KR102450044B1 - Apparatus for estimating impact acceleration magnitude when falling based on inertial information, method thereof and impact protection system having the same - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 충격 가속도 크기 추정 장치는 사용자의 신체에 착용 가능하며, 상기 사용자의 관성 정보를 실시간으로 수집하는 관성 측정 모듈과, 인공 신경망을 구비하며, 상기 관성 정보를 상기 인공 신경망의 입력 데이터로 사용하여 낙상 시 충격 가속도 크기 추정치를 도출하는 마이크로 컨트롤러와, 상기 충격 가속도 크기 추정치를 외부로 송출하는 통신 모듈을 포함한다.The shock acceleration magnitude estimation apparatus according to the present invention is wearable on a user's body and includes an inertial measurement module that collects the user's inertia information in real time, and an artificial neural network, and uses the inertial information as input data of the artificial neural network. and a microcontroller for deriving an estimate of the magnitude of the impact acceleration during a fall using the microcontroller, and a communication module for transmitting the estimated value of the magnitude of the impact acceleration to the outside.

Description

관성 정보 기반 낙하 시 충격 가속도 크기 추정 장치, 그 추정 방법 및 이를 포함하는 충격 보호 시스템{APPARATUS FOR ESTIMATING IMPACT ACCELERATION MAGNITUDE WHEN FALLING BASED ON INERTIAL INFORMATION, METHOD THEREOF AND IMPACT PROTECTION SYSTEM HAVING THE SAME}Apparatus for estimating the magnitude of impact acceleration during a fall based on inertial information, a method for estimating the same, and an impact protection system including the same

본 발명은 관성 정보 기반 낙하 시 충격 가속도 크기 추정 장치, 그 추정 방법 및 이를 포함하는 충격 보호 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관성 정보 및 인공 신경망을 이용하여 낙하 충격 전에 충격 가속도 크기를 미리 추정할 수 있는 충격 가속도 크기 추정 장치, 그 추정 방법 및 충격 가속도 크기 추정 장치를 포함하는 충격 보호 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for estimating the magnitude of impact acceleration during a fall based on inertia information, a method for estimating the same, and an impact protection system including the same, and more particularly, to estimate the magnitude of the impact acceleration prior to a fall impact using inertia information and an artificial neural network. It relates to an impact protection system including an apparatus for estimating the magnitude of an impact acceleration, a method for estimating the magnitude of an impact acceleration, and an apparatus for estimating the magnitude of an impact acceleration.

인체 이동기전에서 자세 제어를 통한 균형 능력을 평가하는 것은 생체역학의 주요 과제 중 하나로 많은 임상의사나 재활학자에 의하여 연구되고 있다.Evaluating balance ability through postural control in the movement mechanism of the human body is one of the main tasks of biomechanics and is being studied by many clinicians and rehabilitation scientists.

보행 중 균형이 무너지면서 발생할 수 있는 대표적인 상황은 낙상이며, 부주의로 인해 인체의 무게중심이 무너지면서 지면을 향해 빠르게 낙하하여 인체의 체절이 바닥에 부딪히고 부상을 당하는 것을 가리킨다. 낙상은 불규칙적인 지면이나 경사가 있는 통로를 지날 때 또는 장애물이 있을 때 발생 확률이 높아진다.A typical situation that can occur due to loss of balance while walking is a fall, which refers to an injury in which the human body's center of gravity collapses due to carelessness and rapidly falls to the ground, causing the segment of the human body to hit the floor. Falls are more likely to occur when going through an irregular ground or sloped passageway, or when there are obstacles.

일반적으로, 낙상은 기초 체력, 자세 조절 및 균형 유지 능력의 저하로 인해 발생하는 것으로 알려져 있으며, 고령화로 인해 하지 근력이 퇴화되고 관절 가동 범위가 제한되는 노령층에서 특히 발생 빈도가 높다.In general, falls are known to occur due to a decrease in basic physical strength, postural control, and balance maintenance ability, and the incidence is particularly high in the elderly, in which lower extremity muscle strength deteriorates and joint range of motion is limited due to aging.

세계 보건 기구(WHO)에 따르면, 매년 70세 이상 노인의 32%가 낙상을 경험하고 있으며, 미국에서는 65세 이상의 노령층 중 30% 이상이 1년에 적어도 1회 이상의 낙상 사고를 경험하는 것으로 조사되었다.According to the World Health Organization (WHO), 32% of people over the age of 70 fall each year, and in the United States, over 30% of people over the age of 65 experience at least one fall per year. .

낙상 사고로 고관절 등을 부상당하는 경우 큰 고통과 함께 장기간 입원으로 인한 후유증을 남기기도 한다. 특히, 낙상 후 장시간 바닥에 머무르는 'long-lie'상태는 탈수, 출혈, 생리 및 심리적 불안감을 초래하며, 이를 경험한 환자의 절반은 6개월 내에 사망할 확률이 매우 높은 것으로 나타났다.Injuries to the hip joint due to a fall accident can cause great pain and leave sequelae due to long-term hospitalization. In particular, the 'long-lie' state of staying on the floor for a long time after a fall causes dehydration, bleeding, menstrual and psychological anxiety, and it was found that half of the patients who experienced this had a very high probability of dying within 6 months.

최근, 인체가 낙하 충격으로 받는 상해를 방지하고자 착용형 보호장치가 활발히 연구되고 있다. 예를 들어, 엉덩이 부위에 착용하는 에어쿠션의 경우 낙하 시 충격을 흡수하여 엉덩이 부위와 고관절을 보호할 수 있다. 그러나, 에어쿠션은 낙하 시 인체 체절에 접촉한 후 반동으로 인해 인체에 2차 충격을 가할 수 있다. 즉, 보호장치 착용자가 낙상 사고에서 오히려 보호장치에 의해 부상을 입을 수 있는 가능성이 존재한다.Recently, a wearable protective device has been actively studied to prevent an injury to the human body due to a fall impact. For example, in the case of an air cushion worn on the buttocks, it is possible to protect the buttocks and the hip joint by absorbing the shock when falling. However, the air cushion may inflict a secondary impact on the human body due to recoil after contacting the human body segments when falling. That is, there is a possibility that the wearer of the protective device may be injured by the protective device rather than in a fall accident.

보호장치가 최적의 보호 효과를 제공하기 위해서는 다양한 낙상 사고에서 각각 다른 낙하 충격에 따라 보호장치의 흡수 성능이 제어될 수 있어야 한다. 예를 들어, 에어쿠션 보호장치에서 보행자가 지면에 넘어지면서 받는 충격 가속도를 사전에 감지하여 에어쿠션의 팽창률을 조절한다면 최적의 충격 흡수율과 함께 2차 충격 억제 효과를 얻을 수 있다.In order for the protective device to provide an optimal protection effect, the absorption performance of the protective device should be controlled according to different fall impacts in various fall accidents. For example, if the air cushion protection device detects the impact acceleration received while a pedestrian falls to the ground and adjusts the inflation rate of the air cushion in advance, the secondary impact suppression effect can be obtained with the optimum shock absorption rate.

그러나, 현재는 보행자의 무게중심 이동과 가속도 및 각속도 데이터를 이용하여 보행자의 낙하 여부만을 사전에 예측하는 연구들이 주로 이루어지고 있다. 반면, 보호장치 설계에 반영될 수 있는 중요한 인자인 낙하 시 충격 가속도 크기를 알아내려는 연구는 전무한 실정이다. 보호장치의 성능을 향상시켜 낙상 사고에 의한 부상을 줄이기 위해서는, 다양한 낙상 사고에서 각각의 충격 가속도 크기를 추정할 수 있는 방법과 장치에 대한 연구가 필요하다.However, currently, studies are mainly conducted to predict in advance only whether or not a pedestrian will fall by using the movement of the pedestrian's center of gravity and acceleration and angular velocity data. On the other hand, there are no studies to find out the magnitude of the impact acceleration during a fall, which is an important factor that can be reflected in the design of the protection device. In order to improve the performance of the protective device and reduce injuries caused by falls, it is necessary to study methods and devices for estimating the magnitude of each impact acceleration in various fall accidents.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 관성 센서를 여러 체절에 각각 착용해야 하는 불편함과 관성 센서들 간의 시계열 동기화, 단가 문제 등을 해소할 수 있는 충격 가속도 크기 추정 장치 및 그 추정 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an apparatus for estimating the magnitude of impact acceleration and a method for estimating the magnitude of the impact that can solve the inconvenience of wearing an inertial sensor on several segments, time-series synchronization between inertial sensors, unit cost, etc. .

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 낙하 상황에서 수집되는 관성 정보를 이용하여 낙하 충격 전에 미리 충격 가속도 크기를 정확하게 추정할 수 있는 충격 가속도 크기 추정 장치 및 그 추정 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an apparatus for estimating the magnitude of an impact acceleration, and a method for estimating the magnitude of the impact acceleration, which can accurately estimate the magnitude of the impact acceleration in advance before the impact of a fall by using inertia information collected in a fall situation.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 낙하 충격 전에 충격 가속도 크기를 미리 추정하고, 이를 충격 보호 장치에 반영하여 충격 완화 효과를 높일 수 있는 충격 가속도 크기 추정 장치 및 이를 포함하는 충격 보호 시스템을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide an impact acceleration magnitude estimation device capable of estimating the magnitude of the impact acceleration prior to a fall impact, and reflecting this in the impact protection device to increase the impact mitigation effect, and an impact protection system including the same .

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른, 충격 가속도 크기 추정 장치는, 사용자의 신체에 착용 가능하며, 상기 사용자의 관성 정보를 실시간으로 수집하는 관성 측정 모듈과, 인공 신경망을 구비하며, 상기 관성 정보를 상기 인공 신경망의 입력 데이터로 사용하여 낙상 시 충격 가속도 크기 추정치를 도출하는 마이크로 컨트롤러와, 상기 충격 가속도 크기 추정치를 외부로 송출하는 통신 모듈을 포함한다.In order to achieve the above technical problem, an apparatus for estimating the magnitude of impact acceleration according to an embodiment of the present invention includes an inertial measurement module that is wearable on a user's body and collects the user's inertial information in real time, and an artificial neural network. and a microcontroller for deriving an estimate of the magnitude of an impact acceleration during a fall by using the inertia information as input data of the artificial neural network, and a communication module for transmitting the estimated magnitude of the impact acceleration to the outside.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른, 충격 가속도 크기 추정 방법은, 낙하 상황에서 관성 정보 및 충격 가속도 크기 실측값을 수집하는 단계와, 상기 관성 정보 및 충격 가속도 크기 실측값을 이용하여 데이터 세트를 준비하는 단계와, 상기 데이터 세트를 학습 데이터 세트와 테스트 데이터 세트로 분배하는 단계와, 상기 학습 데이터 세트를 이용하여 인공 신경망을 머신 러닝하는 단계와, 학습된 인공 신경망을 평가하여 그 결과에 따라 최종 인공 신경망을 결정하고, 이 인공 신경망으로부터 충격 가속도 크기를 추정하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above technical object, the method for estimating the magnitude of the impact acceleration according to an embodiment of the present invention includes the steps of collecting inertia information and an actual measurement value of the magnitude of the impact acceleration in a falling situation, the inertia information and the magnitude measurement of the impact acceleration preparing a data set using and determining the final artificial neural network according to the result, and estimating the magnitude of the shock acceleration from the artificial neural network.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른, 충격 가속도 크기 추정 장치 및 이를 포함하는 충격 보호 시스템은, 사용자의 신체에 착용 가능하며, 실시간으로 측정한 사용자의 관성 정보 및 인공 신경망을 이용하여 상기 사용자의 낙하 상황에서 낙하 충격 전에 충격 가속도 크기 추정치를 도출하고, 이 도출된 추정치를 기초로 제어신호를 생성하는 충격 가속도 크기 추정 장치와, 상기 제어신호에 의해 충격 흡수 능력이 조절되는 충격 보호 장치를 포함한다.In order to achieve the above technical problem, an apparatus for estimating the magnitude of an impact acceleration and an impact protection system including the same according to an embodiment of the present invention are wearable on a user's body, and the user's inertia information and artificial neural network measured in real time A shock acceleration magnitude estimation device for deriving an estimate of the magnitude of the shock acceleration before the falling impact in the user's falling situation, and generating a control signal based on the derived estimation value, and the shock absorption ability is adjusted by the control signal Includes shock protection.

본 발명의 실시예에 따르면, 1개의 관성 센서만을 이용하여 낙하 시 충격 가속도 크기를 정확히 추정할 수 있기 때문에 다수의 관성 센서 착용 시 발생할 수 있는 관성 센서들 간의 시계열 동기화, 착용의 불편함, 단가 상승 문제 등을 해소할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, since it is possible to accurately estimate the magnitude of the impact acceleration during a fall using only one inertial sensor, time series synchronization between the inertial sensors that may occur when multiple inertial sensors are worn, discomfort of wearing, and price increase problems can be solved.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 다양한 데이터 처리 방법을 이용하여 수집되는 관성 정보로부터 학습 데이터 수를 증가시켜 머신 러닝을 수행하기 때문에 1개의 관성 센서만 활용해도 낙상 시 충격 가속도 크기를 추정하는 인공 신경망의 성능을 충분히 향상시킬 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, since machine learning is performed by increasing the number of learning data from inertial information collected using various data processing methods, artificial The performance of the neural network can be sufficiently improved.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 인공 신경망을 이용하여 낙하 충격 전에 미리 충격 가속도 크기를 추정할 수 있기 때문에 이를 반영하여 충격 보호 장치의 충격 흡수 능력을 제어함으로써, 최적의 충격 흡수율을 얻을 수 있고 충격 보호 장치에 의한 2차 충격을 줄일 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, since the magnitude of the shock acceleration can be estimated in advance before the fall shock using an artificial neural network, the optimal shock absorption rate can be obtained by reflecting this and controlling the shock absorption capacity of the shock protection device. Secondary impact by impact protection device can be reduced.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and it should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 낙상 상황을 단계별로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 낙하 시 충격 가속도 크기 추정 장치 및 이를 포함하는 충격 보호 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 충격 가속도 크기 추정 장치의 인공 신경망을 구축하는 방법을 순서대로 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 3의 학습 데이터 세트 준비 단계를 세분화하여 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인공 신경망을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 학습된 인공 신경망을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 구축된 인공 신경망을 이용하여 다양한 레벨의 충격 크기에 따른 충격 가속도 크기 추정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 각 데이터 증강기술 적용 시 충격 가속도 크기 추정치들의 평균 백분율 절대 오차(MPAE)들의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9은 데이터 증강기술을 이용하여 증가시키는 데이터 세트 수에 따라 변화하는 충격 가속도 크기 추정치의 평균 백분율 절대 오차(MPAE)들의 일 예를 나타낸 도면이다.
1 is a view showing the fall situation step by step.
2 is a diagram illustrating an apparatus for estimating the magnitude of an impact acceleration when falling according to an embodiment of the present invention and an impact protection system including the same.
3 is a flowchart sequentially illustrating a method of constructing an artificial neural network of an apparatus for estimating shock acceleration magnitude according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a subdivided step of preparing the training data set of FIG. 3 .
5 is a diagram illustrating an artificial neural network according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a learned artificial neural network according to an embodiment of the present invention.
7 is a view showing the results of estimating the magnitude of the shock acceleration according to the magnitude of the shock of various levels using the artificial neural network constructed according to the embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating an example of mean percentage absolute errors (MPAEs) of impact acceleration magnitude estimates when each data augmentation technique is applied.
9 is a diagram illustrating an example of mean percentage absolute errors (MPAEs) of an estimate of the magnitude of an impact acceleration that varies according to the number of data sets that are increased using a data augmentation technique.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in several different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected (connected, contacted, coupled)" with another part, it is not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member interposed therebetween. "Including cases where In addition, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further provided without excluding other components unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that this does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 낙상 상황을 단계별로 나타낸 도면이다.1 is a view showing the fall situation step by step.

도면을 보면, 낙상 전후를 모두 포함하는 낙상 상황은 시간 경과에 따라 낙상 전 단계(pre-fall phase), 크리티컬 단계(critical phase), 낙상 후 단계(post-fall phase) 및 회복 단계(recovery phase)의 4단계로 구분될 수 있다.Referring to the figure, the fall situation, including both before and after the fall, has a pre-fall phase, a critical phase, a post-fall phase, and a recovery phase over time. can be divided into 4 stages.

X축은 시간 경과를 나타내고, Y축은 사용자의 신체에 부착된 관성센서에서 측정되는 가속도를 나타낸다.The X-axis represents the passage of time, and the Y-axis represents the acceleration measured by an inertial sensor attached to the user's body.

상기 4단계 중 크리티컬 단계는 인체의 무게 중심이 무너져 지면으로 향하는 시점부터 바닥에 부딪혀 수직방향으로 충격을 받은 시점까지의 짧은 구간을 가리킨다.The critical stage among the four stages refers to a short section from the point in time when the center of gravity of the human body collapses and goes to the ground to the point in time when it hits the floor and receives an impact in the vertical direction.

낙상 전 단계는 정상적인 활동이 일어나는 구간이며, 크리티컬 단계와 낙상 후 단계는 실질적으로 낙상 이벤트가 발생하는 단계이다. 낙상 이벤트는 낙상의 시작인 S단계, 바닥면으로부터 충격을 받는 I단계 및 낙상 이벤트의 종료를 나타내는 E단계를 포함한다.The pre-fall phase is a period in which normal activity occurs, and the critical phase and post-fall phase are phases in which a fall event actually occurs. The fall event includes the S-stage, which is the start of the fall, the I-stage, which receives an impact from the floor, and the E-stage, which indicates the end of the fall event.

낙상 후 단계는 낙상자가 움직임이 없거나 바닥에 누워있는 단계를 가리키고, 회복 단계는 낙상자가 일어서는 단계를 가리킨다.The post-fall stage refers to the stage in which the faller is motionless or lying on the floor, and the recovery stage refers to the stage in which the person stands up.

Y축에 도시된 인체의 가속도는 관성 센서에서 측정되는 3축(X축, Y축, Z축)의 가속도 크기 벡터의 합이며, 인체가 바닥면에 충격 시 바닥면으로부터 수직 위 방향으로 큰 충격량을 받게 되어 피크치를 나타낸다. 가속도 크기 벡터의 합의 피크치는 별모양으로 표시되어 있다.The acceleration of the human body shown on the Y-axis is the sum of the acceleration magnitude vectors of the three axes (X-axis, Y-axis, Z-axis) measured by the inertial sensor. , which indicates the peak value. The peak value of the sum of the acceleration magnitude vectors is indicated by a star.

낙상은 서 있는 상태 또는 보행 중에 일어날 수 있고, 전후좌우 방향 또는 바닥면을 향한 수직 아래 방향으로도 일어날 수 있다.Falls can occur while standing or walking, and can also occur in a forward, backward, left, right, or vertical downward direction toward the floor.

또한, 낙상 충격 시 충격 가속도 크기는 넘어지는 사람의 특성에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 낙상자의 키와 몸무게에 따라 바닥면으로부터 받는 충격이 달라진다.In addition, the magnitude of the impact acceleration during a fall impact may vary depending on the characteristics of the person who falls. For example, the impact from the floor depends on the height and weight of the fall.

본 발명은 낙상의 방향을 전후방향, 좌우방향 및 수직 아래 방향의 5가지로 분류하여 각 방향에 대한 충격 가속도 크기를 정확히 추정하여 충격 보호 장치 설계 및 구동제어에 활용함으로써, 부상 방지 및 충격 보호 장치에 의한 2차 충격 감소 효과를 얻을 수 있다.The present invention classifies the direction of a fall into five categories: the front-back direction, the left-right direction, and the vertical downward direction, accurately estimating the magnitude of the impact acceleration in each direction, and utilizing it in the design and drive control of the impact protection device, thereby preventing injuries and protecting the impact. A secondary impact reduction effect can be obtained by

예를 들어, 충격 보호 장치 중 하나인 에어쿠션의 경우 사용자가 바닥에 충격 전에 미리 충격 가속도 크기를 추정하여 쿠션의 팽창률을 조정함으로써, 사용자가 바닥면으로부터 받는 충격을 흡수함과 동시에 에어쿠션의 반동에 의한 2차 충격을 감소시켜 부상을 방지할 수 있다.For example, in the case of an air cushion, which is one of the impact protection devices, by estimating the magnitude of the impact acceleration before the user hits the floor and adjusting the expansion rate of the cushion, the user absorbs the shock received from the floor and at the same time, the recoil of the air cushion Injuries can be prevented by reducing the secondary impact caused by

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 낙하 시 충격 가속도 크기 추정 장치 및 이를 포함하는 충격 보호 시스템을 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating an apparatus for estimating the magnitude of an impact acceleration when falling according to an embodiment of the present invention and an impact protection system including the same.

충격 보호 시스템은 충격 가속도 크기 추정 장치(100) 및 충격 보호 장치(200)를 포함한다.The impact protection system includes an impact acceleration magnitude estimation apparatus 100 and an impact protection apparatus 200 .

충격 가속도 크기 추정 장치(100)는 관성 측정 모듈(110), 배터리(120), 마이크로 컨트롤러(130) 및 통신 모듈(140)을 포함한다.The shock acceleration magnitude estimation apparatus 100 includes an inertial measurement module 110 , a battery 120 , a microcontroller 130 , and a communication module 140 .

관성 측정 모듈(110)은 인체의 일부에 착용 가능한 형태로 구성되며, 착용자의 가속도 정보 및 각속도 정보를 실시간으로 측정할 수 있다. 관성 측정 모듈(110)은 하나의 관성 센서를 포함하는 측정 모듈이며, IMU(Inertial Measurement Unit) 모듈일 수 있다.The inertia measurement module 110 is configured in a form that can be worn on a part of the human body, and can measure acceleration information and angular velocity information of the wearer in real time. The inertial measurement module 110 is a measurement module including one inertial sensor, and may be an Inertial Measurement Unit (IMU) module.

관성 측정 모듈(110)은 가속도 정보와 각속도 정보를 X, Y, Z축 각각에 대해 측정하기 때문에 총 6개의 관성 정보를 수집하게 된다.Since the inertia measurement module 110 measures acceleration information and angular velocity information for each of the X, Y, and Z axes, a total of six pieces of inertia information are collected.

배터리(120)는 충격 가속도 크기 추정 장치(100)에 구비된 관성 측정 모듈(110), 마이크로 컨트롤러(130) 및 통신 모듈(140)에 전원을 공급한다.The battery 120 supplies power to the inertial measurement module 110 , the microcontroller 130 , and the communication module 140 provided in the shock acceleration magnitude estimation apparatus 100 .

마이크로 컨트롤러(MCU: Micro Controller, 130)는 관성 측정 모듈(110)을 제어할 수 있으며, 통신 모듈(140)과 충격 보호 장치(200) 간의 송수신을 제어할 수 있다.A microcontroller (MCU) 130 may control the inertia measurement module 110 , and may control transmission/reception between the communication module 140 and the impact protection device 200 .

그리고, 마이크로 컨트롤러(130)는 내부에 구축된 인공 신경망을 이용하여 가속도 정보 및 각속도 정보를 처리하여 낙하 충격 전에 미리 충격 가속도 크기를 추정한다.Then, the microcontroller 130 processes the acceleration information and the angular velocity information using the artificial neural network built therein to estimate the magnitude of the impact acceleration in advance before the fall impact.

마이크로 컨트롤러(130)는 관성 측정 모듈(110)에서 수신한 6개의 관성 정보(3축 가속도 정보, 3축 각속도 정보)를 인공 신경망에 입력하여 5가지의 낙하 방향에 대한 충격 가속도 크기 추정치를 결과값으로 얻을 수 있다. 5가지 낙하 방향은 장치 착용자의 전후좌우 및 수직 아래 방향(바닥 방향)을 포함한다.The microcontroller 130 inputs six pieces of inertia information (three-axis acceleration information, three-axis angular velocity information) received from the inertia measurement module 110 into the artificial neural network, and estimates the magnitude of impact acceleration for five fall directions as result values. can be obtained with The five falling directions include the device wearer's front, back, left, right, and vertical downward directions (floor direction).

또한, 마이크로 컨트롤러(130)는 인공 신경망을 이용하여 획득한 충격 가속도 크기 추정치를 기초로 충격 보호 장치(200)의 충격 흡수 능력을 제어할 제어신호를 생성할 수 있다.Also, the microcontroller 130 may generate a control signal to control the shock absorption capability of the shock protection device 200 based on the shock acceleration magnitude estimate obtained using the artificial neural network.

인공 신경망은 마이크로 컨트롤러(130) 내에 구축되는 것이 바람직하지만, 충격 보호 장치(200)에 구축될 수도 있고 충격 가속도 크기 추정 장치(100) 및 충격 보호 장치(200)와 통신 가능한 제 3의 데이터 처리 장치에 구축될 수도 있다.The artificial neural network is preferably built in the microcontroller 130 , but may also be built in the impact protection device 200 , and a third data processing device capable of communicating with the impact acceleration magnitude estimation device 100 and the impact protection device 200 . may be built on

통신 모듈(140)은 충격 보호 장치(200)와 유무선으로 통신할 수 있으며, 충격 보호 장치(200)에 충격 가속도 크기 추정 정보 또는 제어신호를 전송할 수 있다.The communication module 140 may communicate with the impact protection device 200 by wire or wireless, and may transmit impact acceleration magnitude estimation information or a control signal to the impact protection device 200 .

통신 모듈(140)에 적용되는 통신 방식은 BLE(Bluetooth Low Energy), 블루투스(Bluetooth), 와이파이(Wi-fi), 로라(Lora), 지그비(Zigbee) 등과 같은 다양한 방식들 중 어느 하나가 될 수 있다.The communication method applied to the communication module 140 may be any one of various methods such as BLE (Bluetooth Low Energy), Bluetooth (Bluetooth), Wi-Fi, Lora, Zigbee, etc. have.

충격 보호 장치(200)는 인체에 착용될 수 있고, 공기압, 유압 등을 이용하여 인체의 낙하 시 충격을 흡수함으로써, 낙상 사고를 방지할 수 있다.The shock protection device 200 may be worn on the human body, and may prevent a fall accident by absorbing the shock when the human body falls by using air pressure, hydraulic pressure, or the like.

충격 보호 장치(200)는 충격 가속도 크기 추정 장치(100)의 제어신호에 의해 공기압 또는 유압이 제어되어 충격 흡수 능력이 제어될 수 있다. 또는, 컨트롤러를 자체 구비하여 충격 가속도 크기 추정 장치(100)로부터 충격 가속도 크기 추정 정보를 수신하여 스스로 제어신호를 생성하여 충격 흡수 능력을 제어할 수도 있다.In the impact protection device 200 , air pressure or hydraulic pressure may be controlled by a control signal of the impact acceleration magnitude estimation device 100 , so that the impact absorption ability may be controlled. Alternatively, the controller may be provided by itself to receive shock acceleration magnitude estimation information from the shock acceleration magnitude estimation apparatus 100 and generate a control signal by itself to control the shock absorption ability.

충격 보호 장치(200)에는 에어 쿠션, 에어 패드, 에어 자켓, 외골격 로봇 등과 같은 다양한 장치가 적용될 수 있다.Various devices such as an air cushion, an air pad, an air jacket, and an exoskeleton robot may be applied to the impact protection device 200 .

본 발명의 실시예에서 인체에는 하나의 충격 가속도 크기 추정 장치(100)만 착용된다. 따라서, 하나의 관성 측정 모듈(110)만으로 착용자의 가속도 정보와 각속도 정보를 수집하게 된다.In the embodiment of the present invention, only one shock acceleration magnitude estimation apparatus 100 is worn on the human body. Accordingly, the wearer's acceleration information and angular velocity information are collected with only one inertia measurement module 110 .

본 발명의 실시예는 하나의 관성 측정 모듈(110)에 의해 수집된 가속도 정보 및 각속도 정보만으로도 인공 신경망을 활용하여 높은 정확도의 충격 가속도 크기 추정치를 도출할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a high-accuracy estimate of the magnitude of impact acceleration can be derived by using an artificial neural network only with the acceleration information and angular velocity information collected by one inertial measurement module 110 .

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 충격 가속도 크기 추정 장치의 인공 신경망을 구축하는 방법을 순서대로 도시한 흐름도이다.3 is a flowchart sequentially illustrating a method of constructing an artificial neural network of an apparatus for estimating shock acceleration magnitude according to an embodiment of the present invention.

인공 신경망은 충격 가속도 크기 추정 장치의 마이크로 컨트롤러에 구비될 수도 있지만, 별도의 모듈로 구성될 수도 있다.The artificial neural network may be provided in the microcontroller of the apparatus for estimating the magnitude of the impact acceleration, or may be configured as a separate module.

먼저, 인공 신경망을 구축하기 위해서 많은 지원자들이 참여한 실험을 통해 인공 신경망의 머신 러닝에 사용할 데이터를 수집한다.First, in order to build an artificial neural network, data to be used for machine learning of the artificial neural network is collected through an experiment involving many volunteers.

데이터 수집을 위한 실험 프로토콜은 자주 발생하는 현실적인 낙하 유형들을 모방하기 위해 구성되어야 한다. 실험에 참여하는 피험자들이 수행할 활동의 수는 10가지의 낙하 유형들이다. 10가지 유형은 앞으로 낙하, 뒤로 낙하, 좌우로 낙하, 수직 아래 방향으로 낙하, 걷는 도중 앞으로 낙하, 걷는 도중 뒤로 낙하, 헛디뎌서 앞으로 낙하, 헛디뎌서 뒤로 낙하, 미끄러져 앞으로 낙하 및 미끄러져 뒤로 낙하를 포함한다.Experimental protocols for data collection should be constructed to mimic frequently occurring realistic drop patterns. The number of activities that subjects participating in the experiment will perform are 10 types of falls. There are 10 types: fall forward, fall backward, fall side to side, fall vertically, fall forward while walking, fall backward while walking, stumble forward and fall backward, slip forward and slide backward. include

실험에 의해 수집된 낙하 데이터는 5개의 방향으로 분류된다. 즉, 낙하 방향에 따라 전후좌우 및 수직 아래 방향(지면 방향)으로 데이터가 분류될 수 있다.The drop data collected by the experiment is classified into five directions. That is, data may be classified into forward, backward, left, right, and vertical downward directions (ground direction) according to the falling direction.

이하, 도 3을 참조하여 인공 신경망 구축 방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of constructing an artificial neural network will be described in detail with reference to FIG. 3 .

단계(S100)에서 관성 정보 및 충격 가속도 크기 실측값을 수집한다. 피험자들의 활동에 따라 X축, Y축, Z축 각각에 대한 가속도 정보와 각속도 정보를 수집하고, 이에 따른 충격 가속도 크기 실측값을 수집한다.In step S100, inertia information and actual measured values of the impact acceleration are collected. Acceleration information and angular velocity information for each of the X-axis, Y-axis, and Z-axis are collected according to the subjects' activities, and the measured value of the impact acceleration is collected accordingly.

단계(S110)에서는 수집된 관성 정보 및 충격 가속도 크기 실측값을 이용하여 데이터 세트를 준비한다.In step S110, a data set is prepared using the collected inertia information and the measured value of the impact acceleration.

데이터 세트는 복수의 예(example)로 구성된다. 예(example)는 충격 가속도 크기를 추정하는데 사용되는 입력 변수인 하나 이상의 특성(feature) 벡터값과 결과값인 라벨(label)로 구성되는 하나의 행이다. 즉, 예는 하나 이상의 입력 변수와 결과값으로 구성된다.A data set consists of a plurality of examples. An example is one row consisting of one or more feature vector values that are input variables used for estimating the magnitude of the impact acceleration and a label that is a result value. That is, an example consists of one or more input variables and output values.

여기서, 특성 벡터는 3축의 가속도 정보 및 각속도 정보가 될 수 있고, 라벨은 가속도 정보와 각속도 정보에 따른 충격 가속도 크기의 실측값을 가리킨다.Here, the characteristic vector may be three-axis acceleration information and angular velocity information, and the label indicates an actual measured value of the magnitude of the impact acceleration according to the acceleration information and the angular velocity information.

더 구체적인 데이터 세트 준비 과정은 도 4에서 설명하도록 하겠다.A more detailed data set preparation process will be described with reference to FIG. 4 .

단계(S120)에서는 생성된 데이터 세트를 학습 데이터와 테스트 데이터로 분배한다. 이때, 분배 비율은 1:1로 설정될 수 있으나, 상황에 따라 다르게 설정될 수 있다.In step S120, the generated data set is distributed as training data and test data. In this case, the distribution ratio may be set to 1:1, but may be set differently according to circumstances.

다음, 단계(S130)에서 데이터 증강기술을 이용하여 학습 데이터 세트를 추가한다. 샘플 수가 적은 시계열(time-series) 데이터를 사용하여 머신 러닝을 진행할 경우 과적합(overfitting) 문제가 발생할 수 있기 때문에 데이터 증강기술(date augmentation technology)을 이용하여 학습 데이터 세트를 추가적으로 생성할 수 있다.Next, a training data set is added using data augmentation technology in step S130. When machine learning is performed using time-series data with a small number of samples, an overfitting problem may occur. Therefore, a training data set may be additionally generated using date augmentation technology.

본 발명의 실시예에서는 데이터 증강기술로, 데이터에 기계적 노이즈를 추가하는 지터링(jittering) 기술, 임의의 스케일 값을 곱하여 데이터 크기를 변화시키는 스케일링 기술, 임의의 왜곡비율로 축소 또는 스트레칭함으로써 데이터의 시간 간격을 변경하여 학습 데이터의 시간적 특성을 바꾸는 시간 왜곡(time-warping) 기술 등이 사용될 수 있다. 여기서, 지터링 기술은 학습 데이터 세트에 백색 가우시안 노이즈를 적용함으로써 학습 모델의 견고성을 증가시킬 수 있다.In an embodiment of the present invention, as a data augmentation technique, a jittering technique that adds mechanical noise to data, a scaling technique that changes the data size by multiplying an arbitrary scale value, and a reduction or stretching of data by reducing or stretching at an arbitrary distortion ratio A time-warping technique for changing the temporal characteristics of the training data by changing the time interval may be used. Here, the jittering technique can increase the robustness of the training model by applying white Gaussian noise to the training data set.

다음, 단계(S140)에서 학습 데이터를 이용하여 머신 러닝을 수행한다.Next, machine learning is performed using the training data in step S140 .

본 발명에서 구축되는 인공 신경망 모델은 LSTM(Long Short Term Memory) 아키텍처로 구현될 수 있다. LSTM 아키텍처는 시간의 흐름에 따라 변화하는 데이터를 학습하는 딥러닝 방식으로 동작하며, 이전 단계의 정보를 받아 반복적으로 처리하는 순환 신경망 모델의 하나로서 시계열 데이터의 예측에 높은 정확도를 갖는 인공 신경망 모델이다.The artificial neural network model constructed in the present invention may be implemented as a Long Short Term Memory (LSTM) architecture. The LSTM architecture operates as a deep learning method that learns data that changes over time, and is an artificial neural network model with high accuracy in predicting time series data as one of the recurrent neural network models that receive information from the previous stage and process it repeatedly. .

LSTM 아키텍처가 적용된 인공 신경망 모델은 도 5을 참조하여 상세히 후술하도록 하겠다.The artificial neural network model to which the LSTM architecture is applied will be described later in detail with reference to FIG. 5 .

다음, 단계(S150)에서는 테스트 데이터를 이용하여 학습된 인공 신경망 모델을 평가한다.Next, in step S150, the trained artificial neural network model is evaluated using the test data.

테스트 데이터에는 다양한 가속도 정보, 각속도 정보 및 이에 따른 충격 가속도 크기 실측값이 포함되어 있기 때문에 학습된 인공 신경망에 가속도 정보와 각속도 정보를 입력하여 충격 가속도 크기 추정치를 획득하여 테스트 데이터 세트에 포함된 실측값과 비교함으로써, 인공 신경망의 학습 결과를 평가할 수 있다.Since the test data includes various acceleration information, angular velocity information, and actual measured values of the magnitude of the shock acceleration, input the acceleration information and angular velocity information to the trained artificial neural network to obtain an estimate of the magnitude of the shock acceleration and the measured values included in the test data set By comparing with , it is possible to evaluate the learning result of the artificial neural network.

단계(S160)에서 인공 신경망 모델의 수정이 필요한지 여부를 판단한다.In step S160, it is determined whether the artificial neural network model needs to be modified.

미리 설정된 오차값을 초과하는 경우 수정이 필요하다고 판단하여 인공 신경망을 수정(S170)하고 다시 머신 러닝을 수행할 수 있다(S140). 예를 들어, 실측값과 추정치 간의 오차가 감소하도록 인공 신경망의 은닉층(hidden layer)의 가중치를 수정할 수 있다.If the preset error value is exceeded, it is determined that correction is necessary, so that the artificial neural network is corrected (S170) and machine learning can be performed again (S140). For example, the weight of the hidden layer of the artificial neural network may be modified so that the error between the measured value and the estimated value is reduced.

반면, 추정치와 실측값의 오차값이 미리 설정된 오차값 이하인 경우 단계(S180)로 넘어가 현재의 인공 신경망을 최종 인공 신경망으로 결정하고 이로부터 충격 가속도 크기를 추정한다.On the other hand, if the error value between the estimated value and the measured value is less than or equal to the preset error value, the flow advances to step S180 to determine the current artificial neural network as the final artificial neural network, and estimate the magnitude of the shock acceleration therefrom.

도 4는 도 3의 학습 데이터 세트 준비 단계를 세분화하여 도시한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a subdivided step of preparing the training data set of FIG. 3 .

도면을 보면, 단계(S111)에서는 수신한 관성 정보를 노이즈 필터링하여 정규화 한다. 예를 들어, 가속도 정보와 각속도 정보에서 특정 컷오프 주파수 이상의 신호를 필터링하면, 고주파 성분의 노이즈는 제거되면서도 원시 데이터(raw data)가 갖는 주기적인 패턴은 그대로 유지된다.Referring to the drawing, in step S111, the received inertia information is normalized by noise filtering. For example, if a signal of a specific cutoff frequency or higher is filtered from the acceleration information and the angular velocity information, a periodic pattern of raw data is maintained while noise of a high frequency component is removed.

단계(S112)에서는 관성 정보로부터 추가적인 특성 벡터(feature vector)를 추출한다.In step S112, an additional feature vector is extracted from the inertia information.

좀 더 구체적으로 설명하면, 충격 보호 시스템의 성능을 향상시키기 위해 장치 착용자의 활동을 차별화할 수 있는 4개의 특성 벡터를 3축 가속도 정보와 3축 각속도 정보로부터 추출한다.More specifically, in order to improve the performance of the impact protection system, four characteristic vectors capable of differentiating the activity of the device wearer are extracted from the triaxial acceleration information and the triaxial angular velocity information.

충격 가속도 크기 추정 장치는 기본적으로 관성 센서를 이용하여 3축 가속도 정보와 3축 각속도 정보, 즉, 6개의 정보를 획득하므로, 4개의 특성 벡터를 더 추가하여 10개의 데이터가 인공 신경망의 입력값이 된다.Since the shock acceleration magnitude estimation device basically acquires 3-axis acceleration information and 3-axis angular velocity information, that is, 6 pieces of information using an inertial sensor, by adding 4 more characteristic vectors, 10 data is the input value of the artificial neural network. do.

인공 신경망은 머신 러닝 과정에서 10개의 입력 데이터를 이용하여 데이터 간의 인과 관계를 통해 좀 더 정확한 충격 가속도 크기 추정치를 산출할 수 있다.The artificial neural network can use 10 input data in the machine learning process to calculate a more accurate estimate of the shock acceleration magnitude through a causal relationship between the data.

추가되는 4개의 특성 벡터는 3축 가속도의 합 벡터(sum vector), 가속도계의 수평면의 합 벡터, 합 벡터의 제곱 평균 제곱근(root mean square) 및 결과 각속도를 포함한다. 여기서, 가속도의 합 벡터는 3축 가속도 크기 합의 제곱근을 가리킨다.The added four characteristic vectors include a sum vector of the three-axis acceleration, a sum vector of the horizontal plane of the accelerometer, a root mean square of the sum vector, and the resulting angular velocity. Here, the acceleration sum vector indicates the square root of the sum of the magnitudes of the three-axis acceleration.

다음, 단계(S113)에서 낙하 충격이 발생한 프레임을 충격 가속도 피크치 실측값과 함께 데이터 라벨링한다.Next, the frame in which the drop impact occurs in step S113 is data-labeled together with the actual measured value of the impact acceleration peak value.

이때, 3축 가속도 정보, 3축 각속도 정보 및 추가된 4개의 특성 벡터가 10개의 입력 변수가 되고, 이에 따른 충격 가속도 크기 실측값을 포함하여 데이터 라벨링을 수행한다.At this time, the three-axis acceleration information, the three-axis angular velocity information, and the added four characteristic vectors become 10 input variables, and data labeling is performed including the measured values of the impact acceleration magnitudes.

다음, 단계(S114)에서 지금까지 생성한 데이터를 분할한다.Next, in step S114, the data generated so far is divided.

분할된 데이터는 인공 신경망의 머신 러닝을 위한 학습 데이터와 학습된 인공 신경망의 성능 평가를 위한 테스트 데이터로 분배된다.The divided data is divided into training data for machine learning of the artificial neural network and test data for performance evaluation of the trained artificial neural network.

다음, 도 5를 참조하여 머신 러닝을 진행하는 도 3의 단계(S140)를 상세하게 살펴보도록 하겠다.Next, with reference to FIG. 5 , the step S140 of FIG. 3 in which machine learning is performed will be described in detail.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인공 신경망을 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating an artificial neural network according to an embodiment of the present invention.

인공 신경망은 한 개의 입력층과 출력층 사이에 적어도 하나의 은닉층이 존재하는 다층 퍼셉트론(perceptron)으로 구현된다. 입력층, 은닉층 및 출력층 각각의 사이는 복수의 가중 링크로 연결되며, 가중 링크의 가중치는 학습을 통해서 조정될 수 있다.The artificial neural network is implemented as a multi-layer perceptron in which at least one hidden layer exists between one input layer and one output layer. Each of the input layer, the hidden layer, and the output layer is connected by a plurality of weighted links, and the weights of the weighted links may be adjusted through learning.

본 발명에서는 게이트들 및 메모리 셀로부터 활동 시퀀스(activity sequence)를 캡처하고 보유하는 LSTM(Long Short Term Memory) 아키텍처가 사용된다. LSTM 셀은 아래 수학식 1에 정의된 바와 같이 입력 게이트(input gate)

Figure 112020118388230-pat00001
, 망각 게이트(forget gate)
Figure 112020118388230-pat00002
, 셀(cell)
Figure 112020118388230-pat00003
, 출력 게이트(output gate)
Figure 112020118388230-pat00004
로 구성된다.A Long Short Term Memory (LSTM) architecture is used in the present invention to capture and retain an activity sequence from gates and memory cells. The LSTM cell has an input gate as defined in Equation 1 below.
Figure 112020118388230-pat00001
, forget gate
Figure 112020118388230-pat00002
, cell
Figure 112020118388230-pat00003
, output gate
Figure 112020118388230-pat00004
is composed of

Figure 112020118388230-pat00005
Figure 112020118388230-pat00005

여기서,

Figure 112020118388230-pat00006
,
Figure 112020118388230-pat00007
,
Figure 112020118388230-pat00008
,
Figure 112020118388230-pat00009
는 각각 제품, 시그모이드(sigmoid) 기능,
Figure 112020118388230-pat00010
Figure 112020118388230-pat00011
사이의 가중치 행렬(weight matrix) 및
Figure 112020118388230-pat00012
가 있는
Figure 112020118388230-pat00013
의 편향을 나타낸다.here,
Figure 112020118388230-pat00006
,
Figure 112020118388230-pat00007
,
Figure 112020118388230-pat00008
,
Figure 112020118388230-pat00009
is a product, a sigmoid function,
Figure 112020118388230-pat00010
Wow
Figure 112020118388230-pat00011
a weight matrix between and
Figure 112020118388230-pat00012
with
Figure 112020118388230-pat00013
represents the bias of

도면을 보면, 인공 신경망은 입력층(310), 은닉층(320) 및 출력층(330)으로 구성된다.Referring to the drawing, the artificial neural network is composed of an input layer 310 , a hidden layer 320 , and an output layer 330 .

입력층(310)은 시계열적으로 수집된 데이터 세트를 수신한다.The input layer 310 receives a time-series collected data set.

은닉층(320)은 양방향(Bi-directional) LSTM 층(322), 완전 연결층(fully connected layer, 324) 및 회귀층(regression layer, 326)을 포함하여 구성된다.The hidden layer 320 includes a bi-directional LSTM layer 322 , a fully connected layer 324 , and a regression layer 326 .

완전 연결층(324)은 각 노드가 후속 층의 모든 노드에 연결된다.A fully connected layer 324 is where each node is connected to all nodes in subsequent layers.

회귀층(326)은 입력 데이터를 회귀 분석하여 데이터 간의 함수 관계를 도출한다. 회귀 분석(regression analysis)은 매개변수 모델(parametric model)을 이용하여 통계적으로 입력 데이터들 사이의 관계를 추정하는 분석방법이다.The regression layer 326 regressively analyzes the input data to derive a functional relationship between the data. Regression analysis is an analysis method for statistically estimating a relationship between input data using a parametric model.

양방향 LSTM 층(322)을 학습시키기 위해 데이터 세트는 학습 데이터와 테스트 데이터로 분리될 수 있다. 이때, 분리비는 1:1이 될 수 있으나, 다른 비로 설정될 수도 있다.To train the bidirectional LSTM layer 322, the data set may be divided into training data and test data. In this case, the separation ratio may be 1:1, but may be set to another ratio.

은닉층(320)에는 소프트맥스 층(softmax layer)이 추가될 수 있으며, 양방향 LSTM 층의 과적합(overfitting)을 감소시키기 위한 목적으로 드롭아웃 층(dropout layer)이 추가될 수 있다. 드롭아웃 층은 완전 연결층 뒤에 연결될 수 있다.A softmax layer may be added to the hidden layer 320 , and a dropout layer may be added to reduce overfitting of the bidirectional LSTM layer. The dropout layer can be connected behind the fully connected layer.

출력층(330)은 은닉층(320)에서 도출된 5가지 낙하 방향의 충격 가속도 크기 추정치를 출력한다.The output layer 330 outputs an estimate of the magnitude of the impact acceleration in the five falling directions derived from the hidden layer 320 .

표1은 양방향 LSTM 아키텍처에 설정될 수 있는 하이퍼 파라미터들을 나타내고 있다.Table 1 shows hyper parameters that can be set in the bidirectional LSTM architecture.

LSTM architecture training optionLSTM architecture training options NumNum Type of parametersType of parameters Range of parametersRange of parameters 1.One. Number of hidden unitsNumber of hidden units [100,50][100,50] 2.2. Maximum epochsMaximum epochs 125125 3.3. Mini-batch sizeMini-batch size 6464 4.4. Weight initializer functionWeight initializer function GlorotGlorot 5.5. SolverSolver AdamAdam 6.6. Dropout rateDropout rate 0.20.2 7.7. Initial learning rateInitial learning rate 0.010.01 8.8. Gradient thresholdgradient threshold 22 9.9. Gradient threshold methodgradient threshold method Global-l2normGlobal-l2norm 10.10. L2RegularizationL2Regularization 1e^-51e^-5

학습된 인공 신경망의 성능 평가에는 평균 절대 백분율 오차(mean absolute percentage error, MAPE)가 채택될 수 있다. MAPE는 실측값과 추정치 사이의 상대 오차를 측정하기 위해 사용되며, 아래 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.A mean absolute percentage error (MAPE) may be adopted for performance evaluation of the trained artificial neural network. MAPE is used to measure the relative error between the measured value and the estimated value, and can be calculated by Equation 2 below.

Figure 112020118388230-pat00014
Figure 112020118388230-pat00014

Figure 112020118388230-pat00015
는 충격 가속도 크기 실측값을 가리키며,
Figure 112020118388230-pat00016
는 충격 가속도 크기 추정치를 가리킨다. 실측값과 추정치 사이의 관계를 평가하기 위해 상대 오차 결과는 회귀 분석을 이용하여 분석될 수 있다.
Figure 112020118388230-pat00015
denotes the measured value of the impact acceleration magnitude,
Figure 112020118388230-pat00016
is an estimate of the magnitude of the impact acceleration. Relative error results can be analyzed using regression analysis to evaluate the relationship between the measured and estimated values.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 학습된 인공 신경망을 도시한 도면이다.6 is a diagram illustrating a learned artificial neural network according to an embodiment of the present invention.

도면을 보면, 학습된 인공 신경망은 입력층, 은닉층 및 출력층으로 구성된다.Referring to the figure, the trained artificial neural network is composed of an input layer, a hidden layer, and an output layer.

관성 측정 모듈에서 수집된 관성 정보(3축 가속도 정보 및 3축 각속도 정보)를 입력층에 입력하면, 은닉층에서는 관성 정보를 이용하여 학습된 내용을 기초로 다섯 방향에 대한 충격 가속도 크기들을 추정하여 출력층을 통해 출력한다.When the inertia information (3-axis acceleration information and 3-axis angular velocity information) collected from the inertia measurement module is input to the input layer, the hidden layer estimates the impact acceleration magnitudes in five directions based on the learned content using the inertia information and the output layer output through

이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 학습 데이터를 데이터 증강기술을 적용하여 가공한 후 머신 러닝을 진행할 때 얻을 수 있는 인공 신경망의 성능 개선 결과들을 알아보도록 하겠다.Hereinafter, with reference to FIGS. 7 to 9 , the performance improvement results of an artificial neural network that can be obtained when machine learning is performed after processing training data by applying data augmentation technology will be described.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 구축된 인공 신경망을 이용하여 다양한 레벨의 충격 크기에 따른 충격 가속도 크기를 추정한 결과를 나타낸 도면이다.7 is a view showing the results of estimating the magnitude of the shock acceleration according to the magnitude of the shock of various levels using the artificial neural network constructed according to the embodiment of the present invention.

인공 신경망을 이용하여 얻을 수 있는 충격 가속도 크기 추정치는 낙하하는 사람의 특성에 따라 다양하다. 예를 들어, 사람의 키와 몸무게 또는 걷는 상태와 서 있는 상태에 따라 크리티컬 단계의 시간과 충격 가속도 크기가 다양하게 나타난다.The impact acceleration magnitude estimate that can be obtained using an artificial neural network varies depending on the characteristics of the falling person. For example, depending on a person's height and weight, or walking and standing, the time of the critical phase and the magnitude of the impact acceleration vary.

그러나, 본 발명의 실시예에 따라 학습된 인공 신경망은 다양한 사람의 특성과 다양한 상황에서도 실측값에 가까운 충격 가속도 크기 추정치를 도출할 수 있다.However, the artificial neural network trained according to an embodiment of the present invention can derive an estimate of the magnitude of the shock acceleration close to the actual value even in various human characteristics and in various situations.

a) 내지 c)를 보면, 낙하 시 바닥면으로부터 다양한 충격을 인체에 대해 인공 Looking at a) to c), when falling, various impacts from the floor are artificially applied to the human body.

신경망 학습 시 데이터 증강기술을 적용한 때와 적용하지 않은 때의 각각의 충격 가속도 크기 추정치를 실측값과 비교하여 나타내었다.In neural network learning, each impact acceleration magnitude estimate with and without data augmentation technology is shown by comparing it with the measured value.

충격 가속도 크기를 추정하기 위해 사람이 균형을 잃은 시점 부근의 시계열 데이터(굵은 실선으로 표시되어 있음)를 인공 신경망의 입력 데이터로 사용한다.In order to estimate the magnitude of the shock acceleration, time series data (indicated by a thick solid line) near the time when a person loses balance is used as input data for the artificial neural network.

그래프를 보면, 입력 데이터에 데이터 증강기술을 적용하여 인공 신경망을 학습시킨 경우가 데이터 증강기술을 적용하지 않은 경우보다 인공 신경망이 실측값에 더 가까운 추정치를 산출하였다.Looking at the graph, in the case where the artificial neural network was trained by applying the data augmentation technology to the input data, the artificial neural network produced an estimate closer to the actual value than the case where the data augmentation technology was not applied.

여기서, 4-fold는 데이터 증강기술을 이용하여 학습 데이터 세트를 4배로 증가시킨 것을 의미한다.Here, 4-fold means that the training data set is increased by 4 times using data augmentation technology.

도 8은 각 데이터 증강기술 적용 시 충격 가속도 크기 추정치들의 평균 백분율 절대 오차(MPAE)들의 일 예를 나타낸 도면이다.8 is a diagram illustrating an example of mean percentage absolute errors (MPAEs) of impact acceleration magnitude estimates when each data augmentation technique is applied.

도면을 보면, 머신 러닝에 사용되는 학습 데이터를 데이터 증강기술로 가공한 경우와 가공하지 않은 경우에 따라 충격 가속도 크기 실측값과 추정치 간의 평균 백분율 절대 오차(MPAE) 결과가 다르게 나타남을 알 수 있다.Referring to the figure, it can be seen that the average percentage absolute error (MPAE) result between the measured value and the estimated value of the impact acceleration magnitude is different depending on the case where the learning data used for machine learning is processed by data augmentation technology and the case where it is not processed.

구체적으로, 데이터 증강기술을 적용하지 않은 경우 MPAE는 25%를 초과하는 값을 나타내지만, 지터링, 스케일링 또는 시간 왜곡 기술을 사용하여 학습 데이터를 가공하여 머신 러닝을 진행한 경우에는 MPAE가 20% 이하의 값을 나타낸다.Specifically, when data augmentation technology is not applied, MPAE shows a value exceeding 25%, but when machine learning is performed by processing training data using jittering, scaling, or time distortion techniques, MPAE is 20% The following values are shown.

또한, 지터링, 스케일링 및 시간 왜곡 기술을 모두 적용하여 학습 데이터를 가공하고, 이 학습 데이터로 머신 러닝을 진행한 경우에는 인공 신경망의 성능이 더 향상되어 MPAE가 약 10%가 된다.In addition, when the training data is processed by applying all of jittering, scaling, and time distortion techniques, and machine learning is performed using the training data, the performance of the artificial neural network is further improved, resulting in an MPAE of about 10%.

MPAE가 작을수록 추정치가 실측값에 가깝다는 것을 의미하므로, MPAE가 작을수록 인공 신경망의 성능이 높다는 것을 의미한다.Since a smaller MPAE means that the estimate is closer to the actual value, a smaller MPAE means higher performance of the artificial neural network.

도 9는 데이터 증강기술을 이용하여 증가시키는 데이터 세트 수에 따라 변화하는 충격 가속도 크기 추정치의 평균 백분율 절대 오차(MPAE)들의 일 예를 나타낸 도면이다.9 is a diagram illustrating an example of the mean percentage absolute errors (MPAEs) of an estimate of the magnitude of an impact acceleration that varies according to the number of data sets that are increased using a data augmentation technique.

도면을 보면, 데이터 증강기술을 사용하여 학습 데이터 세트의 수를 1배(1-fold)에서 4배(4-fold)로 증가시킬수록 학습된 인공 신경망의 성능도 향상되어 MPAE가 작아진다는 것을 알 수 있다.Referring to the figure, as the number of training data sets is increased from 1-fold to 4-fold by using data augmentation technology, the performance of the trained artificial neural network also improves and the MPAE becomes smaller. Able to know.

도 8과 도 9의 결과를 보면, 머신 러닝에 사용되는 학습 데이터를 데이터 증강기술로 가공하여 학습 데이터 세트의 다양성과 양을 늘리면, 학습된 인공 신경망의 성능은 더 향상되는 것을 알 수 있다.Referring to the results of FIGS. 8 and 9 , it can be seen that the performance of the learned artificial neural network is further improved when the variety and amount of the training data set is increased by processing the training data used for machine learning with data augmentation technology.

구체적으로, 더 많은 데이터 증강기술을 적용할수록 인공 신경망의 성능은 향상되며, 학습 데이터 세트를 증가시킬수록 인공 신경망의 성능이 향상됨을 알 수 있다.Specifically, it can be seen that the performance of the artificial neural network improves as more data augmentation techniques are applied, and the performance of the artificial neural network improves as the training data set increases.

100: 충격 가속도 크기 추정 장치
110: 관성 측정 모듈
120: 배터리
130: 마이크로 컨트롤러
140: 통신 모듈
200: 충격 보호 장치
100: shock acceleration magnitude estimation device
110: inertial measurement module
120: battery
130: microcontroller
140: communication module
200: shock protection device

Claims (22)

사용자의 신체에 착용 가능한 충격 가속도 크기 추정 장치에 있어서,
상기 사용자의 관성 정보를 실시간으로 수집하는 관성 측정 모듈과,
인공 신경망을 구비하며, 상기 관성 정보를 상기 인공 신경망의 입력 데이터로 사용하여 낙상 시 충격 가속도 크기 추정치를 도출하는 마이크로 컨트롤러와,
상기 충격 가속도 크기 추정치를 외부로 송출하는 통신 모듈을 포함하고,
상기 인공 신경망은 상기 관성 정보 및 상기 관성 정보로부터 추출된 특성 벡터를 학습 데이터로 머신 러닝을 수행하여 구축된 것이고,
상기 추출된 특성 벡터는 3축 가속도의 합 벡터, 가속도계의 수평면의 합 벡터, 합 벡터의 제곱 평균 제곱근 및 결과 각속도를 포함하는 것인 충격 가속도 크기 추정 장치.
In the shock acceleration magnitude estimation device that can be worn on the user's body,
an inertia measurement module that collects the user's inertia information in real time;
A microcontroller having an artificial neural network and using the inertial information as input data of the artificial neural network to derive an estimate of the magnitude of impact acceleration during a fall;
A communication module for transmitting the impact acceleration magnitude estimate to the outside,
The artificial neural network is constructed by performing machine learning on the inertia information and the feature vector extracted from the inertia information as learning data,
The extracted characteristic vector includes a sum vector of three-axis acceleration, a sum vector of a horizontal plane of an accelerometer, a root mean square of the sum vector, and a resultant angular velocity.
제 1항에 있어서,
상기 관성 정보는 3축 가속도 정보 및 3축 각속도 정보인 것인 충격 가속도 크기 추정 장치.
The method of claim 1,
The inertia information is an impact acceleration magnitude estimation apparatus that is 3-axis acceleration information and 3-axis angular velocity information.
제 1항에 있어서,
상기 인공 신경망은 LSTM(long short-term memory) 아키텍처를 포함하는 것인 충격 가속도 크기 추정 장치.
The method of claim 1,
wherein the artificial neural network includes a long short-term memory (LSTM) architecture.
제 1항에 있어서,
상기 충격 가속도 크기 추정치는 5가지 낙하 방향에 대해 각각 추정되는 것인 충격 가속도 크기 추정 장치.
The method of claim 1,
The impact acceleration magnitude estimation device, wherein the impact acceleration magnitude estimate is estimated for each of five falling directions.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 학습 데이터는 머신 러닝 수행 전 적어도 하나의 데이터 증강기술에 의해 가공되어 양이 증가되는 것인 충격 가속도 크기 추정 장치.
The method of claim 1,
The amount of the training data is increased by processing by at least one data augmentation technique before performing machine learning.
제 7항에 있어서,
상기 데이터 증강기술은 지터링 기술, 스케일링 기술 및 시간 왜곡 기술 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것인 충격 가속도 크기 추정 장치.
8. The method of claim 7,
The data augmentation technique includes at least one of a jittering technique, a scaling technique, and a time distortion technique.
낙하 상황에서 관성 정보 및 충격 가속도 크기 실측값을 수집하는 단계와,
상기 관성 정보 및 충격 가속도 크기 실측값을 이용하여 데이터 세트를 준비하는 단계와,
상기 데이터 세트를 학습 데이터 세트와 테스트 데이터 세트로 분배하는 단계와,
상기 학습 데이터 세트를 이용하여 인공 신경망을 머신 러닝하는 단계와,
학습된 인공 신경망을 평가하여 그 결과에 따라 최종 인공 신경망을 결정하고, 이 인공 신경망으로부터 충격 가속도 크기를 추정하는 단계를 포함하고,
상기 데이터 세트를 준비하는 단계는 상기 인공 신경망의 입력 데이터로 사용할 적어도 하나의 특성 벡터를 상기 관성 정보로부터 추출하는 단계를 포함하고,
상기 추출된 특성 벡터는 3축 가속도의 합 벡터, 가속도계의 수평면의 합 벡터, 합 벡터의 제곱 평균 제곱근 및 결과 각속도 중 적어도 하나 이상인 것인 충격 가속도 크기 추정 방법.
Collecting inertia information and impact acceleration magnitude measured values in a falling situation;
preparing a data set using the inertia information and the measured value of the impact acceleration;
distributing the data set into a training data set and a test data set;
machine learning an artificial neural network using the training data set;
Evaluating the learned artificial neural network, determining a final artificial neural network according to the result, and estimating the magnitude of the shock acceleration from the artificial neural network,
Preparing the data set includes extracting at least one feature vector to be used as input data of the artificial neural network from the inertia information,
The method for estimating the magnitude of impact acceleration, wherein the extracted characteristic vector is at least one of a sum vector of three-axis accelerations, a sum vector of a horizontal plane of an accelerometer, a root mean square of the sum vector, and a resultant angular velocity.
제 9항에 있어서,
상기 관성 정보는 3축 가속도 정보 및 3축 각속도 정보인 것인 충격 가속도 크기 추정 방법.
10. The method of claim 9,
The method for estimating the magnitude of impact acceleration, wherein the inertia information is 3-axis acceleration information and 3-axis angular velocity information.
제 9항에 있어서,
상기 인공 신경망은 LSTM(long short-term memory) 아키텍처를 포함하는 것인 충격 가속도 크기 추정 방법.
10. The method of claim 9,
wherein the artificial neural network comprises a long short-term memory (LSTM) architecture.
제 9항에 있어서,
상기 충격 가속도 크기는 5가지 낙하 방향에 대해 각각 추정되는 것인 충격 가속도 크기 추정 방법.
10. The method of claim 9,
The impact acceleration magnitude estimation method is that the impact acceleration magnitude is estimated for each of the five falling directions.
제 12항에 있어서,
상기 5가지 낙하 방향은 전후좌우 및 수직 아래 방향인 것인 충격 가속도 크기 추정 방법.
13. The method of claim 12,
The five falling directions are forward, backward, left, right, and vertical downward directions.
삭제delete 삭제delete 제 9항에 있어서,
상기 머신 러닝 전에 적어도 하나의 데이터 증강기술을 적용하여 상기 학습 데이터 세트를 추가하는 단계를 더 포함하는 것인 충격 가속도 크기 추정 방법.
10. The method of claim 9,
The method of estimating the magnitude of impact acceleration further comprising adding the training data set by applying at least one data augmentation technique before the machine learning.
제 16항에 있어서,
상기 데이터 증강기술은 지터링 기술, 스케일링 기술 및 시간 왜곡 기술 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것인 충격 가속도 크기 추정 방법.
17. The method of claim 16,
The data augmentation technique includes at least one of a jittering technique, a scaling technique, and a time distortion technique.
사용자의 신체에 착용 가능하며, 실시간으로 측정한 사용자의 관성 정보 및 인공 신경망을 이용하여 상기 사용자의 낙하 상황에서 낙하 충격 전에 충격 가속도 크기 추정치를 도출하고, 이 도출된 추정치를 기초로 제어신호를 생성하는 충격 가속도 크기 추정 장치와,
상기 제어신호에 의해 충격 흡수 능력이 조절되는 충격 보호 장치를 포함하고,
상기 충격 가속도 크기 추정 장치는
상기 사용자의 관성 정보를 실시간으로 수집하는 관성 측정 모듈과,
상기 인공 신경망을 구비하며, 상기 관성 정보를 상기 인공 신경망의 입력 데이터로 사용하여 낙상 시 충격 가속도 크기 추정치를 도출하는 마이크로 컨트롤러와,
상기 충격 가속도 크기 추정치를 상기 충격 보호 장치로 송출하는 통신 모듈을 포함하는 것인 충격 보호 시스템.
It can be worn on the user's body, and by using the user's inertia information and artificial neural network measured in real time, an estimate of the impact acceleration magnitude before the fall impact in the user's fall situation is derived, and a control signal is generated based on the derived estimate. a device for estimating the magnitude of the impact acceleration,
and a shock protection device whose shock absorption ability is controlled by the control signal,
The impact acceleration magnitude estimation device is
an inertia measurement module that collects the user's inertia information in real time;
a microcontroller having the artificial neural network and using the inertial information as input data of the artificial neural network to derive an estimate of the magnitude of impact acceleration during a fall;
and a communication module that transmits an estimate of the magnitude of the impact acceleration to the impact protection device.
삭제delete 제 18항에 있어서,
상기 관성 정보는 3축 가속도 정보 및 3축 각속도 정보인 것인 충격 보호 시스템.
19. The method of claim 18,
The inertia information is an impact protection system that is three-axis acceleration information and three-axis angular velocity information.
제 18항에 있어서,
상기 인공 신경망은 LSTM(Long Short Term Memory) 아키텍처를 포함하는 것인 충격 보호 시스템.
19. The method of claim 18,
wherein the artificial neural network comprises a Long Short Term Memory (LSTM) architecture.
제 18항에 있어서,
상기 충격 가속도 크기 추정치는 5가지 낙하 방향에 대해 각각 도출되는 것인 충격 보호 시스템.
19. The method of claim 18,
and the impact acceleration magnitude estimate is derived for each of the five drop directions.
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