KR20070036393A - 줄넘기 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

줄넘기 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 줄넘기 장치는, 사용자 움직임의 가속도를 감지하는 가속도계 센서, 사용자 움직임의 회전 각속도를 감지하는 자이로스코프 센서, 감지된 가속도 값 및 회전 각속도 값으로부터 사용자의 움직임의 특성을 나타내는 파라미터를 추출하는 모션 피쳐 추출부, 움직임의 유형별 움직임의 특성을 나타내는 파라미터에 관한 샘플 데이터를 저장하는 모션 패턴 저장부,패턴 인식 알고리즘을 사용하여 모션 피쳐 추출부에 의해 추출된 파라미터와 샘플 데이터를 비교하여 사용자의 움직임이 움직임의 유형 중 어디에 속하는지 판별하는 모션 인식부, 사용자의 움직임이 줄넘기 동작인 경우 줄넘기 횟수를 증가시키는 카운터, 및 줄넘기 횟수 또는 사용자의 움직임에 대한 피드백 정보를 출력하는 출력부를 포함한다.
줄넘기, 가속도계 센서, 자이로스코프 센서

Description

줄넘기 장치 및 방법{Apparatus and method for rope skipping}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 줄넘기 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 사용자가 줄넘기를 할 때 움직임의 가속도와 회전 각속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3은 사용자가 뛰어오르기를 하지 않은 채 줄넘기 장치를 앞방향으로 돌릴 때 움직임의 가속도와 회전 각속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 사용자가 뛰어오르기를 하지 않은 채 줄넘기 장치를 뒷방향으로 돌릴 때 움직임의 가속도와 회전 각속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5는 사용자가 줄넘기 장치를 돌리지 않고 뛰어오르기만을 할 때의 움직임의 가속도와 회전 각속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 사용자가 줄넘기 장치를 앞방향(forward)으로 돌릴 때의 움직임의 가속도와 회전 각속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 사용자가 줄넘기 장치를 뒷방향(backward)으로 돌릴 때의 움직임의 가속도와 회전 각속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 줄넘기 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 줄넘기 방법의 과정을 보여주는 흐름 도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100 : 줄넘기 장치 110: 가속도계 센서
120: 자이로스코프 센서 125: 전처리부
130: 모션 피쳐 추출부 140: 모션 인식부
150: 카운터 160: 출력부
170: 에너지 소비 분석부 180: 모션 패턴 데이터베이스
190: 건강 데이터 베이스
본 발명은 줄넘기 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가속도계 센서와 자이로스코프 센서에 의해 감지되는 사용자의 움직임의 가속도와 회전 각속도로부터 사용자의 움직임의 종류 및 방향을 분석하고 줄넘기의 횟수 및 에너지 소비량 등에 관한 정보를 제공하는 줄넘기 장치 및 방법에 관한 것이다.
줄넘기는 줄을 돌리는 손 동작과 뛰어오르는 동작이 결합된 운동으로 종래에 줄넘기 운동을 하려면 긴 줄로 연결된 줄넘기 도구가 필요하고 사용자가 줄넘기 횟수를 세어야 하는 불편함이 있었다. 이에 줄넘기 횟수를 자동으로 세어주는 장치에 관한 발명이 되었고 줄넘기 장치는 다수의 특허 문헌에 게시되어 있는데, 예를 들면, 일본공개특허번호 2001-346901호는 줄을 사용하지 않고 실제 줄넘기 운동을 하 는듯한 느낌을 가지고 줄넘기 운동을 할 수 있는 장치를 게시하고 있다.
그러나, 이 장치는 줄넘기 횟수를 자동으로 세기 위하여 사용자의 뛰어오르기 동작을 감지하는 매트와 같은 별도의 장비를 필요로 하고 사용자의 움직임의 종류를 세분하여 인식하지 못한다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 움직임을 감지하는 센서로부터 입력받은 가속도의 변화 패턴과 회전 각속도의 변화 패턴을 분석하여 자동으로 사용자의 움직임의 종류와 손의 회전 방향을 인식하는 줄넘기 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 움직임 감지 센서를 탑재한 간단한 모바일 장치를 제공함으로써 사용자로 하여금 장소에 구애받지 않고 쉽게 줄넘기 운동을 할 수 있는 줄넘기 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 줄넘기 장치는, 사용자 움직임의 가속도를 감지하는 가속도계 센서, 사용자 움직임의 회전 각속도를 감지하는 자이로스코프 센서, 감지된 가속도 값 및 회전 각속도 값으로부터 사용자의 움직임의 특성을 나타내는 파라미터를 추출하는 모션 피쳐 추출부, 움직임의 유형별로 움직임의 특성을 나타내는 파라미터에 관한 샘플 데이터를 저장하는 모션 패턴 데이터베이스, 패턴 인식 알고리즘을 사용하여 모션 피쳐 추출부에 의해 추출된 파라미터와 샘플 데이터를 비교하여 사용자의 움직임이 움직임의 유형 중 어디에 속하는지 판별하는 모션 인식부, 사용자의 움직임이 줄넘기 동작인 경우 줄넘기 횟수를 증가시키는 카운터, 및 줄넘기 횟수 또는 사용자의 움직임에 대한 피드백 정보를 출력하는 출력부를 포함한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 줄넘기 방법은, 사용자 움직임의 가속도 및 회전각속도를 감지하는 단계, 감지된 가속도 및 회전각속도로부터 사용자의 움직임의 특성을 나타내는 파라미터를 추출하는 단계, 패턴 인식 알고리즘을 사용하여 사용자의 움직임의 특성을 나타내는 파라미터와 움직임의 유형별 움직임의 특성을 나타내는 파라미터에 관한 샘플 데이터를 비교하여 사용자의 움직임이 움직임의 유형 중 어디에 속하는지 판별하는 단계, 사용자의 움직임이 줄넘기 동작인 경우 줄넘기 횟수를 증가시키는 단계, 및 줄넘기 횟수 또는 사용자의 움직임에 대한 피드백 정보를 출력하는 단계를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑제되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블 록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 줄넘기 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
본 실시예에 따른 줄넘기 장치(100)는 가속도계 센서(110), 자이로스코프 센서(120), 전처리부(125), 모션 피쳐 추출부(130), 모션 인식부(140), 카운터(150), 출력부(160), 에너지 소비 분석부(170), 모션 패턴 데이터베이스(180), 및 건강 데이터베이스(190)를 포함할 수 있다.
줄넘기는 손으로 줄을 돌리는 동작과 뛰어오르는 동작이 결합된 운동이다. 본 실시예에 따른 줄넘기 장치(100)는 2 이상의 동작이 결합된 복합 동작인 줄넘기 동작을 감지하기 위해 가속도계 센서(110)와 자이로스코프 센서(120)를 내장하고 사용자의 손목, 팔 등에 부착되게 된다. 가속도계 센서(110)는 사용자가 줄넘기 장치(100)를 손에 쥐고 줄넘기를 하는 동안 사용자의 뜀뛰기 동작과 줄넘기 장치(100)를 손에 쥐고 돌리는 동작이 결합된 움직임의 가속도를 감지하여 가속도 값을 전처리부(125)에 제공한다. 한편, 자이로스코프 센서(120)는 사용자가 줄넘기를 하는 동안 사용자가 줄넘기 장치(100)를 손에 쥐고 돌리는 동작의 회전 각속도를 감지하여 이 값을 전처리부(125)로 전달한다.
전처리부(125)는 가속도계 센서(110)에 의해 감지된 가속도 값의 신호와 자이로스코프 센서(120)에 의해 감지된 회전 각속도 값의 신호를 가우시안 필터(Gaussian filter)나 이와 유사한 기능을 갖는 필터를 사용하여 진동 잡음(vibration noise)을 제거함으로써 평활화된 신호를 획득하여 모션 피쳐 추출부(130)에 전달한다.
모션 피쳐 추출부(130)는 전처리부(125)로부터 전달받은 사용자 움직임의 가속도 값의 신호로부터 움직임 특성을 나타내는 파라미터들을 추출하여 모션 인식부(140)에 전달한다. 한편, 모션 피쳐 추출부(130)는 자이로스코프 센서(120)로부터 전달받은 회전 각속도 값의 신호로부터 움직임 특성을 나타내는 파라미터들을 추출하여 모션 인식부(140)에 전달한다.
여기서 움직임 특성 파라미터들이란 가속도나 회전 각속도의 변화 패턴을 정량화된 값들로 표현한 것을 의미한다. 예를 들어 신호의 크기 및 평균이나 분산과 같은 통계적 수치, 신호의 최고점간의 간격, 한 싸이클내의 가속도 값의 최고점의 개수, 신호의 파형, 한 싸이클의 시간, 회전 각속도의 Y성분의 최고점과 Z성분의 최고점간의 시간 차 등이 될 수 있다. 모션 피쳐 추출부(130)는 전처리된 가속도 신호 및 회전 각속도 신호의 한 싸이클의 데이터로부터 상술한 바와 같은 움짐임 특성 파라미터들을 추출하여 모션 인식부(140)에 전달한다.
사용자의 움직임의 유형에 따른 가속도와 회전 각속도 값의 변화 패턴은 도 2 내지 도 4를 참조하여 후술하고 사용자가 줄넘기 장치(100)를 회전시키는 방향에 따른 회전 각속도 값의 변화 패턴은 도 5 내지 도 6을 참조하여 후술하도록 한다.
모션 인식부(140)는 모션 피쳐 추출부(130)로부터 전달받은 움직임 특성을 나타내는 파라미터들의 값이 모션 패턴 데이터베이스(180)에 저장되어 있는 샘플 패턴의 파라미터들의 값 중 어떤 유형의 움직임에 관한 파라미터들에 대응되는지 판별한다. 모션 인식부(140)는 이를 위하여 패턴 인식 알고리즘을 사용하는 인식 엔진을 포함한다.
사용자 움직임의 유형은 크게 손을 돌리는 동작이 없이 뛰어오르기만 하는 것, 뛰어오르지 않고 손을 돌리는 동작만 하는 것, 및 손을 돌리는 동작과 함께 뛰어오르는 동작을 함께 하는 줄넘기 동작으로 나뉘어질 수 있다. 그러나 사용자의 움직임은 이에 한정되지 않고 줄넘기 운동을 하면서 가능한 모든 움직임의 종류에 대한 데이터가 모션 패턴 데이터베이스에 저장되어 있는 경우 더욱 다양하게 세분될 수 있다.
모션 인식부(140)는 가속도 값의 변화 패턴에 대한 파라미터 값만으로도 사용자 움직임의 종류를 판별할 수 있으나 모션 피쳐 추출부(130)로부터 전달받은 회전 각속도 값의 변화 패턴에 대한 파라미터 값을 모션 패턴 데이터베이스(180)에 저장되어 있는 샘플 패턴과 비교한 결과를 보충적으로 사용함으로써 사용자가 줄넘기 장치를 돌리는 동작을 하였는지 여부 및 줄넘기 장치를 돌리는 방향을 보다 쉽게 인식할 수 있다.
카운터(150)는 모션 인식부(140)에 의해 사용자의 움직임이 줄넘기 동작으로 판별된 경우 줄넘기 횟수를 1씩 증가시켜 줄넘기 횟수를 자동으로 세어주는 역할을 한다.
모션 패턴 데이터베이스(180)는 줄넘기 동작(앞방향, 뒷방향), 뛰어오르는 동작, 줄넘기 장치를 돌리는 동작 등과 같은 서로 다른 움직임의 유형에 대한 정보를 포함하고 있다.
모션 패턴 데이터베이스(180)에 저장되는 샘플 데이터를 생성하는 과정은 다음과 같다. 여러 사람으로부터 줄넘기 움직임 유형별 데이터를 수집한다. 움직임의 유형별 데이터는 3차원 가속도계와 3차원 자이로스코프에 의해 감지되고 움직임 유형별로 분류된다.
그 다음 모션 인식부(150)의 인식 엔진을 위한 훈련 데이터를 획득한다. 가공되지 않은 원천 데이터로부터 모션 피쳐 추출부(130)가 수행하는 방법과 동일한 방법으로 움직임 특성 파라미터를 획득하고 훈련 데이터의 입력 패턴을 생성한다. 훈련 데이터의 출력 패턴은 해당하는 모션 유형이 된다.
그리고 인식 엔진을 위한 파라미터를 획득한다. 마지막 단계에서 획득되는 훈련 데이터는 인식 엔진으로 전달되고 인식 엔진을 훈련한다. 이 과정에서 획득된 인식 엔진 파라미터가 훈련 데이터의 입력 패턴을 대응되는 출력 패턴에 매핑시키는 높은 인식율을 가진 모션 인식 엔진을 만든다. 획득된 인식 엔진 파라미터들은 훈련 후 표준 모션 유형 정보를 갖게 되고 이들은 모션 패턴 데이터베이스에 저장된다.
에너지 소비 분석부(170)는 줄넘기 동작의 횟수를 카운터(150)로부터 전달받아 횟수에 따른 에너지 소비량을 분석하고 이를 건강 데이터베이스(190)에 저장한다.
출력부(160)는 모션 인식부(140)로부터 사용자 움직임의 종류에 대한 정보를 전달받고 사용자가 뛰어오르기 동작만을 하는 경우 줄넘기 장치를 돌리는 동작을 함께 할 것을 알리는 메시지를 출력하고 사용자가 줄넘기 장치를 돌리는 동작만을 하는 경우 뛰어오르는 동작을 함께 할 것을 알리는 메시지를 출력한다. 또한 카운터(150)로부터 줄넘기 횟수를 전달받고 모션 인식부(140)로부터 줄넘기 장치를 돌리는 방향에 관한 정보를 전달받아 사용자에게 방향별 또는 총합의 줄넘기 횟수를 출력하고 줄넘기 횟수에 따른 에너지 소비량을 에너지 소비 분석부(170)로부터 전달받아 사용자에게 출력한다.
지금까지 도 1의 각 구성요소는 소프트웨어(software) 또는, FPGA(field-programmable gate array)나 ASIC(application-specific integrated circuit)과 같은 하드웨어(hardware)를 의미할 수 있다.　그렇지만 상기 구성요소들은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, 어드레싱(addressing)할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다.　상기 구성요소들 안에서 제공되는 기능은 더 세분화된 구성요소에 의하여 구현될 수 있으며, 복수의 구성요소들을 합하여 특정한 기능을 수행하는 것으로 구현할 수도 있다.　뿐만 아니라, 상기 구성요소들은 시스템 내의 하나 또는 그 이상의 컴퓨터들을 실행시키도록 구현될 수 있다.
도 2는 사용자가 줄넘기 동작을 할 때 움직임의 가속도와 회전 각속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 2의 그래프 (a)는 시간에 따른 사용자 움직임의 가속도의 변화를 X성분(aX), Y성분(aY), Z성분(aZ)으로 분해하여 나타내고, 그래프 (b)는 시간에 따른 사용자 움직임의 가속도 크기의 변화를 나타내고 있다. 또한 그래프 (c)는 시간에 따른 사용자 움직임의 회전 각속도의 변화를 X성분(wX), Y성분(wY), Z성분(wZ)으로 분해하여 나타내고, 그래프 (d)는 시간에 따른 사용자 움직임의 회전 각속도 크기의 변화를 나타내고 있다.
도 2의 그래프 (a)와 같이 사용자가 줄넘기를 하는 경우 각 성분의 가속도 값은 일정한 주기를 가지고 유사한 패턴이 반복됨을 알 수 있다. 이러한 가속도 값의 크기를 그래프로 표현하면 도 2의 그래프 (b)와 같이 하나의 주기 내에서 가까운 두 개의 최고점(201, 202)을 갖는 패턴이 됨을 알 수 있다. 이는 사용자가 줄넘기 장치를 돌리는 동작에 의한 가속도의 최고점과 뛰어오르기 동작에 의한 최고점이 약간의 시차를 두고 일어나는 특성이 반영된 것으로써 가속도의 크기 값의 패턴을 관찰하면 사용자가 줄넘기 동작을 하고 있는지 여부를 파악할 수 있다. 또한 하나의 주기 내에서 두개의 지역적 최고점이 나타나고 그 최고점 간의 시간 간격을 분석함으로써 사용자의 뛰어오르는 동작과 줄넘기 장치를 돌리는 동작이 잘 동기화되고 있는지 분석할 수 있다.
또한 사용자가 줄넘기 동작을 하는 경우 사용자 움직임의 회전 각속도의 각 성분은 도 2의 그래프 (c)와 같은 변화 패턴을 보여주며, 도 2의 그래프 (d)에 도시된 바와 같이 회전 각속도의 크기가 줄넘기 장치를 회전시키지 않을 때와 비교하여 큰 분산을 보이므로 회전 각속도의 변화 패턴을 통해 사용자가 줄넘기 장치를 회전시키고 있는지 여부를 쉽게 알 수 있다.
도 3은 사용자가 뛰어오르기를 하지 않은 채 줄넘기 장치를 앞방향으로 돌릴 때 움직임의 가속도와 회전 각속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3의 그래프 (a) 는 시간에 따른 사용자 움직임의 가속도의 변화를 X성분(aX), Y성분(aY), Z성분(aZ)으로 분해하여 나타내고, 그래프 (b)는 시간에 따른 사용자 움직임의 가속도 크기의 변화를 나타내고 있다. 또한 그래프 (c)는 시간에 따른 사용자 움직임의 회전 각속도의 변화를 X성분(wX), Y성분(wY), Z성분(wZ)으로 분해하여 나타내고, 그래프 (d)는 시간에 따른 사용자 움직임의 회전 각속도 크기의 변화를 나타내고 있다.
도 3의 그래프 (a)와 같이 사용자가 뛰어오르기 동작 없이 줄넘기 장치만을 앞방향으로 회전시키는 경우 가속도 값의 각 성분은 일정한 주기를 가지고 유사한 패턴이 반복됨을 알 수 있다. 이러한 가속도 값의 크기를 그래프로 표현하면 도 3의 그래프 (b)와 같이 한 주기내에서 하나의 최고점을 가지며 가속도 값들이 뛰어오르기만 하는 경우보다 작은 분산을 가짐을 알 수 있다.
또한 도 2에서 상술한 바와 같이 줄넘기 장치의 회전 여부는 회전 각속도의 변화 패턴, 특히 회전 각속도의 크기를 관찰함으로써 쉽게 파악할 수 있다. 줄넘기 장치의 회전 방향에 따른 회전 각속도 값의 변화 패턴은 도 6 및 도 7을 참조하여 후술하도록 한다.
사용자가 뛰어오르기 동작을 하지 않고 줄넘기 장치를 뒷방향으로 돌리는 경우 사용자 움직임의 가속도 및 회전 각속도의 변화는 도 4에 도시된 바와 같다.
도 5는 사용자가 줄넘기 장치를 돌리지 않고 뛰어오르기만을 할 때의 움직임의 가속도와 회전 각속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5의 그래프 (a) 는 시간에 따른 사용자 움직임의 가속도의 변화를 X성분(aX), Y성분(aY), Z성분(aZ)으로 분해하여 나타내고, 그래프 (b)는 시간에 따른 사용자 움직임의 가속도 크기의 변화를 나타내고 있다. 또한 그래프 (c)는 시간에 따른 사용자 움직임의 회전 각속도의 변화를 X성분(wX), Y성분(wY), Z성분(wZ)으로 분해하여 나타내고, 그래프 (d)는 시간에 따른 사용자 움직임의 회전 각속도 크기의 변화를 나타내고 있다.
도 4의 그래프 (a)와 같이 사용자가 줄넘기 자치의 회전 없이 뛰어오르기 동작만을 하는 경우 가속도 값의 각 성분은 일정한 주기를 가지고 유사한 패턴이 반복됨을 알 수 있다.
한편, 사용자가 줄넘기 장치를 돌리지 않고 뛰어오르기만 하는 경우 자이로스코프 센서(120)에 감지되는 회전 각속도 값은 도 5의 그래프 (c) 및 (d)와 같이 뚜렷한 주기를 갖지 않고 값도 줄넘기 장치를 회전시키는 경우보다 작다. 따라서 가속도계 센서에 의해 측정된 가속도 값의 변화 패턴에 회전 각속도 값의 변화를 보강하면 사용자가 줄넘기 장치를 돌리는 동작을 했는지를 쉽게 판별할 수 있다.
자이로스코프 센서(120)에 의해 감지되는 회전 각속도의 값들의 변화는 도 6 내지 도 7을 참조하여 설명하도록 한다. 도 6은 사용자가 줄을 앞방향(forward)으로 돌릴 때의 움직임의 가속도와 회전 각속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
줄넘기 장치를 앞방향으로 돌린다는 것은 도 6의 (a)와 같이 사용자가 줄넘기 장치를 손에 들고 아래(501), 뒤(502), 위(503), 앞(504), 아래(501)의 순으로 돌리는 것을 의미한다. 여기서 화면의 수직방향으로 나오는 방향을 X축의 양의 방향, 사용자의 앞쪽 방향(501)을 Y축의 양의 방향, 사용자의 아래 방향(502)을 Z축의 양의 방향으로 가정하면 줄넘기 장치의 회전 각속도의 X성분(Wx), Y성분(Wy), Z성분(Wz)의 값의 변화는 각각 도 6의 그래프 (c), (d), (e)와 같이 나타난다. 한편, 사용자가 줄넘기 장치를 앞방향으로 돌리는 경우 움직임의 가속도 값의 X성분, Y성분, Z성분의 값의 변화는 도 6의 그래프 (b)의 각 선으로 표현된다. 이 때 뒷 방향으로 돌리는 동작과 현격한 차이를 보이는 부분은 가속도 그래프(b)의 Y 성분을 나타내는 그래프(510)와 회전 각속도의 X성분(520) 및 Z성분(530)이다.
도 7은 사용자가 줄을 뒷방향(backward)으로 돌릴 때의 움직임의 가속도와 회전 각속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
줄넘기 장치를 뒷방향으로 돌린다는 것은 도 7의 (a)와 같이 사용자가 줄넘기 장치를 손에 들고 아래(501), 앞(504), 위(503), 뒤(502), 아래(501)의 순으로 돌리는 것을 의미한다. 여기서 X축의 양의 방향, Y축의 양의 방향, Z축의 양의 방향은 도 5의 (a)와 동일하다.
줄넘기 장치의 회전 각속도의 X성분(Wx), Y성분(Wy), Z성분(Wz)의 값의 변화는 각각 도 7의 그래프 (c), (d), (e)와 같이 나타난다. 한편, 사용자가 줄넘기 장치를 뒷방향으로 돌리는 경우 움직임의 가속도 값의 X성분, Y성분, Z성분의 값의 변화는 도 7의 그래프 (b)의 각 선으로 표현된다. 이 때 앞 방향으로 돌리는 동작과 현격한 차이를 보이는 부분은 도 5에서 상술한 바와 같이 가속도 그래프(b)의 Y 성분을 나타내는 그래프(610)와 회전 각속도의 X성분(620) 및 Z성분(630)이다.
본 실시예에 따른 줄넘기 장치(100)는 회전 방향을 구분하기 위하여 회전 각속도의 변화 패턴을 분석하는데 그 일 실시예로서 회전 각속도의 Y 성분인 Wy가 지역적 최고점에 도달하는 시간과 회전 각속도의 Z성분인 Wz가 지역적 최고점에 도달하는 시간의 차이를 이용한다. 이는 상술한 바와 같이 줄넘기 장치를 돌리는 방향에 따른 회전 각속도의 각 성분별 파형의 차이를 수치적으로 표현한 것이다. 회전 각속도의 Y성분인 Wy가 지역적 최고점에 도달하는 시간을 tmax (wy)라 하고 Wz가 지역적 최고점에 도달하는 시간을 tmax ( wz )라 하고 시간차 tw = tmax (wy) - tmax ( wz )라 할 때, tw 가 0보다 작거나 같으면 앞방향 회전이고 tw 가 0보다 크면 뒷방향 회전이 된다. 이는 도 5 내지 도 7에 도시된 회전 각속도의 파형의 특징으로부터 도출되는 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 줄넘기 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 실시예에 따른 줄넘기 장치(100)는 가속도계 센서(110)를 이용하여 사용 자 움직임의 가속도를 감지하고(S710) 감지된 가속도 신호의 잡음(noise)을 가우시안 필터(Gaussian filter)와 같은 필터로 제거하는 전처리 과정을 수행한다(S720). 전처리된 가속도 값을 관찰하여 반복되는 규칙을 찾고 한 싸이클의 가속도의 변화 패턴을 추출한다(S730). 가속도의 변화 패턴을 나타내는 값들은 도 1에서 상술한 바와 같이 신호의 크기와 평균이나 분산과 같은 통계 분석 결과, 신호 파형의 최고점간의 간격, 한 싸이클 내의 최고점의 갯수, 가속도 신호의 X성분, Y성분, Z성분의 파형, 한 싸이클의 시간 등이 될 수 있다.
줄넘기 장치(100)는 상기와 같이 추출된 가속도의 변화 패턴을 나타내는 파라미터들을 데이터베이스에 저장되어 있는 샘플 움직임 유형의 파라미터들과 비교하여 사용자의 움직임이 어떤 것인지를 파악한다(S740). 즉 상술한 바와 같은 여러가지 파라미터들을 패턴 인식 알고리즘에 의하여 샘플 데이터의 어떤 패턴과 일치되는지 파악한다. 일 실시예로서 사용자의 움직임이 줄넘기 동작, 줄넘기 장치만 돌리는 동작, 뛰어오르기만 하는 동작 중 어느 것에 해당하는지를 분류할 수 있다.
사용자의 움직임이 줄넘기 동작에 해당하는 경우(S750의 예), 카운터가 줄넘기 횟수를 증가시키고(S760) 출력부(160)를 통하여 줄넘기 횟수를 출력하게 된다(S770). 한편, 사용자의 움직임이 줄넘기 동작이 아닌 경우(S750의 아니오), 사용자에게 올바른 줄넘기 동작을 할 수 있도록 메시지를 출력한다(S780). 예를 들어 사용자가 뛰어오르기만 하는 경우 줄넘기 장치를 돌리는 동작을 하라는 메시지를 출력하거나, 사용자가 줄넘기 장치를 돌리는 동작만 하고 뛰어오르기 동작은 하지 않는 경우 뛰어 오르기 동작을 함께 하라는 내용의 메시지를 출력할 수 있다.
도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 줄넘기 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 실시예에 따른 줄넘기 장치(100)는 가속도계 센서(110)를 이용하여 사용자 움직임의 가속도를 감지하고(S810), 자이로스코프 센서(120)를 이용하여 사용자가 줄넘기 장치(100)를 돌리는 회전 각속도를 감지한다(S820). 줄넘기 장치(100)는 감지된 가속도 신호 및 회전 각속도 신호의 잡음(noise)을 가우시안 필터(Gaussian filter)와 같은 필터로 제거하는 전처리 과정을 수행한다(S830). 전처리된 가속도 값과 회전 각속도의 값을 관찰하여 반복되는 규칙을 찾고 한 싸이클의 가속도의 변화 패턴과 회전 각속도의 변화 패턴을 추출한다(S840).
가속도의 변화 패턴을 나타내는 값들은 도 8에서 상술한 바와 같고, 이에 덧붙여 회전 각속도의 변화 패턴을 나타내는 값들은 신호의 크기와 평균이나 분산과 같은 통계 분석 결과, 신호 파형의 최고점간의 간격, 한 싸이클 내의 최고점의 갯수, 회전 각속도 신호의 X성분, Y성분, Z성분의 파형, 한 싸이클의 시간, 및 회전 각속도의 Y성분의 최고점과 Z 성분의 최고점간의 시간 간격(tw) 등이 될 수 있음은 도 1에서 상술한 바와 같다.
줄넘기 장치(100)는 상기와 같이 추출된 가속도의 변화 패턴을 나타내는 파라미터들과 회전 각속도의 변화 패턴을 나타내는 파라미터들을 데이터베이스에 저장되어 있는 샘플 움직임 유형의 파라미터들과 비교하여 사용자의 움직임이 어떤 것인지를 파악한다(S850). 즉 상술한 바와 같은 여러가지 파라미터들을 패턴 인식 알고리즘에 의하여 샘플 데이터의 어떤 패턴과 일치되는지 파악한다. 일 실시예로 서 사용자의 움직임이 줄넘기 동작, 줄만 돌리는 동작, 뛰어오르기만 하는 동작 중 어느 것에 해당하는지를 분류할 수 있다.
도 9에 도시된 실시예는 사용자 움직임의 가속도 뿐만 아니라 줄넘기 장치(100)를 돌리는 회전 각속도의 값까지 함께 분석하므로 줄넘기 장치를 돌리고 있는지 여부와 줄넘기 장치를 돌리는 방향을 쉽게 감지할 수 있어 사용자의 움직임의 종류를 보다 쉽게 파악할 수 있는 효과가 있다.
사용자의 움직임이 줄넘기 동작에 해당하고(S860의 예) 줄넘기 장치를 돌리는 방향이 앞방향인 경우(S870의 예) 카운터가 앞방향 줄넘기 횟수를 증가시키고(S880), 사용자의 움직임이 줄넘기 동작에 해당하고(S860의 예) 줄넘기 장치를 돌리는 방향이 뒷방향인 경우(S870의 아니오) 카운터가 뒷방향 줄넘기 횟수를 증가시킨다(S875). 줄넘기 장치의 출력부(160)는 방향에 따른 줄넘기 횟수를 출력하게 된다(S890).
한편, 사용자의 움직임이 줄넘기 동작이 아닌 경우(S860의 아니오), 사용자에게 올바른 줄넘기 동작을 할 수 있도록 메시지를 출력한다(S865). 메시지의 내용은 도 8에서 상술한 바와 같다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 줄넘기 장치 및 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 움직임을 감지하는 센서로부터 입력받은 가속도의 변화 패턴과 회전 각속도의 변화 패턴을 분석하여 자동으로 사용자의 움직임의 종류와 줄넘기 장치의 회전 방향을 인식함으로써 줄넘기 운동을 편하게 할 수 있다는 장점이 있다.
둘째, 움직임 감지 센서를 탑재한 간단한 모바일 장치를 제공함으로써 장소에 구애받지 않고 쉽게 줄넘기 운동을 할 수 있다는 장점도 있다.

Claims (19)

  1. 사용자 움직임의 가속도를 감지하는 가속도계 센서;
    사용자 움직임의 회전 각속도를 감지하는 자이로스코프 센서;
    상기 감지된 가속도 값 및 상기 회전 각속도 값으로부터 상기 사용자의 움직임의 특성을 나타내는 파라미터를 추출하는 모션 피쳐 추출부;
    움직임의 유형별로 상기 움직임의 특성을 나타내는 파라미터에 관한 샘플 데이터를 저장하는 모션 패턴 데이터베이스;
    패턴 인식 알고리즘을 사용하여 상기 모션 피쳐 추출부에 의해 추출된 파라미터와 상기 샘플 데이터를 비교하여 상기 사용자의 움직임이 상기 움직임의 유형 중 어디에 속하는지 판별하는 모션 인식부;
    상기 사용자의 움직임이 줄넘기 동작인 경우 줄넘기 횟수를 증가시키는 카운터; 및
    상기 줄넘기 횟수 또는 상기 사용자의 움직임에 대한 피드백 정보를 출력하는 출력부를 포함하는 줄넘기 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 모션 피쳐 추출부에 의해 추출되는 파라미터는
    상기 가속도 및 상기 회전 각속도 값의 크기, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 크기의 평균, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 크기의 분산, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 신호의 지역적 최고점 간의 시간 간격, 한 싸이클 내의 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 크기의 지역적 최고점의 개수, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도의 파형, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 신호의 주기 중 적어도 하나인 줄넘기 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 모션 패턴 데이터베이스에 저장되어 있는 상기 샘플 데이터는 상기 사용자의 움직임 유형별 가속도 및 회전각속도 값의 크기, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 크기의 평균, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 크기의 분산, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 신호의 지역적 최고점 간의 시간 간격, 한 싸이클 내의 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 크기의 지역적 최고점의 개수, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 의 파형, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 신호의 주기 중 적어도 하나인 줄넘기 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 움직임 유형은
    상기 사용자가 뛰어오르기 동작만 하는 유형, 상기 사용자가 상기 줄넘기 장치를 돌리는 동작만 하는 유형, 및 상기 사용자가 뛰어오르기 동작과 상기 줄넘기 장치를 돌리는 동작을 함께 하는 유형을 포함하는 줄넘기 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 감지된 가속도 및 상기 회전 각속도 값으로부터 잡음을 제거하는 전처리부를 더 포함하며,
    상기 모션 피쳐 추출부는 상기 잡음이 제거된 가속도 및 회전 각속도 값으로부터 상기 파라미터를 추출하는 줄넘기 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 줄넘기 횟수에 따라 상기 사용자의 에너지 소비량을 계산하는 에너지 소비 분석부를 더 포함하는 줄넘기 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 에너지 소비량을 저장하는 건강 데이터 저장부를 더 포함하는 줄넘기 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 피드백 정보는
    상기 사용자의 움직임에 대한 에너지 소비량 및 상기 사용자의 줄넘기 동작에 대한 가이드 정보 중 적어도 하나인 줄넘기 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 사용자의 줄넘기 동작에 대한 가이드 정보는
    상기 사용자로 하여금 손을 돌리는 동작을 추가적으로 하도록 지시하는 메시지, 상기 사용자로 하여금 뛰어오르는 동작을 추가적으로 하도록 지시하는 메시지, 및 상기 손을 돌리는 동작과 상기 뛰어오르는 동작의 동기화에 대한 정보 중 적어도 하나를 포함하는 줄넘기 장치.
  10. 사용자 움직임의 가속도 및 회전각속도를 감지하는 단계;
    상기 감지된 가속도 및 회전각속도로부터 상기 사용자의 움직임의 특성을 나타내는 파라미터를 추출하는 단계;
    패턴 인식 알고리즘을 사용하여 상기 사용자의 움직임의 특성을 나타내는 파라미터와 움직임의 유형별 움직임의 특성을 나타내는 파라미터에 관한 샘플 데이터를 비교하여 상기 사용자의 움직임이 상기 움직임의 유형 중 어디에 속하는지 판별하는 단계;
    상기 사용자의 움직임이 줄넘기 동작인 경우 줄넘기 횟수를 증가시키는 단계; 및
    상기 줄넘기 횟수 또는 상기 사용자의 움직임에 대한 피드백 정보를 출력하는 단계를 포함하는 줄넘기 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 사용자의 움직임의 특성을 나타내는 파라미터는
    상기 가속도 및 상기 회전 각속도의 크기, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 크기의 평균, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 크기의 분산, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 신호의 지역적 최고점 간의 시간 간격, 한 싸이클 내의 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 크기의 지역적 최고점의 개수, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도의 파형, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 신호의 주기 중 적어도 하나인 줄넘기 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 샘플 데이터는 상기 사용자의 움직임 유형별 가속도 및 회전 각속도 의 크기, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 크기의 평균, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 크기의 분산, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 신호의 지역적 최고점 간의 시간 간격, 한 싸이클 내의 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 크기의 지역적 최고점의 개수, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도의 파형, 상기 가속도 및 상기 회전 각속도 신호의 주기 중 적어도 하나인 줄넘기 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 움직임 유형은
    상기 사용자가 뛰어오르기 동작만 하는 유형, 상기 사용자가 상기 줄넘기 장치를 돌리는 동작만 하는 유형, 및 상기 사용자가 뛰어오르기 동작과 상기 줄넘기 장치를 돌리는 동작을 함께 하는 유형을 포함하는 줄넘기 방법.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 감지된 가속도 및 회전 각속도 신호로부터 잡음을 제거하는 단계를 더 포함하며,
    상기 사용자의 움직임 특성을 나타내는 파라미터를 추출하는 단계는 상기 잡음이 제거된 가속도 및 회전 각속도 신호 값으로부터 상기 파라미터를 추출하는 줄넘기 방법.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 줄넘기 횟수에 따라 상기 사용자의 에너지 소비량을 계산하는 단계를 더 포함하는 줄넘기 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 에너지 소비량을 저장하는 단계를 더 포함하는 줄넘기 방법.
  17. 제 10항에 있어서,
    상기 피드백 정보는
    상기 사용자의 움직임에 대한 에너지 소비량 및 상기 사용자의 줄넘기 동작에 대한 가이드 정보 중 적어도 하나인 줄넘기 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 사용자의 줄넘기 동작에 대한 가이드 정보는
    상기 사용자로 하여금 손을 돌리는 동작을 추가적으로 하도록 지시하는 메시지, 상기 사용자로 하여금 뛰어오르는 동작을 추가적으로 하도록 지시하는 메시지, 및 상기 손을 돌리는 동작과 상기 뛰어오르는 동작의 동기화에 대한 정보 중 적어도 하나를 포함하는 줄넘기 방법.
  19. 제 10항 내지 제 18항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램을 기록한 기록매체.
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