KR100894895B1

KR100894895B1 - 운동, 균형 및 보행측정방법 및 치료시스템

Info

Publication number: KR100894895B1
Application number: KR1020070048991A
Authority: KR
Inventors: 유승현; 이경중; 이효기
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2027-05-21
Also published as: KR20080102466A

Abstract

본 발명은 별도의 보행 분석실을 필요로 하지 않아서 유지 및 관리가 용이하고 저렴한 비용으로 사용할 수 있으면서도 이동이 가능한 보행 분석 시스템 및 이를 이용한 보행 분석 방법에 관한 것이다.

본 발명은 인체의 COG 및 COP 의 움직임을 측정하여 보행을 분석하는 시스템으로서, 인체의 3 차원 가속도 감지를 위한 3 축 가속도 센서, 상기 인체의 각속도 감지를 위한 자이로 센서, 족압 분포를 측정하기 위한 FSR (Force Sensing Resistor)센서, 및 상기 가속도 센서, 자이로 센서, 및 FSR 센서로부터의 신호를 입력받아, 상기 신호를 기초로 COG 및 COP 를 계산하는 연산처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 고가의 장비 없이도 인체의 COG 및 COP 측정을 할 수 있으며, 이에 따른 낙상의 위험 진단, 예방, 또는 운동선수들의 자세 교정이 가능한 보행 분석 시스템 및 이를 이용한 보행 분석 방법이 제공된다.

운동, 균형, 보행 분석, 측정방법, 치료시스템, 피드백(feedback), COG, COP, 가속도 센서, 자이로 센서, FSR 센서

Description

운동, 균형 및 보행측정방법 및 치료시스템{Movement, Gait, and Posture Assessment and Intervention System and Method, MGPAISM}

도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 보행 분석 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.

도 2는 본 발명에서 가속도 신호를 이용하여 COG를 추정하는 방법을 설명하는 설명도이다.

도 3은 도 1의 연산처리부에서 COG를 연산하는 흐름도이다.

도 4는 기존의 3 차원 동작분석기에서 획득한 가속도 데이터와 본 발명에 따른 가속도 센서로부터 획득한 가속도 신호를 비교하는 그래프이다.

도 5는 도 1의 연산처리부에서 COP를 연산하는 흐름도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 보행 분석 시스템에서 디스플레이 수단을 설명하기 위한 설명도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 가속도 센서 12 : 가속도 검출부

16 : 본체부 20 : 자이로 센서

21 : 대역통과필터 22 : 각속도 검출부

30 : FSR 센서부 32 : FSR 검출부

40 : 데이터 취득부 50 : 가속도데이터 취득부

60 : 각속도데이터 취득부 70 : FSR데이터 취득부

80 : 연산처리부 90 : 디스플레이부

100 : 메모리부

본 발명은 보행 분석 시스템 및 이를 이용한 보행 분석방법에 관한 것으로서, 특히 별도의 보행 분석실을 필요로 하지 않아서 유지 및 관리가 용이하고 저렴한 비용으로 사용할 수 있으면서도 이동이 가능한 보행 분석 시스템 및 이를 이용한 보행 분석 방법에 관한 것이다.

신체의 움직임을 측정하고 분석하는 장치 및 이의 응용 장치에 대한 필요성이 스포츠 및 의료업계를 중심으로 대두되고 있다.

특히, 낙상 및 운동훈련 등의 진단 및 치료를 위해, 인체의 COG (Center of Gravity, 중력 중심점)및 COP (Center of Pressure, 압력 중심점)의 측정에 대한 필요성이 대두되고 있다.

이러한 COG 및 COP 는 스포츠 선수들의 학습 성취도와 밀접한 관련이 있고, COG 및 COP 의 변화에 대한 측정은, 낙상의 예방 및 치료를 가능하게 하기도 하며, 이는 보행자의 보행 패턴을 분석함으로써 측정될 수 있다.

현재, COG 및 COP 의 측정은, 동작분석 시스템 또는 보행 분석 시스템에 의해 이루어지고 있다.

보행 분석 방법으로는 육안에 의한 관찰 분석법, 사진촬영에 의한 분석법 및 환자의 움직임을 광학식 카메라로 촬영하고 컴퓨터로 분석하는 영상 동작분석법 등이 있다.

그러나, 육안에 의한 관찰 분석법을 사용할 경우에는, 보행이 빠르게 진행 되어서 움직임을 정확하게 기억하고 기록하기 곤란할 뿐만 아니라, 분석자가 보행을 정확하게 기록하기 위해서는 보행자가 보행을 수회 반복하여야 하는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 사진촬영에 의한 분석법은, 원하는 보행 모습을 촬영하였다고 해도, 분석을 위해서는 사진 촬영 후 현상완료까지 대기해야 하는 문제가 있어 신속한 진단이 어려우며, 경우에 따라서는 재촬영을 해야 하는 문제도 발생할 수 있다.

한편, 이러한 육안 관찰법 및 사진촬영에 의한 분석법의 문제점들을 해결하기 위한 보행 분석법으로서 영상 동작분석법이 있다. 이러한 영상 동작분석법이 적용된 장비로서는, VICON 사의 3 차원 동작 분석기가 있다.

영상 동작분석법은, 보행자의 신체 일부에 반사체를 부착하고, 보행분석을 위해 마련된 약 25 평 규모의 보행 분석실 내에 적외선 카메라를 소정 위치에 설치함으로써 실현될 수 있다. 이 방법은, 상기 반사체를 부착한 환자가 보행할 때 반사체의 움직임을 카메라가 찍을 수 있도록 하고, 이렇게 얻어지는 영상으로부터 반 사체의 위치 값을 구하여, 보행 분석에 필요한 데이터를 얻는 방식이다. 이러한 영상 분석법은 보행 분석을 정확하고 입체적으로 할 수 있는 장점이 있으나, 이를 수행하기 위해서는 별도의 보행 분석실이 마련되어야 하고, 보행 분석기의 동작, 유지 및 관리의 필요성이 있게 된다.

한편, 족관절, 배측 굴곡각 또는 저측 굴곡각을 측정하여 보행을 분석하기 위한 장치로서 제브리스(Zebris)사의 초음파 각도 측정기가 있으며, 보행시 발에 작용하는 압력 분포 및 족저의 COP 궤적을 해석하여 보행 패턴을 분석하기 위한 힘판(Force plate), 압력판(Pressure plate), 신발삽입형 족저압측정장치(pressure insole)등의 족저압측정장치가 있다.

그러나, 이러한 고가의 장비를 이용한 보행 분석법 또한 실험실 환경 하에서만 실현이 가능하고, 이동 또는 휴대가 불가능하다는 문제가 있다.

또한, 인체의 COG 및 COP 를 측정함으로써 재활치료를 위한 훈련시스템이 존재하나, 이는 정적인 자세에 대해서만 진단 및 치료가 가능하며, 동적인 움직임에 대한 보행 패턴을 연속적으로 분석할 수는 없는 시스템이다.

따라서, 상기와 같은 방법들은 모두, 구축하고 유지하는 데에 상당한 비용이 들어갈 뿐만 아니라, 장비의 휴대 또는 이동이 불가능하며, 동적으로 움직이는 인체의 COG 및 COP 를 직접적으로 측정할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로,

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 체중심에 가까운 천추부근에 부착된 센서 및 신발에 포함되는 센서로부터 신호를 획득하고, 이로부터 COG 및 COP 를 계산하며, 이를 기초로 보행자의 COG 및 COP 의 변화를 관찰할 수 있게 하는, 비용이 저렴하고 착용 및 휴대가 편리한 보행 분석 시스템을 및 이를 이용한 분석 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 가속도 센서, 자이로 센서, FSR 센서를 이용하여 COG 및 COP를 검출하고 이를 디스플레이하여, 바이오피드백에 의해 자세를 교정할 수 있게 하는 보행 분석 시스템을 및 이를 이용한 분석 방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 인체의 COG 및 COP의 움직임(트랜드)을 측정하여 보행을 분석하는 시스템으로서, 상기 인체의 3 차원 가속도 감지를 위한 3 축 가속도 센서, 상기 인체의 각속도 감지를 위한 자이로 센서, 족압 분포를 측정하기 위한 힘 감지 저항(Force Sensing Resistor)(이하 FSR 이라 함) 센서로부터의 신호를 입력받아, 상기 신호를 기초로 COG 및 COP 를 계산하는 CPU 를 포함하는 보행 분석 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 CPU 는 가속도 신호로부터 얻어진 가속도 신호를 두 번 적분함으로써 COG 를 계산한다.

바람직하게는, 상기 보행 분석 시스템은, 상기 가속도 센서, 자이로 센서, 및 FSR 센서로부터의 신호를 변환시키는 A/D 변환기를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 보행 분석 시스템은, 상기 CPU 에 의해 계산된 COG 및 COP 값을 표시하는 디스플레이 수단을 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 디스플레이 수단은, COG 및 COP 값의 기준범위, 즉 정상적인 사람의 COG 및 COP 값을 더 표시한다.

바람직하게는, 상기 가속도 센서 및 상기 자이로 센서는 인체의 체중심에 위치되며, 상기 FSR 센서부는 신발의 인솔로 신발의 인솔에 다수의 FSR 센서가 골고루 분포되도록 배치된다.

한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 인체의 COG 및 COP 의 움직임을 측정하여 보행을 분석하는 방법으로서, 상기 인체의 3 차원 가속도를 감지하는 단계, 상기 인체의 각속도를 감지하는 단계, 족압의 분포를 감지하는 단계, 및 감지된 상기 가속도, 각속도, 및 족압의 분포를 기초로 하여 COG 및 COP 를 계산하는 단계를 포함하는 보행 분석 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 COG 를 계산하는 단계는, 3 차원 가속도를 감지한 결과 획득된 가속도 신호를 두 번 적분하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 보행 분석 방법은, 상기 감지된 가속도, 각속도, 및 족압의 분포에 대한 신호를 변환시키는 단계를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 보행 분석 방법은, 계산된 상기 COG 및 COP 값을 디스플레이하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 디스플레이하는 단계는, 정상적인 사람의 COG 및 COP 값 을 표시하는 단계를 더 포함한다.

이하, 첨부되는 도면을 참조하여, 본 발명의 다양한 실시형태들을 상세히 설명한다.

도 1 에 도시되는 바와 같이, 본 발명에 따른 보행 분석 시스템은 가속도 센서(10), 자이로 센서(20), FSR(Force Sensing Resistor) 센서부(30), 데이터취득부(40), 연산처리부(80), 디스플레이부(90), 메모리부(100)를 구비한다.

가속도 센서(10)는 보행자의 인체의 체중심에 가까운 천추 부위, 더 정확하게는 제 2 천추 부위에 장착되어 보행자의 이동 정보(가속도 신호)를 추출한다. 가속도 센서(10)로는 3 차원의 가속도를 감지할 수 있는 3 축(X, Y, Z 축)가속도 센서가 이용하며, 이는 3 축 방향의 가속도 신호를 각각 검출하고, 각 검출 결과를 나타내는 가속도 신호를 데이터취득부(40)로 출력한다. 가속도 센서(10)로는 기계식 가속도 센서 또는 실리콘 가속도 센서를 사용할 수 있다.

기계식 가속도 센서는 외부의 케이싱, 내부의 일정한 질량크기를 갖고 있는 물체, 외부 케이싱과 내부 질량의 연결 스프링(Suspension)및 스프링이 변형하면 변형된 크기에 비례하는 전기신호를 출력하는 기전 (기계-전자)에너지 변환요소로 구성되며, 이러한 가속도 센서는 미세전자기계시스템 (MEMS)기술로 제조된다. 즉, 기계식 가속도 센서는 코일 내에 장치된 이동체가 가속에 의해 움직일 때 자장의 변화를 측정하여 가속도에 대한 정보를 얻는 방식이다.

실리콘 가속도 센서는 기계적 성질이 우수하며, 기존에 확립된 반도체 집적회로 공정기술을 이용함으로써 신뢰성과 양산성이 높고, 소자의 소형화, 경량화 및 저가격화에 유리하다. 실리콘 가속도센서는 박막형성이 용이한 폴리실리콘을 표면 마이크로머시닝 (surface micromachining)하여 만든 용량형 (capacitive type)과 단결정 실리콘 위에 압저항소자를 제작하고 이를 기판 마이크로머시닝 (bulk micromachining)으로 박막 가공하여 만든 압저항형 (piezoresistive type)으로 나눌 수 있다. 이러한 실리콘 가속도센서는 구조에 따라 하나의 센서로 2 차원 또는 3 차원의 가속도를 감지할 수 있다.

1 차원 방향의 가속도를 감지하는 가속도 센서를 중심으로 가속도 센서의 동작 원리를 설명하면 가속도 센서가 정지 상태에 있을 때에는 중력만 작용하여, 중력 방향에 직교하는 평면에는 중력이 작용하지 않게 되는데, 이 평면이 절대수평인 기준평면이 되고 이 평면 방향에 축이 배치된 가속도센서에서의 센서신호 값은 기준 또는 0 이 된다. 이러한 기준평면을 기초로 하여 움직임에 따른 기울기, 즉, 측정선의 기울기 값을 측정하고, 이를 이용하여 축 방향으로의 가속도를 측정할 수 있다.

자이로 센서(20)는 가속도 센서(10)와 함께 보행자의 인체의 체중심에 가까운 천추 부위, 더 정확하게는 제 2 천추 부위에 장착되어, 보행자의 회전 정보를 추출한다. 자이로 센서(20)는 최소한 1 축 (예를 들면, Z 축)둘레로 각속도를 검출하고, 검출된 각속도 신호를 데이터취득부(40)로 출력한다.

FSR 센서부(30)는 발바닥에 장착되어 족압의 분포를 검출하는 것으로, 이는 압력 중심점(Center of Pressure)(이하 COP라 함)과 관련되는 정보 추출한다. FSR 센서부(30)는 신발의 인솔형태로, 예를들어 신발의 인솔에 다수의 FSR 센서가 골고루 분포되어 장착되어 있다. FSR 센서부(30)는 족압의 분포를 검출하여 검출된 FSR 신호를 데이터취득부(40)로 출력한다.

데이터취득부(40)는 가속도 센서(10), 자이로 센서(20), FSR 센서부(30)로부터 아날로그 신호인 3 축 가속도 신호, 각속도 신호, FSR(Force Sensing Resistor) 신호를 디지털 신호로 변환하여 연산처리부(80)로 전송한다. 데이터취득부(40)는 가속도 데이터취득부(50), 각속도 데이터취득부(60), FSR 데이터취득부(70)으로 이루어진다. 데이터취득부(40)와 연산처리부(80)간의 통신은 무선으로 행해질 수 있다. 데이터 취득부(40)는 내쇼날 인스트루먼트(NI)사의 데이터 취득 카드 등을 사용할 수도 있다.

가속도 데이터취득부(50)는 가속도 센서(10)로부터 아날로그 신호인 3 축 가속도 신호, 즉, X축 가속도 신호, Y축 가속도 신호, Z축 가속도 신호를 각각 디지털 신호로 변환하여 연산처리부(80)로 전송한다.

각속도 데이터취득부(60)는 자이로 센서(20)로부터 아날로그 신호인 각속도 신호를 디지털 신호로 변환하여 연산처리부(80)로 전송한다. 경우에 따라서, 가속도 데이터취득부(50)와 각속도 데이터취득부(60)는 하나의 데이터 취득부로 이루어질 수 있다.

FSR 데이터취득부(70)는 FSR 센서부(30)로부터 아날로그 신호인 FSR(Force Sensing Resistor) 신호를 디지털 신호로 변환하여 연산처리부(80)로 전송한다. FSR 데이터취득부(70)는 변환된 FSR 신호를 무선으로 연산처리부(80)로 전송할 수 있다.

가속도 센서(10), 가속도 데이터처리부(50)은 가속도 검출부(12)를 이루며, 자이로 센서(20), 각속도 데이터처리부(60)는 각속도 검출부(22)를 이루며, FSR 센서부(30), FSR 데이터취득부(70)은 FSR 검출부(32)를 이룬다.

연산처리부(80)는 데이터취득부(40)로부터 3축 가속도 신호, 각속도 신호, FSR 신호를 수신하여 COG(중력 중심점), COP(압력 중심점)를 계산한다. 즉, 연산처리부(80)는 3축 가속도 신호 및 각속도 신호를 입력받아 이들을 기초로하여 COG를 연산하는 알고리즘을 수행하고, FSR 신호를 입력받아 이를 기초로 하여 COP의 분포를 판독한다.

메모리부(100)는 연산처리부(80)의 결과를 저장하며, 또한 COG를 계산하는 알고리즘을 저장하고 있을 수 있다.

디스플레이부(90)는 연산처리부(80)에서의 연산하여 얻어진 COG 및 COP 지수를 디스플레이한다.

여기서, 가속도 센서(10), 자이로 센서(20)는 인체의 체중심에 가까운 천추 부근, 정확하게는 제 2 천추 부근에 위치되며, FSR 센서부(30)는 족압 측정을 위해 신발 내에 인솔 형태로 장착된다. 상기 인솔형의 FSR 센서부(30)는 발 사이즈별로 제작될 수 있다.

다음은 연산처리부(80)가 가속도 센서(10)에 의해 센싱된 가속도 신호를 이용하여 어떻게 COG 를 계산하는 지에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명에서 가속도 신호를 이용하여 COG를 추정하는 방법을 설명하는 설명도이다. 즉, 도 2에서는 연산처리부(80)에서 데이터 취득부(40)로부터 수신된 가속도 신호를 이용하여 COG를 추정하는 방법을 설명한다.

COG를 추정해내는 방법은, 3 차원 동작분석 시스템을 이용하여 전신에 마커를 부착하고 각 체절의 위치에 대한 평균을 계산하여 이로부터 COG 를 추정하는 방법, 골반 주위의 4 군데에 마커를 부착하여 COG 를 추정하는 방법, 또는 천추에 마커를 부착하여 COG 를 추정하는 방법 등이 있으나, 본 발명에서는 2 차원 동작분석 시스템이 아닌 가속도 센서(10)를 천추(sacrum)에 부착하여 얻어진 가속도 신호를 이용하여 COG 를 추정해낸다.

먼저, 가속도 센서(10)에 의해 얻어진 가속도 신호에는 불필요한 신체의 진동 등에 의한 노이즈 등이 포함되어 있기 때문에, 2~15 Hz 범위의 대역 통과 특성을 갖는 대역 통과 필터 (band-pass filter) (21)를 이용하여 고주파의 노이즈 등을 제거해준다.

대역 통과 필터(21)를 거친 3 축 가속도 센서(10)의 데이터, 즉 x, y, z 축에서 나오는 3 축 가속도 성분의 데이터들을 수학식 1과 같은 적분 과정을 통하여 속도로 표현한다.

여기서 v는 속도이며, a는 가속도 신호이며, t는 시간이며, v_o는초기속도이 다.

수학식 1의 적분 과정을 거쳐 얻어진 속도 데이터를 수학식 2 와 같이 적분하여 위치 데이터를 얻을 수 있다.

여기서 s는 위치이며, s_o는 초기위치이다.

이렇게 하여 얻어진 위치 데이터가 가속도 센서(10)가 부착된 신체의 COG가 된다.

도 3은 도 1의 연산처리부에서 COG를 연산하는 흐름도이다. 즉, 도 3은 연산처리부(80)에서, 도 2의 COG 연산방법을 이용하여, COG를 연산하는 과정을 설명한다.

대역통과 필터링 단계로, 데이터 취득부(40)로부터 수신된 가속도 신호를 2~15 Hz 범위의 대역 통과 특성을 갖는 대역 통과 필터(21)를 거쳐 대역통과 필터링한다(S110).

속도데이터 획득단계로, 상기 대역통과 필터링 단계의 출력신호를 수학식 1에 의해 적분하여 속도 데이터를 획득한다(S120). 수학식 1에서 v_o는 초기속도로 초기에 설정된 속도값이다.

위치데이터 획득단계로, 상기 속도데이터 획득단계의 출력신호를 수학식 2에 의해 다시 적분하여 위치 데이터를 획득한다(S130). 수학식 2에서 s_o는 초기위치로 초기에 설정된 위치값이다.

COG 출력단계로, 상기 위치데이터 획득단계에서 획득된 위치 데이터를 COG로서 추정하고 이를 출력한다(S140).

도 4는, 보행시에 기존의 3 차원 동작분석기와 본 발명의 보행 분석 시스템으로 동시에 측정한 결과이다.

기존의 3 차원 동작분석기에서 출력된 신호인 COG 신호로부터 가속도 데이터를 구하려면 미분을 2번 하여야 한다.

따라서 도 4에서는 기존의 3 차원 동작분석기에서 획득한 신호를 2 번 미분하여 얻어진 COG 의 가속도 데이터와 본 발명의 가속도 센서(10)로부터 획득한 가속도 신호를 대역 통과 필터(21)를 이용하여 필터링한 신호를 나타낸다.

도 4의 그래프에서 검은색으로 표현된 데이터는 기존 3 차원 동작분석기에서 획득한 신호를 2 번 미분한 결과이며, 붉은색으로 표현된 데이터는 천추에 부착한 가속도 센서(10)에 의해 얻어진 가속도 신호를 필터링한 결과를 나타낸다.

도 4의 그래프에서 알 수 있듯이, 기존 3 차원 동작분석기의 결과 데이터와 본 발명의 보행 분석 시스템의 결과 데이터는 오차범위 내에서 동일하다고 할 수 있다. 즉, 실제 신체의 COG 데이터를 2 번 미분한 결과와 가속도 센서(10)에 의해 얻어진 가속도 신호가 일치한다는 것이다.

따라서, 반대로 가속도 센서(10)에 의해 얻어지는 가속도 신호를 2 번 적분하면 실제 신체의 COG가 계산되는 것이다.

한편, 연산처리부(80)는 신발의 인솔에 다수 분포되어 장착된 FSR 센서부(30)로부터의 신호를 통해 COP를 추정한다. 즉, FSR 센서부(30)의 각 FSR 센서로부터 발의 압력분포에 대한 신호를 수신하고, 최대로 압력(FSR)이 가해진 위치를 COP로 추정한다.

도 5는 도 1의 연산처리부에서 COP를 연산하는 흐름도이다.

FSR 수신단계로, FSR 센서부(30)의 다수의 FSR 센서로부터 FSR 데이터취득부(70)을 거쳐 다수의 FSR 데이터를 수신한다(S210).

최대 FSR 검출단계로, 상기 FSR데이터 수신단계에서 FSR 센서부(30)의 다수의 FSR 센서로부터 FSR 데이터취득부(70)을 거쳐 수신된 다수의 FSR 데이터에서 최대 FSR 데이터를 검출한다(S220).

COP 출력단계로, 상기 최대 FSR 검출단계에서 검출된 최대 FSR 데이터를 COP로 추정하고 추정된 COP를 출력한다(S230).

가속도 데이터취득부(50), 각속도 데이터취득부(60), 연산처리부(80), 디스플레이부(90), 메모리부(100) 등으로 이루어진 본체부(16)는 허리에 장착되어 진다.

도 6에서와 같이, 디스플레이부(90)는 연산처리부(80)에서 얻어진 COG 및 COP 수치의 움직임(트랜드)이 표시된다. 디스플레이부(90)는 LED, OLED 또는 LCD 와 같은 표시수단일 수 있고, 그래프, 수치 또는 도트 형식과 같은 다양한 방식으로 데이터를 표시할 수 있다.

디스플레이부(90)는 정상인의 COG 및 COP 수치와 함께, 가속도 신호, 각속도 신호 및 FSR 신호를 기초로 연산처리부(80)에 의해 계산된 보행자의 COG 및 COP 수치를 그래프 형식으로 표시할 수 있다. 따라서 보행자는, 상기 정상인의 COG 또는 COP 수치를 기준으로, 자신의 COG 또는 COP 수치를 비교하여 동작의 이상 유무를 판단할 수 있다. 예를 들면, 보행에 이상이 없는 사람들의 COG 데이터는 도 6의 그래프와 같이, 나비모양과 비슷한 형태로 표시되는데, 보행자의 COG 가 이 형태에서 많이 벗어나는 경우라면, 넘어지거나 낙상의 위험이 있다는 것이며, 보행자는 이를 직접 확인함으로써 자신의 동작을 교정할 수 있다. 즉 디스플레이부(90)가 바이오 피드백의 효과를 가져온다.

다음으로, 도 1 을 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 보행 분석 시스템을 이용한 보행 분석 방법을 설명한다.

먼저, 가속도 센서(10)가 3 축 방향으로의 가속도를 각각 검출하여, 3 차원의 가속도를 감지함과 동시에, 자이로 센서(20)가 최소한 1 축 (예를 들면, Z 축)둘레로 각속도를 검출한다. 또한, 보행자의 신발에 인솔형태로 형성된 FSR 센서부(30)는 족압의 분포를 검출한다.

이렇게 3 개의 센서의 의해 검출된 아날로그 신호는데이터취득부(40)로 전송 되어 디지털 신호로 변환되고, 데이터취득부(40)에 의해 변환된 신호는 무선 또는 유선으로 연산처리부(80)에 전송된다.

연산처리부(80)는 전술한 바와 같은 방법으로 입력된 신호를 기초로 하여 COG를 계산하는 알고리즘을 수행하고, COP를 계산하며, 이 알고리즘에 의해 계산된 보행자의 COG 및 COP 수치는 디스플레이부(90)에 다양한 방식, 예를 들면, 수치, 도트 또는 그래픽 방식 등으로 표시된다. 이렇게 표시된 COG 및 COP 수치를 정상인의 수치와 실시간으로 비교함으로써, 보행자는 자신의 동작을 교정할 수 있다.

이렇게 가속도 센서, 자이로 센서, FSR 센서 및 컴퓨터만을 이용하여 인체의 COG 및 COP 를 계산하고 이를 표시함으로써 고가의 장비 없이도 보행 분석이 가능하며, 동적인 움직임에도 연속적으로 COG 및 COP 측정이 가능하다.

또한, 이러한 시스템을 통하여 낙상의 위험을 진단하고 이를 예방할 수 있으며, 운동선수들의 운동 분석을 통해 자세 등을 교정시킬 수 있어, 재활훈련 등에 사용될 수도 있다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소는 당업자가 공지된 다양한 구성요소들로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이 나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 보행 분석 시스템을 및 이를 이용한 분석 방법은 체중심에 가까운 천추부근에 부착된 센서 및 신발에 포함되는 센서로부터 신호를 획득하고, 이로부터 COG 및 COP 를 계산하며, 이를 기초로 보행자의 COG 및 COP 의 변화를 관찰할 수 있게 하는, 비용이 저렴하고 착용 및 휴대가 편리하다.

또한, 본 발명의 보행 분석 시스템을 및 이를 이용한 분석 방법은 가속도 센서, 자이로 센서, FSR 센서를 이용하여 COG 및 COP를 검출하고 이를 디스플레이하여, 바이오피드백에 의해 자세를 교정할 수 있게 하여 자세교정 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 고가의 장비 없이도 인체의 COP 및 COP 측정을 할 수 있으며, 이에 따른 낙상의 위험 진단, 예방, 또는 운동선수들의 자세 교정이 가능하다.

Claims

3축(X, Y, Z축)의 가속도 신호를 검출하는 가속도 검출부;

각속도신호를 검출하는 각속도 검출부;

FSR(Force Sensing Resistor) 신호를 검출하는 FSR 검출부;

2 내지15 Hz 범위의 대역 통과 특성을 갖는 대역 통과 필터를 구비하고 있으며, 상기 대역통과 필터를 통해 입력된 상기 가속도 검출부의 출력신호와 상기 각속도 검출부의 출력신호로부터 획득된 속도데이터를 적분과정을 거쳐 COG(중력 중심점)를 구하며, 상기 FSR 검출부에서 출력된 FSR 데이터들중 최대 FSR 데이터를 COP(압력 중심점)로 추정하는 연산처리부;

상기 연산처리부로 부터 수신된 COG, COP를 디스플레이하는 디스플레이부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
제1항에 있어서,

상기 가속도 검출부는, 3축 가속도 센서; 상기 3축 가속도 센서로부터 출력된 가속도 신호를 디지탈신호로 변환하는 가속도 데이터처리부;를 구비하며,

상기 각속도 검출부는, 자이로 센서; 상기 자이로 센서로부터 출력된 각속도 신호를 디지탈신호로 변환하는 각속도 데이터처리부;를 구비하며,

FSR 검출부는, FSR 센서부; 상기 FSR 센서부로부터 출력된 FSR 신호를 디지탈신호로 변환하는 FSR 데이터처리부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
인체의 COG 및 COP 의 움직임을 측정하여 보행을 분석하는 시스템으로서,

상기 인체의 3 차원 가속도 감지를 위한 3 축 가속도 센서;

상기 인체의 각속도 감지를 위한 자이로 센서;

족압 분포를 측정하기 위한 FSR (Force Sensing Resistor)센서;

상기 가속도 센서, 자이로 센서, 및 FSR 센서로부터의 신호를 수신하여 연산처리하되, 대역 통과 필터를 거쳐 입력된 상기 가속도 센서의 출력신호를 두번의 적분과정을 거쳐 COG(중력 중심점)를 구하며, 상기 FSR 센서에서 출력된 FSR 신호들중 최대 FSR 데이터를 COP(압력 중심점)로 추정하는 연산처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 자이로 센서와 상기 가속도 센서는 천추 부위에 장착되는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 FSR 센서부는

신발의 인솔에 다수의 FSR 센서가 골고루 분포되어 장착되는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
제2항에 있어서,

상기 가속도 데이터처리부와 상기 각속도 데이터처리부는 하나의 데이터처리부로 이루어진 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
제2항에 있어서,

상기 FSR 데이터취득부는 FSR 신호를 무선으로 연산처리부로 전송하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
삭제
제3항에 있어서,

상기 대역 통과 필터는 2 내지15 Hz 범위의 대역 통과 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
삭제
제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,

상기 연산처리부는,

상기 대역 통과 필터의 출력신호인 x, y, z 축에서 나오는 3 축 가속도 성분의 데이터들

(단, v는 속도이며, a는 가속도 신호이며, t는 시간이며, v_o는초기속도임)

의 수학식을 이용하여 속도 데이터를 구하고,

상기 속도 데이터

(단, s는 위치이며, s_o는 초기위치임)

의 수학식을 이용하여 위치 데이터를 구하며,

이렇게 구하여진 위치 데이터가 COG로 추정하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
제1항에 있어서,

상기 디스플레이부는 COG 및 COP의 기준범위를 더 표시하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
3축 가속도 검출부를 적어도 구비하는 보행 분석 시스템을 이용한 보행분석 방법에 있어서,

상기 3축 가속도 검출부로 부터 수신된 3축 가속도 신호를 2 내지 15 Hz 범위의 대역통과 필터링하는 대역통과 필터링단계;

상기 대역통과 필터링 단계의 출력신호를 적분하여 속도 데이터를 획득하는 속도데이터 획득단계;

상기 속도데이터 획득단계의 출력신호를 적분하여 위치 데이터를 획득하는 위치데이터 획득단계;

상기 위치데이터 획득단계에서 획득된 위치 데이터를 COG로서 추정하고 이를 출력하는 COG 출력단계;

를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행분석 방법.
제13항에 있어서,

상기 속도데이터 획득단계는

상기 대역통과 필터링단계의 출력신호인 x, y, z 축에서 나오는 3 축 가속도 성분의 데이터들

(단, v는 속도이며, a는 가속도 신호이며, t는 시간이며, v_o는초기속도임)

의 수학식을 이용하여 속도 데이터를 구하는 것을 특징으로 하는 보행분석 방법.
제14항에 있어서,

위치데이터 획득단계는

상기 속도데이터 획득단계에서 출력된 속도 데이터를

(단, s는 위치이며, s_o는 초기위치임)

의 수학식을 이용하여 위치 데이터를 구하는 것을 특징으로 하는 보행분석 방법.
제15항에 있어서,

상기 보행 분석 시스템은 신발의 인솔에 다수 FSR 센서가 분포되어 장착된 FSR 센서부를 더 구비하여, FSR 센서부의 다수의 FSR 센서로부터의 출력을 디지탈 변환하여 수신하는 FSR데이터 수신단계;

상기 FSR데이터 수신단계에서 수신된 다수의 FSR 데이터에서 최대 FSR 데이터를 검출하는 최대 FSR 검출단계;

상기 최대 FSR 검출단계에서 검출된 최대 FSR 데이터를 COP로 추정하고 추정된 COP를 출력하는 COP 출력단계;

를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 보행분석 방법.
인체의 COG 및 COP 의 움직임을 측정하여 보행을 분석하는 방법으로서,

상기 인체의 3 차원 가속도를 감출하는 가속도 검출단계;

신발 인솔에 분포되어 있는 다수의 FSR 센서로부터 FSR 신호를 검출함으로써 족압의 분포를 검출하는 족압분포 검출단계;

상기 가속도 검출단계에서 검출된 3차원 가속도 신호를 두번 적분하여 COG(중력 중심점)를 구하며, 상기 족압분포 검출단계에서 검출된 FSR 신호들중 최대 FSR 데이터를 COP(압력 중심점)로 추정하는 연산단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 방법.
삭제
삭제
삭제