KR20220062199A - Assistance and Training System using Balance Feedback - Google Patents

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KR20220062199A
KR20220062199A KR1020200147923A KR20200147923A KR20220062199A KR 20220062199 A KR20220062199 A KR 20220062199A KR 1020200147923 A KR1020200147923 A KR 1020200147923A KR 20200147923 A KR20200147923 A KR 20200147923A KR 20220062199 A KR20220062199 A KR 20220062199A
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정수훈
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염다영
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to an assistance and training system through balance feedback and an operation method thereof, and more specifically, to an assistance and training system through balance feedback, which comprises: a plurality of wearable pressure sensors installed in plural on the sole side of the human body to measure foot pressure, respectively; a center of gravity calculator part calculating a balance based on a pressure value measured by the plurality of pressure sensors; an electrical stimulation part attached to a muscle side of the human body to generate torque by stimulating the muscle with an electrical signal to function as the muscle; a vibration module attached to the muscle side to apply vibration to the muscle; and a control part controlling to drive at least one of the electrical stimulation part and the vibration module to provide feedback on the balance, based on the calculated balance. According to the present invention, when a user's balance deviates from a balance center to some extent, a signal for instructing or forcing balance recovery in the opposite direction is generated so that the user's balance can be corrected.

Description

균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템, 그 작동방법{Assistance and Training System using Balance Feedback}Assistance and training system through a sense of balance feedback, and its operation method {Assistance and Training System using Balance Feedback}

본 발명은 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템, 그 작동방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 기립상태의 균형 유지가 어려운 고령자나 편마비 환자의 균형감을 다양한 형태의 피드백으로 보조 및 훈련시켜줄 수 있는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an assisting and training system through a sense of balance feedback, and to a method of operation thereof. More particularly, the present invention relates to a system capable of assisting and training an elderly person or a hemiplegic patient who has difficulty maintaining the balance in a standing state with various types of feedback.

만성 뇌졸중 환자나 고령인의 경우 일상생활의 유지가 가능하지만 정교한 균형을 요하는 운동 동작등에 어려움을 겪을 수 있다. 예를 들어 골프의 퍼팅과 같은 자세에서 하체의 견고한 균형 유지가 필수적인데 근력의 약화로 인해 이러한 부분에서 어려움을 겪을 수 있다.In the case of chronic stroke patients or the elderly, it is possible to maintain daily life, but they may have difficulty performing movements that require precise balance. For example, maintaining a solid balance of the lower body is essential in a posture such as golf putting, but you may experience difficulties in this area due to weakness in muscle strength.

실생활에서 균형감을 쉽게 측정하고 피드백 주기가 매우 어려움이 있다. 사람의 기립상태에서의 Center of Pressure(CoP)는 균형 상태의 지표로 사용되지만 일반적으로 고가의 force plate 와 같은 장비를 사용해야 측정이 가능하다. 또한 이러한 장비들은 휴대가 불가능하며 비전문가가 사용하기 어려운 단점이 있다.In real life, it is easy to measure the sense of balance and it is very difficult to give feedback. The center of pressure (CoP) in a person's standing state is used as an indicator of the state of balance, but in general, it can be measured only with equipment such as an expensive force plate. Also, these devices are not portable and have disadvantages that are difficult for non-professionals to use.

평지가 아닌 경사로에서 안정적으로 균형을 유지하는 것은 운동뿐만 아니라 실생활에서도 중요한 부분을 차지하기 때문에 다양한 지형에서의 균형감 트레이닝이 필요하다.Maintaining a stable balance on an incline other than flat ground is an important part not only in exercise but also in real life, so balance training in various terrains is necessary.

대부분의 종래특허에서는 force plate 형태로 균형감을 측정한다. 따라서 대부분 장치가 비치된 실내로 활용 공간이 제한된다. 또한 외부 자극을 통해 균형감 전달을 하는 피드백 방법에 대해서는 기재하고 있지 않고, 균형중심으로부터 벗어난 정도를 정량적으로 계산해 외부자극 세기의 식을 결정하는 구성에 대해서는 언급하고 있지 않다. Most of the prior patents measure the sense of balance in the form of a force plate. Therefore, the usable space is limited to indoors where most of the devices are installed. Also, it does not describe a feedback method that transmits a sense of balance through an external stimulus, and does not mention the configuration of determining the expression of the external stimulus intensity by quantitatively calculating the degree of deviation from the center of balance.

이와 관련된 선행특허문헌을 살펴보면, 종래 한국등록특허 제1858116호는 족압을 기반으로 압력중심을 산출하고, 압력중심으로부터 소정크기 원안에 머무르는 시간, 피크, 밸리를 기초로 균형능력, 자세변화를 평가하여 균형감을 측정하는 구성에 대해 기재하고 있으나, 균형감에 대하여 피드백 정보를 제공하고, FES 자극을 통해 근력을 보조해주는 구성에 대해서는 기재하고 있지 않다. Looking at the related prior patent literature, the prior Korean Patent No. 1858116 calculates the pressure center based on foot pressure, and evaluates balance ability and posture change based on the time, peak, and valley staying in a circle of a predetermined size from the center of pressure. Although the configuration for measuring the sense of balance is described, the configuration that provides feedback information on the sense of balance and supports muscle strength through FES stimulation is not described.

한국 공개특허 제2018-0008135호는 감지부로서 하중센서부를 신발형태로 구성하여, 감지결과에 따라 대상자에게 물리적 자극을 주게 되는 특징을 기재하고는 있으나, 동작을 감지함에 있어 가속도 센서와 자이로센서를 이용하며 자극부는 신발형태의 피드백부에 단순히 진동을 인가하는 것에 불과하다. 그리고 한국 등록특허 제2113221호는 무게센서를 통해 균형감을 측정하고 훈련을 가이드하고 있으나 평가된 균형능력을 기반으로 훈련을 가이드함에 있어 디스플레이부를 통해 동작을 가이드 하는 것이고 진동자극과 전기자극을 통한 피드백 및 운동을 보조하기 위한 구성에 대해서는 언급하고 있지 않다. Korean Patent Application Laid-Open No. 2018-0008135 describes the feature of providing a physical stimulus to a subject according to the sensing result by configuring the load sensor unit in the form of a shoe as a sensing unit, but using an acceleration sensor and a gyro sensor to detect motion. and the stimulation unit simply applies vibration to the feedback unit in the form of a shoe. And Korean Patent No. 2113221 measures the sense of balance and guides training through a weight sensor, but guides the operation through the display unit in guiding training based on the evaluated balance ability, and provides feedback and It does not mention the composition for assisting the exercise.

한국 공개특허 2020-0081684호 역시 신발에 부착된 FSR센서로부터 사용자의 밸런스를 평가하는 구성에 대해서 기재하고 있으나 밸런스에 대한 정보의 피드백에서 좌우 밸런스 차이가 기준치 이상인 경우 경고를 발생시키거나 교정을 위한 자세정보, 운동정보를 디스플레이해 주는 것에 불과하고, 진동자극과 전기자극을 통한 피드백 및 운동을 보조하기 위한 구성에 대해서는 언급하고 있지 않다. Korean Patent Application Laid-Open No. 2020-0081684 also describes a configuration that evaluates the user's balance from the FSR sensor attached to the shoe, but when the difference between the left and right balance in the feedback of balance information is more than the standard value, a warning is generated or posture for correction It merely displays information and exercise information, and there is no mention of a configuration for supporting feedback and exercise through vibration and electrical stimulation.

대한민국 등록특허 KR 1858116 BRepublic of Korea registered patent KR 1858116 B 대한민국 공개특허 KR 2018-0008135 AKorean Patent Publication KR 2018-008135 A 대한민국 등록특허 KR 2113221 BRepublic of Korea registered patent KR 2113221 B 대한민국 공개특허 KR 2020-0081684 AKorean Patent Publication KR 2020-0081684 A

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 압력 센서 기반으로 사용자의 균형감을 실시간으로 측정하며 좌우방향(Medial-Lateral direction, ML) 및 앞뒤방향(Anterior-Posterior direction, AP) 의 균형감을 2차원적으로 파악이 가능하고, 사용자의 균형이 균형 중심에서 어느정도 벗어났을 경우 반대 방향으로의 균형 회복을 지시 혹은 강제하는 신호를 발생시켜 균형을 바로잡을 수 있는, 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템을 제공하는데 목적이 있다. Therefore, the present invention has been devised to solve the conventional problems as described above. According to an embodiment of the present invention, the user's sense of balance is measured in real time based on the pressure sensor, and the left and right directions (Medial-Lateral direction, ML) and front and rear It is possible to grasp the sense of balance in the anterior-posterior direction (AP) two-dimensionally, and when the user's balance deviates from the center of balance to some extent, it generates a signal to instruct or force the restoration of balance in the opposite direction to restore the balance immediately. It aims to provide an assistive and training system with a gripping, balanced feedback.

본 발명의 실시예에 따르면 진동모듈과 같이 균형감에 대한 정보를 단순 피드백을 통해 균형감 회복을 유도하는 방식과, 기능적 전기자극(Functional Electrical Stimulation)을 통한 직접적 근육 수축을 통해 균형감을 순간적으로 보조해줄 수 있으며, FES를 사용해 근육의 주동근-길항근을 동시에 자극해 순간적으로 관절 강성을 높여 균형감 및 안정성을 보조해줄 수 있고, 이러한 보조 및 훈련 기술은 일상적 지표면이나 균일하지 않은 지형, 크지 않은 경사면에서 모두 활용 가능한, 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템을 제공하는데 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, a method of inducing a sense of balance recovery through simple feedback with information on a sense of balance, such as a vibration module, and a method of inducing a sense of balance through direct muscle contraction through Functional Electrical Stimulation. In addition, FES can be used to simultaneously stimulate the agonist-antagonist muscles of the muscle to instantly increase joint stiffness to support balance and stability. The purpose of this study is to provide an assistance and training system through a sense of balance feedback.

본 발명의 실시예에 따르면, 사용자는 실내/외 다양한 환경에서 균형감에 대한 훈련을 할 수 있고, 균형감 측정이 가능한 신발이나 양말 형태의 센서를 착용한 후 전기자극이나 진동 자극의 형태로 균형감을 피드백받을 수 있으며, 이러한 훈련을 통해 일상생활이나 여가생활에서의 운동 능력 향상을 기대할 수 있는, 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템을 제공하는데 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, a user can train for a sense of balance in various indoor/outdoor environments, and after wearing a sensor in the form of a shoe or socks that can measure a sense of balance, feedback a sense of balance in the form of electrical stimulation or vibration stimulation The purpose of this training is to provide an assistance and training system through a sense of balance feedback that can be expected to improve exercise ability in daily life or leisure life through such training.

본 발명의 실시예에 따르면, 필요한 경우, 훈련이 아닌 보조의 형태로 시스템의 사용이 가능하며, 균형의 중심 이동이 나타날 때 전기 및 진동 자극을 통해 반대 방향으로의 균형중심 이동을 유도하여 안정적 기립 상태를 보조해줄 수 있고 또한 순간적으로 주동근 및 길항근에 동시 자극을 주는 형태로 관절의 강성을 크게 높혀 기립상태를 보조할 수 있는, 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템을 제공하는데 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, if necessary, the system can be used in the form of assistance rather than training, and when the movement of the center of balance appears, it induces movement of the center of balance in the opposite direction through electrical and vibration stimulation to stand stable The purpose of this is to provide an assisting and training system through a sense of balance feedback that can support the state and can support the standing state by greatly increasing the stiffness of the joint in the form of instantaneous simultaneous stimulation of the agonist and antagonist muscles.

본 발명의 실시예에 따르면, 최소한의 부피를 갖고 의복과 일체화 되게 설계되어 있어 사용자가 일상생활에서 불편함이 없이 휴대 및 사용 가능하고, 고령인이나 만성 뇌졸중 환자와 같이 일상생활이 어느정도 가능하나 정교한 운동에서의 트레이닝 및 보조가 필요한 사람이나, 다양한 환경에서 균형감 피드백을 받아 보다 정확한 동작 구현을 목표로 하는 사람이나 선수 모두에게 활용이 가능한, 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템을 제공하는데 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, it has a minimum volume and is designed to be integrated with clothes, so that the user can carry and use it without discomfort in daily life, and daily life such as the elderly or chronic stroke patients is possible to some extent, but sophisticated An object of the present invention is to provide an assistance and training system through a sense of balance feedback that can be utilized for both those who need training and assistance in exercise, or those who aim to achieve more accurate movements by receiving feedback from balance in various environments.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. can be understood

본 발명의 제1목적은, 보조 및 훈련 시스템으로서, 착용형으로 인체의 발바닥 측에 복수로 설치되어 각각이 족압을 측정하는 복수의 압력센서; 상기 복수의 압력센서에서 측정된 압력값을 기반으로 균형도를 산출하는 무게중심 산출부; 인체의 근육 측에 부착되어 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부; 상기 근육 측에 부착되어 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동모듈; 및 산출된 상기 균형도를 기반으로, 상기 전기자극부 및 상기 진동모듈 중 적어도 어느 하나를 구동하여 균형도에 대한 피드백을 제공하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템으로서 달성될 수 있다. A first object of the present invention is to provide an auxiliary and training system, comprising: a plurality of wearable pressure sensors installed on the sole side of the human body to measure foot pressure, respectively; a center of gravity calculation unit for calculating a balance degree based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors; an electrical stimulation unit attached to the muscle side of the human body to stimulate the muscle with an electrical signal to generate a torque to function as a muscle; a vibration module attached to the muscle side to apply vibration to the muscle; and a control unit that controls to provide feedback on the balance by driving at least one of the electrical stimulation unit and the vibration module based on the calculated balance. This can be achieved as a training system.

그리고 상기 진동모듈과, 상기 전기자극부 각각은 복수로 부착되며, 상기 무게중심산출부는, 세팅모드에서 상기 복수의 압력센서에서 측정된 압력값을 기반으로 절대중심점을 측정하여 데이터베이스에 저장시키고, 훈련 보조모드에서 상기 복수의 압력센서에서 측정된 압력값을 기반으로 현재 압력중심점을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다. And the vibration module and each of the electrical stimulation unit is attached in plurality, the center of gravity calculation unit, based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors in a setting mode, measure the absolute center point and store it in a database, and training It may be characterized in that the current center of pressure is calculated based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors in the auxiliary mode.

또한 상기 절대중심점 대비 상기 압력중심점의 위치 기반으로, 방향값과 자극세기를 산출하는 자극결정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, based on the position of the center of pressure point relative to the absolute center point, a stimulus determining unit for calculating a direction value and a stimulus intensity; may be characterized in that it further comprises.

그리고 자극결정부는, 상기 방향값을 기반으로 균형도를 피드백 해줄 수 있는 구동될 진동모듈을 결정하고, 상기 방향값을 기반으로 상기 압력중심점을 상기 절대중심점 측으로 복원시킬 수 있는 구동될 전기자극부를 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다. And the stimulus determining unit determines a vibration module to be driven capable of feeding back a balance based on the direction value, and determines an electric stimulation unit to be driven capable of restoring the center of pressure to the absolute center point based on the direction value. It can be characterized as

또한 상기 제어부는 결정된 상기 진동모듈을 구동시키고 결정된 상기 전기자극부가 산출된 상기 자극세기로 구동되도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the control unit may be characterized in that it drives the determined vibration module and controls the determined electrical stimulation unit to be driven with the calculated stimulation intensity.

그리고 상기 자극세기는 상기 절대중심점과 측정된 상기 압력중심점과의 거리에 비례하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다. And the stimulation strength may be characterized in that it is calculated in proportion to the distance between the absolute center point and the measured pressure center point.

또한 복수의 압력센서의 위치와 상기 절대중심점을 기반으로 영역을 설정하고, 상기 영역에서 상기 절대중심점을 중심으로 하는 다수의 특정영역을 구획하고, 데이터베이스에는 상기 특정영역 마다의 자극값이 저장되며, 상기 자극결정부는 상기 압력중심값이 위치하게 되는 상기 특정영역에 대응하여 저장된 자극값을 상기 자극세기로 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, a region is set based on the positions of a plurality of pressure sensors and the absolute center point, a plurality of specific areas centered on the absolute center point are divided in the area, and the stimulus value for each specific area is stored in the database, The stimulus determining unit may be characterized in that it determines the stimulus value stored in response to the specific region in which the center of pressure value is located as the stimulus intensity.

본 발명의 제2목적은 보조 및 훈련 시스템의 작동방법으로서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템을 하지측에 착용하는 단계; 인체의 발바닥 측에 복수로 설치된 복수의 압력센서 각각이 족압을 측정하는 단계; 무게중심산출부가 상기 복수의 압력센서에서 측정된 압력값을 기반으로 균형도를 산출하는 단계; 및 제어부가 산출된 상기 균형도를 기반으로, 인체의 근육 측에 부착되어 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부, 및 상기 근육 측에 부착되어 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동모듈 중 적어도 어느 하나를 구동하여 균형도에 대한 피드백을 제공하도록 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템의 작동방법으로 달성될 수 있다. A second object of the present invention is to provide a method of operating an assisting and training system, comprising: wearing the assisting and training system through a sense of balance feedback on the lower extremity side according to the aforementioned first object; Measuring the foot pressure by each of a plurality of pressure sensors installed in a plurality on the sole side of the human body; calculating, by a center of gravity calculator, a balance degree based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors; and an electrical stimulation unit attached to the muscle side of the human body to generate a torque by stimulating the muscle with an electrical signal to function as a muscle based on the balance calculated by the control unit, and the muscle side attached to the muscle Controlling to provide feedback on the degree of balance by driving at least any one of the vibration modules for applying vibrations; it can be achieved by an operation method of an auxiliary and training system through a sense of balance feedback, comprising: a.

또한 상기 착용하는 단계 후에, 상기 무게중심산출부가 세팅모드에서 복수의 압력센서에서 측정된 압력값을 기반으로 절대중심점을 측정하여 데이터베이스에 저장시키는 단계를 포함하고, 상기 균형도를 측정하는 단계는 훈련 보조모드에서 상기 복수의 압력센서에서 측정된 압력값을 기반으로 현재 압력중심점을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, after the step of wearing, the center of gravity calculation unit includes the step of measuring the absolute center of gravity based on the pressure values measured by a plurality of pressure sensors in the setting mode and storing it in a database, and measuring the balance includes training It may be characterized in that the current center of pressure is calculated based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors in the auxiliary mode.

그리고 상기 균형도를 측정하는 단계 후에, 자극결정부가 상기 절대중심점 대비 상기 압력중심점의 위치 기반으로, 방향값과 자극세기를 산출하고, 상기 방향값을 기반으로 균형도를 피드백 해줄 수 있는 구동될 진동모듈을 결정하고, 상기 방향값을 기반으로 상기 압력중심점을 상기 절대중심점 측으로 복원시킬 수 있는 구동될 전기자극부를 결정하는 단계를 더 포함하며, 상기 제어하는 단계에서, 상기 제어부는 결정된 상기 진동모듈을 구동시키고 결정된 상기 전기자극부가 산출된 상기 자극세기로 구동되도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. And after the step of measuring the degree of balance, the stimulus determining unit calculates the direction value and the stimulus intensity based on the position of the center of pressure relative to the absolute center point, and the vibration to be driven that can feed back the degree of balance based on the direction value Further comprising the step of determining a module, and determining an electrical stimulation unit to be driven capable of restoring the center of pressure to the absolute center of gravity based on the direction value, wherein in the controlling step, the control unit controls the determined vibration module It may be characterized in that it is driven and controlled so that the determined electrical stimulation unit is driven with the calculated stimulation intensity.

또한 상기 자극세기는 상기 절대중심점과 측정된 상기 압력중심점과의 거리에 비례하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the stimulation strength may be characterized in that it is calculated in proportion to the distance between the absolute center point and the measured pressure center point.

그리고 복수의 압력센서의 위치와 상기 절대중심점을 기반으로 영역을 설정하고, 상기 영역에서 상기 절대중심점을 중심으로 하는 다수의 특정영역을 구획하고, 데이터베이스에는 상기 특정영역 마다의 자극값이 저장되며, 상기 자극결정부는 상기 압력중심값이 위치하게 되는 상기 특정영역에 대응하여 저장된 자극값을 상기 자극세기로 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다. And a region is set based on the positions of the plurality of pressure sensors and the absolute central point, a plurality of specific regions centered on the absolute central point are partitioned in the region, and the stimulus value for each specific region is stored in the database, The stimulus determining unit may be characterized in that it determines the stimulus value stored in response to the specific region in which the center of pressure value is located as the stimulus intensity.

본 발명의 실시예에 따른 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템에 따르면, 압력 센서 기반으로 사용자의 균형감을 실시간으로 측정하며 좌우방향(Medial-Lateral direction, ML) 및 앞뒤방향(Anterior-Posterior direction, AP) 의 균형감을 2차원적으로 파악이 가능하고, 사용자의 균형이 균형 중심에서 어느정도 벗어났을 경우 반대 방향으로의 균형 회복을 지시 혹은 강제하는 신호를 발생시켜 균형을 바로잡을 수 있는 효과를 갖는다. According to the assistance and training system through a sense of balance feedback according to an embodiment of the present invention, the user's sense of balance is measured in real time based on the pressure sensor, and the left and right directions (Medial-Lateral direction, ML) and the front-to-back direction (Anterior-Posterior direction, AP) ) can be grasped two-dimensionally, and when the user's balance is somewhat deviating from the center of balance, it has the effect of correcting the balance by generating a signal instructing or forcing the restoration of the balance in the opposite direction.

본 발명의 실시예에 따른 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템에 따르면, 진동모듈과 같이 균형감에 대한 정보를 단순 피드백을 통해 균형감 회복을 유도하는 방식과, 기능적 전기자극(Functional Electrical Stimulation)을 통한 직접적 근육 수축을 통해 균형감을 순간적으로 보조해줄 수 있으며, FES를 사용해 근육의 주동근-길항근을 동시에 자극해 순간적으로 관절 강성을 높여 균형감 및 안정성을 보조해줄 수 있고, 이러한 보조 및 훈련 기술은 일상적 지표면이나 균일하지 않은 지형, 크지 않은 경사면에서 모두 활용 가능한 장점이 있다. According to the assistance and training system through a sense of balance feedback according to an embodiment of the present invention, a method of inducing a sense of balance recovery through simple feedback, such as a vibration module, and a method of inducing a sense of balance through functional electrical stimulation A sense of balance can be instantly aided through muscle contraction, and the agonist-antagonist muscle of the muscle is stimulated at the same time using FES to instantly increase joint stiffness to aid balance and stability. It has the advantage of being able to use it on both unpretentious terrain and on a small slope.

본 발명의 실시예에 따른 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템에 따르면, 사용자는 실내/외 다양한 환경에서 균형감에 대한 훈련을 할 수 있고, 균형감 측정이 가능한 신발이나 양말 형태의 센서를 착용한 후 전기자극이나 진동 자극의 형태로 균형감을 피드백받을 수 있으며, 이러한 훈련을 통해 일상생활이나 여가생활에서의 운동 능력 향상을 기대할 수 있는 장점이 있다. According to the assistance and training system through a sense of balance feedback according to an embodiment of the present invention, a user can train for a sense of balance in various indoor/outdoor environments, and after wearing a sensor in the form of a shoe or socks that can measure the sense of balance, electricity A sense of balance can be fed back in the form of stimulation or vibration stimulation, and through this training, exercise ability in daily life or leisure life can be expected to be improved.

본 발명의 실시예에 따른 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템에 따르면, 필요한 경우, 훈련이 아닌 보조의 형태로 시스템의 사용이 가능하며, 균형의 중심 이동이 나타날 때 전기 및 진동 자극을 통해 반대 방향으로의 균형중심 이동을 유도하여 안정적 기립 상태를 보조해줄 수 있고 또한 순간적으로 주동근 및 길항근에 동시 자극을 주는 형태로 관절의 강성을 크게 높혀 기립상태를 보조할 수 있는, 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템을 제공하는데 목적이 있다. According to the assistance and training system through a sense of balance feedback according to an embodiment of the present invention, if necessary, the system can be used in the form of assistance rather than training, and when the center of balance moves in the opposite direction through electrical and vibration stimulation Assisting and training through a sense of balance feedback, which can assist in a stable standing state by inducing a movement of the center of balance to the The purpose is to provide a system.

본 발명의 실시예에 따른 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템에 따르면, 최소한의 부피를 갖고 의복과 일체화 되게 설계되어 있어 사용자가 일상생활에서 불편함이 없이 휴대 및 사용 가능하고, 고령인이나 만성 뇌졸중 환자와 같이 일상생활이 어느정도 가능하나 정교한 운동에서의 트레이닝 및 보조가 필요한 사람이나, 다양한 환경에서 균형감 피드백을 받아 보다 정확한 동작 구현을 목표로 하는 사람이나 선수 모두에게 활용이 가능한 장점이 있다. According to the assistance and training system through a sense of balance feedback according to an embodiment of the present invention, it has a minimum volume and is designed to be integrated with clothes, so that the user can carry and use it without inconvenience in daily life, and the elderly or chronic stroke It has the advantage that it can be used for both those who can perform daily life to some extent like patients, but who need training and assistance in sophisticated exercise, or those who aim to realize more accurate movements by receiving feedback on balance in various environments.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be able

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템의 구성을 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템의 작동방법의 흐름도,
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 FSR센서에 가해지는 압력에 의해 생성되는 저항관계그래프,
도 3b는 FSR 센서 회로 구성,
도 3c는 FSR 센서 계산식,
도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 무게중심 변화에 대응한 진동자극의 모식도,
도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 무게중심 복원을 위한 FES 자극의 모식도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 자극세기를 결정하기 위해, 절대중심점과 FSR센서 위치에 따라 다수의 특정영역을 구획된 영역의 예,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 자극세기를 결정하기 위한 중심거리기반 결정방법의 예,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 타원방정식을 이용한 원점 기준 자극세기 계산식을 나타낸 것이다.
The following drawings attached to the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the detailed description of the present invention, so that the present invention is limited only to the matters described in those drawings and should not be interpreted.
1 is a block diagram showing the configuration of an assistance and training system through a sense of balance feedback according to an embodiment of the present invention;
2 is a flowchart of a method of operating an assistance and training system through a sense of balance feedback according to an embodiment of the present invention;
Figure 3a is a graph of the resistance relationship generated by the pressure applied to the FSR sensor according to an embodiment of the present invention;
3b is an FSR sensor circuit configuration;
3c is an FSR sensor calculation formula;
Figure 4a is a schematic diagram of a vibration stimulus in response to a change in the center of gravity according to an embodiment of the present invention;
Figure 4b is a schematic diagram of FES stimulation for center of gravity restoration according to an embodiment of the present invention;
5 is an example of a region in which a plurality of specific regions are partitioned according to the absolute center point and the FSR sensor position in order to determine the stimulus strength according to an embodiment of the present invention;
6 is an example of a center distance-based determination method for determining the stimulus strength according to an embodiment of the present invention;
7 shows a formula for calculating the intensity of the stimulus based on the origin using the elliptic equation according to an embodiment of the present invention.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed subject matter may be thorough and complete, and that the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when a component is referred to as being on another component, it means that it may be directly formed on the other component or a third component may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, the thickness of the components is exaggerated for effective description of the technical content.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and/or plan views, which are ideal illustrative views of the present invention. In the drawings, thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content. Accordingly, the shape of the illustrative drawing may be modified due to manufacturing technology and/or tolerance. Therefore, embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in the form generated according to the manufacturing process. For example, the region shown at right angles may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have properties, and the shapes of the illustrated regions in the drawings are intended to illustrate specific shapes of regions of the device and not to limit the scope of the invention. In various embodiments of the present specification, terms such as first, second, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. The embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, the terms 'comprises' and/or 'comprising' do not exclude the presence or addition of one or more other components.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, various specific contents have been prepared to more specifically describe the invention and help understanding. However, a reader having enough knowledge in this field to understand the present invention may recognize that it can be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known and not largely related to the invention are not described in order to avoid confusion without any reason in describing the present invention.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템의 구성, 기능 및 그 작동방법에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, the configuration, function, and operation method of the assistance and training system through a sense of balance feedback according to an embodiment of the present invention will be described.

먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템의 구성을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템의 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다. First, Figure 1 is a block diagram showing the configuration of the assistance and training system through a sense of balance feedback according to an embodiment of the present invention. And Figure 2 shows a flowchart of an operation method of the assistance and training system through a sense of balance feedback according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템(100)은, 복수의 압력센서(10), 무게중심산출부(20), 자극결정부(30), 제어부(40), 데이터베이스(60), 진동모듈(51)과, 전기자극부(52)를 포함하는 피드백제공부(50) 등을 포함하여 구성될 수 있다. As shown in FIG. 1 , the assistance and training system 100 through a sense of balance feedback according to an embodiment of the present invention includes a plurality of pressure sensors 10 , a center of gravity calculation unit 20 , and a stimulus determination unit 30 . , a control unit 40 , a database 60 , a vibration module 51 , and a feedback providing unit 50 including an electrical stimulation unit 52 , and the like.

기능적 전기자극(Functional Electrical Stimulation, FES)는 특정 근육을 전기적으로 자극하여 수축시켜 원하는 움직임을 만들 수 있게 하는 기술이다. 본 발명의 실시예에 따른 전기자극부(52)는 하지의 근육에 적용되어 균형감에 대한 피드백 및 균형 보조를 하게 된다. 이때 한 관절에 대해 주동근(Agonist)과 길항근(Antagonist)을 모두 자극하는 Co-contraction을 해주게 되면 관절의 Stiffness를 증가시켜줄 수 있게 된다. Functional Electrical Stimulation (FES) is a technology that makes a desired movement by electrically stimulating and contracting a specific muscle. The electrical stimulation unit 52 according to an embodiment of the present invention is applied to the muscles of the lower extremities to provide feedback and balance assistance for a sense of balance. At this time, if co-contraction is performed to stimulate both the agonist and antagonist for one joint, the stiffness of the joint can be increased.

또한 진동모듈(51)을 활용한 진동 자극은 균형감의 현재 상태를 피드백하는 신호로 사용자에게 균형감 회복을 위한 지시용도로 사용한다. 그리고 본 발명의 실시예에 따른 균형감 피드백 및 보조 시스템(100)은 포터블한 형태로 구성되어 있어 하지에 고정되어 활용되게 된다. 좌측 하지(2)와 우측 하지(2)의 제어부(40)는 각각 1개씩 착용될 수 있으며, 두 제어부(40)끼리 무선 통신을 이용해 신호를 주고받도록 구성된다. In addition, the vibration stimulation using the vibration module 51 is used as a signal to feed back the current state of the sense of balance, and is used for instructing the user to restore the sense of balance. And the balance feedback and assistance system 100 according to an embodiment of the present invention is configured in a portable form and is fixed to the lower extremities to be utilized. Each of the controllers 40 of the left lower extremity 2 and the right lower extremity 2 may be worn one by one, and the two controllers 40 are configured to exchange signals using wireless communication.

복수의 압력센서(!0)는 착용형으로 인체의 발바닥 측에 복수로 설치되어 각각이 족압을 측정하도록 구성된다. 예를 들어 본 발명의 실시예에서는 좌, 우측 발바닥 각각에 대해 전방와, 후방의 압력센서가 적용되어 총 4개의 압력센서가 적용될 수 있다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 압력센서(10)는 FSR센서로 구성될 수 있다. The plurality of pressure sensors (!0) is a wearable type and is installed in plurality on the sole side of the human body to measure foot pressure, respectively. For example, in the embodiment of the present invention, the front and rear pressure sensors are applied to each of the left and right soles, so that a total of four pressure sensors may be applied. In addition, the pressure sensor 10 according to the embodiment of the present invention may be configured as an FSR sensor.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 무게중심 산출부(20)는, 복수의 압력센서(10)에서 측정된 압력값을 기반으로 균형도를 산출하도록 구성된다. 즉, 복수의 압력센서(10)에서 측정된 압력값을 기반으로 현재 압력중심점을 산출하게 된다. And the center of gravity calculation unit 20 according to the embodiment of the present invention is configured to calculate the balance based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors (10). That is, the current center of pressure is calculated based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors 10 .

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 FSR센서에 가해지는 압력에 의해 생성되는 저항관계그래프를 도시한 것이고, 도 3b는 FSR 센서 회로 구성, 도 3c는 FSR 센서 계산식을 나타낸 것이다. 3A is a graph showing a resistance relationship generated by a pressure applied to an FSR sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 3B is an FSR sensor circuit configuration, and FIG. 3C is a FSR sensor calculation formula.

도 3c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 양쪽 발에 장착되어있는 총 4개의 압력센서(10)를 이용해 사람의 현재의 압력중심점(Center of Pressure, CoP)을 구할 수 있으며, 사람의 좌우가 x 좌표, 전후가 y 좌표로 표기될 수 있다. 이때 각 압력센서(10)들에서 측정되는 압력의 차이로 인해 압력중심점(CoP)이 절대중심(0,0)에서 벗어나게 되고 벗어난 정도를 비교하여 자극의 입력으로 사용할 수 있다. As shown in FIG. 3C , in the embodiment of the present invention, a person's current Center of Pressure (CoP) can be obtained using a total of four pressure sensors 10 mounted on both feet, and the The left and right sides may be expressed as x-coordinates, and the front and back sides may be expressed as y-coordinates. At this time, the center of pressure (CoP) deviates from the absolute center (0, 0) due to the difference in pressure measured by each of the pressure sensors 10, and the degree of deviation can be compared and used as a stimulus input.

도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 무게중심 변화에 대응한 진동자극의 모식도를 도시한 것이다. 그리고 도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 무게중심 복원을 위한 FES 자극의 모식도를 도시한 것이다. 4A is a schematic diagram of a vibration stimulus in response to a change in the center of gravity according to an embodiment of the present invention. And Figure 4b shows a schematic diagram of the FES stimulation for the restoration of the center of gravity according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 기능적 전기자극부(52)는 인체의 근육 측에 부착되어 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 한다. 이러한 전기자극부(52)는 좌우 하지 각각에 대해 복수로 설치되게 된다. 또한 진동모듈(51)은 근육 측에 부착되어 근육에 진동을 인가시키도록 구성된다. 진동모듈(51) 역시 좌우 하지 각각에 대해 복수로 설치되어질 수 있다. The functional electrical stimulation unit 52 according to the embodiment of the present invention is attached to the muscle side of the human body and stimulates the muscle with an electrical signal to generate a torque to function as a muscle. These electrical stimulation units 52 are installed in plurality for each of the left and right lower extremities. In addition, the vibration module 51 is attached to the muscle side and is configured to apply vibration to the muscle. A plurality of vibration modules 51 may also be installed for each of the left and right lower extremities.

제어부(40)는 무게중심산출부(20)에서 산출된 균형도를 기반으로, 전기자극부(52) 및 진동모듈(51) 중 적어도 어느 하나를 구동하여 균형도에 대한 피드백을 제공하도록 제어하게 된다. The control unit 40 drives at least one of the electrical stimulation unit 52 and the vibration module 51 based on the balance calculated by the center of gravity calculation unit 20 to control to provide feedback on the balance. do.

구체적으로 무게중심산출부(20)는, 세팅모드에서 복수의 압력센서(10)에서 측정된 압력값을 기반으로 절대중심점을 측정하여 데이터베이스(60)에 저장시키게 된다. 그리고 훈련 보조모드에서 복수의 압력센서(10)에서 측정된 압력값을 기반으로 현재 압력중심점을 산출하게 된다. Specifically, the center of gravity calculation unit 20 measures the absolute center point based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors 10 in the setting mode and stores the measurement in the database 60 . And the current center of pressure is calculated based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors 10 in the training auxiliary mode.

그리고 자극결정부(30)는 절대중심점 대비 압력중심점의 위치 기반으로, 방향값과 자극세기를 산출하도록 구성된다. And the stimulus determining unit 30 is configured to calculate the direction value and the stimulus intensity based on the position of the pressure center point compared to the absolute center point.

또한, 자극결정부(30)는, 이러한 방향값을 기반으로 균형도를 피드백 해줄 수 있는 구동될 진동모듈(51)을 결정하고, 방향값을 기반으로 압력중심점을 절대중심점 측으로 복원시킬 수 있는 구동될 전기자극부(52)를 결정하게 된다. In addition, the stimulus determining unit 30 determines the vibration module 51 to be driven that can feed back the balance based on the direction value, and drives the pressure center point to the absolute center point side based on the direction value. The electrical stimulation unit 52 to be determined is determined.

그리고 제어부(40)는 자극결정부(30)에서 결정된 진동모듈(51)을 구동시키고 결정된 전기자극부(52)가 산출된 자극세기로 구동되도록 제어하게 된다. And the control unit 40 drives the vibration module 51 determined by the stimulation determining unit 30 and controls the determined electrical stimulation unit 52 to be driven with the calculated stimulation intensity.

진동 모듈(51)의 경우 자극이 필요한 방향을 안내하는 용도로 사용하기 때문에 예를 들어, 압력중심점이 치우쳐진 반대 방향으로 자극을 주어 균형 회복을 유도할 수 있다. In the case of the vibration module 51, since it is used for guiding the direction in which the stimulation is required, for example, it is possible to induce balance recovery by giving stimulation in the opposite direction to which the center of pressure is biased.

또한 전기자극부(52)의 경우 각 근육이 수축함에 따라 사람의 균형감이 달라지기 때문에 방향을 정해 그에 맞는 근육을 자극해 주어야 한다. In addition, in the case of the electrical stimulation unit 52, since a person's sense of balance changes as each muscle contracts, a direction must be determined to stimulate the appropriate muscle.

발목관절의 경우 예를 들면 앞정강근(Tibialis Anterior, TA)(3)과 가자미근(Soleus)(4)가 관여하는데, 앞정강근(3)이 수축하면 발목의 배측굴곡(Dorsiflexion)이 일어나 몸이 앞으로 기울게 되고 가자미근(4)이 수축하면 저측굴곡(Plantar flexion)이 일어나 몸이 뒤로 기울게 된다. In the case of the ankle joint, for example, the tibialis anterior (TA) (3) and soleus (4) are involved. When the tibialis anterior (3) contracts, dorsiflexion of the ankle occurs and the body moves forward. When the soleus muscle (4) contracts and tilts, plantar flexion occurs and the body tilts backward.

무릎 관절의 경우 대퇴직근, 대퇴이두근이 이러한 기능을 담당하며 대둔근 또한 균형 피드백의 자극 요소로 사용 가능하다. Co-contraction을 통한 균형감 보조를 할 때는 사용자가 원하는 때에 관절을 담당하는 근육 모두를 자극해 순간적인 강성 보조를 해주어 안정성을 부여할 수 있다. In the case of the knee joint, the rectus femoris and biceps femoris are responsible for these functions, and the gluteus maximus can also be used as a stimulating factor for balance feedback. When assisting with a sense of balance through co-contraction, when the user wants, it stimulates all the muscles in charge of the joint to provide instantaneous stiffness support to provide stability.

또한 진동모듈(51)과 전기자극부(52) 외에 추가적으로 사람에게 균형감에 대한 정보를 전달할 수 있는 Galvanic Vestibular Stimulation과 같은 장비는 족압 압력센서를 이용한 균형감 측정 알고리즘과 함께 사용 가능하다. In addition to the vibration module 51 and the electrical stimulation unit 52, equipment such as Galvanic Vestibular Stimulation that can additionally transmit information about a sense of balance to a person can be used together with a sense of balance measurement algorithm using a foot pressure sensor.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 자극세기를 결정하기 위해, 절대중심점과 FSR센서 위치에 따라 다수의 특정영역을 구획된 영역의 예를 도시한 것이다. 본 발명의 실시예에서는, 복수의 압력센서(10)의 위치와 절대중심점을 기반으로 최대영역을 설정하고, 이러한 최대영역에서 절대중심점을 중심으로 하는 다수의 특정영역을 구획하고, 데이터베이스에는 특정영역 마다의 자극값이 저장될 수 있다. 그리고 자극결정부(30)는 압력중심값이 위치하게 되는 특정영역에 대응하여 저장된 자극값을 자극세기로 결정하게 된다. 5 shows an example of a region in which a plurality of specific regions are partitioned according to the absolute center point and the FSR sensor position in order to determine the stimulus strength according to an embodiment of the present invention. In the embodiment of the present invention, a maximum area is set based on the positions of the plurality of pressure sensors 10 and an absolute center point, and a plurality of specific areas centered on the absolute center point are divided in this maximum area, and the specific area is included in the database. Each stimulus value may be stored. And the stimulus determining unit 30 determines the stimulus value stored in response to a specific region in which the center of pressure value is located as the stimulus intensity.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, x, y 좌표에서 벗어난 정도를 구획화하여, 자극을 위한 맵을 설계할 수 있음을 알 수 있다. 이때 압력중심점이 위치한 특정구역에 할당된 자극 세기에 따라 균형감 피드백이 제공되게 된다. That is, as shown in FIG. 5 , it can be seen that a map for stimulation can be designed by compartmentalizing the degree of deviation from the x and y coordinates. At this time, a sense of balance feedback is provided according to the stimulus intensity assigned to the specific area where the center of pressure is located.

예를 들어, 도 5에서 중간의 짙은 회색 구역은 균형이 잘 맞는다고 간주하여 피드백을 제공하지 않고, 옅은 회색 구역은 12시 방향부터 시계방향으로 각각 위쪽, 오른쪽, 아래쪽, 왼쪽의 센서에 모두 피드백이 제공된다. 무색 구역은 균형이 벗어난 정도에 비례하여 피드백이 제공되는데 특히 적색 구역에서는 강화된 피드백이 제공될 수 있다. For example, in Fig. 5, the middle dark gray area is considered well-balanced and does not provide feedback, and the light gray area provides feedback to the sensors on the upper, right, lower, and left sides, respectively, clockwise from 12 o'clock. this is provided In the colorless region, feedback is provided in proportion to the degree of out-of-balance, and in particular, in the red region, enhanced feedback may be provided.

또 다른 예로는 본 발명의 실시예에 따른 자극세기는 절대중심점과 측정된 압력중심점과의 거리에 비례하여 산출될 수 있다. As another example, the stimulation intensity according to an embodiment of the present invention may be calculated in proportion to the distance between the absolute center point and the measured center point of pressure.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 자극세기를 결정하기 위한 중심거리기반 결정방법의 예를 도시한 것이다. 그리고 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 타원방정식을 이용한 원점 기준 자극세기 계산식을 나타낸 것이다. 6 shows an example of a center distance-based determination method for determining a stimulus strength according to an embodiment of the present invention. And FIG. 7 shows a formula for calculating the magnetic pole intensity based on the origin using the elliptic equation according to an embodiment of the present invention.

도 6에 도시된 바와 같이 절대중심점에서 벗어난 정도를 계산해 자극의 총량을 결정할 수 있다. 절대중심점으로부터 현재 압력중심점까지의 거리는 균형이 무너진 정도라고 간주할 수 있기 때문에 이 값을 사용하여 자극의 총 세기를 결정하면 사용자에게 직관적인 균형감 피드백을 제공할 수 있다. As shown in FIG. 6 , the total amount of stimulation can be determined by calculating the degree of deviation from the absolute center point. Since the distance from the absolute center of gravity to the current center of pressure can be regarded as a degree of imbalance, using this value to determine the total strength of the stimulus can provide an intuitive sense of balance feedback to the user.

보다 구체적으로, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 타원방정식을 적용하여, 4개의 압력센서의 위치를 연결하는 영역과, 이러한 영역에 내접하게 되는 최대 타원을 정의하게 된다. 이러한 최대 타원에서 C2 = 1이 된다. More specifically, as shown in FIGS. 6 and 7 , an elliptic equation is applied to define a region connecting the positions of the four pressure sensors and a maximum ellipse inscribed in these regions. At this maximum ellipse, C 2 = 1.

그리고 최대 타원과 닯은꼴인 절대중심점에 근접한 최소 타원(C2 = Cmin 2)을 정의한다. 그리고 압력중심점에 의한 C2값이 1 이상인 경우(즉, 도 6에서 적색영역) 설정된 최대 자극값을 자극세기로 결정하게 된다. 그리고 C2값이 Cmin 2 이하인 경우(즉, 도 6에서 녹색영역)에는 균형도가 잘맞는다고 판단하여 자극을 주지 않도록 결정하게 된다. 또한 C2값이 Cmin 2을 초과하고 1 미만인 경우(즉, 도 6에서 흰색영역)에는 압력중심점의 절대중심점과의 x거리, y거리 값에 비례하여 자극세기가 결정되게 된다. And define the minimum ellipse (C 2 = C min 2 ) close to the absolute center point, which is similar to the maximum ellipse. And when the C 2 value due to the pressure center point is 1 or more (ie, the red region in FIG. 6 ), the set maximum stimulation value is determined as the stimulation strength. In addition, when the C 2 value is C min 2 or less (ie, the green area in FIG. 6 ), it is determined that the balance is well-matched, and thus the stimulus is not given. In addition, when the C 2 value exceeds C min 2 and is less than 1 (ie, the white region in FIG. 6 ), the stimulus intensity is determined in proportion to the x distance and y distance values of the pressure center point and the absolute center point.

이하에서는 균형감 피드백을 통해 보조 및 훈련 시스템의 작동방법에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, an operation method of the assistance and training system through the sense of balance feedback will be described.

먼저 앞서 언급한 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템(100)을 하지(2)측에 착용하게 된다(S1). 그리고 먼저 세팅모드를 실행하게 된다. 즉, 무게중심산출부(20)가 복수의 압력센서(10)에서 측정된 압력값을 기반으로 절대중심점을 측정하여 데이터베이스(60)에 저장시키게 된다(S2).First, the assistance and training system 100 through the aforementioned balance feedback is worn on the lower extremity (2) side (S1). And first, the setting mode is executed. That is, the center of gravity calculation unit 20 measures the absolute center point based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors 10 and stores it in the database 60 ( S2 ).

그리고 훈련, 보조 모드를 진행하게 된다(S3). Then, the training and auxiliary modes are performed (S3).

인체의 발바닥 측에 복수로 설치된 복수의 압력센서(10) 각각은 족압을 실시간으로 측정하게 되며(S4), 무게중심산출부(20)는 복수의 압력센서(10)에서 측정된 압력값을 기반으로 균형도를 산출하게 된다(S5). 즉, 훈련 보조모드에서 무게중심산출부(20)는 복수의 압력센서(10)에서 측정된 압력값을 기반으로 현재 압력중심점을 산출하게 된다. Each of the plurality of pressure sensors 10 installed on the sole side of the human body measures the foot pressure in real time (S4), and the center of gravity calculation unit 20 is based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors 10 to calculate the degree of balance (S5). That is, in the training assistance mode, the center of gravity calculation unit 20 calculates the current center of pressure based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors 10 .

그리고 자극결정부(30)는 절대중심점 대비 압력중심점의 위치 기반으로, 방향값과 자극세기를 산출하게 된다(S6). And the stimulus determining unit 30 calculates the direction value and the stimulus intensity based on the position of the pressure center point relative to the absolute center point (S6).

또한 산출된 방향값을 기반으로 균형도를 피드백 해줄 수 있는 구동될 진동모듈(51)을 결정하고, 방향값을 기반으로 압력중심점을 절대중심점 측으로 복원시킬 수 있는 구동될 전기자극부(52)를 결정하게 된다. 즉, 방향값을 기반으로 압력중심점을 절대중심점 측으로 복원시킬 수 있는 근육에 부착된 전기자극부(52)를 구동될 전기자극부(51)로 결정하게 된다(S7). In addition, based on the calculated direction value, the vibration module 51 to be driven that can feed back the balance is determined, and the electrical stimulation unit 52 to be driven that can restore the pressure center point to the absolute center point side based on the direction value is provided. will decide That is, based on the direction value, the electrical stimulation unit 52 attached to the muscle capable of restoring the center of pressure to the absolute center point is determined as the electrical stimulation unit 51 to be driven (S7).

그리고 제어부(40)는 결정된 진동모듈(51)을 구동시키고 결정된 전기자극부(52)가 산출된 자극세기로 구동되도록 제어하게 된다(S8). Then, the control unit 40 drives the determined vibration module 51 and controls the determined electrical stimulation unit 52 to be driven with the calculated stimulation intensity (S8).

자극세기는 앞서 언급한 바와 같이, 절대중심점과 측정된 압력중심점과의 거리에 비례하여 산출될 수 있다. As mentioned above, the stimulus intensity may be calculated in proportion to the distance between the absolute center point and the measured center point of pressure.

또는 복수의 압력센서(10)의 위치와 절대중심점을 기반으로 영역을 설정하고, 이러한 영역에서 절대중심점을 중심으로 하는 다수의 특정영역을 구획하고, 데이터베이스(60)에는 특정영역 마다의 자극값이 저장될 수 있다. 그리고 자극결정부(30)는 압력중심값이 위치하게 되는 특정영역에 대응하여 저장된 자극값을 자극세기로 결정할 수 있다. Alternatively, a region is set based on the positions of the plurality of pressure sensors 10 and the absolute center point, and a plurality of specific regions centered on the absolute central point in this region are divided, and the stimulus value for each specific region is stored in the database 60. can be saved. In addition, the stimulus determining unit 30 may determine the stimulus value stored in response to a specific region in which the center of pressure value is located as the stimulus intensity.

이러한 단계는 훈련 보조모드가 종료될 때까지 계속 진행된게 된다(S9).This step continues until the training auxiliary mode is terminated (S9).

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, in the apparatus and method described above, the configuration and method of the above-described embodiments are not limitedly applicable, but all or part of each embodiment is selectively combined so that various modifications can be made to the embodiments. may be configured.

2:하지
3:앞정강근
4:가자미근
10:압력센서
20:무게중심산출부
30:자극결정부
40:제어부
50:피드백제공부
51:진동모듈
52:전기자극부
60:데이터베이스
100:균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템
2: not
3: Anterior tibialis
4: soleus muscle
10: pressure sensor
20: center of gravity calculation unit
30: stimulus decision unit
40: control unit
50: Provide feedback
51: vibration module
52: electrical stimulation unit
60: database
100: Assisting and training system with balance feedback

Claims (12)

보조 및 훈련 시스템으로서,
착용형으로 인체의 발바닥 측에 복수로 설치되어 각각이 족압을 측정하는 복수의 압력센서;
상기 복수의 압력센서에서 측정된 압력값을 기반으로 균형도를 산출하는 무게중심 산출부;
인체의 근육 측에 부착되어 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부;
상기 근육 측에 부착되어 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동모듈; 및
산출된 상기 균형도를 기반으로, 상기 전기자극부 및 상기 진동모듈 중 적어도 어느 하나를 구동하여 균형도에 대한 피드백을 제공하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템.
An assistive and training system comprising:
A plurality of wearable pressure sensors installed on the sole side of the human body to measure foot pressure, respectively;
a center of gravity calculation unit for calculating a balance degree based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors;
an electrical stimulation unit attached to the muscle side of the human body to stimulate the muscle with an electrical signal to generate a torque to function as a muscle;
a vibration module attached to the muscle side to apply vibration to the muscle; and
Based on the calculated degree of balance, a control unit that drives at least one of the electrical stimulation unit and the vibration module to provide feedback on the degree of balance; assisting and training through a sense of balance feedback comprising a; system.
제 1항에 있어서,
상기 진동모듈과, 상기 전기자극부 각각은 복수로 부착되며,
상기 무게중심산출부는,
세팅모드에서 상기 복수의 압력센서에서 측정된 압력값을 기반으로 절대중심점을 측정하여 데이터베이스에 저장시키고, 훈련 보조모드에서 상기 복수의 압력센서에서 측정된 압력값을 기반으로 현재 압력중심점을 산출하는 것을 특징으로 하는 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템.
The method of claim 1,
Each of the vibration module and the electrical stimulation part is attached in plurality,
The center of gravity calculation unit,
In the setting mode, the absolute center point is measured based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors and stored in the database, and in the training auxiliary mode, the current center point is calculated based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors. Assisting and training systems with balanced feedback featuring.
제 2항에 있어서,
상기 절대중심점 대비 상기 압력중심점의 위치 기반으로, 방향값과 자극세기를 산출하는 자극결정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템.
3. The method of claim 2,
The assistance and training system through a sense of balance feedback, characterized in that it further comprises a; based on the position of the central point of pressure relative to the absolute central point, a stimulus determining unit for calculating a direction value and a stimulus intensity.
제 3항에 있어서,
상기 자극결정부는,
상기 방향값을 기반으로 균형도를 피드백 해줄 수 있는 구동될 진동모듈을 결정하고,
상기 방향값을 기반으로 상기 압력중심점을 상기 절대중심점 측으로 복원시킬 수 있는 구동될 전기자극부를 결정하는 것을 특징으로 하는 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템.
4. The method of claim 3,
The stimulus determining unit,
Determining a vibration module to be driven that can feed back a balance degree based on the direction value,
An assistance and training system through a sense of balance feedback, characterized in that it determines the electrical stimulation unit to be driven that can restore the center of pressure to the absolute center of gravity based on the direction value.
제 4항에 있어서,
상기 제어부는 결정된 상기 진동모듈을 구동시키고 결정된 상기 전기자극부가 산출된 상기 자극세기로 구동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템.
5. The method of claim 4,
The control unit drives the determined vibration module and controls the determined electrical stimulation unit to be driven with the calculated stimulation intensity.
제 5항에 있어서,
상기 자극세기는 상기 절대중심점과 측정된 상기 압력중심점과의 거리에 비례하여 산출되는 것을 특징으로 하는 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템.
6. The method of claim 5,
The stimulation strength is an assistance and training system through a sense of balance feedback, characterized in that calculated in proportion to the distance between the absolute center point and the measured center point of pressure.
제 5항에 있어서,
복수의 압력센서의 위치와 상기 절대중심점을 기반으로 영역을 설정하고, 상기 영역에서 상기 절대중심점을 중심으로 하는 다수의 특정영역을 구획하고, 데이터베이스에는 상기 특정영역 마다의 자극값이 저장되며,
상기 자극결정부는 상기 압력중심값이 위치하게 되는 상기 특정영역에 대응하여 저장된 자극값을 상기 자극세기로 결정하는 것을 특징으로 하는 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템.
6. The method of claim 5,
A region is set based on the positions of a plurality of pressure sensors and the absolute central point, a plurality of specific regions centered on the absolute central point are partitioned in the region, and stimulus values for each specific region are stored in the database,
The stimulation determining unit assists and training system through a sense of balance feedback, characterized in that for determining the stimulation strength stored in response to the specific region in which the center of pressure value is located.
보조 및 훈련 시스템의 작동방법으로서,
제1항에 따른 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템을 하지측에 착용하는 단계;
인체의 발바닥 측에 복수로 설치된 복수의 압력센서 각각이 족압을 측정하는 단계;
무게중심산출부가 상기 복수의 압력센서에서 측정된 압력값을 기반으로 균형도를 산출하는 단계; 및
제어부가 산출된 상기 균형도를 기반으로, 인체의 근육 측에 부착되어 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부, 및 상기 근육 측에 부착되어 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동모듈 중 적어도 어느 하나를 구동하여 균형도에 대한 피드백을 제공하도록 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템의 작동방법.
A method of operating an assistive and training system comprising:
Wearing the assisting and training system through a sense of balance feedback according to claim 1 on the lower extremity side;
Measuring the foot pressure by each of a plurality of pressure sensors installed in a plurality on the sole side of the human body;
calculating, by a center of gravity calculator, a balance degree based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors; and
An electrical stimulation unit attached to the muscle side of the human body to generate a torque by stimulating the muscle with an electrical signal to function as a muscle based on the calculated balance degree, and an electrical stimulation unit attached to the muscle side to vibrate the muscle Controlling to provide feedback on the degree of balance by driving at least one of the vibration modules that apply
제 8항에 있어서,
상기 착용하는 단계 후에,
상기 무게중심산출부가 세팅모드에서 복수의 압력센서에서 측정된 압력값을 기반으로 절대중심점을 측정하여 데이터베이스에 저장시키는 단계를 포함하고,
상기 균형도를 측정하는 단계는 훈련 보조모드에서 상기 복수의 압력센서에서 측정된 압력값을 기반으로 현재 압력중심점을 산출하는 것을 특징으로 하는 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템의 작동방법.
9. The method of claim 8,
After the wearing step,
Comprising the step of measuring the absolute center point based on the pressure value measured by the plurality of pressure sensors in the setting mode by the center of gravity calculation unit and storing it in a database,
Measuring the degree of balance comprises calculating the current center of pressure based on the pressure values measured by the plurality of pressure sensors in the training assistance mode.
제 9항에 있어서,
상기 균형도를 측정하는 단계 후에,
자극결정부가 상기 절대중심점 대비 상기 압력중심점의 위치 기반으로, 방향값과 자극세기를 산출하고, 상기 방향값을 기반으로 균형도를 피드백 해줄 수 있는 구동될 진동모듈을 결정하고, 상기 방향값을 기반으로 상기 압력중심점을 상기 절대중심점 측으로 복원시킬 수 있는 구동될 전기자극부를 결정하는 단계를 더 포함하며,
상기 제어하는 단계에서, 상기 제어부는 결정된 상기 진동모듈을 구동시키고 결정된 상기 전기자극부가 산출된 상기 자극세기로 구동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템의 작동방법.
10. The method of claim 9,
After measuring the balance,
Based on the position of the pressure center point relative to the absolute center point, the stimulus determining unit calculates a direction value and a stimulus strength, determines a vibration module to be driven that can feed back a balance based on the direction value, and based on the direction value Further comprising the step of determining the electrical stimulation unit to be driven that can restore the pressure center point to the absolute center point side,
In the controlling step, the control unit drives the determined vibration module and controls the determined electrical stimulation unit to be driven with the calculated stimulation intensity.
제 10항에 있어서,
상기 자극세기는 상기 절대중심점과 측정된 상기 압력중심점과의 거리에 비례하여 산출되는 것을 특징으로 하는 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템의 작동방법.
11. The method of claim 10,
The stimulation intensity is an operation method of an assistance and training system through a sense of balance feedback, characterized in that calculated in proportion to the distance between the absolute center point and the measured center point of pressure.
제 10항에 있어서,
복수의 압력센서의 위치와 상기 절대중심점을 기반으로 영역을 설정하고, 상기 영역에서 상기 절대중심점을 중심으로 하는 다수의 특정영역을 구획하고, 데이터베이스에는 상기 특정영역 마다의 자극값이 저장되며,
상기 자극결정부는 상기 압력중심값이 위치하게 되는 상기 특정영역에 대응하여 저장된 자극값을 상기 자극세기로 결정하는 것을 특징으로 하는 균형감 피드백을 통한 보조 및 훈련 시스템의 작동방법.

11. The method of claim 10,
A region is set based on the positions of a plurality of pressure sensors and the absolute central point, a plurality of specific regions centered on the absolute central point are partitioned in the region, and stimulus values for each specific region are stored in the database,
The method of operation of the assistance and training system through a sense of balance feedback, characterized in that the stimulus determination unit determines the stimulus value stored in response to the specific region in which the center of pressure value is located as the stimulus intensity.

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