KR200267556Y1 - 3차원상의 스윙동작을 추적하기 위한 트레이싱 시스템 - Google Patents

3차원상의 스윙동작을 추적하기 위한 트레이싱 시스템 Download PDF

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Abstract

골프채에 장착되어 골프채의 스윙에 따른 위치정보 및 자세정보를 감지하는 감지데이터 제공부 및 골프채의 외부에 설치되어 감지데이터를 분석 및 처리하는 데이터 분석/처리부를 포함하는 스윙 트레이싱 시스템이 제공된다. 감지데이터 제공부는, 3축 지자기 센서, 3축 가속도 센서, 상기 3축 지자기 센서 및 3축 가속도 센서에서 출력된 가속도 데이터신호 및 자기장 데이터신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 변환기, 디지털 신호를 데이터 분석/처리부로 전송하기 위한 전송부를 포함한다. 그리고 데이터 분석/처리부는 감지데이터 제공부의 전송부로부터 전송된 신호를 수신하는 수신부, 수신부로의 디지털 신호 중 가속도 데이터신호를 접수받아, 골프채의 가속도, 진행 방향 및 진행 거리를 포함하는 운동 정보를 산출하는 운동정보산출부, 디지털 신호의 자기장데이터신호로부터 골프채의 중심과 자북과의 일직선과 3축 지자기센서가 장착된 골프채 내의 가상의 구 표면의 접점의 위도 및 경도를 추출하는 위도/경도변환기와 운동정보산출부와 위도/경도변환기의 출력을 결합시키는 결합부를 포함한다.

Description

3차원상의 스윙동작을 추적하기 위한 트레이싱 시스템{Tracing system for swing motion in three dimension}
본 고안은 스윙하는 물체의 3차원 상의 궤적을 추적하는 기술에 관한 것으로, 특히 고속 스윙하는 물체의 궤적을 추적하고 이를 재현할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
회전하면서 이동하는 물체의 위치를 추적하기 위해서는 일반적으로 자이로스코프가 사용되고 있다. 자이로스코프는 미사일의 내부에 가속도계와 함께 장착되어, 미사일이 일정한 장소에서 일정한 속도에 도달함을 감지하며, 모터 등에 내장되어 모터의 회전 각속도를 측정하고, 로봇 등에 장착되어 로봇 몸체의 위치 변화를 감지하는 데에 이용되고 있다. 그러나, 자이로스코프의 회전 속도의 한계에 의해, 회전 속도가 빠른 물체, 예를 들면, 약 1000도/초 이상의 속도를 가지는 골프채, 야구배트, 공 등에 장착되어 그의 회전 속도를 측정하고 위치를 추적하는 것은 불가능하다. 그리고, 자이로스코프를 이용하여 물체의 이동을 확인하기 위해서는위성항법장치와 함께 사용되어야 하는 불편함이 있다.
따라서, 운동을 체계화시키기 위한 스포츠 과학의 활성화에 부응하도록, 자이로스코프를 이용하여 골프채, 야구배트, 야구, 축구, 배구 경기에 사용되는 구와 같이 빠르게 스윙하는 물체의 위치를 추적하고 스윙에 의한 물체의 운동 정보를 획득하는 것은 불가능하였다.
이에 간단한 구성을 가지면서도 차량, 미사일, 로봇 등의 회전 속도 보다 상당히 빠른 회전 속도를 가지면서 이동하는 물체를 추적할 수 있는 시스템이 요구되었다.
본 고안의 목적은, 간단한 구성을 가지면서도 3차원상에서 고속 스윙하는 물체의 위치를 추적하고 이를 재현할 수 있는 시스템(이하 스윙 트레이싱 시스템이라 칭한다)을 제공하는 것이다.
도 1은 본 고안에 따른 스윙 트레이싱 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 감지데이터 정보 제공부의 상세도 및 데이터 흐름도이다.
도 3은 도 1의 데이터 정보 처리 및 비교 분석부의 상세도 및 데이터 흐름도이다.
도 4는 도 2의 감지 데이터 제공부(100)를 골프채에 적용한 예를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 3의 위도/경도 변환기의 연산과정을 설명하기 위한 좌표가 표시된 도면이다.
도 6은 3차원 본 고안의 일예에 따른 스윙트레이싱 시스템을 이용하여 골프 스윙의 운동패턴을 제공 해주는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
111: 3축 가속도 센서 112: 3축 지자기 센서
122: 마이클로컨트롤러 123: 메모리
124: 조정판넬 402: 위도/경도 변환기
403: 운동정보산출부 404: 결합기
407: 표시부 413: 누적 DB
414: 표준 DB 610: 그립
620: 헤드 612, 622: PCB
614: 스윙버튼 616: 케이블
상기 목적을 달성하기 위하여, 고속스윙물체에 장착되어 상기 고속스윙물체의 위치정보 및 자세정보를 감지하는 감지데이터 제공부 및 상기 고속스윙물체의 외부에 설치되어 상기 감지데이터 제공부로부터 제공된 정보를 분석 및 처리하는 데이터 분석/처리부를 포함하는 스윙 트레이싱 시스템이 제공된다. 스윙 트레이싱 시스템의 감지데이터 제공부는, 3축 지자기 센서, 3축 가속도 센서, 상기 3축 지자기 센서 및 상기 3축 가속도 센서에서 출력된 가속도 데이터신호 및 자기장 데이터신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그/디지털 변환기, 상기 아날로그/디지털(A/D) 변환기에서 출력된 디지털 신호를 상기 데이터 분석/처리부로 전송하기 위한 전송부를 포함한다. 그리고 스윙 트레이싱 시스템의 데이터 분석/처리부는 상기 감지데이터 제공부의 전송부로부터 전송된 신호를 수신하는 수신부, 상기 수신부로의 디지털 신호 중 가속도 데이터신호를 접수받아, 고속스윙물체의 가속도, 진행 방향 및 진행 거리를 포함하는 운동 정보를 산출하는 운동정보산출부, 상기 디지털 신호의 자기장데이터신호로부터 자북을 기준으로 하는 고속스윙물체의 3차원상의 위치변화를 포함하는 자세 정보를 출력해내는 자세정보산출부, 상기 운동정보산출부와 상기 자세정보산출부의 출력을 결합시키는 결합부, 및 상기 결합부의 출력을 영상으로 표시하기 위한 표시부를 포함한다. 여기서, 자세정보는 상기 고속회전물체의 중심과 자북과의 일직선과 고속회전물체 표면의 접점의 위도 및 경도로 표현된다.
또한, 스윙 트레이싱 시스템은, 결합부의 출력이 저장되어 있는 누적 데이터 베이스 및 표준이 되는 고속스윙에 대한 위치 정보 및 자세 정보가 저장되어 있는 표준 데이터 베이스, 상기 누적 데이터 베이스의 데이터와 상기 표준 데이터 베이스의 데이터를 비교하기 위한 비교제어부를 포함하는 비교 분석부를 더 포함할 수 있다. 그리고 전술한 스윙 트레이싱 시스템은 고속스윙하는 골프채 등에 적용될 수 있다.
이하 본 고안을 첨부된 도면들을 참조로 하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 고안에 따른 스윙 트레이싱 시스템의 개략도로서, 고속스윙물체에 장착되는 감지데이터제공부(100) 및 고속스윙물체 외부에 설치되는 데이터 처리/분석 및 비교 분석부(400)로 이루어져 있다. 감지데이터제공부(100)는 고속스윙물체의 스윙에 따른 위치 변화값을 출력하는 감지부(110), 감지부(110)에서 출력된 데이터의 처리 및 전송을 제어하기 위한 제어부(120)를 포함한다. 상기 감지데이터 정보제공부(100)에서 처리된 신호는 데이터 인터페이스(300)를 통해 데이터처리 및 비교 분석부(400)로 입력된다.
한편, 감지부(110)는 도 2에 도시된 것과 같이, 고속회전물체의 중심에 장착되어 있는 X, Y 및 Z축 가속도 센서(3축 가속도 센서;111)와 X, Y 및 Z축 지자기 센서(3축 지자기 센서; 112)로 이루어져 있다. 그리고 제어부(120)는 이들 3축 가속도 센서(111) 및 지자기 센서(112)로부터 출력된 신호에서 잡음을 제거하기 위한 저역통과 필터(미도시), 저역통과필터의 출력을 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그/디지털 변환기(121), 디지털 신호변환된 신호를 처리, 저장, 실시간 전송하기 위한 마이크로 컨트롤러(122)와, 마이크로 컨트롤러(122)에서 처리된 신호를 임의의 시간동안 저장하는 메모리(123) 및 스윙시작을 지정하는 스위칭제어 및 상기 마이크로 컨트롤러(122)에서 처리된 신호를 메모리(123)에 일시 저장할 것인지 실시간 전송할 것인지를 마이크로 콘트롤러(122)가 결정하게 제어하도록 하는 조정판넬(124)로 구성되어 있다. 한편,마이크로 컨트롤러(122)는 상기 조정판넬(124)의 제어하에 도 1의 유무선 인터페이스(300)를 통하여 스윙동작의 시작 및 중지를 알리는 스위칭신호음도 도 3의 정보처리 및 비교 분석부(400)에게 알려준다.
한편, 데이터 처리 및 비교 분석부(400)는 도 3에 도시된 것과 같이, 감지데이터제공부(100)로부터 전송받은 디지털 신호 중 자기장 데이터를 받아, 자북을 기준으로 하는 스윙에 의한 고속스윙물체의 3차원상의 위치 변화를 나타내는 자세 정보를 출력하는 자세 정보산출부로서의 위도/경도 변환기(402)를 포함한다. 위도/경도 변환기(402)를 통한 자세 정보의 산출 방법은,구체적으로 살펴보면, 고속스윙물체의 3축지자기 센서(112)의 교차점과 자북과의 일직선과 고속스윙물체 표면과의 교차에 의해 형성된 접점의 위치를 구면상의 위도 및 경도값으로 변환하는 것이다.
또한, 데이터 처리 및 비교 분석부(400)는 감지데이터제공부(100)로부터 전송받은 디지털 신호 중 가속도 데이터를 받아, 스윙물체의 변위, 가속도의 진행 방향 등을 포함하는 운동 정보를 산출하는 운동 정보 산출부(403), 스윙물체의 3차원상의 궤적을 추적해내기 위해, 위도/경도 변환기(402) 및 운동 정보 산출부(403)로부터 출력된 자세 정보와 운동 정보를 결합하는 결합기(404) 및 추적된 궤적을 연속적으로 화면으로 보여주기 위한 표시부(407)를 포함하여, 스윙에 의한 고속스윙물체의 3차원 상의 위치 변화를 추적할 수 있다.
그리고, 데이터 처리 및 비교 분석부(400)에, 고속스윙물체에 대한 표준 데이터가 저장되어 있는 표준데이터베이스(표준DB:414)와 결합기(404)의 출력을 받아 저장하는 누적데이터베이스(누적DB:413) 및 이들 데이터베이스(413, 414)의 데이터를 비교하는 비교제어부(415)를 포함하는 스윙자의 자세평가 및 교정자료를 얻는 비교 분석부(500)를 포함시켜, 스윙자에게 정확한 스윙패턴을 제공해 줄 수 도 있다. 여기서, 표준데이터베이스(414)에는 여러 스윙자들의 자신의 가장 적합한 자세정보와 위치정보가 저장되어 있으며, 비교제어부(415)는 스윙 시작 및 중지 신호를 전송받는다.
그리고 비교 분석부(500)의 출력은 표시부(407)로 입력되어, 스윙물체의 3차원상의 궤적 정보를 얻고자 하는 자에게 관련 정보를 제공하게 된다. 표시부(407)에서는 3D(Dimension)엔진을 이용하여, 고속 스윙물체의 측면영상, 전면 영상을 보여줌과 아울러, 투시 영상도 보여준다.
한편, 데이터 인터페이스(300)로는 유선일 경우에는 전송 케이블이 사용될 수 있고, 무선일 경우에는 고주파 송신모듈 및 고주파 수신모듈을 사용할 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참고로 하여, 골프채에 본 고안을 적용하는 경우를 설명한다.
도 4는 감지데이터제공부(100)가 장착된 골프채를 나타낸 것으로, 골프채의 일단, 즉 헤드(620) 내부에는 감지부를 구성하는 3축 지자기 센서와 3축 가속도 센서가 집적되어 있는 PCB(622)가 장착되어 있으며, 골프채의 타단, 즉 그립(610) 내부에는 컨트롤부를 구성하는 저역통과필터, 디지털 변환기, 마이크로컨트롤러, 메모리 및 조정 판넬의 회로들의 집적되어 있는 PCB(612)가 장착되어 있다. 그리고, 헤드(620)에 장착된 PCB(622)와 그립(610)에 장착된 PCB(612)는 샤프트(600) 내에설치된 케이블(616)을 통해 연결되어 있다. 그립(610)의 표면에는 PCB(612)와 전기적으로 연결되는 스윙신호를 발생시키는 버튼(614)이 설치되어 있다. 골프 스윙 동작에 대한 데이터를 실시간으로 전송하기 위해서는, 데이터 인터페이스로서, RF 송신기와 안테나로 이루어진 RF 송신 모듈이 전술한 PCB(612)에 집적되어 있을 수 있다. 한편, 데이터 인터베이스로 케이블이 사용될 경우에는, 골프 스윙 동작에 대한 데이터는 PCB(612)의 메모리(도 3의 123)에 일시 저장되어 있다가, 그립(610)의 PCB(612)에 장착된 마이크로컨트롤러와 연결된 데이터 전송단(미도시)을 통해 데이터 정보처리 및 비교 분석부(도 4의 400)로 전송된다.
골프채를 고속스윙하게 되면, 골프채는 골프채를 잡은 사람을 중심으로 회전함과 동시에, 골프채의 헤드(620)는 자체의 축을 가지고 회전하게 된다. 골프채를 잡은 사람을 중심으로 하는 회전에 의한 골프채의 진행 방향과 진행 거리는 골프채의 헤드(620)에 설치된 3축 가속도 센서에 의해 측정된다. 즉 3축 가속도 센서에서 골프채의 헤드(620)에 가해지는 힘의 방향과 스윙될 때의 순간 가속도가 측정되고, 이 데이터는 골프채의 그립(610)에 장착된 PCB(612)의 운동정보 산출부(도 3의 403)로 전달된다. 운동 정보 산출부(403)에는 직렬 연결된 2개의 적분기가 포함되어 있어, 3축 가속도 센서에서 감지한 각 축의 가속도를 2차 적분하여 각축 방향으로의 골프채의 진행 거리를 산출해 낸다. 이로써, 골프채의 샤프트(600)의 움직임을 관찰할 수 있게 된다.
그리고, 골프채의 헤드(620)가 자체의 축을 가지고 회전하면서 그의 위치가 변하는 것은 골프채의 헤드(620)에 설치된 3축 지자기 센서에 의해 측정된다. 이과정은 도 5의 좌표를 참고로 하여 설명한다.
지구는 하나의 커다란 자석으로 자기장을 형성하므로, 고속회전물체에 장착된 3축 지자기 센서 각각은 자북을 향하게 되며, 이때 자북의 위치는 3축 지자기 센서가 설치된 회전하는 가상의 구의 표면 상의 하나의 점(P)에 대응되게 된다. 그리고 회전하는 구의 중심(O)과 구의 표면 상의 점(P)과의 위치 벡터(OP)는 구의 회전에 따라 변하게 되고 이에 따라, 3축 지자기센서로부터 출력된 신호(정현파)는 구의 회전에 의존하면서 변하게 된다. 왜냐하면, 위치벡터는 위도(θy)와 경도(θz)로 표시되는데, X축 자기센서, Y축 자기센서 및 Z축 자기센서로부터 출력되는 정현파는 위도와 경도로 표현되기 때문이다. 여기서 θy는 반시계방향으로 Y축과 X-Z평면이 이루는 각(0 내지 180도)이며, θz는 X-Z평면에서 반시계방향으로 Z축과 이루는 각(0 내지 360도)을 나타내는 것으로, θy=arctan(α/Hy), θz=arctan(Hx/Hz)이 되게 된다. 그리고, α는 지자계 H가 X-Z 평면상의 투사된 것을 나타내는 것으로, 그 크기는 (Hx 2+Hz 2)1/2이 된다(여기서 Hx는 X 지자기 센서에 의해 측정된 자기장, Hy는 Y 지자기 센서에 의해 측정된 자기장, Hz은 Z 지자기 센서에 의해 측정된 자기장). 따라서, 감지 데이터 제공부의 3축 지자기 센서의 출력에는, 구의 회전을 반영하는 정보가 포함되게 된다.
여기서 회전하는 구를 골프채의 헤드(620)내에 위치시키면, 헤드(620)가 자북을 기준으로 회전하는 것을 반영하는 정보도 전술한 위도와 경도로 표현할 수 있게 됨을 알 수 있다.
그리고 3축 지자기 센서의 출력은 디지털 신호로 변환되어 데이터 정보처리 및 비교 분석부의 위도/경도 변환기(도 3의 402)에서, 전술한 위도와 경도를 추출하게 된다.
요약하면, 골프채의 운동 정보는 3축 가속도 센서 및 운동정보산출부를 통해 획득되며, 골프채의 자세 정보 즉, 골프 헤드의 회전 정보는 3축 지자기 센서 및 위도/경도 변환기를 통해 획득된다. 따라서, 이들 운동 정보와 자세 정보에 의해 골프채의 3차원 상의 모든 움직임이 추적될 수 있게 된다.
따라서, 본 고안에 따르면, 골프채의 스윙 동작이 3차원 상에서 모두 추적될 수 있게 되며, 골프 스윙자의 스윙 자세를 정확하게 알 수 있을 뿐만 아니라, 이를 이용하여 스윙 자세의 교정을 용이하게 실시할 수 있게 되며, 이 부분은 도 3의 비교분석부(500)를 통해 달성될 수 있다.
그러면, 도 6을 참고로 하여, 비교 분석부(500)를 통해 골프 스윙자의 최적의 스윙 자세을 얻는 과정을 설명한다. 스윙자 또는 사용자는 도 3의 데이터 정보 처리 및 비교 분석부(400)가 설치되어 있는 PC에서 사용자로서 등록되어 있어 PC에게 사용자가 본인임을 확인시켜준 절차를 진행하였으며, 그리고, 다수의 스윙 동작을 구분하기 위해 스윙동작 횟수를 카운트하기 위한 카운터가 도 2의 마이크로컨트롤러(122)에 내장되어 있는 전제하에, 스윙동작을 시작한다. 그리고, 데이터 인터페이스로 RF송수신 모듈을 사용하였다.
골프채의 그립(610)에 설치된 버튼(614)을 눌러 스윙 시작을 PCB(612)에 집적되어 있는 마이크로콘트롤러에 알린다(S1). 이 스윙시작 신호는 RF송수신 모듈을 통해 비교 분석부(500)의 비교 제어부(415)로 전달된다. 그리고, 사용자는 골프채를 스윙하면, 전술한 바와 같이, 3축 지자기 센서와 위도/경도 변환기 그리고 및 3축 가속도 센서와 운동정보산출부를 통해 골프 스윙의 자세 정보와 운동 정보가 검출된다. 이 정보는 PCB(612)의 메모리에 저장되게 된다. 또한, 누적 DB에도 저장되게 된다.
스윙동작을 반복함에 따라 마이크로콘트롤러의 카운터는 스윙 신호를 카운팅하며(S2), 해당하는 스윙신호에 따른 자세정보 및 위치정보를 계속 메모리에 저장하고 누적 DB에도 저장한다(S3).
사용자가 버튼(614)을 누르는 등의 소정의 동작을 취하여 스윙정지를 마이크로콘트롤러에 알리면(S4), 위치정보 및 자세정보 산출 과정은 중지되고, 스윙 동작에 의해 골프공이 가장 멀리 날아간 상태 또는 원하는 위치로 공이 날아간 상태 일 때의 스윙신호에 대응하는 위치정보와 자세정보를 누적DB로부터 읽어낸다(S5). 그리고 이를 이용하여 그 사용자의 표준데이터를 업데이트시키고(S6), 그 사용자의 누적데이터는 소거한다(S7).
한편, 도시되지 않았으나, 전술한 과정 또는 다른 경로를 통해 최적의 자세 및 운동 정보가 표준 데이터 베이스에 저장되어 있을 경우에는, 누적 데이터베이스의 데이터와 표준데이터베이스의 데이터는 비교제어부에서 비교되어, 얼마만큼의스윙 자세 교정이 이루어져야하는 지를 출력하게 된다.
이상의 설명에 따르면, 본 고안에 따른 스윙트레이싱 시스템은, 3축 지자기 센서와 3축 가속도센서를 사용하여 3차원상에서 고속 스윙하는 물체의 위치를 추적하고 나아가 고속 스윙하는 물체의 움직임을 재현할 수 있게 되므로, 고속 스윙이 이루어지는 다양한 스포츠 경기에서의 스윙동작의 정확한 측정이 가능하게 되고, 나아가 표준 스윙동작과의 비교가 가능해짐으로 스윙동작의 교정 수단으로도 활용할 수 있게 되었다.

Claims (4)

  1. 고속스윙물체 내에 장착되되,
    3축 지자기 센서, 3축 가속도 센서, 상기 3축 지자기 센서 및 상기 3축 가속도 센서에서 출력된 가속도 데이터신호 및 자기장 데이터신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그/디지털 변환기, 상기 아날로그/디지털 변환기에서 출력된 디지털 신호를 전송하기 위한 전송부를 포함하여,
    상기 고속스윙물체의 위치정보 및 자세정보를 감지하는 감지데이터 제공부; 및
    상기 고속스윙물체의 외부에 설치되되,
    상기 감지데이터 제공부의 전송부로부터 전송된 신호를 수신하는 수신부, 상기 수신부로의 디지털 신호 중 가속도 데이터신호를 접수받아, 고속스윙물체의 가속도, 진행 방향 및 진행 거리를 포함하는 운동 정보를 산출하는 운동정보산출부, 상기 디지털 신호의 자기장데이터신호로부터 자북을 기준으로 하는 고속스윙물체의 3차원상의 위치변화를 포함하는 자세 정보를 출력해내는 자세정보산출부, 상기 운동정보산출부와 상기 자세정보산출부의 출력을 결합시키는 결합부, 및 상기 결합부의 출력을 영상으로 표시하기 위한 표시부를 포함하는 데이터 분석/처리부를 포함하는 스윙트레이싱 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 결합부의 출력이 저장되어 있는 누적 데이터 베이스 및 표준이 되는 고속스윙에 대한 위치 정보 및 자세 정보가 저장되어 있는 표준 데이터 베이스, 상기 누적 데이터 베이스의 데이터와 상기 표준 데이터 베이스의 데이터를 비교하기 위한 비교제어부를 포함하는 비교 분석부를 더 포함하는 스윙 트레이싱 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고속스윙물체는 골프채인 것을 특징으로 하는 스윙 트레이싱 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 자세정보는 상기 고속회전물체의 중심과 자북과의 일직선과 고속회전물체 표면의 접점의 위도 및 경도로 표현되는 스윙 트레이싱 시스템.
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