KR102093349B1

KR102093349B1 - 넥밴드형 웨어러블 장치

Info

Publication number: KR102093349B1
Application number: KR1020180137177A
Authority: KR
Inventors: 김수경; 이건희; 윤인열
Original assignee: 김수경; 이건희; 윤인열
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2020-03-25

Abstract

본 발명은 넥밴드형 웨어러블 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 사용자의 목에 착용 가능한 웨어러블 디바이스를 기반으로 하여 졸음 판정 및 각성 효과 유도를 위한 장치로써, 관절부와 길이 조절부가 포함된 넥밴드 형태의 웨어러블 장치를 제공하여 사용자의 생체상태의 변화를 측정하고 이를 바탕으로 사용자의 졸음 상태를 판단하고, 졸음의 정도에 따라 졸음을 방지하기 위한 각성 자극을 사용자에게 전달할 수 있는 넥밴드형 웨어러블 장치에 관한 것이다.

Description

넥밴드형 웨어러블 장치{Neckband type wearable apparatus}

최근에 졸음의 측정이 중요한 문제로 대두되고 있으며, 이로 인하여 졸음을 측정하는 다양한 방법들이 제시되어 왔다.

기존의 졸음을 측정하는 방법은 주로 안구의 움직임, 눈꺼풀의 움직임, 목의 움직임 등 시각적인 자료에 의하여 진단되는 경우가 많았다.

그러나 이러한 방법에서의 가장 큰 문제점은 이미지를 얻지 못하면 분석을 할 수 없다는 점이 있다.

즉, 사용자가 선글라스를 쓰거나, 너무 밝거나, 어두운 경우에, 사용자의 정보를 획득할 때에 필요한 이미지를 제대로 획득할 수 없게 되어 실시간의 졸음 상태를 감지하지 못하는 단점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 다른 신체 기관보다 신경다발이 많아 자극에 민감하고 생체신호를 감지하기 쉬운 목에 플렉서블한 재질로 제작된 넥밴드를 착용하여 실시간 생체 신호를 감지하고, 이를 바탕으로 사용자의 졸음 상태를 판단하고, 졸음의 정도에 따라 졸음을 방지하기 위한 각성 자극을 사용자에게 바로 전달할 수 있는 넥밴드형 웨어러블 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 압전센서와 LED 및 광센서 시스템, 자이로스코프, 가속 센서의 멀티 시스템을 이용하여 정확한 졸음측정을 통해 사용자의 상태를 정확하게 감지할 수 있는 넥밴드형 웨어러블 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 압전센서 등을 사용하여 심박수를 측정함과 동시에 에너지를 생산하여 에너지 효율을 높이고, 1차적으로 압전센서 등를 통해 심박수를 연속적으로 측정하고, 이상신호가 감지되면 LED 및 광센서 시스템 및/또는 자이로스코프, 가속 센서 등과 같은 목 동작 상태 감지 센서를 추가적으로 사용하는 2단계 이상의 센서 감지 단계를 수행할 있는 넥밴드형 웨어러블 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 생체 신호를 감지한 후 졸음 상태 판별의 정확도를 높이기 위한 노이즈와 신호를 처리하는 회로 기술을 제공함과 아울러, 강도 조절이 가능한 진동모듈에 신호를 주어 자극에 민감한 목에 진동을 통해 높은 각성효과를 제공하는 넥밴드형 웨어러블 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 넥밴드형 웨어러블 장치는 사용자의 목에 착용하여 사용자의 졸음을 감지하고 각성시킬 수 있는 넥밴드형 웨어러블 장치로서, 사용자의 목에 착용되도록 일측이 개구된 원의 원호를 따라 형성되는 넥밴드 몸체부; 상기 넥밴드 몸체부에 설치되어 사용자의 심박수를 측정하는 심박수 측정부; 상기 넥밴드 몸체부에 설치되어 사용자의 혈중 산소 포화도를 측정하는 산소 포화도 측정부; 상기 넥밴드 몸체부에 설치되어 사용자의 목의 동작 상태를 측정하는 목 동작 상태 감지부; 상기 넥밴드 몸체부에 설치되어 사용자에게 자극을 제공하는 자극 제공부; 및 상기 넥밴드 몸체부의 내부에 구비되며, 상기 심박수 측정부를 통해 측정된 심박수 신호를 데이터로 변환하여 분석하고, 상기 산소 포화도 측정부를 통해 측정된 산소 포화도 신호를 데이터로 변환하여 분석하고, 상기 목 동작 상태 감지부를 통해 감지된 목 동작 상태 신호를 데이터로 변환하여 분석하되, 상기 심박수 측정부에서 심박수를 측정하여 일차적으로 졸음 상태로 판정된 경우에, 상기 산소 포화도 측정부에서 혈중 산소포화도를 측정한 뒤 측정된 신호를 처리하거나, 상기 목 동작 상태 감지부에서 감지된 목 동작 상태 신호를 처리하여 사용자의 졸음상태를 최종 감지한 후, 상기 자극 제공부에 자극 신호를 전송하여 진동자극을 사용자에게 제공하도록 하는 졸음 감지 및 자극 신호 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 일측이 개구된 원호형의 상기 넥밴드 몸체부는, 착용시에 사용자의 목을 기준을 후방 중앙에 대응되는 후면 관절부; 사용자의 목 전방 좌우에 대응되는 한 쌍의 측면 관절부; 및 그 단부에 형성되는 상기 심박수 측정부 및 산소 포화도 측정부를 각각 연결하여 길이를 조정할 수 있는 한 쌍의 길이 조절부를 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

또한, 상기 넥밴드 몸체부의 내부에 구비되어 상기 졸음 감지 및 자극 신호 제어부의 제어에 따라 상기 심박수 측정부, 상기 산소 포화도 측정부, 목 동작 상태 감지부; 및 상기 자극 제공부의 동작에 필요한 전원을 공급하는 전원 제공부를 더 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

또한, 상기 심박수 측정부 및 상기 산소 포화도 측정부는 일측이 개구된 원호형의 상기 넥밴드 몸체부의 양단부 중 적어도 어느 하나에 설치되어 사용자의 착용시 경동맥이 지나가 맥박이 크게 뛰는 곳인 사용자의 목 전방측에 대응되며, 상기 목 동작 상태 감지부 및 자극 제공부는 일측이 개구된 원호형의 넥밴드 몸체부의 중앙부에 설치되어 사용자의 착용시 신경이 지나가는 곳이면서 목의 움직임이 큰 사용자의 목 후방측에 대응되도록 함이 바람직하다.

또한, 상기 심박수 측정부는 압전센서를 사용하며 상기 압전센서를 통해 심박수를 측정함과 동시에 전력을 생산하여 상기 전원 제공부에 공급하며, 상기 산소 포화도 측정부는 2가지 파장의 광을 사용자의 목(피부)으로 발광하는 LED와, 사용자의 피부로부터 반사되는 광의 흡광도 변화를 센싱하는 광센서를 포함하여 이루어지고, 상기 목 동작 상태 감지부는 상기 넥밴드 몸체부에 설치되어 사용자의 목의 움직임을 측정하는 가속도 측정부로서의 자이로스코프와 상기 넥밴드 몸체부에 설치되어 사용자 목의 기울기를 측정하는 기울기 측정부로서의 가속도 센서를 포함하여 이루어져, 일차적으로 상기 압전 센서를 이용하여 측정된 심박수 값이 낮아져 졸음 상태로 감지하는 경우, 이차적으로 사용자의 혈관의 확장 상태에 따라 상기 LED로부터 받는 빛의 양의 변화를 상기 광센서가 측정하여 심박수를 재측정하여 상기 압전 센서에서 측정된 값을 보정하거나, 상기 광센서가 사용자의 피부로부터 반사되는 두 파장의 광의 흡광도 변화를 센싱하여 전기적으로 신호로 변환하여 산소포화도를 측정하거나, 상기 자이로스코프 및 가속도 센서를 통해 사용자의 목 동작 상태변화를 파악하여 비이상적인 움직임을 감지함이 바람직하다.

또한, 사용자의 졸음을 감지하고 각성시킬 수 있는 상기 넥밴드형 웨어러블 장치의 회로 구성은, 사용자의 심박수의 주파수를 갖는 신호가 발생하여 출력하도록 하는 상기 심박수 측정부로서의 압전 센서; 상기 압전 센서의 출력단에 연결되어 입력되는 주파수 신호에 따라 전압 감쇄 신호를 발생시키는 피크 감지기; 상기 피크 감지기의 출력단에 연결되어 상기 피크 감지기의 출력 전압과 기준 전압을 비교하여 기준 전압 이하인 경우에 변화되는 전압을 출력하는 전압 비교기; 및 상기 전압 비교기로부터 출력되는 전압이 변화되는 경우에 슬립 모드 상태인 졸음 감지 및 자극 신호 제어부를 구동 모드로 변환시켜 상기 산소 포화도 측정부, 상기 목 동작 상태 감지부, 및 상기 자극 제공부를 구동시키도록 전원을 제공하도록 하는 마이크로 컨트롤 유닛 인터럽트 핀을 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

또한, 상기 피크 감지기는 상기 압전 센서의 출력단에 연결되는 다이오드 소자와, 상기 다이오드 소자와 자신의 출력단 사이에 병렬연결된 저항과 커패시터 소자와 전기적으로 연결되어 접지(그라운드)되는 구조이고, 상기 전압 비교기는 하나의 입력단자로는 상기 피크 감지기의 출력단에 연결되어 상기 피크 감지기의 출력 전압을 입력받고 다른 입력단자로는 그라운드로 연결되는 배터리를 통해 기준 전압을 입력받는 오피 앰프(op-amp) 소자로 이루어져 그 출력단자는 마이크로 컨트롤 유닛 인터럽트 핀으로 연결되어 상기 산소 포화도 측정부 및 상기 자극 제공부의 구동 여부 제어 신호를 전달함이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 넥밴드형 웨어러블 장치에 의하면, 사용자가 졸음이 오지만 졸면 안 되는 상황에서 사용자의 심박수와 산소 포화도와 같은 생체 신호를 감지하여 졸음을 실시간으로 감지하고 진동 자극을 통해 사용자의 졸음을 방지할 수 있는 확실한 장점이 있다.

또한, 졸음을 판별하는 방식을 전력을 거의 소모하지 않는 압전 센서 등을 이용한 심박수 감지와 광 센서를 이용한 산소 포화도 센서 및/또는 자이로스코프, 가속 센서 등과 같은 목 동작 상태 감지 센서를 이용하여 다단계 판별 방식을 통해 전력 소모를 줄이고 신경 다발이 많은 목 부분에 진동 자극을 가함으로써, 뛰어난 각성 효과를 갖는 장점도 있다.

또한, 압전센서 등을 사용하여 심박수를 측정함과 동시에 에너지를 생산하여 에너지 효율을 보다 제고(提高)할 수 있는 장점도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치의 외관을 개략적으로 나타내는 외관 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치의 산소 포화도 측정부를 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 4는 압전 센서의 저항특성 평가 및 심박수 측정 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치의 심박수 측정에 의한 회로 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치의 심박수 측정에 의한 회로 동작을 나타내는 설명도이다.

본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

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 "구비하다", "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.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치의 외관을 개략적으로 나타내는 외관 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치의 산소 포화도 측정부를 개략적으로 나타내는 모식도이고, 도 4는 압전 센서의 저항특성 평가 및 심박수 측정 개념도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치(100)는, 사용자의 목에 착용하여 사용자의 졸음을 감지하고 각성시킬 수 있는 넥밴드형 웨어러블 장치로서, 사용자의 목에 착용되도록 개구된 원의 원호를 따라 형성되는 플렉시블한 넥밴드 몸체부(10); 상기 넥밴드 몸체부(10)에 설치되어 사용자의 심박수를 측정하는 심박수 측정부(20); 상기 넥밴드 몸체부(10)에 설치되어 사용자의 혈중 산소 포화도를 측정하는 산소 포화도 측정부(30); 상기 넥밴드 몸체부(10)에 설치되어 사용자의 목의 동작 상태를 측정하는 목 동작 상태 감지부(90); 상기 넥밴드 몸체부(10)에 설치되어 사용자에게 자극을 제공하는 자극 제공부(40); 및 상기 넥밴드 몸체부(10)의 내부에 구비되며, 상기 심박수 측정부(20)를 통해 측정된 심박수 신호를 데이터로 변환하여 분석하고, 상기 산소 포화도 측정부(30)를 통해 측정된 산소 포화도 신호를 데이터로 변환하여 분석하고, 상기 목 동작 상태 감지부(90)를 통해 감지된 목 동작 상태 신호를 데이터로 변환하여 분석하여 사용자의 졸음 상태를 감지하여 졸음 상태로 감지한 경우, 상기 자극 제공부(40)에 자극 신호를 주도록 제어하는 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 일 실시예에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치(100)에서 일측이 개구된 원호형의 넥밴드 몸체부(10)는, 착용시에 사용자의 목을 기준을 후방 중앙에 대응되는 후면 관절부(60)와, 사용자의 목 전방 좌우에 대응되는 한 쌍의 측면 관절부(61)를 더 포함하여 이루어진다.

또한, 넥밴드 몸체부(10)는 그 단부에 형성되는 측정부로서의 심박수 측정부(20) 및 산소 포화도 측정부(30)를 연결하여 길이를 조정할 수 있는 한 쌍의 길이 조절부(70)를 더 포함하여 이루어진다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치(100)는, 넥밴드 몸체부(10)의 내부에 구비되어 상기 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)의 제어에 따라 상기 심박수 측정부(20), 산소 포화도 측정부(30), 및 자극 제공부(40)의 동작에 필요한 전원을 공급하는 전원 제공부(80)를 더 포함하여 이루어진다.

또한, 통신부(미도시)를 구비하여 후술하는 도 4의 설명에서와 같이, 외부의 PC 또는 스마트폰 등과 통신 연결되어 실시간으로 측정되는 심박수 측정값, 산소 포화도 측정값, 그리고 변화값 등을 전송할 수 있도록 되어 있다. 이때, 근거리 통신(short range communication) 기술로 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), UWB(Ultra Wideband), ZigBee 등이 이용될 수 있다.

상기 몸체부(10)는 플렉시블한 재질로 이루어지며, 본 발명에 있어 플렉서블한 필라멘트를 이용하여 제품의 외관을 3D 프린팅하는 기술에 의해 제공될 수 있다.

상기 심박수 측정부(20)는 사용자의 심박수를 측정하는 것으로, 바람직하게는 일측이 개구된 원호형의 넥밴드 몸체부(10)의 단부(양단부 중 적어도 어느 하나)에 설치하여, 사용자의 착용시 경동맥이 지나가 맥박이 크게 뛰는 곳인 사용자의 목 전방측에 대응되도록 하여 높은 심박수 정확도를 갖도록 한다.

상기 심박수 측정부(20)는 넥밴드 몸체부(10)의 해당 부분은 신체와의 밀착도(접착성)를 높이기 위한 소재를 사용하여 사용자의 움직임에 영향을 받지 않으며 외부의 노이즈를 줄여 높은 정확도를 가지도록 함이 바람직하다. 여기서, 신체와의 밀착도(접착성)를 높이기 위한 소재는 아가로스나 HA 등으로 이루어지는 하이드로겔(hydrogel)을 사용함이 바람직하다.

상기 심박수 측정부(20)는 압전센서를 사용함이 바람직하다. 즉, 상기 압전센서는 작은 사이즈로 측정부에 들어가 목에서 심박수를 측정함과 동시에 전력을 생산하여 상기 전원 제공부(80)에 공급함으로써, 소형화와 함께 높은 에너지 효율을 모두 만족시키게 된다. 물론, 압전센서 외에도 압력 센서나 인장 센서 등을 사용할 수도 있다.

즉, 심박수 측정부(20)에 사용되는 압전센서는 심박수를 측정함과 동시에 수 μW에서 Mw 수준의 전력을 생산하여 전원 제공부(80)에 공급하여 넥밴드형 웨어러블 장치의 구동에 사용된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 압전 센서의 저항변화(주파수 신호 변화)를 측정하기 위해, 외부 측정부에 센서를 연결하고 PC 또는 스마트폰을 통해 입력 전압을 일정하게 걸어주며 목에서의 심박수 변화를 측정할 수 있다. 물론, 이러한 심박수 변화 측정은 외부에서 PC 또는 스마트폰을 통해 이루어지도록 할 수 있으나, 자체의 장비(equipment)에서 실시간 자동 측정에 의해 심박수가 측정되고, 이를 토대로 분석하여 제어하도록 함이 바람직하다.

상기 심박수 측정부(20)에 사용되는 압전센서는 사용자의 목에 부착하여 맥박을 측정할 수 있는 필름형 센서로 5 mm 이하의 소형화된 사이즈를 갖는 것이 바람직하다.

상기 압전센서는 1 kΩ ~47 kΩ사이의 풀다운 저항을 연결 후 평상시 (분당 60회, 압력 100Pa 내외)와 운동 후(분당 100회, 압력 300~400Pa), 수면(분당 50회, 압력 70 Pa 내외)의 맥박 변화를 측정한다.

상기 산소 포화도 측정부(30)는 사용자의 혈중 산소 포화도를 측정하는 것으로, 바람직하게는 상기 심박수 측정부(20)와 동일하게 일측이 개구된 원호형의 넥밴드 몸체부(10)의 단부(양단부 중 적어도 어느 하나)에 설치하여, 사용자의 착용시 경동맥이 지나는 부분인 사용자의 목 전방측에 대응되도록 하여 혈중 산소 포화도 정확도를 갖도록 한다.

상기 산소 포화도 측정부(30)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 2가지 파장의 광을 사용자의 목(피부)으로 발광하는 LED(31)와 사용자의 피부로 부터 반사되는 광의 흡광도 변화를 센싱하는 광센서(32)을 포함하여 이루어져 사용자의 산소 포화도를 측정 할 수 있다.

상기 목 동작 상태 감지부(90)는 사용자의 목 동작 상태 신호를 데이터로 변환하여 분석하는 역할을 수행하는 것으로, 상기 넥밴드 몸체부(10)에 설치되어 사용자의 목의 움직임을 측정하는 가속도 측정부로서의 자이로스코프와 상기 넥밴드 몸체부에 설치되어 사용자 목의 기울기를 측정하는 기울기 측정부로서의 가속도 센서를 포함하여 이루어진다.

즉, 상기 목 동작 상태 감지부(90)는 가속센서와 자이로스코프 등을 이용하여 사용자가 졸음으로 인하여 발생하는 사용자의 머리(목)의 움직임과 목의 기울기를 측정하여 상기 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)에서 기설정되 기준값과 비교하여 사용자의 졸음 상태를 판별하게 된다.

상기 목 동작 상태 감지부(90)는 목의 움직임이 큰 사용자의 목 후방측에 대응되도록 설치함이 보다 효율적이다.

여기서, 상기 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)는 졸음의 판별에 있어, 전력을 거의 소모하지 않는 심박수 측정부(20)로서의 압전 센서를 이용하여 사용자의 심박수를 감지하여 일차적으로 졸음 상태로 감지한 경우에, 이차적으로 광센서(32)를 이용한 산소 포화도 측정부(30)를 통해 심박수 또는 산소 포화도를 측정하고, 상기 목 동작 상태 감지부(90)의 가속센서와 자이로스코프를 이용하여 사용자의 머리(목)의 동작 상태를 감지함으로써, 보다 더 정확한 사용자의 졸음 상태를 확인하도록 되어 있다.

즉, 일차적으로 압전 센서를 이용하여 측정된 심박수 값이 낮아져 졸음 상태로 감지하게 되지만, 이러한 압전 센서의 측정값이 접촉 문제 등에 의해 비 이상적으로 낮아지는 경우도 발생할 수 있으므로, 이차적으로 광센서(32)를 이용하여 심박수를 다시 측정하여 보정하거나, 산소 포화도 측정부(30)를 통해 산소 포화도를 측정하도록 하거나, 상기 자이로스코프 및 가속도 센서를 통해 사용자의 목 동작 상태변화를 파악하고 비이상적인 움직임을 감지하여 최종 졸음 상태를 최소 2단계 이상의 다단계로 확인하게 되는 것이다.

이때, 광센서(32)를 이용한 심박수의 재측정은 혈관의 확장 상태에 따라 LED(31)로부터 받는 빛의 양이 변화를 광센서(32)가 측정하여 심박수를 측정하게 되고 이에 따라 압전 센서에서 측정된 값을 보정할 수 있게 된다.

여기서, 산소 포화도의 측정의 경우에는, 상기 LED(31)는 2가지 파장의 광(LED 파장의 범위는 500nm~1200nm)을 이용하고, 상기 광센서(32)는 사용자의 피부로 부터 반사되는 두 파장의 광의 흡광도 변화를 센싱하여 전기적으로 신호로 변환하여 산소포화도를 측정하고, 상기 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)는 측정된 산소 포화도가 정상 수치보다 특정 값 이상 낮으면 사용자가 졸음 상태인 것으로 최종 판단할 수 있다.

상기 자극 제공부(40)는 사용자에게 자극을 제공하는 역할을 수행하는 것으로, 바람직하게는 일측이 개구된 원호형의 넥밴드 몸체부(10)의 중앙부에 설치하여 사용자의 착용시 신경이 지나가는 곳이 사용자의 목 후방측 대응되도록 하여 자극에 대한 민감도를 높히도록 한다.

상기 자극 제공부(40)는 강도 조절이 가능한 진동모터가 장착되어 있으며, 신경다발이 많은 목 뒤쪽에 위치하여 각성효과를 높이고, 사용자가 진동세기 조절이 가능하도록 되어 있다.

여기서, 상기 진동 모터는 직경 6mm 이하, 길이 10mm 이하의 모터를 사용함이 소형화를 위해 보다 바람직하다.

여기서, 각성을 위한 상기 자극 제공부(40)의 자극으로서, 진동모터를 이용한 진동 자극의 예를 들고 있으나, 추가적으로 전기 자극 및/또는 온도 자극 등의 자극 요소도 포함될 수 있음은 물론이다. 이때, 전기 자극과 온도 자극은 센서(sensor) 없이 동작이 되며, 전기자극을 일으키는 모듈은 두 개의 전극으로 이루어져 있으며, 두 전극 사이 흐르는 전류는 0.5~1mA로 한다. 이때, 온도 자극은 사용자의 수면 정도에 따라 35~20℃까지 변화되도로 함이 가장 효과적이다.

이와 같이 하여, 상기 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)는 심박수 측정부(20)에서 압전센서를 이용하여 심박수를 측정하여 일차적으로 졸음 상태로 판정된 경우에, 상기 산소 포화도 측정부(30)에서 LED(31) 및 광센서(32)를 이용하여 혈중 산소포화도를 측정하고, 상기 목 동작 상태 감지부(90)의 가속센서 및/또는 자이로스코프를 이용하여 사용자가 졸음으로 인하여 발생하는 목의 움직임과 목의 기울기를 측정하고, 측정된 신호들를 처리하여 사용자의 졸음상태를 최종 감지한 후, 상기 자극 제공부(40)에 신호를 전송하여 진동자극을 사용자에게 전달하여 각성시키도록 하게 되는 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치의 심박수 측정에 의한 회로 구성도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치의 심박수 측정에 의한 회로 동작을 나타내는 설명도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치의 심박수 측정에 의한 회로 구성은, 사용자의 심박수의 주파수를 갖는 신호가 발생하여 출력하도록 하는 심박수 측정부(20)로서의 압전 센서; 상기 압전 센서의 출력단에 연결되어 입력되는 주파수 신호에 따라 전압 감쇄 신호를 발생시키는 피크 감지기(51); 상기 피크 감지기(51)의 출력단에 연결되어 상기 피크 감지기(51)의 출력 전압과 기준 전압을 비교하여 기준 전압 이하인 경우에 변화되는 전압을 출력하는 전압 비교기(52); 및 상기 전압 비교기(52)로부터 출력되는 전압이 변화되는 경우에 슬립 모드 상태인 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)를 구동 모드로 변환시켜 상기 산소 포화도 측정부(30) 및/또는 상기 자극 제공부(40)를 구동시키도록 전원을 제공하도록 하는 마이크로 컨트롤 유닛 인터럽트 핀(53)을 포함하여 이루어진다.

상기 피크 감지기(51)는 상기 압전 센서의 출력단에 연결되는 다이오드 소자와, 상기 다이오드 소자와 자신의 출력단 사이에 병렬연결된 저항과 커패시터 소자와 전기적으로 연결되어 접지(그라운드)되는 구조로 되어 있다.

상기 전압 비교기(52)는 하나의 입력단자로는 상기 피크 감지기(51)의 출력단에 연결되어 상기 피크 감지기(51)의 출력 전압을 입력받고 다른 입력단자로는 그라운드로 연결되는 배터리를 통해 기준 전압을 입력받는 OP 앰프(op-amp) 소자로 이루어져 그 출력단자는 마이크로 컨트롤 유닛 인터럽트 핀(53)으로 연결되어 상기 산소 포화도 측정부(30) 및/또는 상기 자극 제공부(40)의 구동 여부 제어 신호를 전달하도록 되어 있다.

즉, 심박수 측정부(20)로서의 압전 센서와 산소 포화도 측정부(30)의 광 센서(31)의 전원은 전원 제공부(80)의 배터리를 통해 공급받고, 압전 센서의 출력은 주파수의 변화를 감지해내는 상기 회로 구성을 통해 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)의 마이크로 컨트롤 유닛 인터럽트 핀(53)과 연결된다. 사용자의 졸음에 의해 심박수가 낮아져 압전 센서의 주파수가 일정 크기 이하로 줄어들 경우, 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)의 마이크로 컨트롤 유닛 인터럽트 핀(53)의 전압 변화를 발생시켜 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)을 저전력을 사용하는 슬립 모드에서 일반 모드(구동 모드)로 변화시키게 되는 것이다.

여기서, 일반 모드로 전환된 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)는 출력핀을 통해 산소 포화도 측정부(30)의 LED(31)와 광 센서에(32) 전원을 공급하고, 광 센서(32)의 출력을 통해 사용자의 산소 포화도를 측정한다. 산소 포화도와 심박수 신호를 분석하여 최종 졸음을 판별하고 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)는 연결된 자극 제공부(40)의 진동 모듈을 작동하여 사용자의 졸음을 방지한다.

이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 심박수 측정부(20)로서의 압전 센서로부터 평상시 사용자의 심박수의 주파수를 갖는 신호가 발생한다. 그 신호는 피크 감지기(51)를 통해 일정 DC 값을 유지하지만, 이 때 압전 센서로부터 나오는 신호가 0V인 경우 피크 감지기(51)를 구성하는 회로의 저항과 커패시터 크기에 따라 감쇄하는 신호가 발생한다. 하지만, 일정 주파수 이상의 신호일 경우 전압 신호가 빠르게 복원되어 전압 비교기(52)의 기준 전압 아래로 전압이 내려가지 않고 따라서 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)의 인터럽트 핀(53)에는 일정한 크기의 전압이 공급된다.

한편, 졸음 시에는 도 6에 도시된 바와 같이, 낮은 심박수로 인해 압전 센서로부터 나오는 신호의 주파수가 낮고, 따라서 피크 감지기(51)에서의 감쇄가 길게 나타나 피크 감지기(51)의 출력 전압이 전압 비교기의 기준 전압보다 낮아지는 순간이 발생한다. 이때, 전압 비교기(52)의 출력에는 0V의 신호가 순간적으로 발생하고 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)의 인터럽트 핀(53)에 전해지는 전압이 변하게 되고 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)는 슬립 모드에서 깨어나 동작하게 되는 것이다.

이와 같이, 슬립 모드에서 일반 모드(구동 모드)로 전환된 경우, 졸음 감지 및 자극 신호 제어부(50)는 전원 제공부(80)를 동작시켜 산소 포화도 측정부(30)의 LED(31)와 광 센서(32)에 전원을 공급하여 산소 포화도와 심박수 신호를 분석하고, 또 상기 목 동작 상태 감지부(90)의 가속센서 및/또는 자이로스코프에 전원을 공급하여 사용자의 머리(목)의 동작 상태의 비이상적인 움직임을 감지하여, 최소 2단계 이상의 졸음 감지를 통해 최종 졸음을 판별하여 자극 제공부(40)의 진동 모듈을 작동하여 사용자의 졸음을 방지하도록 동작하게 되는 것이다.

이상에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다.

그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적

사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

100 : 본 발명에 의한 넥밴드형 웨어러블 장치
10 : 넥밴드 몸체부
20 : 심박수 측정부
30 : 산소 포화도 측정부
31 : LED 32 : 광센서
40 : 자극 제공부
50 : 졸음 감지 및 자극 신호 제어부
51 : 피크 감지기 52 : 전압 비교기
53 : 인터럽트 핀
60 : 후면 관절부
61 : 한 쌍의 측면 관절부
70 : 한 쌍의 길이 조절부
80 : 전원 제공부
90 : 목 동작 상태 감지부

Claims

사용자의 목에 착용하여 사용자의 졸음을 감지하고 각성시킬 수 있는 넥밴드형 웨어러블 장치로서,
사용자의 목에 착용되도록 일측이 개구된 원의 원호를 따라 형성되는 넥밴드 몸체부;
상기 넥밴드 몸체부에 설치되어 사용자의 심박수를 측정하는 심박수 측정부;
상기 넥밴드 몸체부에 설치되어 사용자의 혈중 산소 포화도를 측정하는 산소 포화도 측정부;
상기 넥밴드 몸체부에 설치되어 사용자의 목의 동작 상태를 측정하는 목 동작 상태 감지부;
상기 넥밴드 몸체부에 설치되어 사용자에게 자극을 제공하는 자극 제공부; 및
상기 넥밴드 몸체부의 내부에 구비되며, 상기 심박수 측정부를 통해 측정된 심박수 신호를 데이터로 변환하여 분석하고, 상기 산소 포화도 측정부를 통해 측정된 산소 포화도 신호를 데이터로 변환하여 분석하고, 상기 목 동작 상태 감지부를 통해 감지된 목 동작 상태 신호를 데이터로 변환하여 분석하되, 상기 심박수 측정부에서 심박수를 측정하여 일차적으로 졸음 상태로 판정된 경우에, 상기 산소 포화도 측정부에서 혈중 산소포화도를 측정한 뒤 측정된 신호를 처리하거나, 상기 목 동작 상태 감지부에서 감지된 목 동작 상태 신호를 처리하여 사용자의 졸음상태를 최종 감지한 후, 상기 자극 제공부에 자극 신호를 전송하여 진동자극을 사용자에게 제공하도록 하는 졸음 감지 및 자극 신호 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 넥밴드형 웨어러블 장치.
제 1 항에 있어서,
일측이 개구된 원호형의 상기 넥밴드 몸체부는,
착용시에 사용자의 목을 기준을 후방 중앙에 대응되는 후면 관절부;
사용자의 목 전방 좌우에 대응되는 한 쌍의 측면 관절부; 및
그 단부에 형성되는 상기 심박수 측정부 및 산소 포화도 측정부를 각각 연결하여 길이를 조정할 수 있는 한 쌍의 길이 조절부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 넥밴드형 웨어러블 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 넥밴드 몸체부의 내부에 구비되어 상기 졸음 감지 및 자극 신호 제어부의 제어에 따라 상기 심박수 측정부, 상기 산소 포화도 측정부, 상기 목 동작 상태 감지부, 및 상기 자극 제공부의 동작에 필요한 전원을 공급하는 전원 제공부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 넥밴드형 웨어러블 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 심박수 측정부 및 상기 산소 포화도 측정부는 일측이 개구된 원호형의 상기 넥밴드 몸체부의 양단부 중 적어도 어느 하나에 설치되어 사용자의 착용시 경동맥이 지나가 맥박이 크게 뛰는 곳인 사용자의 목 전방측에 대응되며,
상기 목 동작 상태 감지부 및 자극 제공부는 일측이 개구된 원호형의 넥밴드 몸체부의 중앙부에 설치되어 사용자의 착용시 신경이 지나가는 곳이면서 목의 움직임이 큰 사용자의 목 후방측에 대응되도록 하는 것을 특징으로 하는 넥밴드형 웨어러블 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 심박수 측정부는 압전센서를 사용하며 상기 압전센서를 통해 심박수를 측정함과 동시에 전력을 생산하여 상기 전원 제공부에 공급하며,
상기 산소 포화도 측정부는 2가지 파장의 광을 사용자의 목(피부)으로 발광하는 LED와, 사용자의 피부로부터 반사되는 광의 흡광도 변화를 센싱하는 광센서를 포함하여 이루어지고,
상기 목 동작 상태 감지부는 상기 넥밴드 몸체부에 설치되어 사용자의 목의 움직임을 측정하는 가속도 측정부로서의 자이로스코프와 상기 넥밴드 몸체부에 설치되어 사용자 목의 기울기를 측정하는 기울기 측정부로서의 가속도 센서를 포함하여 이루어져,
일차적으로 상기 압전 센서를 이용하여 측정된 심박수 값이 낮아져 졸음 상태로 감지하는 경우, 이차적으로 사용자의 혈관의 확장 상태에 따라 상기 LED로부터 받는 빛의 양의 변화를 상기 광센서가 측정하여 심박수를 재측정하여 상기 압전 센서에서 측정된 값을 보정하거나, 상기 광센서가 사용자의 피부로부터 반사되는 두 파장의 광의 흡광도 변화를 센싱하여 전기적으로 신호로 변환하여 산소포화도를 측정하거나, 상기 자이로스코프 및 가속도 센서를 통해 사용자의 목 동작 상태변화를 파악하여 비이상적인 움직임을 감지하는 것을 특징으로 하는 넥밴드형 웨어러블 장치.
제 5 항에 있어서,
사용자의 졸음을 감지하고 각성시킬 수 있는 상기 넥밴드형 웨어러블 장치의 회로 구성은,
사용자의 심박수의 주파수를 갖는 신호가 발생하여 출력하도록 하는 상기 심박수 측정부로서의 압전 센서;
상기 압전 센서의 출력단에 연결되어 입력되는 주파수 신호에 따라 전압 감쇄 신호를 발생시키는 피크 감지기;
상기 피크 감지기의 출력단에 연결되어 상기 피크 감지기의 출력 전압과 기준 전압을 비교하여 기준 전압 이하인 경우에 변화되는 전압을 출력하는 전압 비교기; 및
상기 전압 비교기로부터 출력되는 전압이 변화되는 경우에 슬립 모드 상태인 졸음 감지 및 자극 신호 제어부를 구동 모드로 변환시켜 상기 산소 포화도 측정부, 상기 목 동작 상태 감지부, 및 상기 자극 제공부를 구동시키도록 전원을 제공하도록 하는 마이크로 컨트롤 유닛 인터럽트 핀을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 넥밴드형 웨어러블 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 피크 감지기는 상기 압전 센서의 출력단에 연결되는 다이오드 소자와, 상기 다이오드 소자와 자신의 출력단 사이에 병렬연결된 저항과 커패시터 소자와 전기적으로 연결되어 접지(그라운드)되는 구조이고,
상기 전압 비교기는 하나의 입력단자로는 상기 피크 감지기의 출력단에 연결되어 상기 피크 감지기의 출력 전압을 입력받고 다른 입력단자로는 그라운드로 연결되는 배터리를 통해 기준 전압을 입력받는 오피 앰프(op-amp) 소자로 이루어져 그 출력단자는 마이크로 컨트롤 유닛 인터럽트 핀으로 연결되어 상기 산소 포화도 측정부 및 상기 자극 제공부의 구동 여부 제어 신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 넥밴드형 웨어러블 장치.