KR102023835B1 - 인간의 자세를 얻는 방법 및 시스템 - Google Patents

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청두 스우거 테크놀로지 코 엘티디
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Abstract

본 발명은 인간 자세를 얻는 방법 및 시스템에 관한 것으로, 상기 방법은 인간의 몸통에 설치된 하나 이상의 제1 유형의 전자기장 라디에이터에 의해 하나 이상의 전자기 신호를 프로세서에 전송하고, 인간의 팔다리에 설치된 하나 이상의 제2 유형의 전자기장 라디에이터에 의해 하나 이상의 전자기장 신호들을 프로세서로 전송하는 단계; 기준 좌표의 원점에 배치된 전자기장 라디에이터에 대한 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 수신 신호들의 전압 진폭의 차이를 측정하고, 원점에 대한 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 좌표 정보를 계산하는 단계; 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 사이의 거리 및 각도의 관계에 기초하여 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 운동 궤적을 획득하고, 운동 궤적에 기초한 좌표 변화를 계산함으로써 제2 유형의 전자기장 라디에이터의 원점에 대한 좌표 정보를 더 획득하는 단계; 및 원점에 대한 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 실시간 좌표 정보 및 원점에 대한 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 실시간 좌표 정보에 기초하여 인간 자세의 실시간 정보를 획득하는 단계;를 포함한다.
본 발명은 간단한 구성, 저렴한 하드웨어 및 단 한 번의 칼리브레이션의 기술적인 효과가 있다.

Description

인간의 자세를 얻는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM OF OBTAINING HUMAN POSTURE}
본 발명은 인간의 동작을 수집하는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인간의 자세를 얻는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
현재 인간의 움직임을 추출하는 주요 방법은 광학적 방법, 가속도 센서 방법, 시간 영역 마이크로파 방법(time-domain microwaves method) 및 전자기장 방법을 포함한다. 광학적 방법은 가시광선 또는 적외선을 사용하여 인간 관절에 배치된 비콘(beacon)에 대한 이미지 인식 및 추적을 수행한 다음, 인간의 모션 추출을 구현한다. 광학적 방법의 단점은 비콘(beacon)이 가려져 인간의 움직임을 불완전하게 추출할 수 있다는 것이다. 또한, 광학적 방법은 화상 처리 속도가 느릴 뿐만 아니라 비용도 높다.
가속도 센서 방법은 인간의 움직임의 가속도를 계산하여 인간 관절 각각의 상대적 위치를 얻는 것이다. 가속도 센서 방법의 주요 단점은 고비용으로 이전 위치에 대한 상대적인 위치 정보만을 얻을 수 있다는 것이다. 이 가속도 센서 방법의 가장 큰 문제점은 타이밍 보정이 수행될 필요가 있다는 것인데, 이에 가속도 센서방법은 사용하기가 극히 불편하여 영화 제작과 같은 산업적 용도에만 적합하다.
시간 영역 마이크로파 방법(time-domain microwaves method)은 상이한 수신기들에 도달하는 신호의 전파 지연을 계산함으로써 비콘(beacon)들의 위치를 추출하는 것이다. 시간 영역 마이크로파 방법의 단점은 안테나의 체적이 너무 커서 인체의 각 위치에 수신기를 충분히 설치할 수 없다는 것이다. 따라서 이 시간 영역 마이크로파 방법은 인간이 수신기들을 갖는 특정 공간에 있을 것이 요구된다. 또한, 이 방법은 정확도가 낮고 고 정확도의 포지셔닝(positioning)(CM 레벨)을 위한 비용도 높다. 실제로 이 방법은 인간의 움직임을 포착하기에 적합하지 않으며 현재 주로 재고 추적 및 물류 관리에 사용되고 있다.
전자기장 방법은 두 종류의 전자기장 분석법을 포함한다. 첫 번째 방법은 장동장(nutation field)을 생성하기 위해 직류 자기장과 교류 전기장을 결합한다. DC 정자장(static field)의 사용으로 인해 이러한 방법은 측정 영역에서 금속의 간섭에 취약하다. 두 번째 방법은 3개의 주파수를 갖는 3차원 직교 안테나 그룹을 갖는 복잡한 트랜시버 시스템을 사용한다. 송신단의 3차원 직교형 안테나 그룹은 각각 수신단의 3차원 직교형 안테나 그룹에 의해 개별적으로 수신되는 주파수를 갖는 신호를 송신한다. 그 다음, 3개의 좌표축 상의 수신 안테나의 위치가 각각 계산되어 수신 안테나와 송신 안테나 사이의 거리 및 각도를 더 계산할 수 있다. 이러한 시스템은 강한 간섭 방지 능력을 갖지만, 그 구조가 복잡하고 계산 파라미터의 추출이 복잡하다. 또한, 이 시스템은 일반적인 엔터테인먼트용으로 사용하기에는 너무 비싸다(적어도 CNY 100,000). 요약하면, 이들 두 가지 방법에 대한 하나의 공통점은, 송신 안테나들이 추적된 인간과 독립적인 몇몇 장소에 배치되는 반면, 수신 안테나는 추적된 인간의 몸에 비콘(beacon)으로 배치된다는 것이다. 따라서, 추적 대상자는 송신 안테나의 특정 범위 내에 머물러야 하므로 추적 대상자의 움직임이 제한된다.
전술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 편리성, 신속한 응답, 저비용 및 단 한 번의 칼리브레이션(calibration)의 기술적 효과를 갖는 인간의 자세를 획득하는 방법 및 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은, 인간 자세를 얻는 방법을 제공하며, 다음과 같은 단계를 거친다.
제1 단계로서, 인간의 몸통에 설치된 하나 이상의 제1 유형의 전자기장 라디에이터들에 의해 하나 이상의 전자기 신호를 프로세서(process)에 전송하고, 인간의 팔다리에 설치된 하나 이상의 제2 유형의 전자기장 라디에이터들에 의해 하나 이상의 전자기장 신호들을 프로세서로 전송하는 단계;
제2 단계로서, 기준 좌표의 원점에 배치된 전자기장 라디에이터에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 수신 신호들의 전압 진폭의 차이를 측정하고, 상기 원점에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 좌표 정보를 계산하는 단계;
제3 단계로서, 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 사이의 거리 및 각도의 관계에 기초하여 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 운동 궤적을 획득하고, 운동 궤적에 기초한 좌표 변화를 계산함으로써 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터의 상기 원점에 대한 좌표 정보를 더 획득하는 단계; 및
제4 단계로서, 상기 원점에 대한 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 실시간 좌표 정보 및 상기 원점에 대한 제2 유형의 전자기장라디에이터들의 실시간 좌표 정보에 기초하여 인간 자세의 실시간 정보를 획득하는 단계;를 거친다.
본 발명의 원리는 다음과 같다. 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 및 제2 전자기장 라디에이터들이 인간 몸통 및 인간의 팔다리에 설치되고, 각각의 전자기장 라디에이터들은 다른 전자기장 라디에이터들에 신호들을 전송한다.
상기 신호들을 수신하는 전자기장 라디에이터들은 수신된 신호들을 상기 프로세서로 전송한다. 상기 프로세서는 기준 좌표의 원점에 배치된 전자기장 라디에이터들에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 수신된 신호의 전압 진폭의 차이를 측정한 다음 상기 원점에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 좌표 정보를 계산한다.
상기 프로세서는 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 제1유형의 전자기장 라디에이터들 사이의 거리 및 각도의 관계에 기초하여 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 운동 궤적을 획득한 다음, 상기 모션 궤적들에 기초하여 좌표 변화들을 계산함으로써 상기 원점에 대한 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 좌표 정보를 획득한다.
상기 프로세서는 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 원점에 대한 실시간 좌표 정보 및 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 원점에 대한 실시간 좌표정보에 기초하여 인간 자세의 실시간 정보를 획득한다.
상기 전자기장 라디에이터들은 신호를 전송 및 수신하는 데 사용된다. 예를 들어, 측정될 위치에 배치된 전자기장 라디에이터들은 송신 파형 발생 회로(transmit waveform generating circuit)에 의해 생성된 신호들을 주위에 방사시켜 국부적인 필드 분포(local field distribution)를 형성한다.
그 후, 측정 위치에 배치된 전자기장 라디에이터들이 상기 신호들을 수신한다. 상기 신호들은, 증폭 회로에 의해 증폭된 후, 데이터 수집 카드(data acquisition card)에 의해 수집되고, 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환된다. 디지털 필터링 후, 상기 디지털 신호들은 신호처리 회로로 전송되어 연산 과정(computing process)을 수행한다.
일반적으로, 상기 좌표의 원점은 실제 필요에 따라 설정될 수 있는 추적된 인간의 등(back)의 특정 포인트이다. 인간 자세의 변화는 상기 원점에 대한 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 좌표 변화 및 상기 원점에 대한 제2 유형의 전자기장 데이터들의 좌표 변화에 기초하여 얻어질 수 있다.
또한, 전자기장 라디에이터들 및 프로세서는 인체에 직접 또는 간접적으로 설치되며, 프로세서와 전자기장 라디에이터들 사이의 연결은 유선 또는 무선으로 이루어진다.
또한, 제1 단계에서, 기준 좌표의 원점에 배치된 전자기장 라디에이터들에 대한 제1 유형 전자기장 라디에이터들의 수신 신호들의 전압 진폭의 차이를 측정한 후, 전압 진폭과 좌표 사이의 대응 관계에 기초하여 상기 원점에 대한 상기 제1 유형 전자기장의 라디에이터들의 좌표 정보를 계산한다.
본 실시예에서, 제3 단계에서 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 사이의 거리 및 각도의 관계는, 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 거리 관계를 획득하고, 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 각도 관계를 획득하는 단계를 통하여 획득된다.
상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들 중 하나인 2H는 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터 중 2개인 2G 및 2F에 의해 수신되는 신호를 송신하고; 2G 및 2F에 의해 수신된 신호의 신호 강도가 측정되어 Vout2g 및 Vout2f를 얻는다. r 및 θ의 복수의 값은 Vout2g 및 Vout2f에 기초하여 계산되며, 여기서 r은 2H와 2G 사이의 거리를 의미하고, θ는 2H와 2G 사이의 각도를 의미한다. r과 θ의 복수의 값은 r과 θ의 사전에 설정된 제한범위에 따라 제한되어 결국 2H와 2G의 거리 관계와 각도 관계를 얻는다.
또한, r과 θ의 제한범위 조건은 전자기장 라디에이터들의 설치 위치에 해당하는 인간 관절의 동작 범위에 따라 결정된다. 운동 범위(인간 관절의 동작 범위)는 인간의 관절에 따라 다르며, 운동 생리 분석을 통해 얻을 수 있으나, 본 발명에서는 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명은 인간의 몸통에 설치된 복수의 제1 유형의 전자기장 라디에이터들, 인간의 팔다리에 설치된 복수의 제2유형의 전자기장 라디에이터들 및 프로세서를 포함하는 인간 자세를 얻는 시스템을 제공한다.
상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 및 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들 모두는 복수의 전자기 신호를 상기 프로세서에 송신하며, 상기 프로세서는 기준 좌표의 원점에 배치된 전자기장 라디에이터에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 수신 신호의 전압 진폭의 차이를 측정한 다음 상기 원점에 대한 제1유형의 전자기장 라디에이터들의 좌표 정보를 계산한다.
상기 프로세서는 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 사이의 거리 및 각도의 관계에 기초하여 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 운동 궤적을 획득한 다음, 상기 모션 궤적들에 기초하여 좌표 변화들을 계산함으로써 상기 원점에 대한 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 좌표 정보를 획득한다.
상기 프로세서는 상기 원점에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 실시간 좌표 정보 및 원점에 대한 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 실시간 좌표 정보를 기반으로 하여 인간의 자세에 관한 실시간 정보를 획득한다.
바람직하게는, 전자기장 라디에이터들 및 프로세서는 인체 상에 직접 또는 간접적으로 설치되며; 프로세서와 전자기장 라디에이터들 사이의 연결은 유선 또는 무선으로 이루어진다.
또한, 상기 프로세서는 상기 기준 좌표의 원점에 배치된 전자기장 라디에이터에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 수신 신호들의 전압 진폭의 차이를 측정 한 다음, 전압 진폭과 좌표 사이의 대응 관계에 기초하여 상기 원점에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 좌표 정보를 계산한다.
또한, 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 사이의 거리 및 각도의 관계는 상기 프로세서에 의해 얻어지며, 보다 상세하게는 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 거리 관계 및 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들과의 각도 관계가 얻어진다.
구체적으로, 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터 중 하나인 2H는 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 중 2개인 2G 및 2F에 의해 수신되는 신호를 송신하고; 2G 및 2F에 의해 수신된 신호의 신호 강도가 측정되어 Vout2g 및 Vout2f를 얻는다; r 및 θ의 복수의 값은 Vout2g 및 Vout2f에 기초하여 계산되며, 여기서 r은 2H와 2G 사이의 거리를 의미하고, θ는 2H와 2G 사이의 각도를 의미한다. r과 θ의 복수의 값은 r과 θ의 사전에 설정된 제한범위에 따라 제한되어 결국 2H와 2G의 거리 관계와 각도 관계를 얻는다.
바람직하게는, r 및 θ의 상기 제한범위는 전자기장 라디에이터들의 설치 위치에 대응하는 인간 관절들의 동작 범위에 의해 결정된다.
본 발명에서 제공되는 하나 이상의 기술 방식은 적어도 다음과 같은 기술적 효과 또는 이점을 갖는다.
본 발명에 따르면, 모든 소형 전자기장 라디에이터들이 추적 대상자의 신체에 배치되고 외부 장치가 필요 없기 때문에, 환경과는 독립적인 추적을 실현하여 편의성을 명백히 향상시킨다.
또한, 본 발명에 따르면, 오차 축적을 피하면서 위치 및 속도 정보의 절대 좌표를 추적함으로써 타이밍 칼리브레이션(calibration)을 위한 복잡한 프로세스를 피한다.
또한, 본 발명에 따르면, 종래 가속도계 및 나침반과 같은 광학적 방법 및 기계적인 구조들과 비교하여, 본 발명에 의해 채택된 전자기장의 측정은 광학 이미지 처리 시간 및 기계적 응답 시간을 회피하여 빠른 처리 속도를 갖는다. 한편, 본 발명에 따 른전체 시스템은 간단한 구성, 저렴한 하드웨어 및 단 한 번의 칼리브레이션(calibration)의 기술적인 효과가 있다.
상기 및 다른 목적들, 특징들 및 이점들을 당업자들에게 보다 용이하고 명백하게 하기 위해, 바람직한 실시예들 및 첨부 도면들과 함께 상세한 설명들이 다음의 설명들에 제시 될 것이다.
본 발명은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면을 검토한 후 당업자에게 보다 쉽게 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 제공되는 인간 자세를 얻는 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 제공되는 인간 자세를 얻는 시스템의 하드웨어 구성의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 제공된 전자기장 라디에이터들의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 이하의 설명은 단지 예시 및 설명을 목적으로 본 명세서에 제시된 것이다. 그것은 포괄적인 것으로 의도되거나, 공개된 형태로만 제한하려는 것이 아니다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 인간의 자세를 얻는 방법을 제공한다. 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:
인간의 몸통에 설치된 복수의 제1 유형의 전자기장 라디에이터들, 인간의 팔다리에 설치된 복수의 제2 유형의 전자기장라디에이터들 및 프로세서 중에서, 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 및 제2 유형의 전자기장 라디에이터들 모두는 복수의 전자기 신호들을 프로세서에 전송한다.
상기 프로세서는 기준 좌표의 원점에 배치된 전자기장 라디에이터에 대한 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 수신 신호의 전압 진폭의 차이를 측정한 다음 원점에 대한 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 좌표 정보를 계산한다.
상기 프로세서는 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 사이의 거리 및 각도의 관계에 기초하여 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 운동 궤적을 획득한 다음, 상기 모션 궤적들에 기초하여 좌표 변화들을 계산함으로써 상기 원점에 대한 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 좌표 정보를 획득한다.
상기 프로세서는 원점에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 실시간 좌표 정보 및 원점에 대한 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 실시간 좌표 정보를 기반으로 하여 인간의 자세에 관한 실시간 정보를 획득한다.
본 발명에 따른 전자기장 라디에이터들은 제1 유형의 전자기장 라디에이터들과 제2 유형의 전자기장 라디에이터들을 포함하며, 상기 전자기장 라디에이터들 각각은 신호 액세스(access)를 위한 액세스 포트(access port), 상기 액세스 포트와 그라운드(ground) 사이에 연결된 커패시턴스(capacitance), 상기 커패시턴스와 병렬로 접속된 코일, 상기 액세스 포트에 연결된 발진기(oscillator)를 포함한다. 액세스 포트는 케이블에 연결되어 신호가 케이블에서 공급되도록 한다.
따라서 전자기 에너지는 커패시턴스를 통해 코일과 발진기로 공급될 수 있다. 저주파 신호들은 주로 코일에서 방사되어 근거리장 분포(near field distribution)를 형성하는 반면, 고주파 신호들은 주로 발진기에서 방사되어 근거리장 분포(near field distribution)를 형성한다. 전자기장 라디에이터들은 케이블의 유도 전자기파를 근접 준-정적(quasi-stationary) 전자기장 분포(electromagnetic field distribution)로 변환하고, 저주파 신호들과 고주파 신호들을 동시에 공급할 수 있게 하여 주파수 차이가 큰 두 개의 주파수 스펙트럼 방사 구성 요소를 실현한다.
한편, 코일과 발진기는 주위의 준-정적 전자기장을 유도 전류로 변환할 수 있으며, 유도 전류는 케이블로 전달되어 수신 신호를 형성한다. 전술한 회로 구성은 단순하고 작을 뿐만 아니라, 무선 충전 코일과 NFC 안테나의 기술적 공백(Blank)를 채우면서, 최대 1미터까지 충분한 방사 거리를 얻기에 충분한 방사 영역을 제공한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 전자기장 라디에이터들은 액세스 포트(1), 커패시턴스(C), 코일(L) 및 발진기(2)를 포함하며, 액세스 포트(1)는 신호 액세스(access)를 위해 케이블에 연결되며, 캐패시턴스(C)는 액세스 포트(1)와 접지 사이에 접속되며, 코일(L)은 커패시턴스(C)와 병렬로 연결되며, 발진기(2)는 액세스 포트(1)에 접속된다.
신호가 케이블을 통해 액세스 되면 전자기파의 저주파 신호들과 고주파 신호들이 코일과 발진기에서 각각 방사되어 근거리장 분포(near field distribution)를 형성한다. 각각의 전자기장 라디에이터들은 커패시턴스와 접지 사이의 연결을 실현하기 위한 포트를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 포트는 접지된 하우징에 연결된다.
시스템의 하드웨어 구성은 도 2에 도시된다. 전자기장 라디에이터들은 추적 대상자의 몸 전체에 배치되고 케이블을 통해 프로세서에 연결된다. 전자기장 라디에이터들은 신호를 전송 및 수신하는 데 사용된다. 예를 들어, 측정될 위치에 배치된 전자기장 라디에이터들은 송신 파형 발생 회로(transmit waveform generating circuit)에 의해 생성된 신호들을 주위에 방사시켜 국부적인 필드 분포(local field distribution)를 형성한다.
그 후, 측정 위치에 배치된 전자기장 라디에이터들은 신호를 수신한다. 증폭 회로에 의해 증폭된 후, 신호는 데이터 수집 카드에 의해 수집되고 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환된다. 디지털 필터링 후, 디지털 신호는 신호 처리 회로로 전송되어 산술 처리 계산을 수행한다.
증폭 회로는 BJT 3극관을 시뮬레이션 함으로써 설립된 Infineon Corporation의 하이브리드 집적 회로를 사용한다. 데이터 수집 카드는 TI Corporation이 개발한 저비용 고정밀 A/D 칩을 사용한다.
필터링 프로세스는 프로세서 리소스에 의해 설정된 디지털 필터 소프트웨어를 사용하여 수행되고 소프트웨어로 처리된다. 신호 처리 회로는 ARM7 또는 ARM9 시리즈 칩 또는 Altera Corporation이 개발한 저비용 FPGA 시리즈 칩을 사용한다. 송신 파형은 주변 연산 증폭기 및 수정 발진기 회로와 함께 프로세서에 의해 생성된다.
전자기장 라디에이터들은 추적 대상자의 의복 또는 벨트 바인딩 장치에 배치된다. 상기 프로세서는 케이블을 통해 상기 전자기장 라디에이터들과 각각 연결되어 각 전자기장 라디에이터들에 의해 송수신되는 신호의 진폭 및 위상을 계산하고, 상기 두 전자기장 라디에이터들 사이의 거리 및 각도를 계산한다. 전자기장 라디에이터들 중 임의의 2개 사이의 모든 거리 및 각도가 결정된 후, 인체의 동작 자세가 또한 결정될 수 있다.
전자기장 라디에이터들의 상대 위치를 계산하는 알고리즘은 다음과 같다.
인간 몸통의 등 또는 가슴에 배치되는 대부분의 전자기장 라디에이터들은 제1 유형의 전자기장 라디에이터들이다. 제1 유형의 전자기장 라디에이터들은 등의 중앙 영역을 기준 좌표의 원점으로 사용한다. 몸체가 자연스러운 직립 상태에 있을 때, 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 각각의 초기 위치는 알려져 있다.
인간의 움직임의 과정에서, 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 상대 위치는 인간 몸통의 제한된 운동 범위로 인해 1차원 방향으로 변한다. 결과적으로, 기준 좌표의 원점에 배치된 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 중 하나에 대한 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 수신 신호의 전압 진폭의 차이를 측정함으로써, 원점에 대해 측정된 제1 유형의 전자기장 라디에이터 위치의 변화량이 직접 계산될 수 있다.
인간 몸통에 배치된 나머지 전자기장 라디에이터들 및 인간의 사지에 배치된 전자기장 라디에이터들은 제2 유형의 전자기장 라디에이터들이다. 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 운동 궤적은 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 사이의 거리 및 각도의 관계에 따라 결정된다. 이어서, 좌표 변화를 계산함으로써 제2 유형의 전자기장 라디에이터의 원점에 대한 좌표 정보를 획득할 수 있다.
제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 상대 위치 계산 방법은 다음과 같다.
전자기장 유도 전압의 계산식에 따른 수학식 1은 다음과 같다.
Figure 112018011207622-pat00001
상기 수학식 1에서, dB는 테슬라 단위의 자속 밀도 세그먼트를 나타내며, 여기서 1 테슬라는 평방 미터당 1 웨버(Wb/m2)와 동일하며, dl은 전류 방향에서의 전류 세그먼트를 나타내며,
Figure 112018011207622-pat00002
은 d1에서 포인트 P까지의 단위 벡터를 나타내며, R은 전류 세그먼트 d1에서 포인트 P까지의 거리를 나타내며, K는 비례 상수이다.
비오 사바르트(Biot-Savart)의 공간 자기장 법칙에 따르면, 공간의 특정 지점에 형성된 전류 세그먼트의 자속 밀도는 특정 포인트와 전류 세그먼트 사이의 거리의 제곱에 반비례하며 특정 포인트와 전류 세그먼트의 방향 사이에 끼인각(included angle)의 외적(cross product)에 비례한다.
맥스웰(maxwell) 방정식에서 패러데이 법칙의 적분 형태에 따라, 전자기장 라디에이터들(즉, 송신 전자기장 라디에이터) 중 하나에 의해 신호가 전송되고 다른 전자기장 라디에이터들(즉, 수신 전자기장 라디에이터) 중 어느 하나에 의해 신호가 수신되는 경우, 동일 주파수에서, 수신 전자기장 라디에이터에 의해 수신된 신호 강도(즉, 전압 진폭)는 송신 전자기장 라디에이터에 의해 생성된 수신 전자기장 라디에이터의 코일의 자속 밀도에 의해 결정된다.
신호 강도는 자속 밀도와 선형관계(직선적인 비례 관계)를 갖는다. 한편, 안테나의 형상과 코일의 권선은 일정하므로, 비오 사바르트(Biot-Savart) 법칙에 따라 적분하여 얻은 코일의 총 자속 밀도에 대한 이들의 기여도 또한 일정하다. 따라서 자속 밀도는 수신 전자기장 라디에이터와 송신 전자기장 라디에이터 사이의 거리와 각도에 의해서만 결정된다.
예를 들어, 대퇴부(thigh)에 배치된 제2 유형의 전자기장 라디에이터들 중 하나의 일련 번호는 2H이다. 2H가 추적될 때, 2H는 제1 유형의 전자기장 라디에이터 중 2개(2G, 2F)에 의해 수신된 신호들을 전송한다.
2G 및 2F에 비해 2H의 이동 범위는 인간의 관절 및 근육 동작에 의해 제한된다. 2G와 관련하여 2H는(대퇴부를 올리는 것과 측외반(lateral valgus) 운동에 따라) 4-8cm의 거리와 0-130 °의 각도 내에서만 움직일 수 있다. 비슷하게, 2F와 관련하여, 2H는(대퇴부를 올리는 것과 측외반(lateral valgus) 운동에 따라) 6-10cm의 거리와 0-130 °의 각도 내에서만 움직일 수 있다.
따라서, 전술한 이동 범위 내에서, 2G 및 2F가 2H로부터 송신된 신호를 수신할 때, 측정된 신호 강도(Vout2g, Vout2f)는 또한 2H 및 2G의 거리(r) 관계 및 끼인각(θ) 관계에 대응한다. 상기 관계는 다음 수학식 2와 같다.
Figure 112018011207622-pat00003
여기에서, r1은 2G와 2H 사이의 거리를 나타내고, θ1은 2G와 2H 사이의 각도를 나타내며, r2는 2F와 2H 사이의 거리를 나타내며, θ2는 2F와 2H 사이의 각도를 나타낸다.
f(r, θ)에 대한 계산식은 다음 수학식 3과 같다.
Figure 112018011207622-pat00004
상기 수학식 3에서, A는 각각의 전자기장 라디에이터들의 회로 구성과 관련된 상수인 전압 전달 계수를 의미하고, μ는 공기 투과율을 의미하며, N2는 송신 전자기장 라디에이터의 코일 권선을 의미하며, N1은 수신 전자기장 라디에이터의 코일의 권선을 의미하며, C1은 송신 코일 루프를 따른 적분을 의미하며, C2는 수신 코일 루프를 따른 적분을 의미하며, θ는 송신 코일과 수신 코일 사이 끼인각(included angle)을 의미하며, r은 전송 전류 세그먼트와 수신 전류 세그먼트 사이의 거리를 의미하며, dl1과 dl2는 적분 단위이다.　
상기 수학식 3을 고려하면, 사전에 알려진 위치 및 각도에 배치된 수신 전자기장 라디에이터의 전압 진폭이 계산될 수 있다. 수신 전자기장 라디에이터의 측정된 전압 진폭, Vout2g 및 Vout2f의 측정값, r 및 θ의 제한, 및 상기 수학식에 따라 계산된 위치/각도 전압 매트릭스를 사용하여, 시험 전압에 대한 평균 제곱근 오차(root mean square error)의 최소값을 갖는 매트릭스의 위치/각 포인트는 평균 제곱근 오차의 최소 기준인 Newton 최적화 방법으로 계산한다(종래 기술에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위한 Runge-Kutta 법과 같은 다양한 유사 알고리즘이 알려져 있다). 마지막으로, 2H의 r1, θ1, r2 및 θ2의 해당 매개 변수가 계산된다. 좌표 변환 후, 원점을 기준으로 한 2H의 실시간 좌표를 취득한다.
전자기장 라디에이터들 중 하나를 추적하기 위한 수신 전자기 라디에이터들의 양은 계산 효율이 낮을 때 증가될 수 있다.
다른 전자기장 라디에이터들의 위치 결정 방법은 위에서 설명한 방법과 유사하다. 다른 전자기장 라디에이터의 계산 동안, r과 θ의 제한범위는 전자기장 라디에이터가 위치하는 인간 관절의 이동 범위에 의해 결정된다.
운동 범위는 운동 생리학적 분석을 통해 얻을 수 있다. 등에 배치된 특정 고정 포인트(즉, 원점)에 대한 인간 동작의 마크 포인트들(즉, 전자기장 라디에이터들의 위치)의 전체(global) 절대 좌표는 모든 전자기장 라디에이터들의 상대 위치 관계의 결정과 함께 프로세서에 의해 획득될 수 있다.
시스템 사용 시, 추적 대상자는 보정 과정을 완료하기 위해 시스템에서 사용되는 표준 동작으로 시작한다. 이후, 추적된 사람은 추가 보정 프로세스 없이 자유롭게 움직일 수 있다.
본 발명의 현재 가장 실용적이고 바람직하다고 고려되는 실시예에 관하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정될 필요는 없다는 것을 이해하여야 한다. 반대로, 모든 변형 및 유사한 구조를 포함하도록 가장 넓은 해석과 일치하는 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 변형 및 유사한 배열을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (12)

  1. 인간의 몸통에 설치된 하나 이상의 제1 유형의 전자기장 라디에이터들에 의해 하나 이상의 전자기 신호를 프로세서에 전송하고, 인간의 팔다리에 설치된 하나 이상의 제2 유형의 전자기장 라디에이터들에 의해 하나 이상의 전자기장 신호들을 프로세서로 전송하는 제1 단계;
    기준 좌표의 원점에 배치된 전자기장 라디에이터에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 수신 신호들의 전압 진폭의 차이를 측정하고, 상기 원점에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 좌표 정보를 계산하는 제2 단계;
    상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 사이의 거리 및 각도의 관계에 기초하여 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 운동 궤적을 획득하고, 운동 궤적에 기초한 좌표 변화를 계산함으로써 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터의 상기 원점에 대한 좌표 정보를 더 획득하는 제3 단계; 및
    상기 원점에 대한 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 실시간 좌표 정보 및 상기 원점에 대한 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 실시간 좌표 정보에 기초하여 인간 자세의 실시간 정보를 획득하는 제4 단계;
    를 포함하는 인간 자세를 얻는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    전자기장 라디에이터들 및 프로세서는 인체에 직접 또는 간접적으로 설치되며, 프로세서와 전자기장 라디에이터들 사이는 유선 또는 무선으로 연결되는, 인간 자세를 얻는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단계에서, 상기 기준 좌표의 원점에 배치된 전자기장 라디에이터에 대한 상기 제1 유형 전자기장 라디에이터들의 수신 신호들의 전압 진폭의 차이를 측정한 후, 전압 진폭과 좌표 사이의 대응 관계에 기초하여 상기 원점에 대한 상기 제1 유형 전자기장 라디에이터들의 좌표 정보를 계산하는, 인간 자세를 얻는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 사이의 거리 및 각도의 관계는, 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 거리 관계를 획득하고, 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 각도 관계를 획득하는 단계를 통해 획득되며,
    상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들 중 하나인 2H는 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 중 2개인 2G 및 2F에 의해 수신되는 신호를 송신하고; 2G 및 2F에 의해 수신된 신호의 신호 강도가 측정되어 Vout2g 및 Vout2f를 얻으며; r 및 θ의 복수의 값은 Vout2g 및 Vout2f에 기초하여 계산되며(여기서, r은 2H와 2G 사이의 거리를 의미하고, θ는 2H와 2G 사이의 각도를 의미), r과 θ의 복수의 값은 r과 θ의 사전에 설정된 제한범위에 따라 제한됨으로써 2H와 2G의 거리 관계와 각도 관계를 얻는, 인간 자세를 얻는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    r과 θ의 상기 제한범위는 전자기장 라디에이터들의 설치 위치에 해당하는 인간 관절의 동작 범위에 따라 결정되는, 인간 자세를 얻는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전자기장 라디에이터들은 신호를 전송 및 수신하는 데 사용되며, 측정될 위치에 배치된 전자기장 라디에이터들은 송신 파형 발생 회로(transmit waveform generating circuit)에 의해 생성된 신호들을 주위에 방사시켜 국부적인 필드 분포(local field distribution)를 형성하며, 측정 위치에 배치된 전자기장 라디에이터들이 상기 신호들을 수신하며, 상기 신호들은 증폭 회로에 의해 증폭되며, 상기 신호들은 데이터 수집 카드(data acquisition card)에 의해 수집되고 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환되며, 디지털 필터링 후, 상기 디지털 신호들은 신호 처리 회로로 전송되어 연산 과정(computing process)을 수행하는, 인간 자세를 얻는 방법.
  7. 인간의 몸통에 설치된 복수의 제1 유형의 전자기장 라디에이터들; 인간의 팔다리에 설치된 복수의 제2 유형의 전자기장 라디에이터들; 및 프로세서;를 포함하며,
    상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 및 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들 모두는 복수의 전자기 신호를 상기 프로세서에 송신하며, 상기 프로세서는 기준 좌표의 원점에 배치된 전자기장 라디에이터에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 수신 신호들의 전압 진폭의 차이를 측정한 다음 상기 원점에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 좌표 정보를 계산하며,
    상기 프로세서는 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 사이의 거리 및 각도의 관계에 기초하여 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 운동 궤적을 획득한 다음, 상기 운동 궤적들에 기초하여 좌표 변화들을 계산함으로써 상기 원점에 대한 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 좌표 정보를 획득하며,
    상기 프로세서는 상기 원점에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 실시간 좌표 정보 및 상기 원점에 대한 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들의 실시간 좌표 정보를 기반으로 하여 상기 인간의 자세에 관한 실시간 정보를 획득하는, 인간 자세를 얻는 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    전자기장 라디에이터들 및 프로세서는 인체 상에 직접 또는 간접적으로 설치되며; 프로세서와 전자기장 라디에이터들 사이는 유선 또는 무선으로 연결되는, 인간 자세를 얻는 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 기준 좌표의 원점에 배치된 전자기장 라디에이터에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 수신 신호들의 전압 진폭의 차이를 측정 한 다음, 전압 진폭과 좌표 사이의 대응 관계에 기초하여 상기 원점에 대한 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 좌표 정보를 계산하는, 인간 자세를 얻는 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들 사이의 거리 및 각도의 관계는 상기 프로세서에 의해 얻어지며, 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터들의 거리 관계 및 상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터들과 제1 유형의 전자기장 라디에이터들과의 각도 관계가 얻어지며,
    상기 제2 유형의 전자기장 라디에이터 중 하나인 2H는 상기 제1 유형의 전자기장 라디에이터 중 2개인 2G 및 2F에 의해 수신되는 신호를 송신하고; 2G 및 2F에 의해 수신된 신호의 신호 강도가 측정되어 Vout2g 및 Vout2f를 얻으며; r 및 θ의 복수의 값은 Vout2g 및 Vout2f에 기초하여 계산되며(여기서, r은 2H와 2G 사이의 거리를 의미하고, θ는 2H와 2G 사이의 각도를 의미한다), r과 θ의 복수의 값은 r과 θ의 사전에 설정된 제한범위에 따라 제한되어 2H와 2G의 거리 관계와 각도 관계를 얻는, 인간 자세를 얻는 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    r 및 θ의 상기 제한범위는 전자기장 라디에이터들의 설치 위치에 대응하는 인간 관절들의 동작 범위에 의해 결정되는, 인간 자세를 얻는 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    증폭 회로, 데이터 수집 카드, 처리 회로 및 송신 파형 발생 회로(transmit waveform generating circuit)를 더 포함하고,
    전자기장 라디에이터들은 신호를 전송 및 수신하는 데 사용되며, 측정될 위치에 배치된 전자기장 라디에이터들은 상기 송신 파형 발생 회로(transmit waveform generating circuit)에 의해 생성된 신호들을 주위에 방사시켜 국부적인 필드 분포(local field distribution)를 형성하며, 측정 위치에 배치된 전자기장 라디에이터들이 상기 신호들을 수신하며, 상기 신호들은 상기 증폭 회로에 의해 증폭되며, 상기 신호들은 상기 데이터 수집 카드(data acquisition card)에 의해 수집되고 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환되며, 상기 디지털 신호들은 상기 처리 회로에 의해 디지털 필터링되며, 상기 디지털 신호들은 이후 상기 프로세서로 전송되어 연산 과정(computing process)을 수행하는, 인간 자세를 얻는 시스템.
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