KR20040099591A - System for measuring a 6-freedom motion of head - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A motion detection system on 6-induction points in a head portion enables a long time detection by using a helmet having nine accelerometers considering a centrifugal force and a cross acceleration. CONSTITUTION: A motion detection system on 6-induction points in a head portion includes a helmet(6) which is worn on the head portion of a subject and 9 accelerometers(4) attached on an outer surface of the helmet for a detection of 6-induction points in the head portion. The motion detection system further includes two accelerometers on an X-axis and a Z-axis on point A and B, two accelerometers on the X-axis and an Y-axis on point C, two accelerometers on the Y-axis and the Z-axis on point D, and one accelerometer on the Y-axis on point E, where a motion detection point inside of the head of the subject is point O, a left position of the helmet is A, a right position is B, a front position is D, a rear position is E, and an upper position is C.

Description

머리부 ６자유도 운동 측정 시스템{System for measuring a 6-freedom motion of head}System for measuring a 6-freedom motion of head

본 발명은 머리부 6자유도 운동 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 헬멧을 이용하여 피 시험자에게 고통을 주지 않으면서도 장시간 테이타를 측정하여 머리부의 6자유도 운동을 정확하게 표현할 수 있는 운동 측정 시스템에 관한것이다.The present invention relates to a head 6 degree of freedom exercise measurement system, and more particularly, a motion measuring system capable of accurately expressing the 6 degree of freedom exercise of the head by measuring the data for a long time without causing pain to the subject using a helmet. It's about.

잘 알려진 바와 같이, 멀미 현상(motion sickness) 현상은 1Hz 미만의 극저주파 진동과 밀접하게 관련이 있다. 저주파수 거동은 전정기관에서 감지되기 때문에 멀미현상을 규명하기 위해서는 특히 인체의 머리부의 6자유도 거동을 정확하게 측정하는 것이 매우 중요하다. 또한, 멀미현상은 진동에 장시간 노출되면서 나타나는 것이므로, 피시험자에게 고통을 주지 않으면서 장시간의 테이터 측정이 필요하다.As is well known, motion sickness is closely related to very low frequency vibration below 1 Hz. Since low-frequency behavior is detected in the vestibular organs, it is very important to accurately measure the 6-degree-of-freedom behavior of the human head, in order to identify motion sickness. In addition, motion sickness is a prolonged exposure to vibration, so long-term data measurement is required without causing pain to the subject.

종래에는 머리부의 운동을 단순히 병진방향만을 고려한 3자유도 운동을 측정하다가 회전운동에 의한 영향을 무시할 수 없어서 이를 포함하는 6자유도 운동까지 측정하게끔 되었다. 이에 따라 도 1에 도시된 바와 같이, 가속도계(4)를 부착한 바이트 바아(bite bar)(2)라는 기구를 피 시험자의 입에 물려서 측정하였다.Conventionally, the three-degree-of-freedom motion is measured by considering only the translational direction of the head movement, and thus the influence of the rotational motion cannot be ignored. Accordingly, as shown in FIG. 1, a device called a bite bar 2 having an accelerometer 4 attached thereto was measured by biting it into the mouth of the test subject.

하지만, 이러한 바이트 바아(2)를 피시험자가 자신의 치아로 꽉 물고 있어야 하기 때문에, 단시간(2-3분)에는 머리부의 거동을 비교적 정확하게 묘사해 줄 수 잇으나, 장시간 측정이 필요한 경우에는 피 시험자의 입과 턱 주변의 근육에 경련등이 발생하게 되어 피 시험자에게 많은 고통을 주게되고, 입안에 침이 굄으로서 상당한 불편을 초래한다. 따라서 장시간 테이터를 취득해야 하는 멀미 현상 연구의 경우 이와 같은 방법으로 머리부 거동의 데이터를 취득하기 어려운 문제가 있었다.However, this bite bar (2) can be described relatively precisely in the short time (2-3 minutes), because the subject must be held tightly to his teeth, but if a long time measurement is required Spasm of muscles around the mouth and jaw of the tester causes a lot of pain in the test subject, and the saliva in the mouth causes considerable discomfort. Therefore, in the case of motion sickness studies that need to acquire data for a long time, it was difficult to obtain the data of the head behavior in this way.

따라서, 본 발명은 이에 따라 안출된 것으로, 그 목적은 헬멧을 이용함으로서 피 시험자에게 고통을 주지 않으면서도 장시간 테이타를 측정하여 머리부의 6자유도 운동을 정확하게 표현할 수 있는 운동 측정 시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been devised accordingly, and an object thereof is to provide an exercise measuring system capable of accurately expressing six degrees of freedom movement of a head by measuring data for a long time without causing pain to a subject by using a helmet.

본 발명의 머리부 6자유도 운동 측정 시스템은 피 시험자의 머리부에 씌워지는 헬멧과; 상기 머리부의 6자유도 운동측정을 위해 상기 헬멧의 표면에 부착된 9개의 가속도계로 이루어지며, 상기 피 시험자의 머리부 내부의 운동작동점을 O라 하고, 상기 헬멧의 좌측위치를 A, 우측위치를 B, 전면위치를 D, 후면위치를 E, 상부위치를 C라 하면, A와 B점에서 각각 X축과 Z축을 위한 2개의 가속도계를 부착하고, C점에서 각각 X축과 Y축을 위한 2개의 가속도계를 부착하고, D점에서 Y축과 Z축을 이한 2개의 가속도계를 부착하고, E점에서 Y축을 위한 하나의 가속도계를 부착하며, 이들 각각의 가속도계의 측정치로부터 상기 O점의 병진 가속도와 각 가속도를 구하는 것을 특징으로 한다.Head six degrees of freedom motion measurement system of the present invention includes a helmet that is covered in the head of the subject; It consists of nine accelerometers attached to the surface of the helmet for measuring the six degrees of freedom of the movement of the head, the operating point of movement inside the head of the test subject is O, the left position of the helmet is A, the right position B, the front position D, the rear position E, and the upper position C, attach two accelerometers for the X and Z axes at points A and B, and 2 for the X and Y axes at C, respectively. Attach two accelerometers, attach two accelerometers on the Y-axis and Z-axis at D, and attach one accelerometer on the Y-axis at E, from each of these accelerometer measurements It is characterized by obtaining the acceleration.

본 발명에 따르면, 원심과 교차 가속도의 영향까지 모두 고려하여 머리부의 6자유도 운동을 정확하게 묘사할 수 있도록 9개의 가속도계의 위치를 선정하여 부착한 헬멧을 머리에 쓰는 방식이므로 장시간의 테이타 측정를 가능하게 한 효과를 가진다.According to the present invention, it is possible to measure the long-term data because the helmet is attached to the head by selecting the positions of nine accelerometers to accurately describe the six degrees of freedom motion of the head in consideration of both the centrifugal and cross acceleration effects. Has one effect.

도 1은 종래의 머리부 6자유도 운동을 측정하는 바이트 바아의 측정예시도이고,1 is a measurement example of a bite bar for measuring a conventional head 6 degree of freedom movement,

도 2는 ISO 8727에서 제시하는 인체 머리의 표준 좌표계이고,2 is a standard coordinate system of the human head shown in ISO 8727,

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 헬멧에 부착된 가속도계의 부착위치를 나타내는 평면도이고,3 is a plan view showing the attachment position of the accelerometer attached to the helmet according to an embodiment of the present invention,

도 4는 본 발명의 머리부 6자유도 운동 측정 시스템의 좌표계이다.4 is a coordinate system of a head 6 degree of freedom motion measuring system of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

2 : 바이트 바아 4 : 가속도계2: byte bar 4: accelerometer

6 : 헬멧6: helmet

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 헬멧을 이용한 머리부의 6자유도 운동 측정 시스템를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the six degree of freedom exercise measurement system of the head using a helmet according to an embodiment of the present invention.

도 2는 ISO 8272에서 제시하는 인체 머리부의 표준 좌표계를 나타내고 있다. 여기서 운동 측정점인 O점은 머리부의 내부에 존재하기 때문에 ISO가 제안한 원점에 가속도계를 부착하여 측정하는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서 장시간 사용해도 무리가 없는 헬멧에 가속도계를 부착하여, 여기서 나오는 신호를 처리함으로서 머리부의 6자유도 운동을 추정할 수 있음에 착안하여 본 발명을 구현한 것이다.2 shows a standard coordinate system of the human head shown in ISO 8272. Since the O point, which is a motion measurement point, exists inside the head, it is not practical to measure the accelerometer attached to the origin proposed by ISO. Therefore, the present invention has been realized by attaching an accelerometer to a helmet that can be used for a long time, and processing the signal coming out to estimate the six degree of freedom of movement of the head.

머리 표면위의 한점을 P라하면, P점의 가속도는 강체 위 한점에 대한 가속도 식을 이용하면 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.If P is one point on the surface of the head, the acceleration of P point can be expressed as Eq. (1) by using the acceleration formula for one point on the rigid body.

(1) (One)

도 3에 있어서, 헬멧(6)의 대칭적인 형상을 고려하면, 본 발명의 머리부 6자유도 운동 측정 시스템에 있어서 가속도계를 부착시킬 수 있는 적절한 위치는 헬멧(6)의 좌우측과 전후면과 상부 중앙의 5개 지점으로, 즉 헬멧의 좌측위치를 A, 우측위치를 B, 전면위치를 D, 후면위치를 E, 상부 중앙을 C라 하면, 이 5개 지점에임의로 가속도계를 부착시켰을 때, 각 점에서의 가속도 식을 식(1)을 이용하여 유도하면, 원점 O의 가속도와 머리부의 각가속도에 대해 식 (2)와 같이 정리된다.In Fig. 3, considering the symmetrical shape of the helmet 6, in the head 6 degree of freedom motion measuring system of the present invention, the proper position to which the accelerometer can be attached is left, right, front and back and upper part of the helmet 6. If you have five points in the center, that is, the left position of the helmet A, the right position B, the front position D, the rear position E, and the upper center C, the accelerometers are randomly attached to these five points. When the acceleration equation at the point is derived using Equation (1), the acceleration of the origin O and the angular acceleration of the head are summarized as in Equation (2).

(2) (2)

a_ij : 헬멧 위에서 측정한 가속도(i = A,B,C,D,E j = x, y, z)a_ij: acceleration measured on the helmet (i = A, B, C, D, E j = x, y, z)

위 가속도식에서 F의 선형 가속도항과 G의 원심가속도항(회전이 발생하면 회전중심으로 나타나는 가속도 성분) 및 교차가속도항(두 축이상에 대한 회전이 있을 때 나타나는 성분, 코리올리 가속도)으로 구성되어 있음을 알 수 있다. G항(2차 각속도항)의 6개 변수중 앞의 3개가 원심 가속도이므로 O점에 대해 반경방향으로 가속도계를 배치하지 않으면 원심 가속도가 나타나지 않는다. 따라서, 머리부의 6자유도 운동을 추정하기 위해서는 O점의 가속도 3개, 머리부의 각가속도 3개, 교차 가속도 3개의 미지수 9개를 풀수 있도록 최소 9개의 식이 필요하며, 이를 위해 9개의 가속도계를 사용하여 데이터를 측정해야 한다.In the above acceleration formula, it consists of the linear acceleration term of F, the centrifugal acceleration term of G (acceleration component that appears as the center of rotation when rotation occurs), and the cross-acceleration term (component that appears when there is rotation about two axes, Coriolis acceleration). It can be seen. Since the first three of the six variables in the G term (secondary angular velocity terms) are centrifugal acceleration, the centrifugal acceleration does not appear unless the accelerometer is positioned radially to the point O. Therefore, in order to estimate the six degrees of freedom motion of the head, at least nine equations are required to solve nine unknowns: three accelerations at the point O, three angular accelerations at the head, and three cross accelerations. The data needs to be measured.

9개의 가속도계는 임의로 부착이 가능한 15개의 가속도계 부착 지점에서 반경방향을 제외한 10개의 부착지점에 헬멧의 형상으로 고려하여 우선적으로 좌우가 대칭이 되도록 하면, 도 4에 도시된 바와 같이, A와 B점에서 각각 x축과 z축을 위한 2개의 가속도계를 부착하고, C점에서 각각 x축과 y축을 위한 2개의 가속도계를 부착하고, D점에서 y축과 z축을 위한 2개의 가속도계를 부착하고, E점에서 y축을 위한 하나의 가속도계가 부착된다. 이와 같이 O점에 대해 가속도계를 대칭으로 배치시키면 O점의 병진 가속도 추정식에서 2차 각속도항의 영향을 가급적 줄일 수 있게 된다.Nine accelerometers are considered as the shape of the helmet at ten attachment points except the radial direction at fifteen accelerometer attachment points that can be arbitrarily attached, so that left and right are firstly symmetrical, as shown in FIG. 4, A and B points. Attach two accelerometers for x-axis and z-axis respectively, attach two accelerometers for x-axis and y-axis at point C, attach two accelerometers for y-axis and z-axis at point D, and E point At one point an accelerometer for the y-axis is attached. In this way, if the accelerometer is disposed symmetrically with respect to the point O, the influence of the second angular velocity term in the translational acceleration estimation equation of the point O can be reduced as much as possible.

각 점에 대한 가속도식을 식(1)을 이용하여 쓰면 다음과 같고, 이때의 L은 O점에서 부착된 가속도계의 중심까지의 거리이다.Using the equation (1), the acceleration equation for each point is as follows, where L is the distance from the point O to the center of the attached accelerometer.

다시 이를 O점의 병진 가속도와 각가속도를 추정할 수 있도록a_Ox, a_Oy,a_Oz, alpha_x, alpha_y, alpha_z 에 대해서 정리하면 다음과 같다.Again, the results of a_Ox, a_Oy, a_Oz, alpha_x, alpha_y, and alpha_z are summarized as follows to estimate the translational acceleration and angular acceleration of O point.

상술한 바와 같이 본 발명의 머리부 6자유도 운동 측정 시스템은 원심과 교차 가속도의 영향까지 모두 고려하여 머리부의 6자유도 운동을 정확하게 묘사할 수 있도록 9개의 가속도계의 위치를 선정하여 부착한 헬멧을 머리에 쓰는 방식이므로 장시간의 테이타 측정를 가능하게 한 효과를 가진다.As described above, the head six degrees of freedom motion measurement system of the present invention takes the helmet attached by selecting the positions of nine accelerometers to accurately describe the six degrees of freedom motion of the head in consideration of both the centrifugal and cross acceleration effects. Since it is a writing method for the head, it has an effect that enables long-term data measurement.

Claims (2)

머리부 6자유도 운동측정 시스템에 있어서,In the head six degrees of freedom exercise measurement system, 피시험자의 머리부에 씌워지는 헬멧과; 및A helmet that is worn on the subject's head; And 상기 머리부의 6자유도 운동측정을 위해 상기 헬멧의 외면에 부착된 9개의 가속도계를 포함하며,It includes nine accelerometers attached to the outer surface of the helmet for measuring the six degrees of freedom of movement of the head, 상기 피 시험자의 머리부 내부의 운동측정점을 O점이라 하고, 상기 헬멧의 좌측위치를 A, 우측위치를 B, 전면위치를 D, 후면위치를 E, 상부위치를 C라 하면, A와 B점에서 각각 X축과 Z축을 위한 2개의 가속도계를 부착하고, C점에서 각각 X축과 Y축을 위한 2개의 가속도계를 부착하고, D점에서 Y축과 Z축을 위한 2개의 가속도계를 부착하고, E점에서 Y축을 위한 하나의 가속도계를 부착하며, 이들 각각의 가속도계의 측정치로부터 상기 O점의 병진 가속도와 각 가속도를 구하는 것을 특징으로 하는 머리부 6자유도 운동 측정 시스템.The motion measurement point inside the head of the test subject is called O point, and if the left position of the helmet is A, the right position is B, the front position is D, the rear position is E, and the upper position is C, A and B points. Attach two accelerometers for the X and Z axes, attach two accelerometers for the X and Y axes at point C, and two accelerometers for the Y and Z axes at point D, and E point at And attaching one accelerometer for the Y-axis, and obtaining the translational acceleration and the angular acceleration of the O point from the measurements of each of these accelerometers. 제 1 항에 있어서, 상기 O점의 병진 가속도와 각 가속도를 추정할 수 있는는 각각 다음과 같은 것을 특징으로 하는 머리부 6자유도 운동 측정 시스템.2. The translational acceleration and angular acceleration of the point O can be estimated. Each of the head six degrees of freedom exercise measurement system characterized in that the following.
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