KR102089139B1 - Capacitive type user intension sensing apparatus - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치는 피부에 부착되는 사용자 의도 센싱 장치로서, 기판, 상기 기판의 하부에 부착된 전극부, 상기 전극부와 상기 피부가 이격된 상태로 유지시키면서 상기 피부에 상기 기판을 부착시키기 위한 부착부, 및 상기 전극부와 상기 피부 사이의 정전용량을 측정하는 측정부를 포함하여 이루어져 측정된 정전용량 값으로 사용자가 어떠한 움직임을 하려는 것인지에 대한 사용자 의도를 파악할 수 있는 것을 특징으로 한다.The user-intention sensing device of the capacitive method according to the present invention is a user-intention sensing device attached to the skin, while maintaining the substrate, the electrode portion attached to the lower portion of the substrate, and the electrode portion and the skin spaced apart from the skin Including the attachment portion for attaching the substrate, and a measuring portion for measuring the capacitance between the electrode portion and the skin, it is possible to grasp the user's intention as to what kind of movement the user wants to take with the measured capacitance value. It is characterized by.

Description

정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치 {CAPACITIVE TYPE USER INTENSION SENSING APPARATUS}CAPACITIVE TYPE USER INTENSION SENSING APPARATUS}

본 발명은 사용자 의도 센싱 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a user intention sensing device. More specifically, the present invention relates to a capacitive user intention sensing device.

센서를 통해 사용자의 의도를 파악하고 그에 맞추어 작동하도록 하는 전자 의족, 의수, 의지 등이 개발되어 절단 장애우들의 삶을 보다 윤택하게 해주고 있다.An electronic prosthesis, prosthesis, and will have been developed to grasp the user's intention through a sensor and operate accordingly, making the life of amputated people more enriched.

이때 사용자의 의도를 파악하기 위해서 뇌파보다 데이터 처리가 쉽고 피부에 비침습한 상태에서 사용할 수 있는 근전도 신호가 많이 활용되고 있다.At this time, in order to grasp the user's intention, EMG signals that are easier to process data than EEG and can be used in a non-invasive state are being used.

하지만 근전도 신호를 센싱하는 근전도 센서는 가격이 비싸고 전력소모가 높을 뿐만 아니라 땀, 근피로도 등에 의해 근전도 신호가 변화하고 착용 전도성을 높이기 위한 전처리 과정이 필요하는 등 여러가지 문제점을 가지고 있다.However, the EMG sensor for sensing the EMG signal has various problems such as high cost and high power consumption, as well as a change in the EMG signal due to sweat, muscle fatigue, and the need for a pre-treatment process to increase wear conductivity.

이에 최근 근피로도에 덜 민감하여 데이터 사용이 용이하고, 사용 전 전도성을 높이기 위해 피부 젤, 전도성 젤 등을 사용하지 않아도 되는 FMG(Force Myography)를 이용하여 사용자의도를 추정하는 연구가 이루어지고 있다.Accordingly, recently, research is being conducted to estimate the user's intention using FMG (Force Myography), which is less sensitive to muscle fatigue and thus easy to use data, and does not require skin gel or conductive gel to increase conductivity before use. .

하지만 FSR(Force-Sensing Resistor)을 이용하는 FMG의 경우 외력에 의해 저항이 변형되는 것을 측정하는 방식으로 장치가 반드시 밴드형태로 속박되어 피부에 밀착되어야 하므로 형태의 구성이 자유롭지 않고, 최소 10㎲ 이상의 소자시작시간(Device Rise Time)이 필요하기 때문에 근육의 빠른 변형에 대응하지 어려워 시간지연현상으로 이어지는 문제가 있다.However, in the case of FMG using Force-Sensing Resistor (FSR), the device must be bound in the form of a band in close contact with the skin in a way that measures resistance deformation by external force. Since a device rise time is required, it is difficult to cope with the rapid deformation of muscles, leading to a time delay phenomenon.

이에 사용자 의도를 파악할 수 있는 새로운 형태의 센서의 개발이 필요한 실정이다.Accordingly, it is necessary to develop a new type of sensor that can grasp the user's intention.

본 발명의 목적은 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a capacitive user intention sensing device.

본 발명의 다른 목적은 생체 신호를 측정하지 않고도 사용자 의도를 센싱할 수 있는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a capacitive user intention sensing device capable of sensing a user's intention without measuring a biosignal.

본 발명의 또 다른 목적은 피부에 부착되어 피부와 전극 사이의 거리 변화를 감지함으로써 사용자 의도를 파악할 수 있는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a capacitive type user intention sensing device that can be attached to the skin and detect a user's intention by detecting a change in distance between the skin and the electrode.

본 발명의 또 다른 목적은 외부 요인에 의한 신호 변화가 적고 전처리 과정이 필요하지 않는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a capacitive type user intention sensing device in which signal changes due to external factors are small and no pre-processing is required.

본 발명의 또 다른 목적은 형태의 구성이 자유롭고, 소자시작시간이 필요하지 않는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a user-intention sensing device of a capacitive type that is free in configuration and does not require an element start time.

본 발명의 상기 및 기타 목적들은, 본 발명에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치에 의해 모두 달성될 수 있다.The above and other objects of the present invention can be achieved by the capacitive user intention sensing device according to the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치는 피부에 부착되는 사용자 의도 센싱 장치로서, 기판, 상기 기판의 하부에 부착된 전극부, 상기 전극부와 상기 피부가 이격된 상태로 유지시키면서 상기 피부에 상기 기판을 부착시키기 위한 부착부, 및 상기 전극부와 상기 피부 사이의 정전용량을 측정하는 측정부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The capacitive user intention sensing device according to an embodiment of the present invention is a user intention sensing device attached to the skin, and maintains the substrate, the electrode part attached to the lower portion of the substrate, and the electrode part and the skin spaced apart It characterized in that it comprises a measuring unit for measuring the electrostatic capacity between the electrode portion and the skin, and the attachment portion for attaching the substrate to the skin while being.

상기 부착부는 실리콘 패드로 이루어질 수 있다.The attachment portion may be made of a silicone pad.

또한 상기 부착부의 두께와 상기 전극부의 두께의 차는 0 초과 13㎜ 이하일 수 있다.In addition, the difference between the thickness of the attachment portion and the thickness of the electrode portion may be greater than 0 and less than or equal to 13 mm.

또한 상기 부착부의 두께와 상기 전극부 두께의 차가 5mm 초과 1.5㎜ 이하인 것이 보다 바람직하다.In addition, it is more preferable that the difference between the thickness of the attachment portion and the thickness of the electrode portion is more than 5 mm and 1.5 mm or less.

상기 전극부는 일정 간격으로 이격된 복수 개의 전극으로 이루어질 수 있다.The electrode part may be formed of a plurality of electrodes spaced at regular intervals.

또한 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치는 기판에 형성된 접지 전극, 부착부 하부에 형성되어 상기 피부와 직접 접촉하는 접지 단자 및 접지 전극과 상기 접지 단자를 연결하는 연결라인을 더 포함할 수 있다.In addition, the capacitive type user intention sensing device according to an embodiment of the present invention includes a ground electrode formed on a substrate, a ground terminal formed under the attachment portion, and a connection line connecting the ground terminal and the ground terminal directly contacting the skin. It may further include.

본 발명은 측정이 어려운 생체 신호를 측정하지 않고 피부에 부착되어 피부와 전극 사이의 거리 변화에 따른 정전용량 변화를 감지함으로써 사용자 의도를 파악할 수 있는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 제공하는 효과를 갖는다.The present invention has the effect of providing a capacitive user intention sensing device capable of grasping the user's intention by detecting a change in capacitance due to a change in the distance between the skin and the electrode attached to the skin without measuring a biosignal that is difficult to measure. Have

특히 땀, 근피로도 등의 외부 요인에 의해 센싱값이 변화하지 않으므로 항상 신뢰성 있는 결과값 제공이 가능하며, 전처리 과정이 필요하지 않아 사용이 용이하고, 형태의 구성이 자유로울 뿐만 아니라 소자시작시간에 따른 시간지연 문제도 발생하지 않는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 제공하는 효과를 갖는다.In particular, since the sensing value does not change due to external factors such as sweat and muscle fatigue, it is possible to provide reliable result values at all times, and it is easy to use because no pre-treatment process is required, and the configuration of the shape is free, and the device startup time It has an effect of providing a capacitive user intention sensing device that does not cause a time delay problem.

제1도는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치의 단면도이다.
제2도는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 피부에 부착한 모습을 보여주는 도면이다.
제3도 내지 제5도는 전극패드와 피부와의 거리에 따른 센싱값을 보여주는 그래프들이다.
제6도는 전극패드와 피부와의 거리에 따른 신호대 잡음비를 보여주는 그래프이다.
제7도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치의 단면도이다.
제8도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱장치의 샘플 사진이다.
제9도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱장치 3개를 각각 다른 근육에 부착한 모습을 보여주는 도면이다.
제10도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱장치의 센싱값을 이용하여 로봇 손이 사람의 손동작을 따라 하는 모습을 보여주는 사진이다.
제11도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a capacitive user intention sensing device according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a state in which a capacitive user intention sensing device is attached to the skin according to an embodiment of the present invention.
3 to 5 are graphs showing sensing values according to the distance between the electrode pad and the skin.
6 is a graph showing the signal-to-noise ratio according to the distance between the electrode pad and the skin.
7 is a cross-sectional view of a capacitive user intention sensing device according to another embodiment of the present invention.
8 is a sample picture of a capacitive user intention sensing device according to another embodiment of the present invention.
9 is a view showing three capacitive user intention sensing devices attached to different muscles according to another embodiment of the present invention.
10 is a photograph showing how a robot hand follows a human hand using a sensing value of a capacitive user intention sensing device according to another embodiment of the present invention.
11 is a cross-sectional view of a capacitive user intention sensing device according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치에 대해 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the capacitive user intention sensing device according to the present invention.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.In the following description, only the parts necessary to understand the user's intention sensing device of the capacitive method according to the embodiment of the present invention are described, and the description of other parts may be omitted so as not to distract the subject matter of the present invention.

또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.In addition, the terms or words used in the specification and claims described below are not to be construed as being limited to the ordinary or dictionary meanings, meaning that corresponds to the technical spirit of the present invention so that the present invention can be most appropriately expressed It should be interpreted as and concepts.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part “includes” a certain component, it means that the component may further include other components, not to exclude other components, unless otherwise stated. In addition, terms such as “… unit”, “… group”, and “module” described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software. have.

여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.In various embodiments, components having the same configuration will be representatively described in one embodiment using the same reference numerals, and other embodiments will be described with respect to components different from one embodiment.

본 발명의 실시예에 따른 사용자 의도 센싱 장치는 사용자의 피부에 부착되어 주먹을 쥐려고 하는지 손을 펴려고 하는지 등의 사용자 의도를 센싱한다.The user intention sensing device according to the embodiment of the present invention is attached to the user's skin and senses the user's intention, such as trying to clench a fist or open a hand.

즉, 지금까지 사용자 의도를 센싱하기 위해 뇌파, 근전도 등의 각종 생체 신호를 측정해 오던 것과 달리 본 발명의 실시예에 따른 사용자 의도 센싱 장치는 생체 신호가 아닌 정전용량을 측정함으로써 사용자 의도를 센싱할 수 있는 것을 특징으로 한다.That is, unlike so far, the user intention sensing device according to an embodiment of the present invention measures the user's intention by measuring the capacitance rather than the bio-signal, as opposed to measuring various biological signals such as EEG and EMG to sense the user's intention. It is characterized by being able to.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치의 단면도가 도 1에 도시되어 있다.1 is a cross-sectional view of a capacitive user intention sensing device according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)는 기판(10), 전극부(20), 부착부(30), 측정부(40)를 포함하여 이루어진다.As illustrated in FIG. 1, the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention includes a substrate 10, an electrode portion 20, an attachment portion 30, and a measuring portion 40. Including.

기판(10)는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)의 기본 틀이 되는 부분으로서 후술할 전극부(20), 부착부(30), 측정부(40)가 모두 기판에 장착되어 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 구성한다.The substrate 10 is a part that forms a basic frame of the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention, the electrode portion 20, the attachment portion 30, the measuring portion 40 to be described later All of them are mounted on a substrate to constitute a user-intention sensing device of a capacitive type according to an embodiment of the present invention.

이러한 기판(10)으로서 회로를 쉽게 형성할 수 있는 PCB를 사용하는 것이 바람직하다.As such a substrate 10, it is preferable to use a PCB that can easily form a circuit.

전극부(20)는 기판의 하부면에 부착되는 전극으로 구성된다. The electrode portion 20 is composed of an electrode attached to the lower surface of the substrate.

전극부는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)가 피부에 부착되었을 때 피부와의 사이에서 정전용량을 형성한다. 따라서 전극부와 피부 사이에 다른 구성요소가 위치하지 않도록 도 1에 도시된 바와 같이 기판의 하부면에 위치하는 것이 바람직하다.The electrode portion forms a capacitance between the skin when the user-intention sensing device 100 of the capacitive method according to an embodiment of the present invention is attached to the skin. Therefore, it is preferable to locate the lower surface of the substrate as shown in Figure 1 so that no other components are located between the electrode portion and the skin.

부착부(30)는 전극부가 형성된 기판을 피부에 부착시키기 위한 구성으로서 앞서 설명한 바와 같이 전극부와 피부 사이에 다른 구성요소가 위치하지 않는 것이 바람직하므로 도 1에 도시된 바와 같이 기판 하부의 중심 영역에 전극부(20)가 위치하고 기판 하부의 외곽 영역에 부착부가 위치하여 전극부가 형성된 기판을 피부에 안정적으로 부착되도록 하는 것이 바람직하다.The attachment portion 30 is a configuration for attaching the substrate on which the electrode portion is formed to the skin, and as described above, it is preferable that no other components are located between the electrode portion and the skin. As shown in FIG. 1, the central region under the substrate It is preferable that the electrode portion 20 is located and the attachment portion is located in the outer region under the substrate to stably attach the substrate on which the electrode portion is formed to the skin.

부착부(30)는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)가 피부에 부착되도록 하기 위해 전체 또는 적어도 하부면이 점착성 있는 물질로 구성되는 것이 바람직하다.The attachment portion 30 is preferably composed of an entire or at least a lower surface of the adhesive material so that the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention is attached to the skin.

또한 부착부(30)는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)가 피부에 부착된 후 다시 용이하게 제거될 수 있을 정도의 점착력을 갖는 것이 바람직하며, 부착과 제거가 반복적으로 이루어지더라도 점착력을 유지할 수 있는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the attachment portion 30 preferably has an adhesive force to the extent that it can be easily removed again after the user's intention sensing device 100 of the capacitive method according to an embodiment of the present invention is attached to the skin. It is preferable to be made of a material capable of maintaining adhesion even if the removal is repeatedly performed.

이러한 부착부로서 실리콘 패드를 사용하는 것이 바람직하나 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, 양면테이프 등도 사용될 수 있다.It is preferable to use a silicone pad as such an attachment portion, but is not necessarily limited thereto, and a double-sided tape or the like may also be used.

측정부(40)는 피부와 전극부(20) 사이에 형성되는 정전용량을 측정한다. 이를 위해 측정부는 기판 상의 회로에 의해 전극부와 전기적으로 연결될 수 있으며, 전극부에 필요한 전기적 신호를 제공할 수도 있다.The measuring unit 40 measures the capacitance formed between the skin and the electrode unit 20. To this end, the measurement unit may be electrically connected to the electrode unit by a circuit on the substrate, and may provide an electrical signal required for the electrode unit.

측정부는 측정된 정전용량을 디지털값으로 변환하여 출력할 수 있는 CDC(Programmable capacitance-to-converter)로 구성될 수 있으며, 변환된 디지털값을 외부로 출력할 수 있다.The measuring unit may be configured as a programmable capacitance-to-converter (CDC) capable of converting and outputting the measured capacitance to a digital value, and outputting the converted digital value to the outside.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)는 측정부에서 측정된 값을 외부로 출력하기 위해 측정부와 외부 분석부(미도시)가 유선연결되어 있을 수 있다.In the capacitive user intention sensing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention, a measurement unit and an external analysis unit (not shown) may be wired to output a value measured by the measurement unit to the outside.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)는 통신부(미도시)를 더 구비하고, 블루투스 등의 근거리 통신을 통하여 측정부에 의해 측정된 값을 외부 분석부에 전송할 수도 있다.In addition, the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention further includes a communication unit (not shown), and a value measured by the measurement unit through a short-range communication such as Bluetooth to an external analysis unit You can also send.

도 2에 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)를 피부에 부착한 모습이 도시되어 있다.2 illustrates a state in which the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention is attached to the skin.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 피부에 부착하면, 전극부(20)와 피부 사이에 아래와 같이 정전용량(C)이 발생하게 된다.As shown in FIG. 2, when a user intention sensing device of a capacitive type according to an embodiment of the present invention is attached to the skin, a capacitance C is generated between the electrode part 20 and the skin as follows.

Figure 112018026176296-pat00001
Figure 112018026176296-pat00001

이때 진공유전율(ε0)과 상대유전율(εr)은 각각 9.954×10-12F/m, 1.00059F/m(공기유전율)로 고정되어 있고, 전극부의 면적(A) 역시 고정되어 있기 때문에 근육의 움직임에 의해 변형되는 피부와 전극부(20) 사이의 거리(d)가 정전용량을 변화시키는 유일한 변수가 된다. At this time, the vacuum permittivity (ε 0 ) and the relative permittivity (ε r ) are fixed at 9.954 × 10 -12 F / m and 1.00059 F / m (air permittivity), respectively, and the area of the electrode part (A) is also fixed. The distance (d) between the skin and the electrode part 20, which is deformed by the movement of, is the only variable that changes the capacitance.

따라서 정전용량을 측정함으로써 근육의 수축, 이완 정도를 측정할 수 있게 된다.Therefore, by measuring the capacitance, it is possible to measure the degree of muscle contraction and relaxation.

다만, 근육의 움직임에 따라 피부가 전극부(20)에 맞닿게 제대로된 정전용량값을 측정할 수 없으며, 이를 방지하기 위해 피부와 전극부의 거리를 너무 멀게 할 경우 근육 움직임에 따른 정전용량값의 변화가 미미하여 정전용량값을 이용해 근육의 움직임을 제대로 측정할 수 없다.However, it is not possible to measure a proper capacitance value so that the skin comes into contact with the electrode portion 20 according to the movement of the muscle. To prevent this, if the distance between the skin and the electrode portion is too far, the change in capacitance value due to muscle movement Because it is insignificant, it is impossible to properly measure muscle movement using the capacitance value.

따라서 부착부(30)의 높이를 적절히 형성하여 피부와 전극부가 적절한 거리를 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable to properly form the height of the attachment portion 30 so that the skin and the electrode portion can maintain an appropriate distance.

부착부의 적절한 높이를 설정하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 피부와 전극부의 거리를 1㎜이하, 1㎜, 2㎜, 3㎜로 하고 정전용량값을 측정해 보았다.In order to set an appropriate height of the attachment portion, as shown in FIG. 3, the distance between the skin and the electrode portion was 1 mm or less, 1 mm, 2 mm, and 3 mm, and the capacitance value was measured.

도 3의 그래프에서 x축값은 데이터의 수이고 y축값은 CDC 출력값인 측정된 정전용량값이다.In the graph of FIG. 3, the x-axis value is the number of data and the y-axis value is the measured capacitance value, which is the CDC output value.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)를 사용하여 근육의 수축과 이완이 측정됨을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 3, it was confirmed that contraction and relaxation of muscles were measured using the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention.

또한 도 3(c)와 도 3(d)에 도시된 바와 같이 피부와 전극부의 거리를 이격시킬수록 측정된 정전용량값으로 근육의 수축과 이완을 확인하기 어려울 수 있다. 그러나 도 4에 도시된 바와 같이 CDC의 해상도를 높이면 피부와 전극부의 거리를 더 이격시키더라도 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)를 사용하여 근육의 수축과 이완을 측정할 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 피부와 전극부의 거리를 13㎜까지 이격시키더라도 근육의 수축과 이완을 측정할 수 있었다.In addition, as shown in FIGS. 3 (c) and 3 (d), as the distance between the skin and the electrode portion is separated, it may be difficult to check the contraction and relaxation of the muscle with the measured capacitance value. However, as shown in FIG. 4, even if the CDC resolution is increased, the distance between the skin and the electrode is further spaced, and the muscle contracts and relaxes using the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, even when the distance between the skin and the electrode part was separated up to 13 mm, muscle contraction and relaxation could be measured.

따라서 부착부의 높이는 CDC의 해상도를 고려하여 피부와 전극부의 거리가 0 초과 13㎜ 이하가 되도록 구성하는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable to configure the height of the attachment portion so that the distance between the skin and the electrode portion is greater than 0 and less than 13 mm in consideration of the resolution of the CDC.

또한 피부와 전극 사이의 거리에 따른 노이즈 발생 가능성을 확인하기 위해 피부와 전극 사이의 거리에 따른 신호대 잡음비(SNR)를 측정하였다.In addition, the signal-to-noise ratio (SNR) according to the distance between the skin and the electrode was measured to confirm the possibility of noise generation depending on the distance between the skin and the electrode.

Figure 112018026176296-pat00002
Figure 112018026176296-pat00002

여기서 Srms는 근육의 수축/이완시 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치에 의해 측정된 n개의 데이터의 RMS(Root Mean Square) 값이고, Nrms는 근육의 수축/이완이 발생하지 않는 휴식 상태에서 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치에 의해 측정된 i개 데이터의 RMS값으로 잡음 강도 값임.Here, Srms is a root mean square (RMS) value of n data measured by a capacitive user intention sensing device according to an embodiment of the present invention when contraction / relaxation of muscles, and Nrms is contraction / relaxation of muscles The noise intensity value is an RMS value of i data measured by a capacitive user intention sensing device according to an embodiment of the present invention in a rest state that does not occur.

그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이 피부와 전극 사이의 거리가 0.5mm에서 1mm로 더 이격되었을 때에는 신호대 잡음비가 높아졌으나 그 이상으로 이격시킬수록 신호대 잡음비가 낮아짐을 알 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 6, when the distance between the skin and the electrode was further spaced from 0.5 mm to 1 mm, the signal-to-noise ratio was increased, but it was found that the more the distance was, the lower the signal-to-noise ratio.

따라서 피부와 전극 사이의 거리는 0.5mm 내지 1.5mm가 되도록 구성하는 것이 바람직하나 0.5mm와 같이 피부와 전극 사이의 거리가 너무 가까울 경우 근육이 이완되었을 때 적절한 정전 용량을 측정하기가 어려우므로 피부와 전극 사이의 거리가 약 1mm 내지 1.5mm가 되도록 부착부의 높이를 형성하는 것이 가장 바람직하다.Therefore, it is preferable to configure the distance between the skin and the electrode to be 0.5mm to 1.5mm, but when the distance between the skin and the electrode is too close, such as 0.5mm, it is difficult to measure the proper electrostatic capacity when the muscles are relaxed. It is most preferable to form the height of the attachment so that the distance between them is about 1 mm to 1.5 mm.

도 7에 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치가 도시되어 있다.7 illustrates a capacitive user intention sensing device according to another embodiment of the present invention.

도 7에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100')는 기판(10), 전극부(20), 부착부(30), 측정부(40)를 포함하여 이루어진다.The user intention sensing device 100 ′ of the capacitive method according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 7 includes a substrate 10, an electrode portion 20, an attachment portion 30, and a measuring portion 40 Is done by

도 7에 도시된 사용자 의도 센싱 장치(100')는 도 1에 도시된 사용자 의도 센싱 장치(100)와 달리 전극부(20)가 서로 이격된 복수 개의 전극으로 이루어지며, 복수 개의 전극은 서로 일정 간격으로 이격되어 있는 것이 바람직하다. 이때 복수 개의 전극은 도 8에 도시된 바와 같이 일렬로 배열될 수도 있고 2×2와 같이 복수 행렬로 배열될 수도 있다.Unlike the user intention sensing device 100 illustrated in FIG. 1, the user intention sensing device 100 ′ illustrated in FIG. 7 is formed of a plurality of electrodes spaced apart from each other, and the plurality of electrodes are constant to each other. It is desirable to be spaced apart. At this time, the plurality of electrodes may be arranged in a row as shown in FIG. 8 or may be arranged in a plurality of matrices as 2 × 2.

이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100')는 하나의 전극으로 전극부를 구성하는 것에 비해 근육의 움직임을 더 미세하게 측정할 수 있다. The capacitive user intention sensing device 100 ′ according to another embodiment of the present invention can measure muscle movement more finely than that of configuring the electrode part with one electrode.

즉, 단순히 근육이 수축되었는지 이완되었는지를 측정하는 것을 넘어 손목의 내전, 외전, 굴곡, 신곡, 주먹, 휴식 동작과 같이 구체적인 동작을 측정할 수 있게 된다.In other words, it is possible to measure specific movements such as an adductor, abduction, flexion, flexion, fist, and rest of the wrist, rather than simply measuring whether the muscle is contracted or relaxed.

이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100')의 효능을 검증하기 위해 도 8 도시된 바와 같은 샘플을 제작하여 20대 정상인의 전완부에 부착하고 손목의 내전, 외전, 굴곡, 신곡, 주먹, 휴식 동작을 각각 10초간 수행하도록 한 후 측정부(40)에 의한 측정값을 PC로 전송하였다.In order to verify the efficacy of the capacitive user intention sensing device 100 'according to another embodiment of the present invention, a sample as shown in FIG. 8 is prepared and attached to the forearm of a normal person in their 20s, and an adduction or abduction of the wrist After the bending, new song, fist, and rest operations were performed for 10 seconds each, the measured value by the measurement unit 40 was transmitted to the PC.

PC에서는 수신된 측정값을 기계학습 방법을 사용하여 패턴분류한 후 각 동작에 대한 정확도를 측정하였다. 그 결과 손목의 신전, 굴곡, 내전, 외전, 주먹, 휴식 순으로 각각 99.35%, 95.09%, 98.31%, 97.04%, 98.45%, 99.19%의 정확도가 나타났다.On the PC, the received measurement values were pattern-classified using a machine learning method, and then the accuracy of each operation was measured. As a result, the accuracy of wrist extension, flexion, adduction, abduction, fist, and rest were 99.35%, 95.09%, 98.31%, 97.04%, 98.45%, and 99.19%, respectively.

또한 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자 의도 센싱 장치(100') 3개를 팔뚝에 부착하고 손의 다양한 제스처(가위, 바위, 보, 휴식)를 구별하는 패턴 분류 실험을 수행하였다.In addition, as shown in Fig. 9, a pattern classification experiment for attaching three user intention sensing devices 100 'according to another embodiment of the present invention to the forearm and distinguishing various gestures (scissors, rock, beam, rest) of the hand Was performed.

패턴분류한 결과로 로봇 손 제어부를 프로그래밍하고 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자 의도 센싱 장치의 측정부에 의한 측정값을 로봇 손 제어부에 제공한 결과 도 10에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자 의도 센싱 장치를 부착한 피측정자의 손동작과 동일한 동작을 로봇 손이 수행하였으며, 그 정확도는 가위, 바위, 보, 휴식의 제스처에 대해 각각 98.4%, 99.3%, 98.3%, 99.1%였다.As a result of programming the robot hand controller as a result of the pattern classification and providing the measured value by the measuring unit of the user intention sensing device according to another embodiment of the present invention to the robot hand controller, as shown in FIG. 10, another embodiment of the present invention According to the user's intention, the robot hand performed the same motion as the subject's hand gesture, and the accuracy was 98.4%, 99.3%, 98.3%, and 99.1% for the gestures of scissors, rock, beam, and rest, respectively. .

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 이용한 경우 종래 사용자 의도 센싱을 위해 생체신호를 사용함에 따른 여러가지 한계를 극복할 수 있을 뿐만 아니라 FSR을 이용한 FMG의 시간지연문제 및 불편한 착용감 문제를 해결하면서도 사용자가 어떠한 동작을 취하려고 하는지에 대한 사용자 의도를 정확히 센싱할 수 있음을 알 수 있다.As described so far, when using the capacitive user intention sensing device according to the embodiment of the present invention, it is possible to overcome various limitations of using a biosignal for sensing the conventional user intention, as well as the time of FMG using FSR It can be seen that the user's intention can be accurately sensed as to what action the user intends to take while solving the delay problem and the uncomfortable wearing problem.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치는 정전용량을 형성하는 두 개의 대항 전극 중 하나를 피부로 사용함으로써 보다 편리하고 정확하게 정전용량을 측정할 수 있는 이점이 있다.The capacitive user intention sensing device according to an embodiment of the present invention has the advantage of being able to measure the capacitance more conveniently and accurately by using one of the two counter electrodes forming the capacitance as the skin.

다만 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 부착한 사용자가 철제 테이블 등 전도성 물체와 접촉했을 측정부(40)에 의해 측정되는 정전용량값에 영향을 줄 수 있다.However, it is possible to influence the capacitance value measured by the measuring unit 40 that the user who attached the capacitive user intention sensing device according to the embodiment of the present invention would have contacted a conductive object such as an iron table.

이에 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100'')는 도 11에 도시된 바와 같이 사용자의 피부가 접지상태를 유지하도록 하는 것을 특징으로 한다.Accordingly, the capacitive user intention sensing device 100 ″ according to another embodiment of the present invention is characterized in that the user's skin is maintained in a grounded state as illustrated in FIG. 11.

이를 위해 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100'')는 기판(10), 전극부(20), 부착부(30), 측정부(40), 접지부(50)를 포함하여 이루어진다. 즉, 앞선 실시예와 달리 사용자의 피부를 접지상태로 유지할 수 있도록 접지부(50)를 더 포함한다.To this end, the capacitive user intention sensing device 100 ″ according to another embodiment of the present invention includes a substrate 10, an electrode portion 20, an attachment portion 30, a measuring portion 40, and a ground portion It comprises 50. That is, unlike the previous embodiment, it further includes a ground portion 50 to maintain the user's skin in a grounded state.

이러한 접지부(50)는 도 11에 도시된 바와 같이 기판(10)에 형성된 접지 전극(51), 사용자의 피부에 직접 접촉하는 접지 단자(52), 그리고 접지 전극과 접지 단자를 연결하는 연결라인(53)으로 구성될 수 있다.11, the ground electrode 51 formed on the substrate 10, the ground terminal 52 directly contacting the user's skin, and a connection line connecting the ground electrode and the ground terminal as shown in FIG. It may be composed of (53).

접지 전극(51)은 0V 전압에 연결되어 접지 상태인 전극이며, 피부는 접지 단자(52)와 연결라인(53)을 통해 접지 전극(51)과 전기적으로 연결됨으로써 외부 조건에 영향을 받지 않고 접지 상태를 유지할 수 있다.The ground electrode 51 is an electrode connected to the 0V voltage and grounded, and the skin is grounded without being affected by external conditions by being electrically connected to the ground electrode 51 through the ground terminal 52 and the connection line 53. You can keep it.

이때 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치가 사용자의 피부에 부착하는 것만으로 접지 상태가 유지될 수 있도록 접지 단자(52)는 부착부(30)의 하부에 형성되어 부착부를 사용자 피부에 부착시켰을 때 자연스럽게 사용자 피부가 접지 단자에 접촉하도록 하는 것이 바람직하다.At this time, the ground terminal 52 is formed at the bottom of the attachment portion 30 so that the capacitive user intention sensing device according to an embodiment of the present invention can maintain the grounding state only by attaching it to the user's skin. When attached to the user's skin, it is desirable to make the user's skin naturally contact the ground terminal.

지금까지 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 구체적인 실시예를 참고로 한정되게 설명하였다. 그러나 본 발명은 이러한 구체적인 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.So far, the capacitive user intention sensing device according to an embodiment of the present invention has been described with reference to specific embodiments. However, it is to be understood that the invention is not limited to these specific embodiments, and that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention as claimed in the claims.

10: 기판(10) 20: 전극부
30: 부착부 40: 측정부
50: 접지부 51: 접지 전극
52: 접지 단자 53: 연결 라인
100, 100', 100'': 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치10: substrate 10 20: electrode portion
30: attachment portion 40: measuring portion
50: grounding portion 51: grounding electrode
52: ground terminal 53: connecting line
100, 100 ', 100'': capacitive user intention sensing device according to an embodiment of the present invention

Claims (6)

피부에 부착되는 사용자 의도 센싱 장치로서,
기판;
상기 기판의 하부에 부착된 전극부;
상기 전극부와 상기 피부가 이격된 상태로 유지시키면서 상기 피부에 상기 기판을 부착시키기 위한 부착부;
상기 전극부와 상기 피부 사이의 정전용량을 측정하는 측정부;
상기 기판에 형성된 접지 전극;
상기 부착부 하부에 형성되어 상기 피부와 직접 접촉하는 접지 단자; 및
상기 접지 전극과 상기 접지 단자를 연결하는 연결라인;
을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치.As a user intention sensing device attached to the skin,
Board;
An electrode portion attached to the lower portion of the substrate;
An attachment portion for attaching the substrate to the skin while keeping the electrode portion and the skin spaced apart;
A measuring unit measuring an electrostatic capacity between the electrode unit and the skin;
A ground electrode formed on the substrate;
A ground terminal formed under the attachment part to directly contact the skin; And
A connection line connecting the ground electrode and the ground terminal;
Capacitive type user intention sensing device comprising a. 제1항에 있어서,
상기 부착부는 실리콘 패드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치.According to claim 1,
The attachment portion is a user-intention sensing device of the capacitive type, characterized in that made of a silicon pad. 제1항에 있어서,
상기 부착부의 두께와 상기 전극부 두께의 차가 0 초과 13㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치.According to claim 1,
Capacitive type user intention sensing device, characterized in that the difference between the thickness of the attachment portion and the thickness of the electrode portion is greater than 0 and less than 13 mm. 제3항에 있어서,
상기 부착부의 두께와 상기 전극부 두께의 차가 0.5mm 초과 1.5㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치.The method of claim 3,
Capacitive type user intention sensing device, characterized in that the difference between the thickness of the attachment portion and the thickness of the electrode portion is more than 0.5mm to 1.5㎜. 제1항에 있어서,
상기 전극부는 일정 간격으로 이격된 복수 개의 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치.According to claim 1,
The electrode portion is a user-intention sensing device of the capacitive method, characterized in that consisting of a plurality of electrodes spaced at regular intervals. 삭제delete
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