KR20240047780A - 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 시스템 및 이를 이용한 균형감각 평가 방법 - Google Patents

밸런스보드 기반의 균형감각 평가 시스템 및 이를 이용한 균형감각 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 시스템 및 이를 이용한 균형감각 평가 방법에 관한 것으로, 상기 시스템은 상단부에 선 상태로 탑승한 사용자의 무게를 측정하는 무게 센서들을 포함하는 밸런스보드(balance board); 및 복수의 센서들로부터 수집된 센서데이터를 수신하여 상기 사용자의 균형감각을 평가하는 평가 장치;를 포함하고, 상기 밸런스보드는 상기 상단부를 형성하여 상기 사용자에게 탑승 공간을 제공하는 보드 플레이트(board plate); 사각형 형상으로 구현되어 상기 보드 플레이트의 하단부에 결합되고 상기 사각형의 각 모서리에 배치되는 상기 무게 센서들을 통해 상기 보드 플레이트를 지지하는 로드셀 프레임(load cell frame); 및 상기 로드셀 프레임의 하단부 중앙에 결합되고 지면에 배치된 상태에서 상기 로드셀 프레임을 지지하며 상기 사용자의 무게중심에 따라 기울어지도록 구현된 밸런스 볼(balance ball);을 포함한다.

Description

밸런스보드 기반의 균형감각 평가 시스템 및 이를 이용한 균형감각 평가 방법{BALANCE BOARD-BASED SENSE OF BALANCE EVALUATION SYSTEM AND METHOD OF EVALUATION OF SENSE OF BALANCE USING THE SAME}
본 발명은 IoT 밸런스보드 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직사각형의 밸런스보드에 힘을 측정할 수 있는 로드셀 센서와 3축의 가속도 및 각속도를 측정할 수 있는 IMU 센서를 장착하여 인체가 밸런스보드 위에서 얼마나 빨리 균형을 유지하고 얼마나 지속적으로 균형을 유지하는지를 정량적으로 측정할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
최근 한국사회도 고령화 사회에 접어들면서 노인복지 및 노인 헬스케어에 대한 관심이 높아지고 있다. 노년에 접어들면 가장 두드러지게 신체기능 중 근력과 균형감각이 감소하게 되는데 이러한 신체기능의 저하는 여러가지 사고를 유발할 수 있는 원인을 제공할 수 있다.
대표적인 예가, 낙상에 의한 사고를 들 수 있다. 낙상에 의한 사망은 미국 질병관리본부에서도 미국 내 예기치 않은 사망률 2위에도 속할 정도로 우리 주변에서 빈번히 일어날 수 있는 위험한 사고 중에 하나이다.
낙상은 골격계의 손상으로 이에 따른 수술 및 입원과 부작용으로 노인의 경우 사망에까지 이를 수 있게 되는 위험한 사고라고 할 수 있다. 이러한 사고를 예방하기 위해서는 평소 감소하는 근력과 균형감각을 향상시키기 위한 운동이 필요하다.
노인이 아니더라도 근력과 균형감각의 향상을 위한 운동은 필요하다. 물건을 옮기고 계단을 오르는 등 일상의 생활 속에서 근력과 균형감각을 필요로 하는 활동이 많은 부분을 차지하고 있기 때문이다.
근력감소는 일반적인 웨이트 트레이닝을 통해서 방지할 수 있으며 균형감각의 저하는 밸런스보드와 같은 운동기구를 통해서 방지할 수 있다.
한국등록특허 제10-1626062호 (2016.05.25)
본 발명의 일 실시예는 밸런스보드를 사용하는 사용자가 밸런스보드 위에서 중심을 잡는 움직임을 얼마나 빠른 시간내에 수행하는지와 평형상태를 얼마나 오랫동안 유지하는지를 평가할 수 있는 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 시스템 및 이를 이용한 균형감각 평가 방법을 제공하고자 한다.
이를 구현하기 위하여, 기존의 밸런스보드의 보드판 위에 인체의 중량을 측정할 수 있는 로드셀이 장착되어야 하며, 움직임 측정을 위한 IMU 센서가 필요할 수 있다. 또한, 마이크로컨트롤러에서는 4개의 로드셀 데이터와 IMU 데이터를 조합하여 하나의 데이터셋을 구성한 후 블루투스 통신을 통하여 데이터를 실시간 송신할 필요가 있다.
이때, 수신기가 장착된 컴퓨터에서는 시리얼 모니터 프로그램을 통해 데이터를 수신하고 수신된 데이터로부터 현재 인체의 움직임 상태를 역으로 추적할 수 있는 기술이 요구되며 현재 수신된 데이터를 기반으로 균형감각의 정량적 평가를 진행할 때 평가를 위한 기준데이터의 준비가 요구될 수 있다.
실시예들 중에서, 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 시스템은 상단부에 선 상태로 탑승한 사용자의 무게를 측정하는 무게 센서들을 포함하는 밸런스보드(balance board); 및 복수의 센서들로부터 수집된 센서데이터를 수신하여 상기 사용자의 균형감각을 평가하는 평가 장치;를 포함하고, 상기 밸런스보드는 상기 상단부를 형성하여 상기 사용자에게 탑승 공간을 제공하는 보드 플레이트(board plate); 사각형 형상으로 구현되어 상기 보드 플레이트의 하단부에 결합되고 상기 사각형의 각 모서리에 배치되는 상기 무게 센서들을 통해 상기 보드 플레이트를 지지하는 로드셀 프레임(load cell frame); 및 상기 로드셀 프레임의 하단부 중앙에 결합되고 지면에 배치된 상태에서 상기 로드셀 프레임을 지지하며 상기 사용자의 무게중심에 따라 기울어지도록 구현된 밸런스 볼(balance ball);을 포함한다.
상기 밸런스보드는 동작 제어를 수행하는 제어기(controller); 상기 동작 제어를 위한 전원을 공급하는 배터리(battery); 상기 동작 제어의 실행을 제어하는 전원 스위치(power switch); 및 상기 평가 장치와의 통신을 수행하는 블루투스 모듈(bluetooth module);을 더 포함할 수 있다.
상기 로드셀 프레임은 상기 무게 센서들의 측정값의 총합이 상기 사용자의 무게와 동일하도록 금속 재질로 구현될 수 있다.
상기 밸런스 볼은 상기 사용자의 무게중심에 따라 기울어지는 경우 상기 지면과 15도의 경사각을 형성하도록 구현될 수 있다.
실시예들 중에서, 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 방법은 밸런스보드 상에서 사용자의 탑승을 검출하는 단계; 상기 탑승의 시점부터 상기 밸런스보드의 무게 센서들을 통해 상기 사용자의 무게에 관한 제1 센서 데이터를 측정하는 단계; 상기 밸런스보드의 IMU 센서들을 통해 상기 밸런스보드의 움직임에 관한 제2 센서 데이터를 측정하는 단계; 상기 밸런스보드 상에서 상기 제2 센서 데이터를 기초로 상기 밸런스보드의 X, Y, Z 방향에 대한 중력가속도 및 각속도를 수집하는 단계; 상기 밸런스보드를 통해 평가 장치로 상기 제1 센서 데이터, 상기 중력가속도, 상기 각속도 및 총 중량값을 포함하는 평가 데이터를 전송하는 단계; 및 상기 평가 장치 상에서 상기 평가 데이터를 분석하여 상기 사용자의 균형감각에 관한 평가를 수행하는 단계;를 포함한다.
상기 평가 데이터를 전송하는 단계는 상기 제1 센서 데이터 및 상기 총 중량값을 포함하는 제1 평가 데이터와 상기 중력가속도 및 상기 각속도를 포함하는 제2 평가 데이터를 반복적으로 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 평가를 수행하는 단계는 상기 제1 센서 데이터를 기초로 RP(Relative Phase) 변환을 통해 4개의 각도 그래프들을 생성하는 단계; 상기 4개의 각도 그래프들을 통합하여 하나의 메인 그래프를 생성하는 단계; 및 상기 메인 그래프의 면적을 산출하여 상기 균형감각을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 평가를 수행하는 단계는 상기 제1 센서 데이터를 기초로 상기 사용자의 무게중심의 변화를 추적하는 단계; 및 상기 무게중심의 변화를 시각화하여 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 균형감각 평가 방법은 상기 평가의 결과에 따라 균형감각 훈련을 위한 훈련 컨텐츠를 제공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 시스템 및 이를 이용한 균형감각 평가 방법은 기존의 밸런스보드에 IMU 센서를 장착하여 밸런스보드의 움직임을 6자유도 모션으로 해석하고 4개의 로드셀을 사용하여 무게중심의 이동을 실시간으로 추척할 수 있는 시스템으로 인체활동에 필수적으로 요구되는 균형감각을 훈련할 수 있고 개인의 균형감각을 정량적으로 평가할 수 있다.
특히, 균형감각이 요구되는 특수한 분야의 직업군(예: 비행기 및 우주선 조종사)에서 신체활동 평가와 관련된 평가도구로 활용될 수 있다. 또한, 응용분야로는 스노우보드 및 서핑보드와 같은 무게중심을 필요로 하는 각종 스포츠게임의 컨트롤러로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 균형감각 평가 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런스보드의 주요 구성을 설명하는 도면이다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런스보드를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런스보드의 센서들을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 밸런스보드의 실제 구현된 실시예를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 밸런스보드를 위한 전자회로도의 일 실시예를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 RP 변환 과정을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 균형감각 평가 방법을 설명하는 순서도이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 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, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명에 따른 균형감각 평가 시스템을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 균형감각 평가 시스템(100)은 밸런스보드(110) 및 평가 장치(130)를 포함할 수 있다.
밸런스보드(110)는 보드 상단부에 사용자가 탑승한 상태에서 균형상태를 유지하도록 하여 사용자의 균형감각을 측정하도록 구현된 장치에 해당할 수 있다. 밸런스보드(110)는 평가 장치(130)와 유선 또는 무선으로 연결될 수 있으며, 이를 위한 통신 수단을 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 밸런스보드(110)는 다른 밸런스보드(110)들과 동시에 평가 장치(130)와 연결될 수 있다.
또한, 밸런스보드(110)는 본 발명에 따른 균형감각 평가 시스템(100)을 구성하는 하나의 장치로서 구현될 수 있으며, 균형감각 평가 시스템(100)은 밸런스보드(110)를 이용한 균형감각 평가 목적에 따라 다양한 형태로 변형되어 구현될 수 있다.
평가 장치(130)는 본 발명에 따른 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 방법을 수행하는 컴퓨터 또는 프로그램에 해당하는 서버로 구현될 수 있다. 또한, 평가 장치(130)는 밸런스보드(110)와 유선 네트워크 또는 블루투스, WiFi, LTE 등과 같은 무선 네트워크로 연결될 수 있고, 네트워크를 통해 밸런스보드(110)와 데이터를 송·수신할 수 있다. 또한, 평가 장치(130)는 필요에 따라 독립된 외부 시스템(도 1에 미도시함)과 연결되어 동작하도록 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 평가 장치(130)는 클라우드 서버로 구현될 수 있으며, 이 경우, 평가 장치(130)의 일부 기능 및 동작은 밸런스보드(110) 상에서 독립적으로 수행될 수 있다. 즉, 평가 장치(130)는 밸런스보드(110)와 연동하여 본 발명에 따른 균형감각 평가 방법을 수행하도록 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런스보드의 주요 구성을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 밸런스보드(110)는 보드 상단부에 탑승한 사용자의 무게를 측정하고 균형감각 평가를 위하여 사용자의 움직임에 관한 정보를 수집하도록 구현될 수 있다.
구체적으로, 밸런스보드(110)는 보드 플레이트(Board plate), 로드셀 프레임(Load cell frame) 및 밸런스 볼(Balance ball)을 포함하여 구현될 수 있다. 보드 플레이트는 보드의 상단부를 형성하여 사용자에게 탑승 공간을 제공할 수 있다. 즉, 사용자는 보드 플레이트의 상단부에 형성된 탑승 공간에 선 상태로 밸런스보드(110)에 탑승할 수 있다. 로드셀 프레임은 보드 플레이트의 하단부에 결합되어 보드 플레이트를 지지하도록 구현될 수 있다. 특히, 로드셀 프레임은 사각형 형상으로 구현되어 사각형의 각 모서리에 무게 센서들(Sensor_N1 ~ N4)이 배치될 수 있다.
이때, 각 무게 센서들은 로드셀 프레임과 보드 플레이트 사이에 배치되어 로드셀 프레임과 보드 플레이트가 서로 특정 간격만큼 이격된 상태를 유지하도록 할 수 있다. 각 무게 센서들은 신호 증폭을 위하여 로드셀 엠프(Load cell AMP)와 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 로드셀 프레임은 무게 센서들의 측정값의 총합이 사용자의 무게와 동일하도록 금속 재질로 구현될 수 있다.
또한, 밸런스 볼은 로드셀 프레임의 하단부 중앙에 결합되고 지면에 배치된 상태에서 로드셀 프레임이 지면과 일정한 높이로 이격되도록 로드셀 프레임을 지지할 수 있다. 밸런스 볼은 보드 상단부에 탑승한 사용자의 무게중심에 따라 지면과 일정한 각도를 형성하면서 기울어지도록 반구 형태로 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 밸런스보드(110)는 전체적인 동작 제어를 수행하는 제어기(Controller)와, 동작 제어 과정에서 전원을 공급하는 배터리(Battery)와, 제어기의 실행을 제어하는 전원 스위치(Power switch)와, 평가 장치(130)와의 통신을 수행하는 블루투스 모듈(Bluetooth module)을 더 포함할 수 있다. 이때, 제어기, 배터리 및 블루투스 모듈은 로드셀 프레임의 중앙에 배치될 수 있고, 그 결과 보드 플레이트와 밸런스 볼 사이에 형성된 공간에 배치될 수 있다. 또한, 배터리는 충전식 9V 배터리가 사용될 수 있으며, 안정적인 전원 공급을 위하여 전원 스위치가 ON되면 5V 정전압레귤레이터 SMPS(Switching Mode Power Supply)와 연결될 수 있다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런스보드를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 밸런스보드(110)는 보드 플레이트(310), 로드셀 프레임(330) 및 밸런스 볼(350)이 상하로 순차적으로 결합되어 구현될 수 있다. 보드 플레이트(310)의 경우, 가로 730mm 및 세로 280mm 크기의 사각형의 양쪽 모서리가 반원형을 형성하는 평면으로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않음은 물론이다.
또한, 보드 플레이트(310)의 하단에는 로드셀 프레임(330)이 결합될 수 있으며, 로드셀 프레임(330)은 사각형 형상으로 구현되어 각 모서리에 무게 센서들이 배치된 상태에서 무게 센서들을 통해 보드 플레이트(310)를 지지할 수 있다. 밸런스 볼(350)은 로드셀 프레임(330)의 하단부 중앙에 결합되어 로드셀 프레임(330)을 지지할 수 있다. 결과적으로, 밸런스 볼(350)은 로드셀 프레임(330)과 보드 플레이트(310)를 지면으로부터 일정한 높이만큼 이격되도록 지지할 수 있다.
도 4를 참조하면, 보드 플레이트(310)는 사용자가 탑승 시 사용자의 무게중심에 따라 한쪽 방향으로 일정한 각도로 기울어지도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 보드 플레이트(310)는 사용자의 무게중심에 따라 한쪽 방향으로 기울어진 결과 보드 플레이트(310)의 일단이 지면에 접촉한 상태에서 지면과 15도의 경사각을 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런스보드의 센서들을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 밸런스보드(110)는 IMU(Inertial Measurement Unit: 관성측정장치) 센서를 통해 사용자의 움직임 정보를 측정하고, 무게 센서들을 통해 사용자의 무게와 무게중심의 이동을 측정할 수 있다. 도 5의 왼쪽 그림에서는 IMU 센서가 측정하는 가속도와 각속도의 방향 X, Y, Z축과 각 축에서의 회전 방향이 표시되어 있다. 또한, 도 5의 오른쪽 그림 에서는 전체 시스템에서 로드셀과 전자회로의 위치가 표시되어 있다. 여기에서, Ax, Ay, Az는 각각 X, Y, Z축 방향의 가속도이고, Gx, Gy, Gz는 각각 X, Y, Z축을 기준으로 한 회전 각속도이다.
보다 구체적으로, 밸런스보드(110)는 4개의 로드셀을 포함하여 구현될 수 있다. 즉, 로드셀을 통해 인체의 중량과 분산된 중량의 값 및 무게중심(COP, Center of Pressure)의 이동변화를 추적할 수 있다. 이를 위하여, 각 로드셀은 밸런스보드(110)의 하단 각 모서리 부분에 총 4개의 로드셀이 창작될 수 있으며, 4개의 로드셀은 신호증폭을 위하여 각각 엠프 모듈과 연결될 수 있다.
또한, 로드셀 위에 실제 인체의 발이 닫는 부분은 조립시 로드셀에 부하가 가지 않도록 소정의 간격으로 이격이 존재해야 한다. 4개의 로드셀은 신호증폭을 위해 각각 엠프 모듈을 가지고 있기 때문에 4개의 로드셀은 각각 개별적으로 켈리브레이션을 해주어야 한다. 예를 들어, HX711로드셀 엠프보드를 사용하는 경우 엠프보드로부터 데이터를 수신하기 위하여 2개의 디지털포트가 필요할 수 있으며, 각 엠프보드와 연결되는 마이크로컨트롤러에는 최소 8개 이상의 디지털 입출력포트가 존재해야 한다.
일 실시예에서, 평가 장치(130)는 밸런스보드(110)로부터 수집한 센서 데이터를 기반으로 사용자의 무게중심의 변화를 추적할 수 있고, 무게중심의 변화를 시각화하여 디스플레이할 수 있다. 보다 구체적으로, 평가 장치(130)는 무게 센서들을 통해 수집된 센서 데이터를 기반으로 다음의 수학식 1을 통해 무게중심의 변화를 기록할 수 있다.
[수학식 1]
여기에서, ML은 사용자의 좌우 방향을 나타내고, AP는 사용자의 전후 방향을 나타낸다. 또한, pi는 각 무게 센서에서 측정된 값이다.
또한, 평가 장치(130)는 밸런스보드(110)의 IMU 센서를 통해 실시간으로 X, Y, Z 방향의 중력가속도 값과 X, Y, Z 방향의 각속도 값을 측정할 수 있으며, 이를 기초로 현재 탑승 중인 사용자의 움직임을 6자유로 모션으로 해석할 수 있다. 일 실시예에서, 밸런스보드(110)는 센서 장착으로 인한 시스템의 복잡도를 줄이기 위하여 동작 제어를 수행하는 마이크로컨트롤러로 IMU 센서를 내장하고 있는 Arduino BLE33 Sense보드를 사용할 수 있다. Arduino BLE33 Sense보드는 IMU 센서를 내장하고 있어 특정된 호출함수를 통해 각 축에서의 가속도와 각속도를 측정할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 밸런스보드의 실제 구현된 실시예를 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 그림 A는 인체의 발이 닫는 보드판에 해당할 수 있으며, 그림 A 위에 로드셀 프레임과 밸런스 볼(그림 B)가 결합되면 그림 C와 같은 모습이 형성될 수 있다. 즉, 그림 C는 밸런스보드(110)를 바텀 뷰(Bottom view)로 바라본 사진에 해당할 수 있다.
또한, 그림 D는 전체 시스템을 조립한 사진에 해당할 수 있으며, 아이소메트릭 뷰(Isometric view)로 바라본 사진에 해당할 수 있다. 그림 E는 데이터 수신기에 해당할 수 있으며, 조립된 밸런스보드(110)에서 로드셀 데이터와 IMU 데이터를 블루투스 통신으로 송신하면 해당 데이터를 수신하여 수신기가 연결된 평가 장치(130) 쪽으로 다시 데이터를 전송하는 장치에 해당할 수 있다. 한편, 평가 장치(130)와의 연결은 USB 케이블을 통해 이루어질 수 있으며, 이 경우 통신 방식은 시리얼통신이 사용될 수 있다.\
일 실시예에서, 평가 장치(130)는 밸런스보드(110)의 보드 플레이트 위에서 인체의 무게중심이 어떤 방향으로 변화하는지를 추적하기 위하여 사용자의 무게가 각 로드셀에 어떻게 분산되어 작용하는지를 분석할 수 있다. 즉, 평가 장치(130)는 밸런스보드(110)의 마이크로컨트롤러 내에 내장된 IMU 센서를 통해 X, Y, Z축에 대한 가속도와 각속도 값을 실시간으로 측정하여 수집할 수 있다.
따라서, 평가 장치(130)는 로드셀 데이터와 IMU 데이터의 조합으로 보드 플레이트 위에서 힘의 변화가 전체 밸런스보드(110)의 균형을 이루게 하는지에 관한 정보를 도출할 수 있다. 이를 통해, 평가 장치(130)는 반대로 균형을 잡기 위하여 사용자가 어느쪽으로 몸을 더 기울여야 하는지에 관한 피드백을 밸런스보드(110) 상의 사용자에게 제공할 수도 있다. 사용자는 해당 피드백을 통해 밸런스보드(110) 위에서 보다 효과적으로 균형을 이룰 수 있다.
한편, 밸런스보드(110)는 전원 스위치를 통해 동작을 제어할 수 있다. 구체적으로, 전원 스위치가 온(on)되면 5V 전원이 인가되어 로드셀 데이터와 IMU 데이터를 수집하는 동작이 수행될 수 있다. 밸런스보드(110)는 로드셀 데이터와 IMU 데이터를 하나의 데이터셋으로 묶은 다음 수신기를 통해 평가 장치(130)로 전송할 수 있다.
이때, 밸런스보드(110)에서 평가 장치(130)로 전송되는 데이터는 60ms 주기로 업데이트될 수 있으며, 한번은 IMU 센서값이 전송되고 한번은 로드셀 데이터가 전송될 수 있다. 또한, IMU 데이터는 첫번째로 문자 'I'를 수신하고 그 다음으로 X축의 가속도 데이터, Y축의 가속도 데이터, Z축의 가속도 데이터, X축 방향에서의 각속도, Y축 방향에서의 각속도, Z축 방향에서의 각속도 및 마지막 문자 'E'를 수신함으로써 데이터 전송이 완료될 수 있다. 이때, 가속도의 단위는 g이고(1g = 9.8m/sec2), 각속도의 단위는 ω(rad/sec)이다. 예를 들어, IMU 데이터는 {I, 0.01, -0.02, 0.98, -0.49, 1.16, 0.61, E}와 같이 표현될 수 있다.
이후, IMU 데이터의 수신이 완료되면 'W' 문자 수신을 시작으로 로드셀 프레임의 각 모서리 위치에 있는 로드셀에서 측정한 값들이 순차적으로 수신되고 그 다음엔 4개의 로드셀 값을 합한 값이 수신될 수 있다. 그리고, IMU 데이터와 마찬가지로 문자 'E'를 수신함으로써 데이터 전송이 완료될 수 있다. 이때, 로드셀 데이터의 단위는 Kg이며 소수점 1자리까지 표현될 수 있다. 예를 들어, 로드셀 데이터는 {W, -0.1, -0.1, -0.1, 0.0, -0.3, E}와 같이 표현될 수 있다.
또한, 평가 장치(130)는 균형감각 평가와 균형감각 훈련을 위한 소프트웨어를 제공할 수 있다. 이때, 전용 소프트웨어는 웹 데이터베이스와 연동하여 밸런스보드 사용자의 데이터를 기록하고 훈련 컨텐츠를 통해 균형감각이 얼마나 좋아지고 있는지를 그래프를 통해 시각화할 수 있으며, 사용자의 균형감각이 평균 연령대 사용자들 중 몇 % 안에 드는지를 수치화하는 기능들을 제공할 수 있다. 평가 장치(130)는 수신 데이터를 모니터링하고 인체가 힘을 가하는 순간부터 무게중심을 이루는데 걸리는 시간과 밸런스보드(110)의 균형이 유지되는 시간 및 밸런스보드(110)의 균형을 잡는 동안 이동 변화가 얼마나 많았는지를 반영하여 0 ~ 100의 점수를 산출함으로써 사용자의 균형감각을 평가할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 밸런스보드를 위한 전자회로도의 일 실시예를 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 균형감각 평가 시스템(100)의 밸런스보드(110)는 마이크로컨트롤러에 4개의 로드셀 엠프가 연결될 수 있고, 각각의 로드셀 엠프에는 최대 50Kg까지 측정 가능한 로드셀(즉, 무게 센서)이 연결될 수 있다. 또한, 수신기와의 무선통신을 위하여 블루투스 통신 모듈이 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 균형감각 평가 시스템(100)은 밸런스보드(110)를 통해 보드 상에 탑승한 사용자의 균형감각을 평가하고 그 결과를 생성할 수 있으며, 평가 결과에 따라 균형감각 훈련을 위한 훈련 컨텐츠를 제공할 수 있다. 이를 위하여, 균형감각 평가 시스템(100)은 컨텐츠 재생을 위한 디스플레이 모듈을 더 포함하여 구현될 수 있다. 즉, 균형감각 평가 시스템(100)은 디스플레이 모듈을 통해 훈련 컨텐츠를 재생할 수 있으며, 사용자는 밸런스보드(110)에 탑승한 상태에서 훈련 컨텐츠에 따라 균형감각 훈련을 수행할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 RP 변환 과정을 설명하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 평가 장치(130)는 RP 변환을 수행하여 4개의 각도 그래프를 하나의 그래프로 변환할 수 있다. 구체적으로, 평가 장치(130)는 각 센서 값을 통해 필요한 각도를 측정할 수 있고, 이를 정규화할 수 있다. 다음으로, 평가 장치(130)는 방향이 동일한 각도끼리 통합하여 시간축을 제외하면서 변환할 수 있다. 평가 장치(130)는 변환된 차원변환에서 각도의 변화를 시계열 데이터로 도출할 수 있다. 평가 장치(130)는 도출된 시계열 데이터를 한쪽에서 다른 한쪽을 뺀 결과로서 하나의 그래프로 표현할 수 있다. 이때, 변화된 하나의 그래프 상에서 항상 균형된 상태라면 0 근처의 값으로 표현되는 반면, 불균형 상태가 발생하는 경우 0으로부터 멀어지는 값으로 표현될 수 있다.
이에 따라, 사용자가 불균형 상태를 인식하고 빠르게 균형 상태로 돌아온다면 다시 그래프의 값은 0 근처의 값으로 표현될 수 있으나, 그렇지 않은 경우 계속해서 0에서 멀어져 있는 상태로 표현될 수 있다. 따라서, 평가 장치(130)는 RP 변환된 그래프의 면적을 계산함으로써 사용자의 균형감각을 정량적인 데이터로 변환하여 평가 결과로서 제공할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 균형감각 평가 방법을 설명하는 순서도이다.
도 9를 참조하면, 밸런스보드(110)를 이용한 균형감각 평가 방법은 밸런스보드(110)와 연결된 평가 장치(130)를 통해 수행될 수 있다. 구체적으로, 단계 S910에서는 밸런스보드(110) 상에서 사용자의 탑승을 검출할 수 있다. 예를 들어, 밸런스보드(110)는 무게 센서의 측정값의 변화를 기초로 사용자의 탑승 여부를 결정할 수 있으며, 사용자의 탑승에 따른 신호를 생성하여 평가 장치(130)로 전송할 수 있다.
단계 S920에서는 탑승의 시점부터 밸런스보드(110)의 무게 센서들을 통해 사용자의 무게에 관한 제1 센서 데이터를 측정할 수 있다.
단계 S930에서는 밸런스보드(110)의 IMU 센서들을 통해 밸런스보드(110)의 움직임에 관한 제2 센서 데이터를 측정할 수 있다. 여기에서, 밸런스보드(110)의 움직임의 사용자의 움직임에 대응될 수 있다.
단계 S940에서는 밸런스보드(110) 상에서 제2 센서 데이터를 기초로 밸런스보드(110)의 X, Y, Z 방향에 대한 중력가속도 및 각속도를 수집할 수 있다. 이를 위하여, 밸런스보드(110)의 제어기에 해당하는 마이크로컨트롤러 내부에는 IMU 센서가 포함될 수 있다.
단계 S950에서는 밸런스보드(110)를 통해 평가 장치(130)로 제1 센서 데이터, 중력가속도, 각속도 및 총 중량값을 포함하는 평가 데이터를 전송할 수 있다. 이때, 제1 센서 데이터 및 총 중량값을 포함하는 제1 평가 데이터와 중력가속도 및 각속도를 포함하는 제2 평가 데이터는 교대로 전송될 수 있으며, 해당 전송 과정은 반복적으로 수행될 수 있다.
단계 S960에서는 평가 장치(130) 상에서 평가 데이터를 분석하여 사용자의 균형감각에 관한 평가를 수행할 수 있다. 평가 장치(130)는 균형감각에 대한 평가 결과를 디스플레이 모듈을 통해 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 평가 장치(130)는 평가 결과를 사용자 단말을 통해 제공할 수 있다. 이때, 사용자 단말은 사용자가 운용하는 스마트폰, 노트북, 태블릿 PC 등에 해당할 수 있다.
또한, 평가 장치(130)는 사용자에 대한 평가 결과를 기초로 사용자 맞춤형 훈련 컨텐츠를 제공할 수 있다. 이 경우에도, 훈련 컨텐츠는 평가 장치(130)와 연결된 디스플레이 모듈을 통해 제공되거나 또는 사용자 단말을 통해 제공될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 균형감각 평가 시스템
110: 밸런스보드 130: 평가 장치
310: 보드 플레이트 330: 로드셀 프레임
350: 밸런스 볼

Claims (9)

  1. 상단부에 선 상태로 탑승한 사용자의 무게를 측정하는 무게 센서들을 포함하는 밸런스보드(balance board); 및
    복수의 센서들로부터 수집된 센서데이터를 수신하여 상기 사용자의 균형감각을 평가하는 평가 장치;를 포함하고,
    상기 밸런스보드는
    상기 상단부를 형성하여 상기 사용자에게 탑승 공간을 제공하는 보드 플레이트(board plate);
    사각형 형상으로 구현되어 상기 보드 플레이트의 하단부에 결합되고 상기 사각형의 각 모서리에 배치되는 상기 무게 센서들을 통해 상기 보드 플레이트를 지지하는 로드셀 프레임(load cell frame); 및
    상기 로드셀 프레임의 하단부 중앙에 결합되고 지면에 배치된 상태에서 상기 로드셀 프레임을 지지하며 상기 사용자의 무게중심에 따라 기울어지도록 구현된 밸런스 볼(balance ball);을 포함하는 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 밸런스보드는
    동작 제어를 수행하는 제어기(controller);
    상기 동작 제어를 위한 전원을 공급하는 배터리(battery);
    상기 동작 제어의 실행을 제어하는 전원 스위치(power switch); 및
    상기 평가 장치와의 통신을 수행하는 블루투스 모듈(bluetooth module);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 로드셀 프레임은
    상기 무게 센서들의 측정값의 총합이 상기 사용자의 무게와 동일하도록 금속 재질로 구현되는 것을 특징으로 하는 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 밸런스 볼은
    상기 사용자의 무게중심에 따라 기울어지는 경우 상기 지면과 15도의 경사각을 형성하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 시스템.
  5. 밸런스보드 상에서 사용자의 탑승을 검출하는 단계;
    상기 탑승의 시점부터 상기 밸런스보드의 무게 센서들을 통해 상기 사용자의 무게에 관한 제1 센서 데이터를 측정하는 단계;
    상기 밸런스보드의 IMU 센서들을 통해 상기 밸런스보드의 움직임에 관한 제2 센서 데이터를 측정하는 단계;
    상기 밸런스보드 상에서 상기 제2 센서 데이터를 기초로 상기 밸런스보드의 X, Y, Z 방향에 대한 중력가속도 및 각속도를 수집하는 단계;
    상기 밸런스보드를 통해 평가 장치로 상기 제1 센서 데이터, 상기 중력가속도, 상기 각속도 및 총 중량값을 포함하는 평가 데이터를 전송하는 단계; 및
    상기 평가 장치 상에서 상기 평가 데이터를 분석하여 상기 사용자의 균형감각에 관한 평가를 수행하는 단계;를 포함하는 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 평가 데이터를 전송하는 단계는
    상기 제1 센서 데이터 및 상기 총 중량값을 포함하는 제1 평가 데이터와 상기 중력가속도 및 상기 각속도를 포함하는 제2 평가 데이터를 반복적으로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 평가를 수행하는 단계는
    상기 제1 센서 데이터를 기초로 RP(Relative Phase) 변환을 통해 4개의 각도 그래프들을 생성하는 단계;
    상기 4개의 각도 그래프들을 통합하여 하나의 메인 그래프를 생성하는 단계; 및
    상기 메인 그래프의 면적을 산출하여 상기 균형감각을 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 평가를 수행하는 단계는
    상기 제1 센서 데이터를 기초로 상기 사용자의 무게중심의 변화를 추적하는 단계; 및
    상기 무게중심의 변화를 시각화하여 디스플레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 평가의 결과에 따라 균형감각 훈련을 위한 훈련 컨텐츠를 제공하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런스보드 기반의 균형감각 평가 방법.
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