KR100620118B1 - 관성센서를 이용한 보행패턴 분석장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보행패턴의 분석장치 및 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 관성센서를 이용하여 사용자의 3차원의 자세를 측정하여 보행패턴을 분석함으로써 장애인의 재활치료와 의공제품의 개발에 유용한 관성센서를 이용한 보행패턴의 분석장치 및 그 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 센서축을 기준으로 하여 보행자의 회전각속도와, 가속도를 측정하는 단계와(S10); 측정된 회전각속도를 연산하여 절대좌표계에서의 회전변화율로 변환시키는 단계와(S20); 절대좌표계에서의 중력방향의 회전변화율을 연산하는 단계와(S30); 회전변화율을 적분하고, 적분된 상기 회전변화율에서 상기 중력방향의 회전변화율을 감하므로써 오차를 보정하여 보행시의 좌우각도(Φm)를 연산하는 단계(S40)와; 회전변화율을 적분하고, 적분된 상기 회전변화율에서 상기 중력방향의 회전변화율을 감하므로써 오차를 보정하여 보행시의 전후각도(θm)를 연산하는 단계(S50)와; 연산된 좌우각도(Φm) 및 전후각도(θm)를 통해서 시간영역의 데이타신호로써 보행패턴을 출력하거나, 상기 시간영역의 데이타를 주파수영역의 신호로 변환하여 보행패턴데이타를 획득하는 단계(S60)와; 상기 획득된 데이타를 출력하는 단계(S70)를 포함한다.

관성센서, 가속도계, 보행패턴, 보행자세추출

Description

관성센서를 이용한 보행패턴 분석장치 및 그 방법{Walking pattern analysis apparatus and method using inertial sensor}

도 1은 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 보행패턴분석장치를 나타낸 블럭도,

도 2는 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 보행패턴의 분석방법의 구성을 나타낸 블럭도,

도 3은 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 보행패턴의 분석방법을 나타낸 흐름도,

도 4a 내지 4b는 관성센서의 센서축을 기준으로 하는 좌표를 나타낸 예시도,

도 5는 본 발명에 따른 연산필터의 연산방법을 나타낸 블럭도,

도 6은 본 발명에 따른 연산필터의 연산방법을 나타낸 흐름도,

도 7a 내지 7d는 본 발명에 따라서 획득된 데이타를 통한 보행패턴을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 관성센서 11 : 자이로센서

12 : 가속도계 20 : 송신부

30 : 수신부 40 : A/D컨버터

50 : 연산부 51 : 회전변화율 연산수단

52 : 중력방향 회전변화율 연산수단 53 : 롤필터

54 : 피치필터 57 : 퓨우리에 변환수단

본 발명은 보행패턴의 분석장치 및 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 관성센서를 이용하여 사용자의 3차원의 자세를 측정하여 보행패턴을 분석함으로써 장애인의 재활치료와 의공제품의 개발에 유용한 관성센서를 이용한 보행패턴의 분석장치 및 그 방법에 관한 것이다.

하지에 기능적 또는 병리적결함이 있는 장애인의 재활치료와 의공제품의 개발을 위한 보행분석에 대한 연구가 국내에서도 오래전부터 진행되고 있다. 그러나 기존의 보행분석작업은 수많은 CCD카메라와 장비들이 설치되어 있는 전용연구실에서만 수행할 수 있어서 장소의 제약이 있고, 환자들이 옷을 벗고 몸에 여러개의 마커를 붙여야 하는 불편함이 있으며, 한국인의 보행특성에 관한 기초분석자료의 부족으로 많은 어려움이 있다.

또한, 하지에 시행한 여러가지 시술들에 대한 재활정도의 평가과정이 의학분야의 기술수준에 비교하여 볼때 상대적으로 낙후된 수준에 머물고 있으며, 기존 평가기법의 주관적 성향에 대한 의사들 스스로의 지적이 많아 좀더 과학적이고 정량적인 평가기법이 도입도어야할 필요성이 증대되고 있다.

그러므로 최근에는 가속도계와 자이로스코프를 포함하는 관성센서를 이용하여 사용자의 자세 및 속도, 이동거리를 계산하는 관성항법장치에 대한 연구가 가속화되고 있다. 사용되는 관성센서에 포함되는 자이로 및 가속도계는 각각 회전 각속도와 선형각속도를 측정하는 관성센서로서 이동하는 항체의 자세 및 속도, 위치를 계산하는 관성항법장치의 핵심센서로 사용된다. 이때 사용자의 자세는 자이로 출력을 적분하여 계산하고 사용자의 속도와 위치는 가속도계 출력을 적분하여 계산한다. 그러나 이와 같은 관성센서는 바이어스등의 오차를 포함하고 있기 때문에 적분연산과정에서 오차가 누적되어 시간이 경과됨에 따라 항법정보가 발산하게 된다. 또한, 기존의 고급관성센서를 사용하는 경우 센서가 가지고 있는 오차의 크기가 작기 때문에 시간에 따른 오차발산정도가 작으나, 관성항법장치에 사용되는 고급관성센서는 고가일뿐만 아니라 구입이 어렵고 부피가 크기 때문에 이를 이용하는 분야는 군용, 항해용 등으로 제한되어 사용되어지고 있는 것이다.

이에 따라 최근 기술의 발달에 따라 저가이면서 소형인 반도체형 관성센서가 개발되고 응용분야 또한 민간용으로 확대되고 있다. 그러나 기존의 고급 관성센서에 비하여 성능이 현저히 떨어지므로 기존의 항법 방법만으로는 원하는 정확도를 갖는 항법정보를 얻을 수 없고, 특히 사람의 몸에 관성센서를 장착하고 자세를 측정하는 경우, 장착오차등에 의하여 정확도가 더욱 떨어지게되는 문제점이 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명의 목적은 관성센서를 사람의 몸에 부착하고 보행하는 경우, 보행특성에 관한 데이타를 산출하고, 산출된 데이타에 의거하여 보행자의 패턴을 연산함으로써 비정상보행과 정상보행을 수치해석적인 방법으로 분석하여 구별할 수 있는 관성센서를 이용한 보행자의 분석장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 보행자의 회전각속도 및 가속도를 측정하는 관성센서부와; 상기 관성센서부에서 출력되는 측정신호를 송신하는 송신부와; 상기 송신부에서 전송되는 신호를 수신하는 수신부와; 상기 수신부에서 수신된 아날로그신호를 디지털신호로 변환시키는 A/D컨버터와; 상기 A/D컨버터에서 인가된 상기 관성센서부의 측정신호를 절대좌표계의 신호로 변환하고, 변환된 회전각속도의 변화율을 적분하고, 적분된 변화율에서 상기 가속도의 변화율을 감하므로써 적분오차를 연산 및 보정하여 보행자의 보행패턴을 연산하는 연산부를 포함한다.

여기서, 상기 관성센서는 자이로 센서 또는 가속도계중 적어도 어느 하나인것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연산부는 연산된 적분오차를 비례게인(Kp)과 적분게인(Ki)을 곱하여 그 결과를 상기 회전각속도의 회전변화율에서 감하므로 적분오차를 보정하는 것을 특징으로 한다.

또는, 보행자의 회전각속도를 측정하는 자이로센서(11)와, 보행자의 가속도를 측정하는 가속도계(12)를 포함하여 보행자의 보행패턴을 분석하는 보행패턴 분석방법에 있어서, 센서축을 기준으로 하여 보행자의 회전각속도와, 보행자의 가속도를 측정하는 단계와(S10); 상기 단계(S10)에서 측정된 회전각속도를 연산하여 절대좌표계에서의 회전변화율(Φg, θg, ψg)로 변환시키는 단계와(S20); 상기 단계(S10)에서 측정된 가속도를 통하여 절대좌표계에서의 중력방향의 회전변화율(Φg, θg, ψg)를 연산하는 단계와(S30); 상기 단계(S20)에서 연산된 회전변화율(Φg, θg, ψg)을 적분하고, 적분된 상기 회전변화율에서 상기 중력방향의 회전변화율(Φa, θa, ψa)을 감하므로써 오차를 보정하여 보행시의 좌우각도(Φm)를 연산하는 단계(S40)와; 상기 단계(S20)에서 연산된 회전변화율(Φg, θg, ψg)을 적분하고, 적분된 상기 회전변화율에서 상기 중력방향의 회전변화율(Φa, θa, ψa)을 감하므로써 오차를 보정하여 보행시의 전후각도(θm)를 연산하는 단계(S50)와; 상기 좌우각도 연산단계(S40) 및 전후각도 연산단계(S50)에서 연산된 좌우각도(Φm) 및 전후각도(θm)를 통해서 시간영역의 데이타신호로써 보행패턴을 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 추출된 좌우 및 전후각도데이타를 주파수영역의 신호로 변환하여 보행패턴데이타를 획득하는 단계(S60)와, 획득된 데이타를 출력하는 단계(S70)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 좌우각도 연산단계는 회전변화율을 적분하고, 적분된 결과치에서 상기 중력방향의 회전변화율성분을 감하여 적분오차를 연산하는 단계와; 상기 단계에서 연산된 적분오차와 적분게인(Ki)을 곱하고, 그 결과값을 적분하는 단계와; 상기 적분오차와 비례게인(Kp)을 곱하고, 그 결과치와 상기 단계에서 연산된 적분오차와 적분게인(Ki)의 연산치를 합하여 누적오차를 연산하는 단계와; 상기 단계에서 연산된 누적오차를 상기 회전변화율에서 감하고, 이를 적분하여 좌우각도를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전후각도 연산단계는 회전변화율을 적분하고, 적분된 결과치에서 상기 중력방향의 회전변화율성분을 감하여 적분오차를 연산하는 단계와; 상기 단계에서 연산된 적분오차와 적분게인(Ki)을 곱하고, 그 결과값을 적분하는 단계와; 상기 적분오차와 비례게인(Kp)을 곱하고, 그 결과치와 상기 단계에서 연산된 적분오차와 적분게인(Ki)의 연산치를 합하여 누적오차를 연산하는 단계와; 상기 단계에서 연산된 누적오차를 상기 회전변화율에서 감하고, 이를 적분하여 전후각도를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 보행패턴분석장치를 나타낸 블럭도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 보행패턴분석장치는 보행자의 보행시 회전각속도를 측정하는 자이로 센서(11)와, 상기 보행자의 가속도를 측정하는가속도계(12)를 포함하는 관성센서(10)와, 상기 관성센서(10)에서 측정된 측정치를 전송하는 송신부(20)와, 상기 송신부(20)에서 측정된 신호를 수신하는 수신부(30)와, 상기 수신부(30)에서 전달되는 아날로그신호를 디지탈신호로 변환시키는 A/D컨버터(40)와, 상기 A/D 컨버터(40)에서 전달되는 상기 자이로센서(11)와 가속도계(12)의 측정신호를 근거로 하여 보행자의 보행패턴을 연산하는 연산부(50)로 구성된다.

여기서 바람직하게는 상기 연산부(50)는 개인용 PC에 본 발명에 따른 보행패턴 제어방법을 설치하여 구성함도 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 개인용 PC에 상기 수신부(30)와, 상기 A/D 컨버터(40)를 상기 개인용 PC에 연결구성함도 본 발명의 요지에 해당된다.

자이로센서(11) 및 가속도계(12)는 보행자의 신체일부에 부착되어 보행자의 보행시에 각각의 회전각속도 및 가속도를 측정한다(도 4 참조). 즉, 자이로센서(11)는 센서축을 기준으로 하여 보행시의 회전각속도를 측정하며, 가속도계(12)는 센서축을 기준으로 하여 가속도를 측정한다.

상기와 같은 관성센서부(10)에서 측정된 측정신호는 상기 송신부(20)에 전달되고, 송신부(20)는 이를 상기 수신부(30)에 전송한다. 수신부(30)는 수신된 신호를 A/D 컨버터(40)에 인가하고, 상기 A/D컨버터(40)는 아날로그신호인 상기 측정신호를 디지탈신호로 변환하여 이를 연산부(50)에 인가한다.

그러므로 상기 연산부(50)는 보행패턴 방법에 따라서 자이로센서(11)에서 측정된 센서축을 기준으로 하여 회전된 회전각속도와 가속도계(12)에서 측정된 센서축을 기준으로 하는 가속도를 절대좌표계로 좌표변환하여 각도 차원의 데이타로 변환하고, 보행시 좌우 및 전후 회전각의 데이타를 연산하여 보행패턴을 추출한다. 여기서 상기 가속도계(12)의 신호들은 원래 절대좌표계에 대해서 작용을 하므로 소정의 연산과정을 거쳐 가속도의 회전변화율을 연산하면 바로 보행자의 보행패턴에 대한 데이타가 연산된다.

그러나 자이로센서(11)는 회전각속도를 검출함에 따라 측정된 회전각속도를 적분하여 회전각을 검출하나, 적분시에 적분오차가 발생되고, 가속도계(12)의 보행패턴데이타는 상기 자이로 센서(11)에 비하여 오차가 발산되지는 않으나 반응이 느리다는 단점이 있다.

그러므로 본 발명의 연산부(50)는 자이로센서(11)에서 측정된 회전각속도와 상기 가속도계(12)의 측정신호를 혼합하여 연산함으로써 자이로센서(11)의 적분오차를 보정하고, 신속하게 보행패턴을 데이타화할 수 있다. 이에 대한 상세설명은 하기의 보행패턴 분석방법에 대한 설명에서 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 보행패턴 분석방법을 나타낸 블럭도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 보행패턴 분석방법은 자이로센서(11)에서 측정된 회전각속도를 연산하여 절대좌표계에서의 회전변화율을 도출하는 회전변화율 연산수단(51)과, 상기 가속도계(12)의 측정신호를 연산하여 중력방향의 회전변화율을 연산하는 중력방향 회전변화율 연산수단(52)과, 상기 중력방향 회전변화율 연산수단(52)과 회전변화율 연산수단(51)의 결과치를 이용하여 누적오차를 연산 및 보정하여 좌우각도를 연산하는 롤필터(53, Roll Filter)와, 상기 중력방향 회전변화율 연산수단(52)과 회전변화율 연산수단(51)의 결과치를 이용하여 누적오차를 연산 및 보정하여 전후각도를 연산하는 피치필터(54, Pitch Filter)를 포함한다.

이에 대한 상세설명은 도 3의 관성센서를 이용한 보행패턴의 분석방법을 나타낸 흐름도 및 도 4의 좌표계를 이용하여 설명한다.

먼저 자이로센서는 도4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 보행자의 정면이 X축, 우측이 Y축, 아래방향이 Z축방향으로써 센서축이 설정되고, 원점(P)은 인체의 무게중심이 된다. 그러므로 상기 자이로센서(11)는 보행자가 보행시에 X축, Y축, Z축을 기준으로 하여 보행시의 회전각속도를 측정한다. 그리고 가속도계(12)는 X축과 Y축의 센서축을 기준으로 하여 보행자의 가속도를 측정한다(S10).

여기서 상기 자이로센서(11)와 가속도계(12)에서 측정되는 X축을 중심으로 회전하는 운동을 롤(Roll, φ), Y축을 중심으로 회전하는 운동을 피치(Pitch, θ), Z축을 중심으로 회전하는 운동을 요(Yaw, Ψ)라고 하며 그 방향은 도 4에 나타난 회전방향을 +방향으로 정의한다. 그리고 상기 롤(Roll, φ), 피치(Pitch, θ), 요(Yaw, Ψ)는 각도의 차원으로 나타내며 단위는 deg 또는 rad를 사용하며, 통상적으로 보행자의 자세는 상기 롤, 피치, 요의 각도(φ, θ, Ψ)를 종합해서 측정되며, 상기 자이로센서(11)에서 출력되는 측정치는 롤, 피치, 요(φ, θ, Ψ)의 시간에 대한 변화율(p, q, r, 수학식 1 참조)이 된다.

여기서 상기 자이로센서(11)에서 측정된 보행자의 롤, 피치, 요(φ, θ, Ψ)의 시간에 대한 회전변화율(p, q, r, 수학식 1참조)은 센서축을 기준으로 해서 측정되므로써 이전자세에 비하여 몇도가 틀어졌는지의 변화량을 측정할 수 있으나, 현재 자세가 몇도 인지는 알 수가 없다. 이는 임의로 설정된 센서축을 이용하여 측정한 관계로 절대적인 기준값이 없기 때문이다. 따라서 회전변화율 연산수단(51)은 상기와 같은 센서축을 기준으로 한 자이로센서(11)의 측정치를 절대기준을 갖는 절대좌표계로 변환시킨다.

즉, 상기 관성센서(10)를 통해 측정된 센서축을 기준으로 한 측정치는 송신부(20)와 수신부(30) 및 A/D컨버터(40)를 통하여 상기 연산부(50)에 인가되며, 상기 연산부(50)에서는 센서축을 기준으로 한 측정치를 절대좌표계로 변환시켜 회전변화율을 연산한다(S20).

먼저, 자이로센서(11)에서 측정된 센서축을 중심으로 한 X, Y, Z축의 각 회전각속도는 회전변화율 연산수단(51)에 전달된다. 그러므로 회전변화율 연산수단(51)은 하기의 수학식1에 의하여 절대좌표계에서의 회전변화율을 측정한다.

p, q, r은 센서축을 기준으로 한 롤, 피치, 요의 회전각속도이고, Φg, θg, ψg는 절대좌표계에서 롤, 피치, 요의 변화율이고, Φm, θm은 센서축이 절대좌표계에서 회전한 각도로서 이전자세에서 롤과 피치의 각도를 의미한다.

상기 수학식 1은 센서축을 기준으로한, X, Y, Z축을 중심으로한 회전각속도(p, q, r)와 절대좌표계에서의 회전각도를 이용하여 절대좌표계의 회전각도 변화율(Φg, θg, ψg)을 구한다. 즉, 신체의 일부에 장착되는 자이로센서(11)는 센서를 중심축으로 하여 보행자의 보행시, 변화되는 X축, Y축, Z 축의 회전각속도(p, q, r)를 측정하고, 상기 회전변화율 연산수단(51)은 센서축을 중심으로 한 회전각속도(p, q, r)를 상기 수학식 1을 통해 절대좌표계에서의 회전변화율(Φg, θg, ψg)로 변환시킨다.

이때 상기 회전변화율 연산수단(51)은 후술하는 롤 필터(53)와 피치필터(54)에서 연산된 이전자세의 X축과 Y축을 중심으로 회전된 각도, 즉, 롤과 피치(φm, θm)를 궤환받아 상기 수학식 1에 적용하여 절대좌표계에서의 회전변화율을 연산하고, 연산된 회전각의 변화율(Φg, θg, ψg)을 후술되는 롤 필터(53, Roll filter)와 피치필터(54, Pitch Filter)에 각각 출력한다. 여기서 상기 이전자세에서의 절대좌표계에서 Z축의 각도인 요(Ψm)는 보행자가 상하운동을 하지 않고 직선운동을 하는 것으로 간주함에 따라 0이 된다.

또한, 상기 중력방향 회전변화율 연산수단(52)은 상기 가속도계(12)로부터 보행자의 직선가속도의 측정치가 전달되면 이를 하기의 수학식 2에 의해 중력방향의 회전변화율을 연산한다(S30).

여기서 Φa, θa는 절대좌표계에서 X축과 Y축에서의 중력방향의 회전변화율, ax와 ay는 가속도계의 측정가속도이고, fx와 fy는 센서축을 기준으로 한 X축과 Y축의 가속도 성분, g는 중력가속도이다.

이를 상세히 설명하자면, 가속도계(12)는 물체의 직선가속도를 측정하는 센서로써, 물체의 운동에 의한 가속도성분과 지구의 중력가속도, 원심력에 의한 가속도 성분, 코리올리 효과등을 포함하고, 출력된 측정치는 계산에 의해 각 성분들을 보정하여 물체의 운동에 의한 순수 가속도성분만을 출력한다.

따라서 중력방향 회전변화율 연산수단(52)은 지구의 중력가속도가 절대좌표계에서의 Z축에 수직한다고 가정하여 센서축을 기준으로 상기 수학식 2를 통하여 중력가속도의 회전변화율(Φa, θa)을 센서축을 기준으로 한 X축과 Y축의 가속도성분(ax, ay)으로 부터 연산한다. 여기서 θm은 이전 자세에서의 전후각도, 즉 피치각을 의미하며, 상기 피치필터(54, Pitch Filter)에서 측정된 이전자세의 전후각도(θm)가 궤환되어 상기 중력방향 회전변화율 연산수단(52)에 인가된다.

상술한 바와 같이 상기 회전변화율 연산수단(51)과 중력방향 회전변화율 연산수단(52)에서 각각 연산된 회전변화율(Φg, θg, ψg)과 중력가속도의 회전변화율(Φa, θa)은 롤필터(53)와 피치필터(54)에 인가되며, 롤필터(53)와 피치필터(54)에서는 인가된 회전변화율(Φg, θg, ψg)과 중력가속도의 회전변화율(Φa, θa)을 혼합하여 각각 좌우각도 및 전후각도를 연산하며(S40, S50), 이에 대한 상세설명은 도 5와 도 6을 이용하여 상세히 설명한다.

도 5는 롤필터 또는 피치필터의 연산방법을 나타낸 블럭도, 도 6은 롤필터 또는 피치필터의 연산방법을 나타낸 순서도이다.

도시된 바와 같이 상기 회전변화율 연산수단(51)에서 출력된 회전변화율(Φg, θg, ψg)은 적분되고(S41, S42), 적분된 상기 회전변화율은 중력 방향 회전변화율 연산수단(52)에서 출력된 중력방향의 회전변화율(Φa, θa)과 혼합된다(S43). 이때 롤필터(53)에서는 롤각, 즉 좌우각도(Φm)를 연산하며, 피치필터(54)는 피치, 즉 전후각도(θm)를 연산한다. 따라서 롤필터(53)에 입력되는 회전변화율(Φg, θg, ψg)과 중력방향 회전변화율(Φa, θa)의 성분은 X축을 중심으로한 회전변화율, 즉 롤(φg, φa,) 성분만 입력되고, 피치필터(54)에 입력되는 성분은 Y축을 중심으로 한 피치(θg, θa) 성분만 입력되며, Z축을 중심으로 한 회전변화율(Ψg, Ψa)은 보행자가 직선운동을 하는 것으로 간주됨에 따라 0이된다.

그리고 상기 단계(S42)에서 적분된 자이로센서(11)의 절대좌표계에서의 회전변화율(Φg, θg, ψg)에서 상기 가속도계(12)의 중력방향의 회전변화율(Φa, θa, ψa)을 감하여 적분오차를 연산한다(S44).

그리고 연산된 적분오차는 각각 비례게인(Kp)과 적분게인(Ki)과 곱해진다(S45, S47). 또한 상기 적분오차와 적분게인(Ki)의 곱셈결과치는 다시 적분되어 다음 단계(S48)로 그 결과치를 전달한다(S46).

이후, 상기 단계(S45, S47)에서 연산된 오차와 적분게인(Ki)의 곱셈치와 상기 비례게인(Kp)과 적분오차의 곱셈치가 가산함으로써 누적오차를 연산한다(S48). 여기서 상기 누적오차는 바이어스(Bias)로써 센서에 입력되는 물리량이 없을때에도 출력되는 0에 가까운 값이다.

상기 자이로센서(11)는 회전각속도를 측정함에 따라 적분을 통하여 각도성분을 얻지만, 측정값을 적분하게되면, 상기 바이어스에 의한 오차값 때문에 적분결과가 한없이 발산하게 되므로 정밀한 센서의 구성이 불가능하게 된다. 그러나 본 발 명은 자이로의 측정성분과 가속도계의 측정성분을 연산하여 적분게인(Ki)과 비례게인(Kp)에 의한 오차를 연산하고, 하기의 보정단계(S49)를 거쳐 오차를 보정함으로서 정밀한 보행패턴의 측정이 가능하다.

즉, 상기 단계(S48)에서 연산된 누적오차는 상기 자이로센서(11)의 회전변화율(Φg, θg, ψg)에서 감하므로써 상기 자이로센서(11)의 오차를 보정한다(S49). 그리고 보정된 상기 자이로센서(11)의 회전변화율(Φg, θg, ψg)은 다시 적분되어져 각속도의 성분을 각도로 변화시켜 출력함으로써 보행자의 보행시 좌우각도 (Φm) 또는 전후각도(θm)를 연산하여 출력한다(S51, S52, S53).

이후, 다시 도 3을 참조하면, 상기와 같은 롤필터(53) 또는 피치필터(54)의 좌우각도(Φm) 또는 전후각도(θm)의 연산단계(S40, S50, 도 6참조)에서 연산된 좌우각도(Φm) 및 전후각도(θm), 즉 롤과 피치의 데이타는 퓨우리에변화수단(57)을 통하여 주파수영역으로 데이타로 변환되어 출력수단(도시되지 않음)을 통해 출력된다(S60)(S70).

상기 단계(S60)를 상세히 설명하자면, 상기 롤필터(53)와 피치필터(54)에서 출력되는 데이타는 시간영역의 데이타로써 바로 출력수단(도시되지 않음)을 통해 출력되거나 또는 사용자의 의도에 따라 퓨우리에 변환수단(57)을 통해 상기 롤필터와 피치필터에서 획득된 시간영역의 데이타를 이산퓨리에변환(DFT: Discrete Fourier Transform)에 근거한 고속퓨리에변환(FFT : Fast Fourier Transform)을 통하여 주파수 영역으로 변환되며, 이는 하기의 수학식 3을 통해 달성된다.

N은 이산데이터의 갯수, ｗ_N 은 이산데이타가 N개일 때의 주파수이다.

이와 같은 수학식 3을 통하여 달성되는 주파수영역의 데이타로서 표시되는 보행자의 보행패턴은 도 7에 도시된 바와 같다.

도 7a는 정상인의 보행패턴을 시간영역에서 나타낸 그래프이고, 도 7b는 정상인의 보행패턴을 주파수 영역에서 나타낸 그래프이다. 또한, 도 7c는 장애인의 보행패턴을 시간영역에서 나타낸 그래프이고, 도 7d는 장애인의 보행패턴을 주파수영역에서 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이 시간영역의 그래프는 일정시간동안 보행자의 보행시의 회전각도 변화를 선형적으로 나타낸다. 즉, 정상인의 경우는 일정시간동안 회전되는 각도의 최고치와 최저치의 폭이 좁게 나타나고, 비정상인의 경우는 일정시간동안 회전되는 각도의 최고치와 최저치의 폭이 크게 나타난다.

아울러, 주파수영역의 그래프는 정상인의 경우 주파수성분이 깨끗하지만, 비정상인의 경우는 주파수 성분이 상대적으로 훨씬 많고 그 크기도 매우 크게 나타남을 알 수 있다.

이와 같은 시간영역 및 주파수영역의 보행패턴 그래프를 통하여 정상인은 보 행중에 신체의 무게중심이 흔들리지 않도록 하는 각 관절 및 근육들의 활동이 활발하기 때문에 결과적으로 무게중심부의 변위가 매우 적게 일어난다고 유추할 수 있다. 반면에 하지에 결함이 있는 경우에는 하지의 관절들 또는 의족의 관절들이 유연하지 못하고 하지 근육의 작용이 전무하거나 능동적이지 못하다고 해석할 수 있다.

본 발명은 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 보행자의 보행패턴분석장치 및 그 방법은 자이로센서와 가속도계의 장점을 적절히 혼합하므로써 종래의 자이로센서의 오차를 보정하여 정밀하고 정확한 보행패턴의 분석이 가능하며, 또한 종래에는 CCD카메라와 장비들이 구비된 전용시설에서만 행하여졌으나 본 발명은 무선시스템을 이용한 간단한 구성으로 구비됨에 따라 장소에 한정되지 않고, 또한 제조원가가 저렴하며, 아울러 보행자의 보행패턴을 시간영역 및 주파수영역으로써 분석함으로써 비정상보행 또는 장애의 형태와 정도에 대한 데이타베이스의 구축이 가능하며, 구축된 데이타베이스를 통해 재활훈련의 성과 또는 장애의 정도에 대한 객관적이고 정량적인 평가 및 진단이 가능하므로 의료발전에 지대한 효과가 있다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 보행자의 회전각속도 및 가속도를 측정하는 관성센서부(10)와; 상기 관성센서부에서 출력되는 측정신호를 송신하는 송신부(20)와; 상기 송신부에서 전송되는 신호를 수신하는 수신부(30)와; 상기 수신부에서 수신된 아날로그신호를 디지털신호로 변환시키는 A/D컨버터(40)와; 상기 A/D컨버터(40)에서 인가된 상기 관성센서부(10)의 측정신호를 절대좌표계의 신호로 변환하고, 변환된 회전각속도의 변화율을 적분하고, 적분된 변화율에서 상기 가속도의 변화율을 감하므로써 적분오차를 연산 및 보정하여 보행자의 보행패턴을 연산하는 연산부(50)를 포함하고, 상기 관성센서(10)는 자이로 센서(11) 또는 가속도계(12)중 적어도 어느 하나인 보행패턴 분석장치에 있어서,

   상기 연산부(50)는 연산된 적분오차를 비례게인(Kp)과 적분게인(Ki)을 곱하고, 그 결과치를 가산하여 상기 회전각속도의 회전변화율에서 감하므로 적분오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 보행패턴 분석장치.
4. 삭제
5. 보행자의 회전각속도를 측정하는 자이로센서(11)와, 보행자의 가속도를 측정하는 가속도계(12)를 포함하여 보행자의 보행패턴을 분석하는 보행패턴 분석방법에 있어서,

   센서축을 기준으로 하여 보행자의 회전각속도와, 보행자의 가속도를 측정하는 단계(S10)와;

   상기 단계(S10)에서 측정된 회전각속도를 연산하여 절대좌표계에서의 회전변화율로 변환시키는 단계(S20)와;

   상기 단계(S10)에서 측정된 가속도를 통하여 절대좌표계에서의 중력방향의 회전변화율을 연산하는 단계(S30)와;

   상기 단계(S20)에서 연산된 회전변화율을 적분하고, 적분된 상기 회전변화율에서 상기 중력방향의 회전변화율을 감하므로써 오차를 보정하여 보행시의 좌우각도(Φm)를 연산하는 단계(S40)와;

   상기 단계(S20)에서 연산된 회전변화율을 적분하고, 적분된 상기 회전변화율에서 상기 중력방향의 회전변화율을 감하므로써 오차를 보정하여 보행시의 전후각도(θm)를 연산하는 단계(S50)와;

   상기 좌우각도 연산단계(S40) 및 전후각도 연산단계(S50)에서 연산된 좌우각도(Φm) 및 전후각도(θm)를 통해서 시간영역의 데이타신호로써 보행패턴을 출력하거나, 상기 추출된 좌우 및 전후각도 시간영역의 데이타를 주파수영역의 신호로 변환하여 보행패턴데이타를 획득하는 단계(S60)와;

   상기 획득된 데이타를 출력하는 단계(S70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행패턴의 분석방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 좌우각도 연산단계(S40)는

   회전변화율을 적분하고(S42), 적분된 결과치에서 상기 중력방향의 회전변화율성분을 감하여 적분오차를 연산하는 단계(S44)와;

   상기 단계(S44)에서 연산된 적분오차(Kp)와 적분게인(Ki)을 곱하고(S45), 그 결과값을 적분하는 단계(S46)와;

   상기 적분오차와 비례게인(Kp)을 곱하고(S47), 그 결과치와 상기 단계(S46)에서 연산된 적분오차와 적분게인(Ki)의 연산치를 합하여 누적오차를 연산하는 단계(S48)와;

   상기 단계(S48)에서 연산된 누적오차를 상기 회전변화율에서 감하고(S49), 이를 적분하여 좌우각도를 연산하는 단계(S51, S52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행패턴의 분석방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 전후각도 연산단계(S50)는

   회전변화율을 적분하고(S42), 적분된 결과치에서 상기 중력방향의 회전변화율성분을 감하여 적분오차를 연산하는 단계(S44)와;

   상기 단계(S44)에서 연산된 적분오차(Kp)와 적분게인(Ki)을 곱하고(S45), 그 결과값을 적분하는 단계(S46)와;

   상기 적분오차와 비례게인(Kp)을 곱하고(S47), 그 결과치와 상기 단계(S46)에서 연산된 적분오차와 적분게인(Ki)의 연산치를 합하여 누적오차를 연산하는 단계(S48)와;

   상기 단계(S48)에서 연산된 누적오차를 상기 회전변화율에서 감하고(S49), 이를 적분하여 전후각도를 연산하는 단계(S51, S52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행패턴의 분석방법.

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