KR20150102312A - 압력센서와 블루투스를 이용한 보행자세 측정시스템 - Google Patents

압력센서와 블루투스를 이용한 보행자세 측정시스템 Download PDF

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KR20150102312A
KR20150102312A KR1020140024041A KR20140024041A KR20150102312A KR 20150102312 A KR20150102312 A KR 20150102312A KR 1020140024041 A KR1020140024041 A KR 1020140024041A KR 20140024041 A KR20140024041 A KR 20140024041A KR 20150102312 A KR20150102312 A KR 20150102312A
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walking
sensor
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pressure sensor
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전승현
신정문
이세진
김익현
이재길
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강릉원주대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 보행자세 측정시스템에 관한 것으로, 사용자의 발에 가해지는 힘이나 발의 움직임을 감지하는 센서, 센서의 측정값을 포함하는 보행정보를 수집 및 처리하는 마이크로 컨트롤러, 보행정보를 외부에 전송하는 통신모듈을 구비하는 신발; 및 신발로부터 보행정보를 수신하는 통신모듈, 보행정보를 처리하는 처리모듈, 보행정보를 저장하는 저장부, 보행정보를 도식화하는 기능을 구현하는 애플리케이션, 처리결과를 출력하는 출력부를 구비하는 이동통신 단말기를 포함하는 보행자세 측정시스템을 제공한다.

Description

압력센서와 블루투스를 이용한 보행자세 측정시스템{Walk posture measurement system using pressure sensor and bluetooth}
본 발명은 보행자세 측정시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압력센서와 블루투스를 탑재한 스마트 신발 및 스마트폰을 포함하는 보행자세 측정시스템에 관한 것이다.
기존 출시 및 개발되고 있는 나이키 아이팟 슈즈와 구글 슈즈 등의 스마트 신발의 경우, 운동효과 증진의 목적에 초점을 두고 있기 때문에, 사용자의 걸음걸이로 야기될 수 있는 척추질환에 대한 분석 및 방법 제시가 부족하다.
기존 기술 중 자세교정 신발들의 경우, 사용자의 보행정보를 측정하는 척도가 되는 압력센서의 정밀함이 떨어지고 압력센서의 부착 개수가 적기 때문에, 발바닥의 하단, 중단, 상단의 압력 수치를 정밀하고 세세하게 측정할 수 없다. 또한, 사용자에게 잘못된 보행을 경고하는 방법으로 진동 또는 소리를 이용하기 때문에, 본인의 보행에 대한 사용자의 객관적인 판단 및 확인이 힘들다.
블루투스를 통한 근거리 통신을 사용하고 있는 신발의 경우, 블루투스 통신으로 매칭되는 디스플레이가 특정되어 있기 때문에, 가용성이 떨어진다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 부적절한 걸음걸이로 인해 발이 뒤틀리거나 균형을 잡지 못하게 되고, 체형의 변화뿐만 아니라 골반 틀림으로 어깨와 허리에 통증을 주는 것을 예방 및 치료할 수 있는 보행자세 측정시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 사용자의 발에 가해지는 힘이나 발의 움직임을 감지하는 센서, 센서의 측정값을 포함하는 보행정보를 수집 및 처리하는 마이크로 컨트롤러, 보행정보를 외부에 전송하는 통신모듈을 구비하는 신발; 및 신발로부터 보행정보를 수신하는 통신모듈, 보행정보를 처리하는 처리모듈, 보행정보를 저장하는 저장부, 보행정보를 도식화하는 기능을 구현하는 애플리케이션, 처리결과를 출력하는 출력부를 구비하는 이동통신 단말기를 포함하는 보행자세 측정시스템을 제공한다.
본 발명에서 센서는 압력센서일 수 있다.
본 발명에서 압력센서는 신발의 상부에 2개 이상, 중간에 1개 이상, 하부에 2개 이상 설치될 수 있다.
본 발명에서 통신모듈은 블루투스 칩셋일 수 있다.
본 발명에서 신발 및 이동통신 단말기는 리튬 이온 배터리를 구비할 수 있다.
본 발명에서 이동통신 단말기는 각 압력센서에서 측정된 하중을 그 크기에 따라 세분하여 색상별로 출력할 수 있다.
본 발명에서 애플리케이션은 만보기 기능 및 칼로리 계산기 기능을 구현할 수 있다.
본 발명에서 보행정보는 데이터베이스화되어 저장될 수 있다.
본 발명에 따른 보행자세 측정시스템은 사용자의 걸음 형태를 측정하여 습관 및 자세를 파악할 수 있으며, 이를 통해 건강에 해가 되는 걸음을 본인이 사용하는 스마트폰을 통해 실시간으로 확인 및 교정할 수 있다. 본 발명에 따른 스마트 신발과 스마트폰을 이용하면, 외상 후 재활을 원하는 자나 운동을 목적으로 신체능력 향상을 요하는 자 등 다방면의 대상에게 효과적이고 바른 걸음걸이를 제시함으로써, 부적절한 보행으로 올 수 있는 2차 피해에 대하여 예방과 치료 두 가지의 효과를 볼 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트 신발의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 스마트 신발의 저면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 보행자세 측정시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스마트폰의 메인 화면이다.
도 5는 본 발명에 따른 스마트폰의 측정 메뉴 화면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트 신발의 사시도이고, 도 2는 스마트 신발의 저면도로서, 스마트 신발(10)은 센서(11), 마이크로 컨트롤러(12), 통신모듈(13), 배터리(14) 등을 구비할 수 있다.
센서(11)는 사용자의 발에 가해지는 힘이나 발의 움직임을 감지하는 역할을 한다. 센서(11)는 압력센서, 자이로 센서, 가속도 센서, 적외선 센서, 터치 센서, 근전도 센서 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합일 수 있으며, 바람직하게는 압력센서를 이용할 수 있다.
압력센서는 압력을 검출하는 센서로서, 예를 들어 FSR(Force Sensitive Resistor) 센서를 이용할 수 있다. FSR 센서는 가해지는 힘에 따라 그 저항값이 변화되는 것을 검출하는 센서이다. 압력센서는 보행시 하중에 다른 압력 값을 측정할 수 있다.
자이로 센서는 각 속도(회전 속도)를 감지하는 센서로서, 각(Angle)이 변화하는 정도를 감지하는 센서이다.
가속도 센서는 이동하는 물체의 가속도나 충격의 세기를 측정하는 센서로서, 출력 신호를 처리하여 물체의 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 측정하는 센서이다.
적외선 센서는 적외선을 이용해 온도, 압력, 방사선의 세기 등의 물리량이나 화학량을 검지하여 신호처리가 가능한 전기량으로 변환하는 센서이다. 기계가 적외선을 발산하여 차단되는 것을 감지하는 것과 주변의 적외선을 검출하는 것이 있다. 스스로 적외선을 복사하여 빛이 차단됨으로써 변화를 검지하는 능동식과, 자체에는 발광기를 가지지 않고 외계로부터 받는 적외선의 변화만을 읽어내는 수동식이 있다. 적외선이란 전자기파 스펙트럼 중 가시광선의 적색광보다 길고 마이크로파보다 짧은 파장, 즉 파장 0.75 ㎛ 내지 1 mm의 복사선을 가리킨다.
터치 센서는 손끝으로 누르면 화면상에 표시된 지시를 입력할 수 있는 센서이다. 센서의 원리로서는 용량 변화식, 전기전도도 변화식(저항 변화식), 광량 변화식 등이 있다. 표시 화면에 손만 댐으로써 입력할 수 있다.
근전도 센서는 근육 사용에 따라 인체에서 발생하는 근전도 신호를 검출하는 센서이다. 근전도 신호는 다른 생체 신호들보다 진폭이 크고 잡음에 강한 특성이 있다.
센서(11)는 신발(10)의 밑창 또는 안창에 그 표면이나 내부에 설치될 수 있다. 센서(11)는 도 2에 도시된 바와 같이, 신발(10)의 상부에 2개 이상, 중간에 1개 이상, 하부에 2개 이상 설치되는 것이 바람직하다. 즉, 센서(11)는 적어도 5개 이상 설치되는 것이 바람직하다. 종래기술과 달리, 본 발명에서는 사용자의 보행측정에 척도가 되는 압력센서가 신발의 상부에 2개 이상, 중간에 1개 이상, 하부에 2개 이상가 부착됨으로써, 좀 더 세밀한 보행 데이터 수집이 이루어질 수 있다.
센서(11)는 전압 분배기 및 AD 변환기를 구비할 수 있다. AD 변환기는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 마이크로 컨트롤러(12)에 전달할 수 있다.
마이크로 컨트롤러(12)는 센서의 측정값을 포함하는 보행정보를 수집 및 처리하는 역할을 한다. 마이크로 컨트롤러(12)의 설치 위치는 특별히 제한되지 않고, 신발(10)의 어느 부위에나 설치 가능하다. 예를 들어 겉에 드러나게 설치되거나, 내부에 삽입될 수도 있다.
마이크로 컨트롤러(12)는 아두이노 칩셋일 수 있다.
아두이노(Arduino)는 오픈소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로 컨트롤러이다. AVR을 기반으로 한 보드로 이루어져 있고 최근에는 Cortex-M3를 이용한 제품(Arduino Due)도 있다. 소프트웨어 개발을 위한 통합 환경(IDE)이 있다. 아두이노는 다수의 스위치나 센서로부터 값을 받아들여, LED나 모터와 같은 외부 전자 장치들을 통제함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어낼 수 있다. 또한 플래시, 프로세싱, Max/MSP와 같은 소프트웨어를 연동할 수 있다.
아두이노의 가장 큰 장점은 마이크로컨트롤러를 쉽게 동작시킬 수 있다는 것이다. 일반적으로 AVR 프로그래밍이 WinAVR로 컴파일하여, ISP장치를 통해 업로드를 해야하는 등 번거로운 과정을 거쳐야하는데 비해, 아두이노는 컴파일된 펌웨어를 USB를 통해 업로드를 쉽게 할 수 있다. 또한 아두이노는 다른 모듈에 비해 비교적 저렴하고, 윈도를 비롯해 맥 OS X, 리눅스와 같은 여러 OS를 모두 지원한다. 아두이노 보드의 회로도가 CCL에 따라 공개되어 있으므로, 누구나 직접 보드를 직접 만들고 수정할 수 있다.
통신모듈(13)은 보행정보를 외부에 전송하는 역할을 한다. 통신모듈(13)은 블루투스 칩셋(chipset)일 수 있다. 블루투스 통신모듈을 통해 사용자의 보행정보를 스마트폰(20)으로 무선 전송 가능하다. 통신모듈(13)의 설치 위치는 특별히 제한되지 않고, 신발(10)의 어느 부위에나 설치 가능하다.
블루투스 통신을 이용하여 스마트폰(20)과 1:1 연결이 가능하다. 특히 스마트폰 사용자가 절대 다수를 이루고 있는 지금, 별도의 단말기의 추가 없이 본인의 스마트폰을 사용한다는 점은 비용적인 측면과 휴대성이 종래기술보다 크게 향상되었다고 할 수 있다.
블루투스(Bluetooth)는 휴대폰, 노트북, 이어폰·헤드폰 등의 휴대기기를 서로 연결해 정보를 교환하는 근거리 무선 기술 표준을 뜻한다. 주로 10미터 안팎의 초단거리에서 저전력 무선 연결이 필요할 때 쓰인다.
블루투스의 무선 시스템은 ISM(Industrial Scientific and Medical) 주파수 대역인 2400 내지 2483.5 MHz를 사용한다. 이 중 위아래 주파수를 쓰는 다른 시스템들의 간섭을 막기 위해 2400 MHz 이후 2 MHz, 2483.5 MHz 이전 3.5 MHz까지의 범위를 제외한 2402 내지 248 0MHz, 총 79개 채널을 쓴다. ISM이란 산업, 과학, 의료용으로 할당된 주파수 대역으로, 전파 사용에 대해 허가를 받을 필요가 없어 저전력의 전파를 발산하는 개인 무선기기에 많이 쓰인다. 아마추어 무선, 무선랜, 블루투스가 이 ISM 대역을 사용한다.
여러 시스템과 같은 주파수 대역을 이용하기 때문에 시스템간 전파 간섭이 생길 우려가 있는데, 이를 예방하기 위해 블루투스는 주파수 호핑(Frequency Hopping) 방식을 취한다. 주파수 호핑이란 많은 수의 채널을 특정 패턴에 따라 빠르게 이동하며 패킷(데이터)을 조금씩 전송하는 기법이다. 블루투스는 할당된 79개 채널을 1초당 1600번 호핑한다.
이 호핑 패턴이 블루투스 기기 간에 동기화되어야 통신이 이루어진다. 블루투스는 기기 간 마스터(Master)와 슬레이브(slave) 구성으로 연결되는데, 마스터 기기가 생성하는 주파수 호핑에 슬레이브 기기를 동기화시키지 못하면 두 기기 간 통신이 이루어지지 않는다. 이로 인해 다른 시스템의 전파 간섭을 피해 안정적으로 연결될 수 있게 된다. 참고로 하나의 마스터 기기에는 최대 7대의 슬레이브 기기를 연결할 수 있으며, 마스터 기기와 슬레이브 기기 간 통신만 가능할 뿐 슬레이브 기기 간의 통신은 불가능하다. 그러나 마스터와 슬레이브의 역할은 고정된 것이 아니기 때문에 상황에 따라 서로 역할을 바꿀 수 있다.
마이크로 컨트롤러(12) 및 통신모듈(13)은 컴퓨터의 메인보드에 장착되는 것처럼 하나의 기판에 장착될 수도 있다.
배터리(14)는 센서(11), 마이크로 컨트롤러(12), 통신모듈(13) 등에 전원을 공급하는 역할을 한다. 배터리(14)는 도 1에 도시된 바와 같이, 신발(10)의 표면에 설치될 수 있으며, 그 설치 위치를 필요에 따라 적절하게 변경할 수 있다.
배터리(14)로는 리튬 이온 배터리를 이용할 수 있다. 이와 같이, 기존 스마트폰에서 흔하게 사용하는 배터리인 리튬 이온 배터리를 사용함으로써, 충전의 용이성과 장시간 사용이 가능한 장점이 있다.
도 3은 본 발명에 따른 보행자세 시스템의 구성도로서, 본 발명의 시스템은 크게 구분하여 스마트 신발(10) 및 이동통신 단말기로 구분할 수 있다.
이동통신 단말기는 바람직하게는 스마트폰(20)일 수 있다.
스마트 신발(10)의 구체적인 구성은 전술한 바와 같다.
스마트폰(20)은 통신모듈(21), 처리모듈(22), 저장부(23), 애플리케이션(24), 출력부(25) 등을 구비할 수 있다.
통신모듈(21)은 신발(10)로부터 보행정보를 수신하는 역할을 한다. 통신모듈(21)은 신발(10)과 마찬가지로 블루투스 칩셋일 수 있다.
처리모듈(22)은 보행정보를 처리하는 역할을 한다. 처리모듈(22)은 컴퓨터의 중앙처리장치(CPU)와 같은 통상적인 처리장치로 구성될 수 있다.
저장부(23)는 보행정보를 저장하는 역할을 한다. 저장부(23)는 컴퓨터의 하드디스크나 메모리와 같은 통상적인 저장장치로 구성될 수 있다. 보행정보는 데이터베이스화되어 저장부(23)에 저장될 수 있다.
애플리케이션(24)은 보행정보를 도식화하는 기능 등을 구현하는 역할을 한다. 애플리케이션(24)은 소프트웨어로서 통신모듈(21)을 통해 다운로드 받아서 저장부(23)에 설치할 수 있다. 애플리케이션(24)은 각종 다양화 기능을 구현하도록 프로그램되어 있다. 애플리케이션(24)이 구현하는 기능은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 각 압력센서에서 측정된 하중을 그 크기에 따라 세분하여 색상별로 출력할 수 있고, 만보기 기능 및 칼로리 계산기 기능 등을 구현할 수 있다.
출력부(25)는 처리결과를 출력하는 역할을 한다. 출력부(25)는 통상적인 액정디스플레이(LCD) 패널 등으로 구성될 수 있다.
이 밖에, 스마트폰(20)은 통상적인 하드웨어(터치 패널, 메인보드, 스피커 등) 및 소프트웨어(운영체제 등)를 구비할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 스마트폰의 메인 화면으로, 도시된 바와 같이 메인 화면에는 측정 메뉴, 측정 이력 메뉴, 사용법 메뉴, 바른걸음 메뉴, 제작자 메뉴 등과 같은 각종 메뉴가 표시될 수 있다.
측정 메뉴를 누르면, 도 5와 같은 측정 메뉴 화면으로 전환될 수 있다.
측정 이력 메뉴를 누르면, 측정된 보행정보의 이력을 조회할 수 있는 화면으로 전환될 수 있다.
사용법 메뉴를 누르면, 본 발명에 따른 애플리케이션(24)의 사용 매뉴얼 화면으로 전환될 수 있다.
바른걸음 메뉴를 누르면, 올바른 걷기 요령과 바른걸음을 예시하는 화면으로 전환될 수 있다.
제작자 메뉴를 누르면, 제작자 정보가 출력될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 스마트폰의 측정 메뉴 화면으로, 도 4의 측정 메뉴를 누르면, 사용자의 보행정보를 발바닥 이미지와 압력점을 통해서 실시간으로 보여줄 수 있다. 예를 들어 압력의 정도를 빨/주/노/초록색으로 이미지화하여 사용자에게 보여줄 수 있다.
측정 메뉴 화면에는 초기화 메뉴, 데이터베이스 메뉴, 저장 메뉴 등과 같은 각종 메뉴가 표시될 수 있다.
초기화 메뉴를 누르면, 사용자의 보행정보를 초기화한다.
데이터베이스 메뉴를 누르면, 보행정보 데이터베이스 화면으로 전환될 수 있다.
저장 메뉴를 누르면, 사용자의 보행정보를 데이터베이스에 저장한다.
본 발명에 따른 보행자세 측정시스템은 스마트 신발로 측정되는 정보를 블루투스 통신을 통해 스마트폰으로 실시간 확인이 가능하며, 축적된 보행정보를 통해 보행 습관 개선에 큰 도움을 얻을 수 있다. 본 발명의 시스템을 통하여 자신의 잘못된 보행자세를 인지하고 바른걸음을 할 수 있도록 도모하고, 운동 시에는 만보기와 칼로리를 계산하는 기능을 활용할 수 있다.
종래기술과의 가장 큰 차이점으로, 도 2와 같이 신발의 하부, 중간, 상부에 고르게 압력센서를 부착함으로써, 사용자의 보행 중 무게 중심을 상·중·하, 좌·우로 세밀한 분석이 가능하다는 점이며, 이 다섯 개 이상의 압력 수치를 예를 들어 세 부분(가벼움: 초록, 적정한 하중: 노랑, 하중 쏠림: 빨강)으로 나누어 디스플레이에 출력하여 실시간으로 직관적 판단이 가능한 것이다.
기존 기술은 사용자의 부적절한 걸음을 진동 또는 버저를 이용하며 출력하거나 별도의 디스플레이 기기에 출력하는데 반하여, 본 발명에서는 스마트폰과의 무선통신을 이용하여 별도의 추가 기기가 필요하지 않으므로 휴대성 및 사용의 편리함에 이점이 있다. 또한 사용자의 보행 시 압력 값을 토대로 다양한 기능을 보유한 애플리케이션을 구현할 수 있다.
개발된 애플리케이션의 기능은 도 4와 같이 크게 4가지 기능으로 이루어질 수 있으며, 그 중 측정 기능을 통해 사용자의 보행 정보를 도식화하여 실시간으로 확인할 수 있고, 결과값 출력으로 사용자의 보행습관을 기기가 판단하여 문제점 및 올바른 보행 방법을 문자화하여 제시할 수 있다.
추가로 운동효과 증진에 도움이 되는 만보기 기능과 칼로리 계산기가 탑재되어 있기 때문에, 걸음수와 소비 칼로리 또한 확인이 가능하다.
또한, 이 모든 정보는 데이터베이스에 저장되어 측정 이력 기능을 통해 날짜 및 시간별 보행정보를 언제든지 확인이 가능하다.
10: 스마트 신발
11: 센서
12: 마이크로 컨트롤러
13, 21: 통신모듈
14: 배터리
20: 스마트폰
22: 처리모듈
23: 저장부
24: 애플리케이션
25: 출력부

Claims (8)

  1. 사용자의 발에 가해지는 힘이나 발의 움직임을 감지하는 센서, 센서의 측정값을 포함하는 보행정보를 수집 및 처리하는 마이크로 컨트롤러, 보행정보를 외부에 전송하는 통신모듈을 구비하는 신발; 및
    신발로부터 보행정보를 수신하는 통신모듈, 보행정보를 처리하는 처리모듈, 보행정보를 저장하는 저장부, 보행정보를 도식화하는 기능을 구현하는 애플리케이션, 처리결과를 출력하는 출력부를 구비하는 이동통신 단말기를 포함하는 보행자세 측정시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    센서는 압력센서인 것을 특징으로 하는 보행자세 측정시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    압력센서는 신발의 상부에 2개 이상, 중간에 1개 이상, 하부에 2개 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 보행자세 측정시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    통신모듈은 블루투스 칩셋인 것을 특징으로 하는 보행자세 측정시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    신발 및 이동통신 단말기는 리튬 이온 배터리를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행자세 측정시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    이동통신 단말기는 각 압력센서에서 측정된 하중을 그 크기에 따라 세분하여 색상별로 출력하는 것을 특징으로 하는 보행자세 측정시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    애플리케이션은 만보기 기능 및 칼로리 계산기 기능을 구현하는 것을 특징으로 하는 보행자세 측정시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    보행정보는 데이터베이스화되어 저장되는 것을 특징으로 하는 보행자세 측정시스템.
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