KR20110069766A - 다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보를 판단하기 위한 자율 시스템 및 방법 - Google Patents

다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보를 판단하기 위한 자율 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 둘 이상의 솔리드 요소(ES1_1, ES2_1, ES1_2, ES2_2, ES3_2, ES1_3, ES2_3, ES3_3, ES4_3)와 상기 솔리드 요소 2개를 연결하는 하나 이상의 관절(ART1_1, ART1_2, ART2_2, ART1_3, ART2_3, ART3_3)을 포함하는 다관절 체인(CA_1, CA_2, CA_3)의 움직임을 나타내는 정보 항목을 판단하기 위한 자율 시스템에 관한 것으로서, 상기 자율 시스템은, 상기 다관절 체인의 둘 이상의 개별적인 솔리드 요소 상에 고정되어 장착되며, 장치 간 거리를 측정하여 측정치를 전송하기 위한 둘 이상의 측정 장치(DISP1_1, DISP2_1, DISP1_2, DISP2_2, DISP3_2, DISP1_3, DISP2_3, DISP3_3, DISP4_3)와, 측정 장치에 의해 제공된 측정치를 바탕으로, 2개의 측정 장치 간의 이격 거리를 결정하기 위한 거리 결정 수단과, 상기 거리 결정 수단에 의해 전송되는 거리를 바탕으로 상기 다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보 항목을 계산하기 위한 계산 수단(CALC)을 포함한다.

Description

다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보를 판단하기 위한 자율 시스템 및 방법{AUTONOMOUS SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINING INFORMATION REPRESENTATIVE OF THE MOVEMENT OF AN ARTICULATED CHAIN}
본 발명은 다관절 체인(articulated chain)의 운동을 표현하는 정보 항목을 판단하기 위한 자율 시스템 및 방법에 관한 것이다.
다관절 체인(가령, 로봇이나 인간)의 운동을 캡처하는 것은, 예를 들어, 생물역학적 분석, 원격 조작, 가상 인간의 애니메이션, 또는 제스처(gesture)에 의한 인간-기계 인터페이스 등의 많은 분야에서 사용되는 기술이며, 여기서, 다관절 체인은 팔, 팔뚝 및 손을 포함하는 상지(upper limb)인 것이 일반적이다.
2개의 개별 부분(하나는 운동하는 물체 상에 위치하고, 나머지 하나는 물체의 운동에 대해 고정된다)을 포함하는 장치가 있다. 이러한 타입의 장치는 물체와 상기 물체 주변 모두에서 물질을 설치할 것을 필요로 하는데, 이는, 이러한 다양한 물질들 사이에 장애물이 존재하여 상기 장치의 범위를 제한하는 경우 문제를 일으킨다. 설치 및 교정 시간이 길고, 높은 비용이 소모된다.
또한 예를 들어, 미국 출원 2003/0215130 A1 및 2005/00883333 A1에 기재된 것과 같은 광소자(optic)를 기반으로 하는 매우 널리 사용되는 장치가 있다. 이러한 장치에 의해, 몸체의 움직임 시퀀스 주변에 위치하는 카메라에 의해 보이는 이미지를 기반으로 몸체의 움직임을 재구성하는 것이 가능해진다. 가시성이 뛰어난 표지(marker)가 움직이는 물체 상에 배치된다. 컴퓨터 툴에 의해 수행되는 프로세스에 의해, 스테레오스코피(stereoscopy)의 원리를 통해 각각의 표지의 위치를 3차원(즉, 3D)으로 판단하는 것이 가능해진다. 그러나 광학 가려짐 현상(optical occlusion)의 문제가 많이 있으며, 이로 인해, 최소한 사용되는 카메라의 대수가 많아진다.
이러한 유형의 단점을 감소시키기 위한 제안들이 있다. 가령, 문헌 “Skeleton-Based Motion Capture for Robust Reconstruction of Human Motion(L. Herda; P. Fua; R. Plankers; R. Boulic; D. Thalmann, Computer Graph lab(LIG), EPFL-web 01/2000)"에서 나타나는 제안이 있다. 그 밖에도, 예를 들어, "Marker-free Kinematic Skeleton Estimation from Sequences of Volume Data" (C. Theobalt; E. Aguiar; M. Magnor; H. Theisel; H-P. Seidel; MPI Informatik)에서 제안된 바와 같이, 단일 카메라로부터 추출된 실루엣을, 움직이는 물체의 모델과 연계시킴으로써, 이를 기초로 하는 처리 방법이 제안되었다.
그러나 이러한 단점들은 감소된다하더라도, 여전히 남아 있다.
전자기를 기반으로 하는 시스템이 물체 상에 배치된 센서의 각도와 위치를 재구성한다.
초음파 시스템은, 광학 시스템과 마찬가지로, 발신기(emitter)의 위치를 찾는다. 이들 2가지 기술은 카메라 기반 시스템과 마찬가지로, 공간 제약을 단점으로 갖는다.
움직이는 물체 또는 몸체(가령, 외골격) 상에 배치되는 또 다른 장치가 단일 블록에 위치하며, 상기 장치는, 관절에 배치되는 각도 센서에 의해 얻어지는 각도 측정치를 기반으로 이뤄지는 움직임의 재구성을 사용한다. 이들 장치에 의해, 움직임 캡처의 공간적 한계가 없어질 수 있다. 그러나 이들 장치는, 상당히 무겁고 다루기 힘든, 구조물이나 사람 상에 위치하는 기계적 다관절 팔 및/또는 다리를 포함하기 때문에, 제약을 갖는다.
예를 들어, 문서 FR2897680에 기재된 또 다른 장치는 관성-자성 센서, 가령, 자이로미터, 가속도계, 또는 자기력계를 이용하고, 세그먼트들 간 각도 계산을 이용하거나, 다관절 체인의 완전한 움직임을 재구성하기 위한 다관절 체인의 솔리드 요소를 이용한다. 생산하기 용이한 장치이다.
본 발명의 한 가지 목적은 앞서 언급된 장치들의 더 저렴하고 덜 복잡한 대안을 제안하는 것이다.
본 발명의 하나의 양태에 따라, 둘 이상의 솔리드 요소와 상기 솔리드 요소 2개를 연결하는 하나 이상의 관절을 포함하는 다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보 항목을 판단하기 위한 자율 시스템이 제안된다. 상기 자율 시스템은
상기 다관절 체인의 둘 이상의 개별적인 솔리드 요소 상에 고정되어 장착되며, 장치 간 거리를 측정하여 측정치를 전송하기 위한 둘 이상의 측정 장치와,
측정 장치에 의해 제공된 측정치를 바탕으로, 2개의 측정 장치 간의 이격 거리를 결정하기 위한 거리 결정 수단과,
상기 거리 결정 수단에 의해 전송되는 거리를 바탕으로 상기 다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보 항목을 계산하기 위한 계산 수단
을 포함한다.
이러한 시스템은 자율적(autonomous)이고, 광학적 가려짐 현상이나, 외부에서는 어려운 가시성 표지의 시각적 검출 문제를 갖지 않는다. 덧붙여, 이러한 시스템의 비용은 낮고, 사용 난이도도 매우 낮다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 장치 간 거리를 측정하기 위한 상기 측정 장치 중 하나 이상은, 하나의 장치에서 또 다른 장치까지의 이격 거리를 결정하기 위한 수단을 포함한다. 이 경우, 상기 측정 장치에 의해 제공되는 측정치가 직접 거리 측정치가 된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 2개의 측정 장치 간 적어도 하나의 이격 거리를 결정하기 위한 수단이 상기 측정 장치와 별개의 것이다. 이 경우, 2개의 측정 장치 중 하나 이상은 원격의 거리 결정 수단으로 측정치(무선 신호, 광학 신호, 비디오 신호 또는 그 밖의 다른 신호)를 전송해야 한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 장치 간 거리를 측정하기 위한 상기 측정 장치 중 하나 이상은 데이터를 발신 및/또는 수신하기에 적합할 수 있다.
발신/수신은 거리를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 거리는 무선주파수 펄스를 검출하고 도착 시간 차이(time difference of arrival), 즉, TDOA를 추정하거나, 수신 신호 강도 표시자를 추정하거나, 도착 시간(time of arrival), 즉, TOA를 추정하기 위한 모델에 의해 계산된다.
덧붙이자면, 거리 측정 유닛은 얻어질 정확도(level of accuracy)의 설정 포인트를 무선으로 수신할 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 특히 다관절 체인의 재구성은 기하학적 구성 자체에 따라 달라지는 조절기능을 갖는다. 따라서 시스템의 성능을 향상시키기 위해, 이 정확도를 상향 조절하고, 시스템의 파워 소비량과 시스템 생산 비용을 감소시키기 위해, 이 정확도를 하향 조절하는 것이 가능하다.
마지막으로, 측정 데이터가 인근의 모바일 유닛으로 직접 전송될 수 있으며, 이 경우, 온 보드의 경우보다 더 큰 컴퓨팅 파워를 가질 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 시스템은, 계산 수단에 의해 사용될 보조 측정치를 제공하기 위해 가속도계 및/또는 자이로미터(gyrometer) 및/또는 자기력계를 더 포함한다.
거리 측정치는 정적(static) 데이터 항목이다. 반면에 자이로미터 또는 가속도계에 의한 관성 측정치는 동적(dynamic) 데이터 항목이다, 즉, 움직임에 대한 1차 및 2차 매개변수(가령, 각 속도 및 가속도)를 이용한 측정치이다. 따라서 이들 측정치는 움직임을 더 잘 재구성하는 것을 보조한다. 각각의 점에 대해 자기력계는 공간에서 고정된 방향(지구 자기장의 방향)에 대한 비틀림(inclination) 정보 항목을 제공한다.
본 발명의 하나의 실시예에서 시스템은 장치 간 거리를 측정하기 위한 측정 장치를 포함하며, 이는 광학 장치이다.
따라서 제공되는 거리가 무선 주파수 장치에 의해 제공되는 것보다 더 정확하다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 시스템은 상기 다관절 체인 상에 장착되며, 상기 계산 수단에 의해 전달된 상기 다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보 항목을 저장하거나, 이전에 결정된 장치 간 거리를 직접 저장하기에 적합한 저장 수단을 포함한다.
따라서 정보 항목은, 움직임의 다음번 활용을 위해, 또는 움직임을 나타내는 데이터 항목을 이용하는 외부 스테이션으로의 실시간 전송을 위해 저장될 수 있다. 상기 외부 스테이션은, 예를 들어, 디스플레이 및/또는 분석을 위한 스테이션이거나, 장치 간 거리를 바탕으로 하여 다관절 체인의 움직임을 재구성할 수 있게 해주는 계산 수단을 구비하는 스테이션일 수 있다.
예를 들어, 하나의 관절에 대하여, 상기 관절에 연결되어 있는 솔리드 요소 상에 장착된 모든 장치 간 거리 측정 장치에 있어서, 측정 장치와 관절 간의 거리의 합계가 최대가 되도록, 상기 장치 간 거리 측정 장치가 상기 다관절 체인의 솔리드 요소 상에 고정 장착된다.
특정 개수의 장치 간 거리 측정 장치에 대하여, 시스템 정확도가 최대가 된다.
예를 들어, 다관절 체인의 하나의 동일한 솔리드 요소 상에 위치하는 장치 간 거리 측정 장치들 간의 거리가 최대가 되도록, 상기 장치 간 거리 측정 장치가 솔리드 요소 상에 장착된다.
예를 들어, 상기 다관절 체인은 셋 이상의 솔리드 요소를 포함한다. 상기 다관절 체인에서 2개의 관절에 연결되어 있는 하나의 솔리드 요소는, 실질적으로 자신의 중앙에 배치되는 장치 간 거리 측정 장치를 포함한다.
이는 상기 하나의 솔리드 요소가 연결되어 있는 2개의 관절로부터의 거리를 최대화하기 위한 상충안이다. 이 실시예는 특히, 비용을 절약하기 위해, 솔리드 마디 당 하나의 단일 장치를 가질 때, 바람직하다.
하나의 실시예에서, 본 발명의 시스템은, 다관절 체인의 솔리드 요소 1개당, 그리고 상기 솔리드 요소에 연결되어 있는 관절의 직선운동 또는 회전운동에서의 1 자유도당, 하나 이상의 장치 간 거리 측정 장치를 포함하며, 상기 다관절 체인은 어떠한 폐쇄 부분도 갖지 않는다. 상기 장치 간 거리 측정 장치는, NEQ≥NVAR의 관계식이 성립하도록, 솔리드 요소 상에 배치되며, 여기서, NEQ는 다관절 체인의 하나의 관절에 의해 움직여지는 각각의 솔리드 요소의 단부의 미지의 위치 변수와 거리 측정치를 관련시키는 수학식의 개수를 나타내고, NVAR은 상기 미지의 위치 변수의 개수를 나타낸다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 시스템은, 다관절 체인의 솔리드 요소 1개당, 그리고 상기 솔리드 요소에 연결되어 있는 관절의 회전운동에 있어서 1 자유도당, 하나 이상의 장치 간 거리 측정 장치를 포함한다. 하나의 장치와 관절을 연결하는 벡터는 그 밖의 다른 측정 장치와 관절을 연결하는 하나 이상의 벡터에 선형 독립적(linearly independent)이도록, 상기 측정 장치가 솔리드 요소 상에 배치된다.
예를 들어, 상기 시스템은 하나의 관절에 연결되어 있는 하나 이상의 솔리드 요소를 포함하며, 상기 솔리드 요소에는 둘 이상의 장치 간 거리 측정 장치가 구비된다. 상기 측정 장치들은 관절과 함께 하나의 직선을 이루는 것을 피하도록 배치된다.
예를 들어, 상기 시스템은 하나의 관절에 연결되어 있는 하나 이상의 솔리드 요소를 포함하며, 이때, 상기 하나 이상의 솔리드 요소 상에 셋 이상의 측정 장치가 제공된다. 상기 측정 장치들은 관절과 함께 하나의 평면을 형성하는 것을 피하도록, 상기 솔리드 요소에 배치된다.
따라서 이는 관절의 자유도에 관계없이, 특히, 시스템의 관절이 회전에 대해 3 자유도를 가질 때, 동작될 수 있는 설정을 제공한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 상기 장치 간 거리 측정 장치는 측정 가능한 최대 임계 거리를 포함한다.
따라서 저장되고 처리될 데이터 항목의 개수를 제한하여 시스템의 전력 소모를 감소시키는 것이 가능하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 시스템은 상기 다관절 체인에 장착되며, 상기 다관절 체인의 움직임을 나타내거나 상기 저장 수단에 저장되는 장치 간 거리를 나타내는 정보 항목을 송신하기 위한 송신 수단을 포함한다.
따라서 이들 정보 항목을, 다관절 체인의 움직임을 재구성할 수 있는 외부 전자 제어 유닛 또는 온 보드 전자 제어 유닛으로 송신하는 것이 가능하다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 상기 장치 간 거리 측정 장치 및/또는 상기 계산 수단 및/또는 상기 저장 수단 및/또는 상기 송신 수단은, 다관절 체인이라고 간주될 생물체 상에서 동작되기에 적합하다.
본 발명은 인간이나 동물의 신체에 적용될 수 있다.
본 발명의 또 하나의 양태에 따르면, 둘 이상의 솔리드 요소와 상기 솔리드 요소 2개를 연결하는 하나 이상의 관절을 포함하는 다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보 항목을 결정하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
둘 이상의 거리 측정 장치를, 다관절 체인의 둘 이상의 개별 솔리드 요소 상에 이격하여 고정 장착하는 단계와
거리 측정 장치에 의해 제공된 하나 이상의 측정치를 바탕으로 하여 하나 이상의 거리를 결정하는 단계와,
이전에 결정된 거리를 바탕으로 하여 상기 다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보 항목을 계산하는 단계
를 포함한다.
도 1은 본 발명의 하나의 양태에 따르는 시스템의 하나의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 하나의 양태에 따르는 또 다른 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 하나의 양태에 따르는 또 하나의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 4a, 4b 및 4c는 본 발명의 하나의 양태에 따르는 다관절 체인의 움직임의 재구성을 개략적으로 도시한다.
도 1은 본 발명의 하나의 양태에 따르는, 자율 시스템이 구비된 제 1 다관절 체인(CA_1)을 도시하며, 여기서 자율 시스템은 상기 다관절 체인(CA_1)의 움직임을 나타내는 정보 항목을 판단한다. 제 1 다관절 체인(CA_1)은 2개의 솔리드 요소(solid element)(이 예시에서, 솔리드 마디(segment)(ES1_1 및 ES2_1)) 및 1 자유도를 갖는 제 1 관절(ART1_1)을 포함한다. 변형예에서, 다관절 체인의 솔리드 요소는 임의의 형태를 가질 수 있다.
제 1 다관절 체인(CA_1)에서, 제 1 솔리드 요소(ES1_1)는 장치 간 거리를 측정하기 위한 제 1 장치(DISP1_1)를 포함하고, 제 2 솔리드 요소(ES2_1)는 장치 간 거리를 측정하기 위한 제 2 장치(DISP2_1)를 포함한다.
따라서 시스템에 의해, 제 1 장치(DISP1_1)와 제 2 장치(DISP2_1) 간 거리(d12_1)를 측정하는 것이 가능하다.
상기 장치들(DISP1_1 및 DISP2_1) 및 본원에서 기재되는 모든 이러한 장치들은, 거리를 판단함에 있어서, 예를 들어, 무선 펄스나 에코 레이더 타입의 비접촉 원리를 이용하거나, 전파 시간 및 수신 강도를 기초로 하는 거리 계산, 또는 적외선, 비디오 또는 전자기 타입의 도플러 효과에 의한 비접촉 원리를 이용할 수 있다.
두 장치(DISP1_1 및 DISP2_1) 중 하나 이상에 의해, 이러한 거리(d12_1) 값이, 예를 들어, 무선 송신으로, 제 1 다관절 체인(CA_1) 상에 위치하는 계산 모듈(CALC)에게 전달된다. 상기 계산 모듈은, 장치 간 거리 측정 장치(DISP1_1 및 DISP2_1)에 의해 전송된 측정치를 바탕으로, 제 1 다관절 체인(CA_1)의 움직임을 나타내는 정보 항목을 계산할 수 있다. 이 정보 항목은, 거리일 수 있다. 장치 간 거리의 전체, 또는 적정하게 선택된 일부의 거리이거나 다관절 체인의 움직임의 상태를 나타내는 계산된 정보 항목이다.
예를 들어, 2개의 장치 중 하나는 발신기일 수 있으며, 다른 하나는 계산 모듈로 연결되어 있거나 상기 계산 모듈을 포함하는 수신기일 수 있다.
각각의 장치는 수동 장치이거나 능동 장치일 수 있다. 예를 들어, 레이더 타입의 시스템의 경우, 발신기 장치는 능동 장치이고, 반사기(reflector)로만 구성된 나머지 다른 장치는 수동 장치이다.
이들 정보 항목은, 실질적으로 실시간으로, 또는 제 1 다관절 체인(CA_1)의 움직임의 종료 후에, 저장 모듈(MEM)에 저장될 수 있으며, 송신 모듈(TR)에 의해, 외부 전자 제어 유닛으로 송신될 수 있으며, 상기 외부 전자 제어 유닛은 이들 정보 항목을 기초로 하여 제 1 다관절 체인(CA_1)의 움직임을 재구성하거나 결정할 수 있다. 인간 또는 휴머노이드 로봇의 경우, 수행되는 후-처리는, 걷고 있는 사람이나 휴머노이드 로봇의 발의 위치를 검출하고, 따라서 전체 움직임을 검출하기 위한 모델을 구성할 수 있다. 상기 시스템은, 다관절 체인의 한 점의 위치를 정의하기 위한 시스템과 조합되어 사용될 수 있다.
도 1의 예에서, 장치(DISP1_1 및 DISP2_1) 모두에 대해, 상기 장치(DISP1_1, DISP2_1)가 장착되는 솔리드 요소(ES1_1, ES2_1)를 연결하는 관절(ART1_1)로부터 장치(DISP1_1, DISP2_1)까지의 이격 거리의 합계가 최대가 되도록, 2개의 장치(DISP1_1 및 DISP2_1)가 배치된다.
변형예에서, 계산 모듈(CALC), 저장 모듈(MEM) 및 전송 모듈(TR) 중 하나 이상이 장치 간 거리 측정 장치(DISP1_1)와 연결되거나, 상기 장치(DISP1_1)에 포함될 수 있다.
비교를 위한 도 1a의 시스템에서, 다관절 체인은 2개의 솔리드 요소(이 예시에서는 솔리드 마디(ES1_1a 및 ES2_1a)) 및 1 자유도를 갖는 제 1 관절(ART1_1a)을 포함한다. 계산 모듈(CALC), 저장 모듈(MEM) 및 전송 모듈(TR)은 서로 동일하고, 따라서 동일한 방식으로 참조된다. 도 1a에서 2개의 장치(DISP1_1a 및 DISP2_1a)는 관절(ART_1a)에 가깝게 배치된다.
또한, 측정 불확도(measurement uncertainty)가 동일하다고 간주하고, 도 1의 장치(DISP1_1 및 DISP2_1)가 도 1a의 장치(DISP1_1a 및 DISP2_1a)와 동일한 경우, 도 1a의 거리(d12_1a)의 오류는 도 1의 거리(d12_1)의 오류와 동일하다. 그러나 도 1a의 거리(d12_1a)와 도 1의 거리(d12_1)의 동일한 정도의 오류는, 도 1의 경우에서의 해당하는 각도 오류보다, 도 1a의 경우에서의 해당 각도 오류가 더 큼을 의미한다. 왜냐하면, 장치(DISP1_1a와 DISP2_1a)가 관절(ART_1a)에 더 가까이 위치하기 때문이다.
하나의 변형예에서, 관절(ART1_1)이 2 자유도를 갖는 경우, 각각의 솔리드 요소(ES1_1 및 ES1_2) 상에 2개의 장치 간 거리 측정 장치가 배치되며, 이러한 배치는 관절(ART1_1)과, 하나의 동일한 솔리드 요소 상에 위치하는 2개의 장치가 동일 선 상에 위치하지 않도록 이뤄진다. 이 변형예는 임의의 다관절 체인의 2 자유도를 갖는 임의의 관절에 적용된다.
하나의 변형예에서, 관절(ART1_1)이 3 자유도를 갖는 경우, 각각의 솔리드 요소(ES1_1 및 ES1_2) 상에 3개의 장치 간 거리 측정 장치가 배치되며, 이러한 배치는 관절(ART1_1)과 하나의 동일한 솔리드 요소 상에 위치하는 3개의 장치가 동일 평면 상에 있지 않도록 이뤄진다. 이 변형예는 임의의 다관절 체인 중 3 자유도를 갖는 임의의 관절에게 적용된다.
일반적으로, 인간 신체의 관절은 1 자유도를 갖는 관절(예를 들면, 무릎, 또는 팔꿈치)이며, 드물게는 2 자유도를 갖는다고 간주된다.
도 2는 본 발명의 하나의 양태에 따르는, 다관절 체인(CA_2)의 움직임을 나타내는 정보 항목을 판단하기 위한 자율 시스템이 구비된 제 2 다관절 체인(CA_2)을 도시한다. 상기 제 2 다관절 체인(CA_2)은 3개의 솔리드 요소(이 예시에서, 솔리드 마디(ES1_2, ES2_2 및 ES3_2))와, 1 자유도를 갖는 제 1 관절(ART1_2) 및 제 2 관절(ART2_2)을 포함한다. 하나의 변형예에서, 다관절 체인의 솔리드 요소는 어떠한 형태라도 가질 수 있다.
제 2 다관절 체인(CA_2)에서, 제 1 솔리드 요소(ES1_2)는 제 1 장치 간 거리 측정 장치(DISP1_2)를 포함하고, 제 2 솔리드 요소(ES2_2)는 제 2 장치 간 거리 측정 장치(DISP2_2)를 포함하며, 제 3 솔리드 요소(ES3_2)는 제 3 장치 간 거리 측정 장치(DISP3_2)를 포함한다. 따라서 이러한 시스템에 의해, 제 1 장치(DISP1_2)와 제 2 장치(DISP2_2) 간 거리(d12_2), 제 1 장치(DISP1_2)와 제 3 장치(DISP3_2) 간 거리(d13_2), 제 2 장치(DISP2_2)와 제 3 장치(DISP3_2) 간 거리(d23_2)를 판단할 수 있다.
관련된 2개의 장치 중 하나, 또는 둘 모두에 의해, 이들 거리(d12_2, d13_2 및 d23_2)는, 예를 들어 무선 송신으로, 제 2 다관절 체인(CA_2) 상에 위치할 수 있는 계산 모듈(CALC)로 전달된다. 상기 계산 모듈(CALC)은, 장치 간 거리 측정 장치(DISP1_2, DISP2_2 및 DISP3_2)에 의해 전송된 측정치를 바탕으로, 제 2 다관절 체인(CA_2)의 움직임을 나타내는 정보 항목을 계산할 수 있다.
실질적으로 실시간으로, 또는 제 2 다관절 체인(CA_2)의 움직임의 종료 후에, 이들 정보 항목은 저장 모듈(MEM)에 저장되고 송신 모듈(TR)에 의해, 가령, 외부 전자 제어 유닛으로 송신될 수 있다. 상기 외부 전자 제어 유닛은 이러한 정보 항목을 바탕으로, 제 2 다관절 체인(CA_2)의 움직임을 재구성하거나 판단할 수 있다. 인간, 또는 휴머노이드 로봇의 경우, 수행되는 후-처리가, 걷고 있는 사람이나 휴머노이드 로봇의 발의 위치를 검출하고, 따라서 전체 움직임을 검출하기 위한 모델을 구성할 수 있다.
도 2의 예에서, 모든 장치(DISP1_2, DISP2_2 및 DISP3_2)에 대해, 장치(DISP1_2, DISP2_2 및 DISP3_2)가 장착되는 솔리드 요소(ES1_2, ES2_2, ES3_2)에 연결되어 있는 관절(ART1_2, ART2_2)로부터 상기 장치(DISP1_2, DISP2_2 및 DISP3_2)로의 이격 거리의 합계가 최대이도록, 3개의 장치(DISP1_2, DISP2_2 및 DISP3_2)가 배치된다.
앞서 이미 포괄적으로 언급된 바 있는 변형예에서, 관절(ART1_2 및 ART2_2)이 2 자유도를 갖는 경우, 각각의 솔리드 요소(ES1_2, ES2_2 및 ES3_2)에 2개의 장치 간 거리 측정 장치가 배치될 것이며, 이러한 배치는, 관절(ART1_2 또는 ART2_2)과, 상기 관절에 연결되어 있는 동일한 하나의 솔리드 요소 상에 위치하는 장치 2개가 동일 선 상에 위치하지 않도록 이뤄진다.
앞서 이미 포괄적으로 언급된 바 있는 변형예에서, 관절(ART1_2 및 ART2_2)이 3 자유도를 갖는 경우, 각각의 솔리드 요소(ES1_2, ES2_2 및 ES3_2)에 3개의 장치 간 거리 측정 장치가 배치될 것이며, 이러한 배치는, 관절(ART1_2 또는 ART2_2)과, 상기 관절에 연결되어 있는 동일한 하나의 솔리드 요소 상에 위치하는 장치 3개가 동일 평면 상에 위치하지 않도록 이뤄진다.
도 3은 본 발명의 하나의 양태에 따르는 시스템의 하나의 실시예를 도시하며, 여기서, 제 3 다관절 체인(CA_3)이 4개의 솔리드 요소(ES1_3, ES2_3, ES3_3 및 ES4_3)를 포함한다. 상기 4개의 솔리드 요소(ES1_3, ES2_3, ES3_3 및 ES4_3)는 순서대로, 1 자유도를 갖는 관절(ART1_3, ART2_3 및 ART3_3)에 통해 연결되어 있다.
다관절 체인의 솔리드 요소는 어떠한 형태도 가질 수 있다.
제 3 다관절 체인(CA_3)에서, 제 1 솔리드 요소(ES1_3)는 제 1 장치 간 거리 측정 장치(DISP1_3)를 포함하고, 제 2 솔리드 요소(ES2_3)는 제 2 장치 간 거리 측정 장치(DISP2_3)를 포함하며, 제 3 솔리드 요소(ES3_3)는 제 3 장치 간 거리 측정 장치(DISP3_3)를 포함하고, 제 4 솔리드 요소(ES4_3)는 제 4 장치 간 거리 측정 장치(DISP4_3)를 포함한다. 따라서 이러한 시스템에 의해, 제 1 장치(DISP1_3)와 제 2 장치(DISP2_3) 간 거리(d12_3), 제 1 장치(DISP1_3)와 제 3 장치(DISP3_3) 간 거리(d13_3), 제 1 장치(DISP1_3)와 제 4 장치(DISP4_3) 간 거리(d14_3), 제 2 장치(DISP2_3)와 제 3 장치(DISP3_3) 간 거리(d23_3), 제 2 장치(DISP2_3)와 제 4 장치(DISP4_3) 간 거리(d24_3), 제 3 장치(DISP3_3)와 제 4 장치(DISP4_3) 간 거리(d34_3)를 판단할 수 있다.
이들 거리(d12_3, d13_3, d14_3, d23_3, d24_3 및 d34_3)는, 2개의 관련 장치 중 하나 이상에 의해, 예를 들어 무선 송신으로, 제 3 다관절 체인(CA_3) 상에 위치하는 계산 모듈(CALC)로 전달된다. 계산 모듈(CALC)은 장치 간 거리 측정 장치(DISP1_3, DISP2_3, DISP3_3 및 DISP4_3)에 의해 전송되는 측정치를 바탕으로 정보 항목을 계산할 수 있다.
실질적으로 실시간으로, 또는 제 3 다관절 체인(CA_3)의 움직임의 종료 후에, 이들 정보 항목은 저장 모듈(MEM)에 저장되고, 송신 모듈(TR)에 의해, 가령 외부 전자 제어 유닛으로 송신될 수 있다. 상기 외부 전자 제어 유닛은 이러한 정보 항목을 바탕으로, 제 3 다관절 체인(CA_3)의 움직임을 재구성하거나 결정할 수 있다. 인간 또는 휴머노이드 로봇의 경우, 수행되는 후-처리는 걷거나 뛰고 있는 사람이나 휴머노이드 로봇의 발의 위치를 검출하고, 따라서 전체 움직임을 검출하기 위한 모델을 구성할 수 있다.
도 3의 예에서, 4개의 장치(DISP1_3, DISP2_3, DISP3_3 및 DISP4_3)가 각각 솔리드 요소(ES1_3, ES2_3, ES3_3 및 ES4_3)의 실질적으로 중앙에 배치된다. 하나의 변형예에서, 장치(DISP1_3 및 DISP4_3)는 관절(ART1_3 및 ART3_3)의 말단부에 배치될 수 있다.
앞서 언급된 모든 예시적 실시예에서, 2개의 장치 간 거리 측정 장치의 이격 거리는, 상기 측정 장치와는 별개인 거리 결정 수단에 의해 결정될 수 있다. 그 후, 이들 거리 결정 수단은, 측정 장치들 중 하나 이상에 의해 제공되는 측정치를 이용한다. 따라서 이들 거리 결정 수단은 측정 장치로부터 원격으로 위치할 수 있다. 이들 거리 결정 수단은 다관절 체인 상에 위치하거나, 다관절 체인으로부터 이격되어 위치할 수 있다.
다관절 체인의 솔리드 요소 1개당, 그리고 솔리드 요소에 연결되어 있는 관절의 회전에 대한 1 자유도당, 하나 이상의 측정 장치를 포함하는 다관절 체인에 있어서, 관절을 장치로 연결하는 벡터가 관절을 다른 측정 장치로 연결하는 하나 이상의 벡터에 선형 독립적(linearly independent)이도록, 상기 측정 장치가 솔리드 요소 상에 배치된다.
또한, 관절이 회전 운동에 있어 3 자유도까지 갖는 것뿐 아니라, 직선 운동에 있어 3 자유도까지 갖는 경우도 고려할 수 있다.
폐쇄 부분을 갖지 않으며, 다관절 체인의 솔리드 요소 1개당, 그리고 상기 솔리드 요소로 연결되어 있는 관절의 회전 운동 또는 직선 운동에 있어서의 1 자유도당, 하나 이상의 장치 간 거리 측정 장치를 포함하는 다관절 체인의 경우, 상기 측정 장치는, NEQ≥NVAR에 따라, 솔리드 요소에 배치된다. 이때, NEQ는 다관절 체인의 관절에 의해 움직이는 각각의 마디(segment)의 단부에 대한 미지의 위치 변수를 거리 측정치와 연결하는 수학식의 개수를 나타내고, NVAR은 상기 미지의 위치 변수의 개수를 나타낸다. 기하학적 관계식의 개수 NEQ는
Figure pct00001
의 형태로 쓰여질 수 있으며, 여기서, NCAPT는 다관절 체인 상에 위치하는 측정 장치의 총 개수이다. 덧붙이자면, 결정될 위치 변수의 개수 NVAR은,
Figure pct00002
의 형태로 쓰여질 수 있다. 이때, NA는 다관절 체인의 관절의 개수이고, NDDLj는 각각의 관절의 자유도이다. 관절의 자유도는 1 내지 6이다, 즉, 회전운동 시 최대 3 자유도와 직선운동 시 최대 3 자유도이다.
NEQ=NVAR인 특정 경우에서, 몇 가지 가능한 해를 갖는 것이 가능하고, 어느 것이 올바른 해인지를 쉽게 결정할 수 있다. NEQ>NVAR일 때, 다관절 체인의 위치를 재구성하기 위해 하나의 해가 결정된다.
본 발명의 언급된 모든 실시예에서, 계산 모듈(CALC)에 의해 생성되고 전송 모듈(TR)에 의해 전송되는 다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보 항목을 기초로 하여, 외부 전자 제어 유닛에 의해, 다관절 체인의 움직임을 재구성할 때, 하나의 관절에 의해 연결되는 각각의 솔리드 요소에 연결되어 있는 2개의 장치 간 이격 거리를 고려하는 것이 가능하다(도 4a, 4b 및 4c).
도 4a는 측정된 거리, 또는 인간이나 휴머노이드 로봇 상에 배치된 장치 간 거리 측정 장치에 의해 제공된 측정치를 기초로 결정된 거리를 도시한다.
도 4b는 칼만 필터, 최적화 또는 뉴럴 네트워크(neural network)와 함께 사용되어, 다관절 체인의 움직임을 재구성하기 위한 정보를 도시하며, 상기 정보는, 계산 모듈(CALC)에 의해 계산되고 외부 전자 제어 유닛에 의해 사용되거나, 다른 실시예에서, 계산 모듈(CALC)에 의해 직접 사용된다.
다관절 체인의 자세(posture) 또는 위치(placement)를 정의하는 상태는, 예를 들어, 오일러 각, 카르단 각(cardan angle), 4원수(quaternion) 등의 관절의 회전을 정의하는 좌표인 것이 바람직하다. 다관절 체인의 알려진 자세, 또는 기준 자세(reference posture)에 대해, 장치의 위치 Pr=(prx, pry, prz)가 측정되거나 추정되어야 한다. 그 후, 장치의 좌표가 관절의 회전의 함수 P = MPr = (px, py, pz)로 쓰여진다. 이때, M은 회전 행렬, 변수이며, 기준 자세에서 추정 자세로의 이동을 가능하게 한다(솔리드 요소 1개당 하나의 행렬이 존재한다). 관계식: d122 = (px1-px2)2 + (py1-py2)2 + (pz1-pz2)2에 의해, 장치 간 거리가 위치와 관련된다. 장치 간 거리를 알게 됨으로써, 각각의 행렬 M의 반전(inversion)이 각각의 관절의 자유도와 관절 접합(articular abutment)(가령, 팔꿈치의 각은 180도까지만 변한다)에 관해 알고 있는 값을 사용할 수 있다. 이는, 예를 들어, 수렴을 가속화함으로써, 또는 센서의 개수를 최소화함으로써, 반전을 보조할 수 있다. 각도들의 집합의 형태로 자세가 추정되면, 필요한 경우, 이로부터 다관절 체인의 임의의 점의 좌표를 추론하는 것이 가능하다.
자세를 정의하는 상태는 장치의 위치이거나 솔리드 요소에서의 특정한 구체적인 점의 위치일 수 있다(그러나 다관절 구조물에 대한 지식이 반드시 사용되는 것은 아니다). 이 경우, 예를 들어 삼각측량법에 의해, 거리를 바탕으로, 이들 위치가 추정된다. 그 후, 이들 추정된 위치를 바탕으로, 예를 들어, 자유도 및 관절 접합에 대한 지식을 고려함으로써, 다관절 체인의 전체 자세가 결정된다.
마지막으로, 도 4c는 다관절 체인이라고 간주된 하나의 몸체가 서로 관절로 연결된 솔리드 요소들의 집합으로 나눠져 있는 그래픽 표현을 이용하여 가상으로(virtually) 디스플레이되는 움직임의 재구성을 도시한다.
예를 들어, 모든 솔리드 요소가 도 4c에서 도시된 것처럼 가령, 머리(TE), 목(C), 기둥 요소의 집합(T1, T2, T3), 왼 팔 요소의 집합(BG1, BG2, BG3, BG4), 오른 팔 요소의 집합(BD1, BD2, BD3, BD4), 왼 다리 요소의 집합(JG1, JG2, JG3, JG4, JG5), 오른 다리 요소의 집합(JD1, JD2, JD3, JD4, JD5)으로 표현될 수 있다.
외부 전자 제어 유닛은, 계산 모듈(CALC)에 의해 제공되는 정보 항목을 기초로 하여, 다관절 체인의 다양한 솔리드 요소들 간의 각도를 추론함으로써, 다관절 체인의 움직임을 재구성하고 가상으로 시뮬레이트할 수 있다.
인체의 경우, 일반적으로, 어깨와 엉덩이가 3 자유도를 갖는 관절이라고 여겨지고, 팔꿈치와 무릎이 1 자유도를 갖는 관절이라고 여겨진다. 또한, 몸통에 3 또는 4개 이상의 장치를, 그리고 엉덩이에 3개 또는 4개의 장치를 잘 분산하여 배치하여 장치 간 거리 및 장치와 관절 간의 거리를 최대화하고, 어깨와 팔꿈치 사이의 팔 중간에 하나의 장치를 배치하고, 대퇴부에 하나의 장치를 배치하고, 손목과 발목에 하나의 장치를 배치하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의해, 감소된 비용으로 다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보 항목을 판단하기 위한 자율 시스템을 제안할 수 있다.

Claims (17)

  1. 둘 이상의 솔리드 요소(ES1_1, ES2_1, ES1_2, ES2_2, ES3_2, ES1_3, ES2_3, ES3_3, ES4_3)와 상기 솔리드 요소 2개를 연결하는 하나 이상의 관절(ART1_1, ART1_2, ART2_2, ART1_3, ART2_3, ART3_3)을 포함하는 다관절 체인(CA_1, CA_2, CA_3)의 움직임을 나타내는 정보 항목을 판단하기 위한 자율 시스템에 있어서, 상기 자율 시스템은
    상기 다관절 체인의 둘 이상의 개별적인 솔리드 요소 상에 고정되어 장착되며, 장치 간 거리를 측정하여 측정치를 전송하기 위한 둘 이상의 측정 장치(DISP1_1, DISP2_1, DISP1_2, DISP2_2, DISP3_2, DISP1_3, DISP2_3, DISP3_3, DISP4_3)와,
    측정 장치에 의해 제공된 측정치를 바탕으로, 2개의 측정 장치 간의 이격 거리를 결정하기 위한 거리 결정 수단과,
    상기 거리 결정 수단에 의해 전송되는 거리를 바탕으로 상기 다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보 항목을 계산하기 위한 계산 수단(CALC)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 거리 결정 수단과 상기 계산 수단은 상기 다관절 체인에 장착되는 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 장치 간 거리를 측정하기 위한 상기 측정 장치(DISP1_1, DISP2_1, DISP1_2, DISP2_2, DISP3_2, DISP1_3, DISP2_3, DISP3_3, DISP4_3) 중 하나 이상은 데이터를 발신(emitting)을 수행하거나, 또는 데이터 수신을 수행하거나, 또는 데이터의 발신 및 수신 모두를 수행하는 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자율 시스템은, 계산 수단에 의해 사용될 보조 측정치를 제공하기 위해
    가속도계,
    자이로미터(gyrometer) 및
    자기력계(magnetometer)
    중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 장치(DISP1_1, DISP2_1, DISP1_2, DISP2_2, DISP3_2, DISP1_3, DISP2_3, DISP3_3, DISP4_3) 중 하나 이상은 광학 장치(optical device)인 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다관절 체인 상에 장착되며, 상기 계산 수단(CALC)에 의해 전달되는 상기 다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보 항목을 저장하거나, 하나 이상의 거리를 직접 저장하기 위한 저장 수단(MEM)
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 관절에 대하여, 상기 관절에 연결되어 있는 솔리드 요소들 상에 장착되는 모든 측정 장치들에 대해, 측정 장치와 관절 간의 이격 거리의 합이 최대가 되도록, 상기 측정 장치(DISP1_1, DISP2_1, DISP1_2, DISP2_2, DISP3_2, DISP1_3, DISP2_3, DISP3_3, DISP4_3)가 상기 다관절 체인의 솔리드 요소(ES1_1, ES2_1, ES1_2, ES2_2, ES3_2, ES1_3, ES2_3, ES3_3, ES4_3) 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 동일한 솔리드 요소 상에 위치하는 측정 장치들 간 거리가 최대가 되도록, 상기 측정 장치(DISP1_1, DISP2_1, DISP1_2, DISP2_2, DISP3_2, DISP1_3, DISP2_3, DISP3_3, DISP4_3)가 상기 다관절 체인의 솔리드 요소(ES1_1, ES2_1, ES1_2, ES2_2, ES3_2, ES1_3, ES2_3, ES3_3, ES4_3) 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다관절 체인은 2개의 관절에 연결되어 있는 하나의 솔리드 요소를 포함하며, 이때, 하나 이상의 측정 창지(DISP1_1, DISP2_1, DISP1_2, DISP2_2, DISP3_2, DISP1_3, DISP2_3, DISP3_3, DISP4_3)는 상기 솔리드 요소의 중앙에 위치하는 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자율 시스템은 다관절 체인의 솔리드 요소 1개당, 그리고 솔리드 요소에 연결되어 있는 관절의 1 자유도당, 하나 이상의 측정 장치를 포함하며, 상기 다관절 체인은 폐쇄 부분(closed portion)을 갖지 않으며, 이때, 상기 측정 장치(DISP1_1, DISP2_1, DISP1_2, DISP2_2, DISP3_2, DISP1_3, DISP2_3, DISP3_3, DISP4_3)는, NEQ≥NVAR의 관계식이 성립하도록, 솔리드 요소 상에 배치되며, 여기서, NEQ는 다관절 체인의 하나의 관절에 의해 움직여지는 각각의 솔리드 요소의 단부의 미지의 위치 변수와 거리 측정치를 관련시키는 수학식의 개수를 나타내고, NVAR은 상기 미지의 위치 변수의 개수를 나타내는 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 하나의 관절에 연결되어 있는 하나 이상의 솔리드 요소 상에 둘 이상의 측정 장치가 제공되며, 이때, 상기 측정 장치들은 관절과 하나의 직선을 형성하는 것을 피하도록, 상기 솔리드 요소에 배치되는 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서, 하나 이상의 솔리드 요소가 하나의 관절에 연결되며, 상기 하나 이상의 솔리드 요소 상에 셋 이상의 측정 장치가 제공되며, 이때, 상기 측정 장치들은 관절과 하나의 평면을 형성하는 것을 피하도록, 상기 솔리드 요소에 배치되는 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자율 시스템은, 다관절 체인의 솔리드 요소 1개당, 그리고 상기 솔리드 요소에 연결되어 있는 관절의 회전에 대한 1 자유도당, 하나 이상의 측정 장치를 포함하며, 이때, 하나의 측정 장치와 관절을 연결하는 벡터는, 상기 관절과 그 밖의 다른 측정 장치를 연결하는 하나 이상의 벡터에 선형 독립적(linearly independent)이도록, 상기 측정 장치들이 솔리드 요소에 배치되는 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 장치(DISP1_1, DISP2_1, DISP1_2, DISP2_2, DISP3_2, DISP1_3, DISP2_3, DISP3_3, DISP4_3)는 측정가능한 최대 임계 거리를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보 항목, 또는 상기 저장 수단에 저장된 장치 간 결정된 거리를 나타내는 정보 항목을 전송하기 위해 상기 다관절 체인 상에 장착된 전송 수단(TR)
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 장치(DISP1_1, DISP2_1, DISP1_2, DISP2_2, DISP3_2, DISP1_3, DISP2_3, DISP3_3, DISP4_3), 상기 계산 수단(CALC), 상기 저장 수단(MEM) 및 상기 전송 수단(TR) 중 하나 이상이 상기 다관절 체인이라고 간주되는 생물체 상에서 작동가능한 것을 특징으로 하는 자율 시스템.
  17. 둘 이상의 솔리드 요소(ES1_1, ES2_1, ES1_2, ES2_2, ES3_2, ES1_3, ES2_3, ES3_3, ES4_3)와 상기 솔리드 요소 2개를 연결하는 하나 이상의 관절(ART1_1, ART1_2, ART2_2, ART1_3, ART2_3, ART3_3)을 포함하는 다관절 체인(CA_1, CA_2, CA_3)의 움직임을 나타내는 정보 항목을 결정하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
    둘 이상의 거리 측정 장치를, 다관절 체인의 둘 이상의 개별 솔리드 요소 상에 이격하여 고정 장착하는 단계와
    거리 측정 장치에 의해 제공된 하나 이상의 측정치를 바탕으로 하여 하나 이상의 거리를 결정하는 단계와,
    이전에 결정된 거리를 바탕으로 하여 상기 다관절 체인의 움직임을 나타내는 정보 항목을 계산하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 항목을 결정하기 위한 방법.
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