KR101369379B1 - 전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템 - Google Patents

전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템은 인체에 굴곡이 발생하는 지점에 배치되는 전자유도 센서의 센서 값 변화량을 통해 인체의 3차원 움직임을 파악할 수 있으며, 무선 통신을 이용하는 경우, 원거리에서도 인체의 상태와 운동 상태를 간단하고 신속하게 파악할 수 있다.

Description

전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템{Human Body State Detecting System Using electromagnetic induction sensor}
본 발명은 인체 상태 판단 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 근육, 관절, 및 척추와 같이 인체의 형태에 대해 상태 변화(굽힙, 신체 둘레길이 변화)를 유발하는 지점에 전자유도 센서를 배치하고, 배치된 전자유도 센서에 의해 인체의 자세를 판단하는 전자유도 센서를 이용한 인체 상태, 및 동작판단 시스템에 관한 것이다.
인체의 상태를 판단하는 이른바 모션 디텍팅(motion detecting) 기술에는 다수의 마크를 이용하여 센싱되는 인체 신호를 토대로 인체의 상태를 판단하는 방법 및 다수의 카메라를 이용하여 인체의 움직임을 촬영하고 이를 분석함으로써 인체의 상태를 판단하는 방법이 있다.
마크를 이용한 기술은 피부에 마크를 직접 붙여야 하는 불편함이 있고, 단순히 인체의 움직임만을 판단할 수 있을 뿐 인체 부위에 힘이 들어간 정도를 판단할 수 없고, 인체 부위의 3차원적 변화를 판단하기 어려운 단점이 있다. 카메라를 이용한 기술은 우선 고가의 카메라를 이용한다는 점에서 비용이 높고, 마크를 이용한 기술과 마찬가지로 인체 부위의 3차원적 변화를 판단할 수 없는 단점을 갖는다.
또한, 상술한 두 기술은 공통적으로 산업 현장에 적용되기 어려우며, 나아가 화재 현장, 구급 상황 등 급박하고 위험한 환경에 더욱 적용되기 어렵고, 한정된 장소나 공간 내에서만 적용이 가능하다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 인체에 굴곡이 발생하는 지점과 근육의 상태변화로 인하여 둘레길이가 발생하는 지점에 전자유도 센서를 배치하여 인체의 자세, 및 운동상태를 3차원으로 판단 가능한 전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템을 제공함에 있다.
상기한 목적은 본 발명에 따라, 전자계를 발생하는 발생부와 상기 전자계를 수신하는 수신부를 한 조로 구성되며, 상기 수신부는 상기 전자계에 대응하는 유도전압을 생성하고, 인체의 변화 부위에 적어도 하나 착용 가능한 센서모듈, 및 상기 센서모듈의 유도전압의 크기를 토대로 상기 관절의 상태 변화를 산출하여 인체의 상태 변화를 판단하는 인체 상태 분석모듈을 포함하며, 상기 유도전압의 크기는 상기 관절의 각도 변화에 따라 가변되는 전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템에 의해 달성된다.
상기한 바에 따라 본 발명은 인체에 굴곡이 발생하는 지점 또는 인체의 둘레길이의 변화가 발생하는 지점에 배치되는 전자유도 센서의 센서 값 변화량을 통해 인체의 3차원 움직임을 파악할 수 있으며, 무선 통신 네트워크를 이용하는 경우, 원거리에서도 인체의 상태와 운동 상태를 간단하고 신속하게 파악할 수 있다. 또한, 본 발명은 전자유도 작용에 의해 인체의 자세와 운동 변화를 유발하는 관절과 굴곡 지점에 설치하므로 인체의 자세 변화를 정확히 파악할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인체상태 및 동작 판단 시스템의 개략적인 블럭개념도를 도시한다.
도 2는 팔 관절에 센서모듈이 부착되는 일 예를 도시한다.
도 3은 인체의 팔이 곧게 편 상태의 일 예에 대한 참조도면을 도시한다.
도 4는 센서모듈이 겨드랑이와 팔 사이에 배치되는 일 예를 도시한다.
도 5는 인체의 팔이 곧게 편 상태의 일 예를 도시한다.
도 6은 센서모듈의 일 실시예에 따른 블럭개념도를 도시한다.
도 7은 센서모듈의 다른 실시예에 따른 블럭개념도를 도시한다.
도 8은 의복에 일체형으로 형성된 센서모듈의 일 예를 도시한다.
도 9는 도 1에 도시된 인체 상태 분석 모듈의 일 예에 대한 블럭개념도를 도시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인체상태 및 동작 판단 시스템의 개략적인 블럭개념도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 인체 상태 판단 시스템은 센서모듈(100), 인체 상태 분석 모듈(200), 및 사용자 인터페이스(300)를 포함하며, 센서모듈(100)은 발생부(110), 및 유도 수신부(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
센서모듈(100)은 인체, 또는 의복에 부착될 수 있으며, 인체의 관절 부위, 척추 부위, 몸체와 팔 사이, 또는 두 다리 사이와 같이 인체의 형태가 변화되는 위치에 배치될 수 있다. 또한, 센서모듈(100)은 허벅지, 종아리, 허리, 팔 등과 같이 근육의 수축에 의해 둘레길이가 변화되는 부분의 인체 또는 의복에 부착되어 설치될 수 있다. 이하에서는 센서모듈(100)이 관절부분에 설치된 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
센서모듈(100)은 전자계를 생성하는 발생부(110)와 전자유도 작용에 의해 발생부(110)에서 생성된 전자계를 수신하는 유도 수신부(120)로 구성되며, 발생부(110)와 유도 수신부(120)는 관절, 척추, 몸체와 팔 사이, 및 두 다리 사이에서 이격되어 배치될 수 있다. 관절 부위, 척추 부위, 몸체와 팔, 및 두 다리 사이에 센서모듈(100)이 배치될 때, 관절의 회전각에 따라 가변되는 발생부(110)와 유도 수신부(120) 사이의 거리가 가변되며, 거리의 가변에 따라 유도 수신부(120)에 유도되는 전자계의 크기가 가변될 수 있다. 전자계의 가변에 의해 유도 수신부(120)는 상이한 유도전압을 생성하며, 인체 상태 분석 모듈(200)은 유도전압의 크기를 참조하여 관절의 회전각을 판단하거나, 몸체에서 팔이 이격된 거리를 판단하거나, 또는 척추의 회전각을 파악할 수 있다.
센서모듈(100)은 좌우 팔의 관절 부위, 좌우 측 허리 부위, 다리 사이, 겨드랑이와 팔 사이에 배치될 수 있다. 센서 모듈(100)이 관절 부위에 배치되는 경우 관절의 회전각에 대한 유도전압을 출력하고, 허리 부위에 배치되는 경우, 허리의 각도 변화에 대응하는 유도전압을 출력하며, 겨드랑이와 팔 사이에 배치되는 경우, 팔이 몸체에서 이격되는 거리에 대응하는 유도전압을 출력할 수 있다. 이는 도 2 내지 도 5를 함께 참조하여 설명하도록 한다.
도 2는 팔 관절에 센서모듈(100)이 부착되는 일 예를 도시한 것으로, 팔의 외측에 발생부(110-1)가 배치되고, 내측에 유도 수신부(120-1)가 배치된 일 예를 도시한다. 도 2에서, 팔이 45도 정도 구부러진 상태에서 발생부(110-1)와 유도 수신부(120-1) 사이의 거리는 d1으로 정의될 수 있다.
다음으로, 도 3은 인체의 팔이 곧게 편 상태를 도시한 것으로, 발생부(110-1)와 유도 수신부(120-1) 사이의 거리는 d2로 정의될 수 있다.
즉, 팔 관절의 회전각에 따라 발생부(110-1)와 유도 수신부(120-1) 사이의 거리는 증감될 수 있으며, 발생부(110-1)에서 생성하는 전자계는 거리(d1, d2)에 따라 유도 수신부(120-1)에 전달되는 량이 증감될 수 있다. 유도 수신부(120-1)는 수신되는 전자계 량에 대응하는 유도전압을 생성하므로, 유도 수신부(102a)에서 생성되는 유도전압의 크기에 따라 팔 관절의 회전각이 정의될 수 있는 것이다.
다음으로, 도 4는 센서모듈(100)이 겨드랑이와 팔 사이에 배치되는 일 예를 도시한다.
도 4에서 참조부호 120-2 가 유도 수신부에 해당하고, 참조부호 110-2가 발생부라고 가정할 때, 유도 수신부(120-2)와 발생부(110-2) 사이의 거리는 d3로 정의될 수 있다. 이때, 발생부(110-2)는 겨드랑이와 마주하는 의복의 내측, 또는 팔 내측에 부착될 수 있다.
다음으로, 도 5는 인체의 팔이 곧게 편 상태의 일 예를 도시한 것으로, 유도 수신부(120-2)와 발생부(110-2) 사이의 거리는 d4로 정의될 수 있다. 즉, d3와 d4의 거리에 의해 몸체와 팔 사이가 이격된 거리가 정의될 수 있으며, 거리 d3와 d4에 대해 미리 정의된 데이터가 있을 경우, 유도 수신부(120-2)에서 생성되는 유도전압의 크기에 따라 몸체와 팔 사이의 거리가 간단히 파악될 수 있는 것이다.
인체 상태 분석모듈(200)은 인체의 각 부위에 배치되는 센서모듈(100)에서 출력되는 유도전압의 크기를 참조하여 인체의 3차원 상태를 파악하고 그 결과를 별도의 디스플레이장치에 표시하거나, 또는 다양한 포멧의 데이터로 가공할 수 있다.
바람직하게는, 인체 상태 분석모듈(200)은 센서모듈(100)이 배치되는 위치에 따른 유도전압에 대한 기준데이터를 구비할 수 있다. 기준데이터는 센서모듈(100)의 위치에 따라 관절이나 척추의 회전각이거나, 또는 팔과 몸체, 또는 다리 사이의 이격 거리일 수 있다.
도 6은 센서모듈의 일 실시예에 따른 블럭개념도를 도시한다.
도 6을 참조하면, 센서모듈(100)은 고주파를 생성하는 발생부(110-3), 및 유도 수신부(120-3)를 한 조로하여 구성될 수 있다. 발생부(110-3)는 발진기(111-3), 및 유도 안테나(112-3)을 포함할 수 있다. 발진기(111-3)는 미리 설정된 고주파를 생성하고, 생성된 고주파를 코일(112-3)로 인가하며, 고주파가 코일(112-3)을 통과할 때, 코일(112-3) 주변에는 전자계가 유도될 수 있다.
유도 수신부(120-3)는 유도 안테나(122-3), 및 증폭기(121-3)로 구성될 수 있다. 유도 수신부(120-3)는 금속 박판, 금속 막대, 및 기타 발생부(110-3)에서 생성되는 전자계를 유도할 수 있는 전도체로 구성될 수 있다. 유도 안테나(120-3)에 전자유도된 전자계는 증폭기(121-3)로 인가되고, 증폭기(121-3)는 수신된 전자계에 대응하는 유도전압(Vo)을 생성할 수 있다. 발생부(110-3)와 유도 수신부(120-3) 사이의 거리가 감소할 때, 유도전압(Vo)의 크기는 증가하며, 반대의 경우 감소될 수 있다.
도 7은 센서모듈의 다른 실시예에 따른 블럭개념도를 도시한다.
도 7을 참조하면, 센서모듈(100)은 자성체(110-4), 및 홀 센서(120-4)를 한 조로하여 구성될 수 있다.
자성체(110-4)는 고정된 자계를 생성하고, 홀 센서(120-4)는 자성체(110-4)에서 발생하는 자계를 수신하며, 수신되는 자계의 량에 대응하는 유도전압(Vo)을 생성한다. 홀 센서(120-4)는 n형 반도체로 구성되는 센서로서, 인가되는 자계에 대응하는 유도전압(Vo)을 생성할 수 있다. 홀 센서(120-4)를 이용하는 경우 발생부(110-4)는 고정된 자계를 생성하는 자석, 네오디움, 및 기타 다양한 자성체를 이용할 수 있다.
도 8은 의복에 일체형으로 형성된 센서모듈의 일 예를 도시한다.
도 8을 참조하면, 센서모듈(100a ∼ 100j)에 부착될 수 있다. 의복에 부착되는 위치는 도면에서 좌측 팔 관절, 우측 팔 관절, 좌우 허리, 척추, 겨드랑이 부위, 다리 사이, 및 좌우 다리 관절에 위치할 수 있다.
센서모듈(100a, 100b, 100c, 100d)은 팔과 다리의 관절에 위치하므로, (100a, 100b, 100c, 100d)에서 출력되는 유도전압은 관절의 회전각에 대응할 수 있다.
센서모듈(100e, 100f)은 양측 허리에 위치하므로, 센서모듈(100e, 100f)에서 출력되는 유도전압은 좌우 허리의 회전각에 대응할 수 있다.
센서모듈(100h, 100i, 100j)은 몸체와 팔 사이, 또는 다리 사이에 위치하므로, 몸체와 팔 사이의 거리, 또는 다리 사이의 거리에 대응할 수 있다. 따라서, 센서모듈(100h, 100i, 100j)에서 출력되는 유도전압은 거리에 대한 값이 될 수 있다.
도 9는 도 1에 도시된 인체 상태 분석 모듈의 일 예에 대한 블럭개념도를 도시한다.
도 9를 참조하면, 인체 상태 분석 모듈(200)은 통신부(210), 증폭부(220), 아날로그-디지털 변환부(230), 데이터 가공 모듈(240), 전송 모듈(260), 수신 모듈(260), 연산모듈(250)을 포함할 수 있다.
통신부(210)는 유도 수신부(120)에서 발생되는 유도전압을 수신할 수 있다. 통신부(210)는 유도 수신부(120)와 전선으로 연결되거나, 또는 무선 통신 방식에 따라 데이터 통신을 수행할 수 있다.
예컨대, 통신부(201)는 유도 수신부(120)와 RFID 통신, 지그비 통신, 블루투스 통신, 및 와이브로 통신 중 하나에 따라 데이터 통신을 수행할 수 있으나 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
증폭부(220)는 통신부(210)로부터 출력되는 신호를 증폭하여 출력할 수 있다. 아날로그-디지털 변환부(230)는 증폭부(220)의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 데이터 가공 모듈(240)은 아날로그-디지털 변환부(230)로부터 출력되는 디지털 신호를 가공하여 출력할 수 있다. 데이터 가공 모듈(240)이 수행하는 데이터 가공에는 데이터 처리량을 감소시키기 위하여 디지털 신호를 소정의 샘플링 레이트로 샘플링하는 가공이 포함될 수 있다. 또한, 데이터 가공 모듈(240)이 수행하는 데이터 가공에는 아날로그-디지털 변환부(230)로부터 출력되는 디지털 신호를 소정의 통신 규격 형태의 신호로 변환하는 가공이 포함될 수도 있다. 이는 하나의 예시에 불과할 뿐이며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
전송 모듈(260)은 가공된 데이터를 외부로 전송할 수 있다. 전송 모듈(260)은 무선 통신망을 이용하여 가공된 데이터를 외부로 전송할 수 있으며, 지그비 통신망, 블루투스 통신망, 와이브로 통신망, 무선 인터넷 망 등일 수 있으나 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
수신 모듈(260)은 전송 모듈(260)로부터 수신되는 데이터를 수신하여 출력할 수 있다. 연산모듈(250)은 수신된 데이터에 기초하여 관절의 회전각, 또는 몸체와 팔, 또는 다리 사이의 이격 거리를 산출할 수 있다. 이를 위해, 연산모듈(250)은 각 센서(100a ∼ 100j) 별 유도전압에 대한 기준데이터를 구비하는 것이 바람직하다. 연산모듈(250)은 각 센서(100a ∼ 100j) 중 어느 것이 회전각에 대응하는지, 또, 어느 것이 거리에 대응하는지에 대해 파악하고 있어야 하며, 이는 각 센서(100a ∼ 100j)에 부여하는 고유 아이디에 의존할 수 있다. 또한, 연산모듈(250)은 각 센서(100a ∼ 100j)에 부여된 고유 아이디에 따라 회전각과 유도전압 사이의 데이터, 및 거리와 유도전압 사이의 데이터를 구비할 수 있다.
이에 따라, 연산모듈(250)은 각 센서모듈(100a ∼ 100j)에서 제공되는 유도전압을 참조하여 인체의 3차원 형상에 대한 정보를 생성할 수 있다. 생성된 정보는 별도의 디스플레이장치에 표시될 수 있으며, 각 센서모듈(100a ∼ 100j)과 전기적으로 결선되는 경우, 도 8에 도시된 벨트 부분에 착용되거나, 또는 각 센서모듈(100a ∼ 100j)과 무선 통신하는 외부 컴퓨터, 또는 기타 전자기기에서 표시될 수도 있다.
이 경우, 데이터 가공 모듈(240)과 연산모듈(250) 사이를 연결하는 전송 모듈(260) 및 수신 모듈(260)은 인체 상태 분석 모듈(200)에서 불필요한 요소가 될 수도 있다.
그러나 상술한 광신호 통신부(210), 증폭부(220), 아날로그-디지털 변환부(230), 데이터 가공 모듈(240), 및 전송 모듈(260)은 인체에 부착되는 별도의 인체 상태 센싱 장치로 구현되고, 상기 수신 모듈(260) 및 연산모듈(250)은 인체에서 분리된 별도의 인체 상태 판단 장치로 구현될 수도 있다. 이때, 상기 인체 상태 센싱 장치와 상기 인체 상태 판단 장치는 무선 통신망을 이용하는 전송 모듈(260)과 수신 모듈(260)에 의하여 서로 연결될 수 있다. 그러면, 본 발명의 실시예에 따른 인체 상태 판단 시스템을 이용하면 관찰자는 인체와 떨어진 원격에서 인체의 상태를 모니터링 할 수도 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 인체 상태 판단 시스템의 특징에 기초하여 상기 인체 상태 판단 시스템은 종래의 인체 상태 판단 기술과 달리 산업현장에 적용될 수 있는 것이다. 나아가 본 발명의 실시예에 따른 인체 상태 판단 시스템은 화재 현장, 사고 현장, 수중, 우주 공간 등 위험하고 긴급한 환경에서도 활용될 수 있는 장점을 가진다.
110 : 발생부 120 : 유도 수신부
200 : 인체 상태 분석 모듈 210 : 통신부
220 : 증폭부 230 : 아날로그-디지털 변환부
240 : 데이터 가공 모듈 250 : 연산모듈
260 : 전송모듈

Claims (11)

  1. 전자계를 발생하는 발생부와 상기 전자계를 수신하는 유도 수신부를 한 조로 구성되며, 상기 유도 수신부는 상기 전자계에 대응하는 유도전압을 생성하고, 인체의 관절 부위, 척추, 변위점 및, 근육변화에 의해 둘레길이가 변화하는 신체의 변위부분 중 어느 일 측에 적어도 하나 착용 가능한 센서모듈; 및
    상기 센서모듈의 유도전압의 크기를 토대로 인체의 상태 변화를 산출하여 인체의 상태 변화를 판단하는 인체 상태 분석모듈;을 포함하며,
    상기 유도전압의 크기는 상기 관절의 각도 변화에 따라 가변되며,
    상기 센서모듈은,
    상기 관절, 척추 및 인체의 둘레길이의 변화 중 어느 하나의 인체 변화에 따라 상기 발생부와 상기 유도 수신부의 거리가 가변되며,
    상기 가변되는 거리에 상응하는 유도전압이 상기 유도 수신부에 유기되는 것을 특징으로 하는 전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발생부는,
    고주파를 생성하는 발진부; 및
    상기 고주파를 방출하는 코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유도 수신부는,
    상기 고주파를 수신하는 유도 안테나; 및
    상기 유도 안테나에서 수신된 고주파를 증폭하는 증폭부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발생부는,
    자성체인 것을 특징으로 하는 전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유도 수신부는,
    상기 자성체와의 거리에 따른 유도전압을 출력하는 홀 센서; 및
    상기 홀 센서의 유도전압을 증폭하는 증폭부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인체상태 분석 모듈은,
    센서모듈의 유도전압을 증폭하는 증폭기;
    상기 증폭기로부터 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 변환기; 및
    상기 아날로그-디지털 변환기로부터 출력되는 디지털 신호를 토대로 상기 적어도 하나의 센서모듈의 유도전압의 크기에 따른 상기 관절, 및 척추 중 어느 하나의 각도 변화를 산출하고, 산출된 각도 변화를 참조하여 인체의 상태 변화를 판단하는 연산모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인체상태 분석모듈은,
    상기 센서모듈과 무선 통신을 수행하기 위한 무선통신부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센서모듈은,
    척추에 부착되어 허리의 각도에 대응하는 유도전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 센서모듈은,
    인체의 팔과 몸체, 및 두 다리 사이 중 어느 하나에 배치되어 상기 팔과 다리의 거리 변화에 따른 유도전압을 생성하고 이를 상기 인체 상태 분석모듈에 제공하는 것을 특징으로 하는 전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 인체상태 분석 모듈은,
    상기 센서모듈의 유도전압의 크기에 따라 몸체를 기준으로 상기 팔과 다리의 위치를 판단하여 인체의 상태 변화를 판단하는 것을 특징으로 하는 전자유도 센서를 이용한 인체상태 및 동작 판단 시스템.
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