KR100867078B1 - 경도측정센서 및 이를 이용한 근활성도측정센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경도측정센서와 이를 이용한 근활성도측정센서에 관한 것으로, 완충재 및 2개의 압력센서를 이용하여 가압하는 압력의 크기에 의존하지 않고 용이하게 피시험체의 경도를 측정할 수 있는 경도측정센서와, 이를 이용하여 근육의 근경도를 측정하고 동시에 근전위센서를 이용하여 근전도신호를 동일부위에서 측정함으로써 근육의 활성상태를 정확하게 측정할 수 있는 근활성도측정센서에 관한 것이다.

근활성도측정센서, 근전위센서, 근경도, 경도측정센서

Description

경도측정센서 및 이를 이용한 근활성도측정센서{Stiffness Sensor and Muscle Activity Sensor Having the Same}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경도측정센서의 형태를 간략하게 도시한 분해사시도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 압력센서의 조립위치에 대한 형태를 간략하게 도시한 단면도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 근활성도측정센서를 간략하게 도시한 분해사시도,

도 4는 도 3의 근활성도측정센서에 대한 수직단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 버튼 20: 상부플레이트

30: 하부플레이트 40: 완충재

50: 제 1 압력센서 60: 제 2 압력센서

70: 근전위센서

본 발명은 경도측정센서와 이를 이용한 근활성도측정센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는 완충재 및 2개의 압력센서를 이용하여 가압하는 압력의 크기에 의존하지 않고 용이하게 피시험체의 경도를 측정할 수 있는 경도측정센서와, 이를 이용하여 근육의 근경도를 측정하고 동시에 근전위센서를 이용하여 근전도신호를 동일부위에서 측정함으로써 근육의 활성상태를 정확하게 측정할 수 있는 근활성도측정센서에 관한 것이다.

최근에는 컴퓨터 및 제어 기술의 발달에 따라 각종 의료장치, 스포츠 기구, 게임장치 및 로봇의 입력장치 등 각종 제어가 필요한 장치들에 사람을 제어 시스템의 일 구성요소로 적용하여 상기 장치들이 더욱 안정적이고 신뢰성 있는 동작을 가능하게 하는 연구가 활발히 진행되고 있는데, 이러한 시스템을 가능하게 하기 위해서는 사람과 기계 간에 상호 정보를 변환하여 송수신할 수 있는 HCI(Human-Computer Interface) 기술이 요구되므로 다양한 HCI 기술이 개발되고 있는 추세이다.

가장 일반적인 HCI 기술로서 키보드나 마우스 등이 있는데, 장애자나 고령자에게는 조작이 쉽지 않아 적합하지 않기 때문에 최근에는 사용자의 편리성을 고려하여 영상이나 음성을 이용한 사용자 중심의 HCI 기술이 다양하게 개발되고 있다. 그러나 영상 기반 HCI 기술의 경우에는 데이터의 처리량이 많아 비용이 많이 들고, 음성 기반 HCI 기술의 경우에는 주위의 소음이나 환경적인 영향을 쉽게 받는 등의 문제점이 존재하고 있다.

따라서 최근에는 생체신호를 이용한 HCI 기술이 새롭게 개발되고 있는데, 이러한 생체신호를 이용하는 방식은 근육의 활성도를 측정하여 근육의 활성상태에 따라 소정 장치를 제어할 수 있도록 하는 방식의 HCI 기술이 최근 주로 이용되고 있는 추세이다.

근육의 활성상태를 측정할 수 있는 근활성도측정센서는 일반적으로 근전도 신호(EMG: Electromyogram data)를 검출할 수 있는 근전위센서가 주로 이용되고 있는데, 근활성도측정센서의 근육 활성상태 측정 방식은 근전위센서를 사람의 팔이나 다리 등의 신체부위에 부착하고 근육의 수축 정도에 따라 다르게 발생하는 근전도 신호를 검출하는 방식으로 진행된다. 이때, 근전도 신호란 신체의 움직임에 따라 근육 표면으로부터 근섬유를 따라 일어나는 전기적 신호로서, 뇌전도(EEG)나 안전도(EOG) 등의 다른 생체신호들보다 상대적으로 검출이 용이하여 HCI 기술에 널리 이용되고 있다.

그러나 이러한 근전위센서는 전기적 신호가 미약하여 각종 노이즈에 매우 민감하므로 노이즈에 의한 오류가 발생하기 쉬우며, 또한 실제 장치에 적용하기 위해서는 미약한 전기적 신호를 증폭하기 위한 별도의 증폭장치가 필요하다는 문제점이 있었다. 또한, 인체의 특성상 장시간 운동시에는 특히 근전도 신호의 발생이 저하되기 때문에 동일한 조건에서 동일한 신호값을 얻기 힘들며, 피부를 통한 전기적 신호의 검출이므로 피부상태에 따라 신호값이 많은 영향을 받게 되는 문제점이 있었다. 따라서, 근전위센서를 이용한 근활성도측정센서는 이와 같은 근전위센서의 문제점에 따라 정확한 근활성도를 측정할 수 없는 문제점이 있었다.

한편, 이러한 근전위센서에 의한 근활성도 측정의 문제점을 보완하기 위해 최근에는 근육의 경도를 측정하는 방식으로 근활성도를 측정하려고 하는 시도가 있으나, 일반적으로 사용되는 경도측정센서는 그 구조상 연질 재료의 경도를 정확하게 측정하기 어려우며 신체부위에 부착하기에 적합하지 못한 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 완충재 및 2개의 압력센서를 이용하여 가압하는 압력의 크기에 의존하지 않고 용이하게 피시험체의 경도를 측정할 수 있는 경도측정센서를 제공하고, 또한 이러한 경도측정센서를 이용하여 근경도를 측정하고 별도의 근전위센서를 경도측정센서에 부착하여 동시에 동일한 신체부위에서 근경도 및 근전도신호를 측정함으로써, 근육의 활성상태를 정확하게 측정할 수 있는 근활성도측정센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 피시험체의 표면에 접촉하는 버튼; 일측면이 상기 버튼과 압력전달 가능하게 결합되는 상부플레이트; 상기 상부플레이트의 타측면과 압력전달 가능하게 결합되는 하부플레이트; 상기 상부 및 하부플레이트 사이에 구비되어 탄성 변형하며 상기 상부 및 하부플레이트 사이의 압력을 완충하는 완충재; 상기 버튼과 상기 상부플레이트 사이에 작용하는 압력을 측정 하는 제 1 압력센서; 및 상기 상부 및 하부플레이트 사이에 완충되어 작용하는 압력을 측정하는 제 2 압력센서를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 압력센서에 의해 측정된 각 압력의 비율을 통해 상기 피시험체의 경도를 측정하는 것을 특징으로 하는 경도측정센서를 제공한다.

또한, 상기 경도측정센서 및 상기 버튼의 끝단부에 부착되어 근전도신호를 검출하는 근전위센서를 포함하고, 상기 경도측정센서에 의한 근경도 및 상기 근전위센서에 의한 근전도신호를 동일한 지점에서 동시에 측정하여 근육 활성도를 측정하는 것을 특징으로 하는 근활성도측정센서를 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경도측정센서의 형태를 간략하게 도시한 분해사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 압력센서의 조립위치에 대한 다양한 형태를 간략하게 도시한 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 경도측정센서는 경도를 측정할 피시험체의 표면에 접촉하는 버튼(10)과, 상부 및 하부플레이트(20,30)와, 탄성 변형 가능한 완충재(40)와, 제 1 및 제 2 압력센서(50,60)를 포함하여 구성된다.

버튼(10)은 일측단이 피시험체의 표면에 접촉하고 타측단이 상부플레이트(20)의 일측면에 결합되는데, 이때 버튼(10)과 상부플레이트(20) 사이에 상호 압력이 전달 가능하게 결합되고, 버튼(10)과 상부플레이트(20) 사이에는 제 1 압력센서(50)가 삽입되어 버튼(10)과 상부플레이트(20) 사이에 작용하는 압력이 측정된다. 상부 및 하부플레이트(20,30) 사이에는 압력에 의해 탄성 변형하는 완충재(40)가 구비되고 상부 및 하부플레이트(20,30) 사이에 작용하는 압력이 완충재(40)를 통하여 상호 전달될 수 있도록 상부 및 하부플레이트(20,30)가 완충재(40)를 사이에 두고 결합된다. 이때, 완충재(40)는 탄성 변형하는 물질로서 상부 및 하부플레이트(20,30) 사이에 작용하는 압력에 대해 완충하는 기능을 수행한다. 또한, 상부 및 하부플레이트(20,30) 사이의 소정 위치에는 제 2 압력센서(60)가 구비되어 상부 및 하부플레이트(20,30) 사이에 작용하는 압력이 측정된다. 이때, 제 2 압력센서(60)에 의해 측정되는 상부 및 하부플레이트(20,30) 사이의 작용 압력은 완충재(40)에 의해 완충된 상태로 작용하는 압력에 해당한다.

이러한 구조를 가진 본 발명에 따른 경도측정센서는 제 1 및 제 2 압력센서(50,60)에 의해 측정된 압력 값의 비율을 통해 피시험체의 경도를 측정하는 구조인데, 이와 같은 구조상 본 발명에 따른 경도측정센서는 금속과 같은 경질재료의 경도를 측정하기보다 고무나 실리콘과 같은 연질재료의 경도를 측정하는 경우에 매우 유용하게 적용될 수 있으며, 인간 신체의 소정 부위 근육에 대한 경도를 측정하는 데 매우 적합하다.

일반적으로 연질재료의 경도를 측정하는 경도측정장치는 스프링게이지를 이 용하는 방식으로 피시험체의 표면에 프로브(Probe)를 접촉시켜 일정한 압력으로 가압한 후 스프링게이지의 스프링 압축량을 측정하는 방식으로 경도를 측정하게 된다. 이러한 방식은 시간 및 환경조건에 따라 피시험체의 경도가 변화하는 경우 가압하는 압력이 변화하는 것인지 피시험체의 경도가 변화하는 것인지 판단할 수 없기 때문에, 일반적으로 경도측정장치에는 프로브의 피시험체에 대한 가압 압력의 크기가 일정하게 유지될 수 있도록 제어되거나 그 압력의 크기가 얼마인지 측정될 수 있도록 별도의 제어장치 또는 압력측정장치가 구비된다.

이러한 일반적인 경도측정장치와 달리 본 발명에 따른 경도측정센서는 피시험체의 표면에 접촉하는 버튼(10)에 가압하는 압력의 크기를 일정하게 유지하지 않아도 제 1 및 제 2 압력센서(50,60)에 의해 측정되는 압력 값의 비율에 따라 경도를 측정할 수 있는 구조이다.

본 발명에 따른 경도측정센서의 경도측정원리를 살펴보면, 본 발명은 버튼(10)을 피시험체의 표면에 접촉시킨 상태에서 하부플레이트(30)의 외측면으로부터 소정 크기의 압력을 가함으로써, 압력이 완충재(40)를 통해 상부플레이트(20)로 전달되며 순차적으로 버튼(10)까지 전달된다. 이때, 하부플레이트(30)의 외측면에서 가압되는 압력의 크기는 완충된 상태로 제 2 압력센서(60)에 의해 측정되며, 피시험체의 표면으로부터 반력에 의해 발생되는 압력은 제 1 압력센서(50)에 의해 측정된다. 이 경우 제 1 및 제 2 압력센서(50,60)에서 측정되는 각 압력 값은 본 발명의 구조상 상호 작용에 의해 서로 영향을 받게 되므로, 본 발명은 각 압력센서(50,60)에 의해 측정되는 압력 값의 비율을 통해 피시험체의 표면 경도를 측정하 는 구조이다.

즉, 하부플레이트(30)의 외측면에 가해지는 압력의 크기가 증가함에 따라 제 2 압력센서(60)에 의해 측정된 압력 값이 증가되며 또한 이러한 압력이 버튼(10)과 상부플레이트(20) 간의 압력도 증가시키게 되어 제 1 압력센서(50)에 의해 측정된 압력 값도 동시에 증가하게 된다. 이때, 제 2 압력센서(60)에 의해 측정되는 상부 및 하부플레이트(20,30) 사이의 압력과 제 1 압력센서(50)에 의해 측정되는 버튼(10)과 상부플레이트(20) 사이의 압력은 본 발명의 구조상 상호 작용에 의해 소정 범위의 비율을 이루며 증가하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 경도측정센서는 하부플레이트(30)의 외측면으로부터 가해지는 압력의 크기가 일정하게 유지되지 않고 변화하더라도 제 1 및 제 2 압력센서(50,60)의 비율에 따라 환산되어 일정한 경도를 측정할 수 있다. 또한, 소정 피시험체에 대해서 제 1 및 제 2 압력센서(50,60)에 의해 측정된 압력의 비율을 도표화해서 사용한다면 더욱 정밀한 경도를 측정할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 경도측정센서는 가압하는 압력의 크기를 일정하게 유지할 필요가 없으므로 별도의 제어장치가 필요하지 않으며 간편하게 경도를 측정할 수 있고, 상부 및 하부플레이트(20,30)가 상호 평행이 유지되지 않더라도 즉, 가압하는 압력의 방향이 하부플레이트(30)의 외측면에 수직 방향이 아니더라도 완충재(40)가 상부 및 하부플레이트(20,30) 사이에 구비되어 압력을 보상 완충하기 때문에 균일한 압력의 측정이 가능한 구조이다.

이와 같은 구조 및 작동방식에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 완충재(40) 는 압력에 대해 민감하게 탄성 변형할 수 있도록 탄성 변형하는 외피의 내부에 소정 압력으로 기체상태의 물질을 충진하거나 또는 반고형의 물질을 충진하여 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 완충재(40)의 형상은 고리 형태로 상부 및 하부플레이트(20,30)와 동심원을 이루도록 하여 상부 및 하부플레이트(20,30) 사이에 구비될 수 있을 것이다.

한편, 제 2 압력센서(60)는 상부 및 하부플레이트(20,30) 사이에서 완충재(40)에 의해 완충되어 작용하는 압력을 측정할 수 있도록 도 2의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 상부 및 하부플레이트(20,30) 사이 소정 위치에 다양하게 부착될 수 있다.

도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 제 2 압력센서(60)가 완충재(40)와 하부플레이트(30) 사이에 삽입되는 형태로 부착되어 하부플레이트(30)와 완충재(40) 간에 상호 전달되는 압력을 측정하는 방식으로 조립될 수 있으며, 또는 마찬가지 방식으로 상부플레이트(20)와 완충재(40) 사이에 삽입될 수도 있을 것이다.

또한, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 제 2 압력센서(60)가 완충재(40)의 내부공간에 위치하도록 삽입하여 하부플레이트(30)의 외측면으로부터 가해지는 압력에 의해 완충재(40) 내부의 압력이 변화되는 것을 측정하는 방식으로 조립될 수 있을 것이다.

또한, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 완충재(40)가 고리형상으로 형성된 경우 완충재(40)의 양측면이 각각 상부 및 하부플레이트(20,30)와 밀폐결합되어 중앙부에 압력측정공간(41)이 형성되도록 하고, 제 2 압력센서(60)가 상기 압력측정공 간(41)의 소정 위치에 구비되어 하부플레이트(30)의 외측면으로부터 가해지는 압력에 의해 상부 및 하부플레이트(20,30) 사이 간격이 변화함에 따라 압력측정공간(41)의 압력이 변화하는 것을 측정하는 방식으로 조립될 수 있을 것이다.

따라서,이상에서 설명한 경도측정센서는 연질 재료에 대한 경도를 측정하는 데 유용하고, 가압하는 압력의 크기와 관계없이 간편하게 경도를 측정할 수 있다. 이하에서는 이러한 경도측정센서와 별도의 근전위센서를 결합한 형태의 근활성도측정센서에 대해 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 근활성도측정센서를 간략하게 도시한 분해사시도이고, 도 4는 도 3의 근활성도측정센서에 대한 수직단면도이다.

도 3 및 도 4에 도시된 근활성도측정센서는 도 1 및 도 2에 도시된 형태의 경도측정센서에 근전위센서(70)를 부착하여 동시에 동일한 신체부위의 근경도 및 근전도신호를 측정하여 정확한 근육의 활성도를 측정하는 센서이다.

도 1 및 도 2에 도시된 경도측정센서는 상기 설명한 바와 같이 소정 신체부위의 근육 경도를 측정하는데 매우 적합한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 근활성도측정센서는 이러한 경도측정센서의 버튼(10) 끝단부에 근전도신호를 검출하는 근전위센서(70)가 부착되어 근경도 및 근전도신호를 동시에 측정하는 구조이다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 근전위센서(70)는 경도측정센서의 버튼(10) 끝단부 이외에도 상부플레이트(20)의 상부면에 복수개 부착될 수도 있을 것이다.

이와 같은 구조의 근활성도측정센서는 소정 신체부위의 근육 경도를 간편하 게 측정할 수 있으며 동일 부위에 대한 근전도신호를 동시에 측정할 수 있으므로 근육의 활성상태를 정밀하게 측정할 수 있는 구조이다. 일반적으로 근활성도측정센서는 하부플레이트(30)의 외측면을 감싸는 밴드 등을 통해 팔, 다리와 같은 소정 신체부위에 부착되고 이때, 밴드를 착용할 때의 압착력에 따라 하부플레이트(30)의 외측면에 가해지는 압력이 변화할 수 있는데, 이러한 압력 변화에도 불구하고 본 발명에 따른 근활성도측정센서는 상기 경도측정센서의 동작원리에서 설명한 바와 같이 근육의 경도를 일정하게 측정할 수 있다. 또한, 밴드를 착용한 상태에서 근육의 신축에 따라 밴드의 압착력이 변화하여 하부플레이트(30)의 외측면에 가해지는 압력이 변화하더라도 각 근육의 신축 상태에 따라 근육의 경도를 일정하게 측정할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 근활성도측정센서는 운동에 의한 근육의 수축에 따라 발생하는 근전도신호를 측정하는 동시에 이를 보완하기 위한 근육의 경도 상태를 측정함으로써, 근육의 활성상태를 정확하게 측정할 수 있는 센서이다. 이에 따라 의료기기, 스포츠 및 로봇제어용 입력장치 등의 다양한 HCI 기술에 적용할 수 있을 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위 가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 근전도신호를 검출하는 근전위센서와 근육의 경도를 측정할 수 있는 경도측정센서를 이용하여 동일한 신체부위에서 동시에 근전도신호 및 근경도를 측정함으로써, 근육의 활성상태를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 완충재 및 2개의 압력센서를 이용함으로써, 가압하는 압력의 크기에 의존하지 않고 용이하게 피시험체의 경도를 측정할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 피시험체의 표면에 접촉하는 버튼;

   일측면이 상기 버튼과 압력전달 가능하게 결합되는 상부플레이트;

   상기 상부플레이트의 타측면과 압력전달 가능하게 결합되는 하부플레이트;

   상기 상부 및 하부플레이트 사이에 구비되어 탄성 변형하며 상기 상부 및 하부플레이트 사이의 압력을 완충하는 완충재;

   상기 버튼과 상기 상부플레이트 사이에 작용하는 압력을 측정하는 제 1 압력센서; 및

   상기 상부 및 하부플레이트 사이에 완충되어 작용하는 압력을 측정하는 제 2 압력센서

   를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 압력센서에 의해 측정된 각 압력의 비율을 통해 상기 피시험체의 경도를 측정하는 것을 특징으로 하는 경도측정센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 완충재는 탄성 변형하는 외피의 내부에 기체상태의 물질을 충진하여 형성되는 것을 특징으로 하는 경도측정센서.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 완충재는 탄성 변형하는 외피의 내부에 반고형의 물질을 충진하여 형성되는 것을 특징으로 하는 경도측정센서.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제 2 압력센서는 상기 상부 또는 하부플레이트와 상기 완충재 사이에 삽입되어 상기 상부 또는 하부플레이트와 상기 완충재 사이에 상호 전달되는 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 경도측정센서.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제 2 압력센서는 상기 완충재의 내부공간에 위치하여 상기 완충재의 내부 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 경도측정센서.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 완충재는 고리 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 경도측정센서.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 완충재는 중앙부에 압력측정공간이 형성되도록 양측면이 각각 상부 및 하부플레이트와 밀폐결합되고, 상기 제 2 압력센서는 상기 압력측정공간에 위치하여 상기 압력측정공간의 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 경도측정센서.
8. 제 1 항의 경도측정센서; 및

   상기 버튼의 끝단부에 부착되어 근전도신호를 검출하는 근전위센서

   를 포함하고, 상기 경도측정센서에 의한 근경도 및 상기 근전위센서에 의한 근전도신호를 동일한 지점에서 동시에 측정하여 근육 활성도를 측정하는 것을 특징으로 하는 근활성도측정센서.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 근전위센서는 상기 상부플레이트의 상부면에 복수개 부착되는 것을 특징으로 하는 근활성도측정센서.

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