자세균형 훈련 시스템

자세균형 훈련 시스템 {A POSTURAL BALANCE TRAINING SYSTEM}

본 발명은 자세균형 훈련 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사용자의 흥미를 유발할 수 있는 자세균형 훈련을 제공할 수 있는 자세균형 훈련 시스템에 관한 것이다.

자세균형은 공간상에서 안정성과 정향성을 유지하기 위해 신체의 위치를 제어하는 것이며, 자세의 안정성이란 특정한 공간 영역 내에 신체의 위치제어 특히, 신체의 무게 중심을 유지하는 능력이고, 자세의 정향성은 신체가 환경과 적절한 관계를 유지하는 능력이다.

최근 생활수준의 향상과 의료기술의 발번에 따라 노인인구가 증가하고 있으며, 노인들은 노화나 질환으로 인하여 자세균형 능력이 저하되고, 이러한 자세균형 능력의 저하는 낙상으로 이어지게 된다. 낙상은 장기간 활동을 못하게 하여 2차적인 근력약화와 구축(contracture) 및 골밀도 저하 등의 기능 약화를 초래하고, 신체적 기능 약화에 다시 낙상이 발생하는 악순환에 빠지게 된다. 또한, 교통사고 등에 따른 전정계 이상 및 체성 감각계의 기능 손상에 의한 자세균형 환자가 점점 증가하고 있는 추세이다.

이러한 환자 등의 재활은 통상 자세균형 훈련으로 이루어지며, 그 훈련은 특정 공간에서 신체의 위치를 제어해 신체의 무게 중심과, 신체가 환경과 적절한 관계를 유지하는 능력을 높이는 것이다. 이러한 이유로 많은 자세균형 훈련 장치의 개발이 최근에 더욱 활발히 이루어지고 있다.

그러나, 종래의 자세균형 훈련 장치들은 단순히 물리적인 수행을 요구할 뿐, 사용자의 흥미를 유발하기에는 한계가 있었으며, 이에 훈련 효과가 높지 않은 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 사용자의 흥미를 유발하여 자세균형 훈련의 효과를 높일 수 있는 자세균형 훈련 시스템을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,

사용자가 위치하여 자세균형 훈련을 실시하며, 사용자의 족압 및 무게중심을 감지하여 외부로 전송하는 발판부; 상기 사용자의 신체에 부착되는 생체신호 측정 센서; 및 상기 사용자의 자세균형 훈련에 관련된 컨텐츠를 보여주며, 상기 사용자의 족압을 전달받아 압력 중심을 산출하고 상기 생체신호 측정 센서로부터 상기 사용자의 생체신호를 전달받아 상기 사용자의 자세균형 능력을 평가하는 본체부를 포함하는 자세균형 훈련 시스템이 제공된다.

상기 자세균형 훈련 시스템은 상기 사용자의 신체에 부착되어서 상기 사용자의 체간의 움직임을 측정하여 상기 본체부로 전송하는 관성 센서를 더 포함할 수 있다.

상기 자세균형 훈련 시스템은 상기 본체부가 제공하는 컨텐츠의 화면을 제공하는 HMD(Head Mounted Display)를 더 포함할 수 있다.

상기 본체부는 상기 사용자의 자세변화를 인식하는 동작 인식 센서를 구비할 수 있다.

상기 자세균형 훈련 시스템은 상기 사용자가 착용하는 진동 자극 의류를 더 포함하며, 상기 진동 자극 의류는 여러 위치에 분산 배치되고 상기 본체부로부터 출력되는 제어신호에 의해 작동하는 다수의 진동 수단을 구비할 수 있다.

상기 발판부는 에어보드, 스프링 보드 또는 힘판 중 어느 하나일 수 있다.

상기 발판부는 지면과 각을 이루며 기울어지게 하는 경사 플레이트를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 모니터와 HMD를 이용하여 시각적 효과를 향상시켜 훈련에 흥미를 유발시킬 수 있고, IMU 센서와 무선 EMG를 이용하여, 훈련 효과의 향상 및 평가의 정확도를 높일 수 있으며, 진동자극 의류를 통해 환자의 정확한 동작을 유도할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자세균형 훈련 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 발판부를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 본체부의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자세균형 훈련 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 개념도이다.
도 5는 도 4에 도시된 진동 자극 의류의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 도 2에 도시된 발판부의 다른 예를 도시한 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 자세균형 훈련 시스템의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자세균형 훈련 시스템(100)은 발판부(110)와, 사용자(U)의 신체에 부착되는 생체신호 측정 센서(120) 및 관성 센서(IMU)(130)와, HMD(Head Mounted Display)(140)와, 본체부(150)를 포함한다.

도 2에는 도 1에 도시된 발판부(110)가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 발판부(110)는 사용자(U)가 위치하는 발판 플레이트(112)와, 사용자(U)의 족압을 감지하는 압력 감지 센서(114)와, 족압을 본체부(150)로 전송하는 발판 통신 모듈(116)를 구비한다. 도 2에 도시된 발판부(110)는 힘판의 형태로서, 본 발명은 도 2에 도시된 힘판 형태의 발판부로 제한되지 않는다. 발판부는 도 6에 도시된 바와 같은 스프링 보드(310)이거나 도 7에 도시된 에어보드(410)일 수 있다.

발판 플레이트(112)는 사용자(U)가 자세균형 훈련을 하기 위해 위치하는 곳으로서, 발판 플레이트(112)의 일부 영역에는 사용자(U)의 양발이 위치하는 안착부분(115)이 형성된다. 안착부분(115)은 사용자(U)가 미끄러지지 않도록 고무 등 마찰력이 우수한 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 발판 플레이트(112)에 양발에 대응하는 안착부분(115)이 각각 형성됨으로써, 사용자(U)가 자신의 무게 중심이 어디에 있는지 쉽게 파악할 수 있을 뿐만 아니라, 신체 밸런스가 어느 방향으로 치우쳐 있는지를 용이하게 파악할 수 있다. 발판 플레이트(112)는 지면과 각을 이루며 기울어지게 구동되며, 이를 위한 구동 장치를 더 포함하게 된다. 스프링 보드(도 6의 310)와 에어보드(7의 410)의 형태인 경우에도, 도 6과 도 7에 각각 도시된 바와 같이 경사지게 구동될 수 있다.

압력 감지 센서(114)는 사용자(U)의 족압을 측정하여 발판 통신 모듈(116)을 통해 본체부(150)로 전송한다. 압력 감지 센서(114)는 FSR(Force Sensing Resistor) 또는 로드셀(Load Cell) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

FSR 및/또는 로드셀로 이루어진 압력 감지 센서(114)는 안착부분(115)에 복수개가 형성될 수 있다. 예를 들어, FSR은 표면에 힘을 증가시킬 때 감소하는 저항이 발생하는 폴리머 필름(Polymer Film)으로 자체의 저항 값을 가지고 있는데, 이 저항 값은 활동 영역에 가해지는 힘의 크기에 따라 반비례하는 특성을 가지고 있으며 이를 이용하여 사용자(U)의 족압을 감지할 수 있다. 또한, 압력 감지 센서(114)를 발판 플레이트(112)에 설치된 필름 형태의 로드셀로 구성할 수도 있다. 이러한 FSR 및 또는 로드셀은 전후좌우 방향으로 대칭으로 설치되는 것이 사용자(U)의 중심이나 이동방향을 더욱 정확하게 파악하는데 도움이 될 수 있다. 그리고, 압력 감지 센서(114)가 발판 플레이트(112)에 설치되어 사용자(U)가 가하는 압력을 측정할 수 있는 센서이면 다른 형태의 센서가 적용될 수도 있다.

발판 통신 모듈(116)은 압력 감지 센서(114)에 감지되는 족압 및 무게중심 등의 각종 정보를 본체부(150)로 전송한다. 발판부(110)와 본체부(150)를 유선으로 연결할 수도 있으나, 사용의 편의성 및 디자인을 고려할 때, 발판부(110)와 본체부(150)의 통신은 무선통신 방식이 사용되는 것이 바람직하다. 발판 통신 모듈(116)은 근거리 무선통신 또는 원거리 무선통신을 이용하여 본체부(150)와 통신할 수 있다. 여기서, 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), NFC(Near Field Communication), 와이브리(Wibree) 중 하나일 수 있다. 예를 들어, 블루투스는 근거리 무선통신 규격의 하나로, 반경 10 내지 100m 안에서 각종 전자 및 정보통신 기기를 무선으로 연결 제어하며,2.45Ghz 주파수를 사용하고, 와이브리는 2.4Ghz 대역의 주파수를 사용하며, 10m 정도까지의 거리를 1Mbps의 통신 속도로 여러 기기를 무선으로 연결 제어한다. 물론, 상기 근거리 무선통신에만 제한되지 않으며, 다른 무선통신 방식을 채택할 수 있음을 당업자에게는 자명한 것이다.

생체신호 측정 센서(120)는 사용자(U)의 신체에 부착되어 사용자(U)의 근전도, 심전도, 피부 온도, 피부 저항 등의 생체신호를 측정하고 그 결과를 본체부(150)로 전송한다. 본 실시예에서는 생체신호 측정 센서(120)가 무선방식으로 본체부(150)와 통신하여 측정된 생체신호를 전송하는 것으로 설명한다.

관성 센서(130)는 사용자(U)의 신체에 X 밴드 등을 통해 부착되어서, 사용자(U)의 체간의 움직임을 측정하고, 그 측정 데이터를 무선통신 방식으로 본체부(150)로 전송한다. 관성 센서(130)는 가속도 및 각속도을 감지하여 본체부(150)로 전송하는데, 3축 가속도 감지와 3축 각속도 감지를 동시에 할 수 있는 6축 자이로 센서로 구성되는 것이 바람직하다.

HMD(Head Mounted Display)(140)는 사용자(U)가 착용하여 사용할 수 있으며, HMD(140)를 통해 사용자(U)가 원하는 방향에 따라 실시간으로 전후좌우 시선을 제공함으로써, 훈련의 몰입도를 향상시키게 된다.

도 3에는 도 1에 도시된 본체부(150)의 블록도가 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 본체부(150)는 디스플레이 모듈(151)과, 동작 인식 센서(152)와, 본체 통신 모듈(153)과, 평가 모듈(154)과, 본체 제어 모듈(155)과, 본체 저장 모듈(156)을 구비한다.

디스플레이 모듈(151)은 디스플레이 패널을 통해 자세균형 훈련에 관련된 컨텐츠를 디스플레이한다. 사용자(U)의 흥미를 유발할 수 있도록 자세균형 훈련에 관련된 컨텐츠는 사용자 조작 감성 맞춤형 GUI가 적용된 자세균형 게임이나 테스트가 가능한 컨텐츠 등일 수 있다.

동작 인식 센서(152)는 사용자(U)의 동작에 따른 자세변화를 인식한다. 즉, 사용자(U)가 발판 플레이트(112) 상에서 자세균형 훈련을 실시하는 경우, 사용자(U)의 자세변화를 인식한다. 이러한 동작 인식 센서(152)는 키네틱(kinetic) 센서 또는 카메라 등이 사용될 수 있다. 키네틱 센서는 깊이(depth) 데이터를 감지하여 사용자(U)의 움직임 등을 검출한다. 카메라의 경우, 카메라로 사용자(U)의 동작을 촬영하여 분석하게 된다. 예를 들어, 카메라의 영상 데이터로부터 깊이 데이터를 추출하고, 사용자 인식 및 배경 필터링 등을 거쳐 사용자의 관절 위치 및 이동 방향 등을 검출할 수 있다.

본체 통신 모듈(153)은 발판부(110)의 발판 통신 모듈(116), 생체신호 측정 센서(120) 및 관성 센서(130)와 통신하여, 데이터를 전송받는다. 본체 통신 모듈(153)은 근거리 무선통신 또는 원거리 무선통신을 이용할 수 있다. 또한, 본체 통신 모듈(153)을 통해 외부의 기기(예를 들면, 자세균형 훈련 시스템(100)을 제어할 수 있는 외부의 컴퓨터, 휴대용 디바이스 등)와 통신할 수 있다. 구체적으로 이러한 외부 기기는 일반적인 이동통신 단말, 2G/3G/4G 와이브로 무선망 서비스가 가능한 단말, PDA, 스마트폰 등과 같은 다양한 통신 기기가 될 수 있으며, IEEE 802.11 무선 랜 네트워크 카드 등의 무선랜 접속을 위한 인터페이스가 구비된 기기일 수 있다. 또한, 이동 통신 단말 이외에 무선랜 접속 인터페이스가 구비된 컴퓨터, 노트북 등의 정보 통신 기기이거나 이를 포함하는 장치일 수 있다.

평가 모듈(154)은 여러 획득된 데이터를 이용하여 사용자의 자세균형 능력을 평가할 수 있다. 예를 들어, 평가 모듈(154)은 동작 인식 센서(152)에서 인식된 자세변화, 발판부(110)에서 전송된 족압 및 무게중심, 관성센서(130)로부터 전송된 체간 움직임을 기초로 사용자의 자세균형 능력을 평가할 수 있다.

본체 제어 모듈(155)은 본체부(150)를 전체적으로 제어하다. 예를 들어, 본체 제어 모듈(155)은 본체 통신 모듈(153)을 통해 전송받은 사용자(U) 관련 데이터를 본체 저장 모듈(156)에 저장하고 평가 모듈(154)로 전송하며, 평가 모듈(154)에서 처리되어 출력되는 자세균형 능력 평가 데이터를 본체 저장 모듈(156)에 저장할 수 있다. 이때, 본체 제어 모듈(155)은 각종 데이터를 본체 저장 모듈(156)에 데이터베이스화하여 저장하도록 제어할 수 있다. 또한, 본체 제어 모듈(155)은 동작 인식 센서(152)를 통해 전송받은 자세변화에 관련된 데이터를 본체 저장 모듈(156)에 저장하며, 자세변화에 관련된 데이터를 평가 모듈(154)로 전송하고, 평가 모듈(154)에서 처리되어 출력되는 자세균형 평가 능력 데이터를 본체 저장 모듈(156)에 저장할 수 있다. 마찬가지로, 본체 제어 모듈(155)은 여러 데이터를 본체 저장 모듈(156)에 데이터베이스화하여 저장하도록 제어할 수있다. 그리고, 본체 제어 모듈(155)은 본체 저장 모듈(156)에 저장되어 있는 사용자(U)의 흥미를 유발할 수 있는 자세균형 훈련에 관련된 컨텐츠 등을 디스플레이 모듈(151)을 통해 디스플레이하도록 제어할 수 있다.

본체 저장 모듈(156)은 본체 통신 모듈(153)을 통해 전송받은 각종 데이터와 자세균형 훈련에 관련된 컨텐츠 등을 저장한다. 이때, 본체 저장 모듈(156)은 저장된 각종 정보 및 데이터의 검색, 관리 등을 용이하게 하기 위해 데이터 및 정보 등을 데이터베이스화하여 저장할 수 있다.

도 4에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자세균형 훈련 시스템의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자세균형 훈련 시스템(200)은 사용자(U)의 신체에 부착되는 생체신호 측정 센서(120) 및 관성 센서(IMU)(130)와, 진동 자극 의류(240)와, 본체부(150)를 포함한다. 생체신호 측정 센서(120), 관성 센서(130) 및 본체부(150)의 구성 및 작용은 도 1 내지 도 3에서 설명된 실시예와 동일하므로 여기서는 진동 자극 의류(240)와 관련된 구성 및 작용에 대해서만 상세하게 설명한다. 진동 자극 의류(240)는 착용한 사용자(U)의 신체 위치에 진동을 통해 자극을 주기 위한 것으로서, 도 5에는 진동 자극 의류(240)가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 진동 자극 의류(240)는 상의로서, 여러 위치에 분산된 다수의 진동 수단(241)을 구비한다. 다수의 진동 수단(241) 각각은 독립적으로 작동하여 진동하도록 구성되며, 그 제어신호는 본체부(150)로부터 출력될 수 있다. 이를 위하여, 도시되지는 않았으나, 진동 자극 의류(240)는 진동 수단(241)이 본체부(150)와 통신하기 위한 무선통신 수단을 구비하게 된다. 진동 자극 의류(240)에 구비되는 다수의 진동 수단(241) 중 특정 진동 수단(241)이 작동하여 진동을 통해 사용자(U)를 자극하면 사용자(U)는 해당 위치의 신체를 움직이게 되며, 이는 동작 인식 센서(152)를 통해 감지되어 훈련이 평가된다. 본 실시예에서는 진동 자극 의류(240)가 상의인 것으로 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 하의도 포함한다.

이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

100, 200 : 자세균형 훈련 시스템
110 : 발판부
120 : 생체신호 측정 센서
130 : 관성 센서
140 : HMD
150 : 본체부
240 : 진동자극 의류
241 : 진동 수단