KR20170083186A - 족부압력 측정장치 및 이를 이용한 지면 반력 측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 족부압력 측정장치에 관한 것으로, 깔창 형상으로 마련되며, 길이방향 및 폭방향으로 배열되는 다수의 센싱위치가 설정되고, 상기 센싱위치 중 선택된 다수의 센싱위치에 압력센서가 설치된 센서부; 및, 상기 압력센서가 설치된 센싱위치에서는 상기 압력센서로 압력값을 측정하고, 상기 압력센서가 위치하지 않은 센싱위치에서는 설정된 보간법을 이용하여 상기 압력센서의 압력값을 토대로 압력값을 도출하여 수직 방향 지면 반발력을 산출한 뒤, 산출된 수직 방향 지면 반발력을 토대로 하여 수평방향 지면 반발력을 산출하는 산출부;를 포함하여, 신발을 신은 상태에서도 압력센서가 설치된 부분의 압력값을 토대로 압력센서가 설치되지 않은 부분의 압력값을 도출함으로써 수직방향 지면반발력을 산출한 뒤 수평방향 지면반발력을 산출하여 3축 방향의 지면 반발력을 정확하게 측정해 낼 수 있는 족부압력 측정장치가 제공된다.

Description

족부압력 측정장치 및 이를 이용한 지면 반력 측정방법{APPARATUS FOR FOOT PRESSURE MEASURING AND GROUND REACTION FORCE MEASURING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 족부압력 측정장치 및 이를 이용한 지면 반력 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수 개의 압력센서를 설치한 깔창 형상의 센서부를 이용하여 압력센서가 설치된 부분은 압력값을 직접 측정하고, 압력센서가 설치되지 않은 부분은 설정된 보간법을 이용하여 압력값을 산출하여 3축의 지면 반발력을 산출할 수 있는 족부압력 측정장치 및 이를 이용한 지면 반력 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로 발 교정용 안창은 평발, 요족 등 발의 구조적 이상에서 발생하는 질환과 무지외반증/ 족저근막염/ 망치족 등 체중부하, 무리한 운동, 좁은 신발로 인해 발병한 발 질환, 당뇨로 인한 발 괴사 방지, 무릎관절염으로 인한 부하 불균형 해소등을 위해 사용되고 있으며, 특정인의 발 형태와 질환을 고려하여 깔창 면을 성형하거나, 패드 등을 덧대어 병변부위를 보호하고 안창 면의 높낮이 변화로 발에 분포되는 압력을 바로잡아 해당 질환의 치료와 예방할 수 있게 한다.
이러한 발 교정용 안창을 제작하기 위해서는 특정인의 발에 분포되는 체중부하 압력 즉, 족부압력을 측정하는 과정이 선행되는데 이는 대부분의 발 질환에 따른 결과로 발 바닥면 압력이 도 1에 제시된 정상발의 족부 압력 분포도와 달리 특정 부위에 압력이 편중되는 결과로 나타나기 때문이다.
보통의 족부압력 측정은 잉크를 이용하여 발바닥 접촉 면을 종이에 찍어보거나, 복수 개의 압력센서가 배치된 포스 플레이트(Force Plate)를 이용한 측정장비로 단위면적의 압력을 순차적으로 측정하는 방법이 쓰이는데, 측정 결과물은 단위면적 압력의 색상을 변화시킨 모자이크 그래프로 표시된다.
그러나 이러한 측정결과는 신발을 신지 않은 상태로 평판 또는 포스 플레이트 위에서 보행하면서 얻어진 것으로서, 보행거리의 제한성 때문에 한정된 동작에 한하여 측정이 가능하다는 문제점이 있었다.
또한, 측정결과를 토대로 교정용 안창을 제작하였다 하더라도 특정인의 착용 신발에 따라 발에 가해지는 압력이 교정 기대치와 차이를 보이는 문제점이 있었다.
또한, 교정용 안창 제작은 위 족부압력 측정과 별도로 특정인의 발을 본뜬 족 형을 만들고 안창 재료로 족부압력을 감안한 패턴을 몰딩하는 등 여러 공정을 거쳐 제작하게 되는데 이러한 복잡한 공정으로 인해 제작기간과 비용이 많이 들며, 교정용 안창을 삽입하여 사용하던 신발굽의 편 마모, 형태 변화 등으로 특정인의 발에 맞게 교정된 족부압력이 시간이 지나면서 변화되어 교정효과가 현저하게 떨어지게 되는데, 기존의 교정용 안창은 이에 대응하여 압력을 바로잡을 수 있는 수단이 없는 문제점이 있었다.
본 발명의 과제는 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 신발을 신은 상태에서 주변 환경에 영향을 받지 않고 보행하면서 족부압력 측정이 가능한 족부압력 측정장치 및 이를 이용한 지면 반력 측정방법를 제공함에 있다.
또한, 신발을 신은 상태에서 족부압력 측정이 가능함으로써 보행분석을 통한 근골격계 질환이 있는 환자의 진단 및 평가를 결정할 수 있는 족부압력 측정장치 및 이를 이용한 지면 반력 측정방법를 제공함에 있다.
또한, 신발을 신은 상태에서 족부압력 측정이 가능함으로써 개별 환자의 보행특성에 따른 족부압력 편차를 정확하게 측정 가능한 족부압력 측정장치 및 이를 이용한 지면 반력 측정방법를 제공함에 있다.
또한, 신발을 신은 상태에서도 압력센서가 설치된 부분의 압력값을 토대로 압력센서가 설치되지 않은 부분의 압력값을 도출함으로써 수직방향 지면반발력을 산출한 뒤 수평방향 지면반발력을 산출하여 3축 방향의 지면 반발력을 정확하게 측정해 낼 수 있는 족부압력 측정장치 및 이를 이용한 지면 반력 측정방법를 제공함에 있다.
상기 과제는, 본 발명에 따라, 지면 반발력을 이용한 족부압력 측정장치에 있어서, 깔창 형상으로 마련되며, 길이방향 및 폭방향으로 배열되는 다수의 센싱위치가 설정되고, 상기 센싱위치 중 선택된 다수의 센싱위치에 압력센서가 설치된 센서부; 및, 상기 압력센서가 설치된 센싱위치에서는 상기 압력센서로 압력값을 측정하고, 상기 압력센서가 위치하지 않은 센싱위치에서는 설정된 보간법을 이용하여 상기 압력센서의 압력값을 토대로 압력값을 도출하여 수직 방향 지면 반발력을 산출한 뒤, 산출된 수직 방향 지면 반발력을 토대로 하여 수평방향 지면 반발력을 산출하는 산출부;를 포함하는 족부압력 측정장치에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 보간법은 큐빅 스플라인(cubic spline interpolation) 보간법일 수 있다.
또한, 상기 센서부는, 발가락 부분과 대응되며 폭방향으로 2분할되는 발가락영역과, 발 앞꿈치 부분과 대응되며 상기 발가락영역의 후방에 위치하고 폭방향으로 3분할되는 전족영역과, 발 뒤꿈치와 대응되며 폭방향으로 2분할되는 뒤꿈치영역과, 상기 전족영역과 상기 뒤꿈치영역의 사이에 위치하며 폭방향으로 2분할되는 중족영역으로 구획되는 깔창모재를 포함하며, 상기 압력센서는 상기 깔창모재의 구획된 영역의 분할된 부분에 각각 설치될 수 있다.
또한, 동일 영역에서 분할된 부분에 위치하는 압력센서는 폭방향으로 직선 상에 위치하도록 설치될 수 있다.
또한, 상기 수평방향 지면 반발력 중 전진방향 지면 반발력(GRFap(t))은 아래 식에 의해 산출될 수 있다.
GRFap(t) = GRFvertical(t) X tanAPθ(t),
Figure pat00001
,
GRFvertical(t) : 수직 방향 지면 반발력,
APθ(t) : 발에서 신체의 무게중심으로 향하는 벡터와 지면으로부터 수직방향을 향하는 벡터 사이의 각도를 시상면(sagittal plane)으로 투영한 각도,
T : 보행 중 발이 땅에 닿아 있는 동안의 시간(stance phase time),
보폭 = 키 Ｘ 0.415
또한, 상기 수평방향 지면 반발력 중 전진방향과 수직인 방향의 지면 반발력(GRFml(t))은 아래 식에 의해 산출될 수 있다.
GRFml(t) = GRFvertical(t) Ｘ tanMLθ(t),
Figure pat00002
,
GRFvertical(t) : 수직 방향 지면 반발력,
MLθ(t) :발에서 신체의 무게중심으로 향하는 벡터와 지면으로부터 수직방향을 향하는 벡터 사이의 각도를 관상면(frontal plane)으로 투영한 각도,
DS : 보행 중 두 발이 동시에 닿아 있는 동안의 시간(double support time),
T : 보행 중 발이 땅에 닿아 있는 동안의 시간(stance phase time)
한편, 상술한 족부압력 측정장치를 이용한 지면 반력 측정방법은, 깔창 형상으로 마련되며, 길이방향 및 폭방향으로 배열되는 다수의 센싱위치가 설정되고, 상기 센싱위치 중 선택된 다수의 센싱위치에 압력센서가 설치된 센서부를 준비하여 착용하는 단계; 상기 센서부를 착용한 상태로 보행시, 상기 센서부의 압력센서를 통해 상기 압력센서가 설치된 센싱위치에서는 압력값을 측정하고, 상기 압력센서가 설치되지 않은 센싱위치에서는 설정된 보간법을 이용하여 압력값을 도출하여, 수직 방향 지면 반발력을 산출하는 단계; 및, 상기 수직 방향 지면 반발력을 토대로 하여 수평방향 지면 반발력을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 신발을 신은 상태에서 족부압력 측정이 가능한 족부압력 측정장치 및 이를 이용한 지면 반력 측정방법가 제공된다.
또한, 신발을 신은 상태에서 족부압력 측정이 가능함으로써 보행분석을 통한 근골격계 질환이 있는 환자의 진단 및 평가를 결정할 수 있는 족부압력 측정장치 및 이를 이용한 지면 반력 측정방법가 제공된다.
또한, 신발을 신은 상태에서 족부압력 측정이 가능함으로써 개별 환자의 보행특성에 따른 족부압력 편차를 정확하게 측정 가능한 족부압력 측정장치 및 이를 이용한 지면 반력 측정방법가 제공된다.
또한, 신발을 신은 상태에서도 압력센서가 설치된 부분의 압력값을 토대로 압력센서가 설치되지 않은 부분의 압력값을 도출함으로써 수직방향 지면반발력을 산출한 뒤 수평방향 지면반발력을 산출하여 3축 방향의 지면 반발력을 정확하게 측정해 낼 수 있는 족부압력 측정장치 및 이를 이용한 지면 반력 측정방법가 제공된다.
도 1에 제시된 정상발의 족부 압력 분포도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 족부압력 측정장치의 개략도,
도 3은 센서부의 확대도,
도 4는 포스 플레이트를 이용하여 측정한 수직 방향 지면반발력과 본 실시예에 따라 산출된 수직 방향 지면반발력을 나타낸 그래프,
도 5는 보행에 따른 측면에서의 발과 신체의 무게중심의 벡터 관계도,
도 6은 T시간 동안 APθ의 값을 나타낸 그래프,
도 7은 포스 플레이트를 이용하여 측정한 전진 방향 지면반발력과 본 실시예에 따라 산출된 전진 방향 지면반발력을 나타낸 그래프
도 8은 보행에 따른 정면에서의 발과 신체의 무게중심의 벡터 관계도,
도 9는 T시간 동안 MLθ의 값을 나타낸 그래프,
도 10은 포스 플레이트를 이용하여 측정한 전진방향의 수직 방향 지면반발력과 본 실시예에 따라 산출된 전진방향의 수직 방향 지면반발력을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 족부압력 측정장치를 이용한 지면 반력 측정방법에 따른 순서도
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 족부압력 측정장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 족부압력 측정장치의 개략도이고, 도 3은 센서부의 확대도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 족부압력 측정장치는 센서부(10)와 산출부(20)를 포함하여 구성된다.
상기 센서부(10)는 깔창모재(11)와 상기 깔창모재(11)에 설치되는 다수의 압력센서(12)를 포함한다.
상기 깔창모재(11)는 통상의 신발 등에 사용되는 깔창으로서, 발과 대응되는 부분에 따라 발가락영역, 전족영역, 중족영역 및 뒤꿈치영역으로 구획된다.
상기 발가락영역은 최전방에 위치하며, 상기 전족영역은 발가락영역의 후방에 위치하고, 상기 중족영역은 전족영역의 후방에 위치하고, 뒤꿈치 영역은 최후방에 위치한다. 이와 같은 영역 구분은 해부학적인 기준에 따른 영역이다.
상기 발가락영역, 상기 중족영역 및 상기 뒤꿈치영역은 각각 폭방향으로 2분할되고, 상기 전족영역은 폭방향으로 3분할된다.
또한, 깔창모재(11)는 길이방향 및 폭방향으로 압력센서(12)가 설치되는 위치인 다수의 센싱위치가 설정된다.
압력센서(12)는 각 영역의 분할된 부분에 위치하는 센싱위치 중 적어도 하나가 선택되어 설치되며, 측정된 압력값은 산출부(20)로 전송된다. 본 실시예에서는 분할된 부분에 각각 하나씩 압력센서(12)가 설치되어 총 9개의 압력센서(12)가 설치된다.
또한, 동일 영역에서 분할된 부분에 위치하는 압력센서(12)는 폭방향으로 직선 상에 위치하도록 설치된다.
상기 산출부(20)는 제1산출부(21)와 제2산출부(22)를 포함하여 구성된다. 상기 제1산출부(21)에서는 압력센서(12)로부터 측정된 압력값을 전송받고, 전송받은 압력값을 토대로 하여 사전에 설정된 보간법에 의해 압력센서(12)가 설치되지 않은 센싱위치에서의 압력값을 도출하여 수직방향의 지면반발력(GRFvertical(t))을 산출한다.
이때, 설정된 보간법은 3차 다항식의 스플라인(Spline)을 이용하여 보간하는 큐빅 스플라인 보간법(cubic spline interpolation)으로서, 깔창 모재의 폭방향 및 길이방향 각각에 대하여 적용함으로써 각각의 영역에서 분할된 부분에 위치하는 센싱위치의 압력값을 산출할 수 있다.
가령, 도 3을 참조하면, 발가락 영역의 좌우로 2분할된 각각의 압력센서(12)에서 해당 센싱위치의 압력값을 측정하고, 압력센서(12)가 설치되지 않은 센싱위치의 압력값은 측정된 압력값을 이용하여 큐빅 스플라인 보간법을 이용하여 도출함으로써, 발가락 영역에 해당하는 모든 센싱위치의 압력값을 도출할 수 있다.
같은 방법으로 전족영역, 중족영역 및 뒤꿈치영역의 모든 센싱위치에서도 압력값을 도출한 후, 모든 센싱위치의 압력값을 모두 합하여 수직방향의 지면반발력을 산출한다.
본 실시예에서는 큐빅 스플라인 보간법을 이용한 것을 예를 들었으나, 이외에 다른 보간법이 설정될 수도 있다.
도 4는 포스 플레이트(Force Plate)를 이용하여 측정한 수직 방향 지면반발력과 본 실시예에 따라 산출된 수직 방향 지면반발력을 나타낸 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따라 산출된 수직 방향 지면반발력(점선:편차, 실선:평균)은 포스 플레이트에서 측정된 수직 방향 지면반발력과 근사적으로 일치하는 것을 알 수 있다. 이때, 본 실시예에 따라 산출된 수직 방향 지면반발력의 점선으로 나타난 두 그래프의 상관계수(correlation coefficient)는 0.96이다.
한편, 상기 제2산출부(22)에서는 산출된 수직방향의 지면반발력(GRFvertical(t))을 이용하여 전진방향(길이방향) 및 전진방향의 수직방향(폭방향)으로 이뤄진 수평방향 즉, 깔창 모재의 길이방향과 폭방향의 지면반발력을 각각 산출할 수 있다.
전진방향 지면 반발력( GRF ap (t))의 계산
전진방향(Anterior Posterior) 지면 반발력(GRFap(t))은 아래 [수학식 1-1]과 같이 산출될 수 있다.
[수학식 1-1]
GRFap(t) = GRFvertical(t) X tanAPθ(t)
여기서, GRFvertical은 수직 방향 지면반발력이고, APθ는 오른쪽 발에서부터 신체(몸)의 무게중심으로 향하는 벡터와, 지면으로부터 수직방향을 향하는 벡터 사이의 각도를 시상면(sagittal plane)으로 투영한 각도이다.
상기 APθ(t)는 아래 [수학식 1-2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1-2]
Figure pat00003
,
여기서, T는 보행 중 발이 땅에 닿아 있는 동안의 시간(Stance phase time)이며, 보폭 = 키 Ｘ 0.415이다.
상기 APθ(t)를 산출하는 방법은 아래와 같다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 오른발이 땅에 닿는 순간을 APθ min라고 하고, 오른발이 땅에서 떨어지는 순간을 APθ max라고 하면, T시간(오른쪽 발이 땅에 닿아 후방으로 이동하여 오른쪽 발이 땅에서 떨어지는 동안 보행하는 시간) 동안 APθ의 값은 도 6에 도시된 바와 같은 형태로 나타날 수 있다. 여기서, 통상적인 사람들의 신체(몸)를 기준으로 전후로의 보폭이 동일하다고 가정하므로 APθ min과 APθ max의 절대값은 같다.
이를 통해 도출되는 1차 함수는
Figure pat00004
이다.
여기서, APθ min는 보폭/2과, 신체(몸)의 무게 중심 위치인 키Ｘ0.6을 적용하면,
Figure pat00005
로 나타낼 수 있다.
상기 APθ min값을 상기 1차 함수에 대입하면 상기된 [수학식 1-2]가 도출된다.
이와 같은 APθ(t)와 GRFvertical(t)를 이용하여 전진 방향 지면반발력인 GRFap(t)를 산출할 수 있다. 아울러 왼쪽발에 대해서도 동일한 방법으로 적용하여 산출이 가능하다.
도 7은 포스 플레이트를 이용하여 측정한 전진 방향 지면반발력과 본 실시예에 따라 산출된 전진 방향 지면반발력을 나타낸 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따라 산출된 전진 방향 지면반발력(점선:편차, 실선:평균)은 포스 플레이트에서 측정된 전진 방향 지면반발력과 근사적으로 일치하는 것을 알 수 있다. 두 그래프의 상관계수(correlation coefficient)는 0.98이다.
전진방향의 수직방향 지면 반발력( GRF ml (t))의 계산
수평방향 지면 반발력 중 신체(몸)의 좌우 방향으로 발생하는 힘인 전진방향의 수직방향(Medial Lateral) 지면 반발력(GRFml(t))은 아래 [수학식 2-1]에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 2-1]
GRFml(t) = 수직 방향 지면 반발력(GRFvertical(t)) Ｘ tanMLθ(t)
여기서, GRFvertical(t)는 수직 방향 지면 반발력이고, MLθ(t)는, 도 8에서와 같이, 발에서 신체(몸)의 무게중심으로 향하는 벡터와 지면으로부터 수직방향을 향하는 벡터 사이의 각도를 관상면(frontal plane)으로 투영한 각도이다.
상기 MLθ(t)는 아래 [수학식 2-2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2-2]
Figure pat00006
여기서, DS는 보행 중 두 발이 동시에 닿아 있는 동안의 시간(Double Support time)이고, T는 보행 중 발이 땅에 닿아 있는 동안의 시간(Stance phase time)이며, DS, T는 상수이다.
상기 MLθ(t)를 산출하는 방법은 아래와 같다.
먼저, 도 8을 참조하면, 왼발이 땅에 닿는 순간을 MLθ start라고 하고, 오른발이 1보를 전방으로 이동한 후 왼발이 땅에서 떨어지는 순간을 MLθ end라고 하면, T시간(왼쪽 발이 땅에 닿아 신체(몸)보다 후방에 위치한 상태에서 왼쪽 발이 땅에서 떨어지는 동안의 시간) 동안 MLθ의 값은 도 9에 도시된 바와 같은 형태로 나타날 수 있다.
여기서, 통상적인 사람들이 보행을 할 때 신체(몸)의 무게 중심이 포물선 곡선을 그린다고 가정하면 아래와 같은 포물선 함수로 나타난다.
Figure pat00007
포물선은 한걸음 동안 걸린 시간(T)의 절반인 T/2 값을 기준으로 좌우 대칭이며, 상수 5와 상수 4는 통상적인 보행을 토대로 하여 결정된다.
통상적인 보행 중 T/2 시점에서, 관상면(frontal plane)상의 발끝에서 부터 몸의 무게중심을 향하는 벡터와 지면에 수직인 벡터 사이에는 약 4도의 각도를 형성하므로 상수인 4 값이 설정된다.
또한, 발이 지면에 닿는 순간과 발이 지면에서 떨어지는 순간, 관상면(frontal plane)상의 발끝에서 부터 신체(몸)의 무게중심을 향하는 벡터와 지면에 수직인 벡터 사이에는 약 -1도의 각도를 갖기 때문에 4-(-1)=5의 계산 과정으로 상수인 5 값이 설정된다. 상기 포물선 함수를 이용하여 상기 [수학식 2-2]의 첫 번째 함수가 도출된다.
그러나, 통상적인 보행에서의 MLθ(t)는 두 발이 동시에 닿아 있는 동안의 시간(Double Support time)에는 정확한 포물선 모양을 갖지 않는다.
발이 땅에 닿은 순간부터 두 발이 동시에 닿아 있는 동안의 시간(DS)이 끝나는 지점까지(0초 ~ DS초까지)의 MLθ(t)는 0초일 때 -4도, DS초 일 때 MLθ(DS)이다. 즉, 이 값을 이용한 함수를 [수학식 2-2]의 첫 번째와 같은 형식으로 표현하면 [수학식 2-2]의 두 번째 함수처럼 나타낼 수 있다.
결과적으로, 0초 ~ DS초까지와, DS초부터 T초까지의 함수는 [수학식 2-2]의 첫 번째 함수와 두 번째 함수를 합하여 도 9와 같은 MLθ(t)에 대한 그래프로 나타낼 수 있다.
이와 같은 MLθ(t)와 GRFvertical(t)를 이용하여 전진방향의 수직 방향 지면반발력인 GRFml(t)를 산출할 수 있다. 아울러 반대편 발에 대해서도 동일한 방법으로 적용하여 산출이 가능하다.
도 10은 포스 플레이트를 이용하여 측정한 전진방향의 수직 방향 지면반발력과 본 실시예에 따라 산출된 전진방향의 수직 방향 지면반발력을 나타낸 그래프이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따라 산출된 전진방향의 수직 방향 지면 반발력(점선:편차, 실선:평균)은 포스 플레이트에서 측정된 전진방향의 수직방향의 지면 반발력과 근사적으로 일치하는 것을 알 수 있다. 두 그래프의 상관계수(correlation coefficient)는 0.84이다.
상술한 바와 같이 수직 방향 지면 반발력을 9개의 압력센서에서 측정된 값을 이용하여 3축(수직방향, 길이방향, 폭방향)의 압력을 포스 플레이트에서 측정한 것과 실질적으로 동일하게 도출해 낼 수 있다.
지금부터는 상술한 족부압력 측정장치를 이용한 지면반력 측정방법에 대하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 족부압력 측정장치를 이용한 지면 반력 측정방법에 따른 순서도이다. 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 지면 반력 측정방법은, 먼저 상술한 깔창 형상으로 마련되는 깔창모재(11)에 압력센서(12)가 설치된 센서부(10)를 준비하여 사용자가 착용한다(S10).
이때, 깔창모재(11)는 발과 대응되는 부분에 따라 발가락영역, 전족영역, 중족영역 및 뒤꿈치영역으로 구획되며, 상기 발가락영역, 상기 중족영역 및 상기 뒤꿈치영역은 각각 폭방향으로 2분할되고, 상기 전족영역은 폭방향으로 3분할되어 있다.
또한, 깔창모재(11)는 길이방향 및 폭방향으로 배열되는 다수의 센싱위치가 설정되어 있다.
그리고, 상기 압력센서(12)는 배열된 센싱위치 중 선택된 다수의 센싱위치에 설치되어 있다.
이 상태에서 사용자의 보행시, 압력센서(12)가 설치된 센싱위치에서는 압력값을 측정하고, 압력센서(12)가 설치되지 않은 센싱위치에서는 압력센서(12)로부터 측정된 압력값을 토대로 한 보간법을 이용하여 압력값을 도출한다.
그리고, 각각의 센싱위치의 측정된 압력값 및 도출된 압력값의 총합으로 수직 방향 지면 반발력을 산출한다(S20).
이때, 보간법은 3차 다항식의 스플라인(Spline)을 이용하여 보간하는 큐빅 스플라인 보간법(cubic spline interpolation)으로서, 깔창 모재의 폭방향 및 길이방향 각각에 대하여 적용함으로써 각각의 영역에서 분할된 부분에 위치하는 센싱위치의 압력값을 산출할 수 있다.
그리고, 산출된 수직 방향 지면 반발력을 토대로 하여 전진방향 및 전진방향의 수직방향을 포함하는 수평방향 지면 반발력을 산출한다(S30).
먼저, 수평방향 지면 반발력 중 전진방향 지면 반발력(GRFap(t))을 아래 [수학식1-1] 및 [수학식 1-2]를 이용하여 산출한다(S31).
[수학식 1-1]
GRFap(t) = GRFvertical(t) X tanAPθ(t)
여기서, GRFvertical은 수직 방향 지면반발력이고, APθ(t)는 오른쪽 발에서부터 신체의 무게중심으로 향하는 벡터와, 지면으로부터 수직방향을 향하는 벡터 사이의 각도를 시상면(sagittal plane)으로 투영한 각도이다.
[수학식 1-2]
Figure pat00008
,
여기서, T는 보행 중 발이 땅에 닿아 있는 동안의 시간(Stance phase time)이며, 보폭 = 키 Ｘ 0.415이다.
가령, 오른발 뒤꿈치가 땅에 닿은 순간부터 오른발이 땅에서 떨어지는 순간이 0.8초이고, 키가 170cm이며, 보폭이 70.6cm라고 하면,
Figure pat00009
와 같이 나타낼 수 있다.
상기 [수학식 1-2]를 이용하여 도출된 APθ(t)와, 측정된 GRFvertical(t)를 이용하여 전진방향 지면 반발력(GRFap(t))을 산출한다(S32).
그리고, 수평방향 지면 반발력 중 신체의 좌우 방향으로 발생하는 힘인 전진방향의 수직방향 지면 반발력(GRFml(t))을 아래 [수학식2-1] 및 [수학식 2-2]를 이용하여 산출한다.
[수학식 2-1]
GRFml(t) = 수직 방향 지면 반발력(GRFvertical(t)) Ｘ tanMLθ(t)
여기서, GRFvertical(t)는 수직 방향 지면 반발력이고, MLθ(t)는 발에서 신체의 무게중심으로 향하는 벡터와 지면으로부터 수직방향을 향하는 벡터 사이의 각도를 관상면(frontal plane)으로 투영한 각도이다.
[수학식 2-2]
Figure pat00010
여기서, DS는 보행 중 두 발이 동시에 닿아 있는 동안의 시간(Double Support time)이고, T는 보행 중 발이 땅에 닿아 있는 동안의 시간(Stance phase time)이며, DS, T는 상수이다.
가령, 보행 중 오른 발이 땅에 0.8초 닿아 있었고, 보행 중 두 발이 땅에 0.12초 동안 동시에 닿아 있었다면 T값은 0.8이고, DS값은 0.12이다.
따라서, 이를 [수학식 2-2]에 적용할 시에는, 오른 발이 땅에 닿는 순간인 0초부터 두 발이 동시에 닿아 있는 동안의 시간인 0.12초까지는 [수학식 2-2]의 아래쪽 공식을 적용하고, 두 발이 동시에 닿아 있는 동안의 시간인 0.12초부터 오른발이 땅에서 떨어지는 순간인 0.8초까지는 [수학식 2-2]의 위쪽 공식을 적용한다.
상기 [수학식 2-2]를 이용하여 도출된 MLθ(t)와, 측정된 GRFvertical(t)를 이용하여 전진방향의 수직방향 지면 반발력(GRFml(t))을 산출한다.
상술한 바는 전진방향의 지면 반발력과 전진방향의 수직방향 지면 반발력의 순서로 산출한 것에 대해서 설명하였으며, 역순으로 산출할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 센서부를 착용한 상태에서 측정되는 수직 방향 지면 반발력을 이용하여 전진방향 및 전진방향의 수직방향에 대한 지면 반발력을 모두 측정이 가능할 수 있다.
이를 적용하면, 포스 플레이트와 같이 장소에 제한받지 않으면서도 휴대가 간편하며, 다양한 측정 환경에서도 적용이 가능할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
10 : 센서부 11 : 깔창모재
12 : 압력센서
20 : 산출부 21 : 제1산출부
22 : 제2산출부

Claims (10)

  1. 지면 반발력을 이용한 족부압력 측정장치에 있어서,
    깔창 형상으로 마련되며, 길이방향 및 폭방향으로 배열되는 다수의 센싱위치가 설정되고, 상기 센싱위치 중 선택된 다수의 센싱위치에 압력센서가 설치된 센서부; 및,
    상기 압력센서가 설치된 센싱위치에서는 상기 압력센서로 압력값을 측정하고, 상기 압력센서가 위치하지 않은 센싱위치에서는 설정된 보간법을 이용하여 상기 압력센서의 압력값을 토대로 압력값을 도출하여 수직 방향 지면 반발력을 산출한 뒤, 산출된 수직 방향 지면 반발력을 토대로 하여 수평방향 지면 반발력을 산출하는 산출부;를 포함하는 족부압력 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보간법은 큐빅 스플라인(cubic spline interpolation) 보간법인 족부압력 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는,
    발가락 부분과 대응되며 폭방향으로 2분할되는 발가락영역과, 발 앞꿈치 부분과 대응되며 상기 발가락영역의 후방에 위치하고 폭방향으로 3분할되는 전족영역과, 발 뒤꿈치와 대응되며 폭방향으로 2분할되는 뒤꿈치영역과, 상기 전족영역과 상기 뒤꿈치영역의 사이에 위치하며 폭방향으로 2분할되는 중족영역으로 구획되는 깔창모재를 포함하며,
    상기 압력센서는 상기 깔창모재의 구획된 영역의 분할된 부분에 각각 설치되는 족부압력 측정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    동일 영역에서 분할된 부분에 위치하는 압력센서는 폭방향으로 직선 상에 위치하도록 설치되는 족부압력 측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수평방향 지면 반발력 중 전진방향 지면 반발력(GRFap(t))은,
    GRFap(t) = GRFvertical(t) X tanAPθ(t),
    Figure pat00011
    ,
    GRFvertical(t) : 수직 방향 지면 반발력,
    APθ(t) : 발에서 신체의 무게중심으로 향하는 벡터와 지면으로부터 수직방향을 향하는 벡터 사이의 각도,
    T : 보행 중 발이 땅에 닿아 있는 동안의 시간(stance phase time),
    보폭 = 키 Ｘ 0.415
    인 족부압력 측정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수평방향 지면 반발력 중 전진방향과 수직인 방향의 지면 반발력(GRFml(t))은,
    GRFml(t) = GRFvertical(t) Ｘ tanMLθ(t),
    Figure pat00012
    ,
    GRFvertical(t) : 수직 방향 지면 반발력,
    MLθ(t) :발에서 신체의 무게중심으로 향하는 벡터와 지면으로부터 수직방향을 향하는 벡터 사이의 각도를 관상면(frontal plane)으로 투영한 각도,
    DS : 보행 중 두 발이 동시에 닿아 있는 동안의 시간(double support time),
    T : 보행 중 발이 땅에 닿아 있는 동안의 시간(stance phase time)
    인 족부압력 측정장치.
  7. 깔창 형상으로 마련되며, 길이방향 및 폭방향으로 배열되는 다수의 센싱위치가 설정되고, 상기 센싱위치 중 선택된 다수의 센싱위치에 압력센서가 설치된 센서부를 준비하여 착용하는 단계;
    상기 센서부를 착용한 상태로 보행시, 상기 센서부의 압력센서를 통해 상기 압력센서가 설치된 센싱위치에서는 압력값을 측정하고, 상기 압력센서가 설치되지 않은 센싱위치에서는 설정된 보간법을 이용하여 압력값을 도출하여, 수직 방향 지면 반발력을 산출하는 단계; 및,
    상기 수직 방향 지면 반발력을 토대로 하여 수평방향 지면 반발력을 산출하는 단계;를 포함하는 족부압력 측정장치를 이용한 지면 반력 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보간법은 큐빅 스플라인(cubic spline interpolation) 보간법을 이용하는 족부압력 측정장치를 이용한 지면 반력 측정 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 수평방향 지면 반발력 중 전진방향 지면 반발력(GRFap(t))은
    GRFap(t) = GRFvertical(t) X tanAPθ(t)을 이용하여 산출하며,
    여기서,
    Figure pat00013
    ,
    GRFvertical(t) : 수직 방향 지면 반발력,
    APθ(t) : 발에서 신체의 무게중심으로 향하는 벡터와 지면으로부터 수직방향을 향하는 벡터 사이의 각도를 시상면(sagittal plane)으로 투영한 각도,
    T : 보행 중 발이 땅에 닿아 있는 동안의 시간(stance phase time),
    보폭 = 키 Ｘ 0.415
    인 족부압력 측정장치를 이용한 지면 반력 측정 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 수평방향 지면 반발력 중 전진방향과 수직인 방향의 지면 반발력(GRFml(t))은 GRFml(t) = GRFvertical(t) Ｘ tanMLθ(t)을 이용하여 산출하고,
    여기서,
    Figure pat00014
    ,
    GRFvertical(t) : 수직 방향 지면 반발력,
    MLθ(t) :발에서 신체의 무게중심으로 향하는 벡터와 지면으로부터 수직방향을 향하는 벡터 사이의 각도를 관상면(frontal plane)으로 투영한 각도,
    DS : 보행 중 두 발이 동시에 닿아 있는 동안의 시간(double support time),
    T : 보행 중 발이 땅에 닿아 있는 동안의 시간(stance phase time)
    인 족부압력 측정장치를 이용한 지면 반력 측정 방법.
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