KR102018950B1 - 하지부 기구학 보정 장치 및 이를 이용한 하지부 자세정보 보정 방법 - Google Patents

하지부 기구학 보정 장치 및 이를 이용한 하지부 자세정보 보정 방법 Download PDF

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Abstract

하지부 기구학 보정 장치 및 이를 이용한 하지부 자세정보 보정 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 하지부 기구학 보정 장치는, 미리 정해진 기준위치에 배치된 기준 발판과, 상기 기준위치로부터 일정 거리만큼 이격된 위치에 배치된 복수의 측정용 발판을 포함하는 보정 플레이트 및 상기 기준발판에 의해 측정자의 한쪽 발이 고정되고, 상기 복수의 측정용 발판 중 어느 하나의 측정용 발판에 의해 상기 측정자의 다른쪽 발이 고정된 상태에서, 상기 측정자의 하지부를 구성하는 관절의 위치 및 자세와 관련된 측정값을 수신하고, 상기 측정값을 기초로 상기 한쪽 발에 대한 상기 다른쪽 발의 상대적인 위치 및 자세를 나타내는 자세정보를 추정하는 단말기를 포함한다.

Description

하지부 기구학 보정 장치 및 이를 이용한 하지부 자세정보 보정 방법 {KINEMATIC CALIBRATION DEVICE FOR LOWER BODY AND CALIBRATION METHOD FOR POSTURE OF LOWER BODY USING THEREOF}
본 발명은 하지부 기구학 보정 장치 및 이를 이용한 하지부 자세정보 보정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 신체 하지부의 동작에 따른 자세정보를 추정하고, 추정된 자세정보의 정확도를 향상시키는 하지부 기구학 보정 장치 및 이를 이용한 하지부 자세정보 보정 방법에 관한 것이다.
4차 산업혁명 시대가 도래함에 따라, 이와 관련된 기술의 연구 및 개발이 급속도로 진전되고 있다. 이 중에서도, 가상 현실(Virtual Reality, VR)과 인간-로봇 상호작용(Human-Robot Interaction, HRI)관련 분야의 관심이 크게 증가하고 있으며, 인체의 실제 동작을 가상 공간에 매핑시키는 모션 캡쳐 기술은 이들 두 분야에 공통적으로 사용되며 근간이 되는 중요한 기술이다.
종래의 모션 캡쳐 기술은 크게 반사 마커를 이용하는 방법과 관성센서를 이용하는 방법이 있다.
반사 마커를 이용한 모션 캡처 기술은 측정하고자 하는 대상에 빛을 반사하는 마커를 부착하고, 빛을 감지하는 다수의 카메라가 대상을 촬영하여 감지된 반사 마커의 위치를 기반으로 대상의 움직임을 모델링하는 기술이다. 이에 반해, 관성센서를 이용한 모션 캡처 기술은 측정 대상에게 자세를 감지할 수 있는 센서를 부착하고, 센서에 의해 측정된 자세값을 기초로 대상을 모델링하는 기술이다.
하지만, 종래의 모션 캡처 기술은 다양한 문제점을 가지고 있다. 우선, 반사 마커를 이용한 모션 캡처 기술은, 저렴한 비용으로 대상체의 모션을 감지할 수 있다는 장점이 있으나, 미리 설정된 카메라의 앵글을 벗어나는 동작은 감지할 수 없다는 한계가 있다. 또한, 보다 정밀한 모션을 모델링해야되는 경우, 고가의 카메라가 추가적으로 요구되는 문제점이 있다.
반면, 관성센서를 이용한 모션 캡처 방식은 대상을 촬영하는 카메라가 요구되지 않아 공간의 제약 없이 비교적 넓은 범위의 움직임을 감지할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 종래의 관성센서를 이용한 모션 캡처 방식은 초기 모델링된 자세를 보정해야되는 후처리 과정이 필연적으로 수반되며, 현재까지 관성센서를 이용한 자세정보를 보정할 수 있는 보정 장치 및 보정 방법에 대한 기술은 전무한 상황이다.
한국등록특허 제10-1080078호 한국등록특허 제10-1427365호
본 발명의 일측면은 미리 정해진 위치에 고정된 발판을 이용하여 신체 하지부의 자세를 정밀하게 모델링할 수 있는 하지부 기구학 보정 장치 및 이를 이용한 하지부 자세정보 보정 방법을 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하지부 기구학 보정 장치는, 미리 정해진 기준위치에 배치된 기준 발판과, 상기 기준위치로부터 일정 거리만큼 이격된 위치에 배치된 복수의 측정용 발판을 포함하는 보정 플레이트 및 상기 기준발판에 의해 측정자의 한쪽 발이 고정되고, 상기 복수의 측정용 발판 중 어느 하나의 측정용 발판에 의해 상기 측정자의 다른쪽 발이 고정된 상태에서, 상기 측정자의 하지부 움직임에 따른 측정값을 기초로 모션정보를 모델링하는 단말기를 포함한다.
상기 기준 발판은 평면형 발판이고, 상기 복수의 측정용 발판은 적어도 하나의 평면형 측정용 발판과 적어도 하나의 경사형 측정용 발판으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 보정 플레이트는, 상기 기준 위치로부터 제1 거리만큼 이격된 위치에 평면형 측정용 발판이 배치되고, 상기 기준 위치로부터 제2 거리만큼 이격된 위치에 경사형 측정용 발판이 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 경사형 측정용 발판은, 미리 정해진 요(yaw)각도, 피치(pitch)각도 및 롤(roll)각도에 따른 경사면이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 측정자의 하지부를 구성하는 관절 사이에 부착되어 상기 측정값을 생성하는 적어도 하나의 센서모듈을 더 포함하고, 상기 단말기는, 상기 기준 발판에 의해 상기 측정자의 한쪽 발이 고정되고, 상기 어느 하나의 측정용 발판에 의해 상기 측정자의 다른쪽 발이 고정되며, 상기 측정자가 미리 정해진 기준 동작을 취하고 있는 동안 활성화되는 초기 자세정보 측정모드 구간에서, 상기 센서모듈에 의해 측정된 측정값을 기초로 하지부를 구성하는 각 관절의 초기 자세정보를 생성하고, 상기 기준 발판에 의해 상기 측정자의 한쪽 발이 고정되고, 상기 어느 하나의 측정용 발판에 의해 상기 측정자의 다른쪽 발이 고정되며, 상기 측정자가 임의의 동작을 취하고 있는 동안 활성화되는 측정용 자세정보 측정모드 구간에서, 상기 센서모듈에 의해 측정된 측정값을 기초로 하지부를 구성하는 각 관절의 보정용 자세정보를 상기 측정용 발판별로 복수 개 생성할 수 있다.
상기 단말기는, 상기 초기 자세정보와 상기 보정용 자세정보를 비교하여 미리 입력받은 상기 기준위치를 기초로 상기 기준발판에 고정된 상기 측정자의 한쪽 발의 위치정보와 상기 제2 측정용 발판의 위치정보를 산출하고, 상기 기준발판에 고정된 상기 측정자의 한쪽 발의 위치정보를 기초로 상기 보정용 모션정보를 분석하여 상기 제2 측정용 발판에 고정된 상기 측정자의 다른쪽 발의 위치정보를 산출하며, 상기 제2 측정용 발판의 위치정보와 상기 제2 측적용 발판에 고정된 상기 측정자의 다른쪽 발의 위치정보를 비교하여 오차인자를 산출할 수 있다.
상기 단말기는, 상기 오차인자를 기초로 상기 초기 모델정보를 보정할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 하지부 기구학 보정 장치를 이용하여 다양한 자세에 대한 모델링 데이터를 획득할 수 있으며, 이를 통해 보정되는 자세정보의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하지부 기구학 보정 장치의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 보정 플레이트의 구체적인 실시예들을 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 6은 도 1의 하지부 기구학 보정 장치를 이용하여 자세정보를 보정하는 구체적인 과정이 도시된 도면이다.
도 7은 도 1의 하지부 기구학 보정 장치를 이용하여 하지부 자세정보를 보정하는 개략적인 흐름이 도시된 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하지부 기구학 보정 장치(1)의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.
본 발명에 따른 하지부 기구학 보정 장치(1)는 인체 하지부의 움직임을 모델링하는 장치이다. 특히, 하지부 기구학 보정 장치(1)는 하지부의 자세정보를 정밀하게 모델링하기 위하여, 사용자의 양 발을 고정시킬 수 있는 수단이 마련될 수 있다. 이때, 양 발을 고정시킨 상태에서 하지부의 관절의 움직임에 대한 측정값을 분석하여 초기 자세정보를 추정하고, 다수의 보정용 자세정보를 생성하여 초기 자세정보를 보정할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 하지부 기구학 보정 장치(1)는, 보정 플레이트(100)와 단말기(200)를 포함한다.
보정 플레이트(100)는 하지부 자세를 측정하고자 하는 사용자의 양 발을 미리 정해진 위치에 고정시키는 장치일 수 있다. 여기서, 미리 정해진 위치라고 함은, 후술하는 단말기(200)에 의해 구현된 3차원 가상공간 상의 어느 한 지점에 대한 위치좌표값에 매핑되는 지점으로 정의될 수 있다.
보정 플레이트(100)는 베이스 플레이트(110), 기준 발판(120) 및 측정용 발판(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
베이스 플레이트(110)는 하지부의 움직임에 따른 자세정보를 측정하고자 하는 환경에 배치되며, 전체적으로는 평평한 판(plate) 형상으로 마련될 수 있다. 베이스 플레이트(110)는 후술하는 기준 발판(120) 및 복수의 측정용 발판(130)과 결합되며, 이에 따라 기준 발판(120)과 어느 하나의 측정용 발판(130)은 일정 거리만큼 이격된 상태로 지면에 고정될 수 있다.
기준 발판(120)은 하지부의 움직임에 따른 자세정보를 측정하고자 하는 사용자(측정대상)의 어느 한쪽 발을 고정시키는 장치일 수 있다. 반면, 측정용 발판(130)은 기준 발판(120)에 고정되지 않은 다른쪽 발을 고정시키는 장치일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 사용자는 기준 발판(120)에 한쪽 발을 고정 시킨 채, 다른 쪽 발을 서로 다른 위치에 배치된 복수의 측정용 발판(130) 중 어느 하나의 발판에 고정시킨 후, 자유로운 동작을 취할 수 있다. 이때, 사용자의 양 발은 기준 발판(120) 및 어느 하나의 측정용 발판(130)에 의해 고정되어 있으므로 양 발의 위치는 크게 변화하지 않는다. 이러한 상태에서, 본 발명에 따른 하지부 기구학 보정 장치(1)는 다양한 동작에 따른 자세정보를 생성하고, 양 발의 위치가 고정된 것으로 간주하여 보정작업을 수행할 수 있다. 이러한, 기준 발판(120)과 측정용 발판(130)을 포함하는 보정 플레이트(100)의 구체적인 구조 및 기능은 도 2 내지 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
단말기(200)는 보정 플레이트(100)에 의해 양 발이 고정된 측정자의 하지부 자세정보 측정을 위한 측정값을 수집할 수 있다.
측정값은 다양한 방식으로 측정될 수 있다. 일 예로, 단말기(200)는 측정자의 하지부에 부착된 적어도 하나의 센서모듈(300)로부터 측정값을 수집할 수 있다. 이 경우, 센서모듈(300)은 측정자의 하지부를 구성하는 관절 사이에 부착될 수 있다. 예컨대, 센서모듈(300)은 측정자의 양 쪽 정강이, 양쪽 허벅지 및 골반에 각각 부착될 수 있으며, 부착된 부분에 대한 움직임을 감지할 수 있다. 다른 예로, 단말기(200)는 광학식 모션캡쳐 방법에 의해 생성된 측정값을 수집할 수도 있다. 이 경우, 측정자의 하지부에는 적어도 하나의 반사 마커가 부착될 수 있으며, 반사 마커는 관절 부위에 직접 부착될 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위하여 측정자에 구비된 센서모듈(300)에 의해 측정값이 생성되며, 이러한 센서모듈(300)은 관성 측정장치(Inertial Measurement Unit, IMU)인 것으로 정의하여 설명하기로 한다. 하지만, 상술한 바와 같이 측정값은 종래의 다양한 모션캡쳐 기술 중 어느 하나의 방법에 의해 생성될 수도 있음은 물론이다.
단말기(200)는 센서모듈(300)과 유선 또는 무선통신으로 연결되며, 센서모듈(300)에 의해 측정된 측정값을 수집할 수 있다. 구체적으로, 단말기(200)는 하지부에 부착된 복수의 센서모듈(300)로부터 하지부를 구성하는 관절별 측정값을 수집할 수 있다.
단말기(200)는 수집된 측정값을 기초로 모델정보를 생성하거나, 생성된 모델정보를 보정할 수 있다.
모델정보는 인체의 하지부를 정방향 기구학(forward kinematics)으로 해석한 정보일 수 있다.
정방향 기구학은 로봇의 각 관절(joint)의 회전각이 주어졌을 때, 고정된 베이스 프레임(base frame)에 대한 엔드 이펙터(end-effector)의 상대적인 위치 및 자세를 추정하기 위한 기술로 정의될 수 있다. 정방향 기구학은 현재 관절의 위치 및 자세를 이전 관절에 대한 좌표계로 표현하는 것이며, 이를 위해 각각의 관절별로, 관절들의 초기 구성에 따른 로컬 좌표계를 부여할 수 있다. 따라서, 정방향 기구학을 이용하면 각 관절 사이의 연속적인 좌표 변환을 통해, 고정된 위치에 배치된 베이스 프레임에 대한 엔드 이펙터의 상대적인 위치 및 자세를 추정하는 것이 가능하다. 정방향 기구학은 로봇의 자세를 제어하거나 추정하는 기술 분야에 있어 일반적인 기술이므로, 더 이상의 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
단말기(200)는 측정대상의 하지부를 구성하는 관절들의 움직임을 정방향 기구학 기반의 모델정보로 해석할 수 있다. 이를 위해, 단말기(200)는 데이터를 수집하는 통신부와, 수집된 데이터를 처리 또는 연산하는 제어부와, 제어모듈에 의해 처리된 결과물을 출력하는 디스플레이부를 포함할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 단말기(200)는 컴퓨터 장치인 것으로 가정하여 설명하기로 한다. 하지만, 단말기(200)는 상술한 기능을 수행할 수 있는 다른 전자장치들로도 대체될 수도 있다.
단말기(200)는 초기 모델정보를 생성할 수 있다. 단말기(200)는 정방향 기구학을 기초로 측정대상의 하지부를 구성하는 각 관절간의 관계를 해석하고, 이에 대한 초기 모델정보를 생성할 수 있다. 이때, 측정대상은 보정 플레이트(100)에 의해 양 발이 미리 지정된 서로 다른 위치에 고정되어 있는 상태에서, 움직임이 없는 기준자세를 취한 것으로 가정한다. 일 예로, 기준자세는 차렷 자세와 유사할 수 있으나, 기준자세는 측정 환경에 따라 정적인 상태의 다른 다양한 포즈들로 변경이 가능하다.
단말기(200)는 기준자세를 취하고 있는 측정대상의 하지부에 부착된 센서 모듈(300)로부터 측정값을 수집할 수 있다. 이때, 측정값은 측정대상이 기준자세를 취하는 있는 상태에서, 각 관절의 자세를 나타내는 정보일 수 있다. 모델정보 생성부(321)는 수집된 각 관절에 대한 측정값을 기초로 측정대상의 하지부를 정방향 기구학으로 해석한 초기 모델정보를 생성할 수 있다.
단말기(200)는 초기 모델정보를 보정하기 위한 자세정보를 생성할 수 있다.
자세정보는 정방향 기구학의 해(解)를 의미하며, 구체적으로는 각 관절들이 임의의 각도로 회전하였을 때, 고정된 베이스 프레임에 대한 엔드 이펙터(또는 엔드 프레임)의 상대적인 위치(3축 위치값) 및 자세(3축 회전량)를 추정한 결과일 수 있다. 로봇 기구학 및 이에 따른 자세정보를 추정하는 기술은 "로봇 기구학: 정기구학(Forward kinematics)과 역기구학(Inverse kinematics), http://blog.daum.net/pg365/95" 및 "Forward kinematics, (https://en.wikipedia.org/wiki/Forward_kinematics)"등에 상세히 나와있으므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에서, 자세정보는 초기 자세정보와 보정용 자세정보를 포함할 수 있다.
초기 자세정보는 초기 모델정보에 따른 자세정보일 수 있다. 즉, 초기 자세정보는 측정대상이 기준자세를 취한 상태에서, 측정대상의 각 관절에 대한 측정값을 기초로 한쪽 발에 대한 다른 쪽 발의 상대적인 위치 및 자세를 추정한 정보일 수 있다. 이때, 측정대상은 움직임이 없는 기준자세를 취한 상태이므로, 측정값은 항상 일정할 수 있다.
보정용 자세정보는 임의의 측정값을 초기 모델정보에 반영한 자세정보일 수 있다. 이때, 측정대상은 초기 모델정보를 생성하는 과정과 동일한 위치에 양 발이 고정된 상태에서, 하지부를 자유롭게 움직이고 있는 것으로 가정한다. 따라서, 측정대상의 하지부에 부착된 센서 모듈(300)은 임의의 동작에 따른 관절의 다양한 자세에 대한 측정값을 생성할 수 있다.
단말기(200)는 초기 자세정보와 보정용 자세정보를 비교하여 오차인자를 산출하고, 산출된 오차인자를 반영하여 초기 모델정보를 보정할 수 있다. 단말기(200)는 산출된 오차인자가 미리 설정된 임계구간에 포함될때까지 이러한 과정을 반복하여 수행할 수 있다.
이러한 단말기(200)는 서로 다른 동작모드로 구동될 수 있으며, 서로 다른 동작 모드는 측정자 또는 관리자에 의해 제어될 수 있다. 구체적으로, 단말기(200)는 초기 모델정보 생성모드, 자세정보 측정모드 및 보정 모드로 구분되어 동작될 수 있다. 단말기(200)는 초기 모델정보 생성모드가 실행되면 센서모듈(300)로부터 수집되는 측정값을 기초로 초기 모델정보를 생성할 수 있다. 그리고, 단말기(200)는 자세정보 측정모드가 실행되면 센서모듈(300)로부터 수집되는 측정값을 기초로 초기 자세정보 및 복수의 보정용 자세정보를 생성할 수 있다. 이후, 단말기(200)는 보정모드가 실행되면 초기 자세정보와 보정용 자세정보를 비교하여 오차값을 산출하고, 산출된 오차값을 기초로 초기 모델정보를 보정할 수 있다. 이러한 단말기(200)의 구체적인 기능은 도 5 내지 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.
도 2 내지 도 3은 도 1의 보정 플레이트(100)의 구체적인 구성 및 기능이 도시된 도면이다.
먼저, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정 플레이트(100)의 일 예가 도시된 도면이다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 보정 플레이트(100)는 하나의 기준 발판(120)과 두 개의 측정용 발판(130)으로 구성될 수 있다.
기준 발판(120)은 측정자의 양쪽 발 중 어느 한쪽의 발을 고정시키는 장치일 수 있다. 그리고, 측정용 발판(130)은 기준 발판(120)에 의해 고정되지 않은 나머지 발을 고정시키는 장치일 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해 기준 발판(120)은 사용자의 왼발을 고정시키고, 측정용 발판(130)은 사용자의 오른발을 고정시키는 것으로 정의하여 설명하기로 한다. 하지만, 사용 환경 및 제작 방법에 따라 사용자의 오른쪽 발을 기준 발판(120)에 고정시킨 후 왼발을 측정용 발판(130)에 고정시키는 경우도 고려할 수 있다.
기준 발판(120)은 평면형 발판일 수 있으며, 두 개의 측정용 발판(130)은 하나의 평면형 발판(131)과 하나의 경사형 발판(132)으로 마련될 수 있다.
평면형 발판은 측정자의 발바닥을 지면과 수평한 방향으로 고정시키는 발판일 수 있다. 즉, 측정자는 기준 발판(120)에 왼발을 고정시킨 상태에서 평면형 측정용 발판(131)에 오른발을 고정시킨 경우, 양 발의 발바닥은 지면과 나란한 방향으로 고정될 수 있다.
반면, 경사형 발판(132)은 측정자의 발바닥을 지면으로부터 일정 각도만큼 회전시킨 상태로 고정시키는 발판일 수 있다. 즉, 경사형 발판(132)는 미리 정해진 요(yaw)각도, 피치(pitch)각도 및 롤(roll)각도에 따른 경사면이 형성되어 있을 수 있다. 이에 따라, 측정자는 기준 발판(120)에 왼발을 고정시킨 상태에서 경사형 측정용 발판(132)에 오른발을 고정시킨 경우, 왼발은 지면과 평행한 방향으로 고정되는 반면, 오른발은 지면을 기준으로 3차원 회전된 상태로 고정될 수 있다.
한편, 기준 발판(120)과 측정용 발판(130)은 미리 정해진 일정 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 기준 발판(120)과 평면형 측정용 발판(131)은 제1 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다. 그리고, 기준 발판(120)과 경사형 측정용 발판(132)은 제2 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다. 따라서, 단말기(200)는 기준 발판(120)에 대한 평면형 측정용 발판(131) 또는 경사형 측정용 발판(132)의 상대적인 위치값을 획득할 수 있다.
또한, 단말기(200)는 기준 발판(120)에 대한 평면형 측정용 발판(131) 및 경사형 측정용 발판(132)의 상대적인 방향에 대한 정보 또한 미리 획득할 수 있다. 이를 위해, 측정자의 자세를 측정하기 이전에, 기준 발판(120), 평면형 측정용 발판(131) 및 경사형 측정용 발판(132)의 중심부에 AHRS((Attitude Heading Reference System) 센서를 설치하고, 단말기(200)는 각각의 센서들로부터 측정된 센싱값을 수집할 수 있다. 측정된 센싱값은 설치된 위치에서의 3축 회전값에 대한 정보들을 포함하고 있으므로, 단말기(200)는 이를 통해 기준 발판(120)의 3축 좌표계를 기준으로 측정용 발판(130)의 상대적인 위치 및 방향을 미리 측정할 수 있다.
도시된 실시예에서, 두 개의 평면형 발판인 기준 발판(120)과 평면형 측정용 발판(131)은 동일하게 제작된 발판일 수 있다. 따라서, 기준 발판(120)과 평면형 측정용 발판(131)이 배치된 방향(자세)는 기준 발판(120)이 배치된 방향과 동일함을 알 수 있다. 반면, 경사형 측정용 발판(132)은 상술한 바와 같이 미리 설정된 요(yaw)각도, 피치(pitch)각도 및 롤(roll)각도에 따른 경사면이 구비되어 있으며, 경사면 상에 배치된 AHRS 센서에 의해 측정된 값은 3축 회전값이 포함된 센싱정보를 생성할 수 있다. 이에 따라, 단말기(200)는 기준 발판(120)의 방향을 기준으로 경사형 측정용 발판(132)의 상대적인 방향값을 측정할 수 있다.
요약하면, 단말기(200)는 기준 발판(120)의 위치를 기준 위치로 하면서, 기준 위치를 중심으로 세 개의 축이 직교하는 3차원 직교 좌표계(기준 좌표계)를 설정할 수 있다. 그리고, 단말기(200)는 기준 좌표계를 이용하여 측정용 발판(130)의 상대적인 위치 및 방향에 대한 정보를 미리 학습할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보정 플레이트(100)의 일 예가 도시된 도면이다.
구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보정 플레이트(100)는 하나의 기준 발판(120)과 두 개 이상의 측정용 발판(130)을 포함할 수 있다. 여기서, 도 3의 기준 발판(120)은 도 2의 기준 발판(120)과 동일하므로, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2에 도시된 구성과 유사하게, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보정 플레이트를 구성하는 각각의 측정용 발판은, 기준 발판(120)을 중심으로 미리 정해진 일정 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 구성과는 다르게, 도 3에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 보정 플레이트(100)는 적어도 하나의 평면형 발판(131)과 적어도 하나의 경사형 발판(132)으로 구성될 수 있다.
이 경우에도, 단말기(200)는 기준 발판(120)의 기준 위치를 중심으로 각각의 측정용 발판(130)의 상대적인 위치와 방향에 대한 정보를 미리 습득할 수 있다. 또한, 도 3은 측정용 발판(130)은 6개로 구비된 일 예가 도시되어 있으나, 사용 환경 또는 자세 보정에 요구되는 정밀도에 따라 다양한 개수로 마련될 수도 있다.
그리고, 경사형 발판(132)이 복수 개로 구비되는 경우, 모든 경사형 발판(132)이 동일한 경사면 각도를 가질 필요는 없다. 즉, 각각의 경사형 발판(132)은 서로 다른 각도의 경사면을 가질 수 있다. 이에 따라, 측정자가 왼발을 기준 발판(120)에 고정시킨 상태에서, 서로 다른 경사면을 가진 경사형 측정용 발판(132) 또는 평면형 측정용 발판(131)에 오른발을 차례로 고정시킨 채 하지부를 움직이는 경우, 단말기(200)는 다양한 포즈에 대한 자세정보를 취득하는 것이 가능하다.
한편, 도 4는 경사형 측정용 발판(132)의 기능을 나타내는 도면이다.
도 4의 (a)는 평면형 측정용 발판(131)으로만 구성된 보정 플레이트(100)가 도시된 도면이다. 측정용 발판(130)이 평면형 발판으로만 구성된 경우, 도시된 바와 같이 발바닥에서 발목까지의 길이가 비정상적으로 모델링 되는 문제점이 발생한다. 구체적으로, 측정자의 왼발을 기준 발판(120)에 고정시키고, 오른발을 어느 하나의 평면형 측정용 발판(131)에 고정시킨 상태에서 자세정보를 모델링하는 경우, 경우에 따라 발바닥에서 발목까지의 길이가 무한대로 출력되는 문제점이 발생될 수 있다. 반면, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 경사형 측정용 발판(132)이 더 부가된 보정 플레이트(100)를 이용하는 경우, 오른발의 다양한 회전 각도에 따른 자세가 측정 과정에 부가될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 보정 플레이트(100)를 이용하여 자세정보를 측정하면 상술한 문제점을 사전에 방지할 뿐 아니라 자세정보를 더욱 정확하게 모델링할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
도 5는 도 1의 하지부 기구학 보정 장치(1)를 이용하여 초기 모델정보를 측정하는 일 예를 나타내는 도면이다.
초기 자세정보를 측정하기 위해, 측정자는 양 발을 보정 플레이트(100)에 고정시킬 수 있다. 구체적으로, 측정자는 왼발을 기준 발판(120)에 고정시키고, 오른발은 어느 하나의 측정용 발판(130)에 고정시킬 수 있다. 이때, 초기 모델정보는 측정자의 양 발이 모두 평면형 발판에 의해 고정된 상태에서 생성될 수 있다. 즉, 초기 모델정보는 측정자의 양 발이 기준 발판(120)과 평면형 측정용 발판(131)에 의해 고정된 상태에서 수신되는 측정값에 의해 생성될 수 있다.
더욱 구체적으로, 초기 모델정보는 기준 발판(120)에 의해 측정자의 왼발이 고정되고, 기준 발판(120)으로부터 제1 거리만큼 이격된 곳에 배치된 평면형 측정용 발판(131)에 의해 측정자의 오른발이 고정된 상태에서, 미리 설정된 초기 자세를 취하고 있을 때, 측정자의 하지부를 구성하는 각각의 관절의 위치 및 방향에 대한 정보를 표현하는 데이터일 수 있다. 여기서, 미리 설정된 초기 자세는, 측정자가 하지부를 움직이지 않고 있는 정지된 상태의 포즈를 의미하며, 차렷 자세에서의 하지부 모션과 유사할 수 있다.
단말기(200)는 초기 모델정보 생성모드로 동작중인 상태에서 측정자의 하지부에 부착된 센서모듈(300)로부터 측정값을 수신할 수 있다. 센서모듈(300)은 좌측 정강이, 좌측 허벅지, 우측 정강이, 우측 허벅지 및 골반 부근에 부착될 수 있다.
단말기(200)는 센서모듈(300)로부터 수신된 측정값을 기초로 하지부를 구성하는 각 관절의 자세를 분석할 수 있다. 이때, 단말기(200)는 각각의 관절이 3 자유도를 갖도록 모델링하며, 기준 위치인 왼발로부터 오른발까지 하지부를 구성하는 관절들을 직렬 체인 형태로 모델링할 수 있다. 즉, 단말기(200)는 측정자의 하지부를 왼발-왼쪽 발목-왼쪽 무릎-왼쪽 고관절-오른쪽 고관절-오른쪽 무릎-오른쪽 발목-오른발이 직렬 체인 형태로 링크된 것으로 해석하도록 설계되거나 프로그래밍될 수 있다.
이에 따라, 단말기(200)는 미리 입력된 기준위치와 직렬 체인 형태로 모델링된 관절들의 자세를 기초로 측정자의 초기 모델정보를 생성할 수 있다. 상술한 바와 같이, 미리 입력된 기준위치는 기준 발판(120)에 대한 3차원 좌표값이며, 왼발은 기준 발판(120)에 의해 상시적으로 고정되어 있으므로 이 값은 항상 고정되어 있을 수 있다.
단말기(200)는 하지부를 구성하는 각 관절에 대응되는 측정값을 지면에 고정된 왼발의 위치를 기준으로 하는 좌표계상에 투영할 수 있으며, 이에 따라 기준 위치에 대한 상대적인 위치 및 상대적인 회전각을 산출할 수 있다. 단말기(200)는 기준위치에 대한 각 관절의 상대적인 위치 및 회전각을 초기 파라미터로 설정할 수 있다. 즉, 초기 모델정보는 초기 파라미터에 의해 결정되는, 기준 위치에 대한 각 관절들의 상대적인 위치와 자세를 나타내는 사용자(측정대상)의 하지부 골격 정보이다.
도 6은 도 1의 하지부 기구학 보정 장치(1)를 이용하여 초기 모델정보를 보정하는 일 예를 나타내는 도면이다.
초기 모델정보를 보정하기 위해, 본 발명에 따른 하지부 기구학 보정 장치(1)는 하나의 초기 자세정보와 복수의 보정용 자세정보를 생성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 단말기(200)는 초기 모델정보 생성모드를 통해 각 관절의 초기 자세를 설정하고, 초기 모델정보를 통해 기준발판(120)에 대한 측정용 발판(130)의 상대적인 위치 및 자세를 나타내는 초기 자세정보를 추정할 수 있다. 초기 자세정보는 정방향 기구학 기반의 초기 모델정보을 통해 추정되는 이론적인 수치값이기 때문에, 보정 과정이 필연적으로 수반되어야 한다.
보정용 자세정보는 보정용 측정값이 반영된 초기 자세정보를 의미한다. 구체적으로, 보정용 자세정보는 보정용 측정값이 반영된 초기 자세정보에서, 왼발의 위치(기준 위치)에 대한 오른발의 상대적인 위치 및 자세를 나타내는 정보일 수 있다.
보정용 측정값은, 측정자가 왼발을 기준 발판(120)에 고정시키고, 오른발을 어느 하나의 측정용 발판(130)에 고정시킨 상태에서, 하지부를 자유롭게 움직이는 과정에서 센서모듈(300)에 의해 측정되는 측정값일 수 있다.
보정용 자세정보를 생성하는 구체적인 일 예로, 측정자는 왼발을 기준 발판(120)에, 오른발을 평면형 측정용 발판(131) 또는 경사형 측정용 발판(132)에 고정시킨 상태에서 임의의 움직임을 취할 수 있다. 임의의 움직임을 취함에 따라, 하지부를 구성하는 각각의 관절들은 다양한 각도로 회전하거나 이동하게 되며, 센서모듈(300)은 이 과정에서 다양한 측정값을 센싱할 수 있다.
단말기(200)는 자세보정 모드로 동작되고 있는 상태에서, 초기 모델정보를 보정하기 위한 복수의 보정용 자세정보를 생성할 수 있다. 단말기(200)는 초기 자세정보를 생성하는 방법과 유사한 방법으로 보정용 자세정보를 생성할 수 있다. 다만, 초기 자세정보가 하나로 생성되는 것에 비하여, 보정용 자세정보는 샘플링 주기별로 수집되는 측정정보를 기초로 복수 개 생성될 수 있다. 예를 들어, 단말기(200)는 측정자의 오른발이 평면형 측정용 발판(131)에 고정되어 있는 상태에서, 측정자가 임의의 동작(포즈)을 취하는 과정에서 발생되는 측정값을 주기적으로 수집하여 평면형 측정용 발판(131)에 대한 100개의 보정용 자세정보를 생성할 수 있다. 이후, 단말기(200)는 이와 유사한 방법으로 측정자의 오른발이 경사형 측정용 발판(132)에 고정되어 있는 상태에서 100개의 보정용 자세정보를 생성할 수 있다.
단말기(200)는 측정자 또는 관리자에 의해 보정 모드가 활성화되면, 생성된 초기 자세정보와 각각의 보정용 자세정보를 비교하여 오차값을 산출할 수 있다. 상술한 바와 같이, 초기 자세정보 및 보정용 자세정보를 통해 왼발의 위치에 대한 오른발의 상대적인 위치 및 회전량에 대한 정보를 알 수 있으므로, 생성된 두 자세정보를 비교하여 오차값을 추출할 수 있다.
단말기(200)는 추출된 적어도 하나의 오차값을 기초로 오차 파라미터 벡터를 산출할 수 있다. 상술한 바와 같이, 단말기(200)는 복수의 보정용 자세정보를 생성하며, 각각의 보정용 자세정보의 개수별로 산출된 복수의 오차값의 분포를 분석할 수 있다. 단말기(200)는 산출된 복수의 오차값의 분포를 분석하여 오차값의 분포를 가장 적절하게 설명할 수 있는 오차 파라미터 벡터를 산출할 수 있다. 분포의 특징을 설명할 수 있는 선형식을 산출하는 알고리즘은 선형 최소 제곱법(linear least squares method, LMS) 등 기 공지된 다양한 알고리즘 중 어느 하나를 이용하여 오차 파라미터 벡터를 산출할 수 있다. 단말기(200)는 산출된 오차 파라미터 벡터를 기초로 초기 모델정보를 보정함으로써, 초기 자세정보를 보정할 수 있다.
한편, 단말기(200)는 보정된 모델정보를 이용하여 엔드 프레임, 즉 왼발에 대한 오른발의 위치를 추정하고, 추정된 오른발의 위치와 실제 측정된 보정용 자세정보를 통한 오른발의 위치의 차이값을 산출할 수 있다. 단말기(200)는 산출된 차이값이 미리 정해진 임계값 이하가 될 때까지 상술한 보정 과정을 반복하여 수행할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하지부 기구학 보정 장치를 이용한 하지부 자세정보 보정 방법의 개략적인 흐름을 도시한 도면이다.
먼저, 단말기(200)는 초기 모델정보를 생성할 수 있다(11).
단말기(200)는 초기 모델정보 생성 모드가 활성화된 상태에서 측정자의 하지부에 부착된 복수의 센서모듈로부터 측정값을 수집할 수 있다.
이때, 측정자는 하지부에 관절 부근에 센서모듈(300)을 부착한 채로, 보정 플레이트(100)에 양 발을 고정시킬 수 있다. 그리고, 측정자의 왼발은 기준 발판(120)에, 오른발은 평면형 측정용 발판(131)에 각각 고정시킨 상태일 수 있다. 단말기(200)의 초기 모델정보 생성 모드 동안, 측정자는 미리 정해진 정지된 기준동작을 취하며, 이 때 단말기(200)는 하지부에 부착된 센서모듈(300)에 의해 생성된 관절별 측정값을 수집하여 측정자의 초기 모델정보를 생성할 수 있다.
초기 모델정보가 생성된 것으로 확인되면, 단말기(200)는 초기 자세정보 및 보정용 자세정보를 추정할 수 있다(12).
측정자 또는 관리자는 단말기(200)가 자세정보 측정모드로 실행되도록 제어할 수 있다. 단말기(200)는 초기 모델정보를 이용하여 기준 발판(120)에 고정된 왼발에 대한 측정용 발판(130)에 고정된 오른발의 상대적인 위치 및 자세를 나타내는 초기 자세정보를 추정할 수 있다.
그리고, 측정자는 단말기(200)가 자세정보 측정모드로 실행되는 시간구간 동안, 왼발은 기준 발판(120)에 고정시킨 채 오른발을 임의의 측정용 발판(130)에 고정시킨 후 자유로운 동작을 취할 수 있다. 이때, 단말기(200)는 측정자의 움직임으로 인한 다양한 측정값을 기초로 고정된 측정용 발판(130)별로 다양한 보정용 자세정보를 생성할 수 있다.
이후, 단말기(200)는 생성된 초기 자세정보 및 보정용 자세정보를 이용하여 초기 모델정보를 보정할 수 있다.
단말기(200)는 모든 측정용 발판(130)에 대한 측정용 자세정보가 모두 생성된 것으로 확인되면, 보정 모드를 실행할 수 있다. 보정 모드에서, 단말기(200)는 초기 자세정보를 각각의 보정용 자세정보와 비교하여 두 자세정보의 유사도에 따른 오차 벡터를 산출할 수 있다(13).
단말기(200)는 산출된 오차 벡터를 기초로 초기 모델정보를 보정할 수 있다(14).
이때, 단말기(200)는 보정된 초기 자세정보와 보정용 자세정보의 평균 오차값을 산출하고, 산출된 오차값이 미리 설정된 임계구간 내에 포함되는 것으로 확인되면, 더 이상의 보정 과정을 수행하지 않고 보정 모드를 종료하며, 이 때의 모델정보를 최종적으로 보정된 모델정보로 출력할 수 있다.
반면, 단말기(200)는 산출된 오차값이 미리 설정된 임계구간 내에 포함되지 않는 것으로 확인되면, 보정된 초기 모델정보를 기초로 상술한 과정을 반복 수행할 수 있다. 이때, 단말기(200)는 평균 오차값이 미리 설정된 임계구간에 포함될 때까지 상술한 과정을 반복하여 수행할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 보정 플레이트
200: 단말기
300: 센서모듈

Claims (11)

  1. 미리 정해진 기준위치에 배치된 기준 발판과, 상기 기준위치로부터 일정 거리만큼 이격된 위치에 배치된 복수의 측정용 발판을 포함하는 보정 플레이트;
    측정자의 하지부를 구성하는 관절 사이에 부착되어 관절의 위치 및 자세와 관련된 측정값을 생성하는 적어도 하나의 센서모듈; 및
    상기 기준발판에 의해 측정자의 한쪽 발이 고정되고, 상기 복수의 측정용 발판 중 어느 하나의 측정용 발판에 의해 상기 측정자의 다른쪽 발이 고정된 상태에서, 상기 센서모듈에 의해 측정된 측정값을 수신하고, 상기 측정값을 기초로 상기 한쪽 발에 대한 상기 다른쪽 발의 상대적인 위치 및 자세를 나타내는 자세정보를 추정하는 단말기를 포함하되,
    상기 단말기는,
    상기 측정자가 미리 정해진 기준 동작을 취하고 있는 동안 수신되는 측정값을 기초로 하지부를 구성하는 각 관절에 대한 초기 모델정보를 생성하여 상기 초기 모델정보를 기초로 초기 자세정보를 생성하고,
    상기 측정자가 임의의 동작을 취하고 있는 동안 수신되는 측정값을 기초로 하지부를 구성하는 각 관절의 보정용 자세정보를 상기 측정용 발판별로 복수 개 생성하는, 하지부 기구학 보정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준 발판은 평면형 발판이고,
    상기 복수의 측정용 발판은 적어도 하나의 평면형 측정용 발판과 적어도 하나의 경사형 측정용 발판으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 하지부 기구학 보정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보정 플레이트는,
    상기 기준 위치로부터 제1 거리만큼 이격된 위치에 평면형 측정용 발판이 배치되고, 상기 기준 위치로부터 제2 거리만큼 이격된 위치에 경사형 측정용 발판이 배치되는 것을 특징으로 하는, 하지부 기구학 보정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 경사형 측정용 발판은,
    미리 정해진 요(yaw)각도, 피치(pitch)각도 및 롤(roll)각도에 따른 경사면이 형성된 것을 특징으로 하는, 하지부 기구학 보정 장치.


  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단말기는,
    상기 초기 자세정보에 따른 상기 한쪽 발에 대한 상기 다른쪽 발의 상대적인 위치 및 자세를 추정하고, 상기 보정용 자세정보에 따른 상기 한쪽 발에 대한 상기 다른쪽 발의 상대적인 위치 및 자세를 추정하며,
    상기 초기 자세정보에 따른 상기 한쪽 발에 대한 상기 다른쪽 발의 상대적인 위치 및 자세와 상기 보정용 자세정보에 따른 상기 한쪽 발에 대한 상기 다른쪽 발의 상대적인 위치 및 자세를 비교하여 오차인자를 산출하는, 하지부 기구학 보정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단말기는,
    상기 오차인자를 기초로 상기 초기 모델정보를 보정하는, 하지부 기구학 보정 장치.
  8. 보정 플레이트와 단말기를 포함하는 하지부 기구학 보정 장치를 이용한 하지부 자세정보 보정 방법에 있어서,
    상기 단말기가, 상기 보정 플레이트에 의해 양 발이 고정된 측정자의 하지부에 부착된 센서모듈에 의해 생성된 측정값을 수집하는 단계;
    상기 측정자가 미리 정해진 기준 동작을 취하고 있는 동안 수신되는 측정값을 기초로 하지부를 구성하는 각 관절에 대한 초기 모델정보를 생성하여 상기 초기 모델정보를 기초로 초기 자세정보를 생성하는 단계;
    상기 측정자가 임의의 동작을 취하고 있는 동안 수신되는 측정값을 기초로 하지부를 구성하는 각 관절의 보정용 자세정보를 생성하는 단계; 및
    상기 초기 자세정보와 상기 보정용 자세정보를 비교한 결과에 따라 상기 초기 모델정보를 보정하는 단계를 포함하는, 하지부 자세정보 보정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보정 플레이트는,
    미리 정해진 기준위치에 배치된 기준 발판; 및
    상기 기준위치로부터 일정 거리만큼 이격된 위치에 배치된 복수의 측정용 발판을 포함하는, 하지부 자세정보 보정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 관절별 초기 자세정보를 생성하는 것은,
    상기 기준 발판에 의해 상기 측정자의 한쪽 발이 고정되고, 상기 어느 하나의 측정용 발판에 의해 상기 측정자의 다른쪽 발이 고정되며, 상기 측정자가 미리 정해진 기준 동작을 취하고 있는 동안, 상기 센서모듈에 의해 측정된 측정값을 기초로 하지부를 구성하는 각 관절의 초기 자세정보를 생성하는 것을 특징으로 하는, 하지부 자세정보 보정 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 관절별 보정용 자세정보를 생성하는 것은,
    상기 기준 발판에 의해 상기 측정자의 한쪽 발이 고정되고, 상기 어느 하나의 측정용 발판에 의해 상기 측정자의 다른쪽 발이 고정되며, 상기 측정자가 임의의 동작을 취하고 있는 동안 활성화되는 동안, 상기 센서모듈에 의해 측정된 측정값을 기초로 하지부를 구성하는 각 관절의 보정용 자세정보를 상기 측정용 발판별로 복수 개 생성하는 것을 특징으로 하는, 하지부 자세정보 보정 방법.
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