KR101775480B1

KR101775480B1 - 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101775480B1
Application number: KR1020160102850A
Authority: KR
Inventors: 홍지헌; 이현; 현훈범
Original assignee: 선문대학교 산학협력단
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2017-09-06

Abstract

본 발명은 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보행자의 발뒤꿈치 및 엄지발가락 부분에 부착되는 제1 센서로부터 검출되는 신호를 토대로, 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점을 제1 시점, 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점을 제2 시점, 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점을 제3 시점, 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점 직전을 제4 시점 및 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점에서 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점 직전을 제5 시점으로 하는상기 보행자의 보행주기를 검출하는 보행주기 검출부, 상기 제1 시점 내지 상기 제5 시점에서 상기 보행자의 관절과 관절 사이에 부착되는 다수개의 제2 센서로부터 검출되는 신호를 토대로 하여, 관절의 움직임 정보를 검출하는 관절 움직임 검출부 및 상기 검출된 상기 보행자의 보행주기 및 관절의 움직임 정보를 기반으로 모션 캡쳐를 수행하는 모션 캡쳐 수행부를 포함한다.

Description

보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MOTION CAPTURE BASED ON GAIT CYCLE}

본 발명은 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 보행자의 움직임 및 보행에 따라 각 센서에서 발생되는 센서의 신호를 토대로 보행자의 보행주기를 검출하고, 검출된 보행주기에서의 보행자의 관절의 움직임을 토대로 모션 캡쳐 및 보행 분석을 수행하는 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

인간의 보행 분석은 질병의 상태 파악 및 진단과 치료의 기초자료로 다양하게 이용되고 있다. 특히 하지에 기능적 또는 병리적 결함이 있는 장애인의 재활치료 개발을 위한 보행 분석연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 기존의 보행 분석작업은 수많은 CCD카메라와 장비들이 설치되어 있는 전용연구실에서만 수행할 수 있어서 장소의 제약이 있고, 환자들이 옷을 벗고 몸에 여러 개의 마커를 붙여야 하는 불편함이 있다.

따라서, 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 선형 각속도를 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 바이어스 등의 오차를 포함하고 있기 때문에 적분연산과정에서 오차가 누적되어 시간이 경과됨에 따른 항법정보를 발산하게 된다.

즉, 상기와 같이 관성센서를 이용하는 관성항법장치로부터 원하는 정확도를 갖는 항법정보를 얻을 수 없고, 특히 사람의 몸에 관성센서를 장착하고 자세를 측정하는 경우, 장착오차등에 의하여 정확도가 더욱 떨어지게 되는 문제점이 있다.

이와 관련하여, 한국공개특허 제2005-0097181호는 "관성센서를 이용한 보행패턴 분석장치 및 그 방법"에 관하여 개시하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 보행자의 발뒤꿈치 부분에 부착되는 센서의 신호가 검출되는 시점부터 보행자의 엄지발가락 부분에 부착되는 센서의 신호가 검출되어 사라지는 시점 직전까지를 다수개의 보행시점으로 구분하고, 구분된 보행시점을 토대로 보행자의 보행주기를 검출하는 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 보행자의 몸에 부착되는 센서로부터 기 구분된 보행시점에서의 보행자의 관절의 움직임을 검출하여 보행자의 모션 캡쳐를 동시에 수행하는 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치는 보행자의 발뒤꿈치 및 엄지발가락 부분에 부착되는 제1 센서로부터 검출되는 신호를 토대로, 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점을 제1 시점, 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점을 제2 시점, 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점을 제3 시점, 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점 직전을 제4 시점 및 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점에서 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점 직전을 제5 시점으로 하는 상기 보행자의 보행주기를 검출하는 보행주기 검출부; 상기 제1 시점 내지 상기 제5 시점에서 상기 보행자의 관절과 관절 사이에 부착되는 다수개의 제2 센서로부터 검출되는 신호를 토대로 하여, 관절의 움직임 정보를 검출하는 관절 움직임 검출부; 및 상기 검출된 상기 보행자의 보행주기 및 관절의 움직임 정보를 기반으로 모션 캡쳐를 수행하는 모션 캡쳐 수행부;를 포함한다.

또한, 상기 보행주기 검출부는 상기 제1 시점 내지 상기 제4 시점 구간을 상기 보행자의 보행주기에서 입각기인 것으로 구분하고, 상기 제5 시점 구간을 상기 보행자의 보행주기에서 유각기인 것으로 구분하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 모션 캡쳐 결과를 토대로, 상기 보행자의 보행 분석을 수행하는 보행 분석부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보행 분석부는 상기 모션 캡쳐 결과와 상기 보행자의 보행주기 전체에 대한 상기 보행자의 보행주기에서 입각기 구간 및 상기 보행자의 보행주기에서 유각기 구간이 차지하는 백분율 값, 상기 제1 시점 내지 상기 제5 시점의 소요 시간 및 상기 제1 시점 내지 상기 제5 시점에서의 상기 관절의 움직임 정보를 토대로 상기 보행자의 보행이 이상보행인지 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보행 분석부는 상기 보행자의 보행이 이상보행인 것으로 판단된 경우 해당 이상보행이 통증으로 인한 이상보행, 불안정성으로 인한 이상보행, 관절의 변형으로 인한 이상보행 및 중추신경계의 질병으로 인한 이상보행인지를 구별하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보행 분석부는 상기 보행자의 보행주기에서 입각기 구간의 소요 시간이 기 설정된 정상 보행자의 보행주기에서 입각기 구간의 소요 시간보다 짧은 경우 또는 상기 제4 시점의 소요 시간이 짧은 경우 통증으로 인한 이상보행인 것으로 판단하고, 상기 보행자의 양발에 부착되는 제1 센서 간의 거리가 기 설정된 정상 보행자의 발 사이의 거리보다 큰 경우 또는 상기 보행자의 무릎이 구부러진 형태인 경우 불안정성으로 인한 이상보행인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보행 분석부는 상기 보행자의 무릎이 뒤로 휘거나 몸통이 쏠린 경우 또는 무릎이 모아지지 않은 경우 또는 상기 보행자의 대퇴체부와 대퇴경부 사이가 이루는 각이 기 설정된 정상 보행자의 각보다 작거나 큰 경우 관절의 변형으로 인한 이상보행인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보행 분석부는 상기 제1 시점이 생략된 경우 또는 상기 제5 시점에서 발을 기 설정된 정상 보행자보다 높이 든 경우 또는 상기 보행자의 무게 중심이 발보다 앞쪽으로 쏠리는 경우 중추신경계의 질병으로 인한 이상보행인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 방법은 보행주기 검출부에 의해, 보행자의 발뒤꿈치 및 엄지발가락 부분에 부착되는 제1 센서로부터 검출되는 신호를 토대로, 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점을 제1 시점, 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점을 제2 시점, 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점을 제3 시점, 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점 직전을 제4 시점 및 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점에서 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점 직전을 제5 시점으로 하는 상기 보행자의 보행주기를 검출하는 단계;관절 움직임 검출부에 의해, 상기 제1 시점 내지 상기 제5 시점에서 상기 보행자의 관절과 관절 사이에 부착되는 다수개의 제2 센서로부터 검출되는 신호를 토대로 하여, 관절의 움직임 정보를 검출하는 단계; 및 모션 캡쳐 수행부에 의해, 상기 검출된 상기 보행자의 보행주기 및 관절의 움직임 정보를 기반으로 모션 캡쳐를 수행하는 단계;를 포함한다.

또한, 상기 보행자의 보행주기를 검출하는 단계는, 상기 보행주기 검출부는 상기 제1 시점 내지 상기 제4 시점 구간을 상기 보행자의 보행주기에서 입각기인 것으로 구분하고, 상기 제5 시점 구간을 상기 보행자의 보행주기에서 유각기인 것으로 구분하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 검출된 상기 보행자의 보행주기 및 관절의 움직임 정보를 기반으로 모션 캡쳐를 수행하는 단계 이후에, 상기 모션 캡쳐 결과와 상기 보행자의 보행주기 전체에 대한 상기 보행자의 보행주기에서 입각기 구간 및 상기 보행자의 보행주기에서 유각기 구간이 차지하는 백분율 값, 상기 제1 시점 내지 상기 제5 시점의 소요 시간 및 상기 제1 시점 내지 상기 제5 시점에서의 상기 관절의 움직임 정보를 토대로 상기 보행자의 보행이 이상보행인지 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치 및 그 방법은 보행자의 발뒤꿈치 부분에 부착되는 센서의 신호가 검출되는 시점부터 보행자의 엄지발가락 부분에 부착되는 센서의 신호가 검출되어 사라지는 시점 직전까지를 다수개의 보행시점으로 구분하고, 구분된 보행시점을 토대로 보행자의 입각기 보행주기를 검출함으로써, 편마비환자의 보행기능의 회복을 평가하는 중요한 지표가 되며, 보행보조 기능적 전기자극과 같은 보행보조기구의 동작 시점 결정에 중요한 역할을 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 보행자의 몸에 부착되는 센서로부터 기 구분된 보행시점에서의 보행자의 관절의 움직임을 검출하여 보행자의 모션 캡쳐를 동시에 수행함으로써, 종래에 모션 캡처 데이터를 기반으로 보행자의 보행 패턴을 별도로 검출할 필요 없이 정확하고 신속하게 보행자의 보행 분석을 수행할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 모션 캡쳐 결과와 보행자의 보행주기 전체에 대한 보행자의 보행주기에서 입각기 구간 및 보행자의 보행주기에서 유각기 구간이 차지하는 백분율 값, 다수개의 보행시점의 소요 시간, 다수개의 보행시점에서의 관절의 움직임 정보를 토대로 상기 보행자의 이상보행 여부를 판단할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치의 구성을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 보행주기를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 제1 센서의 부착 위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 제2 센서의 부착 위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 방법의 순서를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치의 구성을 설명하는 도면이고, 도 2는 본 발명에 적용되는 제1 센서의 부착 위치를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명에 적용되는 보행주기를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 적용되는 제2 센서의 부착 위치를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치(100)는 크게 보행주기 검출부(110), 관절 움직임 검출부(120), 모션 캡쳐 수행부(130), 보행 분석부(140) 및 표시부(150)를 포함한다.

보행주기 검출부(110)는 보행자의 발에 부착되는 제1 센서(10)로부터 검출되는 신호를 토대로 보행자의 보행주기를 검출한다. 보다 자세하게, 제1 센서(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 보행자의 발뒤꿈치 및 엄지발가락 부분에 총 4개가 부착되며, 압력센서로 구성되는 것이 바람직하다.

보행주기 검출부(110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서(10)의 신호가 검출되는 시점을 제1 시점(발뒤꿈치 닿기 시기), 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서(10)의 신호가 검출되는 시점을 제2 시점(발바닥 닿기 시기), 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서(10)의 신호가 사라지는 시점을 제3 시점(발뒤꿈치 들어올리기 시기), 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서(10)의 신호가 사라지는 시점 직전을 제4 시점(엄지 발가락 떼기 시기) 및 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서(10)의 신호가 사라지는 시점에서 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서(10)의 신호가 검출되는 시점 직전을 제5 시점으로 하는 보행자의 보행주기를 검출한다.

여기서, 보행주기 검출부(110)는 제1 시점 내지 제4 시점 구간을 보행자의 보행주기에서 입각기인 것으로 구분하고, 제5 시점 구간을 보행자의 보행주기에서 유각기인 것으로 구분한다.

관절 움직임 검출부(120)는 제1 시점 내지 제5 시점에서 보행자의 관절과 관절 사이에 부착되는 제2 센서(20)로부터 관절의 움직임 정보를 검출한다. 즉, 관절 움직임 검출부는 앞서 구분된 보행시점에서의 보행자의 관절의 움직임을 동시에 검출한다.

관절 움직임 검출부(120)는 도 4에 도시된 바와 같이 보행자의 관절과 관절 사이에 부착되는 2개의 센서를 이용하여 각 세그먼트의 roll, yaw, pitch 값을 검출하고, 2개의 센서의 roll, yaw, pitch 값의 차이를 토대로 관절의 회전각을 도출하여, 보행자의 움직임에 따른 관절의 움직임을 검출할 수 있다. 이때, 제2 센서(20)는 보행자의 관절과 관절 사이에 다수개 구비되며, Gravitational force를 측정하는 가속도센서와 각가속도를 측정하는 자이로 센서로 이루어지는 IMU(Inertia Measurement Unit) 센서로 구성되는 것이 바람직하다.

모션 캡쳐 수행부(130)는 검출된 보행자의 보행주기 및 관절의 움직임 정보를 기반으로 모션 캡쳐를 수행한다.

보행 분석부(140)는 모션 캡쳐 결과를 토대로, 보행자의 보행 분석을 수행한다.

보행 분석부(140)는 모션 캡쳐 결과와 보행자의 보행주기 전체에 대한 보행자의 보행주기에서 입각기 구간 및 보행자의 보행주기에서 유각기 구간이 차지하는 백분율 값, 제1 시점 내지 제5 시점의 소요 시간 및 제1 시점 내지 제5 시점에서의 상기 관절의 움직임 정보를 토대로 보행자의 보행이 정상보행인지 이상보행인지를 판단한다.

보행 분석부(140)는 보행자의 입각기 구간이 차지하는 비율이 보행주기 전체의 60 내지 65%이고, 유각기 구간이 차지하는 비율이 보행주기 전체의 35 내지 40% 인 경우 정상보행인 것으로 판단하고, 이에 해당하지 않는 경우 이상보행인 것으로 판단한다.

보행 분석부(140)는 보행자의 보행이 이상보행인 것으로 판단된 경우 해당 이상보행이 통증으로 인한 이상보행, 불안정성으로 인한 이상보행, 관절의 변형으로 인한 이상보행 및 중추신경계의 질병으로 인한 이상보행인지를 구별한다.

보다 자세하게, 통증으로 인한 이상보행의 경우는 보행자가 하지에 통증이 있으면 가능한 한 입각기 구간을 단축하여 딛으려고 함에 따라 보행자의 보행주기에서 입각기 구간의 소요 시간이 기 설정된 정상 보행자의 보행주기에서 입각기 구간의 소요 시간보다 짧은 경우 도는 강직성 굴지증이 있으면 엄지발가락의 통증 때문에 충분히 발가락 떼기를 할 수 없게 되어 제4 시점의 소요 시간이 짧은 경우로 판단될 수 있다.

그리고 불안정성으로 인한 이상보행의 경우는 안정성이 저하된 경우에는 발을 넓게 벌리게 되며 걷게 되고 지면과 공간 사이에 자신의 발 위치가 어디에 놓여 잇는가를 알기 위해 발을 내려다보면서 걷게 되어 보행자의 양발에 부착되는 제1 센서 간의 거리가 기 설정된 정상 보행자의 발 사이의 거리보다 큰 경우 또는 모션 캡쳐 결과를 보행자의 무릎이 구부러진 형태인 경우로 판단될 수 있다.

그리고 관절의 변형으로 인한 이상보행의 경우는 족관절의 변형, 슬관절의 변형, 고관절의 변형, 다리 길이의 차이 및 관절 고정의 경우로 구분되어 판단될 수 있다.

족관절의 변형은 첨족, 평편족, 요청족, 외반족 및 내반족으로 구분된다. 첨족은 발이 족저굴로 구축되어 있는 상태로서 첨족의 상태에 따라 다르기는 하지만 대체로 입각기 구간의 제1 시점에서 발뒤꿈치를 지면에 닿을 수가 없어서 대신 무릎이 뒤로 휘고 몸이 앞으로 쏠리게 되어 다시 상체를 뒤로 젖혀 과도한 전만을 보이게 된다. 즉, 보행시 입각기 구간에서 발끝으로 딛게 되어 전체적으로 불안정한 균형을 나타내고 유각기 구간에서는 정상 보행자보다 고관절을 높이 들어 올리게 되며 발이 지면에 끌리게 된다. 따라서 이를 보상하기 위해 휘도는 보행을 하게 된다. 편평족은 발의 중심이 내측으로 쏠려 발생하게 되며 발의 아취가 내려 앉아서 내측 종아취가 거의 없거나 사라진 상태로 발의 형태는 외반족 형태를 지니게 된다. 요척족은 반대로 발의 종아취나 횡아취가 정상 보행자보다 높은 상태를 말하게 되면 대게 발가락은 갈퀴발가락을 형성하고, 발가락, 발등, 중족골 등에 못이 배겨있는 것이 특징이다. 내반족은 체중부하가 모두 외측으로 쏠려있어 발이 내번, 내전, 회외된 상태를 말한다.

슬관절의 변형은 외반슬, 내반슬 및 반장슬로 구분된다. 외반슬은 보행자의 양다리의 무릎을 모아 붙였을 때 무릎은 붙고 발이 밖으로 벌어지는 모양이고, 내반슬은 그 반대로 발목은 모아졌는데 무릎에서 모아지지 않아서 마치 활처럼 다리가 휜 모양이고, 반장슬은 무릎이 지나치게 뒤로 휜 상태를 말한다.

고관절의 변형은 보행자의 대퇴체부와 대퇴경부 사이가 이루는 각이 기 설정된 정상 보행자의 각보다 작은 경우 내반고라고 하며, 그 각이 정상보다 크면 외반고라고 한다.

다리길이 차이는 다리길이는 보통 장골의 앞쪽 뼈에서 발목의 내측 복사뼈까지의 길이로 측정한다. 차이가 1cm 정도라면 정상으로 간주하나 그 이상 차이가 나는 경우 비정상으로 간주한다. 다리길이 차이가 나는 경우 보행자는 입각기 구간에서는 반대쪽 다리의 유각기 구간에 발이 끌리기 때문에 이를 보상하기 위해 체중을 짧은 다리쪽으로 기울이게 된다. 그러나, 다리길이의 차이가 3cm 이상 나면 다리를 벌리면 걷응 양상을 보인다.

관절 고정은 족관절, 슬관절, 고관절이 고정된 보행자는 보행주기에 지장을 받는다. 하나의 관절만 고정되어 있다면 다른 관절이 대용작용을 하여 큰 장애는 없게 되지만 고정의 정도가 크면 이상보행을 초래하게 된다.

그리고 중추신경계의 질병으로 인한 이상보행의 경우는 편마비 보행, 경직성 양측 마비보행, 실조성 보행 및 점진성 보행으로 구분되어 판단될 수 있다.

편마비 보행은 편마비 환자의 발은 하지의 신전 경직으로 첨족 또는 첨내반족의 양상을 보인다. 따라서, 입각기 구간의 제1 시점에서 발뒤꿈치가 닿지 못하고 발끝이나 발바닥이 닿게 되어 무릎이 과신전되는 양상을 보인다. 또한, 유각기 구간에서는 신전근의 경직성이 우세하여 무릎을 구부리기 힘들어하며 다리 전체를 휘도는 보행을 하게 된다.

경직성 양측 마비보행은 양측 고관절 내전근이 심한 경직성을 보이면 소회 가위보행을 하게 된다.

실조성 보행은 소뇌의 운동실조보행은 보폭을 넓게하고 상체가 많이 흔들리게 된다. 이때, 한쪽 소뇌만 이상이 있는 경우 병변이 있는 쪽으로 향하게 되는 양상을 보인다. 척추성 운동실조보행은 척수로, 다발성 경화증, 아급성 감각신경병증 등에서 볼 수 있으며 위치 감각의 소실로 인하여 시각적 보상이 필요하게 되어 지면과 발을 보면서 걷는 모양을 나타낸다. 즉, 유각기 구간 즉, 제5 시점에서 발을 기 설정된 정상 보행자보다 높이 들게 되고 다시 지면에 내려놓을 때 정확한 착지를 하지 못하고 도장 찍듯이 발바닥으로 지면을 강하게 딛는 양상을 보이게 된다.

점진성 보행은 파킨슨씨병 또는 파킨슨씨 증후군에서 볼 수 있다. 보행자가 보행을 시작하기는 쉽지 않지만 일단 보행을 시작하면 상체를 앞으로 구부려 무게 중신이 발보다 앞쪽으로 쏠리게 되며, 작은 보폭의 발걸음으로 빠르게 걸을 수 있다.

표시부(150)는 보행자의 보행주기 및 관절의 움직임 정보를 기반으로 수행된 모션 캡쳐 결과와 보행자의 보행 분석 결과를 외부 디스플레이 창에 표시한다.

도 5는 본 발명에 따른 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 방법의 순서를 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하여 설명하면, 먼저, 보행자의 발뒤꿈치 및 엄지발가락 부분에 부착되는 제1 센서로부터 검출되는 신호를 토대로 보행자의 보행주기를 검출한다(S100).

S100 단계는 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점을 제1 시점(발뒤꿈치 닿기 시기), 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점을 제2 시점(발바닥 닿기 시기), 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점을 제3 시점(발뒤꿈치 들어올리기 시기), 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점 직전을 제4 시점(엄지 발가락 떼기 시기) 및 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점에서 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점 직전을 제5 시점으로 하는 보행자의 보행주기를 검출한다. 이때, 제1 시점 내지 제4 시점 구간은 보행자의 보행주기에서 입각기이고, 제5 시점 구간은 보행자의 보행주기에서 유각기이다.

다음, 제1 시점 내지 제5 시점에서 보행자의 관절과 관절 사이에 부착되는 다수개의 제2 센서로부터 검출되는 신호를 토대로 하여, 관절의 움직임 정보를 검출한다(S200).

S200 단계는 보행자의 관절과 관절 사이에 부착되는 2개의 센서를 이용하여 각 세그먼트의 roll, yaw, pitch 값을 검출하고, 2개의 센서의 roll, yaw, pitch 값의 차이를 토대로 관절의 회전각을 도출하여, 보행자의 움직임에 따른 관절의 움직임을 검출할 수 있다.

다음, 검출된 보행자의 보행주기 및 관절의 움직임 정보를 기반으로 모션 캡쳐를 수행한다(S300).

다음, 모션 캡쳐 결과를 토대로, 보행자의 보행 분석을 수행하게 되는데 먼저 모션 캡쳐 결과와 보행자의 보행주기 전체에 대한 보행자의 보행주기에서 입각기 구간 및 보행자의 보행주기에서 유각기 구간이 차지하는 백분율 값을 토대로 보행자의 보행이 정상보행인지 이상보행인지 판단한다(S400).

S400 단계에서, 보행자의 보행이 이상보행인 것으로 판단된 경우 제1 시점 내지 제5 시점의 소요 시간 및 제1 시점 내지 제5 시점에서의 관절의 움직임 정보를 토대로 해당 이상보행이 통증으로 인한 이상보행, 불안정성으로 인한 이상보행, 관절의 변형으로 인한 이상보행 및 중추신경계의 질병으로 인한 이상보행인지를 구별한다(S500).

마지막으로, 보행자의 보행주기 및 관절의 움직임 정보를 기반으로 수행된 모션 캡쳐 결과와 보행자의 보행 분석 결과를 외부 디스플레이 창에 표시한다(S600).

이처럼, 본 발명에 따른 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치 및 그 방법은 보행자의 발뒤꿈치 부분에 부착되는 센서의 신호가 검출되는 시점부터 보행자의 엄지발가락 부분에 부착되는 센서의 신호가 검출되어 사라지는 시점 직전 까지를 다수개의 보행시점으로 구분하고, 구분된 보행시점을 토대로 보행자의 보행주기를 검출함으로써, 편마비환자의 보행기능의 회복을 평가하는 중요한 지표가 되며, 보행보조 기능적 전기자극과 같은 보행보조기구의 동작 시점 결정에 중요한 역할을 할 수 있다.

또한, 본 발명은 보행자의 몸에 부착되는 센서로부터 기 구분된 보행시점에서의 보행자의 관절의 움직임을 검출하여 보행자의 모션 캡쳐를 동시에 수행함으로써, 종래에 모션 캡처 데이터를 기반으로 보행자의 보행 패턴을 별도로 검출할 필요 없이 정확하고 신속하게 보행자의 보행 분석을 수행할 수 있다.

이상 본 명세서에서 설명한 기능적 동작과 본 주제에 관한 실시형태들은 본 명세서에서 개시한 구조들 및 그들의 구조적인 등가물을 포함하여 디지털 전자 회로나 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어에서 혹은 이들 중 하나 이상의 조합에서 구현 가능하다.

본 명세서에서 기술하는 주제의 실시형태는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 제품, 다시 말해 데이터 처리 장치에 의한 실행을 위하여 혹은 그 동작을 제어하기 위하여 유형의 프로그램 매체 상에 인코딩되는 컴퓨터 프로그램 명령에 관한 하나 이상의 모듈로서 구현될 수 있다. 유형의 프로그램 매체는 전파형 신호이거나 컴퓨터로 판독 가능한 매체일 수 있다. 전파형 신호는 컴퓨터에 의한 실행을 위하여 적절한 수신기 장치로 전송하기 위한 정보를 인코딩하기 위하여 생성되는 예컨대 기계가 생성한 전기적, 광학적 혹은 전자기 신호와 같은 인공적으로 생성된 신호이다. 컴퓨터로 판독 가능한 매체는 기계로 판독 가능한 저장장치, 기계로 판독 가능한 저장 기판, 메모리 장치, 기계로 판독 가능한 전파형 신호에 영향을 미치는 물질의 조합 혹은 이들 중 하나 이상의 조합일 수 있다.

컴퓨터 프로그램(프로그램, 소프트웨어, 소프트웨어 어플리케이션, 스크립트 혹은 코드로도 알려져 있음)은 컴파일되거나 해석된 언어나 선험적 혹은 절차적 언어를 포함하는 프로그래밍 언어의 어떠한 형태로도 작성될 수 있으며, 독립형 프로그램이나 모듈, 컴포넌트, 서브루틴 혹은 컴퓨터 환경에서 사용하기에 적합한 다른 유닛을 포함하여 어떠한 형태로도 전개될 수 있다.

컴퓨터 프로그램은 파일 시스템의 파일에 반드시 대응하는 것은 아니다. 프로그램은 요청된 프로그램에 제공되는 단일 파일 내에, 혹은 다중의 상호 작용하는 파일(예컨대, 하나이상의 모듈, 하위 프로그램 혹은 코드의 일부를 저장하는 파일) 내에, 혹은 다른 프로그램이나 데이터를 보유하는 파일의 일부(예컨대, 마크업 언어 문서 내에 저장되는 하나 이상의 스크립트) 내에 저장될 수 있다.

컴퓨터 프로그램은 하나의 사이트에 위치하거나 복수의 사이트에 걸쳐서 분산되어 통신 네트워크에 의해 상호 접속된 다중 컴퓨터나 하나의 컴퓨터 상에서 실행되도록 전개될 수 있다.

부가적으로, 본 특허문헌에서 기술하는 논리 흐름과 구조적인 블록도는 개시된 구조적인 수단의 지원을 받는 대응하는 기능과 단계의 지원을 받는 대응하는 행위 및/또는 특정한 방법을 기술하는 것으로, 대응하는 소프트웨어 구조와 알고리즘과 그 등가물을 구축하는 데에도 사용 가능하다.

본 명세서에서 기술하는 프로세스와 논리 흐름은 입력 데이터 상에서 동작하고 출력을 생성함으로써 기능을 수행하기 위하여 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 실행하는 하나 이상의 프로그래머블 프로세서에 의하여 수행 가능하다.

컴퓨터 프로그램의 실행에 적합한 프로세서는, 예컨대 범용 및 특수 목적의 마이크로프로세서 양자 및 어떤 종류의 디지털 컴퓨터의 어떠한 하나 이상의 프로세서라도 포함한다. 일반적으로, 프로세서는 읽기 전용 메모리나 랜덤 액세스 메모리 혹은 양자로부터 명령어와 데이터를 수신할 것이다.

컴퓨터의 핵심적인 요소는 명령어와 데이터를 저장하기 위한 하나 이상의 메모리 장치 및 명령을 수행하기 위한 프로세서이다. 또한, 컴퓨터는 일반적으로 예컨대 자기, 자기광학 디스크나 광학 디스크와 같은 데이터를 저장하기 위한 하나 이상의 대량 저장 장치로부터 데이터를 수신하거나 그것으로 데이터를 전송하거나 혹은 그러한 동작 둘 다를 수행하기 위하여 동작가능 하도록 결합되거나 이를 포함할 것이다. 그러나, 컴퓨터는 그러한 장치를 가질 필요가 없다.

본 기술한 설명은 본 발명의 최상의 모드를 제시하고 있으며, 본 발명을 설명하기 위하여, 그리고 당업자가 본 발명을 제작 및 이용할 수 있도록 하기 위한 예를 제공하고 있다. 이렇게 작성된 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 본 발명을 제한하는 것이 아니다.

따라서, 상술한 예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다. 요컨대 본 발명이 의도하는 효과를 달성하기 위해 도면에 도시된 모든 기능 블록을 별도로 포함하거나 도면에 도시된 모든 순서를 도시된 순서 그대로 따라야만 하는 것은 아니며, 그렇지 않더라도 얼마든지 청구항에 기재된 본 발명의 기술적 범위에 속할 수 있음에 주의한다.

100 : 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치
10 : 제1 센서 20 : 제2 센서
110 : 보행주기 검출부
120 : 관절 움직임 검출부
130 : 모션 캡쳐 수행부
140 : 보행 분석부
150 : 표시부

Claims

보행자의 발뒤꿈치 및 엄지발가락 부분에 부착되는 제1 센서로부터 검출되는 신호를 토대로, 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점을 제1 시점, 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점을 제2 시점, 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점을 제3 시점, 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점 직전을 제4 시점 및 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점에서 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점 직전을 제5 시점으로 하는상기 보행자의 보행주기를 검출하는 보행주기 검출부;
상기 제1 시점 내지 상기 제5 시점에서 상기 보행자의 관절과 관절 사이에 부착되는 다수개의 제2 센서로부터 검출되는 신호를 토대로 하여, 관절의 움직임 정보를 검출하는 관절 움직임 검출부;
상기 검출된 상기 보행자의 보행주기 및 관절의 움직임 정보를 기반으로 모션 캡쳐를 수행하는 모션 캡쳐 수행부; 및
상기 모션 캡쳐 결과를 토대로, 상기 보행자의 보행 분석을 수행하는 보행 분석부; 를 더 포함하되,
상기 보행 분석부는 상기 모션 캡쳐 결과와 상기 보행자의 보행주기 전체에 대한 상기 보행자의 보행주기에서 입각기 구간 및 상기 보행자의 보행주기에서 유각기 구간이 차지하는 백분율 값을 토대로 상기 보행자의 보행이 이상보행인지 여부를 판단하고, 상기 보행자의 보행이 이상보행인 것으로 판단된 경우 상기 제1 시점 내지 상기 제5 시점의 소요 시간 및 상기 제1 시점 내지 상기 제5 시점에서의 상기 관절의 움직임 정보를 토대로 해당 이상보행의 종류를 구별하는 것을 특징으로 하는 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치.
제1항에 있어서,
상기 보행주기 검출부는 상기 제1 시점 내지 상기 제4 시점 구간을 상기 보행자의 보행주기에서 입각기인 것으로 구분하고, 상기 제5 시점 구간을 상기 보행자의 보행주기에서 유각기인 것으로 구분하는 것을 특징으로 하는 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치.
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제1항에 있어서,
상기 보행 분석부는 상기 보행자의 보행이 이상보행인 것으로 판단된 경우 해당 이상보행이 통증으로 인한 이상보행, 불안정성으로 인한 이상보행, 관절의 변형으로 인한 이상보행 및 중추신경계의 질병으로 인한 이상보행인지를 구별하는 것을 특징으로 하는 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치.
제5항에 있어서,
상기 보행 분석부는 상기 보행자의 보행주기에서 입각기 구간의 소요 시간이 기 설정된 정상 보행자의 보행주기에서 입각기 구간의 소요 시간보다 짧은 경우 또는 상기 제4 시점의 소요 시간이 짧은 경우 통증으로 인한 이상보행인 것으로 판단하고, 상기 보행자의 양발에 부착되는 제1 센서 간의 거리가 기 설정된 정상 보행자의 발 사이의 거리보다 큰 경우 또는 상기 보행자의 무릎이 구부러진 형태인 경우 불안정성으로 인한 이상보행인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치.
제5항에 있어서,
상기 보행 분석부는 상기 보행자의 무릎이 뒤로 휘거나 몸통이 쏠린 경우 또는 무릎이 모아지지 않은 경우 또는 상기 보행자의 대퇴체부와 대퇴경부 사이가 이루는 각이 기 설정된 정상 보행자의 각보다 작거나 큰 경우 관절의 변형으로 인한 이상보행인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치.
제5항에 있어서,
상기 보행 분석부는 상기 제1 시점이 생략된 경우 또는 상기 제5 시점에서 발을 기 설정된 정상 보행자보다 높이 든 경우 또는 상기 보행자의 무게 중심이 발보다 앞쪽으로 쏠리는 경우 중추신경계의 질병으로 인한 이상보행인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 장치.
보행주기 검출부에 의해, 보행자의 발뒤꿈치 및 엄지발가락 부분에 부착되는 제1 센서로부터 검출되는 신호를 토대로, 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점을 제1 시점, 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점을 제2 시점, 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점을 제3 시점, 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점 직전을 제4 시점 및 상기 엄지발가락 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 사라지는 시점에서 상기 발뒤꿈치 부분에 부착된 제1 센서의 신호가 검출되는 시점 직전을 제5 시점으로 하는 상기 보행자의 보행주기를 검출하는 단계;
관절 움직임 검출부에 의해, 상기 제1 시점 내지 상기 제5 시점에서 상기 보행자의 관절과 관절 사이에 부착되는 다수개의 제2 센서로부터 검출되는 신호를 토대로 하여, 관절의 움직임 정보를 검출하는 단계;
모션 캡쳐 수행부에 의해, 상기 검출된 상기 보행자의 보행주기 및 관절의 움직임 정보를 기반으로 모션 캡쳐를 수행하는 단계; 및
보행 분석부에 의해, 상기 모션 캡쳐 결과를 토대로, 상기 보행자의 보행 분석을 수행하는 단계; 를 더 포함하되,
상기 모션 캡쳐 결과를 토대로, 상기 보행자의 보행 분석을 수행하는 단계는, 상기 모션 캡쳐 결과와 상기 보행자의 보행주기 전체에 대한 상기 보행자의 보행주기에서 입각기 구간 및 상기 보행자의 보행주기에서 유각기 구간이 차지하는 백분율 값을 토대로 상기 보행자의 보행이 이상보행인지 여부를 판단하고, 상기 보행자의 보행이 이상보행인 것으로 판단된 경우 상기 제1 시점 내지 상기 제5 시점의 소요 시간 및 상기 제1 시점 내지 상기 제5 시점에서의 상기 관절의 움직임 정보를 토대로 해당 이상보행의 종류를 구별하는 것을 특징으로 하는 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 방법.
제9항에 있어서,
상기 보행자의 보행주기를 검출하는 단계는,
상기 보행주기 검출부는 상기 제1 시점 내지 상기 제4 시점 구간을 상기 보행자의 보행주기에서 입각기인 것으로 구분하고, 상기 제5 시점 구간을 상기 보행자의 보행주기에서 유각기인 것으로 구분하는 것을 특징으로 하는 보행주기를 기반으로 하는 모션 캡쳐 방법.
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