KR20230116137A - 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치 - Google Patents

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이호수
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박지호
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광주과학기술원
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Abstract

본 발명은 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치에 관한 것으로서, 사용자가 착용하는 착용부재와, 상기 사용자의 목의 일부분에 접촉되어 해당 사용자에 접촉력을 인가하도록 상기 착용부재에 설치되는 접촉유닛이 마련된 넥 햅틱부와, 상기 사용자의 몸통 기울기를 측정하는 기울기 측정부와, 상기 기울기 측정부에서 제공되는 측정 정보를 토대로 상기 사용자의 몸통이 기울려질 경우, 상기 사용자가 균형을 잡을 수 있도록 상기 사용자의 몸통이 기울려지는 방향에 대응되게 상기 사용자의 목에 대한 접촉 위치 또는 접촉력 인가 위치가 변경되도록 상기 접촉유닛을 제어하는 제어부를 구비한다.
본 발명에 따른 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치는 사용자의 몸통이 기울려질 경우, 목 일부분에 접촉되거나 접촉력을 인가하여 해당 사용자에게 즉각적인 피드백을 제공할 수 있으므로 사용자가 보다 용이하게 균형을 유지할 수 있다는 장점이 있다.

Description

보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치{Neck haptic device for gait balance rehabilitation training}
본 발명은 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사용자가 균형을 유지할 수 있도록 목의 일부분에 접촉하거나 접촉력을 인가할 수 있는 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치에 관한 것이다.
보행 동작은 정상적인 신체를 가지고 있으면 누구나 쉽게 할 수 있기 때문에 사람들은 걷는 것에 특별한 관심을 기울이지 않지만, 보행 동작은 신경과 골격근이 총괄적으로 사용되는 아주 복잡한 과정이며, 한쪽 다리가 입각기의 안정된 상태를 유지하는 동시에 다른 다리가 몸을 앞으로 전진시키는 연속적이고 반복적인 동작이다. 또한 100여 개의 골격근이 상지와 하지의 여러 관절과 협응을 이루어야 가능한 복합적인 동작이며 호흡 작용이나 심장 박동 등 여러 신체 활동의 협응으로 이루어진다.
또한, 보행은 일상 생활에서 가장 기초적이면서 필수적인 동작이다. 그러므로, 보행을 제대로 하지 못하는 환자의 경우 일상 생활을 정상적으로 수행할 수 없음은 물론, 근육의 퇴행으로 인한 추가적인 합병증까지도 발생하게 된다. 또한, 보행 조건이 나쁜 경우에는 중심이 불안정해지므로 신체 각 부위의 평형성 및 호흡과 심장활동에 영향을 미쳐 피로가 증가하게 된다.
정상적인 보행을 위하여 균형유지능력(balancing capability)이 매우 중요하다는 것이 여러 연구에 의하여 알려진다. 균형유지능력이 떨어질 경우, 보행시 안정감이 저하되므로 낙상으로 인한 추가 부상이 우려된다. 이러한 위험성은 특히 노약자나 부상에서 재활중인 환자 등의 사람들에게 치명적일 수 있다. 또한, 현대인의 신체는 상호 유기적으로 영향을 미치므로, 어느 신체 부분이 비정상적으로 발달하거나 비정상적으로 열악하게 발달하면 다른 신체 부분에 추가적인 영향을 미칠 수 있다. 그러므로, 환자의 보행은 물론 정상적인 생활을 유지하기 위하여 균형유지능력을 증진시키는 것이 절실히 필요하다.
그러나, 종래에는 균형 유지 능력을 증진하기 위한 단순히, 사용자의 현재의 균형 유지 능력을 측정하는 것을 우선하는 것이고, 측정 결과에 따라 균형을 유지하기 위해 사용자에게 즉각적인 피드백을 제공하기 어려운 단점이 있다.
등록특허공보 제10-1138012호: 복수 개의 측정 자세에서 사용자의 균형도를 측정하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 사용자의 몸통이 기울려질 경우, 목 일부분에 접촉되거나 접촉력을 인가하여 해당 사용자에게 즉각적인 피드백을 제공할 수 있는 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치는 사용자가 착용하는 착용부재와, 상기 사용자의 목의 일부분에 접촉되어 해당 사용자에 접촉력을 인가하도록 상기 착용부재에 설치되는 접촉유닛이 마련된 넥 햅틱부와, 상기 사용자의 몸통 기울기를 측정하는 기울기 측정부와, 상기 기울기 측정부에서 제공되는 측정 정보를 토대로 상기 사용자의 몸통이 기울려질 경우, 상기 사용자가 균형을 잡을 수 있도록 상기 사용자의 몸통이 기울려지는 방향에 대응되게 상기 사용자의 목에 대한 접촉 위치 또는 접촉력 인가 위치가 변경되도록 상기 접촉유닛을 제어하는 제어부를 구비한다.
상기 접촉유닛은 상기 사용자의 목의 어느 한 위치에 접촉되되, 해당 사용자의 목에 접촉된 상태로 상기 사용자의 목에 대한 접촉위치를 변경할 수 있는 복수의 햅틱모듈을 구비한다.
상기 착용부재는 상기 사용자의 목이 인입되는 인입공간이 형성되고, 상기 인입공간에 인접된 위치에 상기 햅틱모듈들이 설치된다.
상기 햅틱모듈은 상기 인입공간에 인접된 위치의 상기 착용부재에 설치되는 고정 프레임과, 상기 고정 프레임에 상하방향으로 연장된 가상의 중심선을 기준으로 회동가능하게 설치된 메인 플레이트와, 단부가 상기 사용자의 목에 접촉될 수 있도록 상기 인입공간 내측으로 진퇴가능하게 상기 메인 플레이트에 설치되는 접촉로드와, 상기 메인 플레이트에 설치되어 상기 고정 프레임에 대해 상기 메인 플레이트를 회동시키는 회동 구동부와, 상기 접촉로드에 설치되어 상기 메인 플레이트에 대해 상기 접촉로드를 진퇴시키는 진퇴 구동부를 구비한다.
상기 햅틱모듈은 상기 인입공간에 인접된 위치의 상기 착용부재에 세팅되는 메인 플레이트와, 단부가 상기 사용자의 목에 접촉될 수 있도록 상기 인입공간의 내측으로 진퇴가능하게 상기 메인 플레이트에 설치되는 접촉로드와, 상기 착용부재에 대해 상기 지지플레이트를 상기 접촉로드의 진퇴방향에 대해 교차되는 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 지지플레이트와, 상기 접촉로드에 설치되어 상기 지지플레이트에 대해 상기 접촉로드를 진퇴시키는 진퇴 구동부와, 상기 메인 플레이트를 슬라이딩시킬 수 있도록 상기 지지플레이트에 설치되는 이동부를 구비할 수도 있다.
상기 제어부는 상기 접촉로드의 상기 인입공간 내로 인입된 길이가 기설정된 한계 길이 이상일 경우, 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태 또는 접촉력 인가 상태가 해제되도록 상기 접촉로드가 초기 상태로 복귀하도록 상기 진퇴 구동부를 작동시킨다.
상기 햅틱모듈은 상기 접촉로드에 설치되며, 상기 접촉로드가 상기 사용자의 목에 접촉시 상기 사용자의 목에 인가되는 압력을 측정하는 압력센서를 더 구비할 수도 있다.
상기 제어부는 상기 압력센서에서 측정된 압력 값이 기설정된 위험 압력 값 이상일 경우, 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태 또는 접촉력 인가 상태가 해제되도록 상기 접촉로드가 초기 상태로 복귀하게 상기 햅틱모듈을 작동시킬 수도 있다.
상기 고정 프레임은 상기 착용부재에 설치되는 메인 브라켓과, 상기 회전부재가 설치되는 것으로서, 상기 사용자의 목에 대한 상기 접촉로드의 접촉위치가 변경될 수 있도록 상기 메인 브라켓에 상하방향으로 회동가능하게 설치되는 회동판과, 상기 회동판 또는 메인 브라켓에 설치되어 상기 메인 브라켓에 대한 상기 회동판의 회동각도를 유지시키는 각도유지부재를 구비할 수 있다.
상기 각도유지부재는 상기 메인 브라켓 및 회동판 사이에 삽입되며, 일단부에서 타단부로 갈수록 상하폭이 증가하도록 형성되어 있다.
한편, 본 발명에 따른 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치는 해당 사용자의 목에 접촉되도록 상기 접촉로드의 단부에 설치되는 엔드 이펙터를 더 구비하고, 상기 엔드 이펙터는 상기 접촉로드의 단부에 설치되는 서브 하우징과, 상기 서브 하우징에 상기 인입공간의 중심 측으로 진퇴가능하게 설치되는 진퇴부재를 구비하고, 상기 압력센서는 상기 진퇴부재에 접촉되도록 상기 서브 하우징에 설치되어 상기 진퇴부재의 단부가 상기 사용자의 목에 접촉시 인가되는 압력을 측정한다.
상기 햅틱모듈들은 상기 인입공간을 기준으로 상호 대향되되, 좌우방향을 따라 상호 이격되게 상기 착용부재에 설치되어 있다.
상기 제어부는 상기 사용자가 몸통 중심을 기준으로 좌우방향 중 어느 한 방향으로 기울여질 경우, 상기 햅틱모듈들 중 상기 인입공간을 기준으로 상기 사용자가 기울여지는 방향에 위치한 상기 햅틱모듈이 상기 사용자의 목에 접촉되거나 접촉력을 인가하도록 해당 햅틱모듈을 작동시킨다.
상기 제어부는 상기 사용자가 몸통 중심을 기준으로 전후방향 중 어느 한 방향으로 기울여질 경우, 상기 햅틱모듈이 상기 사용자의 목에 접촉된 상태에서, 사용자의 목에 대한 접촉위치가 상기 사용자가 기울여지는 방향의 반대방향으로 이동되도록 해당 햅틱모듈을 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 사용자가 몸통 중심을 기준으로 기설정된 기준 기울기보다 더 기울려질 경우, 해당 사용자가 낙상한 것으로 판단하여 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태 또는 접촉력 인가 상태가 해제되도록 상기 햅틱모듈을 작동시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치는 상기 사용자가 정지 신호를 입력하기 위한 정지 스위치를 더 구비하고, 상기 제어부는 상기 정지 스위치를 통해 해당 정지 신호가 입력되면, 상기 사용자에 위급상황이 발생된 것으로 판단하여 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태 또는 접촉력 인가 상태가 해제되도록 상기 햅틱모듈을 작동시킬 수 있다.
상기 기울기 측정부는 상기 사용자의 양발의 발바닥에 각각 착용되는 복수의 깔창부재와, 상기 깔창부재들에 각각 설치되며, 상기 사용자의 각 발바닥으로부터 상기 깔창부재에 인가되는 압력을 측정하는 다수의 측정센서와, 상기 측정센서들에서 측정된 압력 정보를 토대로 상기 사용자의 몸통 기울기를 산출하는 산출모듈을 구비한다.
상기 기울기 측정부는 상기 착용부재를 착용한 상기 사용자를 촬영하는 다수의 카메라와, 상기 카메라들에서 촬영된 영상을 분석하여 상기 사용자의 몸통 기울기를 산출하는 영상 분석모듈을 구비할 수 있다.
상기 기울기 측정부는 상기 사용자의 허리에 착용되는 허리지지부재와, 상기 사용자의 몸통 기울기를 측정하기 위해 상기 허리지지부재에 설치되는 기울기 센서를 구비할 수 있다.
상기 기울기 측정부는 상기 사용자가 소지하며, 기울기 측정을 위한 센서모듈이 마련된 휴대 단말기에 설치되며, 해당 휴대 단말기의 센서모듈로부터 측정 정보를 획득하고, 획득한 측정 정보를 토대로 상기 사용자의 몸통 기울기를 산출할 수 있다.
상기 제어부는 상기 접촉로드가 상기 사용자의 목에 접촉된 상태에서 상기 메인 플레이트가 상기 고정 프레임에 대해 회동할 경우, 상기 접촉로드가 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태를 유지할 수 있도록 해당 메인 플레이트의 회동각도에 대응되게 상기 접촉로드의 상기 인입공간 내로 진입하는 진입 길이가 변경되게 상기 진퇴 구동부를 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 접촉로드가 상기 사용자의 목에 접촉된 상태에서 상기 메인 플레이트가 상기 지지플레이트에 대해 슬라이딩될 경우, 상기 접촉로드가 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태를 유지할 수 있도록 상기 메인 플레이트의 이동 거리에 대응되게 상기 접촉로드의 상기 인입공간 내로 진입하는 진입 길이가 변경되게 상기 진퇴 구동부를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치는 사용자의 몸통이 기울려질 경우, 목 일부분에 접촉되거나 접촉력을 인가하여 해당 사용자에게 즉각적인 피드백을 제공할 수 있으므로 사용자가 보다 용이하게 균형을 유지할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치에 대한 사시도이고,
도 2는 도 1의 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치의 평면도이고,
도 3은 도 1의 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치의 햅틱모듈에 대한 사시도이고,
도 4는 도 1의 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치에 대한 블럭도이고,
도 5는 도 1의 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치의 기울기 측정부에 대한 사시도이고,
도 6 및 도 7은 도 1의 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치의 작동에 대한 참고도이고,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기울기 측정부에 대한 개념도이고,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기울기 측정부에 대한 개념도이고,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기울기 측정부에 대한 개념도이고,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 햅틱모듈에 대한 사시도이고,
도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치의 햅틱모듈에 대한 사시도이고,
도 13은 도 12의 햅틱모듈의 평면도이고,
도 14는 도 12의 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치에 대한 블럭도이고,
도 15는 도 12의 햅틱모듈에 대한 개략도이고,
도 16은 도 12의 햅틱모듈의 작동에 대한 참조도이고,
도 17은 본 발명의 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치의 성능 실험에 대한 참가자의 실험자세에 대한 예시도이고,
도 18은 본 발명의 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치의 성능 실험에서의 뇌졸중 환자의 PT 안정도에 대한 그래프이고,
도 19는 본 발명의 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치의 성능 실험에서의 참가자의 보행 속도 결과에 대한 그래프이고,
도 20은 본 발명의 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치의 성능 실험에서의 1-way RMANOVA의 결과이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1 내지 도 5에는 본 발명에 따른 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치(100)가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 상기 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치(100)는 사용자가 착용하는 착용부재(210)와, 상기 사용자의 목의 일부분에 접촉되어 해당 사용자에 접촉력을 인가하도록 상기 착용부재(210)에 설치되는 접촉유닛(300)이 마련된 넥 햅틱부(200)와, 상기 사용자의 몸통 기울기를 측정하는 기울기 측정부(510)와, 상기 기울기 측정부(510)에서 제공되는 측정 정보를 토대로 상기 사용자의 몸통이 기울려질 경우, 상기 사용자가 균형을 잡을 수 있도록 상기 사용자의 몸통이 기울려지는 방향에 대응되게 상기 사용자의 목에 대한 접촉 위치 또는 접촉력 인가 위치가 변경되도록 상기 접촉유닛(300)을 제어하는 제어부(900)를 구비한다.
착용부재(210)는 사용자의 목에 착용되는 메인바디(211)와, 상기 메인바디(211)에 설치되어 사용자의 몸통에 지지되는 복수의 지지바디(212)를 구비한다.
메인바디(211)는 사용자의 목이 인입될 수 있도록 인입공간(214)이 형성되고, 인입공간(214)으로 목이 용이하게 인입될 수 있도록 인입공간(214)의 전방부는 개방되게 형성되어 있다. 해당 메인바디(211)는 사용자에게 소정의 쿠션감을 제공할 수 있는 소재로 형성되는 것이 바람직하다.
지지바디(212)는 메인바디(211)의 전단부 좌우측에 각각 형성되며, 사용자의 몸통에 지지될 수 있도록 메인바디(211)에 대해 하방으로 소정길이 연장된다. 한편, 착용부재(210)는 도시된 예에 한정하는 것이 아니라 사용자의 목에 착용될 수 있는 구조이면 무엇이든 가능하다.
한편, 착용부재(210)는 도면에 도시되진 않았지만, 메인바디(211) 또는 지지바디(212) 일측에, 사용자가 정지 신호를 입력하기 위한 정지 스위치가 설치되어 있다. 사용자는 낙상하거나 장애물에 충돌하는 것과 같이 위급상황에 접촉로드(430)를 목으로부터 이격시키기 위한 정지 신호를 해당 정지 스위치를 통해 입력할 수 있다.
접촉유닛(300)은 상기 사용자의 목의 어느 한 위치에 접촉되되, 해당 사용자의 목에 접촉된 상태로 상기 사용자의 목에 대한 접촉위치를 변경할 수 있는 복수의 햅틱모듈(400)을 구비한다. 상기 햅틱모듈(400)들은 인입공간(214)에 인접되는 위치의 착용부재(210)에 설치되는 것으로서, 상기 인입공간(214)을 기준으로 상호 대향되되, 좌우방향을 따라 상호 이격되게 상기 착용부재(210)에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 햅틱모듈(400)은 상기 인입공간(214)에 인접된 위치의 상기 착용부재(210)에 설치되는 고정 프레임(410)과, 상기 고정 프레임(410)에 상하방향으로 연장된 가상의 중심선을 기준으로 회동가능하게 설치된 메인 플레이트(420)와, 단부가 상기 사용자의 목에 접촉될 수 있도록 상기 인입공간(214) 내측으로 진퇴가능하게 상기 메인 플레이트(420)에 설치되는 접촉로드(430)와, 상기 메인 플레이트(420)에 설치되어 상기 고정 프레임(410)에 대해 상기 메인 플레이트(420)를 회동시키는 회동 구동부(440)와, 상기 접촉로드(430)에 설치되어 상기 메인 플레이트(420)에 대해 상기 접촉로드(430)를 진퇴시키는 진퇴 구동부(450)를 구비한다.
고정 프레임(410)은 인입공간(214)에 인접된 메인바디(211) 상부에 고정된다. 햅틱모듈(400)들의 고정 프레임(410)은 인입공간(214)의 좌측 또는 우측의 메인바디(211)에 설치되며, 인입공간(214)의 중심에 대향되는 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
메인 플레이트(420)는 회동 구동부(440)에 의해 고정 프레임(410)에 회동가능하게 지지된 제1지지체(421)와, 상기 제1지지몸체에 설치되어 접촉로드(430)를 슬라이딩 가능하게 지지하는 제2지지체(422)를 구비한다.
제1지지체(421)는 소정의 두께를 갖는 판형으로 형성되며, 전후방향으로 소정길이 연장된다. 제1지지체(421)는 일단부가 회동 구동부(440)에 연결되어 고정 프레임(410)에 회동가능하게 지지된다.
제2지지체(422)는 일단부가 제1지지체(421)의 타단부에 고정되며, 타단이 인입공간(214) 측으로 연장된다. 해당 제2지지체(422)는 소정의 두께를 갖는 판형으로 형성되며, 제1지지체(421)의 연장방향에 대해 교차하는 방향으로 연장되는 것이 바람직하다. 이때, 제2지지체(422)의 타단부에는 접촉로드(430)를 지지할 수 있도록 지지블럭(423)이 설치되어 있다.
상기 지지블럭(423)은 제2지지체(422)의 타단부 상면에 형성되며, 접촉로드(430)가 삽입될 수 있도록 관통구(424)가 형성되어 있다. 상기 관통구(424)는 상기 접촉로드(430)의 진퇴방향을 따라 관통되게 상기 지지블럭(423)에 형성되는데, 제2지지체(422)의 연장방향과 나란한 방향으로 관통되게 지지블럭(423)에 형성되는 것이 바람직하다.
접촉로드(430)는 좌우방향으로 소정길이 연장되며, 상기 지지블럭(423)의 관통구(424)에 삽입된다. 해당 접촉로드(430)는 일단이 사용자의 목에 접촉될 수 있도록 인입공간(214) 내측으로 진퇴가능하게 해당 지지블럭(423)에 지지된다. 또한, 접촉로드(430)의 일단부에는 사용자의 목에 접촉시 해당 목에 상처를 주는 것을 방지하기 위해 소정의 탄성을 갖는 고무와 같은 소재로 형성된 접촉패드(431)가 설치되어 있다.
회동 구동부(440)는 고정 프레임(410)에 설치되어 제1지지체(421)를 회동시키는 제1구동모터(441)를 구비한다. 상기 제1구동모터(441)는 회전축에 제1지지체(421)의 일단부가 설치되며, 상하방향으로 연장된 가상의 중심선을 기준으로 해당 제1지지체(421)를 회동시킨다.
진퇴 구동부(450)는 제2지지체(422)의 일단부 상부에 설치되는 제2구동모터(451)와, 일단이 상기 제2구동모터(451)의 회전축에 설치되는 제1링크(452)와, 상기 제1링크(452)의 타단부에 일단이 회동가능하게 설치되며, 타단은 상기 접촉로드(430)의 타단부에 회동가능하게 설치되는 제2링크(453)를 구비한다.
제2구동모터(451)는 인가된 전기에 의해 회전력을 발생시키는 전기모터가 적용된다. 제1링크(452)는 일단이 제2구동모터(451)의 회전축에 고정되며, 해당 제2구동모터(451)에 대해 멀어지는 방향으로 연장된다. 제2링크(453)는 제2지지체(422)의 길이방향으로 연장되며, 양단이 각각 제1링크(452)의 타단 및 접촉로드(430)의 타단에 회동가능하게 설치된다.
한편, 진퇴 구동부(450)는 도시된 예에 한정하는 것이 아니라 해당 접촉로드(430)를 진퇴시킬 수 있는 구동수단이면 무엇이든 적용 가능하다.
상기 기울기 측정부(510)는 상기 사용자의 양발의 발바닥에 각각 착용되는 복수의 깔창부재(511)와, 상기 깔창부재(511)들에 각각 설치되며, 상기 사용자의 각 발바닥으로부터 상기 깔창부재(511)에 인가되는 압력을 측정하는 다수의 측정센서(512)와, 상기 측정센서(512)들에서 측정된 압력 정보를 토대로 상기 사용자의 몸통 기울기를 산출하는 산출모듈(513)을 구비한다.
상기 깔창부재(511)는 사용자의 발바닥 형상에 대응되게 형성되며, 사용자의 신발 내부에 인입되어 해당 사용자의 발바닥에 밀착된다. 이때, 해당 깔창부재(511)는 신발의 깔창에 대응되는 형상을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
측정센서(512)는 인가된 압력을 감지하는 것으로서, 다수개가 상기 깔창부재(511)의 상부에 상호 이격되게 설치된다. 상기 측정센서(512)는 인가된 압력 값을 측정하기 위해 종래에 일반적으로 사용되는 압력측정수단이므로 상세한 설명은 생략한다.
산출모듈(513)은 측정센서(512)들에서 감지된 압력 값을 토대로 해당 사용자의 몸통 기울기를 산출한다. 이때, 사용자의 몸통 기울기는 사용자의 몸통 중심점(13)을 지나며 사용자가 서있는 지면에 대해 수직한 기준선(11)에 대해 사용자의 몸통의 기울어진 정도에 대한 정보가 적용되며, 기울기 각도, 기울어진 방향 등에 대한 정보가 포함된다.
제어부(900)는 상기 사용자가 몸통 중심을 기준으로 좌우방향 중 어느 한 방향으로 기울여질 경우, 상기 햅틱모듈(400)들 중 상기 인입공간(214)을 기준으로 상기 사용자가 기울여지는 방향에 위치한 상기 햅틱모듈(400)이 상기 사용자의 목에 접촉되거나 접촉력을 인가하도록 해당 햅틱모듈(400)을 작동시킨다.
즉, 제어부(900)는 상기 기준선(11)을 기준으로 사용자의 몸통의 상하방향 중심선(12)이 좌우방향 중 어느 한 방향으로 기울어진 경우, 기울어진 방향에 위치한 햅틱모듈(400)이 사용자의 목에 접촉되거나 접촉력을 인가하도록 해당 햅틱모듈(400)의 제2구동모터(451)를 작동시킨다.
일예로, 도 6에 도시된 바와 같이 사용자의 몸통이 좌측으로 기울어진 경우, 햅틱모듈(400)들 중 좌측에 위치한 햅틱모듈(400)의 제2구동모터(451)를 작동시켜 해당 햅틱모듈(400)의 접촉로드(430)를 사용자의 목 좌측에 접촉시킨다. 사용자는 접촉로드(430)의 접촉이 감지되면, 자신이 균형을 잃었다고 판단하고, 해당 접촉로드(430)의 접촉 부분을 기준으로 균형을 잡을 수 있도록 몸을 움직인다.
여기서, 도면에 도시되진 않았지만, 접촉로드(430)의 접촉패드(431)에, 사용자의 목에 대한 접촉여부를 감지할 수 있는 접촉센서가 설치되고, 제어부(900)는 해당 접촉센서에서 사용자의 목에 대한 접촉이 감지될 때까지 해당 접촉로드(430)가 인입공간(214) 내로 인입되도록 제2구동모터(451)를 작동시킬 수 있다.
이때, 제어부(900)는 상기 접촉로드(430)의 상기 인입공간(214) 내로 인입된 길이가 기설정된 한계 길이 이상일 경우, 해당 햅틱모듈(400)이 오작동하는 것으로 판단하여 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태 또는 접촉력 인가 상태가 해제되도록 상기 접촉로드(430)가 초기 상태로 복귀하도록 상기 진퇴 구동부(450)를 작동시킨다. 즉, 제어부(900)는 해당 햅틱모듈(400)의 접촉로드(430)가 인입공간(214) 외측으로 이동되도록 제2구동모터(451)를 작동시킨다.
한편, 제어부(900)는 상기 사용자가 몸통 중심을 기준으로 전후방향 중 어느 한 방향으로 기울여질 경우, 상기 햅틱모듈(400)이 상기 사용자의 목에 접촉된 상태에서, 사용자의 목에 대한 접촉위치가 상기 사용자가 기울여지는 방향의 반대방향으로 이동되도록 해당 햅틱모듈(400)을 제어할 수 있다.
즉, 제어부(900)는 상기 기준선(11)을 기준으로 사용자의 몸통의 상하방향 중심선(12)이 전후방향 중 어느 한 방향으로 기울어진 경우, 접촉로드(430)가 사용자의 목에 접촉된 상태에서 사용자가 기울여지는 방향의 반대방향으로 이동되도록 회동구동부의 제1구동모터(441)를 작동시킨다. 이때, 제어부(900)는 햅틱모듈(400)들 중 어느 하나를 작동시키거나 접촉로드(430)가 사용자의 목에 접촉된 상태의 햅틱모듈(400)을 작동시킬 수 있다.
일예로, 도 7에 도시된 바와 같이 사용자의 몸통이 전방으로 기울어진 경우, 햅틱모듈(400)들 중 접촉로드(430)가 사용자의 목에 접촉된 상태의 햅틱모듈(400)의 제2구동모터(451)를 작동시켜 메인 플레이트(420)를 후방으로 소정 각도 회동시킨다. 사용자는 접촉로드(430)의 접촉 위치가 후방으로 이동되는 것이 감지되면, 자신의 몸이 전방으로 기울진 것을로 판단하고, 해당 접촉로드(430)의 접촉 부분을 기준으로 균형을 잡을 수 있도록 몸을 움직일 수 있다.
여기서, 메인 플레이트(420)가 회동될 경우, 소정의 곡률을 갖는 사용자의 목 형상에 의해 접촉로드(430)는 사용자 피부로부터 이격된다. 그런데, 제어부(900)는 상기 접촉로드(430)가 상기 사용자의 목에 접촉된 상태에서 상기 메인 플레이트(420)가 상기 고정 프레임(410)에 대해 회동할 경우, 상기 접촉로드(430)가 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태를 유지할 수 있도록 해당 메인 플레이트(420)의 회동각도에 대응되게 상기 접촉로드(430)의 상기 인입공간(214) 내로 진입하는 진입 길이가 변경되게 상기 진퇴 구동부(450)를 제어할 수 있다.
일예로, 사용자의 몸통이 전방으로 기울여져서 접촉로드(430)가 후방으로 회동될 경우, 제어부(900)는 메인 플레이트(420)의 회동 각도에 대응되게 해당 접촉로드(430)가 인입공간(214) 내로 인입된 길이가 증가하도록 진퇴 구동부(450)의 제2구동모터(451)를 작동시킨다. 또한, 사용자의 몸통이 후방으로 기울여져서 접촉로드(430)가 전방으로 회동될 경우, 제어부(900)는 메인 플레이트(420)의 회동 각도에 대응되게 해당 접촉로드(430)가 인입공간(214) 내로 인입된 길이가 증가하도록 제2구동모터(451)를 작동시킬 수 있다.
한편, 제어부(900)는 상기 사용자가 몸통 중심을 기준으로 기설정된 기준 기울기보다 더 기울려질 경우, 해당 사용자가 낙상한 것으로 판단하여 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태 또는 접촉력 인가 상태가 해제되도록 상기 햅틱모듈(400)을 작동시킨다. 즉, 제어부(900)는 상기 기준선(11)에 대한 사용자의 몸통 상하방향 중심선(12) 사이의 각도가 해당 기준 기울기 이상일 경우, 해당 사용자가 낙상한 것으로 판단한다. 이때, 제어부(900)는 접촉로드(430)가 인입공간(214)으로부터 이탈 즉, 후퇴되도록 회동 구동부(440)의 제1구동모터(441)를 작동시킬 수 있다. 여기서, 기준 기울기는 사용자의 성별, 체형 등에 따라 보호자에 의해 임의로 설정될 수 있다. 상술된 바와 같이 사용자가 낙상할 경우, 제어부(900)는 접촉로드(430)를 인입공간(214)으로부터 이탈시키므로 해당 접촉로드(430)에 의해 사용자가 부상당하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 제어부(900)는 상기 정지 스위치로부터 정지 신호가 입력되면, 상기 사용자에 위급상황이 발생된 것으로 판단하여 사용자의 목에 대한 접촉 상태 또는 접촉력 인가 상태가 해제되도록 상기 햅틱모듈(400)을 작동시킨다. 즉, 제어부(900)는 해당 정지 신호가 입력되면 접촉로드(430)가 인입공간(214)으로부터 이탈 즉, 후퇴되도록 회동 구동부(440)의 제1구동모터(441)를 작동시킬 수 있다.
상술된 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치(100)는 사용자의 몸통이 기울려질 경우, 목 일부분에 접촉되거나 접촉력을 인가하여 해당 사용자에게 즉각적인 피드백을 제공할 수 있으므로 사용자가 보다 용이하게 균형을 유지할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 도 8에는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기울기 측정부(520)가 도시되어 있다.
앞서 도시된 도면에서와 동일한 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
도면을 참조하면, 상기 기울기 측정부(520)는 상기 착용부재(210)를 착용한 상기 사용자를 촬영하는 다수의 카메라(521)와, 상기 카메라(521)들에서 촬영된 영상을 분석하여 상기 사용자의 몸통 기울기를 산출하는 영상 분석모듈(522)을 구비한다.
상기 카메라(521)는 사용자를 촬영하기 위해 해당 사용자에 인접된 위치에 세팅된다. 이때, 카메라(521)는 도면에 도시되진 않았지만, 지지 구조물에 의해 사용자가 서있는 지면으로부터 지지되게 설치된다. 카메라(521)들은 사용자를 중심으로 상호 이격되게 배치되어 다양한 시점으로 상기 사용자를 촬영한다. 카메라(521)들에서 촬영된 영상은 영상 분석모듈(522)에 전달된다.
영상 분석모듈(522)은 카메라(521)들에서 제공되는 영상을 분석하여 해당 사용자의 몸통 기울기에 대한 정보를 산출한다. 상기 영상 분석모듈(522)은 영상에서 객체의 기울기를 분석하기 위해 종래에 일반적으로 사용되는 영상 분석 수단이 적용되므로 상세한 설명은 생략한다. 해당 영상 분석모듈(522)은 산출된 사용자의 몸통 기울기를 제어부(900)에 제공한다.
한편, 도 9에는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기울기 측정부(530)가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 상기 기울기 측정부(530)는 상기 사용자의 허리에 착용되는 허리지지부재(531)와, 상기 사용자의 몸통 기울기를 측정하기 위해 상기 허리지지부재(531)에 설치되는 기울기 센서(532)를 구비한다.
상기 허리지지부재(531)는 사용자의 허리를 감쌀 수 있도록 소정길이 연장되며, 용이하게 구부러질 수 있는 섬유소재로 형성되고, 양단부에 각각 상호 탈착가능하게 형성된 복수의 벨크로 테이프(미도시)가 고정되어 있다. 한편, 허리지지부재(531)는 이에 한정하는 것이 아니라 사용자의 허리부분에 착용될 수 있는 구조이면 무엇이든 적용가능하다.
기울기 센서(532)는 허리지지부재(531)의 일측에 설치되어 허리지지부재(531)를 착용한 사용자의 몸통 기울기를 측정한다. 해당 기울기 센서(532)는 측정된 기울기 값을 제어부(900)에 제공한다. 해당 제어부(900)는 기울기 센서(532)에서 제공되는 측정 값을 토대로 사용자의 몸통 기울기를 산출한다.
한편, 도 10에는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기울기 측정부(540)가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 상기 기울기 측정부(540)는 상기 사용자가 소지하며, 기울기 측정을 위한 센서모듈이 마련된 휴대 단말기(541)에 설치되며, 해당 휴대 단말기(541)의 센서모듈로부터 측정 정보를 획득하고, 획득한 측정 정보를 토대로 상기 사용자의 몸통 기울기를 산출한다.
여기서, 휴대 단말기(541)는 통화 및 데이터 통신이 가능한 단말기로서, 통신망을 통해 소셜 네트워크 서비스 서버나 다른 스마트폰과 같은 외부기기와 통신을 수행하기 위한 통신모듈과, 음성 정보를 출력하는 스피커 및 스피커의 음량을 조절하기 위한 볼륨조절스위치와, 정보를 표시하는 터치스크린과 같은 디스플레이부와, 사용자 주위 환경에 대한 환경정보를 획득하는 환경정보 획득부와, 휴대 단말기(541)의 위치정보를 생성하는 위치정보 획득부와, 사용자의 움직임 및 기울기에 대한 움직임 정보를 획득할 수 있는 센서모듈과, 다수의 애플리케이션이 마련되며, 상기 애플리케이션의 작동에 따라 휴대 단말기(541)를 제어하는 제어부(900) 등이 마련된 종래에 일반적으로 사용되는 스마트폰과 같은 통신기기가 적용된다. 상기 기울기 측정부(540)는 애플리케이션 형태로 해당 휴대 단말기(541)에 설치되며, 상기 센서모듈에서 측정된 기울기 측정값을 제어부(900)에 전송한다.
한편, 도 11에는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 햅틱모듈(600)이 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 상기 햅틱모듈(600)은 상기 인입공간(214)에 인접된 위치의 상기 착용부재(210)에 세팅되는 메인 플레이트(610)와, 단부가 상기 사용자의 목에 접촉될 수 있도록 상기 인입공간(214)의 내측으로 진퇴가능하게 상기 메인 플레이트(610)에 설치되는 접촉로드(620)와, 상기 착용부재(210)에 대해 상기 지지플레이트(630)를 상기 접촉로드(620)의 진퇴방향에 대해 교차되는 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 지지플레이트(630)와, 상기 접촉로드(620)에 설치되어 상기 지지플레이트(630)에 대해 상기 접촉로드(620)를 진퇴시키는 진퇴 구동부(640)와, 상기 메인 플레이트(610)를 슬라이딩시킬 수 있도록 상기 지지플레이트(630)에 설치되는 이동부(650)를 구비한다.
메인 플레이트(610)는 소정의 두께를 갖는 판형으로 형성되며, 좌우방향으로 소정길이 연장된다. 해당 메인 플레이트(610)는 상기 지지플레이트(630)에 의해 착용부재(210)에 지지된다. 이때, 메인 플레이트(610)는 지지플레이트(630)에 전후방향으로 슬라이딩 가능하게 결합되는 것이 바람직하다.
또한, 메인 플레이트(610)는 상면에 접촉로드(620)를 지지할 수 있도록 지지블럭(611)이 설치되어 있다. 상기 지지블럭(611)은 접촉로드(620)가 삽입될 수 있도록 관통구(424)가 형성되어 있다. 상기 관통구(424)는 상기 접촉로드(620)의 진퇴방향을 따라 관통되게 상기 지지블럭(611)에 형성되는데, 좌우방향으로 관통되게 지지블럭(611)에 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 도면에 도시되진 않았지만, 메인 플레이트(610)의 하면에는 후술되는 지지플레이트(630)의 가이드홈(631)에 삽입될 수 있도록 가이드 돌기가 형성되어 있다.
접촉로드(620)는 좌우방향으로 소정길이 연장되며, 상기 지지블럭(611)의 관통구(424)에 삽입된다. 해당 접촉로드(620)는 일단이 사용자의 목에 접촉될 수 있도록 인입공간(214) 내측으로 진퇴가능하게 해당 지지블럭(611)에 지지된다. 또한, 접촉로드(620)의 일단부에는 사용자의 목에 접촉시 해당 목에 상처를 주는 것을 방지하기 위해 소정의 탄성을 갖는 고무와 같은 소재로 형성된 접촉패드(431)가 설치되어 있다.
지지플레이트(630)는 인입공간(214)에 인접된 메인바디(211) 상부에 고정된다. 햅틱모듈(600)들의 지지플레이트(630)는 인입공간(214)의 좌측 또는 우측의 메인바디(211)에 설치되며, 인입공간(214)의 중심에 대향되는 위치에 설치되는 것이 바람직하다. 해당 지지플레이트(630)는 소정의 두께를 갖는 판형으로 형성되며, 전후방향으로 소정길이 연장된다. 지지플레이트(630)의 상면에는 메인 플레이트(610)의 가이드 돌기가 삽입될 수 있도록 가이드홈(631)이 형성되어 있다. 상기 가이드홈(631)은 지지플레이트(630)의 상면에 대해 하방으로 소정깊이 인입되며, 전후방향으로 소정길이 연장형성된다. 이때, 가이드홈(631)은 복수개가 좌우방향을 따라 상호 이격되게 형성되는 것이 바람직하다.
진퇴 구동부(640)는 접촉로드(620)에 이격된 위치의 메인 플레이트(610) 상면에 설치되는 제2구동모터(641)와, 일단이 상기 제2구동모터(641)의 회전축에 설치되는 제1링크(642)와, 상기 제1링크(642)의 타단부에 일단이 회동가능하게 설치되며, 타단은 상기 접촉로드(620)의 타단부에 회동가능하게 설치되는 제2링크(643)를 구비한다.
제2구동모터(641)는 인가된 전기에 의해 회전력을 발생시키는 전기모터가 적용된다. 해당 제2구동모터(641)는 제어부(900)에 의해 제어된다. 제1링크(642)는 일단이 제2구동모터(641)의 회전축에 고정되며, 해당 제2구동모터(641)에 대해 멀어지는 방향으로 연장된다. 제2링크(643)는 좌우방향으로 연장되며, 양단이 각각 제1링크(642)의 타단 및 접촉로드(620)의 타단에 회동가능하게 설치된다.
이동부(650)는 메인 플레이트(610)의 전단부에 전방으로 돌출형성되며, 상면에 전후방향을 따라 다수의 기어이가 형성된 기어부재(651)와, 상기 기어부재(651)에 인접된 위치의 지지플레이트(630) 상면에 설치되는 제3구동모터(652)와, 상기 기어부재(651)에 치합될 수 있도록 상기 제3구동모터(652)의 회전축에 설치되는 구동기어(653)를 구비한다. 해당 제3구동모터(652)는 제어부(900)에 의해 제어된다. 제어부(900)는 상기 사용자가 몸통 중심을 기준으로 전후방향 중 어느 한 방향으로 기울여질 경우, 해당 제3구동모터(652)를 작동시켜 메인 플레이트(610)를 전후방향으로 이동시켜 접촉로드(620)를 이동시킨다.
이때, 제어부(900)는 상기 접촉로드(620)가 상기 사용자의 목에 접촉된 상태에서 상기 메인 플레이트(610)가 상기 지지플레이트(630)에 대해 슬라이딩될 경우, 상기 접촉로드(620)가 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태를 유지할 수 있도록 상기 메인 플레이트(610)의 이동 거리에 대응되게 상기 접촉로드(620)의 상기 인입공간(214) 내로 진입하는 진입 길이가 변경되게 상기 진퇴 구동부(640)를 제어할 수 있다.
일예로, 사용자의 몸통이 전방으로 기울여져서 접촉로드(620)가 후방으로 이동될 경우, 제어부(900)는 메인 플레이트(610)의 이동거리에 대응되게 해당 접촉로드(620)가 인입공간(214) 내로 인입된 길이가 증가하도록 진퇴 구동부(640)의 제2구동모터(641)를 작동시킨다. 또한, 사용자의 몸통이 후방으로 기울여져서 접촉로드(620)가 전방으로 이동될 경우, 제어부(900)는 메인 플레이트(610)의 이동거리에 대응되게 해당 접촉로드(620)가 인입공간(214) 내로 인입된 길이가 증가하도록 제2구동모터(641)를 작동시킬 수 있다.
한편, 도 12 내지 도 14에는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 햅틱모듈(700)이 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 상기 햅틱모듈(700)은 상기 인입공간(214)에 인접된 위치의 상기 착용부재(210)에 설치되는 고정 프레임(710)와, 상기 고정 프레임(710)에 상하방향으로 연장된 가상의 중심선을 기준으로 회동가능하게 설치된 메인 플레이트(720)와, 단부가 상기 사용자의 목에 접촉될 수 있도록 상기 인입공간(214) 내측으로 진퇴가능하게 상기 메인 플레이트(720)에 설치되는 접촉로드(730)와, 상기 메인 플레이트(720)에 설치되어 상기 고정 프레임(710)에 대해 상기 메인 플레이트(720)를 회동시키는 회동 구동부(750)와, 상기 접촉로드(730)에 설치되어 상기 메인 플레이트(720)에 대해 상기 접촉로드(730)를 진퇴시키는 진퇴 구동부(760)와, 상기 접촉로드(730)에 설치되며, 상기 접촉로드(730)가 상기 사용자의 목에 접촉시 상기 사용자의 목에 인가되는 압력을 측정하는 압력센서(770)를 구비한다.
상기 고정 프레임(710)은 상기 착용부재(210)에 설치되는 메인 브라켓(711)와, 상기 회전부재가 설치되는 것으로서, 상기 사용자의 목에 대한 상기 접촉로드(730)의 접촉위치가 변경될 수 있도록 상기 메인 브라켓(711)에 상하방향으로 회동가능하게 설치되는 회동판(712)과, 상기 회동판(712) 또는 메인 브라켓(711)에 설치되어 상기 메인 브라켓(711)에 대한 상기 회동판(712)의 회동각도를 유지시키는 각도유지부재(713)를 구비한다.
메인 브라켓(711)은 인입공간(214)에 인접된 메인바디(211) 상부에 고정된다. 햅틱모듈(700)들의 메인 브라켓(711)은 인입공간(214)의 좌측 또는 우측의 메인바디(211)에 설치되며, 인입공간(214)의 중심에 대향되는 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
메인 브라켓(711)은 전후방향으로 연장된 단위몸체(714)와, 상기 단위몸체(714)의 좌우측 가장자리에 대해 상방으로 연장된 복수의 사이드몸체(715)를 구비한다. 사이드몸체(715)들 중 어느 하나는 상기 메인바디(211)에 고정된다. 또한, 사이드몸체(715)들 중 다른 하나는 후단부에, 회동판(712)의 전단부를 지지할 수 있도록 지지핀(미도시)이 삽입될 수 있도록 다수의 지지구(716)가 형성되어 있다. 해당 지지구(716)는 좌우방향을 따라 관통되게 형성되며, 다수개가 상하방향을 따라 상호 이격되게 배열되어 있다.
회동판(712)은 소정의 두께를 갖고, 전후방향으로 연장된 판형으로 형성된다. 이때, 회동판(712)은 사이드몸체(715)들 사이의 거리에 대응되는 폭을 갖도록 형성된다. 회동판(712)은 사이드몸체(715)들 사이에 인입되며, 후단부가 회동가능하게 메인 브라켓(711)에 설치된다.
각도유지부재(713)는 상기 메인 브라켓(711)의 단위몸체(714) 및 회동판(712) 사이에 삽입되며, 후단부에서 전단부로 갈수록 상하폭이 증가하도록 형성된다. 즉, 각도유지부재(713)는 전후방향으로 연장되며, 하면에 대해 상면이 소정의 경사도를 갖도록 경사지게 형성된다. 이때, 해당 경사도가 상이한 다수의 각도유지부재(713)들 중 어느 하나를 단위몸체(714) 및 회동판(712) 사이에 세팅하여 사용자의 목에 대한 접촉로드(730)의 상하 위치를 조절할 수 있다. 한편, 도면에 도시되진 않았지만, 각도유지부재(713)는 사이드몸체(715)의 지지구(716)에 삽입할 수 있는 지지핀을 더 구비하고, 사용자는 지지구(716)들 중 어느 하나에 해당 지지핀을 삽입하여 회동판(712)를 지지할 수 있다. 여기서, 지지핀은 지지구(716)를 통해 사이드몸체(715)들 사이로 삽입되어 회동판(712)의 하면을 지지하여 해당 회동판(712)을 지지할 수 있다.
메인 플레이트(720)는 회동 구동부(750)에 의해 회동판(712)의 상면에 회동가능하게 지지된다. 해당 메인 플레이트(720)는 소정의 두께를 갖고, 좌우방향으로 소정길이 연장된다. 회동 구동부(750)는 회동판(712)의 상면에 설치되어 메인 플레이트(720)를 회동시키는 제1구동모터(751)를 구비한다. 상기 제1구동모터(751)는 회전축에 해당 메인 플레이트(720)의 하부가 설치되며, 상하방향으로 연장된 가상의 중심선을 기준으로 해당 메인 플레이트(720)를 회동시킨다.
접촉로드(730)는 상기 메인 플레이트(720)에, 상기 인입공간(214)의 내측으로 진퇴가능하게 설치된다. 상기 접촉로드(730)는 진퇴 구동부(640)에 의해 좌우방향으로 슬라이딩 가능하게 상기 메인 플레이트(720)에 지지되는 것으로서, 일단부가 인입공간(214)의 내측으로 인입되게 세팅된다. 접촉로드(730)의 타단부는 진퇴 구동부(760)에 연결되며, 좌우방향으로 소정길이 연장된 환봉형으로 형성된다.
한편, 접촉로드(730)의 일단부에는 사용자의 목에 접촉되도록 엔드 이펙터(740)가 설치되어 있다. 상기 엔드 이펙터(740)는 상기 접촉로드(730)의 단부에 설치되는 서브 하우징(741)과, 상기 서브 하우징(741)에 상기 인입공간(214)의 중심 측으로 진퇴가능하게 설치되는 진퇴부재(742)를 구비한다.
서브 하우징(741)은 일단이 접촉로드(730)의 일단부에 설치되며, 내부에 압력센서(770)가 설치되는 내부공간이 마련된다. 서브 하우징(741)은 좌우방향으로 연장된 원통형으로 형성되어 있다.
진퇴부재(742)는 좌우방향으로 연장되며, 일단이 상기 서브 하우징(741)의 내부로 인입되도록 해당 서브 하우징(741)의 타단부에 관통되게 설치된다. 진퇴부재(742)는 서브 하우징(741) 내에 인입된 일단부에, 압력센서(770)에 대한 접촉면적을 확장하기 위한 플랜지부(743)가 형성되어 있다. 플랜지부(743)는 진퇴부재(742)의 외경이 확장되는 방향으로 연장형성된다. 한편, 진퇴부재(742)의 타단에는 사용자의 목에 접촉시 해당 목에 상처를 주는 것을 방지하기 위해 소정의 탄성을 갖는 고무와 같은 소재로 형성된 접촉패드(431)가 설치되어 있다.
진퇴 구동부(760)는 메인 플레이트(720)의 상면에 설치되며, 접촉로드(730)의 타단부에 연결되어 해당 접촉로드(730)를 인입공간(214) 측으로 진퇴시킨다. 여기서, 진퇴 구동부(760)는 좌우방향의 길이가 신장되는 액츄에이터가 적용된다.
압력센서(770)는 진퇴부재(742)의 일단에 대향되는 서브 하우징(741)의 내측면에 고정되어 인가되는 외력을 측정한다. 해당 압력센서(770)는 외력을 측정하기 위해 종래에 일반적으로 사용되는 압력측정수단이므로 상세한 설명을 생략한다. 압력센서(770)는 측정된 압력 값을 제어부(900)에 전달한다.
여기서, 제어부(900)는 사용자가 착용부재(210)를 착용하면, 햅틱모듈(700)들의 접촉로드(730)가 사용자의 목 좌우측에 각각 접촉되도록 진퇴 구동부(760)를 작동시킨다. 이때, 제어부(900)는 접촉로드(730)의 엔드 이펙터(740)가 사용자의 피부에 2~3mm 눌러지도록 진퇴 구동부(760)를 작동시키는 것이 바람직하다. 도 15에는 상기 햅틱모듈(700)에 대한 개념도가 도시되어 있다.
한편, 제어부(900)는 상기 사용자가 몸통 중심을 기준으로 좌우방향 중 어느 한 방향으로 기울여질 경우, 상기 햅틱모듈(700)들 중 상기 인입공간(214)을 기준으로 상기 사용자가 기울여지는 방향에 위치한 상기 햅틱모듈(700)이 상기 사용자의 목에 접촉력을 인가하도록 해당 햅틱모듈(700)을 작동시킨다. 즉, 제어부(900)는 상기 기준선(11)을 기준으로 사용자의 몸통의 상하방향 중심선(12)이 좌우방향 중 어느 한 방향으로 기울어진 경우, 기울어진 방향에 위치한 햅틱모듈(700)이 사용자의 목에 접촉력을 인가되도록 해당 햅틱모듈(700)의 진퇴 구동부(760)를 작동시킨다. 여기서, 해당 접촉력이 인가되기 위한 인입공간(214)에 대한 상기 접촉로드(730)의 진입길이 즉 진퇴 구동부(760)의 변위 길이는 하기의 수학식1에 의해 산출된다.
여기서, PML는 상기 진퇴 구동부(760)의 변위 길이 즉, ML 방향 피드백(ML directed feedbackL)이고, RangeML은 사용자의 최대 몸통 기울기 각도이되, ±15도가 적용된다. TrunkTiltML은 측정된 ML 몸통 기울기 각도 즉, 측정된 사용자의 좌우방향 몸통 기울기 각도이고, DMax.Pushing은 햅틱모듈(700)에서 제공할 수 있는 피드백 즉, 진퇴 구동부(760)의 변위 길이의 최대 허용 변위이다.
한편, 제어부(900)는 상기 사용자가 몸통 중심을 기준으로 전후방향 중 어느 한 방향으로 기울여질 경우, 상기 햅틱모듈(700)이 상기 사용자의 목에 접촉된 상태에서, 사용자의 목에 대한 접촉위치가 상기 사용자가 기울여지는 방향의 반대방향으로 이동되도록 해당 햅틱모듈(700)을 제어할 수 있다. 여기서, 접촉로드(730)의 전후방향 이동 변위는 하기의 수학식 2에 의해 산출된다.
SAP는 접촉로드(730)의 전후방향 이동 변위 즉, AP 방향 스트레치(stretch in the AP direction)이고, RangeAP는 장치가 응답해야 하는 사용자의 최대 몸통 기울기 각도이며 ±15도가 적용된다. TrunkTiltAP는 측정된 AP 몸통 기울기 각도 즉, 측정된 사용자의 전후방향 몸통 기울기 각도이고, DMax.Stretch는 접촉로드(730)의 최대 접선 스트레칭 변위입니다.
이때, 상기 수학식 2를 사용하여 결정된 엔드 이펙터(740) 변위 즉, 접촉로드(730)의 변위를 생성하기 위해 로터리 액츄에이터 즉, 회동 구동부(750)의 작동 각도는 하기의 수학식 3에 의해 산출된다.
여기서 l은 시스템이 초기 작동을 위해 설정되었을 때, 즉, 접촉로드(730)의 초기 위치에서, 회동 구동부(750)의 중심축에서 접촉패드(431)까지의 거리이고 PML은 현재 선형 액츄에이터 즉, 진퇴 구동부(760)의 변위이다. 이 방정식을 유도하는 데 사용된 시스템 개략도는 도 15에 게시되어 있다.
한편, 도 16을 참조하면, 피부 스트레칭을 전달하기 위해 메인 플레이트(720)가 회동될 경우, 사용자의 목의 만곡된 형상에 대해 접촉로드(730)를 보상할 수 있도록 제어부(900)는 상기 메인 플레이트(720)가 회동할 경우, 상기 접촉로드(730)가 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태를 유지할 수 있도록 해당 메인 플레이트(720)의 회동각도에 대응되게 상기 접촉로드(730)의 상기 인입공간(214) 내로 진입하는 진입 길이가 증가되게 상기 진퇴 구동부(760)를 제어할 수 있다.
상기 Dpc로 지정된 이 보상 변위는 시스템 기능을 조정하기 위해 수행된 예비 테스트 동안 관찰된 내용을 기반으로 1mm로 설정된다. 이 보상적 움직임은 AP 몸통 기울기 즉, 전후방향 몸통 기울기가 0이거나 사용자가 뒤방으로 기울고 있을 때 0이다. 사용자가 앞쪽으로 기울어지면(역방향 스트레칭 피드백 필요) AP 몸통 기울기 즉, 전후방향 몸통 기울기가 RangeAP와 같을 때 최대값 Dpc에 도달하기 위해 AP 몸통 기울기와 함께 보상적 움직임이 선형적으로 증가하여 엔드 이펙터(740)가 도 16의 빨간 점선을 따라가도록 한다.
한편, 제어부(900)는 상기 접촉로드(730)의 상기 인입공간(214) 내로 인입된 길이가 기설정된 한계 길이 이상일 경우, 해당 햅틱모듈(700)이 오작동하는 것으로 판단하여 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태 또는 접촉력 인가 상태가 해제되도록 상기 접촉로드(730)가 초기 상태로 복귀하도록 상기 진퇴 구동부(760)를 작동시킨다. 즉, 제어부(900)는 해당 햅틱모듈(700)의 접촉로드(730)가 인입공간(214) 외측으로 이동되도록 진퇴 구동부(760)를 작동시킨다.
또한, 제어부(900)는 상기 압력센서(770)에서 측정된 압력 값이 기설정된 위험 압력 값 이상일 경우, 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태 또는 접촉력 인가 상태가 해제되도록 상기 접촉로드(730)가 초기 상태로 복귀하게 상기 햅틱모듈(700)을 작동시킨다. 여기서, 위험 압력 값은 10N이 적용되나, 이에 한정하는 것이 아니라 사용자의 신체조건에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 즉, 제어부(900)는 압력센서(770)에서 측정된 압력 값이 위험 압력 값 이상이면 접촉로드(730)가 인입공간(214) 외측으로 이동되도록 진퇴 구동부(760)를 작동시킨다.
한편, 본 발명의 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치(100)의 성능을 검증하기 위한 실험을 수행하였다. 본 실험에는 14명의 건강한 사람(남 7, 여 7)이 참여하였다(나이: 26.4±6.5세, 신장: 170.1±6.9cm, 체중: 64.0±12.1kg, 우족: 우 14세). 참가자 중 누구도 신경학적, 근골격계 또는 전정 장애를 앓지 않았으며, 이 연구는 대한민국 광주광역시에 있는 광주과학기술원 기관심사위원회(20210609-HR-61-07-04)의 승인을 받았다. 또한 경상대학교병원 뇌졸중 환자 1명(성별:남성,나이:60세, 신장:167cm, 체중:54.5kg, 우측 편마비, 발병 37일 후, 뇌졸중 원인: 출혈, 뇌졸중 회복의 Brunnstrom 단계: 4/4/4, 수정 Barthel 지수(MBI) 점수: 74, 최소 정신 상태 검사(MMSE) 점수: 21)도 해당 실험에 참여하였다.
해당 실험에서, 도 17을 참조하면, 참가자들은 자세 및 보행 균형 테스트 프로토콜의 일부로 세 가지 작업을 수행하도록 요청받았다. 상기 도 17에서, (a) 는 Tandem Romberg stance (blindfolded)이고, (b)는 One-leg stance (blindfolded)이고, (c)는 Tandem gait (eyes open) of healthy subjects이고, (d)는 Romberg stance (eyes open)이고, (e)는 Straight line walking (eyes open)이다.
건강한 참가자의 자세 균형 평가를 위해 테스트에는 도 17의 Tandem Romberg(T) 및 one-leg(O) 자세 조건이 포함된다. 이 두 조건은 모두 눈가리개와 맨발로 수행되었고, Tandem Romberg 자세에서 참가자는 뒷발의 발가락이 앞발의 뒤꿈치에 닿는 방식으로, 주로 사용하는 발을 나머지 발 앞에 놓은 상태로 서있는다. one-leg(O) 자세에서 참가자는 주로 사용하는 다리를 엉덩이와 무릎을 통해 올려 놓고 주로 사용하지 않은 발로 서있었다. 각 조건에 대한 시험은 30초 동안 지속되었으며 모든 시험 조건에서 참가자들은 팔짱을 끼고 가슴을 가로질러 두도록 요청했다. 발의 우위는 공을 차기는 동작에서의 참가자가 선호하는 발을 설정하였다. 각 자세 시험을 시작하기 전에 참가자들에게 규정된 자세로 서도록 요청하고 시스템이 체간 기울기가 0도와 같은 중립 자세가 되도록 보정되었다. 이 보정 기간 동안 연구원은 상완 높이에서 양쪽에서 가볍게 받쳐 참가자를 안정시켰다. 이 안정화 지원은 테스트가 시작될 때 제거되었다. 보행 과제는 나무 들보(60 x 60 x 6200mm) 위의 Tandem Romberg(G) 자세로 맨발로 5m를 걷는 것이었다. 보행자세는 들보에 표시된 출발선에서 한 발짝 뒤로 선 자세로 서고, 들보에 표시된 결승선(5m)을 넘어 2보 걸어가도록 하였다. 보행속도 측정기(Seedtech, Korea)를 이용하여 5m 중후부의 보행속도를 측정하였다. 기타 실험 조건은 스탠스 시도와 동일하였다.
여기서, 뇌졸중 참가자 실험은 안전을 위해 눈을 뜨고 팔을 자연스럽게 늘어뜨린 상태에서 진행되었다. 자세 조건은 균형을 위한 햅틱 피드백을 최대한 활용하기 위해 참가자에게 가능한 한 발을 모아서 Romberg 자세로 서서 평평한 벽을 응시하여 시각 효과를 최소화하도록 요청했다. 안전을 위해 대상 앞에 보행기를 설치했다. 라인 워킹은 바닥에 표시된 직선을 따라 발을 가능한 한 바닥에 올려 놓거나 가깝게 걷도록 하였다. 모든 뇌졸중 참가자 실험 동안 의사는 참가자보다 한 발짝 뒤에 서서 실험 전후에 지원을 제공했다. 다른 조건은 건강한 참가자 실험과 동일했다.
모든 시험 조건은 하기의 표 1과 같다.
장치 없음 및 피드백 없음(NN) 조건에서 사용자는 장치의 본 발명의 넥 햅틱부(200)를 착용하지 않았으나 몸통의 흔들림을 측정하기 위해서는 기울기 측정부(530)를 착용했다. 장치 및 피드백 없음(DN) 조건에서 사용자는 초기 설정 조건(엔드 이펙터(740)가 피부에 2-3mm 눌림 상태)에서 넥 햅틱부(200) 및 기울기 측정부(530)를 모두 착용하지만 장치는 사용자에게 피드백을 제공하지 않았다. DF(Device & Feedback) 조건에서는 앞의 상태와 같이 본 발명의 넥 햅틱부(200) 및 기울기 측정부(530)를 착용하고 몸통 기울기에 따라 피드백을 제공했다. 피드백 비율은 예비 테스트 중 관찰한 내용을 기반으로 임의로 설정되었다. 자세 균형 평가 시험 동안 몸통 기울기의 크기가 상대적으로 작기 때문에 양방향 피드백은 Rangetilt:DMax의 1:3 비율로 제공되었다. 목 부위의 피부에서 감지할 수 있는 최소 변형은 1.5mm이므로 참가자가 최소 0.5도 기울기로 생성된 피드백을 감지할 수 있도록 이 피드백 비율을 선택했다. 이 관계에서 사용자의 몸통이 0.5도 기울어지면 1.5mm 피드백이 제공된다. 보행의 경우 상대적으로 체간 기울기가 크기 때문에 양방향 피드백 비율을 1:2로 설정하여 보행 중 NHD의 최대 동작 한계에 너무 자주 도달하지 않도록 하였다. 이 비율에 따라 ML 및 AP 방향 즉, 좌우방향, 전후방향 모두에서 ±15도의 최대 경사 한계(Rangetilt)에 대해 1:2 및 1:3 피드백 비율에 대해 30mm 및 45mm의 최대 변위 값(DMax)을 사용했다. 일예로 1:3은 1도 몸통 기울기에 대해 3mm 피드백이 생성됨을 의미한다. 각 조건에서 두 번의 시도가 수행되었으며 모든 조건은 시퀀스 관련 효과를 피하기 위해 의사 무작위 순서로 수행되었다.
기울기 측정부(530)의 몸통 기울기 데이터와, 햅틱모듈(700)의 작동 데이터는 모든 시험 중에 기록되었다. 스탠스 시도의 중간 25초 데이터와 보행 시도의 처음 2.5초 후에 기록된 25초 데이터를 분석에 사용했다. 시험 중에 기록된 ML 및 AP 몸통 기울기 각도 즉, 좌우방향 및 전후방향 몸통 기울기 각도에서 몸통 기울기(PT)의 투영은 하기의 수학식4 및 5에 의해 산출되었다.
여기서, h는 지면으로부터의 허리지지부재(531)에 설치된 기울기 센서(532)까지의 높이이고 TrunkTiltML 및 TrunkTiltAP는 각각 ML 및 AP 방향의 몸체 기울기 즉, 좌우방향 및 전후방향의 사용자 몸통 기울기이다. 계산된 PT 값은 일반적으로 신체 흔들림 평가에 사용되는 지표인 평균 속도 변위(MVD), 평면 편차(PD), ML 궤적(MLT) 및 AP 궤적(APT)을 계산하는 데 사용되었다. 이러한 지수는 하기의 수학식 6,7,8,9를 이용하여 계산된다.
여기서, MVD는 전체 PT 변위율을 나타내는 ML 및 AP 즉, 좌우방향 및 전후방향의 PT 속도의 결합 평균값이다. ML 및 AP 방향 즉, 전후방향 및 좌우방향 모두에서 PT 변위의 분산 합계(σ2)의 제곱근은 PT의 확산을 나타내는 PD 값을 산출한다. MLT와 APT는 각각 ML과 AP(좌우방향 및 전후방향) PT 값의 변화를 합한 것으로 전체 PT 변위량을 나타낸다. 이 모든 지수(수학식 6 내지 9)에 대해 값이 클수록 균형 난이도가 더 높음을 나타낸다.
건강한 참가자의 MVD, PD, MLT 및 APT에 대한 장치 및 피드백(NN, DN, DF) 및 작업(T, O, G)의 효과를 조사하기 위해 2 way RMANOVA(반복측정 분산분석)를 사용했다. 또한 1-way RMANOVA를 사용하여 건강한 대상자의 보행 시도 간 보행 속도의 차이를 분석했다. Mauchly의 구형도 테스트는 RMANOVA 결과(p < .05)의 유효성을 확인하는 데 사용되었으며 위반 시 Greenhouse Geisser 보정(ε< .75)이 적용되었습니다. Bonferroni 보정을 적용하여 사후 테스트를 수행했다. 부분 에타 제곱(ηp 2)은 1 way 및 2 way RMANOVA에 대한 효과 크기의 척도로 계산되었다. 모든 통계적 분석은 SPSS V20.0(IBM Corp., USA)을 사용하여 수행하였다.
모든 실험 조건에서 한 명의 뇌졸중 환자의 PT 안정도가 도 18에 게시되어 있다. 본 발명의 햅틱모듈(700)이 전달하는 피드백은 대부분 환자의 체간 기울기 확산을 감소시키는 것으로 나타났다. 더 혼잡한 안정도는 더 큰 균형 제어를 나타낸다.
다른 시험 조건에서도 햅틱모듈(700)의 변위는 20mm의 작동 한계 내에서 잘 유지되었다(정상: 13.5±4.5mm, 스트로크: 9.1±1.8mm). 또한, 엔드 이펙터(740)에 내장된 압력센서(770)의 외력 데이터는 최대 4.97N(건강한 보행 시도 중 왼쪽)의 힘이 시스템에 의해 적용된 것으로 나타났으며, 이는 설계된 힘 한계인 10N보다 훨씬 낮았다. 동일한 실험 동안의 평균 힘은 1.4±0.8 N(왼쪽, 모든 건강한 참가자)이었다
보행 속도 결과는 도 19에 게시되어 있다. 1-way RMANOVA는 GNN, GDN 및 GDF 조건(F(2, 26) = .213, p < .810, ηp2 = .016) 간에 건강한 참가자와 뇌졸중 환자의 보행 속도에 유의한 차이가 없음을 보여주었다. 건강한 참가자의 결과와 마찬가지로 뇌졸중 참가자 파일럿 테스트(W 시험)의 속도 결과도 큰 변화를 보이지 않았다. 그러나 속도는 건강한 참가자보다 높았는데, 이는 빔이 아닌 선 위를 걷기 때문이다.
본 실험에 대한 2-way RMANOVA의 결과는 하기의 표 2에 게시되어 있다.
실험 자세(One-leg stance, Tandem Romberg 자세 및 보행)와 본 발명의 장치(NN, DN 및 DF)의 유의미한 상호 작용은 모든 결과 측정에 대해 별도로 작업 및 장치의 주요 효과 분석 및 사후 비교로 이어졌다. 이와 같이 작업별로 수행한 1-way RMANOVA의 결과는 도 20에 게시되어 있다. 반면에 자세 및 보행 시도에서 서로 다른 피드백 비율을 사용하기 때문에 장치 상태에 대한 주효과 검정 결과는 생략하였다.
상기의 표 2와 같이 실험의 모든 과제에 대한 2-way RMANOVA의 주효과는 매우 유의한 차이(p < .001)를 보여 실험 과제의 난이도가 적절하게 다르다는 것을 의미한다. 어떤 지표도 NN과 DN 조건 사이에 유의미한 차이를 나타내지 않는다(도 20 (a), (b), (c) 및 (d) 참조). 이는 단순히 본 발명을 착용하는 것만으로는 참가자의 균형에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 보여준다. 따라서 넥 햅틱부(200)의 질량과 피부 스트레치 피드백을 전달하기 위해 목에 가해지는 초기 힘은 사용자의 균형 능력에 실질적인 영향을 미치지 않는다는 결론을 내릴 수 있다.
또한, 본 실험 결과는 NN 조건과 비교하여 2차원 신체 흔들림의 속도와 궤적이 DF 조건에서 유의하게 감소되었음을 보여준다.(도 20 (a), (b), (c) 및 (d) 참조). 이는 개발된 본 발명이 속도와 변위 범위, ML과 AP 방향(좌우방향, 전후방향)의 총 이동량을 동시에 줄일 수 있음을 의미한다. 흥미롭게도 실험 결과는 작업이 어려울수록 개발된 본 발명의 효과가 더 크다는 것을 보여준다. O 작업(One-leg stance) 조건(NN 대 DF: MVD, PD, APT; p < .05, MLT; p < 0.01)과 비교하여 G 작업(Tandem gait (eyes open) of healthy subjects) 조건에서 균형 피드백의 전달은 MVD, PD, MLT 및 APT가 더 크게 감소했다.(NN 대 DF: MVD, MLT, APT; p < .01, PD; p < 0.05 및 DN 대 DF: MVD, MLT, APT; p < .01, PD; p < 0.05) (도 20 (a), (b), (c) 및 (d) 참조). 따라서 개발된 본 발명은 걷기와 같은 보다 역동적인 조건에서 더 높은 효율성을 가질 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 탠덤 보행 조건(Tandem Romberg stance)에서 보행 속도에는 유의한 차이가 없었다. 이는 본 발명이 사용자에게 높은 인지 부하를 가하지 않아 보행 속도가 감소할 수 있음을 나타낸다. 따라서 제안하는 시스템은 높은 인지 부하 없이 감각 증강을 통해 사용자의 균형 능력을 향상시킬 수 있어 노인이나 인지 능력이 저하된 환자가 사용하기에 적합하다.
또한, 도 20에서 볼 수 있듯이 O (One-leg stance) 시행 동안 DN 조건에서 모든 측도의 평균값은 NN 조건에서보다 낮았다. 반면, DN과 DF 조건 사이의 값에는 유의한 차이가 없었다. 이것은 흥미로운 관찰로, 몸통 기울기에 따라 조절되지 않는 소량의 일정하게 목을 미는 것만으로도 사람의 균형을 향상시킬 수 있음을 나타낸다. 그러나 이러한 조건에서 결과 측정의 큰 표준 편차는 이 효과의 확산이 사람마다 다를 수 있음을 나타낸다. 반면, G 시험(Tandem gait (eyes open) of healthy subjects)에서는 DN과 DF 조건 사이의 모든 측정에서 유의한 차이가 있었다. 이러한 결과는 스탠스 조건에서 단순히 목을 누르는 것만으로도 균형에 영향을 줄 수 있으며, 이는 사용자의 균형에 따른 힘의 조절을 통해 크게 향상되지 않을 수 있음을 보여준다.
뇌졸중 참가자를 대상으로 한 파일럿 테스트는 건강한 참가자와 유사한 결과를 보였다. 피드백이 없는 상태에서 본 발명을 착용하면 균형이 향상되어 뇌졸중 환자의 균형이 목의 힘 접촉에도 민감할 수 있음을 보여준다. 또한 피드백을 통한 균형 개선은 개발된 피드백 시스템이 뇌졸중 생존자의 균형 재활을 위한 실행 가능한 방법이 될 수 있음을 보여준다. 또한, 참가자는 본 발명을 사용하는 것이 편안했고 이에 대한 자신감을 표현했다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
100: 보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치
200: 넥 햅틱부
210: 착용부재
211: 메인바디
212: 지지바디
300: 접촉유닛
400: 햅틱모듈
410: 고정 프레임
420: 메인 플레이트
430: 접촉로드
440: 회동 구동부
450: 진퇴 구동부
510: 기울기 측정부
511: 깔창부재
512: 측정센서
513: 산출모듈
900: 제어부

Claims (22)

  1. 사용자가 착용하는 착용부재와, 상기 사용자의 목의 일부분에 접촉되어 해당 사용자에 접촉력을 인가하도록 상기 착용부재에 설치되는 접촉유닛이 마련된 넥 햅틱부;
    상기 사용자의 몸통 기울기를 측정하는 기울기 측정부; 및
    상기 기울기 측정부에서 제공되는 측정 정보를 토대로 상기 사용자의 몸통이 기울려질 경우, 상기 사용자가 균형을 잡을 수 있도록 상기 사용자의 몸통이 기울려지는 방향에 대응되게 상기 사용자의 목에 대한 접촉 위치 또는 접촉력 인가 위치가 변경되도록 상기 접촉유닛을 제어하는 제어부;를 구비하는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접촉유닛은 상기 사용자의 목의 어느 한 위치에 접촉되되, 해당 사용자의 목에 접촉된 상태로 상기 사용자의 목에 대한 접촉위치를 변경할 수 있는 복수의 햅틱모듈;을 구비하는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 착용부재는 상기 사용자의 목이 인입되는 인입공간이 형성되고, 상기 인입공간에 인접된 위치에 상기 햅틱모듈들이 설치된,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 햅틱모듈은
    상기 인입공간에 인접된 위치의 상기 착용부재에 설치되는 고정 프레임;
    상기 고정 프레임에 상하방향으로 연장된 가상의 중심선을 기준으로 회동가능하게 설치된 메인 플레이트;
    단부가 상기 사용자의 목에 접촉될 수 있도록 상기 인입공간 내측으로 진퇴가능하게 상기 메인 플레이트에 설치되는 접촉로드;
    상기 메인 플레이트에 설치되어 상기 고정 프레임에 대해 상기 메인 플레이트를 회동시키는 회동 구동부; 및
    상기 접촉로드에 설치되어 상기 메인 플레이트에 대해 상기 접촉로드를 진퇴시키는 진퇴 구동부;를 구비하는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 햅틱모듈은
    상기 인입공간에 인접된 위치의 상기 착용부재에 세팅되는 메인 플레이트;
    단부가 상기 사용자의 목에 접촉될 수 있도록 상기 인입공간의 내측으로 진퇴가능하게 상기 메인 플레이트에 설치되는 접촉로드;
    상기 착용부재에 대해 상기 지지플레이트를 상기 접촉로드의 진퇴방향에 대해 교차되는 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 지지플레이트;
    상기 접촉로드에 설치되어 상기 지지플레이트에 대해 상기 접촉로드를 진퇴시키는 진퇴 구동부; 및
    상기 메인 플레이트를 슬라이딩시킬 수 있도록 상기 지지플레이트에 설치되는 이동부;를 구비하는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 접촉로드의 상기 인입공간 내로 인입된 길이가 기설정된 한계 길이 이상일 경우, 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태 또는 접촉력 인가 상태가 해제되도록 상기 접촉로드가 초기 상태로 복귀하도록 상기 진퇴 구동부를 작동시키는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 햅틱모듈은 상기 접촉로드에 설치되며, 상기 접촉로드가 상기 사용자의 목에 접촉시 상기 사용자의 목에 인가되는 압력을 측정하는 압력센서;를 더 구비하는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 압력센서에서 측정된 압력 값이 기설정된 위험 압력 값 이상일 경우, 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태 또는 접촉력 인가 상태가 해제되도록 상기 접촉로드가 초기 상태로 복귀하게 상기 햅틱모듈을 작동시키는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 고정 프레임은
    상기 착용부재에 설치되는 메인 브라켓;
    상기 회전부재가 설치되는 것으로서, 상기 사용자의 목에 대한 상기 접촉로드의 접촉위치가 변경될 수 있도록 상기 메인 브라켓에 상하방향으로 회동가능하게 설치되는 회동판;
    상기 회동판 또는 메인 브라켓에 설치되어 상기 메인 브라켓에 대한 상기 회동판의 회동각도를 유지시키는 각도유지부재;를 구비하는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 각도유지부재는 상기 메인 브라켓 및 회동판 사이에 삽입되며, 일단부에서 타단부로 갈수록 상하폭이 증가하도록 형성된,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    해당 사용자의 목에 접촉되도록 상기 접촉로드의 단부에 설치되는 엔드 이펙터;를 더 구비하고,
    상기 엔드 이펙터는
    상기 접촉로드의 단부에 설치되는 서브 하우징;
    상기 서브 하우징에 상기 인입공간의 중심 측으로 진퇴가능하게 설치되는 진퇴부재;를 구비하고,
    상기 압력센서는 상기 진퇴부재에 접촉되도록 상기 서브 하우징에 설치되어 상기 진퇴부재의 단부가 상기 사용자의 목에 접촉시 인가되는 압력을 측정하는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 햅틱모듈들은 상기 인입공간을 기준으로 상호 대향되되, 좌우방향을 따라 상호 이격되게 상기 착용부재에 설치되는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 사용자가 몸통 중심을 기준으로 좌우방향 중 어느 한 방향으로 기울여질 경우, 상기 햅틱모듈들 중 상기 인입공간을 기준으로 상기 사용자가 기울여지는 방향에 위치한 상기 햅틱모듈이 상기 사용자의 목에 접촉되거나 접촉력을 인가하도록 해당 햅틱모듈을 작동시키는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 사용자가 몸통 중심을 기준으로 전후방향 중 어느 한 방향으로 기울여질 경우, 상기 햅틱모듈이 상기 사용자의 목에 접촉된 상태에서, 사용자의 목에 대한 접촉위치가 상기 사용자가 기울여지는 방향의 반대방향으로 이동되도록 해당 햅틱모듈을 제어하는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 사용자가 몸통 중심을 기준으로 기설정된 기준 기울기보다 더 기울려질 경우, 해당 사용자가 낙상한 것으로 판단하여 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태 또는 접촉력 인가 상태가 해제되도록 상기 햅틱모듈을 작동시키는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 사용자가 정지 신호를 입력하기 위한 정지 스위치;를 더 구비하고,
    상기 제어부는 상기 정지 스위치를 통해 해당 정지 신호가 입력되면, 상기 사용자에 위급상황이 발생된 것으로 판단하여 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태 또는 접촉력 인가 상태가 해제되도록 상기 햅틱모듈을 작동시키는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 기울기 측정부는
    상기 사용자의 양발의 발바닥에 각각 착용되는 복수의 깔창부재;
    상기 깔창부재들에 각각 설치되며, 상기 사용자의 각 발바닥으로부터 상기 깔창부재에 인가되는 압력을 측정하는 다수의 측정센서; 및
    상기 측정센서들에서 측정된 압력 정보를 토대로 상기 사용자의 몸통 기울기를 산출하는 산출모듈;을 구비하는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 기울기 측정부는
    상기 착용부재를 착용한 상기 사용자를 촬영하는 다수의 카메라; 및
    상기 카메라들에서 촬영된 영상을 분석하여 상기 사용자의 몸통 기울기를 산출하는 영상 분석모듈;을 구비하는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 기울기 측정부는
    상기 사용자의 허리에 착용되는 허리지지부재; 및
    상기 사용자의 몸통 기울기를 측정하기 위해 상기 허리지지부재에 설치되는 기울기 센서;를 구비하는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 기울기 측정부는 상기 사용자가 소지하며, 기울기 측정을 위한 센서모듈이 마련된 휴대 단말기에 설치되며, 해당 휴대 단말기의 센서모듈로부터 측정 정보를 획득하고, 획득한 측정 정보를 토대로 상기 사용자의 몸통 기울기를 산출하는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  21. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 접촉로드가 상기 사용자의 목에 접촉된 상태에서 상기 메인 플레이트가 상기 고정 프레임에 대해 회동할 경우, 상기 접촉로드가 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태를 유지할 수 있도록 해당 메인 플레이트의 회동각도에 대응되게 상기 접촉로드의 상기 인입공간 내로 진입하는 진입 길이가 변경되게 상기 진퇴 구동부를 제어하는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
  22. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 접촉로드가 상기 사용자의 목에 접촉된 상태에서 상기 메인 플레이트가 상기 지지플레이트에 대해 슬라이딩될 경우, 상기 접촉로드가 상기 사용자의 목에 대한 접촉 상태를 유지할 수 있도록 상기 메인 플레이트의 이동 거리에 대응되게 상기 접촉로드의 상기 인입공간 내로 진입하는 진입 길이가 변경되게 상기 진퇴 구동부를 제어하는,
    보행 균형 재활 훈련을 위한 목 햅틱 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101138012B1 (ko) 2010-10-25 2012-04-20 경희대학교 산학협력단 복수 개의 측정 자세에서 사용자의 균형도를 측정하기 위한 장치 및 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101138012B1 (ko) 2010-10-25 2012-04-20 경희대학교 산학협력단 복수 개의 측정 자세에서 사용자의 균형도를 측정하기 위한 장치 및 방법

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