KR20210024876A - Fes를 이용한 자세 불균형 유발 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

FES를 이용하여 자세 불균형을 유발하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 본 개시의 일 실시 예에 따른 FES를 이용하여 자세 불균형을 유발하는 장치는 사용자의 보행을 측정하는 보행 측정부, 상기 보행 측정부의 측정 정보에 기초하여 상기 사용자의 보행을 분석하는 보행 분석부, 상기 보행 분석부의 분석 정보에 기초하여 미리 설정된 자세 불균형 유발 시점이 도래했는지 판단하여 FES 제어 신호를 출력하는 제어부 및 상기 제어부의 상기 FES 제어 신호를 받아서 FES 신호를 생성하는 FES 출력부를 포함할 수 있다.

Description

FES를 이용한 자세 불균형 유발 방법 및 장치{Method and apparatus for inducing posture imbalance using FES}

본 개시는 기능적 전기자극(FES: Functional Electrical Stimulation)을 이용하여 낙상 예방에 효과적인 자세 균형 훈련을 위한 기술에 대한 것이다. 구체적으로는, 낙상이 유발될 당시의 전후 데이터 자료 수집을 용이하게 할 수 있는 자세 불균형 유발 방법 및 장치에 대한 것이다.

노인에게 있어서 낙상은 심각한 부상을 초래하고, 많은 사회적 비용을 필요로 한다. 특히, 65세 이상 노인의 낙상은 매우 심각한 손상으로 이어지고 있으며, 그 손실로 인한 비용은 전 세계적으로 매우 큰 것으로 보고되고 있다.

여러 가지 낙상의 형태 중에서 발 걸림(trip)에 의한 낙상은 시설 거주 노인에게 발생하는 전체 낙상의 약 35%를 차지할 정도로 비중이 높은 것으로 알려져 있다.

낙상이 발생하는 경우, 의식이 있는 상태라면 넘어지는 것을 막거나 충돌에 의한 부상을 줄이기 위해 복원(recovery) 동작을 수행하는 것이 일반적이다. 이 복원 동작은 낙상의 원인 또는 형태에 따라 다양하게 수행될 수 있다. 자세 불균형(외란, perturbation)의 크기가 크거나 그로 인한 신체 균형의 흐트러짐이 큰 경우, 복원을 위해서는 감각 기관 또는 신체 근골격계(Musculoskeletal system)의 어느 한 부위만 동작하는 것이 아니라 동시에 다발적이고 정교한 움직임을 요하는 경우가 많다.

젊은이의 복원 동작은 대부분 빠르고 정확하게 수행되어 낙상을 면하거나 충돌에 의한 부상이 경미한 결과를 가져온다. 그러나 노인의 복원 동작은 행동이 느리거나 힘이 부족하거나 신체 부위 간의 부조화로 인해 충분한 신체 균형으로 이어지지 못하고 그대로 바닥에 부딪히면서 심각한 부상을 초래하는 경우가 많다. 실제로 노인들은 자신의 발이나 주위 사물에 의해 낙상이 걸리는 경우도 빈번하게 발생하는 것으로 알려져 있다.

최근 연구에서, 안전이 보장된 환경 속에서 인공적으로 유발된 자세 불균형을 통한 훈련을 반복할 경우, 낙상을 예방할 수 있다는 점이 밝혀졌다. 그로 인해, 훈련을 통해 낙상을 사전에 예방하는 것이 중요하게 여겨지고 있다.

보행 중 발 걸림(trip) 외란에 의한 낙상을 재현하고 훈련하기 위해 지금까지 여러 가지 형태의 장치들이 개발되어 왔다. 예를 들면, 예측하지 못하도록 물체를 전방에 떨어트리는 방식, 움직이는 기계 장치에 의한 걸림을 유발하거나, 발의 움직임에 제약(줄당김)을 가해 움직이지 못하게 하는 방식, 신체의 한쪽 방향으로 외란을 주는 방식, 그리고 트레드밀을 이용하는 방식 등이다.

이러한 외부 기계 장치를 이용하는 자세 불균형 유발 장치의 경우 나타나는 공통적인 문제점으로는, 자유로운 보행 중에는 자세 불균형을 유발할 수 없고, 균형 훈련을 진행하는 장소의 제약이 있으며, 자세 불균형이 유발되기 전에 학습 효과에 의해 미리 낙상에 대한 준비를 하게 되는 점 등이 있다.

따라서, 자유로운 보행 중에 어느 시점에서나 다양한 걸림에 의한 낙상 유발이 가능한 장치가 요구된다.

본 개시의 기술적 과제는 기능적 전기자극(FES: Functional Electrical Stimulation)을 이용하여 자세 불균형을 유발하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 개시의 기술적 과제는 보행자의 보행 페이즈(phase)의 어느 시점에서나 외란을 가할 수 있도록 하는 것이다.

또한, 본 개시의 기술적 과제는 자유로운 보행 중에 다양한 걸림에 의한 자세 불균형 유발이 가능하도록 하는 것이다.

또한, 본 개시의 기술적 과제는 자세 불균형이 유발될 당시의 전후 데이터 자료 수집을 용이하게 할 수 있게 하는 것이다.

본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 개시의 일 양상에 따르면 기능적 전기자극(Functional Electrical Stimulation, FES)을 이용하여 자세 불균형을 유발하는 방법이 제공될 수 있다. 상기 방법은 사용자의 보행을 측정하는 단계, 상기 사용자의 보행 측정 정보에 기초하여 보행을 분석하는 단계, 상기 보행 분석 정보에 기초하여 미리 설정된 자세 불균형 유발 시점이 도래했는지 판단하여 제어 신호를 출력하는 단계 및 상기 출력된 제어 신호를 받아서 FES 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 개시의 다른 양상에 따르면 FES를 이용하여 자세 불균형을 유발하는 장치가 제공될 수 있다. 상기 장치는 사용자의 보행을 측정하는 보행 측정부, 상기 보행 측정부의 정보에 기초하여 보행을 분석하는 보행 분석부, 상기 보행 분석부의 분석 정보에 기초하여 미리 설정된 자세 불균형 유발 시점이 도래했는지 판단하여 FES 제어 신호를 출력하는 제어부 및 상기 제어부의 상기 FES 제어 신호를 받아서 FES 신호를 생성하는 FES 출력부를 포함할 수 있다.

본 개시에 대하여 위에서 간략하게 요약된 특징들은 후술하는 본 개시의 상세한 설명의 예시적인 양상일 뿐이며, 본 개시의 범위를 제한하는 것은 아니다.

본 개시에 따르면, FES를 이용하여 자세 불균형을 유발하는 방법 및 장치가 제공될 수 있다.

또한, 본 개시에 따르면, 외부 장치의 의존이 없이 독립적이므로, 자유로운 보행 중에 다양한 걸림에 의한 낙상 유발이 가능할 수 있다.

또한, 본 개시에 따르면, 보행자의 보행 페이즈(phase)의 어느 시점에서나 외란을 가할 수 있다.

또한, 본 개시에 따르면, 자세 불균형이 유발될 당시의 전후 데이터 자료 수집이 용이할 수 있다.

본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 FES를 이용하여 자세 불균형을 유발하는 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, FES 출력 신호 예시를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 균형 훈련을 위한 신체 착용형 자세 불균형 유발 장치를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 보행 분석부의 분석 내용에 기초하여 FES 출력을 인가하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 외부로부터의 제어 신호에 기초하여 FES 출력을 인가하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 직선 보행시의 자세 불균형을 유발하는 방법을 예를 들어 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 회전 보행시의 자세 불균형을 유발하는 방법을 예를 들어 도시한 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 개시의 실시 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 개시의 실시 예를 설명함에 있어서 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 도면에서 본 개시에 대한 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 개시에 있어서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소와 "연결", "결합" 또는 "접속"되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결관계 뿐만 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 존재하는 간접적인 연결관계도 포함할 수 있다. 또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소를 "포함한다" 또는 "가진다"고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 또 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 개시에 있어서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며, 특별히 언급되지 않는 한 구성요소들 간의 순서 또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 따라서, 본 개시의 범위 내에서 일 실시 예에서의 제1 구성요소는 다른 실시 예에서 제2 구성요소라고 칭할 수도 있고, 마찬가지로 일 실시 예에서의 제2 구성요소를 다른 실시 예에서 제1 구성요소라고 칭할 수도 있다.

본 개시에 있어서, 서로 구별되는 구성요소들은 각각의 특징을 명확하게 설명하기 위함이며, 구성요소들이 반드시 분리되는 것을 의미하지는 않는다. 즉, 복수의 구성요소가 통합되어 하나의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있고, 하나의 구성요소가 분산되어 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있다. 따라서, 별도로 언급하지 않더라도 이와 같이 통합된 또는 분산된 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다.

본 개시에 있어서, 다양한 실시 예에서 설명하는 구성요소들이 반드시 필수적인 구성요소들은 의미하는 것은 아니며, 일부는 선택적인 구성요소일 수 있다. 따라서, 일 실시 예에서 설명하는 구성요소들의 부분집합으로 구성되는 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다. 또한, 다양한 실시 예에서 설명하는 구성요소들에 추가적으로 다른 구성요소를 포함하는 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다.

최근 연구에서, 안전이 보장된 환경 속에서 인공적으로 유발된 자세 불균형을 통한 훈련을 반복해서 수행할 경우, 낙상을 예방할 수 있다는 점이 밝혀지면서, 훈련을 통해 낙상을 사전에 예방하는 것이 중요하게 여겨지고 있다.

이러한 훈련 프로그램은 인공적으로 자세 불균형을 유발할 수 있는 장치를 필요로 한다.

보행 중 발 걸림(trip) 외란에 의한 낙상을 재현하고 훈련하기 위해 지금까지 여러 가지 형태의 장치들이 개발되어 왔다. 예를 들면, 예측하지 못하도록 물체를 전방에 떨어뜨리는 방식, 움직이는 기계장치에 의한 걸림을 유발하거나, 발목에 걸린 줄을 순간적으로 당겨서 발의 움직임에 제약(줄당김)을 가해 움직이지 못하게 하는 방식, 신체의 한쪽 방향으로 외란을 주는 방식, 그리고 트레드밀을 이용하는 방식 등이다. 이런 장치들을 이용하면 제어된 환경에서 안전한 방법으로 낙상으로부터 신체를 복원하는 균형 훈련을 반복적으로 수행할 수 있다는 장점이 있다.

현재는 여러가지 자세 불균형 유발 장치 중에서 트레드밀이 많이 사용되고 있고, 기술적으로도 검증이 된 것으로 보인다. 트레드밀을 이용하여 걸림 낙상을 재현하고, 훈련 용도로 사용하는 데에 효과가 있음은 이미 입증되어 있다.

그러나, 기존의 자세 불균형 유발 장치에도 단점이 있다. 예를 들어, 트레드밀 위에 물체를 올려놓는 형태의 자세 불균형 유발 장치의 경우, 보행자의 위치에 맞추어 정확히 물체를 올려놓아야 한다. 보행 중 바닥에서 튀어나와 발에 걸리는 장치의 경우, 그 위치가 고정되어 있으므로, 보행자의 보폭이 일정해야 하고, 발에 걸리는 시점을 정확히 맞추기 위해 보행의 시작 위치를 조절해야 한다. 이러한 외부 기계 장치를 이용하는 자세 불균형 유발 장치의 경우 나타나는 공통적인 문제점으로는, 장치가 있는 정해진 위치에서만 자세 불균형이 유발되므로, 자유로운 보행 중에는 자세 불균형을 유발할 수 없고, 균형 훈련을 진행하는 장소의 제약이 있으며, 자세 불균형이 유발되기 전에 학습 효과에 의해 미리 낙상에 대비한 준비를 하게 되는 점 등이 있다. 바닥에서 튀어나오는 장치에 의해 걸림에 의한 자세 불균형을 유발하는 경우, 장치가 튀어나올 시점 및 높낮이 등을 정확히 맞추기가 힘들다. 또한, 외란의 힘을 조절하는 것도 쉽지 않다.

자세 불균형을 예측하거나 감지하는 연구의 관점에서 본다면, 트레드밀 형태의 자세 불균형 유발 장치는 정해진 외란을 가해 보행자의 행동을 관찰하는 것이 가능한 측면이 있다. 그러나, 트레드밀 형태의 장치는 항상 정해진 속도로 보행하거나 또는 정지 상태인 경우에 한해서 갑작스럽게 트레드밀의 속도나 움직이는 방향을 변화시켜 외란을 가하는 방식을 이용하므로, 이러한 방식을 이용하여 외란이 유발되기 직전에 취득된 데이터는 일반적인 보행 또는 일상생활(ADL: Activity of Daily Living)에서 취득되는 데이터가 아니라는 문제점이 있다. 따라서 자세 불균형이 유발된 직후의 데이터는 낙상을 당하지 않거나 낙상의 충격을 줄이기 위한 노력과 관련된 것으로 유용하게 사용될 수 있지만, 자세 불균형 유발 직전의 데이터는 낙상으로 이어지는 메커니즘을 연구하거나, 낙상 예측 시스템에서 이 데이터를 활용하는 데에 제약이 따른다.

이 부분이 개선되어 트레드밀 위가 아니라 일상생활과 유사한 활동 중에 자세 불균형을 유발할 수 있는 장치가 있을 경우, 낙상으로 이어지는 데이터를 효과적으로 수집하여 향후 연구에 도움을 줄 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 자세 불균형이 유발되기 직전과 직후의 움직임에 대한 데이터가 충분할 경우, kinetic/kinematic 정보를 이용하여 낙상의 진행 정황, 진행 방향, 복원하고자 하는 노력, 충격 완화 노력 등과 관련한 충분한 정보를 제공하는 것이 가능하다. 특히 일상 생활 속에서 실제로 발생하는 낙상 데이터를 수집하는 것은 매우 오랜 기간의 노력이 필요한 것이므로, 큰 의미가 있다.

본 발명에 의하면, 무의식 중에 움직이는 자신의 발의 진행 방향이 정상적인 범위에서 벗어나도록 기능적 전기자극(FES: Functional Electrical Stimulation)을 이용할 수 있다. FES는 이미 제어 가능한 기술이며, 여러 가지 장점을 갖고 있어, 재활 의료분야에서 일반적으로 사용되고 있는 기술이다. 예를 들어서, 뇌졸중 후 편마비 환자의 경우 발끌림(Foot drop) 현상으로 인해 정상적인 보행이 어려운 경우가 있다. 이 때, 환자의 끌리는 발을 들어올리기 위해 앞정강근(TA: Tibialis Anterior)에 적절한 세기의 FES 자극을 가하여 보행이 가능하도록 할 수 있고, 수 개월간 FES를 꾸준히 적용할 경우, 발끌림 환자에게 균형 훈련 효과가 있는 것으로 알려져 있다.

또한 본 발명에 의하면, 정상 보행이 가능한 사람에게 고의로 발끌림이 나타나도록 하여 일종의 걸림 낙상을 유발할 수 있다. 이는 발끌림 환자에게 FES를 적용하는 것과 동일한 기술을, 완전히 반대의 목적으로 사용하는 것으로 볼 수 있다.

일 예로, 본 발명에 의한 자세 불균형이 유발되는 원리는 다음과 같은 보행 및 낙상의 메커니즘으로부터 알 수 있다. 정상 보행에서 스윙하는 발은 지면과 1~2cm 정도의 높이로 이동한다. 이 때, 만약 지면이 평평하지 않거나, 작은 사물이 돌출되어 있는 경우, 지면 또는 사물에 스윙 발을 부딪히게 된다. 이 경우, 스윙하는 발은 앞으로 더 이상 내딛지 못하지만, 상체는 보행하는 방향으로 계속해서 움직이려고 하므로, 발을 중심으로 한 회전력이 발생하여 상체는 앞으로 기울어지게 된다. 본 발명은 이러한 원리를 이용하여 적절한 보행 시점에 스윙하는 다리 근육에 FES 자극을 가하면, 스윙하는 발의 궤적이 정상 궤적으로부터 상/하 또는 좌/우로 이동된 궤적을 그리도록 하여 걸림에 의한 낙상을 유발할 수 있다.

보행 주기의 적절한 시점에 FES를 적용하는 경우, 해당 장치는 사용자의 보행을 보조해 줄 수 있다. 그러나, 전혀 새로운 시점에 FES를 적용할 경우, 보행과 관련된 신경근육계의 정상적인 작용에 대한 자세 불균형을 유발할 수 있다. 자세 불균형 유발 장치로 사용될 수 있기 위해서는, FES에 의해서 낙상으로 이어질 만큼 충분한 외란을 제공해야 한다.

본 발명에 의해 자세 불균형을 유발하기 위해 FES를 적용하는 방식에서 외란의 크기는 FES의 강도, 즉, biphasic 또는 monophasic 펄스를 생성할 때 전극에 흐르는 전류 또는 전압의 세기, 펄스 폭, 그리고 펄스 주기에 의해서 결정될 수 있는 장점이 있다.

노인에게서 발생하는 낙상의 종류 중에서 휠체어, 워커, 카트, 테이블, 의자 등의 주변 사물이나 가구에 발이 걸리거나, 스윙하는 발이 자신의 다른 발(디딤발)과 부딪히는 경우가 있는데, 기존의 자세 불균형 유발 장치로는 이러한 현상을 재현하는 것이 불가능했다. 본 발명에서는 이러한 단점을 보완하여, 정상적인 발의 스윙 동작에서 벗어난 궤적을 그릴 때, 그 위치에 있던 자신의 디딤발이나 의자 다리 등 사물에 부딪히도록 만드는 것이 가능할 수 있다. 또한, 본 발명은 스윙 페이즈의 어느 시점에서나 외란을 가할 수 있기 때문에, 원하는 시점 또는 원하는 발이 위치에서 외란을 가하는 것이 가능할 수 있다. 또한, 본 발명은 외부 장치에 의존이 없이 완전히 독립되어 있으므로, 자유로운 보행 중에 다양한 걸림에 의한 낙상 유발이 가능할 수 있다.

보행 중에는 보행과 관련된 하지 근골격계의 매우 다양한 움직임이 관찰되는데, 이러한 다양한 움직임을 효과적으로 흐트러뜨리기 위해서는 하나 이상의 부위에 서로 다른 크기 또는 다른 시점에 FES 자극을 인가하는 방법에 의해 자세 불균형을 유발하는 것이 좋다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위하여 고안된 FES에 의한 자세 불균형 유발 장치로, 하지의 정강이 또는 허벅지의 근육 부위에 FES 전극을 부착할 수 있도록 하여 신체 착용형 의복(웨어러블 슈트)으로 제작될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예들에 대해서 설명한다.

도 1은 FES를 이용하여 자세 불균형을 유발하는 장치(100)를 나타내는 구성도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자세 불균형 유발 장치는 보행 측정부(101), 보행 분석부(102), 제어부(103), 다수의 FES 출력부(104) 및 다수의 FES 전극쌍(106)으로 구성될 수 있다.

도 1을 참조하면, 보행 측정부(101)는 다양한 방법으로 사용자 신체의 다양한 부위를 측정한다. 사용자의 보행 측정은 족압 센서, 압력 스위치, 가속도 센서 또는 복합 센서(IMU, Inertial Measurement Unit)를 이용할 수 있으며, 동영상 촬영 장치와 같이 별도로 마련된 장치를 사용할 수도 있다.

이때, 일 예로, 족압 센서, 압력 스위치, 가속도 센서 또는 복합 센서를 사용하는 경우, 사용자의 보행 분석이 가능하도록, 센서를 하지의 발목, 정강이, 허벅지, 허리 중 어느 한 부위에 부착하거나, 인솔 또는 신발에 내포할 수 있다.

또한, 일 예로, 사용자의 표면 근전도(EMG, Electromyogram) 신호를 사용하는 경우, 사용자의 하지 근육의 움직임에 의한 근전도의 변화로부터 보행 분석이 가능하도록, 하지의 정강이, 허벅지, 엉덩이 등에 부착할 수 있다. 또한, 보행 간격 시간, 보폭, 하지 분절의 가속도 내지 속도 등을 측정하는 다른 종류의 센서를 사용할 수 있다. 또한, 보행을 보다 정확하게 판단하기 위해서 하나 이상의 센서가 사용될 수 있다.

보행 분석부(102)는 상기 보행 측정부의 측정 정보에 기초하여 보행을 분석할 수 있다.

이때, 일 예로, 보행의 분석에는 보행을 하는지 여부와 함께, 보행이 보행의 주기(Gait Cycle) 중 어느 단계(페이즈; phase)에 위치했는지 판단하는 것을 포함할 수 있다. 보행 주기는 한쪽 발 뒤꿈치가 땅에 닿는 시기(heel strike)부터 시작해서 동 발뒤꿈치가 다시 땅에 닿는 시기 까지를 의미할 수 있다.

또한, 일 예로, 보행 중간에 발가락이 떨어지는 시기(toe off)를 기준으로 하여, toe off가 발생한 시점부터 몇 밀리 초(milliseconds; ms)가 경과했는지에 대한 정보를 포함할 수 있다.

제어부(103)는 상기 보행 분석부에서 분석된 보행 정보를 이용하여, 미리 설정된 자세 불균형 유발 시점이 도래했는지를 판단할 수 있다.

일 예로, 미리 설정된 자세 불균형 유발 시점이 도래했을 경우, FES 제어 신호 출력을 전류 또는 전압 값으로 인가하고, 도래하지 않았을 경우, 0을 인가하여 FES 제어 신호를 출력하지 않을 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 자세 불균형 유발 장치는 외부로부터 제어 신호 입력을 수신하는 신호 입력부(105)를 더 포함할 수 있다. 신호 입력부(105)를 통한 일종의 제어 명령이 수신될 경우, 보행 분석부(102)의 분석 정보와 무관하게 즉시 입력으로 설정된 전류 또는 전압 출력 값으로 FES 제어 신호를 출력할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자세 불균형 유발 장치는 보행 측정부(101)와 보행 분석부(102)를 포함하지 않고 신호 입력부(105)만을 포함할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 제어부(103)는 보행 측정부(101)와 보행 분석부(102)를 통해 수신되는 입력에 기초하여 FES 제어 신호를 출력할 수 있다. 또는 제어부(103)는 신호 입력부(105)를 통해 수신되는 입력에 기초하여 FES 제어 신호를 출력할 수도 있다. 즉, 보행 측정부(101)와 보행 분석부(102)를 이용한 제어부(103)의 동작과 신호 입력부(105)를 통한 제어부(103)의 동작은 서로 독립적으로 동작할 수 있다. 또는, 제어부(103)는 보행 측정부(101)와 보행 분석부(102)를 통해 수신되는 입력과 신호 입력부(105)를 통해 수신되는 입력을 모두 고려하여 FES 제어 신호를 출력할 수도 있다.

일 예로, FES 제어 신호 출력을 인가한 경우, 미리 정해진 시간동안 출력 값을 유지한 후 다시 0을 인가할 수 있다.

일 예로, 하나 이상의 FES 출력부가 구비된 경우, 한번의 보행 구간 내에서 여러 차례의 FES 제어 신호가 출력될 수 있다.

FES 출력부(104)는 제어부(103)의 신호를 받아서 FES 신호를 생성할 수 있다. FES 출력부(104)에서 생성되는 신호는 다음과 같은 파라미터에 의해 결정될 수 있다.

일 예로, 도 2를 참조하면, monophasic 또는 biphasic의 FES 신호이고, 펄스 폭(pulse width)은 미리 정해진 폭(예를 들면, 200us)을 갖고, 신호의 세기는 미리 정해진 전류 또는 전압의 세기(예를 들면, ±30mA 또는 ±50V peak-to-peak)에 의해 결정되고, 신호의 주기는 미리 정해진 주파수 (예를 들면, 100Hz)에 의해서 주기적으로 생성되는 사각파 또는 그와 유사한 모양이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른, FES 출력 신호 예시를 설명하기 위해 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 균형 훈련을 위한 신체 착용형 자세 불균형 유발 장치를 도시한 것이다. 하지의 다양한 움직임에 맞추어 자세 불균형을 유발하기 위해서는, 하나 이상의 부위에 서로 다른 크기 또는 다른 시점에 FES 자극을 인가하는 것이 좋다. 이를 위해, 도 3과 같이, 여러 FES 출력을 갖도록 구성하는 것이 좋다. 도 3을 참조하면, 하지의 앞/뒤 허벅지와 앞/뒤 정강이 부위의 근육을 자극할 수 있도록, 4개의 FES 출력을 가질 수 있다.

일 예로, 각각의 FES 출력부(104)는 선으로 연결된 +와 -극성을 갖는 FES 전극 쌍(106)으로 연결될 수 있다.

신호 입력부(105)는 외부로부터 입력 신호를 유선 또는 무선으로 수신할 수 있다.

일 예로, 신호 입력부(105)는 보행 불균형 유발 기능이 동작하거나, 동작하지 않도록 하는 명령을 수신할 수 있다.

일 예로, 신호 입력부(105)는 보행 불균형을 유발하기 위한 FES 파라미터를 수신하는 것이 가능하다. FES 파라미터는 FES 신호의 세기, 주기, 펄스 폭, 펄스 모양 등을 포함할 수 있다.

일 예로, 신호 입력에 의거하여 제어부(103)는 보행 분석부(102)의 분석 결과와 무관하게 즉시 설정된 전류 또는 전압 값으로 FES 제어 신호를 출력할 수 있다.

자세 불균형 유발 장치(100)의 전원을 공급할 수 있는 전원부(107)가 더 포함될 수 있다.

본 발명의 일 실시예로서, 도 3을 참조하면, 균형 훈련을 위해 사용자가 착용하고 보행하기 쉽도록 장치를 고안할 수 있다. 균형 훈련 중에 피부 부착 전극이 쉽게 떨어지지 않도록, 일종의 스트랩(strap)을 감싸줄 수 있다. 피부에 부착한 +와 -극성을 갖는 전극으로부터 자세 불균형 유발 장치(100)까지 선으로 길게 이어질 수 있으나, 이러한 구성은 변경이 가능할 수 있다. 또한, 도 3의 자세 불균형 유발 장치의 크기가 작은 경우, 허리, 허벅지, 정강이 등 어느 한 부위 또는 여러 부위에 부착될 수 있다.

상기 도 3의 구성은 의복(웨어러블 슈트) 또는 외피형 제품에 내장하는 것이 가능하다.

이때, 일 예로, 도 3을 참조하면, 허벅지와 정강이 근처 또는 자극하려는 근육 주위에 IMU 센서가 부착될 수 있다. 센서의 수나 측정 방법은 변경될 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 보행 분석부(102)의 분석 내용에 기초하여 FES 출력을 인가하는 방법을 나타내는 순서도이다.

도 4를 참조하면, 시작 단계에서, 두 개의 IMU를 이용하여 보행 측정부에서 센서 값을 입력 받는다(S410). 보행 분석부는, 보행 측정부의 측정 정보에 기초하여 사용자의 보행을 분석하고, 보행이 시작된 경우, 몇 번의 보행으로부터 보행 주기의 주요 시점인 toe off, heel strike 등을 판단하고, 전체 보행 주기와 보행 단계를 판단한다(S430). 외부 입력으로부터 보행 불균형 유발 동작을 수행하도록 명령이 수신되면, 제어부는 보행 분석부의 보행 분석 내용과, 미리 설정된 자세 불균형 유발 시점을 대기한다(S440). 제어 시점(예를 들면, toe off로부터 15ms 경과)이 도래하면 FES 출력을 미리 설정한 파라미터에 의해 인가한다(S450). 예를 들어, toe off로부터 15ms 후에 스윙발의 장딴지근(Gastrocnemius, GCM)과 대퇴직근(RectusFemoris, RF)에 동시에 FES 제어 신호 출력을 35mA 전류가 흐르게 제어하는 것이 가능하다. 이 경우, 스윙발의 무릎이 곧게 펴지고, 발목이 펴지게 되어 스윙 도중에 발끌림이 발생하는 효과를 낼 수 있다. 제어부는 이러한 자극을 미리 정해진 시간, 예를 들면 200ms동안 정해진 주파수로 계속 출력하다가(S460), 다시 0을 인가한다(S420).

본 발명에서 효과적인 자세 불균형 유발을 위해 여러 부위의 자극이 필요할 수 있는데, 제어부는 각 부위별로 자극이 시작되는 시간, 자극이 지속되는 시간, 자극의 크기 등을 서로 달리하여 인가하는 것이 가능하다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 외부로부터의 제어 신호에 기초하여 FES 출력을 인가하는 방법을 나타낸 순서도이다.

도 5를 참조하면, 제어부가 외부 입력으로부터 제어 명령이 수신되는지 체크하고(S520), 명령이 수신되면, 보행 분석부의 분석 내용과 무관하게 그리고 제어 시점과 무관하게 즉시 FES 출력을 미리 설정한 파라미터에 의해 인가한다(S530). 제어부는 이러한 자극을 미리 정해진 시간, 예를 들면 200ms 동안 정해진 주파수로 계속 출력하다가(S540), 다시 0을 인가한다(S510).

본 발명의 일 예로, FES 전극의 위치를 변경하면 스윙하는 발이 정상 스윙 때보다 안쪽 또는 바깥쪽으로 더 쏠리게 하는 것이 가능하므로, 자신의 발에 부딪히게 되거나 발 주위의 사물에 부딪히게 되는 자세 불균형을 유발할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 직선 보행시의 자세 불균형을 유발하는 방법을 예를 들어 도시한 것이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 회전 보행시의 자세 불균형을 유발하는 방법을 예를 들어 도시한 것이다.

도 6을 참조하면, 도 6의 (a)에는 직선 보행시의 정상적인 스윙발의 궤적이 도시되어 있다. 도 6의 (b)에는 본 발명에 의한 자세 불균형 장치를 이용하여 사용자의 뒷발이 들리는 순간에 FES를 적용하여 스윙발의 궤적을 변경하는 경우가 도시되어 있다.

도 7을 참조하면, 도 7의 (a)에는 회전 보행시의 정상적인 스윙발의 궤적이 도시되어 있다. 도 7의 (b)에는 본 발명에 의한 자세 불균형 장치를 이용하여 사용자의 뒷발이 들리는 순간에 FES를 적용하여 스윙발의 궤적을 변경하는 경우가 도시되어 있다.

상기 도 6과 도 7에 나타낸 바와 같이, 뒷발이 정상 보행시의 궤적보다 안쪽으로 들어가도록 하여 자신의 디딤발에 발걸림이 발생하도록 할 수 있다. 이러한 구성에서 자세 불균형을 유발하기 위하여 어느 시점에 어떠한 근육 부위에 어떠한 크기의 FES 전기 자극을 인가할 것인지는, 구성에 따라 또는 사용자에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 젊은 성인의 경우 근력이 부족한 노인에 비해서 더 큰 강도의 FES 전기 자극을 적용하고, 여러 근육 부위를 자극하도록 하는 것이 좋다.

본 발명의 일 실시예로서, 외골격 로봇에 본 발명을 적용할 수 있다. 외골격 로봇은 사용자의 움직임, 특히 보행에 맞추어 외골격 로봇을 동작시키는 것이 매우 중요하다. 전동 모터 등에 의해 구동 및 조향이 이루어지는 외골격 로봇 형태로 구성된 착용형 장치에 있어서, 본 발명에 의한 자세 불균형 유발 장치를 다음 두가지 목적으로 이용할 수 있다. 첫째, 임의로 자세 불균형을 유발하여, 외골격 로봇의 제어부가 제대로 동작하는지 판단할 수 있다. 외골격 로봇의 제어부가 완벽하게 동작하기 위해서는 여러 가지 자세 불균형에 대한 동작 테스트를 거쳐야 하는데, 본 발명의 장치를 사용할 경우 보행의 여러 시점에 걸쳐서 다양한 강도로 외란을 주는 것이 가능하므로, 외골격 로봇의 동작을 테스트하는데 적절할 수 있다. 둘째, 임의로 자세 불균형을 유발하여, 사용자가 이러한 외란 발생 시 외골격 로봇의 움직임에 익숙해지도록 훈련하는 것이다. 다양한 외란에 대한 외골격 로봇의 동작 역시 다양해질 수 있으므로, 반복적인 훈련을 통해 숙달시키는 것이 좋다.

본 발명의 일 실시예로서, 가상 환경(Virtual Reality, VR)에 본 발명을 적용할 수 있다. VR 환경에서 보행 시뮬레이션을 위해 트레드밀을 사용하는 경우가 있다. 자세 불균형을 유발하기에 적합한 외란이 되기 위해서는 트레드밀이 속도나 방향이 급격히 변해야 하므로, 이것을 가상 환경의 트레드밀에 적용할 경우, 정밀한 제어를 필요로 하므로 트레드밀의 가격이 상승하는 문제점이 있다. 본 발명에 의한 자세 불균형 유발 장치를 VR 용으로 제작된 의복(슈트) 또는 외피 제품에 내장하는 경우, 적은 비용으로 다양한 자세 불균형을 유발할 수 있다.

본 개시의 예시적인 방법들은 설명의 명확성을 위해서 동작의 시리즈로 표현되어 있지만, 이는 단계가 수행되는 순서를 제한하기 위한 것은 아니며, 필요한 경우에는 각각의 단계가 동시에 또는 상이한 순서로 수행될 수도 있다. 본 개시에 따른 방법을 구현하기 위해서, 예시하는 단계에 추가적으로 다른 단계를 포함하거나, 일부의 단계를 제외하고 나머지 단계를 포함하거나, 또는 일부의 단계를 제외하고 추가적인 다른 단계를 포함할 수도 있다.

본 개시의 다양한 실시 예는 모든 가능한 조합을 나열한 것이 아니고 본 개시의 대표적인 양상을 설명하기 위한 것이며, 다양한 실시 예에서 설명하는 사항들은 독립적으로 적용되거나 또는 둘 이상의 조합으로 적용될 수도 있다.

또한, 본 개시의 다양한 실시 예는 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 그들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 범용 프로세서(general processor), 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

본 개시의 범위는 다양한 실시 예의 방법에 따른 동작이 장치 또는 컴퓨터 상에서 실행되도록 하는 소프트웨어 또는 머신-실행가능한 명령들(예를 들어, 운영체제, 애플리케이션, 펌웨어(firmware), 프로그램 등), 및 이러한 소프트웨어 또는 명령 등이 저장되어 장치 또는 컴퓨터 상에서 실행 가능한 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체(non-transitory computer-readable medium)를 포함한다.

Claims (18)

1. 기능적 전기자극(Functional Electrical Stimulation, FES)을 이용하여 자세 불균형을 유발하는 장치에 있어서,
   사용자의 보행을 측정하는 보행 측정부;
   상기 보행 측정부의 측정 정보에 기초하여 상기 사용자의 보행을 분석하는 보행 분석부;
   상기 보행 분석부의 분석 정보에 기초하여 미리 설정된 자세 불균형 유발 시점이 도래했는지 판단하여 FES 제어 신호를 출력하는 제어부; 및
   상기 제어부의 상기 FES 제어 신호를 받아서 FES 신호를 생성하는 FES 출력부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 자세 불균형 유발 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 보행 측정부는,
   족압 센서, 압력 스위치, 가속도 센서, 복합 센서(IMU, Inertial Measurement Unit), 사용자의 표면 근전도(EMG, Electromyogram) 센서 및 동영상 촬영 장치 중 적어도 하나를 이용하여 상기 사용자의 보행을 측정하는 것을 특징으로 하는 자세 불균형 유발 장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 보행 분석부는,
   상기 사용자가 보행을 하는지 여부와 상기 보행이 보행 주기(Gait Cycle) 중 어느 단계에 위치했는지 판단하는 것을 특징으로 하는 자세 불균형 유발 장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 미리 설정된 자세 불균형 유발 시점이 도래했을 경우, 미리 정해진 전류 또는 전압 값을 상기 FES 제어 신호 출력 값으로 인가하고, 도래하지 않은 경우, 0을 상기 FES 제어 신호 출력 값으로 인가하여 상기 FES 제어 신호를 출력하지 않는 것을 특징으로 하는 자세 불균형 유발 장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 자세 불균형 유발 장치는 외부로부터 제어 신호 입력을 수신하는 신호 입력부를 더 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 신호 입력부에 의해 제어 명령이 수신될 경우, 상기 보행 분석부의 분석 정보와 무관하게, 입력으로 설정된 전류 또는 전압 값을 즉시 상기 FES 제어 신호 값으로 출력하는 것을 특징으로 하는 자세 불균형 유발 장치.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   미리 정해진 시간 동안 상기 인가된 FES 제어 신호 출력 값을 유지한 후, 다시 0을 상기 FES 제어 신호 출력 값으로 인가 하는, 자세 불균형 유발 장치.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 FES 출력부는,
   선으로 연결된 +와 -극성을 갖는 FES 전극 쌍으로 연결되는, 자세 불균형 유발 장치.
   
8. 제 5항에 있어서,
   상기 신호 입력부는,
   상기 자세 불균형을 유발하기 위한 FES 파라미터를 수신하는 것을 특징으로 하는, 자세 불균형 유발 장치.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 FES 파라미터는 상기 FES 신호의 세기, 주기, 펄스, 폭 및 펄스 모양 중 적어도 하나를 포함하는, 자세 불균형 유발 장치.
   
10. 기능적 전기 자극(Functional Electrical Stimulation, FES)을 이용하여 자세 불균형을 유발하는 방법에 있어서,
    사용자의 보행을 측정하는 단계;
    상기 사용자의 보행 측정 정보에 기초하여 보행을 분석하는 단계;
    상기 보행 분석 정보에 기초하여 미리 설정된 자세 불균형 유발 시점이 도래했는지 판단하여 제어 신호를 출력하는 단계; 및
    상기 출력된 제어 신호를 받아서 FES 신호를 생성하는 단계;
    를 포함하는 자세 불균형 유발 방법.
    
11. 제 10항에 있어서,
    상기 사용자의 보행은 족압 센서, 압력 스위치, 가속도 센서, 복합 센서(IMU, Inertial Measurement Unit), 사용자의 표면 근전도(EMG, Electromyogram) 센서 및 동영상 촬영 장치 중 적어도 하나를 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는,
    자세 불균형 유발 방법.
    
12. 제 10항에 있어서,
    상기 보행을 분석하는 단계는,
    상기 사용자가 보행을 하는지 여부와 보행 주기(Gait Cycle) 중 어느 단계에 위치했는지를 판단하는 것을 특징으로 하는,
    자세 불균형 유발 방법.
    
13. 제 10항에 있어서,
    상기 제어 신호를 출력하는 단계는,
    상기 미리 설정된 자세 불균형 유발 시점이 도래했을 경우, 미리 정해진 전류 또는 전압 값을 상기 FES 제어 신호 출력 값으로 인가하고, 도래하지 않은 경우, 0을 상기 FES 제어 신호 출력 값으로 인가하여 상기 FES 제어 신호를 출력하지 않는 것을 특징으로 하는,
    자세 불균형 유발 방법.
    
14. 제 10항에 있어서,
    외부로부터 제어 신호 입력을 수신하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제어 신호를 출력하는 단계는,
    상기 외부로부터 제어 명령이 수신될 경우, 상기 보행 분석 정보와 무관하게, 입력으로 설정된 전류 또는 전압 출력 값을 즉시 상기 FES 제어 신호 값으로 출력하는 것을 특징으로 하는,
    자세 불균형 유발 방법.
    
15. 제 10항에 있어서,
    상기 제어 신호를 출력하는 단계는,
    미리 정해진 시간 동안 상기 인가된 FES 제어 신호 출력 값을 유지한 후, 다시 0을 상기 FES 제어 신호 출력 값으로 인가하는 자세 불균형 유발 방법.
    
16. 제 10항에 있어서,
    상기 FES 신호를 생성하는 단계는,
    선으로 연결된 +와 -극성을 갖는 FES 전극 쌍을 이용해 이루어지는,
    자세 불균형 유발 방법.
    
17. 제 14항에 있어서,
    상기 외부로부터 제어 신호 입력을 수신하는 단계는,
    상기 자세 불균형을 유발하기 위한 FES 파라미터를 수신하는 것을 특징으로 하는,
    자세 불균형 유발 방법.
    
18. 제 17항에 있어서,
    상기 FES 파라미터는 상기 FES 신호의 세기, 주기, 펄스, 폭 및 펄스 모양 중 적어도 하나를 포함하는,
    자세 불균형 유발 방법.
    

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