KR20150111436A - 보행정보 분석을 통한 운동량분석방법 - Google Patents

보행정보 분석을 통한 운동량분석방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보행정보 분석을 통한 운동량분석방법에 관한 것으로, 신발 바닥면에 압력센서, 가속도센서 및 각속도센서를 구비하고, 각 센서로부터 측정된 파라미터를 이용하여 사용자의 걸음수, 보폭, 이동거리 및 속도를 산출하고, 그에 따른 운동량을 분석하여 사용자에게 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 사용자가 착용한 양쪽 신발의 바닥면에 구비된 다수의 압력센서와, 양쪽 또는 한쪽 신발에 구비된 3축 가속도센서 및 3축 각속도센서로부터 입력된 각 측정값을 분석하여 사용자의 운동량을 산출하는 보행정보 분석을 통한 운동량분석방법에 있어서, 상기 양쪽 신발에 구비된 다수의 압력센서로부터 측정된 각 족압 측정값으로부터 족압정도 및 분포상태에 따라 보행상태를 판단하는 제1과정; 상기 3축 가속도센서의 z축 변화량을 측정하는 제2과정; 상기 제1,제2과정에서 측정된 족압정보 및 z축 변화량으로부터 걸음수를 카운트하는 제3과정; 및 상기 제3과정에서 산출된 걸음수와 이동거리로부터 운동량을 산출하는 제4과정;을 포함하되, 상기 제4과정에서 이동거리는 기 저장된 사용자의 신장정보로부터 산출된 보폭과 상기 제2과정에서 카운트된 걸음수를 승산하여 산출하는 것을 특징으로 한다.

Description

보행정보 분석을 통한 운동량분석방법 {Method for analysis of momentum using analysis of walking pattern}
본 발명은 보행정보 분석을 통한 운동량분석방법에 관한 것으로, 신발 바닥층에 구비된 가속도센서, 각속도센서, 압력센서를 통해 입력된 정보를 통해 걸음수, 이동방향 속도, 수직거리 등을 산출하여 운동량을 산출하도록 하는 보행정보 분석을 통한 운동량 분석방법에 관한 것이다.
일반인 또는 보행장애가 있는 환자등의 건강관리를 위하여 다양한 장비를 이용하여 매일 운동량, 체지방 등을 측정하고, 관리한다.
그런데, 일반적인 운동량 또는 체지방 측정 및 관리를 위한 장비들은 대부분 고정형으로, 일상생활을 하면서 평소의 운동량을 측정 및 관리하는데는 한계가 있었다.
최근에는 센서 및 IT기술의 발달로 이러한 한계를 극복하기 위하여, 몸에 부착하거나, 시계타입, 밴드타입 등의 휴대 가능한 운동량 측정기기를 이용하여 관리가 가능하다.
종래기술로 신발에 인솔센서, 가속도센서 및 사용자의 상태정보 및 운동량정보를 생성하는 마이크로콘트롤러를 내장하여, 사용자의 운동량을 측정 및 관리하도록 하는 기술이 국내특허등록 제10-1263216호(스마트 신발 및 그 동작방법)이 개시되어 있다.
도 1은 종래기술에 따른 스마트신발 내부에 장착되는 모듈의 내부 블록 구성도로서, 사용자의 발에 의해 가해지는 힘의 변화를 저항값으로 측정하는 필름형 인솔 센서(110) 상기 사용자의 발의 움직임 변화에 따른 가속도값을 측정하는 가속도 센서(120) 및 상기 저항값 및 상기 가속도값을 이용하여 상기 사용자의 현재 상태 및 운동량을 예측하고, 상기 사용자의 상태 정보 및 운동량 정보를 생성하는 마이크로 컨트롤러(130), 스마트 신발을 착용한 사용자의 위치를 감지하기 위한 실내 위치 인식 모듈(140) 및 GPS 모듈(150)로 구성된다.
이와 같이 구성된 스마트신발은 필름형 인솔 센서(110)를 이용하여 사용자의 발에 의해 가해지는 힘의 변화를 저항값으로 측정하고, 가속도 센서(120)를 이용하여 스마트 신발의 움직임 변화에 따른 가속도값을 측정한다.
이와 동시에, 실내 위치 인식 모듈(140) 및 GPS 모듈(150)을 이용하여 사용자의 위치를 주기적으로 감지하고, 사용자의 위치 정보를 생성한다.
여기서, 사용자가 방, 식당, 휴게실, 출입구 미 운동시설 등과 같은 실내에 위치한 경우, 실내 위치 인식 모듈(140)을 이용하여 사용자의 위치를 감지하고, 사용자가 사용자의 위치를 파악할 수 없는 실외에 위치한 경우, GPS 모듈(150)을 이용하여 사용자의 위치를 감지한다.
이어서, 측정한 저항값 및 가속도값을 분석하여 사용자의 현재 상태 및 운동량을 예측하고, 사용자의 상태 정보 및 운동량 정보를 생성한다.
이와 같은 종래기술에 따른 스마트 신발 및 그 동작방법은 실버 타운이나 양로원에 거주하는 노인들을 대상으로 활동량과 위치를 인식할 수 있는 신발을 제공함으로써, 운동시설, 휴게시설 등과 같은 일상생활 속에서 노인들의 활동성 및 사교성을 측정할 수 있다.
그러나, 종래기술에 따른 스마트 신발 및 그 동작방법은 사용자의 운동량을 측정하기 위하여 사용자의 이동거리를 산출하기 위하여, 실내 위치감지센서 및 실외에서의 GPS 데이터를 이용하여 산출해야하므로, 위치감지센서 및 GPS모듈을 탑재해야하는 문제가 있으며, 사용자의 발높이를 알 수 없어, 정확한 운동량을 산출하는데 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여 신발 바닥면에 압력센서, 가속도센서 및 각속도센서를 구비하고, 각 센서로부터 측정된 파라미터를 이용하여 사용자의 걸음수, 보폭, 이동거리 및 속도를 산출하고, 그에 따른 운동량을 분석하여 사용자에게 제공하는 보행정보 분석을 통한 운동량분석방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 보행정보 분석을 통한 운동량분석과정은 사용자가 착용한 양쪽 신발의 바닥면에 구비된 다수의 압력센서와, 양쪽 또는 한쪽 신발에 구비된 3축 가속도센서 및 3축 각속도센서로부터 입력된 각 측정값을 분석하여 사용자의 운동량을 산출하는 보행정보 분석을 통한 운동량분석방법에 있어서, 상기 양쪽 신발에 구비된 다수의 압력센서로부터 측정된 각 족압 측정값으로부터 족압정도 및 분포상태에 따라 보행상태를 판단하는 제1과정; 상기 3축 가속도센서의 z축 변화량을 측정하는 제2과정; 상기 제1,제2과정에서 측정된 족압정보 및 z축 변화량으로부터 걸음수를 카운트하는 제3과정; 및 상기 제3과정에서 산출된 걸음수와 이동거리로부터 운동량을 산출하는 제4과정;을 포함하되, 상기 제4과정에서 이동거리는 기 저장된 사용자의 신장정보로부터 산출된 보폭과 상기 제2과정에서 카운트된 걸음수를 승산하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 보행정보 분석을 통한 운동량분석방법은 신발 바닥면에 압력센서, 가속도센서 및 각속도센서를 구비하고, 각 센서로부터 측정된 파라미터를 이용하여 사용자의 걸음수, 보폭, 이동거리 및 속도를 산출하고, 그에 따른 운동량을 분석하여 사용자에게 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명을 구현하기 위한 보행정보 분석을 통한 운동량장치의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 보행정보 분석을 통한 운동량분석과정의 흐름도이고,
도 3은 신발의 바닥면 부착된 다수의 압력센서 부착상태의 일 실시예를 보인 도이고,
도 4는 신발에서 측정한 사용자의 발에 가해지는 족압 및 족적정보를 분석 및 화면표시도이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 걸음수를 증가하는 걸음수 카운트과정의 흐름도이다.
본 발명의 실시예에 따른 보행정보 분석을 통한 운동량분석방법에 대하여 첨부된 도면을 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명을 구현하기 위한 보행정보 분석을 통한 운동량분석장치의 구성도로서, 신발의 바닥면에 설치된 다수의 압력센서(101)와, 신발에 내장 또는 부착되어 사용자 보행시 3축 가속도 및 3축 각속도를 측정하는 3축 가속도 및 각속도센서(102)(103)와, 상기 다수의 압력센서(101)로부터 신호를 입력 및 증폭하는 입력부(111)와, 상기 3축 가속도 및 각속도센서(102)(103)을 통해 입력된 3축 가속도/각속도 신호를 증폭하는 각 증폭기(112)와, 상기 각 입력부 및 증폭기(111)(112)를 통해 입력된 신호를 디지털신호로 변환한 후 해당 신호를 블루투스 등의 무선포맷으로 전송하는 무선통신부(114)와, 상기 무선통신부(114)를 통해 전송된 상기 각 측정신호를 입력받아 걸음수, 이동거리, 속도값을 산출하고, 상기 산출된 값을 파라미터로 하여 운동량을 산출하는 단말기(120)로 구성된다.
여기서, 상기 입력부(111), 증폭기(112), 마이크로콘트롤러(113), 무선통신부(114)에 전원을 공급하는 전원공급부를 부가하고, 상기 각 부는 메인보드(100)에 실장 구성한다.
또한, 상기 압력센서(101)는 다채널의 박막형 필름방식의 FSR(Force Sensing Resistor)로 구성되며, 도 3에 도시된 바와 같이 10개의 압력센서(101)(U1~U5, D1~D5)가 신발의 밑창 이면에 분포하여 부착되어 각 센서의 압력신호를 10개 채널로 상기 메인보드(100)으로 입력한다.
상기 3축 가속도 및 각속도센서(102)(103)은 상기 메인보드(100)와 함께 신발의 밑창에 내장되는 것이 바람직하다.
상기 각 부(111~114)를 포함한 메인보드(100) 및 각 센서(101~103)는 양쪽 신발에 구비되며, 사용자의 각 신발로부터 신호를 획득하여 상기 단말기(120)로 전송하게 된다.
상기 단말기(120)는 상기 무선통신부(114)와 인터페이스 가능한 무선통신모듈을 탑재하고, 전송된 각 데이터를 연산하여 사용자의 운동량을 산출하며, 사용자의 키, 체중 등을 저장하는 개인용컴퓨터(PC), 노트북컴퓨터, 스마트폰, 스마트패드 등으로 구성이 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 보행정보 분석을 통한 운동량분석과정의 흐름도로서, 상기 단말기(120)에 운동량 산출에 필요한 사용자의 신장, 체중 등의 사용자 정보를 저장하고, 사용자가 운동량 측정을 시작한다.
본 발명의 실시예에서는 한쪽 신발에서 측정된 각 신호를 처리하는 과정에 대하여 설명하나, 다른 한쪽의 신발에서 측정된 각 신호를 처리하는 과정도 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
먼저, 양쪽 신발에 부착된 각 압력센서(101)로부터의 압력측정신호, 3축 가속도센서 및 각속도센서(102)(103)로부터 측정된 3축 가속도/각속도신호가 상기 메인보드(100)으로 입력되어, 상기 입력부(111) 및 증폭부(112)를 통해 입력 및 증폭한 후 상기 마이크로콘트롤러(113)으로부터 입력된다.
상기 마이크로콘트롤러(113)는 입력된 각 센서의 측정신호를 상기 무선통신부(114)를 통해 상기 단말기(120)으로 무선 전송한다.
상기 단말기(120)는 10개 채널을 통해 측정된 압력값을 분석하여 사용자의 족압크기, 족압분포, 족적순서 등의 족적정보를 산출한다.
상기 족압의 크기는 다음 표 1에 도시된 바와 같이 8단계로 나누어진다.
FSR 측정값 단계값
3584 ~ 4095 0
3072 ~ 3583 1
2560 ~ 3071 2
2048 ~ 2559 3
1036 ~ 2047 4
1024 ~ 1535 5
512 ~ 1023 6
0 ~ 511 7
즉, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 단말기(120)에서 측정된 양쪽 신발의 족압크기, 분포 및 족적을 나타내는 화면표시도로서, 이와 같은 족압크기, 분포 및 족적의 분석을 통해 사용자가 서있는지, 보행, 제자리 걷기 또는 달리기 등의 상태를 판단할 수 있다.
또한, 상기 단말기(120)는 상기 3축 가속도센서(102)로부터 측정 및 입력된 된 3축 가속도 데이터로부터 Z축의 변화정도를 분석한다.
상기 산출된 족압상태 및 Z축 변화값이 설정된 값 이상일 경우 걸음수를 카운트하게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 걸음수를 증가하는 걸음수 카운트과정의 흐름도로서, 3축 가속도센서(102)의 Z축값(A_z) 및 족압값(FSR)을 산출하여, 상기 Z축값(A_z)이 기준값에서 ADC 값이 +1000 이상 증가하며, ??1000 이하로 감소되며 보행을 하였다고 판단을 하며, 압력센서가 FSR4, FSR0, FSR7, FSR5 순서대로 족압값이 5단계 이하일 경우 걸음수를 증가한다.
다음은 상기 단말기(120)에 기 저장된 사용자정보(신장)으로부터 산출된 보폭을 이용하여 이동거리를 산출한다.
여기서, 보폭은 신장에 비례하므로, 다음 수학식 1과 같은 방식으로 산출한다.
Figure pat00001
여기서, 0.37은 보통보폭에 대한 계수이고, 넓은 보폭은 0.45로 연산한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이동거리 산출방법은 3축 가속도센서(102)의 x, y, z축 방향의 가속도값을 바탕으로 이동거리를 산출한다.
상기 이동거리가 산출됨에 따라 다음 수학식 2와 같은 방법으로 운동량을 산출한다.
Figure pat00002
여기서, 3.3은 METs 계수로, 운동생리학(Merle L. Foss 저, 대한미디어 2002)을 참조한다.
한편, 상기 단말기(120)는 입력된 상기 3축 가속도센서(102)의 Z축값의 변화에 따라 Z축의 이동속도를 산출하고, 이동속도에 따른 Z축 수직거리를 산출한다.
즉, 사용자가 발을 얼마나 높이 들었는가에 따라 운동량의 차이가 발생하는데, 이와 같이 사용자의 발 높이를 산출하여 상기 운동량을 산출하는데 파라미터로 포함한다.
사용자의 걷기 운동시와 달리기 운동시의 이동거리에 따른 열량소모 값(kcal)은 다음 수학식 3,4를 통해 산출할 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 보행정보 분석을 통한 운동량분석방법의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예로 다양한 이동거리 산출 및 운동 소모량 산출 프로그램에 따라 다양하게 구성이 가능하는 등 다양한 실시예로 변형이 가능하다.
100 : 메인보드 101 : 압력센서
102 : 3축 가속도센서 103 : 3축 각속도센서
111 : 입력부 112 : 증폭부
113 : 마이크로콘트롤러 114 : 무선통신부
120 : 단말기

Claims (4)

  1. 사용자가 착용한 양쪽 신발의 바닥면에 구비된 다수의 압력센서와, 양쪽 또는 한쪽 신발에 구비된 3축 가속도센서 및 3축 각속도센서로부터 입력된 각 측정값을 분석하여 사용자의 운동량을 산출하는 보행정보 분석을 통한 운동량분석방법에 있어서,
    상기 양쪽 신발에 구비된 다수의 압력센서로부터 측정된 각 족압 측정값으로부터 족압정도 및 분포상태에 따라 보행상태를 판단하는 제1과정;
    상기 3축 가속도센서의 z축 변화량을 측정하는 제2과정;
    상기 제1,제2과정에서 측정된 족압정보 및 z축 변화량으로부터 걸음수를 카운트하는 제3과정; 및
    상기 제3과정에서 산출된 걸음수와 이동거리로부터 운동량을 산출하는 제4과정;을 포함하되,
    상기 제4과정에서 이동거리는 기 저장된 사용자의 신장정보로부터 산출된 보폭과 상기 제2과정에서 카운트된 걸음수를 승산하여 산출하는 것을 특징으로 하는 보행정보 분석을 통한 운동량분석방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2과정에서 측정된 상기 3축 가속도센서의 Z축 변화량으로부터 이동방향 속도 및 수직거리를 산출하여 상기 제4과정에서의 운동량분석에 포함시키는 것을 특징으로 보행정보 분석을 통한 운동량분석방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1과정에서 측정된 다수의 압력센서로부터 측정된 각 족압 측정값으로부터 족압정도 및 분포상태에 따라 제자리걸음 또는 보행여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행정보 분석을 통한 운동량분석방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1과정에서 양쪽 신발에서 측정된 다수의 압력센서로부터 측정된 족압정도 및 분포상태와 양쪽 신발의 족압 감지시간 차이로부터 사용자가 걷기 중인지 달리기 중인지를 판단하여 상기 제4과정에서 운동량을 산출에 포함하는 것을 특징으로 하는 보행정보 분석을 통한 운동량분석방법.
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