KR20110095461A - 유비쿼터스 헬스케어 장치 및 이를 구비한 다기능 신발 - Google Patents

유비쿼터스 헬스케어 장치 및 이를 구비한 다기능 신발 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유비쿼터스 헬스케어 시스템 및 이를 구비한 다기능 신발에 관한 것으로, 가속도 센서 및 신호처리회로를 내장한 다기능 신발을 통해 일상생활 중 활동 상태에 따른 가속도 변화를 측정하여, 활동 상태를 판단하고 활동량을 예측하여 에너지 소모량을 추정하며, 낙상 등과 같은 응급상황을 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 유비쿼터스 헬스케어 시스템은, 신체의 움직임에 따라 변화하는 가속도 정보를 측정하는 가속도 센서와; 상기 가속도센서의 출력 신호에 포함된 고주파 잡음성분을 제거하는 저역 통과 필터와; 상기 가속도센서의 출력 신호에 포함된 지자계에 의한 오프셋 신호를 제거하는 고역 통과 필터와; 상기 고역 통과 필터를 이용하여 오프셋이 제거된 가속도 신호를 합산한 후 적분하여 특정 시간 동안의 활동량 정보를 획득하는 적분 회로와; 상기 가속도 센서의 출력 신호에 포함된 오프셋 신호를 판별하여 상기 가속도 센서의 위치 및 방향을 검출하는 오프셋 검출회로와; 상기 오프셋 검출회로로부터 추출된 정보에 의해 상기 가속도 센서의 위치 상태를 판별하여 자세 정보를 발생하는 자세 판별 디코더와; 상기 활동량 및 자세 정보를 저장하는 메모리; 및 상기 적분 회로 및 자세 판별 디코더로부터 상기 활동량 및 자세 정보를 수신받아 상기 메모리에 저장하고, 상기 메모리에 저장된 정보를 무선 통신모듈 또는 근거리 무선 통신모듈을 통해 외부 단말기로 전송하는 마이크로프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유비쿼터스 헬스케어 시스템 및 이를 구비한 다기능 신발{UBIQUITOUS HEALTHCARE SYSTEM AND MULTI-FUNCTIONAL SHOES HAVING THE SAME}
본 발명은 유비쿼터스 헬스케어(Ubiquitous Healthcare) 시스템 및 이를 구비한 다기능 신발에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가속도 센서 및 신호처리회로를 내장한 다기능 신발을 통해 일상생활 중 활동 상태에 따른 가속도 변화를 측정하여, 활동 상태를 판단하고 활동량을 예측하여 에너지 소모량을 추정하며, 낙상 등과 같은 응급상황을 판단하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템 및 이를 구비한 다기능 신발에 관한 것이다.
최근 경제성장과 더불어 건강에 대한 관심이 높아지고 있으며, 병원중심의 건강관리에서 확장하여 일상생활 중 지속적인 건강관리를 수행하기 위한 유비쿼터스 헬스케어(Ubiquitous Healthcare) 기술이 부각되고 있다. 그리고 헬스케어 기술의 부각에 따라 일상생활 중 보다 편리하게 건강상태를 모니터링하기 위한 다양한 연구들이 추진되고 있다.
그 중에서, 최근에는 인체의 다양한 활동을 보다 정확하고 효율적으로 측정하기 위해 인체의 여러 곳에 센서를 부착하고 다양한 자세변화와 활동 상태를 모니터링 하는 기법이 소개되고 있으며, 자세변화와 활동 상태를 판별하기 위해 다양한 신호처리 기법을 적용한 연구들이 수행되고 있다.
대한민국 등록특허 10-0702613의 콘트롤러를 장착한 인공지능신발과 운동량측정방법(이하, '선행기술 1'이라 한다)에서는, 신발에 부설되어 사용자의 보행 여부를 감지하는 보행감지센서와 상기 보행감지센서로부터 신호를 수신하여 칼로리소모량을 연산하는 콘트롤러를 포함하며, 상기 보행감지센서는 사용자의 보행에 따라 신발이 지면에 착지시에 그리고 지면에서 떨어지는 순간 온오프신호를 주기적으로 발생시키고, 상기 콘트롤러는 신발에 착탈가능하게 부착되며 사용자의 체지방을 측정할 수 있도록 사용자의 인체로 전류를 통전시키는 도전성 접촉전극을 가지는 체지방측정부와, 상기 보행감지센서로부터 수신되는 온오프신호의 시간차를 연산하여 도출되는 보행속도에 따라 연산된 칼로리소모량과 상기 체지방측정부를 통해 연산된 측정체지방량을 표시하는 디스플레이부를 포함하고 있다.
상기 선행기술 1에 따르면, 신발 본체에 장착된 보행감지센서, 체지방측정부와 맥박감지센서로 측정된 각종 수치(칼로리소비량, 체지방량, 맥박)를 디스플레이부상에 실시간으로 표시하여 사용자가 자신의 운동량을 주기적으로 체크할 수 있는 인공지능신발과 운동량측정방법에 대해 개시되어 있다.
대한민국 등록특허 10-0386788의 운동량 측정 센서가 내장된 신발을 이용한 인터넷운동관리시스템(이하, '선행기술 2'라 한다)에서는, 운동량검출 센서를 구비한 신발과, 무선신호 모듈에 의한 신호를 입력받고, 외부로 송신하는 제 1 단말기와, 상기 제 1 단말기에 의한 신호를 입력받고, 인터넷에 연결되어 운동자료에 대한 정보나 자료를 요청하는 제 2 단말기와, 상기 제 2 단말기로부터 식별정보 및 운동자료를 입력받는 웹서버와, 상기 웹서버에 가입한 회원의 개인정보가 저장되는 회원데이터베이스와, 상기 제 2 단말기에서 웹서버로 전송된 회원의 운동자료가 저장되는 운동량데이터베이스와, 상기 운동량데이터베이스에 저장된 운동정보를 바탕으로 회원의 운동통계정보를 상기 제 2 단말기로 제공하는 운동량계산모듈을 포함하고 있다.
상기 선행기술 2에 따르면, 사용자에게 맞는 운동시간, 칼로리 소비량 등의 정보를 인터넷을 통하여 지속적으로 제공할 수 있도록 한 운동량 측정 센서가 내장된 신발을 이용한 인터넷 운동관리시스템에 대해 게시되어 있다.
대한민국 공개특허 10-2006-0037642의 건강진단기능을 갖는 신발 및 이를 구비한 건강진단시스템(이하, '선행기술 3'이라 한다)에서는, 신발의 안창에 설치된 센서에 의해 감지된 발의 온도를 기초로 하여 신발 사용자의 건강을 진단할 수 있는 신발 및 이를 이동 단말기 및 건강관리 서버와 연동하여 사용할 수 있는 진단 시스템에 대해 개시되어 있다.
대한민국 등록특허 10-0746504의 보행 센서가 구비된 신발(이하, '선행기술 4'라 한다)에서는, 신발의 내부에 위치하는 깔창, 상기 깔창의 일 측에 형성되는 보행 센서 및 상기 신발 또는 깔창의 일 측에 형성되고 상기 보행 센서로부터 신호를 받아 보행 횟수를 표시하는 표시부를 포함하며, 상기 보행 센서는 상판과 하판 사이의 양단에 형성되는 제 1 및 제 2 접속부 및 일 측 끝단이 상기 제 1 접속부에 연결되고 타 측 끝단이 상기 제 2 접속부와 소정 거리 떨어져 있으며 다수의 굴곡부가 형성되어 있어 상판에 작용하는 외부 압력에 의해 굴곡부가 펴지면서 타 측 끝단이 상기 제 2 접속부에 연결되는 감지부를 포함하고 있다.
상기 선행기술 4에 따르면, 감지부에 외부 압력에 의해 퍼질 수 있는 굴곡부를 형성함으로써, 굴곡부가 형성된 감지부와 제 2 접소구와의 단락에 의하여 보행 횟수를 정확하게 계산할 수 있는 보행 센서가 구비된 신발에 대해 개시되어 있다.
대한민국 등록특허 10-0941058의 6축 힘/모멘트센서를 이용한 보행실험을 위한 힘 정보 측정용 지능형 신발 및 이를 이용한 힘 정보 측정방법(이하, '선행기술 5'라 한다)에서는, 6축 힘/모멘트센서를 이용한 보행실험을 위한 힘 정보 측정용 지능형 신발은 사람의 보행시 발바닥에 가해지는 힘과 모멘트를 동시에 측정하는 보행실험을 위한 힘 정보 측정용 지능형 신발 구조에 있어서, 신발의 깔창의 내부의 앞꿈치와 뒤꿈치 부분에 각각 설치되고, 일 측에 구비된 외부접속단자와 연결된 6축 힘/모멘트센서와, 상기 6축 힘/모멘트센서에서 감지된 신호를 저장 및 외부로 전송하는 제어수단을 포함하고 있다.
상기 선행기술 5에 따르면, 사람의 보행시 발바닥의 앞꿈치와 뒤꿈치에 가해지는 힘과 모멘트를 동시에 측정하는 보행실험을 위한 힘 정보 측정용 지능형 신발에 대해 개시되어 있다.
기존의 다른 응용에서 가속도 계측 시스템은 가속도 센서로부터 출력된 아날로그 신호 또는 디지털 신호를 초당 수십 회 또는 수백 회 샘플링을 수행하여 마이크로프로세서에서 신호처리를 수행하는 방식을 사용하였다. 이러한 방식은 데이터 샘플링 및 샘플링을 통해 획득한 신호를 처리하여 유용한 정보를 추출하기 위해 마이크로프로세서가 계속 동작해야 하기 때문에 전력소모가 많은 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 가속도 센서 및 신호처리회로를 내장한 다기능 신발을 통해 일상생활 중 활동 상태에 따른 가속도 변화를 측정하여, 활동 상태를 판단하고 활동량을 예측하여 에너지 소모량을 추정하며, 낙상 등과 같은 응급상황을 판단하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템 및 이를 구비한 다기능 신발을 제시하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 가속도 신호로부터 출력되는 아날로그 신호를 저전력 아날로그 신호처리회로를 통해 유용한 정보로 가공한 후 마이크로프로세서로 초당 1회 정도 입력하여 처리함으로써, 초소형 및 저전력이 가능한 유비쿼터스 헬스케어 시스템 및 이를 구비한 다기능 신발을 제시하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 오프셋이 제거된 3축의 가속도 신호를 합산하여 움직임에 따른 3축의 활동정보를 취합하고, 이를 특정 시정수를 갖는 상기 적분 회로를 이용하여 적분함으로써 특정 시간 동안의 활동량 정보를 획득하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템 및 이를 구비한 다기능 신발을 제시하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 가속도 센서로부터 출력된 신호를 이용하여 가속도의 특정 축에서 오프셋 신호를 판별하여 가속도 센서의 위치 또는 방향을 검출하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템 및 이를 구비한 다기능 신발을 제시하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 시스템의 적분 회로를 통과한 신호와 운동에너지와의 관계식을 도출하여 에너지 소모량을 추정한 유비쿼터스 헬스케어 시스템 및 이를 구비한 다기능 신발을 제시하는 데 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 청구항 1에 기재된 발명은, 「유비쿼터스 헬스케어 시스템에 있어서, 신체의 움직임에 따라 변화하는 가속도 정보를 측정하는 가속도 센서와; 상기 가속도센서의 출력 신호에 포함된 고주파 잡음성분을 제거하는 저역 통과 필터와; 상기 가속도센서의 출력 신호에 포함된 지자계에 의한 오프셋 신호를 제거하는 고역 통과 필터와; 상기 고역 통과 필터를 이용하여 오프셋이 제거된 가속도 신호를 합산한 후 적분하여 특정 시간 동안의 활동량 정보를 획득하는 적분 회로와; 상기 가속도 센서의 출력 신호에 포함된 오프셋 신호를 판별하여 상기 가속도 센서의 위치 및 방향을 검출하는 오프셋 검출회로와; 상기 오프셋 검출회로로부터 추출된 정보에 의해 상기 가속도 센서의 위치 상태를 판별하여 자세 정보를 발생하는 자세 판별 디코더와; 상기 활동량 및 자세 정보를 저장하는 메모리; 및 상기 적분 회로 및 자세 판별 디코더로부터 상기 활동량 및 자세 정보를 수신받아 상기 메모리에 저장하고, 상기 메모리에 저장된 정보를 무선 통신모듈 또는 근거리 무선 통신모듈을 통해 외부 단말기로 전송하는 마이크로프로세서;를 포함하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템.」을 제공한다.
청구항 2에 기재된 발명은, 「제 1 항에 있어서, 상기 적분 회로 및 상기 자세 판별 디코더는 초당 1회 정도의 샘플링을 통해 활동량 정보 및 자세 정보를 획득하여 상기 마이크로프로세서로 각각 출력하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템.」을 제공한다.
청구항 3에 기재된 발명은, 「제 1 항에 있어서, 상기 가속도 센서는 단축, 2축, 3축 가속도 센서 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템.」을 제공한다.
청구항 4에 기재된 발명은, 「제 1 항에 있어서, 상기 무선 통신 모듈은:
가정, 사무실을 포함한 장소에 구비된 무선통신 수신기와의 무선 통신을 통해 PC를 포함한 범용 네트워크 접속이 가능한 단말기로 상기 플래쉬 메모리에 저장된 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템.」을 제공한다.
청구항 5에 기재된 발명은, 「제 1 항에 있어서, 상기 근거리 무선통신 모듈은: 블루투스, 지그비(Zigbee), 근 적외선 통신을 포함한 저전력 근거리 무선통신 방식을 적용하여 계측된 정보(활동정보 및 자세정보)를 무선 통신 수신기를 구비한 단말기로 전송하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템.」을 제공한다.
청구항 6에 기재된 발명은, 「제 1 항에 있어서, 상기 유비쿼터스 헬스케어 시스템은: 상기 적분 회로(140)를 통과한 신호(ISVM)와 운동에너지와의 관계식을 아래의 수학식으로 도출하여 에너지 소모량을 추정하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템.
Figure pat00001
여기서, 상관계수는 0.9645이다.」을 제공한다.
청구항 7에 기재된 발명은, 「제 1 항에 있어서, 상기 마이크로프로세서는: 상기 오프셋 검출 회로 및 자세 판별 디코더의 출력 신호에 의해, 착용자의 자세를 판단하고, 정상적인 일상생활에서는 나타날 수 없는 오프셋 신호가 검출될 경우 착용자의 낙상, 골절 등으로 판단하여 상기 근거리 통신 모듈을 통해 경보 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템.」을 제공한다.
또한, 전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 청구항 8에 기재된 발명은, 「제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 유비쿼터스 헬스케어 시스템을 구비한 다기능 신발.」를 제공한다.
본 발명에 따르면, 가속도 센서 및 신호처리회로를 내장한 다기능 신발을 통해 일상생활 중 활동 상태에 따른 가속도 변화를 측정하여 활동 상태를 판단하고 활동량을 예측하여 에너지 소모량을 추정하며, 낙상 등과 같은 응급상황을 판단할 수 있다.
또한, 가속도 신호로부터 출력되는 아날로그 신호를 저전력 아날로그 신호처리회로를 통해 유용한 정보로 가공한 후 마이크로프로세서로 입력하는 방식을 사용함에 따라 기존 방식에서 사용하던 초당 수십 회 또는 수백 회의 샘플링 및 신호처리 과정을 필요치 않고, 아날로그 신호처리 회로로부터 추출된 정보를 초당 1회 정도 검출하여 처리함으로써 저전력 시스템이 가능하다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 유비쿼터스 헬스케어 시스템의 구성도
도 2는 가속도 신호를 이용한 자세 추정 그래프
도 3은 일반적인 에너지 정량화 순서
도 4는 적분 회로를 통과한 신호(ISVM)와 에너지 소모량의 관계를 나타낸 그래프
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명되는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명하기로 한다.
이하, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
유비쿼터스 헬스케어 시스템의 실시 예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 유비쿼터스 헬스케어 시스템의 구성도이다.
본 발명에 의한 유비쿼터스 헬스케어 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 마이프로프로세서(100), 3축 가속도센서(110), 저역 통과 필터(120), 고역 통과 필터(130), 적분 회로(140), 오프셋 검출회로(150), 자세 판별 디코더(160), 플래쉬 메모리(170), 무선 통신 모듈(180), 근거리 무선통신 모듈(190)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 3축 가속도센서(110)는 신체의 움직임에 따라 변화하는 가속도 정보를 측정하기 위한 가속도 센서로서, 기울임 상태에서 3축(x,y,z축)의 중력가속도 값을 각각 측정한다. 본 발명에서는 3축 가속도센서를 예로 들어 나타내었지만, 단일 축, 2축 등의 가속도 계측센서를 사용할 수도 있다.
상기 저역 통과 필터(120)는 상기 3축 가속도센서(110)로부터 출력되는 신호에 포함된 고주파 잡음성분을 제거하는 기능을 한다. 이때, 상기 고주파 잡음성분은 상기 3축 가속도센서(110)의 내부동작에 따라 발생하여 출력 신호에 포함되게 된다.
상기 고역 통과 필터(130)는 상기 3축 가속도센서(110)로부터 출력되는 신호에 포함된 지자계에 의한 오프셋 신호를 제거하는 기능을 한다. 상기 3축 가속도센서(110)로부터 출력되는 신호는 지자계에 의한 오프셋 신호를 포함하고 있으므로 지자계 성분에 의한 가속도 신호를 제거하고 순수하게 신체의 활동에 따른 가속도 성분만을 추출하기 위해 상기 고역 통과 필터(130)를 이용하여 지자계에 의한 가속도센서의 오프셋 신호를 제거하게 된다.
상기 적분 회로(140)는 상기 고역 통과 필터(130)를 이용하여 오프셋이 제거된 3축의 가속도 신호를 합산한 후 특정 시정수로 적분하여 특정 시간 동안의 활동량을 대변하는 아날로그 신호(활동 정보)를 획득하는 기능을 한다. 이와 같이, 상기 적분 회로(140)는 상기 고역 통과 필터(130)를 이용하여 오프셋이 제거된 3축의 가속도 신호를 합산함으로써 움직임에 따른 3축의 활동정보를 취합할 수 있으며, 이를 특정 시정수를 갖는 상기 적분 회로(140)를 이용하여 적분함으로써 순간 가속도 변화의 누적으로 표현하여 특정 시간 동안의 활동량을 대변하는 아날로그 신호를 획득할 수 있다.
기존의 방법에서 가속도 신호를 분석하기 위해서는 센서로부터 출력되는 신호를 초당 수십 회 또는 수백 회 샘플링을 취해야 하지만, 본 발명에서는 상기 3축 가속도 센서(110)로부터 출력된 신호를 상기 저역 통과 필터(120)와 고역 통과 필터(130) 및 적분 회로(140)로 구성된 아날로그 신호처리회로를 통해 가공하여 초당 1회 정도의 샘플링을 통해 활동량을 대변하는 정보의 획득이 가능하다. 따라서, 상기 마이크로프로세서(100)에서는 상기 적분 회로(140)로부터 출력된 아날로그 신호를 초당 1회 정도 입력하여 신호를 처리하기 때문에 작업량을 획기적으로 줄일 수 있어 저전력 구동이 가능하다.
상기 오프셋 검출회로(150)는 상기 저역 통과 필터(120)를 통과한 상기 3축 가속도 센서(110)로부터 출력된 신호를 입력하여, 가속도의 특정 축에서 오프셋 신호를 판별하여 상기 3축 가속도 센서(110)의 위치 또는 방향을 검출하는 기능을 한다. 상기 3축 가속도 센서(110)로부터 출력된 신호는 지자계에 의한 오프셋 신호를 포함하고 있으므로 가속도의 특정 축에서 오프셋 신호를 판별하여 상기 3축 가속도 센서(110)의 위치 또는 방향의 추정이 가능하다.
본 발명의 실시 예에서는 신발에 가속도 센서(예를 들어, 단축, 2축, 3축 가속도 센서 등)를 부착하고, 상기 가속도센서로부터 출력되는 지자계에 의한 오프셋 신호를 검출함에 따라 착용자의 상태 파악이 가능하다(정상적으로 서 있는 자세, 신발이 다양하게 뒤집어 진 상태 등). 특히, 정상적인 일상생활에서는 나타날 수 없는 가속도 센서의 오프셋 신호가 검출될 경우 착용자의 낙상, 골절 등으로 판단하여 상기 근거리 통신 모듈(190)을 통해 경보 기능을 하도록 구현할 수 있다.
상기 자세판별 디코더(160)는 상기 오프셋 검출회로(150)로부터 추출된 정보를 이용하여 다양한 자세(신발에 부착된 가속도센서가 위치한 상태)를 판별하여 아날로그 또는 디지털 신호로 자세 정보를 발생하는 회로이다.
기존의 가속도 측정 방식에서는 마이크로프로세서를 통해 초당 수십 회 또는 수백 회 샘플링을 수행하고, 신호처리기법의 적용을 통해 자세정보를 추출하였으나, 본 발명에서는 상기 오프셋 검출회로(150)와 상기 자세 판별 디코더(160)를 이용함으로써 초당 1회 정도의 샘플링을 통해 자세판별이 가능하도록 하였다. 이로 인해, 상기 마이크로프로세서(100)의 작업량을 획기적으로 줄임으로 저전력 구동이 가능하다.
상기 플래쉬 메모리(170)는 상기 적분 회로(140)에서 계측된 활동정보와 상기 자세 판별 디코더(160)에서 계측된 자세정보를 저장하는 기능을 한다. 이와 같이, 상기 계측된 활동정보 및 자세정보를 시스템 자체에 내장된 상기 플래쉬 메모리(170)에 저장함으로써 장시간의 활동정보 분석이 가능하다.
상기 무선 통신 모듈(180)은 가정, 사무실 등의 장소에 구비된 무선통신 수신기와의 무선 통신을 통해 PC 등 범용 네트워크 접속이 가능한 단말기로 상기 플래쉬 메모리(170)에 저장된 데이터를 전송하는 기능을 한다. 이와 같이, 상기 무선 통신 모듈(180)은 무선통신 수신기와의 무선통신을 통해 별도의 선 연결이 없이도 PC등 범용 네트워크 접속이 가능한 단말기로 상기 플래쉬 메모리(170)에 저장된 데이터를 전송함으로써, 지속적인 정보의 관리 및 모니터링이 가능하다.
상기 근거리 무선통신 모듈(190)은 블루투스 또는 지그비(Zigbee), 근 적외선 등 저전력 근거리 무선통신방식을 적용하여 계측된 정보(활동정보 및 자세정보)를 건강단말기로 전송하여 원격 모니터링이 가능하도록 지원한다. 만약, 근거리 무선통신이 불가능할 경우 자체에 내장한 상기 플래쉬 메모리(170)를 통해 계측된 정보를 저장하였다가 상기 무선 통신 모듈(180)을 이용하여 무선통신 수신기와 연결된 단말기로 저장된 정보를 전송함으로써, 지속적인 활동정보 및 자세정보의 관리 및 모니터링이 가능하다.
오프셋 검출회로 및 자세 판별 디코드 신호를 이용한 자세판별
본 발명에서는 상기 오프셋 검출회로(150)를 이용하여 지자계 방향과 가속도센서의 위치를 판별하고, 상기 자세 판별 디코더(160)에서 상기 오프셋 검출회로(150)로부터 추출된 정보를 이용하여 자세변화의 추정(판별)이 가능하다. 이때, 자세변화는 서 있거나 앉은 자세(standing & sitting; St. & Si.), 바로 누워있는 자세(lying; Ly.), 앞으로 누워있는 자세(lying-front; LyF.), 왼쪽으로 누워있는 자세(lying-left; LyL.), 오른쪽으로 누워있는 자세(lying-right; LyR.)의 5가지 이상의 자세 분류가 가능하다.
자세를 판단하기 위하여 가속도 센서의 중력방향에 따른 기울기의 차이에 의해 각 축의 진폭이 변화하는 특징을 이용하여 의사 결정 트리에 의해 판별이 가능하며, 각 자세별 가속도 센서의 출력 오프셋은 아래 표 1과 같다.
Figure pat00002
표 1에 제시된 St 또는 Si를 제외한 나머지 자세는 정상적인 보행 중에는 발생하지 않는 자세이며, 표 1을 이용하여 자세변화의 검출뿐만 아니라 급격한 가속도 변화 후 이상자세가 검출되었을 경우 낙상 등의 추정이 가능하며, 가속도 센서를 이용한 자세추정 일례는 도 2와 같다.
가속도 신호의 변화를 이용한 에너지 소모량 추정기법
기존의 방법에서는 정확한 에너지 소모량의 추정을 위해 가속도로부터 속도변화를 추정 후 운동에너지를 추정해야하며, 각 축의 가속도 변화 및 초기 속도 값의 추정 등 복잡한 연산과정을 거쳐야 한다(도 3 참조). 이러한 연산과정은 본 발명과 같은 저전력 시스템에는 적합하지 않다.
일반적으로, 가속도센서에서 나오는 가속도 값을 적분하여 각 축의 방향의 속도를 구하고 이를 운동에너지 공식에 대입하여 활동량을 예측할 수 있다. 여기서 운동에너지를 구하기 위한 수식은 아래 수학식 1과 같다.
Figure pat00003
여기서,
Figure pat00004
은 체중을 의미하며,
Figure pat00005
는 가속도 센서로부터 출력된 가속도 변화로부터 추정한 속도이다.
본 발명에서는 보다 간편한 에너지 소모량의 추정을 위해 시스템의 적분 회로(140)를 통과한 신호(ISVM)와 운동에너지와의 관계식을 도출하여 에너지 소모량을 추정하는 기법을 적용하였다.
본 발명에서는 추정된 운동에너지와 가속도 신호로부터 쉽게 계산이 가능한 ISVM과의 상관관계 분석한 결과 아래 수학식 2와 같은 관계식을 나타내었다. 이때, 상관계수는 0.9645로 상관식을 도출하였다.
Figure pat00006
끝으로, 상기 적분 회로(140)를 통과한 신호(ISVM)와 에너지 소모량의 관계를 도 4에 나타내었다.
본 발명의 유비쿼터스 헬스케어 시스템을 신발에 적용할 경우, 신발의 안창, 밑창, 뒤꿈치, 앞꿈치, 신발 끈, 측면, 후면, 전면 등 어느 한 곳에 내장 또는 설치하여 구성할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 유비쿼터스 헬스케어 시스템 및 이를 구비한 다기능 신발은 가속도 센서 및 신호처리회로를 내장한 다기능 신발을 통해 일상생활 중 활동 상태에 따른 가속도 변화를 측정하여 활동 상태를 판단하고 활동량을 예측하여 에너지 소모량을 추정하며, 가속도 센서의 자세변화를 검출하여 낙상 등과 같은 응급상황을 판단함으로써, 본 발명의 기술적 과제를 해결할 수가 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시 예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(당업자)라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명에서는 유비쿼터스 헬스케어 시스템을 신발에 내장한 예에 대해 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 유비쿼터스 헬스케어 시스템을 착용자의 몸이나 다른 곳에 부착하여 착용자의 활동정보 및 자세정보를 지속적으로 관리 및 모니터링 하도록 동일하게 적용할 수 있다.
100 : 마이프로프로세서 110 : 3축 가속도센서
120 : 저역 통과 필터 130 : 고역 통과 필터
140 : 적분 회로 150 : 오프셋 검출회로
160 : 자세 판별 디코더 170 : 플래쉬 메모리
180 : 무선 통신 모듈 190 : 근거리 무선통신 모듈

Claims (8)

  1. 유비쿼터스 헬스케어 시스템에 있어서,
    신체의 움직임에 따라 변화하는 가속도 정보를 측정하는 가속도 센서와;
    상기 가속도센서의 출력 신호에 포함된 고주파 잡음성분을 제거하는 저역 통과 필터와;
    상기 가속도센서의 출력 신호에 포함된 지자계에 의한 오프셋 신호를 제거하는 고역 통과 필터와;
    상기 고역 통과 필터를 이용하여 오프셋이 제거된 가속도 신호를 합산한 후 적분하여 특정 시간 동안의 활동량 정보를 획득하는 적분 회로와;
    상기 가속도 센서의 출력 신호에 포함된 오프셋 신호를 판별하여 상기 가속도 센서의 위치 및 방향을 검출하는 오프셋 검출회로와;
    상기 오프셋 검출회로로부터 추출된 정보에 의해 상기 가속도 센서의 위치 상태를 판별하여 자세 정보를 발생하는 자세 판별 디코더와;
    상기 활동량 및 자세 정보를 저장하는 메모리; 및
    상기 적분 회로 및 자세 판별 디코더로부터 상기 활동량 및 자세 정보를 수신받아 상기 메모리에 저장하고, 상기 메모리에 저장된 정보를 무선 통신모듈 또는 근거리 무선 통신모듈을 통해 외부 단말기로 전송하는 마이크로프로세서;
    를 포함하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적분 회로 및 상기 자세 판별 디코더는 초당 1회 정도의 샘플링을 통해 활동량 정보 및 자세 정보를 획득하여 상기 마이크로프로세서로 각각 출력하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가속도 센서는 단축, 2축, 3축 가속도 센서 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 무선 통신 모듈은:
    가정, 사무실을 포함한 장소에 구비된 무선통신 수신기와의 무선 통신을 통해 PC를 포함한 범용 네트워크 접속이 가능한 단말기로 상기 플래쉬 메모리에 저장된 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 근거리 무선통신 모듈은:
    블루투스, 지그비(Zigbee), 근 적외선 통신을 포함한 저전력 근거리 무선통신 방식을 적용하여 계측된 정보(활동정보 및 자세정보)를 무선 통신 수신기를 구비한 단말기로 전송하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 유비쿼터스 헬스케어 시스템은:
    상기 적분 회로(140)를 통과한 신호(ISVM)와 운동에너지와의 관계식을 아래의 수학식으로 도출하여 에너지 소모량을 추정하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템.
    Figure pat00007

    여기서, 상관계수는 0.9645이다.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로프로세서는:
    상기 오프셋 검출 회로 및 자세 판별 디코더의 출력 신호에 의해, 착용자의 자세를 판단하고, 정상적인 일상생활에서는 나타날 수 없는 오프셋 신호가 검출될 경우 착용자의 낙상, 골절 등으로 판단하여 상기 근거리 통신 모듈을 통해 경보 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스케어 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 유비쿼터스 헬스케어 시스템을 구비한 다기능 신발.
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