KR102304300B1 - 머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 방법 및 장치 - Google Patents

머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 방법에 관한 것으로서, 머리부에 배치된 가속도 센서에서 측정되는 보행자의 수직 방향 가속도를 수집하는 보행 가속도 수집 단계; 입각기 및 유각기를 포함하는 보행 주기 내에서 수직 방향 가속도의 피크값을 추출하고, 피크값을 기초로 양발지지구간에 대한 시작점 및 끝점을 검출하여 보행 시점을 설정하는 보행 시점 검출 단계; 및 보행자의 보행 자세를 분석하기 위해 시작점 및 끝점을 기초로 양발지지구간을 검출하는 보행 인자 검출 단계를 포함하고, 양발지지구간에 대한 시작점 및 끝점은 보행 주기의 피크를 기초로 기 정해진 윈도우(Window) 내에서 설정하며, 양발지지구간의 시작점은 한발지지구간의 끝점과 동일하며, 양발지지구간의 끝점은 한발지지구간의 시작점과 동일할 수 있다.

Description

머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 방법 및 장치{A METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING WALKING FACTOR WITH PORTION ACCELERATION SENSOR}
본 발명은 머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보행자의 머리부에 부착된 가속도 센서를 이용하여 보행 가속도 신호를 수집하여 보행 시점 및 보행 인자를 검출함으로써 보행 자세에 대한 분석 정확도를 향상시킬 수 있는 머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 방법 및 장치에 대한 것이다.
최근 다양한 센서를 이용하여 일상생활에서 사람의 신체 활동을 분석하는 시스템에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다. 사람의 신체 활동 중 보행은 대뇌의 기능을 거의 필요로 하지 않는 자연스러운 움직임으로 알려져 있지만 실제로는 집중력, 실행능력 등의 고위인지기능과 관련이 있다고 밝혀졌다.
따라서, 사람의 보행 분석은 대상자가 정상적인 일상생활을 유지할 수 있는지 평가할 수 있는 중요한 척도로 활용되고 있다.
종래의 보행운동 측정 장치는 사람의 신체 중 하지부에 센서를 부착하여 지면반력을 직접 측정하거나, 두 개의 서로 다른 힘판으로부터 분리된 지면반력을 수집하였다. 이처럼, 종래의 보행운동 측정 장치는 두 개의 힘판으로부터 왼발 및 오른발에 대한 지면반력을 분리해서 수집하기 때문에, 보행자의 보행 자세를 분석하려면 고가의 장비를 구입해야 하는 단점이 있었다. 뿐만 아니라, 힘판을 이용하여 지면반력을 수집하는 경우는 휴대성이 떨어진다는 단점이 있다.
종래에도 가속도 센서를 이용해서 주행(Running)을 측정하려는 시도가 있었다. 다만, 주행 시에는 빠른 속도로 움직이기 때문에 왼발, 오른발에 대한 가속도 신호가 주로 측정될 뿐 양발지지구간이 거의 나타나지 않는다. 따라서, 종래의 가속도 센서를 이용하여 외발지지 구간 또는 왼발 또는 오른발의 별도의 움직임을 분석하는 것은 매우 어려웠다.
이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 본 출원인은 실험을 통해 힘판을 사용하지 않고도 머리부에 가속도 센서만 부착함으로써 보행자의 보행 자세를 분석할 수 있음을 발견하였다. 또한, 머리부에 가속도 센서를 부착하여 보행 자세를 분석할 경우, 하지부에 가속도 센서를 부착한 경우보다 분석의 정확도가 효과적으로 향상됨을 발견하였다.
보다 구체적으로, 본 발명이 해결하고자 보행자의 머리부에 부착된 머리부 가속도 센서를 이용하여 보행자의 보행 가속도 신호를 수집하고 보행 자세를 분석함으로써 작업 속도를 향상시킬 수 있는 머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 머리부 가속도 센서로부터 수집된 보행 가속도를 기초로 보행자의 왼발 및 오른발을 구별함으로써 작업의 편리성을 증대시킬 수 있는 머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 방법을 제공하는 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 방법은 머리부에 배치된 가속도 센서에서 측정되는 보행자의 수직 방향 가속도를 수집하는 보행 가속도 수집 단계; 입각기 및 유각기를 포함하는 보행 주기 내에서 수직 방향 가속도의 피크값을 추출하고, 피크값을 기초로 양발지지구간에 대한 시작점 및 끝점을 검출하여 보행 시점을 설정하는 보행 시점 검출 단계; 및 보행자의 보행 자세를 분석하기 위해 시작점 및 끝점을 기초로 양발지지구간을 검출하는 보행 인자 검출 단계를 포함하고, 양발지지구간에 대한 시작점 및 끝점은 보행 주기의 피크를 기초로 기 정해진 윈도우(Window) 내에서 설정하며, 양발지지구간의 시작점은 한발지지구간의 끝점과 동일하며, 양발지지구간의 끝점은 한발지지구간의 시작점과 동일할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 보행 시점 검출 단계는 수직 방향 가속도를 미분하여 한발지지구간에서 양발지지구간으로 넘어갈 때 지면에 충격이 가해지는 시점인 보행 가가속도 신호를 더 검출하고, 수직 방향 가속도의 피크값 전에 위치한 보행 가가속도 신호의 피크값을 양발지지구간에 대한 시작점으로 설정하고, 수직 방향 가속도의 피크값 후에 위치한 보행 가가속도 신호의 피크값을 양발지지구간에 대한 끝점으로 설정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 보행 인자 검출 단계는 수직 방향 가속도의 피크 값을 기초로 보율(Cadence) 및 보간(Step width)을 검출하고, GPS를 이용할 경우, 보행자의 보행 속도, 한걸음 길이(Stide length) 및 한발짝 길이(Step length)를 더 검출할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 한걸음 길이는 하기 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.
(수학식 1)
Figure 112019046754077-pat00001
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 보행 가속도 수집 단계는, 보행자의 수평 방향 가속도를 수집하는 단계를 더 포함하고, 수평 방향 가속도의 부호에 따라 보행자의 왼발 및 오른발을 구별할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 윈도우는 보행 주기의 피크 중 가장 높은 값의 피크를 기준피크로 설정한 후, 기준피크 양 측에 배치된 피크 사이의 범위 보다 작게 윈도우 사이즈(Window size)를 설정할 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 장치는 보행자의 머리 부근에 배치된 보행 가속도 센서에서 측정되는 수직 방향 가속도를 측정하고 측정값을 전달하는 보행 측정 모듈; 및 보행 측정 모듈로부터 수신한 측정값을 수집하는 가속도 수집 모듈, 측정값을 기초로 수직 방향 가속도의 피크값을 추출하여 양발지지구간에 대한 시작점 및 끝점을 검출하는 보행 시점 검출 모듈 및 시작점 및 끝점을 기초로 양발지지구간을 검출하는 보행 인자 검출 모듈을 포함하는 보행 분석 모듈을 포함하고, 양발지지구간에 대한 시작점 및 끝점은 보행 주기의 피크를 기초로 기 정해진 윈도우(Window) 내에서 설정하며, 양발지지구간의 시작점은 한발지지구간의 끝점과 동일하며, 양발지지구간의 끝점은 한발지지구간의 시작점과 동일할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 보행 시점 검출 모듈은 수직 방향 가속도를 미분하여 한발지지구간에서 양발지지구간으로 넘어갈 때 지면에 충격이 가해지는 시점인 보행 가가속도 신호를 더 검출하고, 수직 방향 가속도의 피크값 전에 위치한 보행 가가속도 신호의 피크값을 양발지지구간에 대한 시작점으로 설정하고, 수직 방향 가속도의 피크값 후에 위치한 보행 가가속도 신호의 피크값을 양발지지구간에 대한 끝점으로 설정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 보행자가 보행 자세를 교정할 수 있도록 보행 분석 모듈에 의해 검출된 보행 인자를 소리 또는 영상을 포함한 사용자가 인식 가능한 형태로 변환하여 보행 자세 분석 정보를 출력하는 알림 모듈을 더 포함할 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 보행자의 머리부에 부착된 머리부 가속도 센서를 이용하여 보행자의 보행 가속도 신호를 수집하고 보행 자세를 분석함으로써 작업 속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 머리부에 부착된 가속도 센서로부터 수집된 보행 가속도를 기초로 보행 주기 내에서 보행자의 왼발 및 오른발을 구별함으로써 작업의 편리성을 증대시킬 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행인자 검출 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 방법의 개략적인 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 시점 검출 방법의 세부적인 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 가속도 신호를 수집하여 보행 시점을 검출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수집한 보행 가속도 신호의 최고점, 최저점 및 가가속도를 검출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 가속도 신호의 최고점을 기초로 윈도우를 설정하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 윈도우 내의 가가속도에서 양발 지지구간 시작지점 및 끝지점을 검출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 가속도 신호에 따라 왼발 및 오른발을 구별하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 양발지지구간 및 한발 지지구간을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 11의 A영역내에서 피크값을 기초로 사용자의 보행 자세를 분석하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 12를 통한 사용자의 보행 자세를 구체적으로 나타낸 예시도이다.
도 14a 내지 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간별 지면반력에 대한 그래프이다.
이하의 내용은 단지 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 발명의 원리를 구현하고 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 이하의 설명에서 제1, 제2 등과 같은 서수식 표현은 서로 동등하고 독립된 객체를 설명하기 위한 것이며, 그 순서에 주(main)/부(sub) 또는 주(master)/종(slave)의 의미는 없는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.
이하에서는, 도 1a 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 보행인자 검출 장치(100)의 구성 및 이를 이용한 보행인자 검출 방법을 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행인자 검출 장치의 구성도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 방법의 개략적인 순서도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 시점 검출 방법의 세부적인 순서도이다.
도 1a 내지 도 1b를 참조하면, 보행인자 검출 장치(100)는 보행 시 보행자의 보행 가속도를 수집하여 보행 동작을 정확히 분석할 수 있는 장치로서, 보행자의 머리에 착용될 수 있는 헤드셋, 이어폰, 모자 등에 부착되는 가속도 센서이다. 본 발명에서 보행인자 검출 장치(100)는 도 1a와 같이, 헤드셋에 부착하여 측정하는 것을 기본으로 한다. 다만, 이에 제한되지 않으며, 사용자의 허리 또는 가슴 부근의 상반신에 착용될 수 있다(도 1b 참조).
보행인자 검출 장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 보행 측정 모듈(110), 보행 분석 모듈(120), 데이터베이스(130) 및 알림 모듈(140)을 포함한다.
보행 측정 모듈(110)은 보행자의 머리부에 부착된 가속도 센서를 이용하여 보행자의 보행 가속도 신호를 측정하며, 보행 측정 모듈(110)은 헤드셋에 부착된다. 다만, 이에 한정되는 않으며 가슴부분에 밴드를 이용하여 탈/부착될 수도 있고(도 1b 참조), 보행자의 머리부근 내지 상반신 부근에 부착될 수 있다. 예를 들어, 보행 측정 모듈(110)은 팔의 상완, 귀, 머리, 머리, 어깨 부근에 밴드 또는 다양한 장치를 이용하여 부착될 수도 있다. 다만, 상반신 이하의 신체 부위에 탈/부착될 경우 측정의 정확도가 떨어지기 때문에 하반신을 제외하며 머리부에 가까운 부분에 적용되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서, 보행 측정 모듈(110)은 보행 분석 모듈(120)과 별도의 하우징에 수용될 수 있고, 동일한 하우징에 수용될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 보행 측정 모듈(110)은 센서 모듈(111), 센서 제어모듈(112) 및 통신 모듈(113)을 포함할 수 있다.
센서 모듈(111)은 보행 분석 모듈(120)의 보행 분석에 필요한 센서 값들을 측정하여 보행 분석 모듈(120)로 전송할 수 있다. 본 발명에서는, 센서 모듈(111)에서 보행 분석에 필요한 센서 값을 센싱하는 것만 기재하였으나, 센싱한 가속도를 수집하여 보행 시점 및 보험 인자를 검출하여 보행 분석 모듈(120)에 전송할 수도 있다. 또한, 센서 모듈(111)은 가속도 센서 및 자이로 센서를 포함할 수 있으며, GPS센서를 이용하여 측정할 수도 있다. 이와 관련된 구체적인 측정 방법은 후술하기로 한다. 또한, 센서 제어모듈(112)은 보행 측정 모듈(110)의 전체적인 동작을 제어할 수 있다.
통신 모듈(113)은 센서 모듈(111)에서 센싱한 센서 값들을 보행 분석 모듈(120)로 전송할 수 있다. 예를 들면, 블루투스, 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC), RFID(Radio-Frequency Identification), 지그비(Zigbee) 모듈, Wi-Fi 등을 포함할 수 있다.
보행 분석 모듈(120)은 상기 보행 측정 모듈(110)의 센서 모듈(111)로부터 보행 가속도 신호를 전달받아 보행 가속도를 수집하는 가속도 수집 모듈(121), 수집한 보행 가속도로부터 가속도의 최저점 및 최고점을 검출하여 보행 시점을 검출하는 보행 시점 검출 모듈(122) 및 검출된 보행 시점을 기초로 보행 인자를 도출하는 보행 인자 검출 모듈(123)을 포함한다. 더불어, 보행 측정 모듈(110) 및 알림 모듈(140)과의 신호 전달을 위해 통신 모듈(113)이 구비될 수 있다. 보행 시점 검출 모듈(122) 및 보행 인자 검출 모듈(123)의 구체적인 동작은 도 6 내지 도 13 전반에 걸쳐 후술하기로 한다.
한편, 가속도 수집 모듈(121)이 보행 측정 모듈(110)과 일체로 형성되는 경우, 보행 측정 모듈(110)의 통신 모듈(113)은 보행 분석 모듈(120)과 직접 연결되어 수집한 보행 가속도 신호를 전달할 수도 있다. 또한 이러한 보행 분석에 대한 정보는 알림 모듈(140)을 통해 출력될 수도 있다. 예컨대, 스피커, 휴대폰, 컴퓨터, 무선 이어폰 등에 의하여 출력하는 것도 가능하다.
알림 모듈(140)은 보행 분석 모듈(120)에 의해 생성된 보행 자세 분석 정보를 소리 또는 영상을 포함하여 사용자가 인식할 수 있는 정보로 변환하여 출력한다. 예컨대, 보폭 교정이 필요할 경우, 보행인자 검출 장치(100)에 구비된 스피커 또는 보행인자 검출 장치(100)와 연결된 휴대폰, 컴퓨터, 무선 이어폰을 통해 “보폭을 줄이세요”와 같은 음성이 출력되도록 하거나, “삐빅-“과 같은 경고음을 출력할 수 있다. 이때, 경고음은 사용자가 교정해야 할 보폭이 큰 경우 경고음을 빠르게 출력하고 교정해야 할 보폭이 적은 경우 경고음을 느리게 출력하여 사용자가 경고음만으로도 보폭을 얼마만큼 교정해야 하는지 인지하고 교정시킬 수 있다. 특히, 알림 모듈(140)에 무선 이어폰 또는 스피커가 포함될 수 있다고 명시하였으나, 본 발명에서는 사용자의 머리부에 착용되는 이어폰에 부착된 가속도 센서가 부착되는 것을 기본으로 하기 때문에 보행인자 검출 장치(100)를 통해 직접적으로 사용자의 귀로 보행 자세 분석 정보를 출력할 수도 있다. 또한, 스마트폰, 컴퓨터, 또는 전용 디스플레이 등과 연결되어 영상으로 정확한 교정 정보가 출력되도록 할 수도 있는 등 다양한 형태로의 실현이 가능하다.
또한, 보행인자 검출 장치(100)는 보행 분석 모듈(120)에 의해 도출된 보행 자세 분석 정보를 데이터베이스(130)에 전송하여 저장할 수 있다. 이때, 보행 자세 분석 정보는 누적적으로 저장됨으로써 보행자의 보행 자세를 시간 변화에 따라를 확인할 수도 있다. 이에. 다량의 보행 자세 분석 정보가 누적되어 저장되면 이러한 데이터가 빅데이터로 활용되어 각종 통계나 분석에 사용될 수도 있는 등 다양한 활용이 가능하다. 보행인자 검출 장치(100)의 분석 제어모듈(124)은 상술한 보행 분석 모듈(120)의 전체적인 동작을 제어할 수 있다.
보행인자 검출 장치(100)는 보행자의 머리부에 부착되어 보행 가속도를 수집한다(S210). 이어서, 보행 시점을 검출한다(S220).
보행 시점은 보행 인자를 검출하기 위해 수집한 보행 가속도 신호에서 검출하는 가속도의 최고점, 최저점, 한발지지구간 또는 양발지지구간의 시작점 및 끝점을 나타낸다. 여기서, 보행 가속도는 보행자가 보행하는 동안 변화하는 가속도를 의미하며, 보행 가속도를 기초로 보행자의 보행 주기를 판단할 수 있다. 예를 들면, 도 4와 같이, 보행자의 보행 가속도는 보행 주기에 따른 가속도를 각각 측정하여 산출된다.
도 4를 참조하면, 보행 주기는 입각기(Standing phase)와 유각기(Swing Phase)로 나눌 수 있다. 입각기는 발이 지면에 닿으면서 체중이 부하되는 시기이며, 자세단계라고 정의될 수도 있다. 유각기는 하지가 지면에서 떨어져 전방으로 이동하는 시기이며, 스윙 단계라고 정의될 수도 있다. 이때 체중은 반대편 하지에 부하된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 입각기는 보행 주기의 약 60%를 차지하고 나머지 40%는 유각기가 차지한다.
보행 주기 중, 두 발이 동시에 지면에 닿는 구간을 양발지지구간(DS, Double-limb Support)이라고 하고, 한 보행 주기 중 2번 출현한다. 또한, 보행 주기 중, 한 발만 지면에 닿는 구간을 한발지지구간(SS, Single-limb Support)이라고 하고, 한 보행 주기 중 2번 출현한다. 이때, 보행자의 보속이 빨라질 수록 한발지지구간(SS)이 증가하고 양발지지구간(DS)이 감소할 수 있다.
구체적으로, 입각기는 발뒤축접지(HS, Heel Strike), 발바닥접지(FF, Foot Flat), 한발서기(Midstance), 발뒤축들림(HO, Heel Off) 및 발가락들림(TO, Toe Off)의 5단계의 보행상태를 포함한다. 또한, 유각기는 발가락들림(TO, Toe Off), 중간유각기(Midswing) 및 발뒤축접지(HS, Heel Strike)의 3단계의 보행상태를 포함한다. 본 명세서에서 보행상태는 오른발을 기준으로 기재하였으며, 왼발에 대한 기재는 반대편, 반대쪽과 같은 표현으로 기재하였다.
다시 말해, 입각기는 발이 지면에 닿기 시작하면서 체중을 부하하는 초기 접지기(initial contact), 발이 지면에 완전히 닿으면서 체중이 부하되는 부하 수용기(loading response)와 중간 입각기 (midstance), 말기 입각기 (terminal stance) 및 유각기(Swing Phase)에 들어가기 전 체중이 반대편 하지로 실리면서 발뒷꿈치가 지면에서 들리기 직전의 시기인 전 유각기(Preswing)를 포함한다.
유각기는 초기 유각기 (Initial swing), 중간 유각기 (Midswing) 및 말기 유각기(Terminal swing)로 나누어진다. 구체적으로, 초기 유각기는 발가락 들림(toe off)으로 시작되어 하지에 가속이 부여되면서 전방으로 이동하는 시기이다. 중기 유각기는 반대편 하지를 지나가면서 슬관절은 신전되고 근육의 작용은 별로 없는 시기이다. 말기 유각기는 감속기로도 정의될 수 있으며, 전방으로 이동하던 하지를 자연스럽게 감속시켜 입각기의 초기 접지기로 넘어갈 수 있다.
상술한 각각의 보행 시기에 소요되는 시간은 개인별로 일정하지만 걸음이 빨라질수록 양발지지구간은 감소할 수 있다.
이하에서는, 도 4를 도 5 내지 도 10과 함께 참조하여 보행 시점 및 보행 인자를 검출하는 과정을 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 가속도 신호를 수집하여 보행 시점을 검출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수집한 보행 가속도 신호의 최고점, 최저점 및 가가속도를 검출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 가속도 신호의 최고점을 기초로 윈도우를 설정하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 윈도우 내의 가가속도에서 양발 지지구간 시작지점 및 끝지점을 검출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 가속도 신호에 따라 왼발 및 오른발을 구별하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
보행 분석 모듈(120)은 수집된 보행 가속도 신호에 기초하여 보행자의 머리부에 부착된 머리부 가속도 센서에서 측정되는 보행자의 왼발 및 오른발에 대한 보행 시점을 검출할 수 있다. 구체적으로, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 보행 시점을 검출(SS220)하기 위해서는 가속도의 최고점을 검출 (S221)하고, 가속도의 최저점을 검출한다(S222). 이어서, 양발지지구간 시작점을 검출하고(S223). 양발지지구간 끝점을 검출한다(S224).
구체적으로, 보행 시 보행자의 머리부에 부착된 보행인자 검출 장치(100)를 이용하여 시간(ms)에 따른 보행 가속도 신호(501)를 수집한다. 이때, 보행가속도 신호는 상하 방향 가속도일 수 있고, 상하 방향 가속도를 포함한 1축 이상의 신호의 규격(norm)일 수도 있다. 예컨대, 1축(수직) 가속도, 수직 가속도를 포함한 다축 가속도 등을 사용할 수 있다. 이때, 1축 가속도 사용시 수집가능한 메트릭(Metric)은 하기 표 1에 도시된 바와 같으며, 다축 가속도 사용시 수집가능한 메트릭은 하기 표 2에 도시된 바와 같다.
<표 1>
Figure 112019046754077-pat00002
<표 2>
Figure 112019046754077-pat00003
이어서, 수집된 보행 가속도 신호(501)에서 최고점인 피크들(*)을 검출하고, 최저점인 피크들(▲)을 검출한다. 보행 가속도 신호(501)의 최고점인 피크들(*) 중에서도 제일 높은 값인 피크(*)는 양발지지구간(DS)의 중간지점을 나타내며, 최저점인 피크들(▲) 중 제일 낮은 값인 피크(▲)는 한발지지구간(SS)의 중간지점을 나타낸다.
또한, 보행 가속도 신호(501)의 미분 값인 보행 가가속도 신호(502)를 구함으로써 한발지지구간(SS)에서 양발지지구간(DS)으로 넘어가는 도중 땅을 딛을 때 지면에 충격이 가해지는 시점을 검출할 수 있다. 또한, 보행 가속도 신호(501)를 보다 상세히 분석하기 위해서는 보행 가가속도 신호(502)가 반드시 필요하다. 이때, 보행 가가속도 신호(502)는 기 설정된 고주파 신호를 추출하는 하이패스필터(HPF, High Pass Filter)에서 피크값을 검출하고, 검출된 피크값들의 평균 값을 연산하고, 이러한 평균 값에 대해 예측 계수를 곱하여 상하 지면 반력 힘의 기울기(IVLR)의 예측 값을 연산할 수 있다.
여기에서, IVLR의 단위는 단위 시간당 힘을 나타내는 절대적인 단위인 N/s를 사용할 수도 있으며, 또는 상대적인 단위인 (Body weight 또는 g)/s로 표현될 수 있다. 본 특허의 센서는 기본적으로 힘이 아닌 가속도 데이터를 수집하므로, 상대적인 단위인 BW/s로 데이터가 수집된다. 여기에 사용자의 질량 m을 곱하면 절대적인 단위인 N/s((N = m*g)/s)로도 표현이 가능하다. 이 경우, 예측 계수(k1 또는 k2)에 포함시킬 수도 있고, 또는 별도의 계수로 예측 계수(k1 또는 k2) ⅹ 사용자의 질량(m)으로 연산할 수도 있다.
여기에서, 고주파 신호는 10Hz 이상의 가속도 수직 신호를 의미할 수 있다. 사용자의 자의적인 움직임으로는 5Hz 이상의 가속도 수직 신호가 발생하기 어려우며 충격 등과 같은 상황에서 발생되는 가속도 수직 신호는 일반적으로 높은 대역 대에 존재하기 때문에 본 발명에서는 10Hz 이상의 고주파 신호를 이용하여 상하 지면 반력 힘의 기울기(IVLR)를 예측하는데 이용하고자 한다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 필터링하여 추출되는 고주파 신호 대역 대는 다르게 설정되어 본 발명에 적용될 수도 있다.
이어서, 보행 인자를 검출하기 전 윈도우 사이즈(Window size)를 설정한다. 윈도우 사이즈는 전체 보행 가속도 신호(501)에 해당하는 전체 샘플들 중에 시간적으로 어떤 한 구간을 정한 것을 의미할 수 있다. 이에, 본 발명의 보행 주기 결정 방법은 실시간 적용을 위해 설정된 윈도우 안에 끝내도록 한다. 구체적으로, 도 7을 참조하면, 50ms 시간 마다 반복되므로 피크간 간격(Peak interval)은 대략 50ms인 것을 알 수 있다. 이때, 보행 가속도 신호(501)의 최고점인 기준 피크(*, 기준 Peak) 기준으로 전 후의 n초의 윈도우를 설정한다. 이때, 윈도우는 상기 피크간 간격(보율의 역수, 대략 50ms, 도 6참조)에 비례하여 증감하도록 설정할 수도 있다. 예컨대, 윈도우 사이즈는 피크간 간격에 0.6을 곱한 값만큼 설정될 수도 있다. 그러나, 윈도우 사이즈는 양발지지구간인 0.1초 이상 0.4초 이하의 숫차로 고정되는 것이 바람직하다.
다만, 윈도우 사이즈는 도 8에 도시된 바와 같이, 윈도우 사이즈가 너무 커져서 전Peak와 후Peak를 포함하여 설정되지 않도록 주의하여야 한다.
이에 따라, 도 9에 도시된 바와 같이, 설정된 윈도우가 기준 Peak 전, 후로 설정된 것으로 가정한 경우, 윈도우 범위 내에서 기준 Peak의 앞에 나타난 보행 가가속도 신호(502)의 피크(901, ☆)는 양발지지구간(DS)의 시작점(혹은 한발지지구간(SS)의 끝점)으로 설정한다. 또한, 기준 Peak의 뒤에 나타난 보행 가가속도 신호(502)의 피크(903, ○)는 양발지지구간(DS)의 끝점(혹은 한발지지구간(SS)의 시작점)으로 설정한다. 이때, 보행 가가속도 신호(502)의 피크(901, ☆)와 기준 Peak의 사이에 보행 가가속도 신호의 변곡점(902)이 있으며, 여기서 가속도값의 변화량이 급격하게 줄어들 수 있다.
또한, 본 발명은 보행 가속도 수집 시 상하 가속도 신호를 수집하는 것을 기본으로 하지만, 도 10의 (i) 및 (ii)에 도시된 바와 같이, 상하 가속도 신호 수집 시, 좌우 가속도 신호를 함께 수집할 수도 있다. 이에 따라, 본 발명은 상하 가속도 신호의 최저점 피크(
Figure 112019046754077-pat00004
,
Figure 112019046754077-pat00005
) 시점에 대응하는 좌우 가속도 신호의 부호에 따라 보행자의 왼발과 오른발을 구별할 수 있다. 예컨대, 상하 가속도 신호에 대응하는 좌우 가속도 신호의 부호가 음(-)인 경우 왼발을 의미할 수 있고, 상하 가속도 신호에 대응하는 좌우 가속도 신호의 부호가 양(+)인 경우 오른발을 의미할 수 있다. 단, 이에 제한되는 것은 아니며, 음(-)인 경우가 오른발, 양(+)인 경우가 왼발을 의미할 수도 있다.
또한, 도 10의 (ii)와 같이, 좌우 가속도 신호의 피크(
Figure 112019046754077-pat00006
,
Figure 112019046754077-pat00007
) 에 해당하는 점의 크기를 이용하여 좌우 방향의 보간(Step width)를 산출할 수도 있다.
이하에서는, 도 11 내지 도 13을 참조하여 보행 인자를 검출하는 과정을 설명하기로 한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 양발지지구간 및 한발 지지구간을 설명하기 위한 도면이다. 도 12는 도 11의 A영역내에서 피크값을 기초로 사용자의 보행 자세를 분석하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 13은 도 12를 통한 사용자의 보행 자세를 구체적으로 나타낸 예시도이다.
이어서, 보행 인자를 검출한다(S230). 여기서, 보행 인자는 검출된 보행 시점을 기초로 보행자의 보행 자세를 분석하기 위해 검출하는 구성요소로서, 양발지지구간(DS), 한발지지구간(SS), 보율(Cadence) 및 보간(Step Width)을 포함한다. 다만, 이에 제한되지 않으며, 보행 주기 내에서 첫번째 피크, 두번째 피크의 힘크기 및 한발지지구간의 골 힘크기를 포함할 수도 있다. 따라서, 보행 인자는 보행자의 보행 자세를 분석할 수 있는 다양한 구성요소를 나타낼 수 있다.
먼저, 도 11을 참조하면, 200ms 시점 인근에 위치한 피크((i-1)th peak) 전, 후의 보행 가가속도 신호(502)의 피크 구간이 양발지지구간(DS)이며, 피크((i-1)th peak) 후의 보행 가가속도 신호 피크에서부터 250ms 시점 인근에 위치한 피크(ith peak) 전의 보행 가가속도 신호의 피크까지의 구간이 한발지지구간(SS)이다. 다시 말해, i번째 피크의 양발지지구간의 시간(tDSi)은 양발지지구간(DS)의 끝지점 시간에서 시작지점 시간을 뺀 값이다(t DS i = t DS end i - t DS start i). 또한, i번째 피크의 한발지지구간의 시간은 한발지지구간의 끝점 시간에서 한발지지구간 시간의 시작점 시간을 뺀 값이다(t SS i = t SS end i - t SS start i).
이때, 도 11에 도시된 바와 같이, i번째 한발지지구간의 시작시점 시간은 i-1번째 양발지지구간 끝지점 시간과 동일하며(t SS start i = t DS end (i-1)), i번째 한발지지구간의 끝지점 시간은 i번째 양발지지구간 시작시점 시간과 동일하다(t SS end i = t DS start i).
도 12를 참조하면, A영역은 보행 주기의 150 내지 200ms 구간을 자른 영역으로서, A영역 내에 위치한 피크값을 이용하여 보행자의 보행 자세를 분석할 수 있다.
구체적으로, 첫번째 피크 가속도 값(1202)은 발이 지면에 닿는 지점(Foot-flat)을 나타내며, i번째 한발지지구간 시작지점 시간(1201, t SS start i)과 i번째 중간 부하구간 시간(1205, t SS mid i) 사이의 최고 가속도 값이다. 또한, 두번째 피크 가속도 값(1203)은 발뒷꿈치가 떨어지지는 지점(Heel-off)을 나타내며, i번째 중간 부하구간 시간(1205, t SS mid i)과 i번째 한발지지구간 끝지점 시간(1204, t SS end i) 사이의 최고 가속도 값이다. 또한, 골 가속도 값은 한발서기(Mid stance) 지점을 나타내며, t SS mid i에 해당하는 가속도 값이다. 이때, 각 값(첫번째 피크 가속도 값, 두번째 피크 가속도 값, 골 가속도 값)에 보행자의 몸무게를 곱하여 해당 시점의 힘(Force)값을 알아낼 수도 있다.
이에 따라, 도 13에 도시된 바와 같이, 보행주기(% of gait cycle)별 표준화된 지면반력(Normalized ground force (BW)) 그래프를 이용하여 사용자의 보행 자세를 구분할 수도 있다.
또한, 도 12에서 '1/피크간 시간 간격'을 함으로써 보행자의 보율(Cadence)을 산출할 수도 있다. 다만, 보율은 다양한 방법으로 산출할 수 있다. 예를 들면, '1/골 간 시간간격'을 하여 보율을 산출하거나, '1/양발지지시작점 간 시간간격'을 하여 보율을 산출하거나, '1/양발지지끝점 간 시간간격'을 하여 보율을 산출할 수도 있다.
일반적으로, 종래의 보행운동 측정 시스템은 사람의 신체 중 하지부에 센서를 부착하여 지면반력을 수집하거나, 두 개의 다른 힘판을 사용하여 분리된 지면반력을 수집하였다. 이에 따라, 왼발 및 오른발 각각에 대한 지면반력이 수집되므로 보행자의 보행 자세를 분석하기 위해서는 수집된 양 발 각각에 대한 지면반력을 합하는 작업을 수행해야하므로 작업 능률이 떨어진다는 단점이 있었다. 뿐만 아니라, 힘판을 이용하여 지면반력을 수집하는 경우는 휴대성이 떨어진다는 문제점도 있었다.
이에 반해, 본 출원인은 실험을 통해 힘판을 사용하지 않고도 머리부에 가속도 센서만 부착함으로써 보행자의 보행 자세를 분석할 수 있음을 발견하였다. 도 14a 내지 도 14d에 도시된 바와 같이, 머리부에 부착된 보행인자 검출 장치(100)를 통해 양 발의 지면반력의 합(Total GR)을 수집한 후(도 14a 참조), 왼발과 오른발이 동시에 닿는 경우를 이용하여 오른발, 왼발 각각의 지면반력을 알아낼 수 있다(도 14b,c 참조). 또한, 상술한 보행인자 검출 방법을 이용함으로써 도 14d와 같은 그래프에서 한발지지구간은 어느 구간인지, 양발지지구간은 어느구간인지 보행 동작을 구별할 수도 있다.
또한, 본 발명은 머리부 가속도 센서(즉, 보행인자 검출 장치(100))만을 사용하여 보행자의 보행 가속도 신호(501)를 수집하고 보행 자세를 분석하기 때문에 작업 속도를 향상시킬 수도 있다.
또한, 본 발명은 머리부에 부착된 가속도 센서로부터 수집된 보행 가속도를 기초로 보행자의 왼발 및 오른발에 대한 보행 시점을 구별하기 때문에 작업의 편리성을 증대시킬 수도 있다.
또한, 본 발명은 보행인자 검출 장치(100)를 이용하여 상하 가속도 및/또는 좌우 가속도를 수집함에 따라 보행 동작을 보다 상세하게 분석이 가능하기 때문에 파킨슨병 환자들 또는 알츠하이머 환자들의 보행이상 동작을 정확히 검출해낼 수도 있다. 또한, 파킨슨병 환자들 또는 알츠하이머 환자들의 보행이상 동작 패턴을 검출함으로써 환자들의 사고를 사전에 예방할 수 있는 효과도 있다. 예컨대, 환자들의 보행 이상 동작 패턴을 분석하여 낙상사고 등을 방지할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 보험인자 검출 장치 110: 보행 측정 모듈
111: 센서 모듈 112: 센서 제어모듈
113, 125: 통신 모듈 120: 보행 분석 모듈
121: 가속도 수집 모듈 122: 보행 시점 검출 모듈
123: 보행 인자 검출 모듈 124: 분석 제어모듈
126: 사용자 인터페이스 모듈 130: 데이터베이스
140: 알림모듈 501: 보행 가속도 신호
502: 보행 가가속도 신호 901, 903: 보행 가가속도 신호의 피크

Claims (9)

  1. 보행 측정 모듈이, 머리부에 배치된 가속도 센서를 이용하여 보행자의 수직 방향 가속도를 측정하는 단계;
    보행 분석 모듈이, 상기 보행자의 수직방향 가속도를 수집하는 보행 가속도 수집 단계;
    상기 보행 분석 모듈이, 입각기 및 유각기를 포함하는 보행 주기 내에서 상기 수직 방향 가속도의 피크값을 추출하고, 상기 피크값을 기초로 양발지지구간에 대한 시작점 및 끝점을 검출하여 보행 시점을 설정하는 보행 시점 검출 단계; 및
    상기 보행 분석 모듈이, 상기 보행자의 보행 자세를 분석하기 위해 상기 시작점 및 끝점을 기초로 양발지지구간을 검출하는 보행 인자 검출 단계를 포함하고,
    상기 양발지지구간에 대한 시작점 및 끝점은 보행 주기의 피크를 기초로 기 정해진 윈도우(Window) 내에서 설정하되, 상기 보행 주기 내에서 추출된 상기 수직 방향 가속도의 피크값 중 피크값이 가장 높은 피크를 기준피크로 설정한 후, 상기 기준피크를 기준으로 기준피크에 가장 인접한 전 피크와 후 피크 사이의 범위 보다 작게 윈도우 사이즈를 설정하며, 상기 양발지지구간의 시작점은 한발지지구간의 끝점과 동일하며, 상기 양발지지구간의 끝점은 한발지지구간의 시작점과 동일하며,
    상기 보행 시점 검출 단계는,
    상기 수직 방향 가속도를 미분하여 상기 한발지지구간에서 상기 양발지지구간으로 넘어갈 때 지면에 충격이 가해지는 시점인 보행 가가속도 신호를 더 검출하고,
    상기 설정된 윈도우 내에서, 수직 방향 가속도의 피크값 전에 위치한 상기 보행 가가속도 신호의 피크값을 양발지지구간에 대한 시작점으로 설정하고, 상기 수직 방향 가속도의 피크값 후에 위치한 상기 보행 가가속도 신호의 피크값을 양발지지구간에 대한 끝점으로 설정하며,
    상기 보행 가속도 수집 단계는,
    상기 보행자의 수평 방향 가속도를 수집하는 단계를 더 포함하고,
    상기 수직 방향 가속도의 최저점 피크에 대응하는 수평 방향 가속도의 부호에 따라 상기 보행자의 왼발 및 오른발을 구별하는,
    머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보행 인자 검출 단계는, 상기 수직 방향 가속도의 피크 값을 기초로 보율(Cadence) 및 보간(Step width)을 검출하고,
    GPS를 이용할 경우, 상기 보행자의 보행 속도, 보행시 상기 보행자의 양발이 한번씩 이동한 거리인 한걸음 길이(Stride length) 및 보행시 상기 보행자의 양발 중 어느 한 발이 이동한 거리인 한발짝 길이(Step length)를 더 검출하는,
    머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 보행자의 머리 부근에 배치된 보행 가속도 센서에서 측정되는 수직 방향 가속도 및 수평 방향 가속도를 측정하고 측정값을 전달하는 보행 측정 모듈; 및
    상기 보행 측정 모듈로부터 수신한 상기 측정값을 수집하는 가속도 수집 모듈, 상기 측정값을 기초로 상기 수직 방향 가속도의 피크값을 추출하여 양발지지구간에 대한 시작점 및 끝점을 검출하는 보행 시점 검출 모듈 및 상기 시작점 및 끝점을 기초로 양발 지지구간을 검출하는 보행 인자 검출 모듈을 포함하는 보행 분석 모듈을 포함하고,
    상기 보행 분석 모듈은,
    - 상기 양발지지구간에 대한 시작점 및 끝점을, 보행 주기의 피크를 기초로 기 정해진 윈도우(Window) 내에서 설정하되, 상기 보행 주기 내에서 추출된 상기 수직 방향 가속도의 피크값 중 피크값이 가장 높은 피크를 기준피크로 설정한 후, 상기 기준피크를 기준으로 기준피크에 가장 인접한 전 피크와 후 피크 사이의 범위 보다 작게 윈도우 사이즈를 설정하며, 상기 양발지지구간의 시작점은 한발지지 구간의 끝점과 동일하며, 상기 양발지지구간의 끝점은 한발지지구간의 시작점과 동일하며,
    - 상기 수직 방향 가속도를 미분하여 상기 한발지지구간에서 상기 양발지지구간으로 넘어갈 때 지면에 충격이 가해지는 시점인 보행 가가속도 신호를 더 검출하고,
    - 상기 설정된 윈도우 내에서, 수직 방향 가속도의 피크값 전에 위치한 상기 보행 가가속도 신호의 피크값을 양발지지구간에 대한 시작점으로 설정하고, 상기 수직 방향 가속도의 피크값 후에 위치한 상기 보행 가가속도 신호의 피크 값을 양발지지구간에 대한 끝점으로 설정하며,
    - 상기 수직 방향 가속도의 최저점 피크에 대응하는 수평 방향 가속도의 부호에 따라 상기 보행자의 왼발 및 오른발을 구별하는,
    머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 보행자가 보행 자세를 교정할 수 있도록 상기 보행 분석 모듈에 의해 검출된 상기 보행 인자를 소리 또는 영상을 포함한 사용자가 인식 가능한 형태로 변환하여 보행 자세 분석 정보를 출력하는 알림 모듈을 더 포함하는,
    머리부 가속도 센서를 통한 보행인자 검출 장치.
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