KR20130013093A - 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑 및 그 방법 - Google Patents

전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전도성 소재로 이루어진 장갑 제1면에, 각각의 손가락마다 손가락 마디가 구부러지는 곳 중 두 곳에 구비되어 있는 두 개의 접점들; 상기 각각의 손가락마다 구비된 두 개의 접점 중 상기 손가락 위쪽 부분에 위치하여, 아날로그 디지털 변환기와 연결되어 있는 제1 접점들; 상기 두 개의 접점 중 상기 손가락 아래쪽 부분에 위치하여, 데이터 처리부와 연결되어 있는 제2 접점들; 및 상기 제1 접점들과 상기 제2 접점들 사이에 각각 위치하여, 상기 장갑의 손가락 부분을 펴고, 구부림에 따라 내부 저항값이 변화하는 센서부를 포함하는 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑이다.

Description

전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑 및 그 방법{FINGER MOVEMENT RECOGNITION GLOVE AND METHOD USING CONDUCTIVE COATED MATERIAL}
본 발명은 수화 동작인식을 목적으로 하는 데이터 장갑에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전도성 섬유로 제작된 장갑 자체가 센서로 동작할 수 있는 특성을 활용하여, 부가적인 센서 없이 손가락의 구부러짐을 인식하기 위한 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑 및 그 방법에 관한 것이다.
현재 여러 분야에서 지능형 로봇의 기술이 개발되고 있고, 이 중 장애인을 위한 기술과 장비의 개발도 늘어나고 있는 추세이다. 우리나라 장애인 인구는 2009년 현재 약 240만명으로 총 인구의 약 5%에 달하고 있으며, 이는 지속적으로 크게 높아지고 있다. 이 중 약 10%가 청각 장애인과 언어 장애인으로 분류된다.
미국의 경우도 청각장애 인구만 약 200만명으로 그 수가 상당히 많다. 이들의 주 의사소통 수단은 미국 수화(American Sign Language)이다. 한국 수화는 5000여 개의 수화 단어와 31개의 지문자 그리고, 26개의 지숫자로 이루어져 있다. 미국 수화 역시 약 6천 개의 단어를 표현하는 수화가 있고, 역시 26개의 지문자와 지숫자로 이루어져 있다.
언어 및 청각 장애인들은 일반적으로 수화를 사용해 대화를 하지만 수화를 모르는 일반 사람들과는 의사소통이 힘든 실태이다. 이렇듯 장애인들을 위한 손가락 알파벳(Finger Alphabet) 인식 센서 장갑을 개발하여 장애인들의 원만한 의사소통을 가능하게 하는 기술의 발판이 마련되고 있다.
또한, 수화를 일반 사람들이 인식할 수 있는 형태로 전환해주는 기술은 교육이나 복지 측면에 많은 기여를 할 수 있다. 손가락 알파벳(Finger Alphabet)의 기술적인 인식은 더 나아가 현재 개발되는 많은 음성인식 장치들을 사용할 수 없는 장애인들을 위하여 키보드나 마우스 등을 대신하는 컴퓨터 입력 장치로서의 역할도 수행할 수 있다.
수화를 인식하여 번역해주는 종래의 기술에는 가변저항(Variable Resistor), 플렉서 센서(Flex Sensor), 홀 센서(Hall Sensor) 등의 센서를 손가락의 각 마디에 설치하여 제작한 특수한 데이터 장갑과 그에 부착된 다양한 센서 정보의 결합으로 움직임을 판단하고, 출력을 결정하는 방법에 제시되었다.
그러나, 가변저항은 장갑에 장착하기 위해 하드웨어를 제작해야 하며, 그에 따라 실제로 착용시 손의 동작에 부담이 될 수 있는 문제점이 있었다.
플렉서 센서는 센서의 휘어지는 각 포인트에 변하는 저항값이 상관관계가 없어 손가락의 어느 마디가 휘어졌는지를 측정하기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 홀 센서는 자기장의 방향과 홀 센서의 방향에 대하여 출력 값이 변하기 때문에, 같은 동작에 대하여 출력 값에 오차가 있을 수 있으며, 홀 센서와 자석을 쌍으로 사용하여야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 수화 동작인식을 목적으로 하는 데이터 장갑을 제공하기 위한 것이다. 보다 구체적으로는 전도성 섬유로 제작된 장갑 자체가 센서로 동작할 수 있는 특성을 활용하여, 부가적인 센서 없이 손가락의 구부러짐을 인식하기 위한 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑 및 그 방법을 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 수화동작 과정에 큰 불편함을 주지 않으면서 다른 발명에 비해 매우 저렴하게 제작할 수 있는 데이터 장갑을 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑은,
전도성 소재로 이루어진 장갑 제1면에, 각각의 손가락마다 손가락 마디가 구부러지는 곳 중 두 곳에 구비되어 있는 두 개의 접점들;
상기 각각의 손가락마다 구비된 두 개의 접점 중 상기 손가락 위쪽 부분에 위치하여, 아날로그 디지털 변환기와 연결되어 있는 제1 접점들;
상기 두 개의 접점 중 상기 손가락 아래쪽 부분에 위치하여, 데이터 처리부와 연결되어 있는 제2 접점들; 및
상기 제1 접점들과 상기 제2 접점들 사이에 각각 위치하여, 상기 장갑의 손가락 부분을 펴고, 구부림에 따라 내부 저항값이 변화하는 센서부를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 방법은,
전도성 소재로 이루어진 장갑 제1면에, 각각의 손가락마다 손가락 마디가 구부러지는 곳 중 두 곳에 구비되어 있는 두 개의 접점들을 구비하는 과정;
상기 각각의 손가락마다 구비된 두 개의 접점 중 상기 손가락 위쪽 부분에 위치하는 제1 접점들과 아날로그 디지털 변환기를 연결하는 과정;
상기 두 개의 접점 중 상기 손가락 아래쪽 부분에 위치하는 제2 접점들과 데이터 처리부를 연결하는 과정; 및
상기 제1 접점들과 상기 제2 접점들 사이에 각각 위치하여, 상기 장갑의 손가락 부분을 펴고, 구부림에 따라 내부 저항값이 변화하는 센서부를 연결하는 과정을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명의 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑 및 그 방법에 따르면, 전도성 섬유로 제작된 장갑 자체가 센서로 동작할 수 있는 특성을 활용하여, 부가적인 센서 없이 손가락의 구부러짐을 인식하기 위한 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑 및 그 방법을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑의 사시도를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑의 각 접점을 도시한 도면.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑의 구성을 도시한 블록도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑에 있어, 출력저항의 위치를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 아날로그 디지털 변환기의 위치를 도시한 도면.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 방법에 있어, 손가락 동작 인식 방법을 시간의 흐름에 따라 나타낸 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑의 사시도를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑의 형태는 통상의 장갑과 특별한 차이가 없다.
그러나, 그 소재는 전도성 섬유(conductive fiber)로 이루어져 있다. 전도성 섬유란 도전성 섬유라고도 한다. 탄소-탄소 단일결합과 이중결합이 교대로 공액된 폴리아세틸렌과 같은 유기고분자는 전자수용체인 아이오딘 등으로 도핑(doping)하면 전기전도도가 2×104 Ω-1·cm-1의 금속에 버금가는 양도체가 되지만 현재까지 섬유의 형태를 이루는 재료는 없다. 따라서 전기전도성의 탄소 입자를 소재 고분자에 혼합하여 섬유 형태로 만든 것이 현재로는 주류를 이루고 있다.
본 발명에서는 전자파 차폐섬유나 정전기 방지 포장재 등을 이용하는데, 표면에 전도성 코팅이 되어있어, 그 자체로 수 KΩ 정도의 저항을 가지고 있다. 또한, 특정 두 점에서의 전기저항은 섬유의 구부러짐에 따라 변화하게 된다. 이러한 특성으로부터 장갑형태로 제작하였을시, 손가락을 펴고, 구부림에 따라 특징적인 두 점 사이의 저항값이 변화하며, 이를 통해 손가락의 움직임을 측정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑의 각 접점을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전도성 소재로 이루어진 장갑 제1면(윗면 또는 아랫면)에 각각의 손가락마다 손가락 마디가 구부러지는 곳 중 임의의 두 곳에 접점을 부착한다. 즉, 전도성 섬유로 이루어진 장갑은 손가락 사이의 압박에 따라 저항이 변화하기 때문에, 엄지를 제외한 나머지 네 손가락은 손가락 마디가 구부러지는 곳 중 임의의 두 곳인 첫째 마디와 둘째 마디, 첫째 마디와 셋째 마디 또는 둘째 마디와 셋째 마디 위를 접점으로 정한다. 그리고, 엄지 손가락은 첫째 마디와 둘째 마디 위를 접점으로 정한다.
각각의 다섯 손가락 중에서 위쪽 부분에 부착한 총 다섯 접점으로 구비된 제1 접점들(201), 아래쪽 부분에 부착한 총 다섯 접점으로 구비된 제2 접점들(202)로 구성될 수 있다. 따라서, 제1 접점들(201)과 제2 접점들(202) 사이에는 별도의 가변저항이 구비되어 있지 않지만, 상술한 바와 같이 본 발명의 장갑은 전도성 섬유로 이루어져 있어, 손가락을 펴고, 구부림에 따라 제1 접점들(201)과 제2 접점들(202) 사이의 저항값이 변화하며, 이를 통해 손가락의 움직임을 측정할 수 있다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑의 구성을 도시한 블록도 이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑은 센서부(301), 인터페이스부(302), 데이터 처리부(303), 전원부(304), 통신모듈(305)로 구성될 수 있다.
센서부(301)는 제1 접점들(201)과 제2 접점들(202) 사이에 각각 위치한다. 즉, 엄지부터 약지까지 총 다섯 개의 센서부(301)가 구비되어, 손가락이 구부러짐에 따라 센서부(301)의 내부저항이 변화하게 된다.
인터페이스부(302)는 제2 접점들(202)과 각각 연결되어 있다. 즉, 총 다섯 개의 인터페이스부(302)가 구비되어, 센서부(301)에서 발생된 데이터를 전달받아 데이터 처리부(303)로 전송한다.
데이터 처리부(303)는 인터페이스부(302)와 연결되어, 인터페이스부(302)에서 전송한 데이터를 전송받아 데이터를 처리한다.
전원부(304)는 데이터 처리부(303)와 연결되어, 데이터 처리부(303)에 전원을 공급한다.
통신모듈(305)은 데이터 처리부(303)에서 처리된 데이터를 전달받아 데이터를 송수신한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑에 있어, 출력저항의 위치를 도시한 도면이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 총 다섯 개의 제1 접점들(201)과 임의의 저항값인 출력저항(R1, R2, R3, R4, R5:401)을 연결하고, 총 다섯 개의 제2 접점들(202)을 접지로 연결한다.
총 다섯 개의 임의의 출력저항(401)을 제1 접점들(201)과 연결하는 이유는 센서부(301)의 내부저항값이 변화함에 따른 센서부(301)의 단자전압을 측정하기 위함이다. 즉, 장갑을 착용한 손가락을 펴고, 구부림에 따라 센서부(301)의 내부저항값이 변화하게 되고, 이에 따른 센서부(301)의 변화된 단자전압을 측정하기 위함이다. 따라서, 변화된 센서부(301)의 단자전압을 측정하여, 손가락의 움직임을 측정할 수 있는 것이다.
손가락마다 각각의 출력저항(401)은 각 손가락의 저항 변화에 따라 다른 값을 갖는 저항으로 선정하였다. 각 손가락에 최적화된 출력 저항값을 구하는 방법은 아래와 같다.
Figure pat00001
센서부의 단자전압(아날로그 디지털 변환기에 입력되는 전압)은 전압분배의 법칙에 따라 위와 같이 구할 수 있다.
여기서, 각각의 기호는 다음과 같이 정의한다.
Vs : 센서부의 단자전압 VIN : 손가락에 인가되는 전압
RS : 센서부의 내부저항 RI : 각 손가락의 출력저항
Figure pat00002
손가락을 폈을 때와 구부렸을 때, 센서부의 단자전압(아날로그 디지털 변환기에 입력되는 전압)은 전압분배의 법칙에 따라 손가락을 폈을 때의 단자전압에서 손가락을 구부렸을 때의 단자전압의 차이로 구할 수 있다.
여기서, 각각의 기호는 다음과 같이 정의한다.
VD : 전압차이(손가락을 폈을 때와 구부렸을 때 전압의 차이)
RF : 손가락을 폈을 때 센서부의 내부저항
RB : 손가락을 구부렸을 때 센서부의 내부저항
RI : 손가락의 출력저항
<수학식 2>를 RI에 대한 2차 방정식으로 정리하고, 근에 공식에 따라 RI 값을 정리하면,
Figure pat00003
이고, 계산의 편의를 위하여 A와 B값은 다음의 값으로 치환된 것이다.
Figure pat00004
Figure pat00005

Figure pat00006
여기서, RI의 최적값은 인식율이 최대가 될 때(VDMAX)이고, 이때의 RI는 위와같은 계산에 의해 구할 수 있다.
계산의 편의를 위하여 A와 B값은 다음의 값으로 치환된 것이다.
Figure pat00007
Figure pat00008

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 아날로그 디지털 변환기의 위치를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 출력저항과 연결되어 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 전압 분배의 법칙에 따라 센서부의 아날로그 단자전압을 측정하고, 센서부에서 측정된 아날로그 전압을 디지털 신호로 변환한다. 이와 같이, 변환된 디지털 전압으로 손가락 동작을 인식할 수 있다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 방법에 있어, 손가락 동작 인식 방법을 시간의 흐름에 따라 나타낸 순서도 이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 전도성 소재로 이루어진 장갑을 착용한 손가락을 펴거나 구부리면(501), 제1 접점들과 제2 접점들 사이에 각각 위치한 센서부의 내부저항값이 변화하게 된다(502). 전원부에서 제공된 전원으로 센서부의 변화된 내부저항과 제1 접점들과 연결된 출력저항으로 전류가 흐르게 된다(503). 센서부의 내부저항과 출력저항 중 내부저항의 단자전압은 전압분배의 법칙에 따라 측정된다(504). 이후, 아날로그 디지털 변환기에서는 센서부에서 측정된 아날로그 전압을 디지털 전압으로 변환한다(505). 상술한 과정(505)에서 변환된 디지털 전압으로 사용자가 입력하고자 하는 손가락 동작을 인식하고(506), 손가락 동작 인식 방법은 종료하게 된다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
201: 제1 접점들 202: 제2 접점들
301: 센서부 302: 인터페이스부
303: 데이터 처리부 304: 전원부
305: 통신모듈 401: 출력저항

Claims (12)

  1. 전도성 소재로 이루어진 장갑 제1면에, 각각의 손가락마다 손가락 마디가 구부러지는 곳 중 두 곳에 구비되어 있는 두 개의 접점들;
    상기 각각의 손가락마다 구비된 두 개의 접점 중 상기 손가락 위쪽 부분에 위치하여, 아날로그 디지털 변환기와 연결되어 있는 제1 접점들;
    상기 두 개의 접점 중 상기 손가락 아래쪽 부분에 위치하여, 데이터 처리부와 연결되어 있는 제2 접점들; 및
    상기 제1 접점들과 상기 제2 접점들 사이에 각각 위치하여, 상기 장갑의 손가락 부분을 펴고, 구부림에 따라 내부 저항값이 변화하는 센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 접점들과 상기 데이터 처리부 사이에 각각 구비되어, 상기 센서부에서 발생된 데이터를 전달받아 상기 데이터 처리부로 전송하는 인터페이스부;
    상기 데이터 처리부에 전원을 공급하는 전원부; 및
    상기 데이터 처리부에서 처리된 데이터를 전달받아 데이터를 송수신하는 통신모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접점들과 상기 아날로그 디지털 변환기 사이에 각각 연결되어 있는 출력저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는 접지와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑.
  5. 제1항에 있어서, 상기 아날로그 디지털 변환기는,
    상기 센서부의 측정된 아날로그 단자전압을 디지털 단자전압으로 변환하여 출력하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑.
  6. 제5항에 있어서, 상기 센서부의 아날로그 단자전압의 측정은,
    상기 출력저항과 상기 센서부의 내부저항 중 상기 센서부의 내부저항의 단자전압을 전압분배의 법칙에 따라 측정하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 장갑.
  7. 전도성 소재로 이루어진 장갑 제1면에, 각각의 손가락마다 손가락 마디가 구부러지는 곳 중 두 곳에 구비되어 있는 두 개의 접점들을 구비하는 과정;
    상기 각각의 손가락마다 구비된 두 개의 접점 중 상기 손가락 위쪽 부분에 위치하는 제1 접점들과 아날로그 디지털 변환기를 연결하는 과정;
    상기 두 개의 접점 중 상기 손가락 아래쪽 부분에 위치하는 제2 접점들과 데이터 처리부를 연결하는 과정; 및
    상기 제1 접점들과 상기 제2 접점들 사이에 각각 위치하여, 상기 장갑의 손가락 부분을 펴고, 구부림에 따라 내부 저항값이 변화하는 센서부를 연결하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 접점들과 상기 데이터 처리부 사이에 각각 구비되어, 상기 센서부에서 발생된 데이터를 전달받아 인터페이스부에서 상기 데이터 처리부로 전송하는 과정;
    상기 데이터 처리부에 전원부가 전원을 공급하는 과정; 및
    상기 데이터 처리부에서 처리된 데이터를 전달받아 통신모듈에서 데이터를 송수신하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 접점들과 상기 아날로그 디지털 변환기 사이에 각각 출력저항을 연결하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 데이터 처리부에 접지를 연결하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 접점들과 상기 아날로그 디지털 변환기를 연결하는 과정은,
    상기 센서부의 측정된 아날로그 단자전압을 디지털 단자전압으로 변환하여 출력하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 센서부의 아날로그 단자전압의 측정은,
    상기 출력저항과 상기 센서부의 내부저항 중 상기 센서부의 내부저항의 단자 전압을 전압분배의 법칙에 따라 측정하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재를 이용한 손가락 동작 인식 방법.


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