KR20120085962A - 무게감지저항센서를 적용한 지능형 보행훈련시스템 및 보행패턴 분석 방법 - Google Patents

무게감지저항센서를 적용한 지능형 보행훈련시스템 및 보행패턴 분석 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 좌, 우측 FSR 센서에서 들어오는 보행정보를 분석하여 보행속도, 보행거리, 발의 압력분포를 분석하여 화면에 정보를 표시하여 고령자가 화면을 통해 자신의 정보를 피드백 할 수 있도록 제시하며, 보행패턴의 상태에 따라 고령자가 보행의 정상인과의 다른 문제점을 소리로 인식시켜 정확한 보행을 유도할 수 있도록 시각, 청각 바이오피드백(Biofeedback)이 가능한 무게감지저항센서를 적용한 지능형 보행훈련시스템 및 보행패턴 분석방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 무게감지저항센서를 적용한 지능형 보행훈련시스템은, 시스템의 전체 제어를 위한 프로그램이 내장된 판넬형 퍼스널컴퓨터와; 보행시 불편함이 없도록 신발 밑 깔창에 넣을 수 있는 무게 감지 저항(FSR; Force Sensing Resistor) 센서와; 트레드밀과; 상기 트레드밀의 속도를 피드백 및 제어하기 위한 제어모듈과; 상기 FSR 센서의 압력측정 및 데이터를 무선으로 송수신하기 위한 통신모듈로 이루어진 것을 특징으로 하고, 무게감지센서를 적용한 지능형 보행패턴 분석방법은, 무게 감지 저항(FSR; Force Sensing Resistor) 센서에 입력된 300개의 좌, 우측의 데이터를 분석하는 단계와; 좌, 우측의 족압의 압력분포 및 보행속도, 거리, 좌우 대칭을 분석하여 시각적으로 사용자에게 정보를 제공하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

무게감지저항센서를 적용한 지능형 보행훈련시스템 및 보행패턴 분석 방법{WALKING TRAINNING SYSTEM USING FORCE SENSING RESISTOR SENSOR AND WALKING PATTERN ANALYSIS METHOD THEREOF}
본 발명은 무게감지저항센서를 적용한 지능형 보행훈련시스템 및 보행패턴 분석방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 좌, 우측 FSR 센서에서 들어오는 보행정보를 분석하여 보행속도, 보행거리, 발의 압력분포를 분석하여 화면에 정보를 표시하여 고령자가 화면을 통해 자신의 정보를 피드백 할 수 있도록 제시하며, 보행패턴의 상태에 따라 고령자가 보행의 정상인과의 다른 문제점을 소리로 인식시켜 정확한 보행을 유도할 수 있도록 시각, 청각 바이오피드백(Biofeedback)이 가능한 무게감지저항센서를 적용한 지능형 보행훈련시스템시스템 및 보행패턴 분석방법에 관한 것이다.
일반적으로 두 다리로 체중을 지지하고 걷는 직립보행은 인간만이 할 수 있는 고도로 발달된 운동이며, 인간으로서의 생활을 유지하는 기본적인 동작 및 기능이다.
따라서 직립보행에 장애가 생기게 되면 신체적으로 운동의 제약이 생길 뿐 아니라 사회적 활동에까지 장애가 오며, 더 나아가서는 정신적인 문제까지 생길 수 있다.
최근의 산업화 과정에서 급속히 증가 되는 산업재해로 인해 거동이 불편한 보행 장애인, 관절염환자, 비만환자 및 노인의 재활과정에서 환자를 바른 자세로 걸을 수 있도록 하는 것이 요청되고 있다.
그러므로 재활의 초기 단계에서부터 환자의 장애 정도에 따라 일정한 속도를 조절하여 걸을 수 있도록 도와주고 훈련시켜야 한다.
따라서 의료기관이나 재활시설에서 보행 장애환자는 스스로 보행할 수 없으므로 이들의 재활 보행을 보조 또는 훈련시키려면 1-2명의 간호사, 물리치료사 또는 간병인이 필요하나 인력부족으로 인하여 회복이 지연되고, 그 결과 합병증이 발병하게 되므로 이 시기가 지난 후 치료비의 현저한 상승과 함께 많은 보행 장애인들이 적극적인 재활의 기회를 잃고 있는 실정이다.
그리하여 보행 장애인의 재활은 의료계에서 큰 관심을 가지고 있지만 현재 사용하는 지팡이, 목발, 보행보조기 등 보행 장애인 스스로 상지(上肢)의 체중을 지지해야 하므로 충분한 상지의 근력이 필요할 뿐 아니라 선 자세의 유지를 위해 전신의 근육이 비정상적으로 수축되므로 정상적인 보행 패턴을 유도하는 치료를 시행하기 어려운 문제와 직선보행과 같은 사람의 기본운동기능에 부합되지 않는 등의 문제점이 있었다.
그리하여 보행 장애인이 실제 생활에서 사용하는 보행패턴과 가장 유사한 보행패턴을 훈련시킬 수 있는 장치가 필요하게 되었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 좌, 우측 FSR 센서에서 들어오는 보행정보를 분석하여 보행속도, 보행거리, 발의 압력분포를 분석하여 화면에 정보를 표시하여 고령자가 화면을 통해 자신의 정보를 피드백 할 수 있도록 제시하며, 보행패턴의 상태에 따라 고령자가 보행의 정상인과의 다른 문제점을 소리로 인식시켜 정확한 보행을 유도할 수 있도록 시각, 청각 바이오피드백(Biofeedback)이 가능한 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 제1 실시예에 의한 무게감지저항센서를 적용한 지능형 보행훈련시스템은, 시스템의 전체 제어를 위한 프로그램이 내장된 판넬형 퍼스널컴퓨터와; 보행시 불편함이 없도록 신발 밑 깔창에 넣을 수 있는 무게 감지 저항(FSR; Force Sensing Resistor) 센서와; 트레드밀과; 상기 트레드밀의 속도를 피드백 및 제어하기 위한 제어모듈과; 상기 FSR 센서의 압력측정 및 데이터를 무선으로 송수신하기 위한 통신모듈로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 FSR 센서는 센서 표면에 힘을 증가시킬 때 감소하는 저항이 발생하는 중합체의 필름(Polymer Film)이고, 자체의 저항 값이 활동 영역에 가해지는 힘의 크기에 따라서 반비례하는 특성을 가진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 FSR 센서는 10×30의 매트릭스(Matrix) 형태로 제작된 것으로서, 비반적 증폭회로를 통해 족압의 전압을 변화시키도록 발의 모양의 형태로 제작되고, 발 옆으로 탭(Tab)을 도출시켜 측정할 수 있는 구조로 제작된 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 무게감지저항센서를 적용한 지능형 보행패턴 분석방법은, 무게 감지 저항(FSR; Force Sensing Resistor) 센서에 입력된 300개의 좌, 우측의 데이터를 분석하는 단계와; 좌, 우측의 족압의 압력분포 및 보행속도, 거리, 좌우 대칭을 분석하여 시각적으로 사용자에게 정보를 제공하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 무게감지저항센서를 적용한 지능형 보행훈련시스템에 의하면, 좌, 우측 FSR 센서에서 들어오는 보행정보를 분석하여 보행속도, 보행거리, 발의 압력분포를 분석하여 화면에 정보를 표시하여 고령자가 화면을 통해 자신의 정보를 피드백 할 수 있도록 제시하며, 보행패턴의 상태에 따라 고령자가 보행의 정상인과의 다른 문제점을 소리로 인식시켜 정확한 보행을 유도할 수 있도록 시각, 청각 바이오피드백(Biofeedback)이 가능한 시스템을 제공하는 것으로서, 보행패턴 분석을 통해 환자의 보행이 문제가 발생하면 트레드밀의 속도를 조절하여, 정상적인 보행을 유도하는 효과를 가지고 있다.
도 1은 본 발명의 FSR 센서를 이용한 지능형 보행훈련 시스템의 전체 구성도.
도 2a는 본 발명의 FSR 센서의 특성 곡선.
도 2b는 본 발명의 FSR 센서의 측정방식.
도 3은 본 발명의 FSR 센서를 도시한 상세 제작도.
도 4는 본 발명의 FSR 센서를 도시한 구성도.
도 5는 본 발명의 FSR 센서를 측정하기 위한 블록도.
도 6은 본 발명의 FSR 센서에 의한 보행패턴을 분석한 제어프로그램.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
[실시예]
도 1은 본 발명의 FSR 센서를 이용한 지능형 보행훈련 시스템의 전체 구성도이고, 도 2a는 본 발명의 FSR 센서의 특성 곡선이며, 도 2b는 본 발명의 FSR 센서의 측정방식이며, 도 3은 본 발명의 FSR 센서를 도시한 상세 제작도이며, 도 4는 본 발명의 FSR 센서를 도시한 구성도이며, 도 5는 본 발명의 FSR 센서를 측정하기 위한 블록도이며, 도 6는 본 발명의 FSR 센서에 의한 보행패턴을 분석한 제어프로그램이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 무게 감지 저항 센서를 이용한 지능형 보행훈련 시스템은, 시스템의 전체 제어를 위한 프로그램이 내장된 판넬형 퍼스널컴퓨터(이하, PC라 함)와, 보행시 불편함이 없도록 신발 밑 깔창에 넣을 수 있는 무게 감지 저항(FSR; Force Sensing Resistor) 센서와, 트레드밀과, 상기 트레드밀의 속도를 피드백 및 제어하기 위한 제어모듈과, 상기 FSR 센서의 압력측정 및 데이터를 무선으로 송수신하기 위한 통신모듈로 이루어진다.
본 발명의 시스템의 동작은 고령자의 속도에 맞는 모드를 선택한 후 보행을 시작하면 FSR 센서를 통해 좌, 우측 발의 압력을 측정하여 데이터를 PC로 송수신하며, PC의 프로그램은 보행시 보행패턴을 분석하기 위해 좌, 우측 FSR 센서에서 들어오는 보행정보를 분석하여 보행속도, 보행거리, 발의 압력분포를 분석하여 화면에 정보를 표시하여 고령자가 화면을 통해 자신의 정보를 피드백 할 수 있도록 제시하며, 보행패턴의 상태에 따라 고령자가 보행의 정상인과의 다른 문제점을 소리로 인식시켜 정확한 보행을 유도할 수 있도록 시각, 청각 바이오피드백(Biofeedback)이 가능한 시스템을 제공한다.
이때 보행패턴 분석을 통해 환자의 보행이 문제가 발생하면 트레드밀의 속도를 조절하여, 정상적인 보행을 유도한다.
상기한 시스템의 동작 및 제어는 PC에서 모두 제어되도록 설계한다.
보행 훈련이 완료되면 보행패턴을 분석하여 사용자의 발의 압력분포 상태 및 보행속도(walking speed), 보행거리(walking distance), 보폭, 좌우측의 보행 균형 정보를 사용자에게 제공하여 보행훈련의 개선사항을 PC의 프로그램에 알려줄 수 있다.
상기 FSR(Force Sensing Resistor) 센서는 센서 표면에 힘을 증가시킬 때 감소하는 저항이 발생하는 중합체의 필름(Polymer Film) 장치이며, 전도성의 고무와 비교해 볼 때 전기적 이력 현상이 거의 없고 가격이 저가이다.
FSR 센서는 자체의 저항 값을 가지고 있는 데 이 저항 값은 활동 영역에 가해지는 힘의 크기에 따라서 반비례하는 특성을 가지고 있다. 도 2a 및 도 2b는 가해지는 힘과 저항과의 관계를 그래프, 즉 FSR 센서의 특성곡선 및 측정방식을 나타낸 것이며, 힘이 증가함에 따라 그 저항치는 감소되는 것을 볼 수 있다. 이렇게 감소되는 곡선은 선형성을 갖고 있다.
상기 FSR 센서의 측정은 10×30개의 FSR 센서를 비반적 증폭회로를 통해 족압의 전압을 변화시킬 수 있다. 이때 RF는 10×30개의 FSR 중 하나의 센서를 나타내며, RF의 한쪽 끝에 기준전압을 인가하고 족압의 변화에 따라 나타나는 RF값의 변화를 출력 전압으로 변화하여 비반전 증폭기 입력단에 인가되도록 설계된다.
여기서, 비반전이란, FSR 센서에서 출력된 신호가 아날로그 먹스(Analog Mux)를 통해 A/D변환기까지 신호를 전달하는 과정에서 전류가 미약하여 전류를 증폭하는데 사용된다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 개발하고자 하는 FSR 센서의 제작은 10×30개의 FSR 센서로 발의 모양의 형태로 제작되며, 발 옆으로 탭(Tab)을 도출시켜 측정할 수 있는 구조로 제작된다.
상기 FSR 센서를 측정하기 위한 모듈은 10×30의 매트릭스(Matrix) 형태로 측정할 수 있는 구조로 제작되며, 각 FSR 센서의 전압을 디지털 값으로 변환하기 위해 마이크로컨트롤러(MCU; Micro Controller Unit)에 내장된 8bit A/D 변환을 이용하여 측정하며, 샘플링은 25Hz로 측정한다. 이때 데이터를 무선으로 통신하기 위해 300개의 FSR 센서의 데이터를 보내기 위한 송신 속도는 115,200bps이면 충분하다.
상기 FSR 센서를 측정하기 위해 도 5와 같이 16개의 FSR 센서의 기준전압을 인가한 후 비반전 증폭기를 통해 8개의 전압을 출력하여 8bit A/D변환을 하면 300개의 FSR 센서의 전압을 알 수 있으며, 블루투스 통신 모듈을 통해 데이터를 송수신한다.
이와 같이 본 발명의 FSR 센서에 의한 보행패턴의 분석 과정은 먼저, 상기 FSR 센서에 입력된 300개의 좌, 우측의 데이터를 분석하고, 좌, 우측의 족압의 압력분포 및 보행속도, 거리, 좌우 대칭(Symmetry)을 분석하여 시각적으로 사용자에게 정보를 제공하는 과정으로 이루어진다.
본 발명의 FSR 센서에 의한 보행패턴 분석시스템은 보행패턴의 상태에 따라 사용자가 보행의 정상인과의 다른 보행 패턴이 발생하면 문제점을 소리로 인식시켜 정확한 보행을 유도할 수 있는 시각, 청각 바이오피드백(biofeedback)시스템이다.
상기 트레드밀의 속도는 연령에 따라 속도를 설정하면 설정된 보행속도에 맞춰 보행훈련이 시작되고, 이때 보행패턴 분석을 통해 환자의 보행이 문제가 발생하면 트레드밀의 속도를 조절하여 정상적인 보행을 유도한다. 낙상의 위험이 발생하면 트레드밀을 강제적으로 정지시켜 트레드밀에서 보행훈련시 안정성을 높일 수 있다.
이와 같은 보행 패턴에 따른 모터 제어 시스템은 타코메터에서 입력된 속도를 A/D 변환기를 통해 모터의 속도를 감지할 수 있도록 하며, 모터를 구동하기 위해서는 AC 인버터를 사용하여 AC 모터의 속도를 정밀하게 제어하고, 보행패턴 프로그램과 38,400bps 속도로 상호 데이터 통신을 하여 보행패턴에 따라 모터의 속도를 제어할 수 있다.
이러한 상기 트레드밀은 최대 20km/h의 속도를 낼 수 있도록 제작되며, 속도단계는 0.1km/h로 제어한다.
이상에서와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하며, 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다할 것이다.

Claims (2)

  1. 시스템의 전체 제어를 위한 프로그램이 내장된 판넬형 퍼스널컴퓨터와;
    보행시 불편함이 없도록 신발 밑 깔창에 넣을 수 있는 무게 감지 저항(FSR; Force Sensing Resistor) 센서와;
    트레드밀과;
    상기 트레드밀의 속도를 피드백 및 제어하기 위한 제어모듈과;
    상기 FSR 센서의 압력측정 및 데이터를 무선으로 송수신하기 위한 통신모듈로 이루어지고;
    상기 FSR 센서는 센서 표면에 힘을 증가시킬 때 감소하는 저항이 발생하는 중합체의 필름(Polymer Film)이며, 자체의 저항 값이 활동 영역에 가해지는 힘의 크기에 따라서 반비례하는 특성을 가지며;
    상기 FSR 센서는 10×30의 매트릭스(Matrix) 형태로 제작된 것으로서,
    비반적 증폭회로를 통해 족압의 전압을 변화시키도록 발의 모양의 형태로 제작되고, 발 옆으로 탭(Tab)을 도출시켜 측정할 수 있는 구조로 제작된 것을 특징으로 하는 무게감지저항센서를 적용한 지능형 보행훈련시스템.
  2. 무게 감지 저항(FSR; Force Sensing Resistor) 센서에 입력된 300개의 좌, 우측의 데이터를 분석하는 단계와;
    좌, 우측의 족압의 압력분포 및 보행속도, 거리, 좌우 대칭을 분석하여 시각적으로 사용자에게 정보를 제공하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 무게감지저항센서를 적용한 지능형 보행패턴 분석 방법.

















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