KR20160098878A - A finger motion measurement system and measurement method of finger motion - Google Patents

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KR20160098878A KR1020150021076A KR20150021076A KR20160098878A KR 20160098878 A KR20160098878 A KR 20160098878A KR 1020150021076 A KR1020150021076 A KR 1020150021076A KR 20150021076 A KR20150021076 A KR 20150021076A KR 20160098878 A KR20160098878 A KR 20160098878A
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Abstract

The present invention relates to a method for measuring a finger motion comprises (a) a step of wearing, on the middle and proximal phalanges of each finger, a ring-type structure connected to one end of a wire having the other end connected to a sensing module, and connected to a carbon strip to be movable in a slide manner; (b) a step of measuring a movement distance of the wire by the sensing module in accordance with the finger motion; (c) a step of calculating a rotation angle for the corresponding joint in the finger on the basis of the movement distance; (d) a step of calculating, by an angle sensor, a rotation angle for a wrist joint based on the movement of the wrist generated at the time of moving the finger; and (e) a step of transferring, by a wireless communication module, finger movement information measured by the sensing module through the wire movement distance, to the outside. Accordingly, there is an effect that the shape of the ring-type structure is satisfactorily maintained, and it is easy to wear the ring-type structure for measuring the finger motion due to the effect.

Description

손가락 움직임 측정 시스템 및 측정 방법{A FINGER MOTION MEASUREMENT SYSTEM AND MEASUREMENT METHOD OF FINGER MOTION}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a finger movement measurement system and a measurement method,

본 발명은 손가락 움직임 측정 시스템 및 측정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다양한 손 크기의 사용자가 사용할 수 있도록 와이어로 연결된 반지형 구조물 두 개를 둘째와 세째 손가락 마디에 직접 착용하되, 구조물의 모양이 잘 유지되고, 착용이 용이할 수 있도록 와이어를 가이드할 수 있는 유연한 카본 스트립(carbon strip)이 부착된 손가락 움직임 측정 시스템에 및 측정방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a finger motion measurement system and method. More particularly, the present invention relates to a finger movement measurement system and method, in which two ring-shaped structures connected by wires for use by various hand sizes are worn directly on the second and third finger joints, And more particularly to a flexible carbon strip-attached finger motion measurement system and method for guiding the wire so that it is well maintained and easy to wear.

손은 촉각 센싱의 가장 풍부한 소스들 중 하나에 해당하기 때문에, 손 없이는 정교하고 복잡한 조작이 달성될 수 없다. 손에 대한 착용가능 시스템의 개발을 위하여는, 비구속적인 손 움직임(unconstrained hand motion)의 분석이 선행되어야만 한다. 단순한 시스템으로 손가락 움직임을 측정하기 위한 광범위한 연구가 수행되어 왔다. Because hands are one of the richest sources of tactile sensing, elaborate and complex manipulations can not be achieved without hands. For the development of a wearable system for hands, analysis of unconstrained hand motion must precede. Extensive research has been conducted to measure finger movements with a simple system.

먼저, 광학 선형 엔코더(OLE)를 사용한 유사한 접근법이 시도되었지만, 손가락에 부착된 엔코더 및 광학 엔코더용 굵고 넓은 와이어 케이블은 손가락의 자연스러운 움직임을 방해할 수 있다. First, similar approaches using optical linear encoders (OLE) have been attempted, but coarse and wide wire cables for the encoders and optical encoders attached to the fingers can interfere with the natural movement of the fingers.

또한, 3차원 자기 위치 센서가 손가락 관절 각도 측정에 적용되었으며, 이들은 손가락의 움직임을 3차원으로 측정할 수 있었다. 그러나, 요구되는 주변장치들이 비구속적 손의 움직임에 장애물이 될 수 있다. In addition, three-dimensional magnetic position sensors were applied to finger joint angle measurement, and they were able to measure finger movements in three dimensions. However, the required peripherals may be an obstacle to the movement of the unconstrained hand.

그리고, 광섬유 센서 또한 각도 측정을 위해 사용되었다. 광섬유 센서는 쉬운 착용을 위한 장갑에 부착되었지만, 광 센서는 관절 각도를 측정하기 위하여 신중하게 구부려져야만 한다. 아울러, 레이저 다이오우드 및 광학 파워계와 같이 요구되는 주변장치들에 의해 그 이동성이 극히 제한되었다. A fiber optic sensor was also used for angle measurement. Fiber optic sensors are attached to gloves for easy wearing, but optical sensors must be carefully bent to measure joint angles. In addition, the mobility is extremely limited by the required peripheral devices such as laser diodes and optical power systems.

한편, 가요성 저항이 상업적으로 이용가능하며 해상도와 반복성에 있어서 양호한 성능을 보여주고는 있지만, 비용 측면에서 비효율적이고 손 외골격 시스템과 같은 다른 시스템과의 통합이 어렵다. On the other hand, while flexible resistance is commercially available and has good performance in terms of resolution and repeatability, it is inefficient in cost and difficult to integrate with other systems such as the hand exoskeleton system.

이와 같이, 광학 엔코더, 자기 위치 센서, 광섬유 센서 및 가요성 저항 등을 이용한 시도가 행해져 왔지만, 손의 제한된 공간으로 인하여, 컴팩트하고 단순한 측정 시스템 및 비구속적으로 손가락의 움직임을 측정할 수 있는 시스템이 완전히 개발되었다고는 볼 수 없다. Attempts have been made using optical encoders, magnetic position sensors, fiber optic sensors and flexible resistors, etc., but due to the limited space of the hand, a compact and simple measurement system and a system capable of measuring finger motion unrestrainedly Is not fully developed.

상술한 바와 같은 문제점들을 해소하기 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 일단이 손목부분에 부착된 센싱모듈에 부착되고, 타단이 손가락관절 부위에 부착된 가요성 와이어로 구성된 장갑을 착용함으로써, 손가락의 제한된 공간에도 불구하고 손가락의 관절 각도를 비교적 쉽게 측정가능하고, 또한 손의 자연스러운 움직임을 방해하지 않을 정도로 충분히 가볍고 컴팩트한 손가락 움직임 측정 시스템이 적용되었지만, 손을 구부릴때 장갑이 늘어남으로 인해 움직임을 정확히 측정할 수 없는 문제점이 있다.In order to solve the above-mentioned problems, as shown in Fig. 1, by wearing a glove made of a flexible wire having one end attached to a sensing module attached to a wrist portion and the other end attached to a finger joint portion, A relatively light and compact finger motion measurement system was applied so as not to interfere with the natural movement of the hand but the movement of the glove due to the elongation of the hand There is a problem that can not be accurately measured.

또한, 장갑형 손가락 움직임 측정장치은 다양한 손 크기의 사용자가 사용하기에 다소 번거로운 문제점이 있다.
In addition, the gloved finger motion measuring device has a problem that it is troublesome for a user of various hand sizes to use.

대한민국 특허출원 제10-2014-0056528호Korean Patent Application No. 10-2014-0056528

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 다양한 손 크기의 사용자가 사용할 수 있도록 와이어로 연결된 반지형 구조물 두 개를 둘째와 세째 손가락 마디에 직접 착용하되, 구조물의 모양이 잘 유지되고, 착용이 용이할 수 있도록 와이어를 가이드할 수 있는 유연한 카본 스트립(carbon strip)이 부착된 손가락 움직임 측정 시스템에 및 측정방법의 제공을 목적으로 한다.
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a ring structure in which two wire- And to provide a measurement method and a finger movement measuring system with a flexible carbon strip capable of guiding a wire so that the wire can be guided to the wire.

상술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 손가락 움직임 측정 시스템은 사용자의 손가락에 착용되는 반지형 구조물; 상기 반지형 구조물에 일단이 부착된 와이어; 상기 와이어 타단이 부착되어 상기 와이어의 이동거리를 측정하기 위한 포텐셔미터가 구비된 센싱모듈; 부착되는 상기 센싱모듈을 지지하는 손등 하우징; 일단이 상기 센싱모듈에 고정결합되어 상기 반지형 구조물이 슬라이드 방식으로 이동가능하게 결합되는 카본 스트립;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a finger movement measuring system comprising: a ring-shaped structure worn on a user's finger; A wire having one end attached to the ring-shaped structure; A sensing module having a potentiometer for attaching the other end of the wire and measuring a moving distance of the wire; A backlight housing for supporting the sensing module to be attached; And a carbon strip, one end of which is fixedly coupled to the sensing module, and the ring-like structure is movably coupled in a sliding manner.

바람직하게, 상술한 상술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 손가락 움직임 측정 방법은 (a) 타단이 센싱모듈에 연결된 와이어의 일단과 연결되어, 카본 스트립에 슬라이드 방식으로 이동가능하게 연결된 반지형 구조물을 손가락 각각에 대하여 중간마디뼈와 첫째마디뼈(middle and proximal phalanxes)에착용하는 단계; (b) 상기 손가락 움직임에 따라 상기 센싱모듈에 의해 상기 와이어의 이동거리를 측정하는 단계; (c) 상기 이동거리에 기초하여 손가락 내의 해당 관절에 회전각도를 계산하는 단계;(d) 각도센서가 상기 손가락의 움직임시, 발생되는 손목의 움직임에 따른 손목관절에 회전각도를 계산하는 단계; 및 (e) 무선통신 모듈이 상기 와이어 이동거리를 통해 상기 센싱모듈 측정된 손가락 움직임 정보를 외부로 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Preferably, in order to achieve the above-described object, a finger motion measuring method according to the present invention is a method for measuring finger motion, comprising the steps of: (a) connecting a ring- Wearing the structure on the middle and proximal phalanxes for each of the fingers; (b) measuring a movement distance of the wire by the sensing module according to the finger movement; calculating a rotation angle of the wrist joint according to the movement of the wrist when the finger moves; (c) calculating a rotation angle of the joint with respect to the finger based on the movement distance; And (e) the wireless communication module transmits the sensed finger motion information to the outside via the wire movement distance.

본 발명에 따른 손가락 움직임 측정 시스템에 및 측정방법은 와이어로 연결된 반지형 구조물 두 개를 둘째와 세째 손가락 마디에 직접 착용하되, 와이어를 가이드할 수 있는 유연한 카본 스트립이 부착되어, 반지형 구조물의 모양이 잘 유지되는 효과가 있고, 해당 효과로 인해 손가락 움직임 측정을 위한 반지형 구조물의 착용이 용이한 효과가 있다.
In the finger motion measurement system and method according to the present invention, two ring-shaped structures connected by wires are directly worn on the second and third finger joints, and a flexible carbon strip capable of guiding the wire is attached, And it is easy to wear the ring structure for measuring the finger movement due to the effect.

도 1은 종래의 착용가능 센싱 장갑의 사진도면,
도 2는 손가락 구조를 설명하기 위한 손가락 구조 도면,
도 3은 본 발명에 따른 손가락 움직임 측정 시스템도,
도 4는 본 발명에 따른 손가락 움직임 측정 시스템의 착용 도면,
도 5 및 도 6는 본 발명에 따른 손가락 움직임 측정 시스템을 설명하기 위한 손가락의 측단면도, 및
도 7은 본 발명에 따른 손가락 움직임 측정 시스템의 설계도면이다.1 is a photograph of a conventional wearable sensing glove,
FIG. 2 is a diagram of a finger structure for explaining a finger structure,
Figure 3 is a system for measuring finger movement according to the present invention,
4 is an explanatory view of a finger movement measurement system according to the present invention,
5 and 6 are side sectional views of a finger for explaining a finger motion measurement system according to the present invention, and Fig.
7 is a schematic diagram of a finger motion measurement system according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately The present invention should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

본 발명의 상세한 설명에 앞서 손의 골격 구조에 대하여 상세히 설명한다.Prior to the detailed description of the present invention, the skeletal structure of the hand will be described in detail.

손은 뼈, 근육 및 관절의 인대의 복잡한 조합으로 이루어져 있으며, 손 움직임의 방향과 범위는 이들에 의해 결정된다. 손가락 움직임을 정확하게 측정하기 위해서는 손의 해부학적 구조에 대한 이해가 요구되므로, 이에 대하여 설명한다. The hand consists of a complex combination of ligaments of the bones, muscles and joints, and the direction and extent of the hand movements are determined by these. In order to accurately measure the finger movements, an understanding of the anatomical structure of the hand is required.

손 움직임은 19개의 뼈, 19개의 관절 및 29개의 근육에 의해 달성된다. 엄지를 제외한 각각의 손가락은, 도 2에 도시된 바와 같이, 세 개의 뼈인 끝마디뼈, 중간마디뼈 및 첫마디뼈(distal, middle and proximal phalanx)와 세 개의 관절인 근위지절간 관절[proximal interphalangeal (PIP) joint], 중수지절 관절[metacarpophalangeal (MCP) joint] 및 원위지절간 관절[distal interphalangeal (DIP) joint]를 갖는다. 엄지는 오직 두 개의 뼈인 끝마디뼈와 첫마디뼈, 그리고 두 개의 관절인 지절간관절[interphalangeal (IP) joint]과 MCP 관절을 갖는다. 중수골(Metacarpal phalanx bones)는 수근중수관절[carpometacarpal (CMC) joints]에서 손목과 만난다. PIP와 DIP 관절을 포함하는 IP 관절은 굴곡/신장(flexion/extension) 움직임을 위해 1-자유도를 갖고, MCP 관절은 굴곡/신장 및 내전/외전(abduction/adduction) 움직임을 위해 2-자유도를 갖는다. Hand movements are achieved by 19 bones, 19 joints and 29 muscles. Each finger, except the thumb, has three bones, a distal, middle and proximal phalanx, and three proximal interphalangeal joints (PIP ) joint, a metacarpophalangeal joint (MCP) joint, and a distal interphalangeal joint (DIP) joint. The thumb has only two bones: the endodermic bone, the first bony bone, and the two joints, the interphalangeal (IP) joint, and the MCP joint. The metacarpal phalanx bones meet the wrist at the carpometacarpal (CMC) joints. IP joints, including the PIP and DIP joints, have 1-degrees of freedom for flexion / extension movements and MCP joints have 2-degrees of freedom for flexion / extension and abduction / adduction movements .

손에 의하여 물체를 조작하기 위해서는 통상적으로 내전/외전 움직임보다 굴곡/신장 움직임이 더 많이 요구된다. 따라서, 자연스러운 손가락 움직임을 방해하지 않는 손가락의 굴곡/신장 움직임 측정 시스템이 크게 요구된다. In order to manipulate objects by hand, flexion / extension movements are usually required more than movements of abduction / abduction. Accordingly, there is a great demand for a flexion / extension motion measurement system for a finger that does not disturb natural finger movements.

본 발명에 따른 손가락 움직임 측정 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이, 반지형 구조물(110), 와이어(120), 센싱모듈(130), 손등 하우징(140), 카본 스트립(150), 각도센서(160) 및 무선통신 모듈(170)을 포함한다.3, the finger movement measuring system according to the present invention includes a ring structure 110, a wire 120, a sensing module 130, a hand-held housing 140, a carbon strip 150, an angle sensor 160 and a wireless communication module 170.

또한, 본 발명에 따른 손가락 움직임 측정 시스템 착용 도면인, 도 4에 도시된 바와 같이, 반지형식으로 사람의 손가락에 끼움으로써 착용가능하고, 다양한 크기의 손가락에 착용할 수 있도록 사이즈 조절이 가능하며 벨크로나 탄성력을 가진 고무재질로 이루어진, 상기 반지형 구조물(110)은 둘째 마디에 끼워지는 제1 반지형 구조물(111)과 셋째 마디에 끼워지는 제2 반지형 구조물(112)로 구성된다.As shown in FIG. 4, which is a drawing of the finger movement measuring system according to the present invention, it can be worn by putting on a finger of a human being in the form of a ring, and the size can be adjusted so as to be worn on fingers of various sizes. The ring-like structure 110, which is made of a rubber material having elasticity, is composed of a first ring-like structure 111 fitted to the second node and a second ring-shaped structure 112 fitted to the third node.

상기 와이어(120)는 낚시줄 등과 같은 손가락 측정을 위한 와이어로, 일단이 상기 제1 및 제2 반지형 구조물(111, 112)에 각각 연결되는 제1 및 제2 와이어(121, 122)로 구성된다.The wire 120 is a wire for measuring a finger such as a fishing line and is composed of first and second wires 121 and 122 connected to the first and second ring-like structures 111 and 112, respectively, do.

그리고, 상기 제1 및 제2 와이어(121, 122)의 타단은 상기 센싱모듈(130)에 연결된다.The other ends of the first and second wires 121 and 122 are connected to the sensing module 130.

이때, 상기 카본 스트립(150)은 상기 센싱모듈(130)과 상기 반지형 구조물(110)을 연결하는 상기 와이어(120)간에 일체형으로 그 모양이 잘 유지될 수 있도록하여, 반지형 구조물의 착용이 용이하게 이루어질 수 있도록 한다.At this time, the carbon strip 150 can be maintained in an integrated shape between the sensing module 130 and the wire 120 connecting the ring-type structure 110, so that the wear of the ring- So that it can be easily carried out.

즉, 상기 카본 스트립(150)은 일단이 상기 센싱모듈(130)에 고정결합되고, 윗면에 상기 센싱모듈(130)에서 인출된 상기 상기 제1 및 제2 와이어(121, 122)가 배치되어, 손가락을 굽힘에 따라 안쪽으로 따라오는 상기 와이어(120)를 하부에서 지지해 준다.That is, one end of the carbon strip 150 is fixedly coupled to the sensing module 130, and the first and second wires 121 and 122 drawn from the sensing module 130 are disposed on the top surface, And supports the wire 120, which comes inward along the bending of the finger, from below.

한편, 상기 제1 및 제2 반지형 구조물(111, 112)은 링에서 각각 기립되어 형성된 결합부(111a, 112a)가 상기 카본 스트립(150)에 슬라이드 방식결합되어, 손가락 마디간의 간격에 따라 간격조정이 용이하고, 손가락을 구부리는 움직임에 따라 상기 와이어(120)를 당긴다.The first and second ring-like structures 111 and 112 are joined to the carbon strip 150 in a sliding manner by coupling portions 111a and 112a formed upright from the ring, And the wire 120 is pulled in accordance with the movement of bending the finger.

이때, 상기 카본 스트립(150)의 말단에는 슬라이드 방식으로 이동하는 상기 제1 및 제2 반지형 구조물(111, 112)이 상기 카본 스트립(150)에서 분리되는 것을 방지하기 위한 이탈 방지부(151)가 형성되는 것이 바람직하다.At the end of the carbon strip 150, a separation prevention part 151 for preventing the first and second ring-like structures 111 and 112, which move in a sliding manner, from being separated from the carbon strip 150, Is formed.

또한, 상기 센싱모듈(130)에서 인출된 상기 와이어(120)가 상기 카본 스트립(150)을 벗어나지 않도록, 상기 센싱모듈(130)과 상기 반지형 구조물(110) 사이에 와이어 가이드부(152)가 상기 카본 스트립(150)에 결합되어 있는 것이 바람직하다.A wire guide part 152 is provided between the sensing module 130 and the ring structure 110 so that the wire 120 drawn out from the sensing module 130 does not come off the carbon strip 150 And is preferably bonded to the carbon strip 150.

여기서, 상기 카본 스트립(150)은 카본 재질에 한정되는 것은 아니며, 유연한 얇은 재질의 플라스틱 스트립 또는 다른 복합재료로 이루어진 스트립이 사용될 수도 있다.Here, the carbon strip 150 is not limited to a carbon material. A strip made of a flexible thin plastic strip or other composite material may be used.

상기 와이어 가이드부(152)는 상기 와이어(120)의 직선 정렬을 유도하여, 손가락 움직임을 보다 정확한 측정을 가능하게 한다.The wire guide portion 152 induces linear alignment of the wire 120, thereby enabling more precise measurement of finger movement.

한편, 상기 제1 및 제2 와이어(121, 122)의 움직임에 따라 손가락의 움직임을 측정하는 상기 센싱모듈(130)은 상기 제1 및 제2 와이어(121, 122)의 타단과 각각 연결되는 제1 및 제 2 포텐셔미터(131, 132)를 포함한다.The sensing module 130 for measuring the movement of the finger according to the movement of the first and second wires 121 and 122 may be connected to the other ends of the first and second wires 121 and 122, 1 and a second potentiometer 131, 132, respectively.

이때, 상기 센싱모듈(130)은 도 4에 도시된 바와 같이 손가락이 펴졌을 때 포텐셔미터(130)가 초기 위치로 복귀되도록 선형 스프링을 더 포함하는 것이 바람직하다.4, the sensing module 130 may further include a linear spring for returning the potentiometer 130 to an initial position when the finger is extended.

상기 손등 하우징(140)은 손가락이 없는 장갑모양을 가지며, 장착되는 상기 와이어 가이드부(150) 및 센싱모듈(130)을 지지한다.The hand-held housing 140 has a fingerless glove shape and supports the wire guide unit 150 and the sensing module 130 to be mounted.

그리고, 상기 각도센서(160)는 상기 손등 하우징(140)의 일측에 장착되어 손목움직임 측정을 위한 휘어지는 각도를 센싱하고, 상기 손등 하우징(140)에 용이하게 탈부착이 가능하다.The angle sensor 160 is mounted on one side of the hand-held housing 140 to sense a bending angle for measuring the wrist motion, and can be easily attached to and detached from the hand-held housing 140.

상기 무선통신 모듈(170)는 상기 센싱모듈(130)과 상기 각도센서(160)등과 블루투스와 같은 방식의 근거리 통신을 통해 측정된 손목움직임 데이터를 수신하여 외부기기에 전송한다.The wireless communication module 170 receives measured wrist motion data from the sensing module 130 and the angle sensor 160 via a Bluetooth-like local communication and transmits the wrist motion data to an external device.

상기 무선통신 모듈(170)은 스마트시계와 같은 웨어러블(wearable)한 기기일 수 있다.The wireless communication module 170 may be a wearable device such as a smart clock.

상술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 손가락 움직임 측정 시스템에 의한 손가락 움직임 측정에 대하여 설명한다.The finger motion measurement by the finger motion measurement system according to the present invention having the above-described configuration will be described.

즉, 본 발명에서는, 선형의 상기 포텐셔미터(131, 132), 및 상기 와이어(120)를 사용한 손가락 움직임 측정 시스템이 제안된다. 상기 와이어(120)는 손가락의 윗면에 부착된다. 손가락 움직임에 의하여 상기 와이어(120)가 움직임에 따라, 관절 각도는 상기 와이어(120)의 길이 변화를 측정함에 의하여 계산될 수 있다. That is, in the present invention, a finger motion measurement system using the linear potentiometers 131 and 132 and the wire 120 is proposed. The wire 120 is attached to the upper surface of the finger. As the wire 120 moves by finger movement, the joint angle can be calculated by measuring the change in length of the wire 120.

근위지절간(proximal interphalangeal: PIP)의 움직임은 원위지절간(distal interphalangeal: DIP) 관절에 종속하기 때문에, 오직 두 개의 상기 제1 및 제 2 포텐셔미터(131, 132)만이 각각의 손가락에 적용된다. Since only the movement of the proximal interphalangeal (PIP) is dependent on the distal interphalangeal (DIP) joint, only two of the first and second potentiometers 131 and 132 are applied to each finger.

열 개의 선형 포텐셔미터들로 구성된 컴팩트한 상기 센싱 모듈(130)은 손가락이 없는 손등 하우징(140)에 부착된다. The compact sensing module 130, consisting of ten linear potentiometers, is attached to the fingerless housing 140 with no fingers.

보다 구체적으로, 굴곡/신장 움직임을 위한 손가락의 단면은 도 5에 도시된 바와 같다.More specifically, the cross section of the finger for bending / stretching movement is as shown in Fig.

각 손가락 요소의 길이인 C 1 , C 2 , C 3 는 미리 측정될 수 있으며, 손가락 팁의 위치는, 관절 각도 θ 1 , θ 2 , θ 3 가 측정되는 경우, 다음 식과 같이 표현될 수 있다. The lengths C 1 , C 2 and C 3 of each finger element can be measured in advance and the positions of the finger tips can be expressed as follows when joint angles θ 1 , θ 2 and θ 3 are measured.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

수학식 1, 2에서와 같이 각 손가락의 굴곡/신장 움직임을 기술하기 위해서는 오직 3 개의 관절 각도만을 필요로 하지만, 손가락의 제한된 공간으로 인하여 손가락의 관절 각도를 측정하는 것이 쉽지는 않다. 또한, 각도 측정 시스템은 손의 자연스러운 움직임을 방해하지 않을 정도로 충분히 가볍고 컴팩트해야만 한다. As shown in Equations (1) and (2), only three joint angles are required to describe the flexion / extension motion of each finger, but it is not easy to measure the joint angle of the finger due to the limited space of the finger. In addition, the angle measurement system must be sufficiently light and compact to not interfere with the natural movement of the hand.

본 발명에서는, 상기 와이어(120)와 상기 센싱모듈(130)이 손가락의 굴곡/신장 움직임을 측정하도록 적용된다. 이러한 본 발명의 기본 개념은 도 6에 도시되어 있다. 이해를 돕기 위하여, 오직 하나의 관절만에 대한 예시가 동 도면에 도시되어 있다. In the present invention, the wire 120 and the sensing module 130 are adapted to measure flexion / extension movements of the finger. This basic concept of the present invention is shown in Fig. For the sake of clarity, an illustration of only one joint is shown in the figure.

도 6a(손가락 내 A 지점)에 도시된 바와 같이 상기 와이어(120)의 일단이 반지형 구조물(110) 상단에 묶는 방법 등을 통하여 상기 와이어(120)가 손가락의 일정 위치에 부착될 수 있다. The wire 120 may be attached to a certain position of the finger through a method of tying one end of the wire 120 to the top of the ring-shaped structure 110 as shown in FIG. 6A (point A in the finger).

손가락 관절 움직임은 고정된 관절(손가락 내 B 지점)을 중심으로 하는 회전움직임으로 고려될 수 있기 때문에, 하나의 관절의 운동학이 도 6b와 같이 표현될 수 있다. 손가락이 굽혀짐에 따라, 손가락 관절의 주름이 펴지기 때문에 연결된 선이 이동된다. 이동된 거리 ΔL는 다음과 같이 계산된다. Since the finger joint movement can be considered as a rotational movement about a fixed joint (point B in the finger), the kinematics of one joint can be expressed as shown in FIG. 6B. As the fingers are bent, the connected lines are moved because the wrinkles of the finger joints are stretched. The moved distance DELTA L is calculated as follows.

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, r 1 은 손가락 관절의 직경이며, θ 1 는 관절 각도이다. 손가락 관절의 직경은 직접적으로 측정될 수 있다. 길이 변화 ΔL 1 는 도 6c에 도시된 바와 같이, ΔP로서 설치된 선형 포텐셔미터에 의해 측정된다. 따라서, 관절 각도는 다음과 같이 계산된다. Here, r 1 is the diameter of the finger joint, and θ 1 is the joint angle. The diameter of the finger joint can be measured directly. The length change ? L 1 is measured by a linear potentiometer installed as ? P , as shown in Fig. 6C. Therefore, the joint angle is calculated as follows.

Figure pat00004
Figure pat00004

손가락이 원래 위치로 펴졌을 경우, 손가락 와이어는 포텐셔미터 내에 설치된 스프링에 의해 원위치로 다시 되돌아 간다. 스프링 없이는, 도 6d에서와 같이 가요성 와이어가 늘어지게(loose) 되고 이는 시스템이 오직 한 번만의 손가락 굴곡을 측정하도록 한다. 즉, 스프링은 손가락의 움직임에 따라 가요성 와이어의 장력을 항상 일정하게 유지시켜 주는 기능을 한다. When the finger is extended to its original position, the finger wire is returned to its original position by a spring installed in the potentiometer. Without the spring, the flexible wire is loosened as in Figure 6d, which allows the system to measure only one finger flexion. That is, the spring functions to keep the tension of the flexible wire constant at all times according to the movement of the finger.

한편, 다중 관절 경우를 살펴보기에 앞서, 먼저 손가락 관절들 사이의 상호 종속성(dependency)에 대해 논의되어야만 한다. DIP 관절 움직임은 독립적으로 움직일 수 없는 것으로 알려져 있으며, DIP 관절 움직임은 PIP 관절에 종속적이다. 이들 사이의 관계는 다음과 같이 근사화될 수 있다.  On the other hand, before examining the multiple joint cases, the mutual dependency between the finger joints must be discussed first. DIP joint movements are known to be unable to move independently, and DIP joint movements are dependent on PIP joints. The relationship between them can be approximated as follows.

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서, θ DIP 와 θ PIP 는 DIP 및 PIP 관절들 각각의 각도를 나타낸다. 그러나, PIP 관절의 오직 하나의 측정에 의해 두 관절 각도들을 측정하기 위하여 보다 정확한 관계가 요구된다. DIP 관절와 PIP 관절 사이의 정확한 관계를 얻는 것에 의하여, 3-자유도의 하나의 손가락에 대한 오직 두 개의 측정들이 필요하다. DIP 관절와 PIP 관절 사이의 정확한 관계는 후술하는 바와 같이 실험적으로 얻어진다. Here, θ DIP and θ PIP represent the angles of the DIP and PIP joints, respectively. However, a more accurate relationship is required to measure both joint angles by only one measurement of the PIP joint. By obtaining the exact relationship between the DIP joint and the PIP joint, only two measurements for a single finger of the 3-DOF are needed. The exact relationship between the DIP joint and the PIP joint is obtained experimentally as described below.

이러한 DIP 관절와 PIP 관절 사이의 종속성을 고려하면, 본 발명은 도 7에 도시된 바와 같이 설계된다. 하나의 관절 경우와 유사하게, 각각의 관절 각도는 상기 센싱 모듈(130)을 구성하는 제1 및 제 2 포텐셔미터(131, 132)에 의해 측정된다. Considering the dependency between the DIP joint and the PIP joint, the present invention is designed as shown in FIG. Similar to the case of one joint, each joint angle is measured by the first and second potentiometers 131, 132 constituting the sensing module 130.

손가락이 도 7a로부터 도 7b로 구부러진다고 가정하면, 묶인 지점들의 이동 거리인 ΔL 1 와 ΔL 2 는 설치된 두 개의 선형 포텐셔미터들에 의해 다음과 같이 측정된다. When a finger from Figure 7a assumed bent in Figure 7b, the moving distance of ΔL 1 and ΔL 2 of the enclosed point is measured as follows by two linear potentiometer is installed.

Figure pat00006
Figure pat00006

Figure pat00007
Figure pat00007

관절 각도들은 다음과 같이 계산된다. The joint angles are calculated as follows.

Figure pat00008
Figure pat00008

Figure pat00009
Figure pat00009

따라서, 관절 각도들은 포텐셔미터들에 의해 다음과 같이 얻어지게 된다. Therefore, the joint angles are obtained by the potentiometers as follows.

Figure pat00010
Figure pat00010

Figure pat00011
Figure pat00011

본 발명에서는, 오직 요구되는 측정이 묶인 지점의 변화된 거리들이며, 이는 상기 와이어(120)와 상기 제1 및 제 2 포텐셔미터(131, 132)에 의해 측정된다. 본 발명의 장점들 중 하나는 와이어(120)가 구부러질 수 있으며 이에 따라 와이어가 손가락과 직선적으로 정렬될 필요가 없다는 것이다. 따라서, 스프링을 갖는 포텐셔미터를 포함하는 센싱 모듈(130)이 손 등에 위치되고, 상기 와이어(120)는 상기 반지형 구조물(110)에 묶여서 센싱 모듈(30)과 연결된다. In the present invention, only the required measurements are the changed distances of the bound points, which are measured by the wire 120 and the first and second potentiometers 131, 132. One of the advantages of the present invention is that the wire 120 can be bent so that the wire need not be linearly aligned with the finger. Accordingly, a sensing module 130 including a potentiometer with a spring is placed on a hand or the like, and the wire 120 is bound to the ring-like structure 110 and connected to the sensing module 30. [

PIP 및 MCP 관절을 측정하기 위하여 두 개의 와이어(120)가 손가락 하나당 사용되고, 각각의 와이어는 도 3에 도시된 바와 같이 중간마디뼈와 첫마디뼈(middle and proximal phalanxes)에 착용되는 상기 반지형 구조물(110)에 각각에 연결된다. Two wires 120 are used per finger to measure the PIP and MCP joints, and each wire is attached to the ring-like structure (FIG. 3), which is worn on the middle and proximal phalanxes 110, respectively.

이에 따라 와이어가 손가락과 직선적으로 정렬될 필요가 없지만, 위에서도 언급한 바와 같이, 보다 정확한 측정을 위하여, 상기 와이어(120)의 직선 정렬을 위하여 상기 반지형 구조물(110)과 상기 센싱 모듈(130) 사이에 와이어 가이드부(152)가 형성되어 있는 것이 바람직하다.The ring structure 110 and the sensing module 130 may be connected to each other for linear alignment of the wire 120 for more accurate measurement, It is preferable that a wire guide portion 152 is formed between the wire guide portion 152 and the wire guide portion 152.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Although the present invention has been described in connection with certain exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the described embodiments, but should be defined by the appended claims and equivalents thereof.

110 : 반지형 구조물
120 : 카본 와이어
130 : 센싱모듈
140 : 손등 하우징
150 : 카본 스트립
160 : 각도센서
170 : 무선통신 모듈110: Ring-shaped structure
120: carbon wire
130: sensing module
140: Housing on the back of the hand
150: carbon strip
160: Angle sensor
170: Wireless communication module

Claims (20)

손가락의 움직임을 측정하기 위한 시스템(100)에 있어서,
사용자의 손가락에 착용되는 반지형 구조물(110);
상기 반지형 구조물(110)에 일단이 부착된 와이어(120);
상기 와이어(120) 타단이 부착되어 상기 와이어(120)의 이동거리를 측정하기 위한 포텐셔미터가 구비된 센싱모듈(130);
부착되는 상기 센싱모듈(130)을 지지하는 손등 하우징(140);
일단이 상기 센싱모듈(130)에 고정결합되어 상기 반지형 구조물(110)이 슬라이드 방식으로 이동가능하게 결합되는 카본 스트립(150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 시스템.
A system (100) for measuring movement of a finger,
A ring-shaped structure 110 to be worn on a user's finger;
A wire 120 having one end attached to the ring-like structure 110;
A sensing module 130 having a potentiometer for measuring a moving distance of the wire 120 with the other end of the wire 120 attached thereto;
A hand-held housing 140 supporting the sensing module 130 to be attached;
And a carbon strip (150) having one end fixedly coupled to the sensing module (130) and the ring-like structure (110) being movably coupled in a sliding manner.
제 1항에 있어서,
상기 와이어(120) 이동거리를 통해 상기 센싱모듈(130) 측정된 손가락 움직임 정보를 외부로 전달하기 위한 무선통신 모듈(170);를 더 포함하는 것으 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 시스템.
The method according to claim 1,
And a wireless communication module (170) for transmitting the measured finger motion information of the sensing module (130) to the outside through the movement distance of the wire (120).
제 1항에 있어서,
상기 반지형 구조물(110)은
손가락의 제1 관절과 제2 관절 사이의 둘째 마디에 끼워지는 제1 반지형 구조물(111); 및 손가락의 제2 관절과 제3 관절 사이의 첫째 마디에 끼워지는 제2 반지형 구조물(112);를 포함하는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 시스템.
The method according to claim 1,
The ring-like structure 110 is
A first ring-shaped structure (111) fitted to a second node between the first joint and the second joint of the finger; And a second ring-like structure (112) that fits into a first node between the second joint and the third joint of the finger.
제 3에 있어서,
상기 와이어(120)는
일단이 각각 상기 제1 반지형 구조물(111)과 상기 제2 반지형 구조물(112)에 결합되는 상이한 길이의 제1 및 제2 와이어(121, 122);를 포함하는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 시스템.
In the third aspect,
The wire (120)
And first and second wires (121, 122) of different lengths, one end of which is coupled to the first ring-like structure (111) and the second ring-like structure (112), respectively, system.
제 4항에 있어서,
상기 제1 및 제2 반지형 구조물(111, 112)은
링에서 각각 기립되어 형성된 결합부(111a, 112a)가 상기 카본 스트립(150)에 슬라이드 방식으로 결합되어, 손 마디 간의 간격조정이 가능한 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 시스템.
5. The method of claim 4,
The first and second ring-like structures (111, 112)
Wherein the engaging portions (111a, 112a), which are formed upright in the ring, are coupled to the carbon strip (150) in a sliding manner so that the distance between the fingertips can be adjusted.
제 5항에 있어서,
상기 센싱모듈(130)은
일단이 상기 제1 반지형 구조물(111)과 상기 제2 반지형 구조물(112)에 각각 결합된 상기 제1 및 제2 와이어(121, 122)의 타단과 각각 연결되는 연결되 제1 및 제 2 포텐셔미터(131, 132)과, 손가락이 펴졌을 때 상기 제1 및 제 2 포텐셔미터(131, 132)가 초기 위치로 복귀시키는 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 시스템.
6. The method of claim 5,
The sensing module (130)
The first ring-shaped structure 111 and the second ring-shaped structure 112 are connected to the other ends of the first and second wires 121 and 122, respectively, connected to the first ring-shaped structure 111 and the second ring- Potentiometers (131, 132), and a spring for returning the first and second potentiometers (131, 132) to their initial positions when the fingers are extended.
제 6항에 있어서,
상기 제1 및 제2 관절의 각도는, 손가락의 움직임에 따라 상기 와이어(120) 및 상기 센싱 모듈(130)의 선형 포텐셔미터에 의해 측정되는 상기 부착된 지점의 변화된 거리로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 시스템.
The method according to claim 6,
Wherein the angle of the first and second joints is calculated from the changed distance of the attached point measured by the wire (120) and the linear potentiometer of the sensing module (130) according to the movement of the finger Motion measurement system.
제 5항에 있어서,
상기 제1 및 제2 와이어(121, 122)와 상기 센싱모듈(130)은 손가락 마다 설치되는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 시스템.
6. The method of claim 5,
Wherein the first and second wires (121, 122) and the sensing module (130) are provided for each finger.
제 3항에 있어서,
상기 제1, 제2, 제3 관절은 각각 원위지절간(DIP) 관절, 근위지절간(PIP) 관절, 및 중수지절(MCP) 관절인 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 시스템.
The method of claim 3,
Wherein the first, second, and third joints are a DIP joint, a PIP joint, and a MCP joint, respectively.
제 1항에 있어서,
상기 손가락의 움직임시, 발생되는 손목의 움직임에 따른 손목관절에 회전각도를 계산하는 각도센서(160);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 시스템.
The method according to claim 1,
And an angle sensor (160) for calculating a rotation angle of the wrist joint according to movement of the wrist when the finger is moved.
반지형 구조물을 착용한 사용자의 손가락 움직임 측정 방법에 있어서,
(a) 타단이 센싱모듈(130)에 연결된 와이어(120)의 일단과 연결되어, 카본 스트립(150)에 슬라이드 방식으로 이동가능하게 연결된 반지형 구조물(110)을 손가락 각각에 대하여 중간마디뼈와 첫째마디뼈(middle and proximal phalanxes)에 착용하는 단계;
(b) 상기 손가락 움직임에 따라 상기 센싱모듈(130)에 의해 상기 와이어(120)의 이동거리를 측정하는 단계; 및
(c) 상기 이동거리에 기초하여 손가락 내의 해당 관절에 회전각도를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 방법.
A method of measuring a finger movement of a user wearing a ring-shaped structure,
(a) a ring-shaped structure 110 connected to one end of a wire 120 connected to the sensing module 130 and connected to the carbon strip 150 in a sliding manner, Worn on the middle and proximal phalanxes;
(b) measuring a moving distance of the wire (120) by the sensing module (130) according to the finger movement; And
(c) calculating a rotation angle of the corresponding joint in the finger based on the movement distance.
제 11항에 있어서,
(d) 각도센서(160)가
상기 손가락의 움직임시, 발생되는 손목의 움직임에 따른 손목관절에 회전각도를 계산하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 방법.
12. The method of claim 11,
(d) When the angle sensor 160
And calculating a rotation angle of the wrist joint according to movement of the wrist when the finger moves.
제 11항에 있어서,
(e) 무선통신 모듈(170)이
상기 와이어(120) 이동거리를 통해 상기 센싱모듈(130) 측정된 손가락 움직임 정보를 외부로 전달하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 방법.
12. The method of claim 11,
(e) the wireless communication module 170
And transmitting the measured finger motion information to the outside through the sensing distance of the sensing module (130) through the movement distance of the wire (120).
제 12항에 있어서,
상기 반지형 구조물(110)은
손가락의 제1 관절과 제2 관절 사이의 둘째 마디에 끼워지는 제1 반지형 구조물(111); 및 손가락의 제2 관절과 제3 관절 사이의 첫째 마디에 끼워지는 제2 반지형 구조물(112);를 포함하는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 방법.
13. The method of claim 12,
The ring-like structure 110 is
A first ring-shaped structure (111) fitted to a second node between the first joint and the second joint of the finger; And a second ring-like structure (112) fitted to a first node between the second joint and the third joint of the finger.
제 14에 있어서,
상기 와이어(120)는
일단이 각각 상기 제1 반지형 구조물(111)과 상기 제2 반지형 구조물(112)에 결합되는 상이한 길이의 제1 및 제2 와이어(121, 122);를 포함하는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 방법.
The method according to claim 14,
The wire (120)
And first and second wires (121, 122) of different lengths, one end of which is coupled to the first ring-like structure (111) and the second ring-like structure (112), respectively, Way.
제 15항에 있어서,
상기 제1 및 제2 반지형 구조물(111, 112)은
링에서 각각 기립되어 형성된 결합부(111a, 112a)가 상기 카본 스트립(150)에 슬라이드 방식결합되어, 손 마디 간의 간격조정이 가능한 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 방법.
16. The method of claim 15,
The first and second ring-like structures (111, 112)
Wherein the engaging portions (111a, 112a), which are formed upright in the ring, are slidably engaged with the carbon strip (150), so that the distance between the fingertips can be adjusted.
제 16항에 있어서,
상기 센싱모듈(130)은
일단이 상기 제1 반지형 구조물(111)과 상기 제2 반지형 구조물(112)에 각각 결합된 상기 제1 및 제2 와이어(121, 122)의 타단과 각각 연결되는 연결되 제1 및 제 2 포텐셔미터(131, 132)과, 손가락이 펴졌을 때 상기 제1 및 제 2 포텐셔미터(131, 132)가 초기 위치로 복귀시키는 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 방법.
17. The method of claim 16,
The sensing module (130)
The first ring-shaped structure 111 and the second ring-shaped structure 112 are connected to the other ends of the first and second wires 121 and 122, respectively, connected to the first ring-shaped structure 111 and the second ring- A potentiometer (131, 132) and a spring for returning the first and second potentiometers (131, 132) to an initial position when the finger is extended.
제 17항에 있어서,
상기 제1 및 제2 관절의 각도는, 손가락의 움직임에 따라 상기 와이어(120) 및 상기 센싱 모듈(130)의 선형 포텐셔미터에 의해 측정되는 상기 부착된 지점의 변화된 거리로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 방법.
18. The method of claim 17,
Wherein the angle of the first and second joints is calculated from the changed distance of the attached point measured by the wire (120) and the linear potentiometer of the sensing module (130) according to the movement of the finger Motion measurement method.
제 16항에 있어서,
상기 제1 및 제2 와이어(121, 122)와 상기 센싱모듈(130)은 손가락 마다 설치되는 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the first and second wires (121, 122) and the sensing module (130) are provided for each finger.
제 14항에 있어서,
상기 제1, 제2, 제3 관절은 각각 원위지절간(DIP) 관절, 근위지절간(PIP) 관절, 및 중수지절(MCP) 관절인 것을 특징으로 하는 손가락 움직임 측정 방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the first, second, and third joints are a DIP joint, a PIP joint, and a MCP joint, respectively.
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