KR20230092158A

KR20230092158A - 체중탈부하 지면보행 훈련 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20230092158A
Application number: KR1020210181279A
Authority: KR
Inventors: 김종현; 조용진; 권순철
Original assignee: 성균관대학교산학협력단; 대한민국(국립재활원장)
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2023-06-26

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치는, 사용자가 보행할 수 있도록 제공되는 트레드밀; 상기 사용자가 착용하는 하네스; 상기 트레드밀 너비 내에 포함되는, 지면과 평행한 선 상에서 상기 사용자의 상측 전단 및 후단 각각에 제공되는 제1 및 제2 각도측정부; 상기 제1 및 제2 각도측정부와 상기 하네스를 각각 연결하는 제1 및 제2 와이어; 힘을 생성하여 상기 제1 및 제2 와이어 각각에 상기 생성된 힘을 전달하는 제1 및 제2 구동부; 상기 제1 및 제2 와이어에 전달된 힘을 각각 측정하는 힘측정부; 및 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 각도측정부를 통해 지면에 수직한 선에 대해 상기 제1 및 제2 와이어가 각각 이루는 제1 및 제2 각도를 측정하고, 상기 측정된 제1 및 제2 각도를 이용하여 상기 제1 및 제2 와이어의 길이를 계산하며, 상기 측정된 제1 및 제2 각도 및 상기 계산된 제1 및 제2 와이어 길이를 이용하여 상기 사용자의 위치를 검출하고, 상기 검출된 사용자 위치를 기반으로 상기 와이어들의 움직임 및 상기 트레드밀의 속도를 제어하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에서는, 검출된 사용자 위치로 체중 부하 및 트레드밀의 속도를 유기적으로 제어할 수 있고, 추가적으로 사용자의 가동 범위를 확인함으로써, 사용자는 안전한 환경에서 자세 교정을 위한 실제와 같은 보행 연습이 가능하다.

Description

체중탈부하 지면보행 훈련 장치 및 방법{Body weight supported overground walking training device and method}

본 발명은 체중탈부하 지면보행 훈련 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 검출된 사용자 위치를 기반으로 체중 부하 및 보행 속도를 제어하는 체중탈부하 지면보행 훈련 장치 및 방법에 관한 것이다.

뇌졸중 환자에서 보행 기능의 회복은 재활 치료의 가장 중요한 목표 중 하나이다. 보행 기능의 회복을 위한 과제 지향적인 훈련은 환자가 최종 목표로 하는 동작과 최대한 비슷한 운동을 집중적으로 훈련할 수 있는 환경을 조성하여 운동 기술을 학습하게 한다. 이러한 훈련에 의해 뇌졸중이나 척추 손상 등 신경학적 손상이 있는 환자의 보행 기능이 향상될 수 있다.

보행 장애가 있는 환자를 대상으로 보행 훈련을 안전하면서도 반복적으로 수행하기 위해서는 치료사의 육체적 노력과 시간이 요구될 뿐 아니라 치료사의 숙련도 등에 따라서도 보행 운동의 재연성이 문제될 수 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해서 보행 훈련을 기계적으로 보조해 주는 로봇 보조 보행 장치에 대한 수요가 증가하고 있는 추세이며, 뇌졸중 환자에 있어서도 로봇 보조 보행 훈련의 효과가 꾸준히 보고되고 있다.

체중탈부하 혹은 트레드밀을 이용하는 보행 훈련이 수행되어져 왔으나, 여러 명의 치료사가 보조하여 환자의 자세나 움직임을 정상보행 패턴에 가깝게 유도해야 하는 등 여전히 과중한 업무가 요구되고, 환자 홀로 보행 훈련을 하는 것은 비대칭적인 보행 패턴을 야기시킬 수 있다. 또한, 기존의 체중탈부하 시스템의 경우 공간 및 비용 측면에서 효율적이지 않다는 점이 부담으로 작용하며, 트레드밀 상의 보행 훈련은 평지 보행 훈련과 다른 훈련 환경을 제공하기 때문에 심각한 보행 장애를 지닌 환자에게 임상적으로 적용함에 있어 한계가 존재한다. 이에 따라, 체중탈부하 지면보행 훈련 장치에 있어서 치료사의 업무량을 경감하면서도 환자가 안전하게 자연스러운 보행 패턴을 익힐 수 있게 하며, 공간 및 비용 측면에서 효율적으로 설치 가능한 훈련 장치가 필요하다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 환자가 안전하게 자연스러운 보행 패턴을 익힐 수 있도록 검출된 사용자 위치를 기반으로 체중 부하 및 보행 속도를 제어하는 체중탈부하 지면보행 훈련 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 특징에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치는, 사용자가 보행할 수 있도록 제공되는 트레드밀; 상기 사용자가 착용하는 하네스; 상기 트레드밀 너비 내에 포함되는, 지면과 평행한 선 상에서 상기 사용자의 상측 전단 및 후단 각각에 제공되는 제1 및 제2 각도측정부; 상기 제1 및 제2 각도측정부와 상기 하네스를 각각 연결하는 제1 및 제2 와이어; 힘을 생성하여 상기 제1 및 제2 와이어 각각에 상기 생성된 힘을 전달하는 제1 및 제2 구동부; 상기 제1 및 제2 와이어에 전달된 힘을 각각 측정하는 힘측정부; 및 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 각도측정부를 통해 지면에 수직한 선에 대해 상기 제1 및 제2 와이어가 각각 이루는 제1 및 제2 각도를 측정하고, 상기 측정된 제1 및 제2 각도를 이용하여 상기 제1 및 제2 와이어의 길이를 계산하며, 상기 측정된 제1 및 제2 각도 및 상기 계산된 제1 및 제2 와이어 길이를 이용하여 상기 사용자의 위치를 검출하고, 상기 검출된 사용자 위치를 기반으로 상기 와이어들의 움직임 및 상기 트레드밀의 속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 특징에 따른 트레드밀, 상기 트레드밀 너비 내에 포함되는, 지면과 평행한 선 상에서 사용자의 상측 전단 및 후단 각각에 제공되는 제1 및 제2 각도측정부, 하네스 및 상기 제1 및 제2 각도측정부와 상기 사용자가 착용한 하네스를 각각 연결하는 제1 및 제2 와이어를 포함하는 체중탈부하 지면보행 훈련 장치를 이용한 체중탈부하 지면보행 훈련 방법은, 지면에 수직한 선에 대해 상기 제1 및 제2 와이어가 각각 이루는 제1 및 제2 각도를 측정하는 단계; 상기 측정된 제1 및 제2 각도를 이용하여 상기 제1 및 제2 와이어의 길이를 계산하는 단계; 상기 측정된 제1 및 제2 각도 및 상기 계산된 제1 및 제2 와이어 길이를 이용하여 상기 사용자의 위치를 검출하는 단계; 상기 검출된 사용자의 위치를 기반으로 상기 와이어들의 움직임 및 상기 트레드밀의 속도를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제3 특징에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련을 제공하기 위해 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있으며, 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 기록매체는, 본 발명의 제2 특징에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치 및 방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.

다수의 와이어가 아닌 2개의 와이어를 통해 체중 부하를 제어함으로써 체중탈부하 시스템에 대한 설치 공간이 트레드밀이 차지하는 공간과 비슷한 정도가 되어 공간 효율이 높아진다.

2개의 와이어 각각의 길이 및 상기 와이어들이 기준 수직선과 각각 이루는 각도를 활용하여 사용자의 위치를 검출하여 이에 기반하여 체중 부하 및 트레드밀의 속도를 제어하므로 경제적인 센싱이 가능하여 비용적 측면에서 유리하다.

검출된 사용자 위치로 체중 부하 및 트레드밀의 속도를 유기적으로 제어할 수 있고, 추가적으로 사용자의 가동 범위를 확인함으로써, 사용자는 안전한 환경에서 자세 교정을 위한 실제와 같은 보행 연습이 가능하며, 치료사의 업무량은 경감된다.

2개의 연결 바를 포함한 골반 형태의 하네스를 사용함으로써 체중탈부하 시스템의 요구 높이를 낮춰 공간 효율을 높이고, 진자 효과 감소 및 골반 회전 허용을 통해 사용자가 자연스러운 보행 패턴을 익히는데 도움이 된다.

도 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치의 동작에 대한 이해를 돕기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 방법에 대한 플로우차트이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치에서 체중탈부하와 관련된 구성들을 보다 구체적으로 도시한 개략적인 설계도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 힘측정부를 보다 구체적으로 도시한 개략적인 설계도이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 각도측정부를 보다 구체적으로 도시한 개략적인 설계도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치를 제어하는 시스템을 간략화하여 나타낸 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 트레드밀에 관한 속도 제어 블록 다이어그램이다.
도 4c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하에 관한 힘 제어 블록 다이어그램이다.
도 4d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하부와 트레드밀부의 유기적 제어에 관한 블록 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사용자의 가동 범위에 대한 이해를 돕기 위해 도시한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 골반 형태의 하네스를 오버헤드 형태의 하네스와 비교 설명을 하기 위한 도면이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 2개의 연결 바를 포함한 골반 형태의 하네스를 착용한 사용자를 측면 및 상측에서 바라본 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지면보행과 관련한 지표 측정을 위한 실험 셋업 모습을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 트레드밀로 수행하는 훈련 프로토콜을 도시한 도면이다.
도 9은 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하와 종래 체중탈부하 방식 간의 힘 제어 성능을 비교한 표이다.
도 10는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 정도에 따른 사용자의 위치 오차를 나타낸 표이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치를 사용한 경우 골반 이동 및 회전에 관하여 측정한 데이터를 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치를 사용한 경우 질량에 관하여 측정한 데이터를 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명에 대해서 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치의 동작에 대한 이해를 돕기 위해 도시한 도면이다.

도 1a 및 도 1b을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치(100)는, 사용자가 보행할 수 있도록 제공되는 트레드밀(110); 상기 사용자가 착용하는 하네스(120); 상기 트레드밀(110) 너비 내에 포함되는, 지면과 평행한 선 상에서 상기 사용자의 상측 전단 및 후단 각각에 제공되는 제1 및 제2 각도측정부(130a,130b); 상기 제1 및 제2 각도측정부(130a,130b)와 상기 하네스(120)를 각각 연결하는 제1 및 제2 와이어(140a,140b); 힘을 생성하여 상기 제1 및 제2 와이어(140a,140b) 각각에 상기 생성된 힘을 전달하는 제1 및 제2 구동부(150a,150b); 상기 제1 및 제2 와이어(140a,140b)에 전달된 힘을 각각 측정하는 힘측정부(160a,160b); 및 제어부(미도시)를 포함하고, 상기 제어부(미도시)는, 상기 제1 및 제2 각도측정부(130a,130b)를 통해 지면에 수직한 선에 대해 상기 제1 및 제2 와이어(140a,140b)가 각각 이루는 제1 및 제2 각도(12,14)를 측정하고, 상기 측정된 제1 및 제2 각도(12,14)를 이용하여 상기 제1 및 제2 와이어의 길이(22,24)를 계산하며, 상기 측정된 제1 및 제2 각도(12,14) 및 상기 계산된 제1 및 제2 와이어 길이(22,24)를 이용하여 상기 사용자의 위치(p)를 검출하고, 상기 검출된 사용자 위치(p)를 기반으로 상기 와이어들(140a,140b)의 움직임 및 상기 트레드밀(110)의 속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 방법에 대한 플로우차트이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 트레드밀(110), 상기 트레드밀(110) 너비 내에 포함되는, 지면과 평행한 선 상에서 사용자의 상측 전단 및 후단 각각에 제공되는 제1 및 제2 각도측정부(130a,130b), 하네스(120) 및 상기 제1 및 제2 각도측정부(130a,130b)와 상기 사용자가 착용한 하네스(120)를 각각 연결하는 제1 및 제2 와이어(140a,140b)를 포함하는 체중탈부하 지면보행 훈련 장치(100)를 이용한 체중탈부하 지면보행 훈련 방법(200)은, 지면에 수직한 선에 대해 상기 제1 및 제2 와이어(140a,140b)가 각각 이루는 제1 및 제2 각도(12,14)를 측정하는 단계(210); 상기 측정된 제1 및 제2 각도(12,14)를 이용하여 상기 제1 및 제2 와이어(140a,140b)의 길이(22,24)를 계산하는 단계(220); 상기 측정된 제1 및 제2 각도(12,14) 및 상기 계산된 제1 및 제2 와이어 길이(22,24)를 이용하여 상기 사용자의 위치(p)를 검출하는 단계(230); 상기 검출된 사용자의 위치(p)를 기반으로 상기 와이어들(140a,140b)의 움직임 및 상기 트레드밀(110)의 속도를 제어하는 단계(240)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치를 제어하는 시스템을 간략화하여 나타낸 도면이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 트레드밀에 관한 속도 제어 블록 다이어그램이다.

상기 수학식1 내지 수학식3에 있어서, v_c는 트레드밀 속도, x는 사용자(피험자)의 위치,

는 관측기(observer)에서 예측한 보행속도로서, 사용자의 위치 및 속도 관측기(velocity observer)의 내부 상태(internal state, ξ)에 비례하고, x_ref는 중립(neutral) 위치이며, k_pos, k_a및 k_obv는 제어기 이득(gain)에 해당한다.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 일반적인 지면보행 훈련과 상당히 흡사한 환경을 조성하기 위한 트레드밀의 동작 구현을 위하여 트레드밀 상의 사용자 위치 정보의 획득이 요구된다. 보다 상세하게는, 사용자의 위치에 기반하여 트레드밀의 가속 혹은 감속이 결정되고(수학식3 참조), 트레드밀의 속도에 따라 x_ref는 변화되며, 사용자가 보행 훈련 중 전방으로 이동하여 트레드밀의 속도가 증가하면 x_ref도 전방으로 이동하게 되어 트레드밀의 범위 내에서 사용자가 자연스럽게 가속 혹은 감속할 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 체중탈부하 지면보행 훈련 장치는 도 1a와 같은 구성일 수 있다. 본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 도 1a와 같은 구성을 예시로서 제시하고 있으나 본 발명의 핵심 사상의 구현에 있어서 추가적인 다른 형태의 실시도 가능할 수 있다는 점이 본 발명 분야의 통상적인 기술자들에게 충분히 이해될 수 있을 것이다.

다시 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 제1 및 제2 각도측정부(130a,130b)는 사용자의 상측으로 소정 수직 거리 떨어진 위치에 사용자를 기준으로 전단 및 후단에 각각 하나씩 배치될 수 있고, 상기 제1 및 제2 각도측정부(130a,130b)는 트레드밀(110)의 너비 내에 포함되는, 지면과 평행한 선 상에 소정 거리(d)를 두고 제공될 수 있다. 다시 말해서, 제1 및 제2 각도측정부(130a,130b)는 사용자의 상측으로 소정 수직 거리 떨어진 동일한 높이의 위치에 서로 소정 거리(d) 이격되어 제공되되, 하나는 사용자 전단, 다른 하나는 사용자 후단에 배치될 수 있다. 참고로 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 트레드밀(110)의 너비는 일반적으로 한 명의 사용자가 자연스러운 보행 훈련을 수행함에 있어서 불편함이 없는 정도의 폭 길이에 해당할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 사용자의 위치(p)는 다음과 같이 측정 가능하다.

상기 수학식4를 통하여 사용자의 위치(p)는 와이어의 길이(22) 및 각도(12)로 검출할 수 있으며, 상기 검출된 사용자의 위치(p)는 트레드밀 속도 제어법칙인 수학식3의 입력으로 활용되어 사용자에게 지면보행 훈련을 제공할 수 있다. 여기서, 도 1b에 표기된 L₁및 L₂는 본 명세서 전체에서 l₁및 l₂와 동일한 파라미터에 해당한다.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 도 1b를 참조하면, l₁및 l₂는 제1 및 제2 와이어(140a,140b)의 길이(22,24)에 해당하고, θ₁및 θ₂는 제1 및 제2 각도측정부(130a,130b)로 측정된, 지면에 수직한 선에 대해 상기 제1 및 제2 와이어(140a,140b)가 이루는 제1 및 제2 각도(12,14)에 해당한다. 또한, 와이어들의 길이(22,24)는 결정된 설계파라미터(L,H,d)로부터 사인법칙을 적용해 구할 수 있으며, L 및 H는 체중탈부하 지면보행 훈련 장치의 길이 및 높이에 해당하고, d는 제1 및 제2 각도측정부 간의 거리에 해당할 수 있다. 이러한 상기 장치의 길이 및 높이는 트레드밀(110)의 크기와 사용자의 신장을 고려하여 공간 효율적으로 설계된 파라미터에 해당할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 도 1b에는 설명의 편의를 위해 상기 수학식4의 l_sys 값이 일측의 힘측정부(160a)와 각도측정부(130a) 사이의 거리로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 상술한 바와 같이 결정된 설계파라미터(L,H,d)로부터 산출되는 값일 수도 있고, 사용자의 위치(p)를 검출함에 있어서 체중탈부하 지면보행 훈련 장치(100)의 위치 판단 기준점을 기준으로 위치가 특정될 수 있도록 하는 소정의 값에 해당할 수도 있다는 점에 유의해야 한다.

도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치에서 체중탈부하와 관련된 구성들을 보다 구체적으로 도시한 개략적인 설계도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 힘측정부를 보다 구체적으로 도시한 개략적인 설계도이며, 도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 각도측정부를 보다 구체적으로 도시한 개략적인 설계도이다.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 보다 상세하게는, 제1 및 제2 각도측정부(130a,130b)는 와이어 각도를 측정하는 엔코더(132) 및 와이어에 제공된 힘을 측정하는 소형 로드셀(134)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 구동부(150a,150b)는 모터를 포함하여 구성될 수 있고, 힘측정부(160a,160b)는 로드셀을 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 일측에 제공되는 각도측정부(130a)와 힘측정부(160a) 사이에는 아이들러(170a)가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치는 x 및 z방향의 힘에 대한 측정 및 제어가 가능하고, 도 3c와 같이 소형 인장/압축 로드셀을 배치함으로써 3차원 움직임인 보행에 있어서 y방향의 힘 또한 측정 가능하다.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 와이어들(140a,140b)의 움직임에 대한 제어는 검출된 사용자의 위치(p)를 기반으로 탈부하힘(F)(30)을 산출하고, 상기 산출된 탈부하힘(30) 및 상기 측정된 제1 및 제2 각도(12,14)를 이용하여 상기 제1 및 제2 와이어(140a,140b)에 각각 전달될 힘 (F₁,F₂)(32,34)을 산출하여 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 체중탈부하와 관련하여 와이어들(140a,140b)에 작용되는 2개의 힘 벡터가 탈부하힘(unloading force)을 생성한다. 도 1b를 참조하면, z방향의 설정된 목표 힘(desired force)은 탈부하힘(F)(30)으로, x방향의 설정된 목표 힘은 0으로 설정할 수 있다. 체중 부하에 있어서 z방향 아닌 다른 방향(x방향 또는 y방향)으로 힘이 작용될 경우 신체 균형 및 보행에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 이에 따라, 각각의 와이어(140a,140b)에 전달되어야 하는 힘(F₁,F₂)(32,34)은 하기의 수학식들로 계산될 수 있다.

도 4c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하에 관한 힘 제어 블록 다이어그램이며, 여기서, F_d는 요구되는 힘, F_h는 사용자의 움직임으로 인해 발생하는 힘, F는 힘측정부에서 측정한 힘, 및 F_e는 힘 오차로 F_d- F를 의미한다. 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 각각의 와이어(140a,140b)에 전달될 힘의 산출은 사용자의 움직임으로 인해 발생하는 힘의 영향을 반영하여 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치 및 방법은 지면에 수직한 선에 대해 상기 제1 및 제2 와이어가 각각 이루는 제1 및 제2 각도를 측정하고, 상기 측정된 제1 및 제2 각도를 이용하여 상기 제1 및 제2 와이어의 길이를 계산하며, 상기 측정된 제1 및 제2 각도 및 상기 계산된 제1 및 제2 와이어 길이를 이용하여 상기 사용자의 위치를 검출하고, 상기 검출된 사용자 위치를 기반으로 체중탈부하 관련 와이어들의 움직임을 제어하고 트레드밀 관련 그 속도를 제어함으로써, 체중 부하 및 트레드밀의 속도를 동시에 유기적으로 제어할 수 있는 효과를 달성할 수 있다. 참고로, 도 4d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하부(420)와 트레드밀부(410)의 유기적 제어에 관한 블록 다이어그램을 나타내며, 체중탈부하부(420)를 통해 검출된 사용자의 위치(x)는 트레드밀부(410)의 속도 제어 알고리즘의 입력 값으로 사용된다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사용자의 가동 범위에 대한 이해를 돕기 위해 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치(100)의 제어부(미도시)는 사용자의 가동 범위를 판단하여 검출된 사용자의 위치가 상기 판단된 가동 범위를 이탈한 경우 와이어들의 움직임을 상기 사용자가 낙상하지 않도록 제어함과 동시에 트레드밀의 속도를 0으로 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 방법(200)의 제어 단계(240)는 사용자의 가동 범위를 판단하는 단계를 추가적으로 포함하여 검출된 사용자의 위치가 상기 판단된 가동 범위를 이탈한 경우 와이어들의 움직임을 상기 사용자가 낙상하지 않도록 제어함과 동시에 트레드밀의 속도를 0으로 제어할 수 있다.

도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 이러한 사용자의 가동 범위에 대한 판단은 상기 사용자의 하네스 착용 위치 및 트레드밀의 보행 방향 길이에 기반하여 이루어질 수 있다. 사용자의 가동 범위는 수평에 대한 한계 범위(510)와 수직에 대한 한계 범위(520)를 포함할 수 있다. 수평에 대한 한계 범위(510)는 트레드밀의 보행 방향 길이와 연관되어 설정될 수 있고, 수직에 대한 한계 범위(520)는 사용자의 하네스 착용 위치, 즉, 하네스가 위치한 높이와 연관되어 설정될 수 있다.

상술한 바와 같이, 수평에 대한 한계 범위(510) 및 수직에 대한 한계 범위(520)가 설정되어 이를 통해 가동 범위를 판단하여 검출된 사용자 위치가 상기 가동 범위 내에 존재하지 않는 경우 체중탈부하 지면보행 훈련 장치는 사용자의 낙상을 방지하기 위해 와이어들을 제어하고 그와 동시에 트레드밀의 속도를 0으로 제어할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 탈부하 정도는 사용자의 몸무게를 초과하지 않는 범위 내에서 최대로 설정할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 사용자가 낙상하지 않도록 하는 탈부하 범위 내의 소정 정도로 설정할 수도 있을 것이다.

이와 같이, 본 발명의 체중탈부하 지면보행 훈련 장치는 사용자의 가동 범위를 확인하여 사용자의 낙상을 방지함으로써, 사용자는 안전한 환경에서 자세 교정을 위한 실제와 같은 보행 연습이 가능하며, 치료사의 업무량은 경감되는 효과가 발생한다.

도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 골반 형태의 하네스(pelvic type harness)를 오버헤드 형태의 하네스(overhead type harness)와 비교 설명을 하기 위한 도면이고, 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 2개의 연결 바를 포함한 골반 형태의 하네스(pelvic type harness)를 착용한 사용자를 측면 및 상측에서 바라본 도면이다.

도 6a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치의 하네스(120)는 골반 형태의 하네스(pelvic type harness)일 수 있다. 와이어들(140a,140b)에 전달된 힘은 하네스(120, harness)를 착용한 사용자에게 전달된다. 오버헤드 형태의 하네스와 비교하여 골반 형태의 하네스를 사용할 경우에는 힘의 작용점이 사용자의 질량중심(p)과 가깝게 되어 진자 효과(pendulum effect)가 감소되고, 또한 체중탈부하부의 높이를 줄일 수 있어 결국 체중탈부하 지면보행 훈련 장치의 전체 부피가 감소하는 효과가 발생한다.

도 6b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치의 하네스(120)는 골반 형태의 하네스(pelvic type harness)와 연결되고 상기 하네스를 착용한 사용자의 앞뒤 각각에 사용자와 이격되어 제공되는 두 개의 하네스 연결 바(610a,610b, harness connection bar)를 추가적으로 포함할 수 있다.

와이어들(140)을 사용자가 골반에 착용한 하네스(120)에 직접 연결할 경우 보행 훈련 시 사용자의 자연스러운 골반 움직임을 방해하게 된다. 이에 따라, 하네스(120)와 연결되면서 사용자와 소정 거리 이격되어 앞과 뒤에 각각 제공되는 두 개의 하네스 연결 바(610a,610b)에 제1 및 제2 와이어(140a,140b)를 각각 연결함으로써 골반 회전을 허용하여 사용자가 자연스러운 보행 패턴을 익힐 수 있도록 한다.

이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치를 이용한 실험 수행 과정 및 결과에 대해서 설명하도록 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지면보행과 관련한 지표 측정을 위한 실험 셋업 모습을 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 지면보행과 관련한 지표는 다음을 포함한다. 1) 체중탈부하 정확도를 평가하기 위한 힘 제어 오차, 2) 지면보행 훈련 모사 정확도를 평가하기 위한 사용자의 위치 오차, 3) 자연스러운 골반의 움직임을 평가하기 위한 골반의 좌우 이동(translation) 및 회전(rotation), 및 4) 보행역학(walking dynamics).

사용자의 위치 오차는 모션 캡쳐 카메라로 측정한 위치 및 체중탈부하부를 통해 측정한 위치를 비교하였고, 골반의 움직임은 골반의 해부학적인 위치에 3D 반사 마커(3D reflective marker)를 부착하여 측정하였고, 오차는 평균 제곱근 오차(RMSE, root mean square error)로 계산하였다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 트레드밀로 수행하는 훈련 프로토콜을 도시한 도면이다.

지면보행 훈련 모사가 가능한 트레드밀은 사용자의 위치에 따라 트레드밀의 속도가 변화하므로 다음의 2가지 훈련 프로토콜이 고려될 수 있다. 1) 사용자가 선호하는 속도로 제자리 보행, 및 2) 앞뒤로 움직이며 가감속하는 보행. 상기 2가지 훈련 프로토콜과 5종류의 다른 탈부하힘(unloading force) 조건 하에서 정상인을 대상으로 성능을 평가하였다.

도 9은 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하와 종래 체중탈부하 방식 간의 힘 제어 성능을 비교한 표이다.

z방향 외의 다른 방향으로 작용하는 힘(undesired force)은 보행 패턴에 영향을 줄 수 있으므로 작을수록 바람직한 바, 본 발명에 따른 훈련 장치가 z방향 외의 다른 방향으로 작용하는 힘이 가장 작다는 것을 알 수 있다.

도 10는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 정도에 따른 사용자의 위치 오차를 나타낸 표이다.

사용자의 위치를 비교해본 결과 가장 낮은 탈부하 정도에서도 오차가 10mm 보다 작으므로 본 발명에 따른 훈련 장치에 의한 위치 측정이 상용적으로 많이 사용되는 모션 센서의 정확도(13mm 정도)보다 우월하다는 것을 알 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치를 사용한 경우 골반 이동 및 회전에 관하여 측정한 데이터를 도시한 그래프이고, 도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체중탈부하 지면보행 훈련 장치를 사용한 경우 질량에 관하여 측정한 데이터를 도시한 그래프이다.

본 발명의 목적 중 하나는 사용자 몸무게의 일부를 보조함으로써 지면보행 훈련을 하는 사용자의 신체 균형을 유지할 수 있게 하여 사용자가 보행 패턴 학습에 집중할 수 있도록 만드는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 훈련 장치가 사용자의 보행 패턴 학습에 미치는 영향을 파악하기 위해 골반 움직임(이동, 회전)과 보행역학을 제자리 보행 및 앞뒤로 움직이는 보행의 2가지 보행 조건에서 비교하였다.

도 11을 참조하면, 골반 움직임은 탈부하 힘이 증가할 때 점점 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 보행 속도가 빨라졌기 때문이다. 탈부하 힘이 증가할 때 보행 속도가 증가하였고, 탈부하 힘이 낮을 때 자연스러운 골반 움직임의 기준 값과 비슷한 결과를 보였으므로 본 발명 훈련 장치는 훈련하는 사용자가 자연스럽게 골반을 움직일 수 있도록 도움을 준다는 사실을 알 수 있다. 참고로, 도 11 그래프의 가로축 각 항목에서 좌측이 제자리 보행, 우측이 앞뒤로 움직이는 보행을 나타내며, 점선은 자연스러운 골반 움직임의 기준 값을 의미한다.

도 12를 참조하면, 정의된 보행역학 중 질량과 관련하여, 제자리 보행 및 앞뒤로 움직이는 보행 사이에 통계학적으로 유의미한 차이가 없었으며, 이는 사용자가 앞뒤로 움직이는 보행과 같은 동적(dynamic)인 보행을 하더라도 추가적인 관성(inertia)이 생성되지 않는다는 것을 의미한다. 참고로, 도 12의 그래프의 가로축 각 항목에서 좌측이 제자리 보행, 우측이 앞뒤로 움직이는 보행을 나타낸다.

한편, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.

다양한 변형예가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에 기술되고 예시된 구성 및 방법으로 만들어질 수 있으므로, 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 예시적인 실시예에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구 범위 및 그 균등물에 따라서만 정해져야 한다.

12,14: 제1 및 제2 각도 22,24: 제1 및 제2 와이어 길이
30: 탈부하힘 32,34: 제1 및 제2 와이어가 받는 힘
110: 트레드밀 120: 하네스
130a,130b: 제1 및 제2 각도측정부 132: 엔코더
134: 소형 로드셀 140a,140b: 제1 및 제2 와이어
150a,150b: 제1 및 제2 구동부 160: 힘측정부
170a,170b: 아이들러 410: 트레드밀부
420: 체중탈부하부 510: 수평 한계 범위
520: 수직 한계 범위 610a,610b: 하네스 연결 바

Claims

체중탈부하 지면보행 훈련 장치에 있어서,
사용자가 보행할 수 있도록 제공되는 트레드밀;
상기 사용자가 착용하는 하네스;
상기 트레드밀 너비 내에 포함되는, 지면과 평행한 선 상에서 상기 사용자의 상측 전단 및 후단 각각에 제공되는 제1 및 제2 각도측정부;
상기 제1 및 제2 각도측정부와 상기 하네스를 각각 연결하는 제1 및 제2 와이어;
힘을 생성하여 상기 제1 및 제2 와이어 각각에 상기 생성된 힘을 전달하는 제1 및 제2 구동부;
상기 제1 및 제2 와이어에 전달된 힘을 각각 측정하는 힘측정부; 및 제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 제1 및 제2 각도측정부를 통해 지면에 수직한 선에 대해 상기 제1 및 제2 와이어가 각각 이루는 제1 및 제2 각도를 측정하고, 상기 측정된 제1 및 제2 각도를 이용하여 상기 제1 및 제2 와이어의 길이를 계산하며, 상기 측정된 제1 및 제2 각도 및 상기 계산된 제1 및 제2 와이어 길이를 이용하여 상기 사용자의 위치를 검출하고, 상기 검출된 사용자 위치를 기반으로 상기 와이어들의 움직임 및 상기 트레드밀의 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 훈련 장치.
제1항에 있어서,
상기 와이어들의 움직임에 대한 제어는 상기 검출된 사용자의 위치를 기반으로 탈부하힘을 산출하고, 상기 산출된 탈부하힘 및 상기 측정된 제1 및 제2 각도를 이용하여 상기 제1 및 제2 와이어에 각각 전달될 힘을 산출하여 수행되는 것을 특징으로 하는 훈련 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 사용자의 가동 범위를 판단하여 상기 검출된 사용자의 위치가 상기 판단된 가동 범위를 이탈한 경우 상기 와이어들의 움직임을 상기 사용자가 낙상하지 않도록 제어함과 동시에 상기 트레드밀의 속도를 0으로 제어하는 것을 특징으로 하는 훈련 장치.
제3항에 있어서,
상기 사용자의 가동 범위에 대한 판단은 상기 사용자의 상기 하네스 착용 위치 및 상기 트레드밀의 보행 방향 길이에 기반하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 훈련 장치.
제1항에 있어서,
상기 하네스는 골반 형태의 하네스(pelvic type harness)인 것을 특징으로 하는 훈련 장치.
제5항에 있어서,
상기 하네스는, 상기 하네스와 연결되고 상기 하네스를 착용한 사용자의 앞뒤 각각에 사용자와 이격되어 제공되는 두 개의 하네스 연결 바(harness connection bar)를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 훈련 장치.
제1항에 있어서,
체중탈부하부는 상기 제1 및 제2 각도측정부, 상기 제1 및 제2 와이어, 상기 제1 및 제2 구동부, 상기 힘측정부 및 상기 하네스를 포함하고, 트레드밀부는 상기 트레드밀을 포함하며,
상기 체중탈부하부를 통해 상기 검출된 사용자 위치는 상기 트레드밀부의 속도 제어 알고리즘의 입력 값으로 사용되어 상기 체중탈부하부 및 상기 트레드밀부가 유기적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 훈련 장치.
제1항에 있어서,
상기 사용자 위치를 검출하기 위해 사용되는 파라미터에는 상기 체중탈부하 지면보행 훈련 장치의 결정된 설계파라미터로부터 산출되는 값이 포함되는 것을 특징으로 하는 훈련 장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 및 제2 와이어에 전달될 힘의 산출은 상기 사용자의 움직임으로 인해 발생하는 힘의 영향을 반영하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 훈련 장치.
트레드밀, 상기 트레드밀 너비 내에 포함되는, 지면과 평행한 선 상에서 사용자의 상측 전단 및 후단 각각에 제공되는 제1 및 제2 각도측정부, 하네스 및 상기 제1 및 제2 각도측정부와 상기 사용자가 착용한 하네스를 각각 연결하는 제1 및 제2 와이어를 포함하는 체중탈부하 지면보행 훈련 장치를 이용한 체중탈부하 지면보행 훈련 방법에 있어서,
지면에 수직한 선에 대해 상기 제1 및 제2 와이어가 각각 이루는 제1 및 제2 각도를 측정하는 단계;
상기 측정된 제1 및 제2 각도를 이용하여 상기 제1 및 제2 와이어의 길이를 계산하는 단계;
상기 측정된 제1 및 제2 각도 및 상기 계산된 제1 및 제2 와이어 길이를 이용하여 상기 사용자의 위치를 검출하는 단계;
상기 검출된 사용자의 위치를 기반으로 상기 와이어들의 움직임 및 상기 트레드밀의 속도를 제어하는 단계를 포함하는 훈련 방법.
제10항에 있어서,
상기 와이어들의 움직임에 대한 제어는 상기 검출된 사용자의 위치를 기반으로 탈부하힘을 산출하고, 상기 산출된 탈부하힘 및 상기 측정된 제1 및 제2 각도를 이용하여 상기 제1 및 제2 와이어에 각각 전달될 힘을 산출하여 수행되는 것을 특징으로 하는 훈련 방법.
제10항에 있어서,
상기 제어 단계는 상기 사용자의 가동 범위를 판단하는 단계를 추가적으로 포함하여 상기 검출된 사용자의 위치가 상기 판단된 가동 범위를 이탈한 경우 상기 와이어들의 움직임을 상기 사용자가 낙상하지 않도록 제어함과 동시에 상기 트레드밀의 속도를 0으로 제어하는 것을 특징으로 하는 훈련 방법.
제12항에 있어서,
상기 사용자의 가동 범위를 판단하는 단계는 상기 사용자의 상기 하네스 착용 위치 및 상기 트레드밀의 보행 방향 길이에 기반하여 상기 사용자의 가동 범위가 판단되는 것을 특징으로 하는 훈련 방법.
제10항에 있어서,
상기 하네스는 골반 형태의 하네스(pelvic type harness)인 것을 특징으로 하는 훈련 방법.
제14항에 있어서,
상기 하네스는, 상기 하네스와 연결되고 상기 하네스를 착용한 사용자의 앞뒤 각각에 사용자와 이격되어 제공되는 두 개의 하네스 연결 바(harness connection bar)를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 훈련 방법.
제10항에 있어서,
상기 체중탈부하 지면보행 훈련 장치의 체중탈부하부는 상기 제1 및 제2 각도측정부, 상기 제1 및 제2 와이어 및 상기 하네스를 포함하고, 상기 체중탈부하 지면보행 훈련 장치의 트레드밀부는 상기 트레드밀을 포함하며,
상기 체중탈부하부를 통해 상기 검출된 사용자 위치는 상기 트레드밀부의 속도 제어 알고리즘의 입력 값으로 사용되어 상기 체중탈부하부 및 상기 트레드밀부가 유기적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 훈련 방법.
제10항에 있어서,
상기 사용자 위치를 검출하기 위해 사용되는 파라미터에는 상기 체중탈부하 지면보행 훈련 장치의 결정된 설계파라미터로부터 산출되는 값이 포함되는 것을 특징으로 하는 훈련 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1 및 제2 와이어에 전달될 힘의 산출은 상기 사용자의 움직임으로 인해 발생하는 힘의 영향을 반영하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 훈련 방법.
체중탈부하 지면보행 훈련을 제공하기 위해 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있으며, 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 기록매체로서,
제10항 내지 제18항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.