KR102199022B1 - Measuring device for lower limb movements of exoskeleton robot - Google Patents

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KR102199022B1
KR102199022B1 KR1020180118279A KR20180118279A KR102199022B1 KR 102199022 B1 KR102199022 B1 KR 102199022B1 KR 1020180118279 A KR1020180118279 A KR 1020180118279A KR 20180118279 A KR20180118279 A KR 20180118279A KR 102199022 B1 KR102199022 B1 KR 102199022B1
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Abstract

제안기술은 외골격 형태를 가지는 하지동작 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체의 동작 측정 영역에 제약이 없는 외골격 형태의 하지동작 측정 장치에 관한 발명이다.The proposed technology relates to an exoskeleton-type lower limb motion measurement apparatus, and more particularly, to an exoskeleton-type lower limb motion measurement apparatus that has no restrictions on the motion measurement area of the human body.

Description

외골격 형태를 가지는 하지동작 측정 장치{Measuring device for lower limb movements of exoskeleton robot}Measuring device for lower limb movements of exoskeleton robot

제안기술은 외골격 형태를 가지는 하지동작 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체의 동작 측정 영역에 제약이 없는 외골격 형태의 하지동작 측정 장치에 관한 발명이다.The proposed technology relates to an exoskeleton-type lower limb motion measurement apparatus, and more particularly, to an exoskeleton-type lower limb motion measurement apparatus that does not have restrictions on the motion measurement area of the human body.

최근에는 컴퓨터를 이용한 애니메이션 제작 이외에도 정형외과 혹은 재활의학과 측면에서 환자의 움직임이 정상적인지를 판단하기 위한 진단 목적이나 스포츠 과학, 인간-로봇 인터페이스, 군사, 생체역학, 인간공학, 심리학 등의 다양한 분야에서 인체 동작 측정을 활용하고 있다.Recently, in addition to animation production using computers, the human body is used in various fields such as sports science, human-robot interface, military, biomechanics, ergonomics, psychology, etc. I'm using motion measurement.

인체 동작 측정을 위해 3차원 공간상의 위치와 방향을 측정하기 위한 대표적인 방법으로는 비디오 카메라를 이용하는 광학식 방법과 전자기장을 이용하는 전자기식 방법이 있다. Representative methods for measuring position and orientation in a three-dimensional space for measuring human body motion include an optical method using a video camera and an electromagnetic method using an electromagnetic field.

광학식 시스템은 특정 주파수만 받아들이는 필터를 갖춘 여러 대의 카메라를 이용하여 각 카메라 전면에 빨간색 가시광선이나 적외선 광원을 갖추어 이 빛이 측정 대상자의 몸에 부착된 표식에 반사되어 돌아오면 이를 카메라로 녹화하는 방법이다.The optical system uses multiple cameras equipped with filters that accept only specific frequencies, and has a red visible or infrared light source in front of each camera, and this light is reflected by a mark attached to the body of the person to be measured and then recorded with the camera when it returns. That's the way.

전자기식 시스템은 트랜스미터(transmitter)로 하여금 공간상에 전자기장을 형성하고 측정 대상자의 몸에 부착된 센서들이 전자기장으로부터 스스로의 위치와 방향을 계산할 수 있도록 하는 방식이다.In the electromagnetic system, a transmitter creates an electromagnetic field in space, and sensors attached to the body of a measurement subject can calculate their position and direction from the electromagnetic field.

가장 일반적으로 사용되어지고 있는 광학실 인체 동작 측정 방법은 일반적으로 후처리 과정을 통해 데이터를 손질하는 과정을 필요로 하며 이는 모든 표식이 카메라에서는 흰 점으로 보일 뿐 어느 표식이 어디에 부착된 것인지 즉각적으로 판단할 수 있는 방법이 없기 때문이다.The most commonly used optical laboratory human body motion measurement method generally requires a process of trimming data through post-processing, which means that all marks appear as white dots in the camera, and which marks are attached to where immediately. Because there is no way to judge.

따라서 사용자가 초기 상태에서 각각의 흰 점이 어느 부위의 표식인지 지정할 필요가 있어 사용과정을 자동화하는데 어려움이 있고, 특히 표식이 가려졌다가 다시 화면에 나타날 경우 오작동 하기 쉽다는 문제점이 있다. 또한, 실외에서 측정할 경우 주변 환경의 색깔에 의해 오작동할 가능성이 높아 정밀도가 떨어지며 동작 측정 영역이 협소한 문제가 있었다.Therefore, it is difficult to automate the use process because the user needs to designate which part of each white point is a mark in the initial state, and there is a problem that it is easy to malfunction if the mark is hidden and then appears on the screen again. In addition, when measuring outdoors, there is a high possibility of malfunction due to the color of the surrounding environment, resulting in poor accuracy and a narrow motion measurement area.

한국 등록특허공보 제10-1166821호Korean Patent Publication No. 10-1166821

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 인체의 동작 측정 영역에 제약이 없는 외골격 형태의 하지동작 측정 장치를 제공하는데 목적이 있다. The present invention has been invented to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an exoskeleton-type lower limb motion measurement apparatus without restrictions on a motion measurement area of the human body.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 외골격 형태를 가지는 하지동작 측정 장치에 있어서,In the lower limb motion measurement apparatus having the exoskeleton form of the present invention for achieving the above object,

허리 프레임, 허벅지 프레임, 종아리 프레임 및 발바닥모듈 프레임과,Waist frame, thigh frame, calf frame and sole module frame,

허리 프레임과 허벅지 프레임의 연결부에 구성되는 허벅지 관절프레임, 허벅지 프레임과 종아리 프레임의 연결부에 구성되는 무릎 관절프레임, 종아리 프레임과 발바닥모듈 프레임의 연결부에 구성되는 발목 관절프레임을 포함하는 외골격 형태로 형성되며,It is formed in the form of an exoskeleton including a thigh joint frame composed of the connection part of the waist frame and the thigh frame, a knee joint frame composed of the connection part of the thigh frame and the calf frame, and an ankle joint frame composed of the connection part of the calf frame and the sole module frame ,

다수 개의 관절프레임 각각의 내부에는 인체 관절의 회전량을 측정하기 위한 회전량측정 센서가 부착되는 것을 특징으로 한다.Each of the plurality of joint frames is characterized in that a rotation amount measuring sensor for measuring the rotation amount of a human joint is attached.

회전량측정 센서는 인체 관절의 회전 중심과 일치하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.The rotation amount measurement sensor is characterized in that it is arranged to coincide with the rotation center of the human joint.

허리 프레임은 곡선형상의 프레임으로, 등 프레임의 양단에 설치되는 것을 특징으로 한다.The waist frame is a curved frame, and is characterized in that it is installed at both ends of the back frame.

허리프레임에는 회전량측정 센서가 부착되는 것을 특징으로 한다.It characterized in that the rotation amount measurement sensor is attached to the waist frame.

허리 프레임과 등 프레임의 연결부에는 회전량측정 센서가 부착되는 것을 특징으로 한다.A rotation amount measurement sensor is attached to the connection portion between the waist frame and the back frame.

허벅지 프레임, 종아리 프레임 및 허리 프레임에는 길이조절부가 구성되는 것을 특징으로 한다.The thigh frame, the calf frame and the waist frame are characterized in that the length adjustment unit is configured.

회전량측정 센서는 엔코더인 것을 특징으로 한다.The rotation amount measurement sensor is characterized in that it is an encoder.

길이조절부는 고정부에 체결되는 볼트홀의 위치를 조정하여 프레임의 길이를 조절하는 것을 특징으로 한다.The length adjustment unit is characterized in that the length of the frame is adjusted by adjusting the position of the bolt hole fastened to the fixing unit.

고정부와 볼트홀은 볼트체결 되는 것을 특징으로 한다.The fixing part and the bolt hole are characterized by being bolted together.

발바닥모듈 프레임에는 힘센서가 부착되는 것을 특징으로 한다.It characterized in that the force sensor is attached to the sole module frame.

힘센서는 다수 개 부착되는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that a plurality of force sensors are attached.

힘센서는 각각의 해당 위치에서의 보행 패턴을 판단하는 것을 특징으로 한다.The force sensor is characterized by determining a walking pattern at each corresponding position.

본 발명에 따르면, 착용자가 인체의 움직임을 자유롭게 표현할 수 있으며, 이를 토대로 사람의 인체 동작에 따른 데이터를 수집 및 자료 분석 할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the wearer can freely express the movement of the human body, and based on this, there is an effect of collecting and analyzing data according to the human body movement.

또한, 인체의 동작을 측정하기 위한 센서가 인체에 착용되는 형태를 가짐으로써 종래에 사용되고 있는 광학식 동작 측정 장치에서 필요한 센서 보정 및 데이터 후처리 등의 작업을 간소화 할 수 있고, 실내에서만 측정이 가능한 광학식 동작 측정 장치와 비교하여 실외에서도 측정이 가능한 효과가 있다.In addition, since the sensor for measuring the motion of the human body has a shape that is worn on the human body, it is possible to simplify tasks such as sensor calibration and data post-processing required in the conventional optical motion measurement device. Compared with a motion measuring device, it has the effect of being able to measure even outdoors.

도 1은 본 발명의 하지동작 측정 장치 개념도.
도 2는 본 발명의 발바닥모듈 프레임 개념도.
도 3은 본 발명의 관절프레임에 장착된 센서의 개념도.
도 4는 본 발명의 프레임이 장착된 길이조절부의 개념도.1 is a conceptual diagram of an apparatus for measuring lower limb motion of the present invention.
Figure 2 is a conceptual view of the sole module frame of the present invention.
Figure 3 is a conceptual diagram of a sensor mounted on the joint frame of the present invention.
Figure 4 is a conceptual diagram of a length adjustment unit equipped with a frame of the present invention.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.The features and effects of the present invention described above will become more apparent through the following detailed description in connection with the accompanying drawings, and accordingly, those of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains can easily implement the technical idea of the present invention. I will be able to. Since the present invention can apply various changes and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific form of disclosure, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. The terms used in the present application are merely for describing specific embodiments and are not intended to limit the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 외골격 형태를 가지는 하지동작 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체의 동작 측정 영역에 제약 없이 하지의 동작을 측정할 수 있는 외골격 형태의 하지동작 측정 장치에 관한 발명이다.The present invention relates to a lower limb motion measuring apparatus having an exoskeleton shape, and more particularly, to an exoskeleton-type lower limb motion measuring apparatus capable of measuring motion of the lower limb without limitation to a motion measurement area of the human body.

도 1은 본 발명의 하지동작 측정 장치 개념도를 도시하고 있고, 도 2는 본 발명의 발바닥모듈 프레임 개념도를 도시하고 있으며, 도 3은 본 발명의 관절프레임에 장착된 센서의 개념도를 도시하고 있고, 도 4는 본 발명의 프레임이 장착된 길이조절부의 개념도를 도시하고 있다.Figure 1 shows a conceptual diagram of the lower limb motion measurement apparatus of the present invention, Figure 2 shows a conceptual diagram of the sole module frame of the present invention, Figure 3 shows a conceptual diagram of a sensor mounted on the joint frame of the present invention, Figure 4 shows a conceptual diagram of the length adjustment unit to which the frame is mounted of the present invention.

본 발명의 하지동작 측정 장치는 인체에 착용 가능한 외골격 형태를 가지는 것으로, 허리 프레임(2)과, 허벅지 프레임(4)과, 종아리 프레임(6)과, 발바닥모듈 프레임(10)으로 구성된다.The apparatus for measuring lower limb motion of the present invention has an exoskeleton shape that can be worn on the human body, and includes a waist frame 2, a thigh frame 4, a calf frame 6, and a sole module frame 10.

상기 허리 프레임(2)과 상기 허벅지 프레임(4)의 연결부에는 허벅지 관절프레임(12)이 구성되고, 상기 허벅지 프레임(4)과 상기 종아리 프레임(6)의 연결부에는 무릎 관절프레임(14)이 구성되며, 상기 종아리 프레임(6)과 상기 발바닥모듈 프레임(10)의 연결부에는 발목 관절프레임(16)이 구성된다.A thigh joint frame 12 is configured at the connection portion between the waist frame 2 and the thigh frame 4, and a knee joint frame 14 is configured at the connection portion between the thigh frame 4 and the calf frame 6 And, an ankle joint frame 16 is configured at the connection portion between the calf frame 6 and the sole module frame 10.

다수 개의 상기 관절프레임(12, 14, 16) 각각의 내부에는 인체 관절의 회전량을 측정하기 위한 회전량측정 센서(18)가 부착된다. 상기 회전량측정 센서(18)는 회전량을 측정할 수 있는 센서라면 어떤 것이라도 상관없지만 바람직하게는 엔코더가 적용된다.A rotation amount measuring sensor 18 for measuring a rotation amount of a human joint is attached inside each of the plurality of joint frames 12, 14, 16. The rotation amount measurement sensor 18 may be any sensor capable of measuring the rotation amount, but an encoder is preferably applied.

상기 회전량측정 센서(18)는 인체 관절의 회전량을 효과적으로 측정하기 위해 인체 관절의 회전 중심과 일치되도록 배치된다.The rotation amount measurement sensor 18 is disposed to coincide with the rotation center of the human joint in order to effectively measure the rotation amount of the human joint.

상기 허리 프레임(2)은 곡선형상으로 형성되는 것으로, 등 프레임(8)의 양단에 각각 설치된다. 상기 허리 프레임(2)과 상기 등 프레임(8)의 연결부 및 상기 허리 프레임(2)의 중앙부에도 상기 회전량측정 센서(18)가 부착되어 인체의 허리 부분 회전량을 측정하게 된다.The waist frame 2 is formed in a curved shape and is installed at both ends of the back frame 8, respectively. The rotation amount measurement sensor 18 is also attached to the connection portion between the waist frame 2 and the back frame 8 and the central portion of the waist frame 2 to measure the rotation amount of the waist portion of the human body.

상기 허벅지 프레임(4), 상기 종아리 프레임(6), 상기 허리 프레임(2)에는 측정 장치를 착용한 착용자의 신체사이즈에 맞춰 각각의 상기 프레임(2, 4, 6)의 길이를 조절하기 위한 길이조절부(22)가 구성된다.The thigh frame (4), the calf frame (6), and the waist frame (2) have a length for adjusting the length of each of the frames (2, 4, 6) according to the body size of the wearer wearing the measuring device. The adjustment unit 22 is configured.

상기 허벅지 프레임(4)과 상기 종아리 프레임(6)에는 각각 하나씩의 길이조절부(22)가 구성된다. 상기 허리 프레임(2)에 구성되는 상기 길이조절부(22)는 상기 허리 프레임(2)과 상기 등 프레임(8)의 연결 부분, 그리고 상기 허리 프레임(2)과 상기 허벅지 관절 프레임(12)의 연결 부분에 각각 구성된다.Each of the thigh frame 4 and the calf frame 6 is provided with one length adjusting part 22. The length adjustment part 22 configured in the waist frame 2 includes a connection portion between the waist frame 2 and the back frame 8, and the waist frame 2 and the thigh joint frame 12 Each is configured in the connection part.

상기 길이조절부(22)는 고정부에 체결되는 볼트홀(24)의 위치를 조정하여, 상기 볼트홀(24)을 상기 고정부에 볼트체결시킴으로써 상기 프레임(2, 4, 6)의 길이를 조절하게 된다.The length adjustment part 22 adjusts the position of the bolt hole 24 fastened to the fixing part, and bolts the bolt hole 24 to the fixing part, thereby reducing the length of the frame (2, 4, 6). Will be adjusted.

상기 발바닥모듈 프레임(10)에는 힘센서(20)가 부착되어 착용자의 보행 패턴을 판단하게 된다. 상기 힘센서(20)는 다수 개 부착될 수 있는 것으로, 상기 힘센서(20) 각각은 해당 위치에서의 보행 패턴을 판단하게 된다.A force sensor 20 is attached to the sole module frame 10 to determine the wearer's walking pattern. A plurality of force sensors 20 may be attached, and each of the force sensors 20 determines a walking pattern at a corresponding position.

상기와 같은 본 발명의 하지동작 측정 장치는, 인체의 동작을 측정하기 위한 회전량측정 센서(18)가 인체에 착용되는 형태를 갖기 때문에 착용자가 인체의 동작 측정 영역에 제약 없이 인체의 움직임을 자유롭게 표현하면서도, 종래에 사용되고 있는 광학식 동작 측정 장치에서 필요한 센서 보정 및 데이터 후터리 등의 작업을 간소화 할 수 있게 되어 데이터 수집 및 자료 분석을 손쉽게 할 수 있게 된다.In the lower limb motion measuring apparatus of the present invention as described above, since the rotation amount measuring sensor 18 for measuring the motion of the human body has a shape that is worn on the human body, the wearer can freely move the human body without any restrictions on the motion measurement area of the human body. While expressing, it is possible to simplify operations such as sensor calibration and data retrieval required in conventional optical motion measurement devices, and data collection and data analysis can be performed easily.

또한, 실외에서도 측정이 가능하여 실내에서만 측정 가능하던 종래의 광학식 동작 측정 장치의 문제점을 해결할 수 있게 된다.In addition, since measurement is possible outdoors, it is possible to solve the problem of a conventional optical motion measurement device that can only be measured indoors.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.In the detailed description of the present invention described above, it has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, but those skilled in the art or those of ordinary skill in the relevant technical field, the spirit of the present invention described in the claims to be described later And it will be understood that various modifications and changes can be made to the present invention within a range not departing from the technical field.

2 : 허리 프레임
4 : 허벅지 프레임
6 : 종아리 프레임
8 : 등 프레임
10 : 발바닥모듈 프레임
12 : 허벅지 관절프레임
14 : 무릎 관절프레임
16 : 발목 관절프레임
18 : 회전량측정 센서
20 : 힘센서
22 : 길이조절부
24 : 볼트홀2: waist frame
4: thigh frame
6: calf frame
8: back frame
10: sole module frame
12: thigh joint frame
14: knee joint frame
16: ankle joint frame
18: rotation amount measurement sensor
20: force sensor
22: length adjustment unit
24: bolt hole

Claims (12)

허리 프레임, 허벅지 프레임, 종아리 프레임 및 발바닥모듈 프레임,
상기 허벅지 프레임, 상기 종아리 프레임 및 상기 허리 프레임에는 길이조절부가 구성되며,
상기 허리 프레임과 허벅지 프레임의 연결부에 구성되는 허벅지 관절프레임, 상기 허벅지 프레임과 상기 종아리 프레임의 연결부에 구성되는 무릎 관절프레임, 상기 종아리 프레임과 상기 발바닥모듈 프레임의 연결부에 구성되는 발목 관절프레임을 포함하는 외골격 형태로 형성되어 인체의 하지동작을 측정하기 위한 측정 장치에 있어서,
상기 허벅지 관절프레임, 상기 무릎 관절프레임, 및 상기 발목 관절프레임 각각의 내부에는 상기 허벅지 관절프레임의 회전량 측정센서, 상기 무릎 관절프레임의 회전량 측정센서 및 상기 발목관절프레임의 회전량 측정센서가 각각의 관절마다 있으며, 상기 회전량측정 센서는 인체 관절의 회전 중심과 일치하도록 배치되고,
상기 허리 프레임은 곡선형상으로 형성되어, 등 프레임의 양단에 설치되고, 상기 허리 프레임과 상기 등 프레임의 연결부에 상기 회전량측정 센서가 각각 부착되며, 상기 허리 프레임의 중앙부에도 상기 회전량측정 센서가 부착되며, 상기 회전량측정 센서는 엔코더 인 것을
특징으로 하는 외골격 형태를 가지는 하지동작 측정 장치.Waist frame, thigh frame, calf frame and sole module frame,
The thigh frame, the calf frame and the waist frame are configured with a length adjustment unit,
Comprising a thigh joint frame configured at the connection portion between the waist frame and the thigh frame, a knee joint frame configured at the connection portion between the thigh frame and the calf frame, and an ankle joint frame configured at the connection portion between the calf frame and the sole module frame In the measuring device formed in the form of an exoskeleton to measure the lower limb motion of the human body,
Inside each of the thigh joint frame, the knee joint frame, and the ankle joint frame, a rotation amount measurement sensor of the thigh joint frame, a rotation amount measurement sensor of the knee joint frame, and a rotation amount measurement sensor of the ankle joint frame, respectively Each of the joints, the rotation amount measurement sensor is arranged to coincide with the rotation center of the human joint,
The waist frame is formed in a curved shape, installed at both ends of the back frame, the rotation amount measurement sensors are attached to the connection portions between the waist frame and the back frame, respectively, and the rotation amount measurement sensor is also attached to the center of the waist frame. Attached, and the rotation amount measurement sensor is an encoder
An apparatus for measuring lower limb motion having an exoskeleton shape as characterized. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 길이조절부는 고정부에 체결되는 볼트홀의 위치를 조정하여 상기 프레임의 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 외골격 형태를 가지는 하지동작 측정 장치.The method of claim 1,
The length adjustment unit adjusting the position of the bolt hole fastened to the fixing unit to adjust the length of the frame, the lower limb motion measuring apparatus having an exoskeleton shape. 제8항에 있어서,
상기 고정부와 상기 볼트홀은 볼트체결 되는 것을 특징으로 하는 외골격 형태를 가지는 하지동작 측정 장치.The method of claim 8,
The apparatus for measuring lower limb motion having an exoskeleton shape, wherein the fixing part and the bolt hole are bolted together. 제1항에 있어서,
상기 발바닥모듈 프레임에는 힘센서가 부착되는 것을 특징으로 하는 외골격 형태를 가지는 하지동작 측정 장치.The method of claim 1,
Leg motion measurement device having an exoskeleton shape, characterized in that a force sensor is attached to the sole module frame. 제10항에 있어서,
상기 힘센서는 다수 개 부착되는 것을 특징으로 하는 외골격 형태를 가지는 하지동작 측정 장치.The method of claim 10,
The lower limb motion measurement device having an exoskeleton shape, characterized in that a plurality of the force sensors are attached. 제11항에 있어서,
상기 힘센서는 각각의 해당 위치에서의 보행 패턴을 판단하는 것을 특징으로 하는 외골격 형태를 가지는 하지동작 측정 장치.The method of claim 11,
The force sensor is a lower limb motion measurement device having an exoskeleton shape, characterized in that to determine the gait pattern at each corresponding position.
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