 시뮬레이터(2)에 의한 시뮬레이션 결과에 기초하여 10개의 중간 조건을 추출하고 있다.

도 12의 예에서, 무릎 전단력의 상한은 전술한 룰(1)을 적용하도록 400[N]에 설정되어 있다. 무릎 전단력이 400[N]보다 작은 범위 내에서 룰(2)을 충족시키도록 상위 10개의 근육 활동 비율(파선의 타원으로 에워싸인 범위)을 추출한다. 이 추출된 결과에 대응하는 동작 조건을 중간 조건으로 한다. 컴퓨터는 시뮬레이터(2) 및 조건 제한 유닛(6)을 포함한다. 따라서, 시뮬레이터(2)를 통해 모방되는 모든 동작 조건은 저장 디바이스(도시되지 않음)에 저장된다. 시뮬레이션 결과로부터 선택된 10개의 대응하는 동작 조건을 저장 디바이스로부터 판독한 다음 중간 조건으로 취급한다. 중간 조건들은 저장 디바이스에 있어서 동작 조건들과는 다른 영역에 저장된다.

근육 활동 및 관절 접촉력은 동작 조건뿐만 아니라 체격에 의해서도 다르다. 그러므로 특정한 운동 조건에 대해 적절한 운동이 수행될 수 있는 체격 범위를 구할 수 있거나, 또는 특정한 체격에 대해 적절한 운동이 수행될 수 있는 동작 조건을 구할 수 있다. 이러한 결과는 저장 디바이스에 저장하여 언제든지 참조할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

시뮬레이터(2)에 의한 시뮬레이션 결과에 기초하여 조건 제한 유닛(6)을 통해 채택된 중간 조건들은 전술한 모션 시뮬레이터(3)에 적용된다. 이때 모션 시뮬레이터(3)의 지지대(51)에 탑승해 있는 피실험자에 대해 전근성 측정 디바이스(4)를 통해 전근성 전위를 측정한다. 피실험자의 수를 늘리면 개인적인 차이의 영향을 제거할 수 있다. 또한, 체격, 나이 성별에 대해서도 분산하는 것이 바람직하다.

전근성 측정 디바이스(4)가 각각의 근육에 대해 전근성 전위를 구한 후, 평가 디바이스(5)는 측정된 근전성 전위로부터 근육 방전량(전기적 활동)의 평균값 또는 피크값이 최대가 되는 동작 조건을 추출한다. 근육 방전량의 평균값은 모든 근육으로부터 구한 근육 방전량의 시간 적분값을 의미한다. 근육 방전량의 평균값 또는 피크값은 피실험자마다 그리고 근육마다 구해진다. 따라서, 중간 조건들을 용이하게 비교하기 위해, 평가 디바이스(5)는 근육 방전량의 일련의 평균값 또는 피크값을 피실험자들에 대해 평균화하고, 각각의 근육에 대한 합계를 산출한다. 산출된 값은 중간 조건마다의 근육 활동의 정도를 나타낸다. 따라서, 평가 디바이스(5)에서, 근육 활동이 최대로 되는 중간 조건을 실제의 기계에 탑재되는 동작 조건으로서 선택한다.

위의 예에서는, 근육 당 방전량의 절대값을 사용하고 있다. 그렇지만, 평가를 더 정확하게 하기 위해서는, 근육 방전량을 정규화하는 것이 바람직하다. 즉, 근육 당 근육 수축력(평균값 또는 피크값)의 최대 자발 수축(MVC)에 대한 비율(%MVC)을 구함으로써 정규화하는 것이 바람직하다. 그런 다음 각각의 근육에 대해 구한 일련의 %MVC의 모든 근육에 관한 총합(또는 평균)을 피실험자들에 대해 평균화하여 구한 값을 사용하여 중간 조건을 평가한다.

도 13에는, 10종류의 중간 조건과 관련해서 모든 목적 근육에 대해서 구한 일련의 %MVC의 평균(평균 %MVC)을 피실험자들에 대해 평균화함으로써 구한 값들이 도시되어 있다. 본 예에서는, 각각의 근육의 근육 수축력이 최대 자발 수축에 의해 정규화되어 있기 때문에, 근육의 종류에 관계없이 근육 활동을 동일한 기준으로 비교할 수 있다. 도 13은 중간 조건들(T1-T10)에 대해 근육 활동의 크기(모든 부위의 근육에 대한 평균 %MVC)를 도시하고 있다. 중간 조건(T4)에 의해 구해진 평균 %MVC가 10개의 중간 조건의 평균 %MVC 중 최대이다. 따라서, 중간 조건(T4)은 실제의 기계에 탑재되는 동작 조건으로서 선택된다. 그러므로 %MVC와 같은 근육 활동에 대한 지표를 사용함으로써, 그리고 평가 디바이스(5)는 이러한 중간 조건 중에서 최대 %MVC를 제공하는 중간 조건을 실제의 기계에 탑재되는 동작 조건으로서 선택한다. 따라서, 평가 디바이스(5)를 통해 중간 조건들로부터 실제의 타동 운동 기계(1)에 탑재되는 동작 조건을 자동적으로 선택할 수 있다.

전술한 예에서는, 근육 활동을 정량화하기 위해 전근성 측정 디바이스(4)를 통해 전근성 전위를 측정하고 있다. 그렇지만, 근적외선 분광법 등에 의해 산소 소비량을 측정하는 것과 같이, 근육 활동을 정량적으로 계측할 수 있는 지표이면 어떠한 값이라도 사용할 수 있다.

전술한 예에서는, 도 2에 도시된 바와 같이 사용자가 서 있는 자세에서 타동 운동 기계(1)를 사용하고 있으며, 밸런스 시뮬레이터(20)에서 발 배치의 구속 조건이 사용되고 있다. 그렇지만, 도 3의 타동 운동 기계(1)에서는, 고관절 위치가 좌석(2)에 의해 제약된다. 즉, 고관절 위치는 좌석(42)(지지대)의 동작 조건에 의해 결정된다. 그러므로 역진자로서, 복수의 링크 모델 외에, 도 3b에 도시된 바와 같은 상반신과 등가인 링크(L)를 포함하는 1 링크 모델을 사용할 수 있다. 도면에 도시된 예에서는, 하단이 관절 축(j)이다.

도 4에 도시된 타동 운동 기계(1)에서는, 고관절의 위치가 좌석(43)에 의해 제약되고, 발목 관절의 위치가 발 디딤대(44)에 의해 제약되고 있다. 환언하면, 고관절의 위치 및 발목 관절의 위치는 좌석(43)(지지대)의 동작 조건에 의해 결정된다. 이러한 타동 운동 기계(1)에서는, 도 3에 도시된 타동 운동 기계(1)와 동일한 방식으로 복수의 링크 모델 외에, 도 4b의 상반신과 등가인 링크(L)를 포함하는 1 링크 모델을 사용할 수 있다. 도면에 도시된 예에서는, 하단이 관절 축(J)이다.

도 3에 도시된 타동 운동 기계(1) 또는 도 4에 도시된 타동 운동 기계(1) 중 어느 경우에 있어서나, 1 링크 모델을 사용할 때는, 도 7a에 도시된 1 링크 모델이 사용되는 경우와 마찬가지로 기준점에 대한 위치 관계에 의해 목적 관절을 추정할 수 있다.

도 3 또는 도 4에 도시된 타동 운동 기계(1)의 좌석(42 또는 43) 위에 앉아 있는 상태에서, 신체와 좌석(42 또는 43) 간의 접촉 부위가 복수의 점들로 분할해야 하는 경우에는, 동작 조건으로부터 접촉 부위마다의 위치 변화를 찾아내어 구한 결과를 모델의 이동에 반영할 수 있다. 또한, 1 링크 모델에 의해 상반신을 모방하여도, 적절한 관절 축이 척추 위치 또는 목 위치에 배치되어 있는 복수의 링크를 가지는 역진자를 모델로서 사용할 수도 있다.

본 발명을 소정의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 진정한 정신 및 범주를 벗어남이 없이 당업자에 의해 다양한 변형 및 수정이 이루어질 수 있다.

Claims

사용자의 체중의 전부 또는 일부를 지지하도록 구성된 지지대, 및 상기 지지대를 이동시키도록 구성된 구동 유닛을 포함하며, 상기 구동 유닛을 통해 상기 지지대를 동작 조건에 따라 이동시킴으로써 사용자에게 타동 운동을 제공하도록 구성되어 있는 타동 운동 기계의 지지대의 최적의 동작 조건에 관련된 시뮬레이션 및 측정의 방법에 있어서,
컴퓨터에 의해 실행되는 복수의 단계로서,
(a) 각각의 동작 조건에 따라, 순차적으로, 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 사용자의 목적 부위에서, 각종 근육의 활동인 각종 근육 활동 및 각종 관절에서의 관절 접촉력인 각종 관절 접촉력을 구하는 단계;
(b) 복수의 동작 조건으로부터 복수의 중간 조건을 구하는 단계로서, 상기 복수의 중간 조건은, 각각의 동작 조건에 따라 순차적으로 구해진 모든 근육 활동 및 모든 관절 접촉력이 각각 미리 정해진 근육 활동 범위 및 미리 정해진 관절 접촉력 범위 내에 있으면, 해당 동작 조건을 상기 복수의 중간 조건에 포함시킴으로써 얻어지는, 상기 복수의 중간 조건을 구하는 단계;
(c) 상기 복수의 중간 조건 각각에 따라 복수의 자유도로 순차적으로 상기 지지대를 이동시키도록 구성된 모션 시뮬레이터를 제어하면서 상기 지지대 위에 있는 피실험자의 전근성 전위(myoelectric potential)를 측정하는 단계; 및
(d) 상기 복수의 중간 조건 각각에 따라 순차적으로 측정된 각각의 전근성 전위에 기초하여 상기 복수의 중간 조건으로부터 최적의 동작 조건을 판단하고 출력하는 단계
를 포함하는 시뮬레이션 및 측정의 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계(a)는,
상기 복수의 동작 조건 각각에 따라 인체 모델인 하나 이상의 역진자(inverted pendulum)가 순차적으로 강제 진동할 때 상기 하나 이상의 역진자의 시간의 경과에 따른 위치 변화로부터 사용자의 인체 관절의 시간의 경과에 따른 위치 변화를 추정하는 단계; 및
상기 추정된 위치 변화를 근육-골격 모델(musculo-skeletal)에 적용함으로써 상기 각종 근육 활동 및 상기 각종 관절 접촉력을 구하는 단계
를 포함하는, 시뮬레이션 및 측정의 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계(d)는,
상기 복수의 중간 조건 각각에 따라 순차적으로 측정된 각각의 전근성 전위로부터 근육 방전의 최대 평균값 또는 최대 피크값을 구하는 단계; 및
상기 최대 평균값 또는 상기 최대 피크값에 대응하는 중간 조건을 상기 최적의 동적 조건으로서 규정하는 단계
를 포함하는, 시뮬레이션 및 측정의 방법.
제1항에 있어서,
상기 관절 접촉력 범위는 규정값 이하이며,
상기 근육 활동 범위는 제1 근육 활동 내지 제2 근육 활동의 범위이며,
상기 제1 근육 활동은 상기 관절 접촉력 범위 내에 있는 복수의 동작 조건에 따라 구해진 각각의 근육 활동 중 가장 큰 근육 활동이며
상기 제2 근육 활동은 상기 관절 접촉력 범위 내에 있는 복수의 동작 조건에 따라 구해진 각각의 근육 활동 중, 규정된 수만큼 상기 제1 근육 활동보다 낮은 근육 활동인, 시뮬레이션 및 측정의 방법.
사용자의 체중의 전부 또는 일부를 지지하도록 구성된 지지대, 및 상기 지지대를 이동시키도록 구성된 구동 유닛을 포함하며, 상기 구동 유닛을 통해 상기 지지대를 동작 조건에 따라 이동시킴으로써 사용자에게 타동 운동을 제공하도록 구성되어 있는 타동 운동 기계의 지지대의 최적의 동작 조건에 관련된 시뮬레이션 및 측정의 시스템에 있어서,
(ⅰ) 각각의 동작 조건에 따라, 순차적으로, 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 사용자의 목적 부위에서 각종 근육 활동 및 각종 관절 접촉력을 구하며, (ⅱ) 복수의 동작 조건으로부터 복수의 중간 조건을 구하도록 구성된 시뮬레이터로서, 상기 각종 근육 활동은 각종 근육의 활동이고 상기 각종 관절 접촉력은 각종 관절에서의 관절 접촉력이며, 상기 복수의 중간 조건은, 각각의 동작 조건에 따라 순차적으로 구해진 모든 근육 활동 및 모든 관절 접촉력이 각각 미리 정해진 근육 활동 범위 및 미리 정해진 관절 접촉력 범위 내에 있으면, 해당 동작 조건을 상기 복수의 중간 조건에 포함시킴으로써 얻어지는, 상기 시뮬레이터;
상기 복수의 중간 조건 각각에 따라 복수의 자유도로 순차적으로 상기 지지대를 이동시키도록 구성된 모션 시뮬레이터;
상기 지지대 위에 있는 피실험자의 전근성 전위(myoelectric potential)를 측정하도록 구성된 전근성 측정 디바이스; 및
상기 복수의 중간 조건 각각에 따라 순차적으로 측정된 각각의 전근성 전위에 기초하여 상기 복수의 중간 조건으로부터 최적의 동작 조건을 판단하고 출력하도록 구성된 평가 디바이스
를 포함하는 시뮬레이션 및 측정의 시스템.
제5항에 있어서,
상기 시뮬레이터는,
상기 복수의 동작 조건 각각에 따라 인체 모델인 하나 이상의 역진자(inverted pendulum)가 순차적으로 강제 진동할 때 상기 하나 이상의 역진자의 시간의 경과에 따른 위치 변화로부터 사용자의 인체 관절의 시간의 경과에 따른 위치 변화를 추정하도록 구성된 밸런스 시뮬레이터; 및
상기 추정된 위치 변화를 근골격 모델(musculoskeletal)에 적용함으로써 상기 각종 근육 활동 및 상기 각종 관절 접촉력을 구하도록 구성된 근골격 시뮬레이터
를 포함하는, 시뮬레이션 및 측정의 시스템.
제5항에 있어서,
상기 평가 디바이스는 상기 복수의 중간 조건 각각에 따라 순차적으로 측정된 각각의 전근성 전위로부터 근육 방전의 최대 평균값 또는 최대 피크값을 구하고, 상기 최대 평균값 또는 상기 최대 피크값에 대응하는 중간 조건을 상기 최적의 동적 조건으로서 규정하도록 구성되어 있는, 시뮬레이션 및 측정의 시스템.
제5항에 있어서,
상기 관절 접촉력 범위는 규정값 이하이며,
상기 근육 활동 범위는 제1 근육 활동 내지 제2 근육 활동의 범위이며,
상기 제1 근육 활동은 상기 관절 접촉력 범위 내에 있는 복수의 동작 조건에 따라 구해진 각각의 근육 활동 중 가장 큰 근육 활동이며
상기 제2 근육 활동은 상기 관절 접촉력 범위 내에 있는 복수의 동작 조건에 따라 구해진 각각의 근육 활동 중, 규정된 수만큼 상기 제1 근육 활동보다 낮은 근육 활동인, 시뮬레이션 및 측정의 시스템.