KR102302719B1 - Apparatus and method for classification of gait type by performing neural network analysis for various detection information - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다양한 종류의 센서가 내장된 스마트 인솔을 이용하여 보행 정보를 수집하고, 센서 종류별로 신경망 분석을 실시하며, 분석된 정보를 이용하여 보행의 종류를 분류하는 기술로서, 압력센서, 가속도센서, 자이로센서 중 둘 이상을 포함하는 인솔로부터 사용자의 보행에 관한 정보를 수신하는 정보 수집부, 정보 수집부에서 수신된 보행에 관한 정보 중 센서의 종류별로 딥러닝 모델 연산을 실시하여 상기 보행의 종류를 분류하는 분류부를 포함한다.The present invention is a technology for collecting gait information using a smart insole equipped with various types of sensors, performing neural network analysis for each sensor type, and classifying the type of gait using the analyzed information, a pressure sensor and an acceleration sensor. , an information collection unit that receives information about a user's gait from an insole including two or more of the gyro sensors, and performs a deep learning model calculation for each type of sensor among the information on gait received from the information collection unit to determine the type of gait It includes a classification unit that classifies

Description

검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CLASSIFICATION OF GAIT TYPE BY PERFORMING NEURAL NETWORK ANALYSIS FOR VARIOUS DETECTION INFORMATION}Apparatus and method for classifying gait types by performing neural network analysis for each detection information

본 발명은 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다양한 종류의 센서가 내장된 스마트 인솔을 이용하여 보행 정보를 수집하고, 센서 종류별로 신경망 분석을 실시하며, 분석된 정보를 이용하여 보행의 종류를 분류하는 기술이다.The present invention relates to an apparatus and method for classifying gait types by performing neural network analysis for each detection information, and more particularly, to collect gait information using a smart insole equipped with various types of sensors, and to analyze neural networks for each sensor type It is a technology that classifies the type of walking using the analyzed information.

보행은 일상생활의 여러 행동들 가운데 가장 많은 비중을 차지하는 행동의 하나로서, 보행의 패턴에 문제가 발생 할 경우 관절의 변형 등의 근골격계 질환 뿐만 아니라 지능 장애, 치매, 우울증 등의 정신적 질환까지 유발하는 등 신체 건강 전반에 걸쳐 중요한 요소이다. 이에 보행에 관한 연구들이 많이 수행되어 왔으며, 특히 보행의 종류를 분류하는 방법은 의료 진단 분야를 비롯하여 다양한 종류의 헬스 케어 분야에서도 많은 관심을 받고 있다.Walking is one of the most important behaviors in daily life. When a problem occurs in the gait pattern, it can cause not only musculoskeletal diseases such as joint deformation, but also mental diseases such as intellectual disability, dementia, and depression. It is an important factor in overall physical health. Accordingly, many studies on gait have been conducted, and in particular, a method for classifying gait types is receiving a lot of attention in the field of medical diagnosis and various types of health care.

그동안 보행의 패턴을 측정하여 데이터를 바탕으로 자동으로 보행의 종류를 분류하기 위한 다양한 방법들이 제안되어 왔다. 논문 A practical gait analysis system using gyroscopes는 자이로스코프 센서와 압력센서를 이용해서 직선과 곡선보행을 구분하는 방법을 제안하였다. 논문 Assessment of walking features from foot inertial sensing은 압력센서와 IMU센서를 이용해서 트레드밀(treadmill)위에서 발목관절이 움직이는 각도를 계산하고 일정 역치값(threshold)을 기준으로 4가지 보행주기(stance, heel-off, swing, heel-strike)를 찾는 방법을 제안하였다. 그러나 이 방법은 보행주기를 발목관절의 움직이는 각도 변화량을 기준으로 판단한다. 이 방법은 각도 변화량 판단의 기준이 되는 임계값을 사용자가 임의로 설정하기 때문에 특정한 제한 조건을 설정한 상태에서만 보행주기를 구분할 수 있는 제약이 있다. 논문 Activity classification using realistic data from wearable sensors는 8군데의 신체 부위에 여러 종류의 센서(가속도, 자이로스코프, 습도측정기 등)들을 부착한 후 집, 버스, 레스토랑, 도서관에서 할 수 있는 행동 데이터를 수집하고, 의사결정나무(decision tree)와 인공신경망(artificial neural network)을 사용하여 보행의 종류 및 행동을 인식하는 방법을 제안하였다. 그러나 데이터를 수집하기 위해 너무 많은 센서를 몸에 부착하는 데에 따른 불편함과 데이터를 분류하기 위해 정의한 모델의 복잡도가 높은 단점이 있다.In the meantime, various methods have been proposed for measuring gait patterns and automatically classifying gait types based on the data. Paper A practical gait analysis system using gyroscopes proposed a method to distinguish straight and curved gait using gyroscope sensors and pressure sensors. The thesis Assessment of walking features from foot inertial sensing uses a pressure sensor and an IMU sensor to calculate the movement angle of the ankle joint on a treadmill, and based on a certain threshold value, 4 types of walking cycles (stance, heel-off) , swing, heel-strike) was proposed. However, this method judges the gait cycle based on the amount of change in the movement angle of the ankle joint. In this method, since the user arbitrarily sets a threshold, which is a criterion for determining the amount of angular change, there is a limitation in that the gait cycle can be distinguished only in a state in which a specific constraint condition is set. The paper Activity classification using realistic data from wearable sensors attaches various types of sensors (accelerometer, gyroscope, humidity meter, etc.) to 8 body parts and collects behavioral data that can be performed at home, bus, restaurant, and library. , proposed a method for recognizing gait types and behaviors using decision trees and artificial neural networks. However, there are disadvantages in that it is inconvenient to attach too many sensors to the body to collect data and the complexity of the model defined for classifying the data is high.

논문 Statistical analysis of parkinson disease gait classification using artificial neural network은 인공신경망을 이용하여 정상인과 파킨슨병(Parkinson) 환자의 보행 패턴을 구분하는 방법을 제안하였다. 그러나, 실험자 피부에 37개의 반사마커를 부착한 후 6개의 적외선 카메라를 사용하여 데이터를 수집하기 때문에 사용 환경에 제약이 있다.The paper Statistical analysis of parkinson disease gait classification using artificial neural network proposed a method of classifying the gait patterns of normal people and patients with Parkinson's disease using artificial neural networks. However, there is a limitation in the use environment because the data is collected using 6 infrared cameras after attaching 37 reflective markers to the skin of the experimenter.

논문 Human activity recognition from accelerometer data using convolutional neural network는 스마트폰에 내장된 센서를 이용하여 취득한 가속도 3축(x,y,z 축) 데이터를 세 가지 보행패턴(걷기, 뛰기, 서있기)으로 분류하는 컨볼루션 1D 신경망 네트워크를 제안하였다. 그러나 이 방법은 스마트폰을 손에 들거나 주머니에 넣고 측정하기 때문에 보행 중 손의 움직임, 또는 주머니의 출렁거림에 의한 움직임도 데이터에 반영되어 정확한 보행 패턴의 측정이 어려울 뿐만 아니라 데이터의 전처리 과정에서 입력 데이터를 어떻게 정의하는지에 따라 분류 성능의 변동이 생기는 한계가 있다.The thesis Human activity recognition from accelerometer data using convolutional neural network is a convolutional neural network that classifies acceleration 3-axis (x, y, z-axis) data into three gait patterns (walking, running, standing) using a sensor built into a smartphone. A solution 1D neural network is proposed. However, since this method measures the smartphone in a hand or pocket, the movement of the hand during walking or movement due to the sloshing of the pocket is also reflected in the data, making it difficult to accurately measure the gait pattern and input it in the data pre-processing process. There is a limit in that the classification performance fluctuates depending on how the data is defined.

한편, 최근 센서 모듈이 소형화 되고 저전력 센서 기술들이 발전하면서 스마트 워치, 스포츠 밴드, 스마트 인솔 등 다양한 웨어러블 디바이스들이 개발되고 있다. 웨어러블 센서의 사용은 데이터를 수집하기 위한 환경적 제약이 적기 때문에 일상생활에서 비교적 쉽게 데이터를 수집할 수 있으며, 옵티컬플로우나 히트맵(heat map) 같은 비디오 데이터에 비해서 용량이 작기 때문에 데이터를 저장 및 처리 부담이 적은 장점이 있다.Meanwhile, various wearable devices such as smart watches, sports bands, and smart insoles are being developed as sensor modules have recently been miniaturized and low-power sensor technologies have been developed. Since the use of wearable sensors has fewer environmental constraints for data collection, it is relatively easy to collect data in daily life. It has the advantage of low processing load.

등록특허공보 제10-1583369호Registered Patent Publication No. 10-1583369

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 다양한 종류의 센서가 내장된 스마트 인솔을 이용하여 보행 정보를 수집하고, 센서 종류별로 신경망 분석을 실시하며, 분석된 정보를 이용하여 보행의 종류를 분류하는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.Accordingly, the present invention has been proposed to solve the various problems of the prior art, and an object of the present invention is to collect gait information using a smart insole with various types of sensors, and perform neural network analysis for each type of sensor. , to provide an apparatus and method for classifying a type of gait using the analyzed information.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치는, 압력센서, 가속도센서, 자이로센서 중 둘 이상을 포함하는 인솔로부터 사용자의 보행에 관한 정보를 수신하는 정보 수집부, 상기 정보 수집부에서 수신된 보행에 관한 정보 중 센서의 종류별로 딥러닝 모델 연산을 실시하여 상기 보행의 종류를 분류하는 분류부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an apparatus for classifying walking types by performing neural network analysis for each detection information according to the technical idea of the present invention is a user's gait from an insole including two or more of a pressure sensor, an acceleration sensor, and a gyro sensor. It characterized in that it comprises an information collection unit for receiving the information about, and a classification unit for classifying the type of walking by performing a deep learning model calculation for each type of sensor among the information about the gait received from the information collection unit.

또한, 상기 분류부는, 상기 정보 수집부에서 수신된 센서의 종류별로 딥러닝 모델 연산을 실시하는 특징 추출부, 상기 특징 추출부에서 연산된 정보를 연결하여 보행의 종류를 분류할 수 있는 완전연결 네트워크에 입력하는 것으로 보행의 종류를 판단하는 보행분류부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the classification unit, a feature extraction unit that performs a deep learning model calculation for each type of sensor received from the information collection unit, a fully connected network capable of classifying the type of walking by connecting the information calculated in the feature extraction unit It may be characterized in that it includes a gait classification unit for determining the type of gait by inputting into the .

또한, 상기 추출부의 딥러닝 모델은 센서의 종류에 대응하여 복수개로 구성되고, 각 딥러닝 모델은 한 종류의 센서 정보로 기 학습되어, 보행에 관한 정보가 수신되었을 때 상기 딥러닝 모델별로 특징맵(feature map)을 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the deep learning model of the extraction unit is composed of a plurality of pieces corresponding to the type of sensor, and each deep learning model is pre-learned with one type of sensor information, and when information about walking is received, a feature map for each deep learning model (feature map) may be output.

또한, 상기 딥러닝 모델은 DCNN(Deep Convolutional Neural Network)인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the deep learning model may be characterized as a DCNN (Deep Convolutional Neural Network).

또한, 상기 딥러닝 모델의 학습은 역전파(Back-propagation) 학습 알고리즘을 이용한 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the learning of the deep learning model may be characterized by using a back-propagation learning algorithm.

또한, 상기 딥러닝 모델은 그레디언트 손실(vanishing gradient) 현상을 방지하기 위해 활성화 함수로서 ReLU(Rectifier Linear Unit)를 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the deep learning model may be characterized by using a Rectifier Linear Unit (ReLU) as an activation function to prevent a vanishing gradient phenomenon.

또한, 상기 딥러닝 모델은 내부 공분산 이동(Internal Covariance Shift) 현상을 방지하고 학습 안정성을 높이기 위해 배치 활성화 함수 적용 이후 배치 정규화를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the deep learning model may be characterized by performing batch normalization after applying a batch activation function to prevent an internal covariance shift phenomenon and increase learning stability.

또한, 상기 딥러닝 모델은 복수의 컨볼루션 레이어를 포함하고, 각 레이어는 대응되는 특징 수준(feature level)의 필터를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the deep learning model may include a plurality of convolutional layers, and each layer may include a filter of a corresponding feature level.

또한, 상기 딥러닝 모델에서 출력되는 특징맵은 텐저(Tensor) 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the feature map output from the deep learning model may be characterized in that it is in the form of a tensor.

또한, 상기 보행분류부는 상기 특징 추출부의 각 딥러닝 모델에서 출력된 특징맵을 연결하여 하나의 특징 벡터를 구성하고, 상기 특징 벡터를 완전연결 레이어(fully connected layer)에 입력하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the gait classification unit may be characterized in that one feature vector is constructed by connecting the feature maps output from each deep learning model of the feature extraction unit, and the feature vector is input to a fully connected layer. have.

또한, 상기 완전연결 레이어는 복수의 연산 레이어 및 하나의 출력 레이어를 포함하고, 상기 연산 레이어는 출력 레이어로 값을 전달하기 전에, 과적합(over-fitting) 문제를 방지하고 일반화(regularization) 성능을 향상시키기 위해 학습 시 레이어안에 있는 노드(node)를 드롭아웃(dropout) 비율만큼 무작위로 골라서 삭제한 후 남겨진 노드만을 가지고 학습을 하는 드롭아웃 방법을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the fully connected layer includes a plurality of computational layers and one output layer, and the computational layer prevents over-fitting problems and improves regularization performance before passing a value to the output layer. In order to improve it, it can be characterized by using the dropout method in which nodes in the layer are randomly selected and deleted as much as the dropout ratio during training, and then only the remaining nodes are used for learning.

또한, 상기 출력 레이어는 분류하고자 하는 클래스의 수 만큼의 노드로 구성되고, 각 노드는 연산 레이어의 노드들의 가중치 합을 소프트맥스(softmax) 함수에 적용하여 보행 종류에 관한 최종 출력값을 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the output layer is composed of as many nodes as the number of classes to be classified, and each node calculates the final output value related to the type of gait by applying the weighted sum of the nodes of the operation layer to a softmax function. can be done with

또한, 상기 정보 수집부가 수신한 보행에 관한 정보에서 단위 걸음의 구간을 정의하여 각 단위 걸음에 대한 데이터를 분할하고, 분할된 데이터의 길이가 모두 같도록 정규화(normalize)하는 전처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the information collection unit further comprises a preprocessor for defining a section of a unit step in the information about the walking received by the information collection unit, dividing the data for each unit step, and normalizing the divided data so that the length of the divided data is the same. can be characterized.

또한, 상기 전처리부는 센서의 종류별 단위 걸음에 대한 검출 값을 배열로 나타내고, 사전 순서 연산자(lexicographic ordering operator)를 이용하여 각 배열을 일렬의 정보로 변환하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the preprocessor may represent the detection values for the unit steps for each type of sensor in an array, and convert each array into a line of information using a lexicographic ordering operator.

한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 방법은, 정보수집부가 압력센서, 가속도센서, 자이로센서 중 둘 이상을 포함하는 인솔로부터 사용자의 보행에 관한 정보를 수신하는 단계; 전처리부가 상기 보행에 관한 정보에서 단위 걸음의 구간을 정의하여 각 단위 걸음에 대한 데이터를 분할하고, 분할된 데이터의 길이가 모두 같도록 정규화(normalize)하는 단계; 분류부가 정규화된 보행에 관한 정보 중 센서의 종류별로 딥러닝 모델 연산을 실시하여 상기 보행의 종류를 분류하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, in order to achieve the above object, the method of classifying walking types by performing neural network analysis for each detection information according to the technical idea of the present invention is that the information collection unit includes two or more of a pressure sensor, an acceleration sensor, and a gyro sensor. Receiving information about the user's gait from the insole; dividing, by a preprocessing unit, data for each unit step by defining a section of a unit step in the information about the gait, and normalizing the divided data to have the same length; and classifying the type of gait by performing a deep learning model calculation for each type of sensor among the normalized gait-related information.

또한, 상기 분류부가 정규화된 보행에 관한 정보 중 센서의 종류별로 딥러닝 모델 연산을 실시하여 상기 보행의 종류를 분류하는 단계는, 상기 정규화된 보행에 관한 정보에 포함된 센서의 종류별로 딥러닝 모델 연산을 실시하여 특징맵(feature map)을 출력하는 단계; 상기 특징맵을 하나로 연결한 후 보행의 종류를 분류할 수 있는 완전연결 네트워크에 입력하고, 상기 완전연결 네트워크에서 출력된 값을 이용하여 보행의 종류를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the step of classifying the type of gait by performing a deep learning model calculation for each type of sensor among the information on the normalized gait by the classification unit includes the deep learning model for each type of sensor included in the information on the normalized gait. outputting a feature map by performing an operation; After linking the feature maps into one, input to a fully connected network capable of classifying the type of gait, and determining the type of gait using the value output from the fully connected network. .

또한, 상기 딥러닝 모델은 DCNN(Deep Convolutional Neural Network)인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the deep learning model may be characterized as a DCNN (Deep Convolutional Neural Network).

또한, 상기 딥러닝 모델의 학습은 역전파(Back-propagation) 학습 알고리즘을 이용한 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the learning of the deep learning model may be characterized by using a back-propagation learning algorithm.

또한, 상기 딥러닝 모델은 그레디언트 손실(vanishing gradient) 현상을 방지하기 위해 활성화 함수로서 ReLU(Rectifier Linear Unit)를 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the deep learning model may be characterized by using a Rectifier Linear Unit (ReLU) as an activation function to prevent a vanishing gradient phenomenon.

또한, 상기 딥러닝 모델은 내부 공분산 이동(Internal Covariance Shift) 현상을 방지하고 학습 안정성을 높이기 위해 배치 활성화 함수 적용 이후 배치 정규화를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the deep learning model may be characterized by performing batch normalization after applying a batch activation function to prevent an internal covariance shift phenomenon and increase learning stability.

또한, 상기 딥러닝 모델은 복수의 컨볼루션 레이어를 포함하고, 각 레이어는 대응되는 특징 수준(feature level)의 필터를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the deep learning model may include a plurality of convolutional layers, and each layer may include a filter of a corresponding feature level.

또한, 상기 딥러닝 모델에서 출력되는 특징맵은 텐저(Tensor) 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the feature map output from the deep learning model may be characterized in that it is in the form of a tensor.

또한, 상기 완전연결 네트워크는 복수의 연산 레이어 및 하나의 출력 레이어를 포함하고, 상기 연산 레이어는 출력 레이어로 값을 전달하기 전에, 과적합(over-fitting) 문제를 방지하고 일반화(regularization) 성능을 향상시키기 위해 학습 시 레이어 안에 있는 노드(node)를 드롭아웃(dropout) 비율만큼 무작위로 골라서 삭제한 후 남겨진 노드만을 가지고 학습을 하는 드롭아웃 방법을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the fully connected network includes a plurality of computational layers and one output layer, and the computational layer prevents over-fitting problems and improves regularization performance before passing values to the output layer. In order to improve it, it can be characterized by using the dropout method of learning with only the remaining nodes after randomly selecting and deleting nodes in the layer as much as the dropout ratio during training.

또한, 상기 출력 레이어는 분류하고자 하는 클래스의 수 만큼의 노드로 구성되고, 각 노드는 연산 레이어의 노드들의 가중치 합을 소프트맥스(softmax) 함수에 적용하여 보행 종류에 관한 최종 출력값을 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the output layer is composed of as many nodes as the number of classes to be classified, and each node calculates the final output value related to the type of gait by applying the weighted sum of the nodes of the operation layer to a softmax function. can be done with

본 발명에 의한 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치 및 방법에 따르면,According to the apparatus and method for classifying walking types by performing neural network analysis for each detection information according to the present invention,

첫째, 본 발명은 한 걸음의 동작만으로도 보행 종류의 분류 성능이 종래보다 현저히 높은 효과가 있다.First, the present invention has an effect that the classification performance of the type of walking is significantly higher than that of the prior art with only one step operation.

둘째, 본 발명은 판별 분석 기반의 특징 추출 방법을 이용함에 따라 대량의 데이터 확보가 필요한 심층학습 네트워크보다 적은 학습양으로 높은 분류율을 나타낼 수 있다.Second, the present invention can exhibit a high classification rate with a smaller learning amount than a deep learning network that requires a large amount of data by using a feature extraction method based on discriminant analysis.

셋째, 본 발명은 분석 기반의 특징 추출 방법을 이용함에 따라 종래의 심층학습 네트워크보다 현저히 적은 컴퓨팅 성능(computing power)으로도 보행 종류의 분류 연산을 신속히 수행할 수 있는 효과가 있다.Third, the present invention has the effect of quickly performing classification calculation of walking types even with significantly less computing power than the conventional deep learning network by using the analysis-based feature extraction method.

넷째, 보행 종류를 분류하는 분류부에 사용자 식별, 질병 진단과 관련된 기능을 학습시키면 보안 분야 및 의료 분야에서도 유용하게 이용할 수 있는 가능성이 있다.Fourth, if functions related to user identification and disease diagnosis are learned in the classification unit for classifying walking types, there is a possibility that it can be usefully used in the security field and the medical field.

도 1은 스마트 인솔 FootLogger의 조립도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예가 보행 주기를 스탠스 단계와 스윙 단계로 구분한 것을 나타낸 도면.
도 4는 FootLogger 인솔을 이용하여 검출된 센서 값을 배열로 나타낸 예시 도면.
도 5는 이 실시예의 전처리부가 노이즈를 제거하는 과정을 나타낸 도면.
도 6은 이 실시예의 전처리부가 센서 값을 배열로 나타낸 후 일렬로 정규화하는 과정을 나타낸 도면.
도 7은 이 실시예의 보행 종류 분류를 위한 전체 구조 및 과정을 나타낸 도면.
도 8은 센서별로 2차원 형태로 배열된 데이터가 개별 딥러닝 모델(컨볼루션 레이어)에 입력되어 연산되고, 각 딥러닝 모델에서 특징맵이 추출되는 과정을 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 방법의 순서도.
도 10은 1걸음(k=1) 내지 5걸음(k=5)에 대한 single-modal DCNN의 분류율을 나타낸 그래프. (a)는 무작위로 선택된 1000개의 학습 데이터 샘플과, 1000개의 테스트 샘플을 이용한 분류율; (b)는 7-fold 교차 검증을 실시한 경우의 분류율.
도 11은 1걸음(k=1) 내지 5걸음(k=5)에 대한 multi-modal DCNN의 분류율을 나타낸 그래프. (a)는 무작위로 선택된 1000개의 학습 데이터 샘플과, 1000개의 테스트 샘플을 이용한 분류율; (b)는 7-fold 교차 검증을 실시한 경우의 분류율.
도 12는 single-modal DCNN 및 multi-modal DCNN의 특징 벡터를 입력으로 이용하여 보행의 종류를 판단하는 완전연결 네트워크의 구조를 나타낸 도면.
1 is an assembly view of the smart insole FootLogger.
2 is a block diagram of an apparatus for classifying walking types by performing neural network analysis for each detection information according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing that the embodiment of the present invention divided the gait cycle into a stance phase and a swing phase.
4 is an exemplary view showing sensor values detected using the FootLogger insole in an array.
5 is a diagram illustrating a process in which the pre-processing unit of this embodiment removes noise.
6 is a diagram illustrating a process of normalizing sensor values in a row after the preprocessor in this embodiment displays the sensor values in an array;
Fig. 7 is a view showing the overall structure and process for classifying a walking type according to this embodiment.
8 is a diagram illustrating a process in which data arranged in a two-dimensional form for each sensor is input to an individual deep learning model (convolutional layer) and is calculated, and a feature map is extracted from each deep learning model.
9 is a flowchart of a method of classifying a gait type by performing a neural network analysis for each detection information according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing the classification rate of single-modal DCNN for 1 step (k = 1) to 5 steps (k = 5). (a) is a classification rate using 1000 randomly selected training data samples and 1000 test samples; (b) The classification rate when 7-fold cross-validation was performed.
11 is a graph showing the classification rate of multi-modal DCNN for 1 step (k = 1) to 5 steps (k = 5). (a) is a classification rate using 1000 randomly selected training data samples and 1000 test samples; (b) The classification rate when 7-fold cross-validation was performed.
12 is a diagram showing the structure of a fully connected network that determines the type of gait using feature vectors of single-modal DCNN and multi-modal DCNN as inputs.

첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치 및 방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.An apparatus and method for classifying a gait type by performing a neural network analysis for each detection information according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In addition, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

본 발명의 실시예에 따른 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치 및 방법은 스마트 인솔(1)에 장착된 여러 종류의 센서 데이터를 이용하여 보행의 종류를 분류하는 방법을 제안한다. 데이터 수집을 위해 상용 스마트 인솔(1)인 FootLogger의 압력 센서, 가속도 센서 및 자이로 센서를 이용하였으며, 측정한 데이터를 바탕으로 심층 컨볼루션 신경망(deep convolutional neural network, DCNN)을 이용하여 7 종류의 보행을 분류한다. 이 실시예는 크게 연속적인 보행을 검출한 정보를 단위 걸음으로 분할하고 데이터를 정규화하는 전처리 단계와, 심층 컨볼루션 신경망을 이용하여 특징을 추출하고 보행의 종류를 판단하는 분류 단계로 구성된다.An apparatus and method for classifying a gait type by performing a neural network analysis for each detection information according to an embodiment of the present invention proposes a method for classifying a gait type using various types of sensor data mounted on the smart insole 1 . For data collection, a pressure sensor, an acceleration sensor, and a gyro sensor of FootLogger, a commercial smart insole (1), were used. classify This embodiment is largely composed of a preprocessing step of dividing information detected by continuous walking into unit steps and normalizing the data, and a classification step of extracting features using a deep convolutional neural network and determining the type of walking.

전처리 단계는 보행 주기 중 swing phase의 특성을 바탕으로 센싱 과정에서 발생한 노이즈를 제거함으로써 데이터의 걸음 단위 분할의 정확도를 높인다. 분류 단계는 스마트 인솔(1)에 장착된 센서의 종류별로 심층 컨볼루션 신경망을 이용하여 보행 특징맵을 만들고, 각각의 특징맵들을 결합하여 보행 종류를 최종적으로 판단할 수 있는 완전연결 네트워크를 구성한다. 여기서 ‘완전연결 네트워크(fully connected network)’는 임의의 두 노드 사이에 반드시 분기를 가지고 있는 망을 의미한다.The preprocessing step improves the accuracy of step division of data by removing noise generated during the sensing process based on the swing phase characteristics during the gait cycle. In the classification step, a gait feature map is created using a deep convolutional neural network for each type of sensor installed in the smart insole 1, and each feature map is combined to form a fully connected network that can finally determine the gait type. . Here, a 'fully connected network' means a network that necessarily has a branch between any two nodes.

20대 내지 30대 성인 14명을 대상으로 7 종류의 보행을 실측하는 실험을 통해 본 발명의 우수한 분류 성능을 확인하였다.The excellent classification performance of the present invention was confirmed through an experiment in which 7 types of gait were measured for 14 adults in their 20s and 30s.

본 발명의 실시예에 따른 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치를 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.An apparatus for classifying a gait type by performing a neural network analysis for each detection information according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1을 참조하면, 이 실시예가 이용하는 인솔(1)은 쓰리엘랩스(3L-Labs)에서 제작한 FootLogger라는 스마트 인솔이다. FootLogger는 8개의 압력 센서로 구성된 압력 센서 어레이(sensor array)와, 3축 가속도 센서 어레이, 3축 자이로 센서 어레이를 내장하고, 양 쪽 인솔(1)에 각각 장착된 센서들은 100Hz의 샘플링율로 데이터를 측정한다. 압력 센서의 경우, 압력의 세기에 따라 0, 1, 2의 값을 출력하는데, 0은 압력이 없는 상태, 즉 swing phase(지면에서 발이 떨어진 상태)이고, 1과 2는 stance phase(발이 지면을 딛고 있는 상태)에서의 압력의 세기를 의미한다. 실험에서는 인솔(1)에서 검출된 정보를 블루투스 통신을 이용하여 안드로이드 스마트폰으로 전달하고, 스마트폰 애플리케이션을 이용하여 이 실시예의 보행 종류를 분류하는 장치로 전송하였다.Referring to FIG. 1 , the insole 1 used in this embodiment is a smart insole called FootLogger manufactured by 3L-Labs. FootLogger has a built-in pressure sensor array consisting of 8 pressure sensors, a 3-axis acceleration sensor array, and a 3-axis gyro sensor array. measure In the case of the pressure sensor, values of 0, 1, and 2 are output according to the strength of the pressure. 0 is the state without pressure, that is, the swing phase (the state with the foot off the ground), and 1 and 2 are the stance phase (the state where the foot is on the ground). It means the strength of the pressure in the standing state). In the experiment, the information detected by the insole 1 was transmitted to the Android smartphone using Bluetooth communication, and transmitted to the device for classifying the walking type of this embodiment using the smartphone application.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치는 압력센서, 가속도센서, 자이로센서 중 둘 이상을 포함하는 인솔(1)로부터 사용자의 보행에 관한 정보를 수신하는 정보 수집부(10)와, 정보 수집부(10)에서 수신된 보행에 관한 정보 중 센서의 종류별로 딥러닝 모델 연산을 실시하여 상기 보행의 종류를 분류하는 분류부(40)를 포함한다.Referring to FIG. 2 , an apparatus for classifying a gait type by performing a neural network analysis for each detection information according to an embodiment of the present invention is a user's gait from an insole 1 including at least two of a pressure sensor, an acceleration sensor, and a gyro sensor. An information collection unit 10 for receiving information about , and a classification unit 40 for classifying the type of walking by performing a deep learning model calculation for each type of sensor among the information about walking received from the information collection unit 10 . ) is included.

또한, 정보 수집부(10)가 수신한 보행에 관한 정보에서 단위 걸음의 구간을 정의하여 각 단위 걸음에 대한 데이터를 분할하고, 분할된 데이터의 길이가 모두 같도록 정규화(normalize)하는 전처리부(20)를 더 포함한다.In addition, a preprocessor (normalizing) that defines a section of a unit step in the information about the walk received by the information collection unit 10, divides the data for each unit step, and normalizes the divided data so that the length of the divided data is the same ( 20) is further included.

보행 종류를 분류하는 장치는 단일의 서버 또는 네트워크로 연결된 복수의 서버에 각각의 기능부의 기능을 수행하는 응용프로그램이 설치 및 실행되는 것으로 실시될 수 있다.The apparatus for classifying walking types may be implemented by installing and executing an application program performing a function of each functional unit in a single server or a plurality of servers connected by a network.

도 3을 참조하면, 보행주기란 한쪽 발이 지면에 닿는 순간부터 지면에서 떨어졌다가 다시 지면에 닿기까지의 동작을 의미한다. 보행주기는 총 7단계(heel strike, foot flat, mid stance, heel off, toe off, mid swing, late swing)로 구성된다. Heel strike 단계는 보행 주기의 시작을 나타내는 단계로 일측 발의 뒤꿈치가 지면에 닿게 되는 단계이고, foot flat 단계는 일측 발의 발바닥이 지면에 닿는 단계이다. Mid stance 단계는 일측 발의 다리가 지면과 수직이 되며 멈춰있는 상태이고 이때 타측의 다리가 앞으로 움직인다. Heel off 단계는 일측 발 뒤꿈치가 바닥에서 들리기 시작하는 시점을 의미하고, toe off 단계는 일측 발의 앞쪽 발가락이 바닥에서 떨어지는 동시에 타측 발의 발바닥이 지면에 닿아 있는 단계이다. Mid swing 단계는 일측 발이 땅에서 떨어진 상태로 앞쪽으로 나아가는 단계이고, late swing 단계는 다음 보행 주기가 시작하기 바로 전 단계를 의미한다.Referring to FIG. 3 , the gait cycle refers to an operation from the moment when one foot touches the ground until it comes off the ground and then touches the ground again. The gait cycle consists of a total of 7 stages (heel strike, foot flat, mid stance, heel off, toe off, mid swing, and late swing). The heel strike stage is a stage indicating the start of the gait cycle, and the heel of one foot is in contact with the ground, and the foot flat stage is a stage in which the sole of one foot is in contact with the ground. In the mid stance phase, the leg of one foot is perpendicular to the ground and stopped, and at this time, the leg of the other foot moves forward. The heel-off stage refers to a time when one heel starts to be lifted off the floor, and the toe-off stage is a stage in which the front toe of one foot falls off the floor and the sole of the other foot touches the ground at the same time. The mid swing stage is a stage in which one foot moves forward with one foot off the ground, and the late swing stage refers to the stage just before the start of the next gait cycle.

이 실시예의 전처리부(20)는 일측 발을 기준으로, 발이 지면에 닿아 있는 heel strike, foot flat, mid stance, heel off, toe off 단계를 스탠스 단계(stance phase)라 정의하며, 발이 지면에서 떨어져 있는 mid swing, late swing 단계를 스윙 단계(swing phase)라 정의한다.The preprocessor 20 of this embodiment defines, based on one foot, heel strike, foot flat, mid stance, heel off, and toe off stages in which the foot is in contact with the ground as a stance phase, and the foot is separated from the ground. The mid swing and late swing phases are defined as the swing phase.

전처리부(20)의 걸음단위 설정부(22)는 보행 시간 동안 연속적으로 측정된 데이터를 단위 걸음 구간들로 분할하기 위해 보행 주기의 스탠스 단계와 스윙 단계를 기준으로 단위 걸음의 구간을 분할한다.The step unit setting unit 22 of the preprocessor 20 divides the unit step section based on the stance step and the swing step of the gait cycle in order to divide the data continuously measured during the walking time into unit step sections.

도 4는 FootLogger 인솔(1)을 이용하여 측정한 보행 데이터의 예이다. 압력 센서 어레이의 데이터 중 어레이의 모든 압력 센서의 값이 연속적으로 0이 되는 스윙 단계와 일부 압력 센서의 값이 1 또는 2로 측정되는 스탠스 단계로 구분되는 것이 관찰되며, 보행 시 왼발과 오른발에서 스윙 단계가 번갈아 가며 나타나는 것을 통해 보행 싸이클(cycle)을 확인할 수 있다. 이 실시예는 왼발을 기준으로 스윙 단계의 시작점에서 스탠스 단계의 종료점까지를 한 걸음으로 정의하였다.4 is an example of gait data measured using the FootLogger insole (1). Among the data of the pressure sensor array, it is observed that the values of all pressure sensors in the array are continuously 0 and the stance stage is divided into a stance stage in which the values of some pressure sensors are measured as 1 or 2. You can check the gait cycle by seeing the steps alternately. In this example, one step was defined from the starting point of the swing phase to the ending point of the stance phase based on the left foot.

전처리부(20)의 정보 배열부(23)는 단위 걸음 데이터 샘플을 압력 센서 어레이, 가속도 센서 어레이, 자이로 센서 어레이에 대해 각각 2차원 행렬 형태로 저장한다. 행렬의 열(column)은 센서의 인덱스이고, 행(row)은 측정된 시점(time point)을 의미한다. 한 쪽 발당 8개의 센서로 구성된 압력 센서 어레이의 경우 총 16열이고, 가속도 센서 어레이와 자이로 센서 어레이의 경우 6열로 구성되었다. The information arranging unit 23 of the preprocessor 20 stores the unit step data samples in the form of a two-dimensional matrix for each of the pressure sensor array, the acceleration sensor array, and the gyro sensor array. A column of the matrix is an index of the sensor, and a row means a measured time point. In the case of the pressure sensor array consisting of 8 sensors per foot, there are a total of 16 rows, and in the case of the acceleration sensor array and the gyro sensor array, there are 6 rows.

보행 주기의 스윙 단계는 발이 지면에서 떨어져 있는 상태이므로 8개의 모든 압력 센서의 값이 0이 나오는 것이 이상적이다. 그러나 실제 FootLogger 인솔(1)을 이용한 데이터 측정하였을 때 인솔(1)에 포함된 센서 간 전위차이, 발열 등의 여러 요인으로 인해 스윙 단계임에도 간혹 일부 센서에서 0이 아닌 값이 측정되었다. 예를 들어, 실제 실험에서는 스윙 단계에서 3번째 압력 센서의 값이 간혹 1로 측정되었다. 이 실시예는 단위 걸음을 스윙 단계를 기준으로 분할하기 때문에, 이러한 노이즈는 한 번의 스윙 단계가 두 번 발생된 것으로 보이는 오검출을 초래하여 이 실시예의 보행 종류 분류 성능을 악화시킬 수 있었다.Since the swing phase of the gait cycle is when the foot is off the ground, it is ideal for all eight pressure sensors to have a value of 0. However, when data was measured using the actual FootLogger insole (1), non-zero values were sometimes measured in some sensors even in the swing stage due to various factors such as potential difference between sensors included in the insole (1) and heat generation. For example, in an actual experiment, the value of the 3rd pressure sensor in the swing phase was sometimes measured as 1. Since this embodiment divides the unit step based on the swing stage, such noise may cause a false detection in which one swing stage appears to have occurred twice, thereby deteriorating the gait type classification performance of this embodiment.

도 5는 전처리부(20)의 노이즈 제거부(24)가 스윙 단계에서 발생하는 노이즈를 제거하는 과정을 보여 준다. 먼저, 왼쪽 발 측 인솔(1)의 8개 압력 센서의 모든 값의 합이 0이 되는 시점을 스윙 단계의 시작점으로 정의하고(도 5의 SP Flag=True), 다음 스윙 단계의 시작점은 8개의 압력센서 중에서 2개 이상의 센서에서 0이 아닌 값이 측정되는 시점으로 정의한다(스윙 단계가 시작되기 전까지 SP Flag=False). 만약, 스윙 단계가 시작점에서 스탠스 단계의 시작점 사이에 센서 어레이의 합이 0이 아닌 1이 나오는 경우 해당 압력 센서 값을 노이즈로 판단하고 해당 값을 0으로 정정한다.5 shows a process in which the noise removing unit 24 of the preprocessing unit 20 removes noise generated in the swing stage. First, the point at which the sum of all values of the 8 pressure sensors of the left foot insole (1) becomes 0 is defined as the starting point of the swing phase (SP Flag=True in FIG. 5), and the starting point of the next swing phase is 8 It is defined as the point in time when a non-zero value is measured by two or more sensors among the pressure sensors (SP Flag=False before the start of the swing phase). If the sum of the sensor array is 1 instead of 0 between the starting point of the swing phase and the starting point of the stance phase, the corresponding pressure sensor value is determined as noise and the corresponding value is corrected to 0.

같은 사람이라도 데이터 측정하는 동안이나 데이터를 측정을 시도할 때마다 보행의 속도가 달라질 수 있다. 보행의 종류와 상관없는 측정 시점에 따른 보행 속도의 변이는 보행의 종류를 구분하기 위한 보행 특성을 추출하는데 방해가 된다.Even the same person may have a different walking speed while measuring data or each time data is being measured. Variations in walking speed according to the measurement time point regardless of the type of gait hinder the extraction of gait characteristics for classifying gait types.

도 6은 단위 걸음에 대한 원본 데이터와 정규화된 데이터를 나타낸다. 전처리부(20)의 정규화부(26)는 측정 상황에 덜 민감한 특징의 추출을 위해 모든 스윙 단계에서 스탠스 단계까지의 단위 걸음들을 가장 짧은 단위 걸음의 시간(t)을 기준으로 리사이징(resizing)함으로써 모든 걸음에 대한 길이가 동일하도록 정규화(normalization)한다. 이 실시예의 실험은 t를 63으로 설정하였다. 정규화부(26)는 압력 센서 어레이, 가속도 센서 어레이, 자이로 센서 어레이의 정규화된 단위 걸음에 대한 측정값을 각각 63×16, 63×6, 63×6의 배열로 변환 한 후, 사전 순서 연산자(lexicographic ordering operator)를 이용하여 1008×1, 378×1, 378×1의 일렬로 된 벡터(x)로 저장한다.6 shows original data and normalized data for a unit step. The normalization unit 26 of the preprocessor 20 resizes the unit steps from all swing stages to the stance stage based on the shortest unit step time t in order to extract features that are less sensitive to the measurement situation. Normalize so that the length for all steps is the same. The experiments in this example set t to 63. The normalization unit 26 converts the measured values for the normalized unit steps of the pressure sensor array, the acceleration sensor array, and the gyro sensor array into an array of 63×16, 63×6, and 63×6, respectively, and then performs a pre-order operator ( Using the lexicographic ordering operator, it is stored as a vector (x) of 1008×1, 378×1, and 378×1.

Footlogger 인솔(1)을 사용하여 검출한 보행 정보는 0.01초 간격으로 센서 값을 검출되는 시계열 데이터이다. 보행은 연속 동작으로 이루어지기 때문에, 시계열 데이터의 각 시점(time point)에서의 센서 측정값들 간의 상관관계는 비교적 크다. 따라서, 이 실시예의 분류부(40)는 데이터의 상관관계를 활용할 수 있는 DCNN(Deep Convolutional Neural Network)을 이용하여 여러 종류의 센서 측정값을 기반으로 보행의 종류를 분류하는 딥러닝 모델 네트워크를 설계하였다.The gait information detected using the footlogger insole (1) is time series data in which the sensor value is detected at 0.01 second intervals. Since walking is a continuous motion, the correlation between sensor measurement values at each time point of time series data is relatively large. Therefore, the classification unit 40 of this embodiment designs a deep learning model network that classifies the types of walking based on various types of sensor measurement values using DCNN (Deep Convolutional Neural Network) that can utilize the correlation of data. did.

일반적으로 컨볼루션 기반 인공신경망은 특징 추출기(feature extractor)와 완전 연결 레이어(fully connected layer)로 구성된다. 특징 추출기는 필터 레이어(filter layer), 비선형 활성화 함수 레이어(non-linearity activation function layer), 그리고 특징추출 레이어(feature pooling layer)의 3단계로 이루어진다.In general, a convolution-based artificial neural network consists of a feature extractor and a fully connected layer. The feature extractor consists of three steps: a filter layer, a non-linearity activation function layer, and a feature pooling layer.

이 실시예의 분류부(40)는 정보 수집부(10)에서 수신된 센서의 정보별로 딥러닝 모델 연산을 실시하는 특징 추출부(42)와, 특징 추출부(42)에서 연산된 정보를 연결하여 보행의 종류를 분류할 수 있는 완전연결 네트워크에 입력하는 것으로 보행의 종류를 판단하는 보행분류부(44)를 포함한다.The classification unit 40 of this embodiment connects the information calculated by the feature extraction unit 42 and the feature extraction unit 42 for performing deep learning model calculation for each sensor information received from the information collection unit 10, It includes a gait classification unit 44 that determines the type of gait by inputting it into a fully connected network capable of classifying the gait type.

도 7은 이 실시예의 보행 종류 분류를 위한 전체 구조를 나타낸다. 또한, 도 8은 센서의 종류별로 개별 딥러닝 모델이 구성되고, 각 딥러닝 모델에서 특징맵이 추출되는 과정을 나타낸다. 특징 추출부(42)는 먼저 센서의 정보별로 개별 딥러닝 모델 네트워크를 구성하고, 각 딥러닝 모델이 독립적으로 학습하여 개별 센서 어레이에 대한 특징맵(feature map)을 추출한다. 즉, 추출부의 딥러닝 모델은 센서의 종류에 대응하여 복수개로 구성되고, 각 딥러닝 모델은 한 종류의 센서 정보로 기 학습되어, 보행에 관한 정보가 수신되었을 때 딥러닝 모델별로 특징맵(feature map)을 출력한다.Fig. 7 shows the overall structure for classifying the type of walking in this embodiment. In addition, FIG. 8 shows a process in which an individual deep learning model is configured for each type of sensor and a feature map is extracted from each deep learning model. The feature extraction unit 42 first constructs an individual deep learning model network for each sensor information, and each deep learning model independently learns to extract a feature map for each sensor array. That is, the deep learning model of the extraction unit is composed of a plurality of pieces corresponding to the type of sensor, and each deep learning model is pre-learned with one type of sensor information. map) is printed.

DCNN은 전처리부(20)에서 정규화된 2차원 배열 형태의 정보를 입력으로 받고, 컨볼루션 레이어(layer)에서 각종 필터들과의 컨볼루션 연산(convolution operation)을 실시한다. 이 실시예는 각 센서 어레이별로 검출된 데이터를 전처리 과정을 통해 t×W크기로 정규화하여 DCNN의 입력으로 사용하였다. W는 센서 어레이의 센서 개수이다. 이 실시예는 t를 63으로 설정하였다. 또한, 이 실시예는 Footlogger 인솔(1)에 대응하여 압력 센서 어레이, 가속도 센서 어레이, 자이로 센서 어레이에 대해 W를 각각 16, 3, 3으로 설정하였다. The DCNN receives information in the form of a normalized two-dimensional array from the preprocessor 20 as an input, and performs a convolution operation with various filters in a convolution layer. In this embodiment, the data detected for each sensor array was normalized to a t×W size through a preprocessing process and used as an input for DCNN. W is the number of sensors in the sensor array. This example set t to 63. In addition, in this embodiment, corresponding to the footlogger insole 1, W is set to 16, 3, and 3 for the pressure sensor array, the acceleration sensor array, and the gyro sensor array, respectively.

이 실시예의 실험에서는 보행 종류를 구별하기 위한 보행 특징을 추출하는 데 몇 걸음이 필요한지를 확인하기 위해, DCNN의 입력으로 이용되는 데이터 샘플을 1걸음부터 걸음 수를 늘려가며 분류 실험을 하였다. k걸음을 한 개의 보행샘플로 정의한 경우, DCNN의 입력 데이터는

Figure 112019074629507-pat00001
가 된다.In the experiment of this embodiment, in order to determine how many steps are required to extract a gait feature for distinguishing a gait type, a classification experiment was performed on a data sample used as an input of DCNN by increasing the number of steps from 1 step. If k steps are defined as one gait sample, the input data of DCNN is
Figure 112019074629507-pat00001
becomes

이 실시예의 특징 추출부(42)의 딥러닝 모델은 3 종류의 센서에 대응하여 3개의 컨볼루션 레이어를 포함한다. 각 컨볼루션 레이어는 대응되는 특징 수준(feature level)의 필터들을 포함한다. 각 컨볼루션 레이어의 연산에는 사용할 필터의 개수(f)와 필터의 크기(

Figure 112021022462148-pat00002
), 스트라이드(s)의 세 가지 하이퍼파라미터(hyper-parameter)가 필요하다.The deep learning model of the feature extraction unit 42 of this embodiment includes three convolutional layers corresponding to three types of sensors. Each convolutional layer includes filters of a corresponding feature level. The number of filters to be used (f) and the filter size (
Figure 112021022462148-pat00002
) and stride(s), we need three hyper-parameters.

첫 번째 컨볼루션 레이어는 총 32종류의 필터를 이용하였고, 필터의 크기는

Figure 112019074629507-pat00003
로 설정하였다. 필터링 스트라이드(stride)는 DCNN의 입력 데이터에 포함된 걸음 수(k)에 따라 각각 다르게 설정하였다(s=1은 k=1,2; s=2는 k=3,4,5).The first convolution layer used a total of 32 types of filters, and the size of the filters was
Figure 112019074629507-pat00003
was set to The filtering stride was set differently according to the number of steps (k) included in the DCNN input data (s=1 is k=1,2; s=2 is k=3,4,5).

두 번째와 세 번째 컨볼루션 레이어는 각각 64종류, 128종류의 필터를 사용하였다. 필터의 크기는 이전 레이어에서의 출력 신호의 크기에 따라 다르게 설정되었다. 두 번째 컨볼루션 레이어는 1(필터폭)×20(필터높이)×64(필터개수), 세 번째 컨볼루션 레이어는 1×20×128로 설정되었다. For the second and third convolutional layers, 64 and 128 filters were used, respectively. The size of the filter was set differently depending on the size of the output signal in the previous layer. The second convolution layer was set to 1 (filter width) × 20 (filter height) × 64 (number of filters), and the third convolution layer was set to 1 × 20 × 128.

도 8은 2차원 형태의 입력데이터에 대해 각 컨볼루션 레이어(딥러닝 모델)가 어떻게 연산이 실시하는지 나타낸다. 입력데이터 위에 빨간색, 노란색, 초록색은 첫 번째 레이어에서 서로 다른 32개의 커널 중 일부 커널을 의미한다. DCNN 기반의 커널과 입력데이터간 컨볼루션 연산을 하면 하나의 스칼라(Scalar)값이 출력되고, 한 입력데이터에 대해 서로 다른 커널들의 컨볼루션 연산이 끝나면 최 하단과 같이 텐저(Tensor) 형태의 특징맵이 출력된다.8 shows how each convolutional layer (deep learning model) performs an operation on input data in a two-dimensional form. Red, yellow, and green on the input data mean some of the 32 different kernels in the first layer. When a DCNN-based convolution operation is performed between the kernel and input data, one scalar value is output, and when the convolution operation of different kernels for one input data is completed, a Tensor-type feature map as shown at the bottom This is output.

DCNN은 역전파(Back-propagation) 학습 알고리즘을 이용하여 학습되었다. 학습 과정에서, 그레디언트 손실(vanishing gradient) 현상이 발생할 수 있는데 이를 방지하기 위해 활성화 함수로서 ReLU(Rectifier Linear Unit)를 이용하였다. 그레디언트 손실은 에러를 역전파할 때 신경망의 레이어 수가 많아지면 입력의 미분값이 0에 가까운 값을 가지게 되어 그레디언트의 전달이 안되는 현상이다.DCNN was trained using a back-propagation learning algorithm. In the learning process, a vanishing gradient phenomenon may occur. To prevent this, a Rectifier Linear Unit (ReLU) was used as an activation function. Gradient loss is a phenomenon in which when the number of layers of the neural network increases when backpropagating an error, the differential value of the input has a value close to 0, so that the gradient cannot be transmitted.

또한, 이 실시예의 딥러닝 모델은 내부 공분산 이동(Internal Covariance Shift) 현상을 방지하고 학습 안정성을 높이기 위해 배치 활성화 함수 적용 이후 배치 정규화를 수행하였다. 내부 공분산 이동은 신경망의 각 레이어에서 사용되는 비선형 활성화 함수로 인해 입력데이터의 분포(Distribution)가 계속 달라지는 현상이다. 배치의 크기(batch size)는 32로 설정하였다.In addition, in the deep learning model of this embodiment, batch normalization was performed after applying the batch activation function to prevent the internal covariance shift phenomenon and increase learning stability. The internal covariance shift is a phenomenon in which the distribution of input data continues to vary due to the nonlinear activation function used in each layer of the neural network. The batch size was set to 32.

각 센서 어레이별로 독립적으로 학습된 DCNN은 센서의 종류별로 특징맵을 출력한다.DCNN independently learned for each sensor array outputs a feature map for each sensor type.

보행분류부(44)는 각각의 특징맵을 직렬로 연결하여(concatenation) 하나의 특징 벡터를 구성하고, 특징 벡터를 완전연결 레이어(fully connected layer)에 입력한다. 완전연결 레이어는 출력 레이어를 제외하고 2개의 연산 레이어를 포함한다. 연산 레이어는 출력 레이어로 값을 전달하기 전에, 과적합(over-fitting) 문제를 방지하고 일반화(regularization) 성능을 향상시키기 위해 학습 시 레이어안에 있는 노드(node)를 드롭아웃 비율만큼 무작위로 골라서 삭제한 후 남겨진 노드만을 가지고 학습을 하는 드롭아웃(dropout) 방법을 이용한다. 이 실시예는 드롭아웃의 비율을 0.5 내지 0.7까지 변환해가며 실험 하였다. The gait classification unit 44 concatenates each feature map in series to form one feature vector, and inputs the feature vector to a fully connected layer. The fully connected layer includes two computational layers except for the output layer. Before passing the value to the output layer, the computation layer randomly selects and deletes nodes in the layer by the dropout ratio during training to prevent over-fitting problems and improve regularization performance. The dropout method is used to learn with only the remaining nodes after doing so. This example was tested while changing the dropout ratio from 0.5 to 0.7.

출력 레이어는 분류하고자 하는 클래스의 수 만큼의 노드로 구성된다. 각 노드는 연산 레이어의 노드들의 가중치 합을 소프트맥스(softmax) 함수에 적용하여 보행 종류를 판단할 수 있는 최종 출력값을 연산한다. The output layer consists of as many nodes as the number of classes to be classified. Each node calculates a final output value capable of determining a gait type by applying the sum of weights of nodes of the calculation layer to a softmax function.

이어서, 본 발명의 실시예에 따른 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 방법을 설명한다.Next, a method of classifying walking types by performing neural network analysis for each detection information according to an embodiment of the present invention will be described.

도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 방법은 정보수집부가 압력센서, 가속도센서, 자이로센서 중 둘 이상을 포함하는 인솔(1)로부터 사용자의 보행에 관한 정보를 수신하는 단계(S120)를 포함한다.Referring to FIG. 10 , in the method of classifying walking types by performing neural network analysis for each detection information according to an embodiment of the present invention, the information collection unit is obtained from an insole 1 including two or more of a pressure sensor, an acceleration sensor, and a gyro sensor. and receiving information about the user's gait (S120).

또한, 전처리부(20)가 보행에 관한 정보에서 단위 걸음의 구간을 정의하여 각 단위 걸음에 대한 데이터를 분할하고, 분할된 데이터의 길이가 모두 같도록 정규화(normalize)하는 단계(S140)를 포함한다.In addition, the preprocessor 20 defines a section of a unit step in the walking information, divides the data for each unit step, and normalizes the divided data to have the same length (S140). do.

또한, 분류부(40)가 정규화된 보행에 관한 정보 중 센서의 종류별로 딥러닝 모델 연산을 실시하여 보행의 종류를 분류하는 단계(S160)를 포함한다.In addition, the classification unit 40 includes a step (S160) of classifying the type of gait by performing a deep learning model calculation for each type of sensor among the normalized gait information.

특히, S160 단계는, 정규화된 보행에 관한 정보에 포함된 센서의 종류별로 딥러닝 모델 연산을 실시하여 특징맵(feature map)을 출력하는 단계(S162)와, 특징맵을 하나로 연결한 후 보행의 종류를 분류할 수 있는 완전연결 네트워크에 입력하고, 완전연결 네트워크에서 출력된 값을 이용하여 보행의 종류를 판단하는 단계(S166)를 포함한다.In particular, in step S160, performing deep learning model calculation for each type of sensor included in the normalized gait information and outputting a feature map (S162) and linking the feature map into one and determining the type of gait by inputting it into a fully connected network capable of classifying the type, and using the value output from the fully connected network (S166).

이때, 이 실시예의 딥러닝 모델은 DCNN(Deep Convolutional Neural Network)인 것을 특징으로 한다.At this time, the deep learning model of this embodiment is characterized in that DCNN (Deep Convolutional Neural Network).

또한, 딥러닝 모델의 학습은 역전파(Back-propagation) 학습 알고리즘을 이용한 것을 특징으로 한다.In addition, the learning of the deep learning model is characterized by using a back-propagation learning algorithm.

이 실시예의 딥러닝 모델은 그레디언트 손실(vanishing gradient) 현상을 방지하기 위해 활성화 함수로서 ReLU(Rectifier Linear Unit)를 이용하였다.The deep learning model of this example uses a Rectifier Linear Unit (ReLU) as an activation function to prevent a vanishing gradient phenomenon.

또한, 딥러닝 모델은 내부 공분산 이동(Internal Covariance Shift) 현상을 방지하고 학습 안정성을 높이기 위해 배치 활성화 함수 적용 이후 배치 정규화를 수행한다.In addition, the deep learning model performs batch normalization after applying the batch activation function to prevent the internal covariance shift phenomenon and increase learning stability.

또한, 딥러닝 모델은 복수의 컨볼루션 레이어를 포함하고, 각 레이어는 대응되는 특징 수준(feature level)의 필터를 포함한다.In addition, the deep learning model includes a plurality of convolutional layers, and each layer includes a filter of a corresponding feature level.

딥러닝 모델에서 출력되는 특징맵은 텐저(Tensor) 형태이다.The feature map output from the deep learning model is in the form of a tensor.

완전연결 네트워크는 복수의 연산 레이어 및 하나의 출력 레이어를 포함한다. 연산 레이어는 출력 레이어로 값을 전달하기 전에, 과적합(over-fitting) 문제를 방지하고 일반화(regularization) 성능을 향상시키기 위해 학습 시 레이어 안에 있는 노드(node)를 드롭아웃(dropout) 비율만큼 무작위로 골라서 삭제한 후 남겨진 노드만을 가지고 학습을 하는 드롭아웃 방법을 이용한다.A fully connected network includes a plurality of computational layers and one output layer. Before passing values to the output layer, the computational layer randomizes the nodes in the layer by a dropout ratio during training to prevent over-fitting problems and improve regularization performance. The dropout method is used to learn with only the remaining nodes after selecting and deleting them.

출력 레이어는 분류하고자 하는 클래스의 수 만큼의 노드로 구성되고, 각 노드는 연산 레이어의 노드들의 가중치 합을 소프트맥스(softmax) 함수에 적용하여 보행 종류에 관한 최종 출력값을 연산한다.The output layer consists of as many nodes as the number of classes to be classified, and each node calculates the final output value for the gait type by applying the weighted sum of the nodes of the operation layer to the softmax function.

실험.Experiment.

데이터 수집을 위해 20대 내지 30대 성인 14명을 대상으로 걷기, 언덕 오르기, 언덕 내려가기, 계단 오르기, 계단 내려가기, 달리기, 경보로 총 7종류의 보행에 대한 데이터를 검출하였다. 걷기, 달리기, 경보는 3분간 데이터를 측정하였으며, 언덕 오르기와 내려가기, 계단 오르기와 내려가기에 대해서는 시간에 관계없이 시작점에서 도착지점까지의 데이터를 측정하였다. 각 사람의 보행 측정값은 전처리부(20)의 전처리 과정을 거쳐 단위 걸음별로 분할되고 정규화되어 저장되었다. 실험에 사용된 데이터에 대한 정보는 표 1에 요약되어 있다.For data collection, a total of 7 types of gait data were detected as walking, hill climbing, hill descending, stair climbing, stair descending, running, and warning for 14 adults in their 20s and 30s. Data for walking, running, and alerting were measured for 3 minutes, and data from the starting point to the end point were measured regardless of time for hill climbing and descending, and for stair climbing and descending. Each person's gait measurement value was divided, normalized, and stored for each unit step through the preprocessing process of the preprocessor 20 . Information on the data used in the experiment is summarized in Table 1.

보행형태walking style 걸음 수number of steps 측정 시간 및 기준Measurement time and reference 걷기walking 2,2952,295 3분3 minutes 오르기rise 1,5771,577 시작점->도착점starting point -> arrival point 내려가기go down 1,5861,586 시작점->도착점starting point -> arrival point 오르기rise 747747 시작점->도착점starting point -> arrival point 내려가기go down 971971 시작점->도착점starting point -> arrival point 달리기running 3,6423,642 3분3 minutes 빠른 걸음trot 2,7142,714 3분3 minutes

학습과 테스트에 필요한 데이터를 전체 데이터에서 각각 1000개씩 무작위로 선택하여 구성하였고, 통계적 신뢰도를 높이기 위해서 위와 같은 작업을 20회 반복하여 평균 분류율을 계산하였다(도 9 (a) 및 도 10 (a)).The data required for learning and testing were randomly selected and configured by 1000 each from the total data, and the above operation was repeated 20 times to increase statistical reliability to calculate the average classification rate (Fig. 9 (a) and Fig. 10 (a)) )).

또한, 추가적인 K-fold 교차 검증 실험을 수행하였다(도 9 (b) 및 도 10 (b)). K-fold 교차 검증에서, 총 샘플을 K개의 동일한 크기의 서브세트(subsets)로 무작위로 분할하였다. K개의 서브세트 중 하나의 서브세트는 나머지 K-1 서브세트가 학습 집합으로 사용되는 동안 모델을 검증하기 위한 시험 집합으로 이용되었다.In addition, additional K-fold cross-validation experiments were performed (FIGS. 9 (b) and 10 (b)). In the K-fold cross-validation, the total sample was randomly divided into K equal-sized subsets. One subset of the K subsets was used as the test set to validate the model while the remaining K-1 subset was used as the training set.

이어서 교차 검증 과정을 K회 반복 하였다. 각 서브세트는 테스트 집합으로 정확히 한 번만 사용되었다. K는 일반적으로 클래스 수로 설정되었으므로 실험에서 7배 교차 유효성 검사를 수행하였다. 또한, 통계적 신뢰도를 높이기 위해 위의 절차를 10회 반복하고 평균 분류 비율을 계산했다.Then, the cross-validation process was repeated K times. Each subset was used exactly once as a test set. Since K was usually set to the number of classes, a 7-fold cross-validation was performed in the experiment. In addition, to increase the statistical reliability, the above procedure was repeated 10 times and the average classification ratio was calculated.

보행 종류를 분류할 수 있는 정보를 얻기 위해 필요한 단계 수를 결정하기 위해 한 단계 (k = 1)에서 다섯 단계 (k = 5)까지의 단계로 구성된 보행 표본을 사용하여 분류 속도를 조사하였다. 훈련 데이터 샘플은 제로 평균(zero mean) 및 단위 분산을 갖도록 정규화되었고, 테스트 데이터 샘플은 학습 데이터 샘플의 평균 및 분산을 사용하여 정규화되었다. 표 2는 각 k에 대한 7배 교차 검증 실험에서 k의 값과 훈련 데이터 샘플 및 테스트 샘플의 수에 따른 보행 데이터 샘플의 총 수를 나타낸다.In order to determine the number of steps required to obtain information that can classify gait types, the classification speed was investigated using a gait sample consisting of steps from one (k = 1) to five (k = 5) steps. The training data samples were normalized to have zero mean and unit variance, and the test data samples were normalized using the mean and variance of the training data samples. Table 2 shows the total number of gait data samples according to the value of k and the number of training data samples and test samples in the 7-fold cross-validation experiment for each k.

kk 총 보행 수total number of steps 훈련 샘플의 수number of training samples 시험 샘플의 수number of test samples 1One 13,53113,531 11,59811,598 1,9331933 22 6,7426,742 5,7785,778 964964 33 4,4764,476 3,8363,836 640640 44 3,3473,347 2,8682,868 479479 55 2,6712,671 2,2892,289 382382

분류 실험은 윈도우 환경에서 Matlab 2018a를 이용하였으며, DCNN 관련 라이브러리는 Keras 2.1.5를 이용하였다. 학습 과정에서, 출력값과 정답 라벨값의 차이를 계산하기 위한 손실함수로는 Categorical Cross Entropy를 사용하였다. 네트워크의 가중치를 최적화하기 위한 방법으로 아담 옵티마이저(adaptive momentum optimizer)를 사용하였고, 아답 옵티마이저의 학습율(learning rate)은 0.0001로 설정하였다.For classification experiments, Matlab 2018a was used in a Windows environment, and Keras 2.1.5 was used for DCNN-related libraries. In the learning process, categorical cross entropy was used as a loss function to calculate the difference between the output value and the correct label value. An adaptive momentum optimizer was used as a method for optimizing the weights of the network, and the learning rate of the adaptive momentum optimizer was set to 0.0001.

도 12를 참조하면, 분류 성능은 한 종류의 센서 어레이 데이터의 특징맵을 사용한 Mono-modal DCNN과, Multi-modal DCNN으로서 두 종류 이상의 센서 어레이의 특징맵을 함께 사용하는 Bi-modal DCNN과 세 종류의 센서 어레이를 모두 함께 사용하는 Tri-modal DCNN에 대한 분류율로 평가하였으며 NLDA를 이용한 판별 분석 방법(DA-NLDA)과 비교 실험을 수행하였다.Referring to FIG. 12 , the classification performance is a mono-modal DCNN using a feature map of one type of sensor array data, a bi-modal DCNN using a feature map of two or more types of sensor arrays as a multi-modal DCNN, and three types. The classification rate for tri-modal DCNN using all of the sensor arrays was evaluated, and a discriminant analysis method using NLDA (DA-NLDA) and a comparative experiment were performed.

먼저 센서의 종류별로 분류 성능을 확인하기 위해 압력 센서 어레이, 가속도 센서 어레이, 자이로 센서 어레이 각각에 대해 독립적으로 학습된 Mono-modal DCNN을 이용하여 보행 종류를 분류한 결과는 표 3과 같다. 보행 종류의 분류를 위한 보행 특징을 추출하는데 몇 걸음 정도가 필요한지를 확인하기 위해, 한 걸음에 대한 보행 측정값으로 구성한 보행 샘플(k=1)에서부터 다섯 걸음의 측정값을 포함한 보행 샘플(l=5)까지의 인식률을 측정하였다.First, in order to check the classification performance for each type of sensor, the results of classifying the gait type using the independently learned mono-modal DCNN for each of the pressure sensor array, the acceleration sensor array, and the gyro sensor array are shown in Table 3. To determine how many steps are required to extract gait characteristics for classification of gait types, from a gait sample composed of gait measurements for one step (k = 1) to a gait sample including measurements of five steps (l = The recognition rate up to 5) was measured.

kk #1#One #2#2 #3#3 #4#4 #5#5 Mono-Modal DCNNMono-Modal DCNN 압력pressure 84.3284.32 84.9084.90 85.5285.52 88.2888.28 88.8788.87 가속도acceleration 88.1788.17 87.3987.39 90.5590.55 90.9990.99 90.3890.38 자이로gyro 88.1688.16 90.3690.36 91.7491.74 91.8491.84 93.0393.03 DA-NLDADA-NLDA 압력pressure 26.1026.10 77.3277.32 81.6881.68 83.3583.35 84.4184.41

본 발명의 실시예가 모든 경우에 대해 DA-NLDA보다 최소 4.46%(5걸음이 포함된 압력 센서 보행 샘플)에서 최대 58.22%(한 걸음이 포함된 압력 센서 보행 샘플) 더 높은 분류 성능을 보여 주었다. 세 종류의 센서 어레이들의 특징맵 중에서는 자이로 센서의 성능이 다른 센서들보다 다소 높게 나온 것으로 볼 때, 보행 시 발의 움직임 방향에 의해 만들어지는 보행 패턴이 보행의 종류를 구분하는데 유용한 것으로 판단된다.The example of the present invention showed a higher classification performance than DA-NLDA for all cases at a minimum of 4.46% (pressure sensor walking sample with 5 steps) and up to 58.22% (pressure sensor walking sample with one step) higher than DA-NLDA. Considering that the performance of the gyro sensor is somewhat higher than that of other sensors among the feature maps of the three types of sensor arrays, it is judged that the gait pattern created by the direction of movement of the foot during walking is useful for distinguishing the type of gait.

특히, 한 걸음으로 구성된 보행 샘플의 경우, DA-NLDA은 분류 성능이 26.10% 내지 43.32%에 불과하여 보행 종류 분류에 유용한 특징들을 제대로 추출하지 못하였다. 그러나, 본 발명의 실시예는 한 걸음이 포함된 보행 샘플만으로도 센서의 종류에 따라 84.82% 내지 88.18%의 높은 분류율을 보였다.In particular, in the case of a gait sample composed of one step, DA-NLDA had only 26.10% to 43.32% of classification performance, so it was not possible to properly extract features useful for gait type classification. However, the embodiment of the present invention showed a high classification rate of 84.82% to 88.18% depending on the type of sensor only with a walking sample including one step.

도 10 및 도 11은 모든 k에 대해 학습 샘플과 테스트 샘플을 1000개씩 사용한 결과이다. 결과를 참조하면, 보행 샘플에 포함된 걸음 수가 많을수록 분류율이 증가하다가 4 내지 5 걸음수가 될 때 분류율의 증가 폭이 둔화(압력 센서, 가속도 센서)되거나 오히려 감소하는 것(자이로 센서)을 볼 수 있었다. 이는 샘플을 구성하는 걸음수가 많을수록 보행 분류를 위한 양질의 특징을 추출하는 데에 유용한 정보가 많아지지만, 4걸음 이상이 포함된 보행 샘플부터는 걸음 수 증가에 대한 추가적인 정보 획득 효과가 사라진다고 볼 수 있다.10 and 11 are results of using 1000 training samples and 1000 test samples for all k. Referring to the results, it can be seen that the classification rate increases as the number of steps included in the walking sample increases, but when the number of steps is 4 to 5, the increase in the classification rate slows down (pressure sensor, acceleration sensor) or decreases (gyro sensor). could This means that as the number of steps constituting the sample increases, information useful for extracting high-quality features for gait classification increases, but it can be seen that the effect of obtaining additional information on the increase in the number of steps disappears from the gait sample containing 4 or more steps.

k=1일 때 가장 높은 분류율이 나타났는데, 이는 k=1일 때의 학습 데이터가 가장 많기 때문이다. 이것은 비록 짧은 시간 동안 측정한 데이터일지라도 데이터 샘플의 양이 충분하면 더 좋은 특징을 추출할 수 있음을 의미한다.The highest classification rate appeared when k=1, because the training data when k=1 is the largest. This means that even if the data is measured for a short period of time, better features can be extracted if the amount of data samples is sufficient.

kk #1#One #2#2 #3#3 #4#4 #5#5 Bi-ModalBi-Modal Oursours 압력+가속도pressure + acceleration 89.9689.96 90.8690.86 90.8290.82 91.5791.57 93.0993.09 압력+자이로pressure + gyro 90.2490.24 91.1991.19 90.8190.81 92.6892.68 92.3992.39 가속도+자이로 Acceleration + Gyro 90.0390.03 90.8490.84 91.5691.56 90.8890.88 91.6891.68 Tri-ModalTri-Modal Oursours 압력+가속도+자이로Pressure + Acceleration + Gyro 90.2290.22 92.6892.68 92.6692.66 92.9892.98 93.5393.53

표 4는 여러 종류의 센서의 특징맵을 함께 사용한 multi-modal DCNN의 실험 결과이다. Multi-modal(bi-modal 및 tri-modal) DCNN 실험은 두 종류 이상 센서들의 특징맵을 결합하여 새로운 특징맵을 만들고 보행 종류를 분류한다. 표 3의 mono-modal DCNN의 결과와 비교해 볼 때, 전반적으로 multi-modal DCNN의 분류 성능이 더 우수한 것을 볼 있으며, 두 종류의 센서를 이용했을 때보다 세 종류의 센서를 이용했을 때 더 높은 분류 성능을 보였다.Table 4 shows the experimental results of multi-modal DCNN using feature maps of several types of sensors. Multi-modal (bi-modal and tri-modal) DCNN experiments combine feature maps of two or more types of sensors to create a new feature map and classify gait types. Comparing with the results of mono-modal DCNN in Table 3, it can be seen that the overall classification performance of multi-modal DCNN is better, and the classification performance is higher when using three types of sensors than when using two types of sensors. performance was shown.

한편, Multi-modal DCNN의 경우에도 mono-modal DCNN 실험에서와 같이 보행 샘플에 포함된 걸음 수가 많을수록 분류율이 증가하였다. 또한, bi-modal DCNN과 tri-modal DCNN에서 모두 2걸음 이상 포함된 보행 샘플부터 분류 성능이 포화되는 것을 볼 수 있는데, 이는 서로 다른 종류의 센서들의 특성들이 상호 보완되면서 시너지 효과를 가져오는 것으로 판단된다.On the other hand, in the case of multi-modal DCNN, as in the mono-modal DCNN experiment, the higher the number of steps included in the walking sample, the higher the classification rate. In addition, in both bi-modal DCNN and tri-modal DCNN, it can be seen that classification performance is saturated from gait samples containing two or more steps. do.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 다음 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, various changes, modifications and equivalents may be used in the present invention. It is clear that the present invention can be equally applied by appropriately modifying the above embodiments. Therefore, the above description does not limit the scope of the present invention, which is defined by the limits of the following claims.

1 : 스마트 인솔
10 : 정보 수집부
20 : 전처리부
22 : 걸음단위 설정부
23 : 정보 배열부
24 : 노이즈 제거부
26 : 정규화부
40 : 분류부
42 : 특징 추출부
44 : 보행분류부
1: Smart insole
10: information collection unit
20: preprocessor
22: step unit setting unit
23: information arrangement unit
24: noise removal unit
26: normalization unit
40: classification unit
42: feature extraction unit
44: walking classification unit

Claims (24)

압력센서, 가속도센서, 자이로센서 중 둘 이상이 내장된 스마트 인솔로부터 사용자의 보행에 관한 정보를 수신하는 정보 수집부;
상기 정보 수집부에서 수신된 보행에 관한 정보 중 센서의 종류별로 딥러닝 모델 연산을 실시하여 상기 보행의 종류를 분류하는 분류부를 포함하는 것을 특징으로하며,
상기 정보 수집부가 수신한 보행에 관한 정보에서 단위 걸음의 구간을 정의하여 각 단위 걸음에 대한 데이터를 분할하고, 분할된 데이터의 길이가 모두 같도록 정규화(normalize)하는 전처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 전처리부는,
보행 주기의 스탠스 단계 및 스윙 단계를 기준으로 상기 스마트 인솔에서 보행 시간 동안 연속적으로 측정된 상기 보행에 관한 정보를 단위 걸음 구간들로 분할하는 걸음단위 설정부;
상기 단위 걸음에 대한 데이터 샘플을 상기 압력센서, 가속도센서, 자이로센서에 각각 2차원 행렬 형태로 저장하는 정보배열부;
상기 보행 주기의 스윙 단계에서 발생하는 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부; 및
상기 단위 걸음에 대한 데이터들을 가장 짧은 단위 걸음의 시간을 기준으로 정규화하는 정규화부;를 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 분류부는,
상기 정보 수집부에서 수신된 센서의 종류별로 딥러닝 모델 연산을 실시하는 특징추출부;
상기 특징 추출부에서 연산된 정보를 연결하여 보행의 종류를 분류할 수 있는 완전연결 네트워크에 입력하는 것으로 보행의 종류를 판단하는 보행분류부를 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 추출부의 딥러닝 모델은 센서의 종류에 대응하여 복수개로 구성되고, 각 딥러닝 모델은 한 종류의 센서 정보로 기 학습되어, 보행에 관한 정보가 수신되었을 때 상기 딥러닝 모델별로 특징맵(feature map)을 출력하는 것을 특징으로 하며,
상기 보행분류부는 상기 특징 추출부의 각 딥러닝 모델에서 출력된 특징맵을 연결하여 하나의 특징 벡터를 구성하고, 상기 특징 벡터를 완전연결 레이어(fully connected layer)에 입력하는 것을 특징으로 하며,
상기 완전연결 레이어는 복수의 연산 레이어 및 하나의 출력 레이어를 포함하고,
상기 연산 레이어는 출력 레이어로 값을 전달하기 전에, 과적합(over-fitting) 문제를 방지하고 일반화(regularization) 성능을 향상시키기 위해 학습 시 레이어 안에 있는 노드(node)를 드롭아웃(dropout) 비율만큼 무작위로 골라서 삭제한 후 남겨진 노드만을 가지고 학습을 하는 드롭아웃 방법을 이용하는 것을 특징으로 하며,
상기 출력 레이어는 분류하고자 하는 클래스의 수 만큼의 노드로 구성되고, 각 노드는 연산 레이어의 노드들의 가중치 합을 소프트맥스(softmax) 함수에 적용하여 보행 종류에 관한 최종 출력값을 연산하는 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치.
an information collection unit for receiving information about a user's gait from a smart insole in which two or more of a pressure sensor, an acceleration sensor, and a gyro sensor are built-in;
It characterized in that it comprises a classification unit for classifying the type of walking by performing a deep learning model calculation for each type of sensor among the information about the walking received from the information collection unit,
The information collection unit further comprises a preprocessor for defining a section of a unit step from the information about the walking received by the information collection unit, dividing the data for each unit step, and normalizing the divided data so that the lengths of the divided data are all the same. and
The preprocessor is
a step unit setting unit that divides the information on the walking continuously measured during the walking time in the smart insole based on the stance step and the swing step of the walking cycle into unit step sections;
an information arrangement unit for storing data samples for the unit steps in the pressure sensor, the acceleration sensor, and the gyro sensor in the form of a two-dimensional matrix, respectively;
a noise removing unit that removes noise generated in the swing phase of the walking cycle; and
It characterized in that it comprises a; normalization unit for normalizing the data for the unit step based on the time of the shortest unit step,
The classification unit,
a feature extraction unit for performing a deep learning model operation for each type of sensor received from the information collection unit;
It characterized in that it includes a gait classification unit that determines the type of gait by connecting the information calculated in the feature extraction unit and inputting it into a fully connected network capable of classifying the type of gait,
The deep learning model of the extraction unit is composed of a plurality of pieces corresponding to the type of sensor, and each deep learning model is pre-learned with one type of sensor information, and when information about walking is received, a feature map for each deep learning model (feature map) It is characterized by outputting a map),
The gait classification unit connects the feature maps output from each deep learning model of the feature extraction unit to form one feature vector, and inputs the feature vector to a fully connected layer,
The fully connected layer includes a plurality of computation layers and one output layer,
Before passing the value to the output layer, the computation layer reduces the nodes in the layer by a dropout ratio during training to prevent over-fitting problems and improve regularization performance. It is characterized by using a dropout method that learns with only the remaining nodes after randomly selecting and deleting them.
The output layer is composed of as many nodes as the number of classes to be classified, and each node calculates the final output value related to the gait type by applying the weighted sum of the nodes of the operation layer to a softmax function. A device for classifying gait types by performing neural network analysis for each detection information.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 딥러닝 모델은 DCNN(Deep Convolutional Neural Network)인 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치.
According to claim 1,
The deep learning model is a DCNN (Deep Convolutional Neural Network) apparatus for classifying a walking type by performing a neural network analysis for each detection information, characterized in that.
제4항에 있어서,
상기 딥러닝 모델의 학습은 역전파(Back-propagation) 학습 알고리즘을 이용한 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치.
5. The method of claim 4,
A device for classifying walking types by performing neural network analysis for each detection information, characterized in that the learning of the deep learning model uses a back-propagation learning algorithm.
제5항에 있어서,
상기 딥러닝 모델은 그레디언트 손실(vanishing gradient) 현상을 방지하기 위해 활성화 함수로서 ReLU(Rectifier Linear Unit)를 이용하는 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치.
6. The method of claim 5,
The deep learning model classifies a gait type by performing a neural network analysis for each detection information, characterized in that it uses a Rectifier Linear Unit (ReLU) as an activation function to prevent a vanishing gradient phenomenon.
제6항에 있어서,
상기 딥러닝 모델은 내부 공분산 이동(Internal Covariance Shift) 현상을 방지하고 학습 안정성을 높이기 위해 배치 활성화 함수 적용 이후 배치 정규화를 수행하는 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치.
7. The method of claim 6,
The deep learning model is a device for classifying gait types by performing neural network analysis for each detection information, characterized in that the batch normalization is performed after applying the batch activation function to prevent the internal covariance shift phenomenon and increase learning stability .
제1항에 있어서,
상기 딥러닝 모델은 복수의 컨볼루션 레이어를 포함하고, 각 레이어는 대응되는 특징 수준(feature level)의 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치.
According to claim 1,
The deep learning model includes a plurality of convolutional layers, and each layer includes a filter of a corresponding feature level. An apparatus for classifying a gait type by performing a neural network analysis for each detection information.
제1항에 있어서,
상기 딥러닝 모델에서 출력되는 특징맵은 텐저(Tensor) 형태인 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치.
According to claim 1,
A device for classifying walking types by performing neural network analysis for each detection information, characterized in that the feature map output from the deep learning model is in the form of a tensor.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 전처리부는 센서의 종류별 단위 걸음에 대한 검출 값을 2차원 배열로 나타내고, 사전 순서 연산자(lexicographic ordering operator)를 이용하여 각 2차원 배열을 일렬의 정보로 변환하는 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 장치.
According to claim 1,
The pre-processing unit represents a detection value for a unit step for each type of sensor in a two-dimensional array, and uses a lexicographic ordering operator to convert each two-dimensional array into a line of information. Neural network analysis by detection information A device that classifies gait types by performing
정보수집부가 압력센서, 가속도센서, 자이로센서 중 둘 이상이 내장된 스마트 인솔로부터 사용자의 보행에 관한 정보를 수신하는 단계;
전처리부가 상기 보행에 관한 정보에서 단위 걸음의 구간을 정의하여 각 단위 걸음에 대한 데이터를 분할하고, 분할된 데이터의 길이가 모두 같도록 정규화(normalize)하는 단계를 포함하는 전처리단계;
상기 전처리단계는,
걸음단위 설정부에서 보행 주기의 스탠스 단계 및 스윙 단계를 기준으로 상기 스마트 인솔에서 보행 시간 동안 연속적으로 측정된 상기 보행에 관한 정보를 단위 걸음 구간들로 분할하는 단계;
정보배열부에서 상기 단위 걸음에 대한 데이터 샘플을 상기 압력센서, 가속도센서, 자이로센서에 각각 2차원 행렬 형태로 저장하는 단계;
노이즈 제거부에서 상기 보행 주기의 스윙 단계에서 발생하는 노이즈를 제거하는 단계; 및
정규화부에서 상기 단위 걸음에 대한 데이터들을 가장 짧은 단위 걸음의 시간을 기준으로 정규화하는 상기 정규화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하며,
분류부가 정규화된 보행에 관한 정보 중 센서의 종류별로 딥러닝 모델 연산을 실시하여 상기 보행의 종류를 분류하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 분류부가 정규화된 보행에 관한 정보 중 센서의 종류 별로 딥러닝 모델 연산을 실시하여 상기 보행의 종류를 분류하는 단계는,
상기 정규화된 보행에 관한 정보에 포함된 센서의 종류별로 딥러닝 모델 연산을 실시하여 특징맵(feature map)을 출력하는 단계;
상기 특징맵을 하나로 연결한 후 보행의 종류를 분류할 수 있는 완전연결 네트워크에 입력하고, 상기 완전연결 네트워크에서 출력된 값을 이용하여 보행의 종류를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 완전연결 네트워크는 복수의 연산 레이어 및 하나의 출력 레이어를 포함하고,
상기 연산 레이어는 출력 레이어로 값을 전달하기 전에, 과적합(over-fitting) 문제를 방지하고 일반화(regularization) 성능을 향상시키기 위해 학습 시 레이어 안에 있는 노드(node)를 드롭아웃(dropout) 비율만큼 무작위로 골라서 삭제한 후 남겨진 노드만을 가지고 학습을 하는 드롭아웃 방법을 이용하는 것을 특징으로 하며,
상기 출력 레이어는 분류하고자 하는 클래스의 수 만큼의 노드로 구성되고, 각 노드는 연산 레이어의 노드들의 가중치 합을 소프트맥스(softmax) 함수에 적용하여 보행 종류에 관한 최종 출력값을 연산하는 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 방법.
Receiving, by an information collection unit, information about a user's gait from a smart insole in which two or more of a pressure sensor, an acceleration sensor, and a gyro sensor are embedded;
A preprocessing step comprising: a preprocessing unit defining a section of a unit step in the walking information, dividing the data for each unit step, and normalizing the divided data to have the same length;
The pre-processing step is
dividing the information on the gait continuously measured during the gait time in the smart insole into unit step sections based on the stance stage and the swing stage of the gait cycle in the step unit setting unit;
storing data samples for the unit steps in the pressure sensor, the acceleration sensor, and the gyro sensor in the form of a two-dimensional matrix in the information arrangement unit;
removing noise generated in the swing phase of the gait cycle by a noise removing unit; and
The normalizing step of normalizing the data for the unit step in the normalization unit based on the time of the shortest unit step; characterized in that it comprises a,
It characterized in that it comprises the step of classifying the type of walking by performing a deep learning model calculation for each type of sensor among the information on the normalized walking by the classification unit,
The step of classifying the type of walking by performing a deep learning model calculation for each type of sensor among the information on the normalized walking by the classification unit includes:
outputting a feature map by performing a deep learning model calculation for each type of sensor included in the normalized gait information;
It characterized in that it comprises the step of inputting into a fully connected network capable of classifying the type of gait after linking the feature map into one, and determining the type of gait using the value output from the fully connected network,
The fully connected network includes a plurality of computation layers and one output layer,
Before passing the value to the output layer, the computation layer reduces the nodes in the layer by a dropout ratio during training to prevent over-fitting problems and improve regularization performance. It is characterized by using a dropout method that learns with only the remaining nodes after randomly selecting and deleting them.
The output layer is composed of as many nodes as the number of classes to be classified, and each node calculates the final output value related to the gait type by applying the weighted sum of the nodes of the operation layer to a softmax function. A method of classifying gait types by performing neural network analysis for each detection information.
삭제delete 제15항에 있어서,
상기 딥러닝 모델은 DCNN(Deep Convolutional Neural Network)인 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 방법.
16. The method of claim 15,
The deep learning model is a method of classifying a walking type by performing a neural network analysis for each detection information, characterized in that DCNN (Deep Convolutional Neural Network).
제17항에 있어서,
상기 딥러닝 모델의 학습은 역전파(Back-propagation) 학습 알고리즘을 이용한 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 방법.
18. The method of claim 17,
The learning of the deep learning model is a method of classifying walking types by performing neural network analysis for each detection information, characterized in that using a back-propagation learning algorithm.
제17항에 있어서,
상기 딥러닝 모델은 그레디언트 손실(vanishing gradient) 현상을 방지하기 위해 활성화 함수로서 ReLU(Rectifier Linear Unit)를 이용하는 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 방법.
18. The method of claim 17,
The deep learning model classifies a gait type by performing a neural network analysis for each detection information, characterized in that it uses a Rectifier Linear Unit (ReLU) as an activation function to prevent a vanishing gradient phenomenon.
제19항에 있어서,
상기 딥러닝 모델은 내부 공분산 이동(Internal Covariance Shift) 현상을 방지하고 학습 안정성을 높이기 위해 배치 활성화 함수 적용 이후 배치 정규화를 수행하는 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 방법.
20. The method of claim 19,
The deep learning model is a method of classifying gait types by performing neural network analysis for each detection information, characterized in that batch normalization is performed after applying a batch activation function to prevent the internal covariance shift phenomenon and increase learning stability .
제15항에 있어서,
상기 딥러닝 모델은 복수의 컨볼루션 레이어를 포함하고, 각 레이어는 대응되는 특징 수준(feature level)의 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 방법.
16. The method of claim 15,
The deep learning model includes a plurality of convolutional layers, and each layer includes a filter of a corresponding feature level. A method of classifying a gait type by performing a neural network analysis for each detection information.
제15항에 있어서,
상기 딥러닝 모델에서 출력되는 특징맵은 텐저(Tensor) 형태인 것을 특징으로 하는 검출정보별 신경망 분석을 실시하여 보행 종류를 분류하는 방법.
16. The method of claim 15,
A method of classifying a walking type by performing a neural network analysis for each detection information, characterized in that the feature map output from the deep learning model is in the form of a tensor.
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