KR20190000203A

KR20190000203A - 주행 시 부상 위험성 정량화 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20190000203A
Application number: KR1020170079255A
Authority: KR
Inventors: 정창근; 정주호
Original assignee: 주식회사 비플렉스
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2019-01-02
Also published as: KR101970674B1

Abstract

본 발명은 주행 시 부상 위험성 정량화 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 일반인도 용이하게 착용하고 운동할 수 있는 휴대용 장비를 사용하여 주행 시 발생되는 부상 위험성을 용이하고 효과적으로 정량화하는, 주행 시 부상 위험성 정량화 방법 및 장치를 제공함에 있다.

Description

주행 시 부상 위험성 정량화 방법 및 장치 {Method and apparatus for quantifying risk of gait injury}

본 발명은 주행 시 부상 위험성 정량화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주행 시 사용자가 지면을 딛는 순간 받게 되는 지면 반력에 의해 사용자가 받는 충격량을 이용하여 사용자가 부상을 입게 될 위험성을 정량화하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 현대인의 일상생활에서의 운동량은 적절한 신체 건강을 유지하기에 상당히 부족하다는 점이 꾸준히 지적되어 왔으며, 이에 따라 효과적으로 건강을 촉진할 수 있도록 하는 체계적인 운동 방법에 대한 관심도가 유례없이 높아지고 있다. 이러한 요구에 부합하는 운동 방법 중 하나로서, 누구나 쉽게 할 수 있는 보행 또는 주행 운동이 있다.

그런데 과체중인 사람, 관절이 약한 노약자 등의 경우에는, 이러한 보행 또는 주행 운동이 무릎, 발목 등 체중이 실리거나 지면 반력을 받는 관절에 충격을 주게 되어, 오히려 운동으로 인한 관절 손상이 발생할 위험성이 있다는 점이 지적되어 왔다. 한편 일반적으로 사람들이 보행 또는 주행 운동을 하기 위해서는, 헬스센터 등의 러닝머신을 사용하기도 하지만, 야외 산책로, 공원 등을 이용하는 경우도 매우 많다. 그런데 이러한 야외 산책로 등의 바닥이 아스팔트 등과 같이 딱딱한 경우나, 충분히 충격 흡수를 해 주지 못하는 신발을 신고 운동을 하는 경우 등에는, 일반적인 건강 상태를 가진 사람도 충격에 의해 관절 손상이 올 위험성이 있다.

이러한 문제를 방지하기 위하여 충격 흡수 기능이 있는 러닝화를 개발하거나, 러닝머신에서 부상 위험을 최소화하기 위한 다양한 설계를 개발하는 등의 다양한 연구 노력이 이루어지고 있다. 이러한 연구의 일환으로, 한국특허등록 제1430135호("신발 바닥창", 2014.08.07)에는 보행 시 전달되는 충격을 흡수하여 관절의 무리를 최소화하는 충격 흡수용 신발 바닥창이 개시된다. 또한 한국특허공개 제2011-0107420호("낙상예방 및 보행 훈련시스템", 2011.10.04)에는, 러닝머신에 (보행 중 충격과는 무관하지만) 러닝머신에서 낙상하여 부상당하는 것을 방지하기 위한 설계를 도입하고 있다.

이와 같이 전문적으로 주행 시 충격 흡수에 대한 연구를 하는 연구자 또는 기술자 집단의 경우라면, 연구 개발을 위한 다양한 실험 장비들을 갖추고 있으며, 따라서 주행 시 발생되는 충격과 부상 위험성의 관계를 예측하거나 이를 적용하여 새로운 제품 설계를 할 수 있다. 그러나 전문적으로 이러한 연구를 하는 집단 외에 일반인들이 실제로 보행 또는 주행 시 얼마나 충격을 받고 있는지, 또한 그로 인하여 부상 위험이 얼마나 있는지를 스스로 가늠하는 것은 거의 불가능하다. 또한 일반인이 상술한 바와 같은 전문 연구 시설에 가서 자신의 주행 시 자세와 부상 위험성 측정을 하는 것 역시 실질적으로 불가능하다.

1. 한국특허등록 제1430135호("신발 바닥창", 2014.08.07) 2. 한국특허공개 제2011-0107420호("낙상예방 및 보행 훈련시스템", 2011.10.04)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 일반인도 용이하게 착용하고 운동할 수 있는 휴대용 장비를 사용하여 주행 시 발생되는 부상 위험성을 용이하고 효과적으로 정량화하는, 주행 시 부상 위험성 정량화 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주행 시 부상 위험성 정량화 방법은, 가속도 센서(111)를 포함하여 이루어지며 사용자의 팔을 제외한 상체에 착용되는 적어도 하나의 센서 신호 수집부(110)를 이용한 주행 시 부상 위험성 정량화 방법에 있어서, 상기 센서 신호 수집부(110)에서 측정된 상하 방향 가속도(a_z)를 수집하는 데이터 수집 단계; 상하 방향 가속도(a_z)를 기반으로 산출되는 적어도 하나의 부상 위험성 판단지표를 도출하는 판단지표 도출 단계; 상기 부상 위험성 판단지표가 미리 결정된 기준보다 큰지 판단하는 부상 위험성 판단 단계; 상기 부상 위험성 판단지표 중 적어도 하나가 각각 미리 결정된 기준보다 클 경우, 사용자에게 부상 위험성을 경보하는 부상 위험성 경보 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

이 때 상기 부상 위험성 판단지표는, 상하 방향 가속도(a_z)의 평균 기울기, 상하 방향 가속도(a_z)의 최대 기울기, 최대 충격력, 충격량 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다.

한편 상기 부상 위험성 판단지표는, 상하 방향 가속도(a_z)의 평균 기울기 값으로서, 하기의 식을 사용하여 산출될 수 있다.

(여기에서, a_z : 상하 방향 가속도, mean : 평균값 산출 함수, i : 인덱스 번호, t_i : i번째 시간, t_i-1 : i-1번째 시간, t_c : 충격 시작 시간, t_m : 충격 끝 시간)

이 때 상기 판단지표 도출 단계에서, 사용자 질량(m) 및 평균 기울기의 곱으로서 산출되는 평균 수직 부하율이 더 산출될 수 있다.

또는 상기 부상 위험성 판단지표는, 상하 방향 가속도(a_z)의 최대 기울기 값으로서, 하기의 식을 사용하여 산출될 수 있다.

(여기에서, a_z : 상하 방향 가속도, max : 평균값 산출 함수, i : 인덱스 번호, t_i : i번째 시간, t_i-1 : i-1번째 시간, t_c : 충격 시작 시간, t_m : 충격 끝 시간)

이 때 상기 판단지표 도출 단계에서, 사용자 질량(m) 및 최대 기울기의 곱으로서 산출되는 최대 수직 부하율이 더 산출될 수 있다.

또는 상기 부상 위험성 판단지표는, 최대 충격력 값으로서, 하기의 식을 사용하여 산출될 수 있다.

(여기에서, a_z : 상하 방향 가속도, max : 최대값 산출 함수, m : 사용자 질량, t_m : 충격 끝 시간)

또는 상기 부상 위험성 판단지표는, 충격량 값으로서, 하기의 식을 사용하여 산출될 수 있다.

(여기에서, a_z : 상하 방향 가속도, m : 사용자 질량, t_c : 충격 시작 시간, t_m : 충격 끝 시간)또한 상기 부상 위험성 정량화 방법은, 상기 판단지표 도출 단계 이전에,

상하 방향 가속도(a_z)를 미리 결정된 밴드 패스 필터를 통과시켜 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 단계; 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 본 발명에 따른 주행 시 부상 위험성 정량화 장치(100)는, 가속도 센서(111)를 포함하여 이루어지며 사용자의 팔을 제외한 상체에 착용되는 적어도 하나의 센서 신호 수집부(110); 상기 센서 신호 수집부(110)로부터 신호를 전달받아, 상하 방향 가속도(a_z)를 기반으로 산출되는 적어도 하나의 부상 위험성 판단지표를 도출하고, 상기 부상 위험성 판단지표를 사용하여 경보 발생 여부를 판단 및 제어하는 제어부(120); 상기 제어부로부터 경보 발생 제어 신호를 받아 사용자에게 부상 위험성을 경보하는 경보부(130); 를 포함하여 이루어질 수 있다.

이 때 상기 제어부(120)는, 상기 부상 위험성 판단지표로서, 상하 방향 가속도(a_z)의 평균 기울기, 상하 방향 가속도(a_z)의 최대 기울기, 최대 충격력, 충격량 중 선택되는 적어도 하나를 도출할 수 있다.

또한 상기 경보부(130)는, 음향, 도해, 영상을 포함하는 사용자가 인식 가능한 정보로서 경보 신호를 출력할 수 있다.

또한 상기 부상 위험성 정량화 장치(100)는, 부상 위험성 경보 발생 시점 및 해당 시점에서의 부상 위험성 판단지표 값을 포함하는 부상 위험성 데이터를 외부의 데이터베이스(140)에 전송하여 누적적으로 저장하도록 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 간편하게 휴대가 가능하며 또한 머리, 허리 등과 같은 신체에 용이하게 착용할 수 있는 장비를 사용하여, 일반인이 스스로 주행 시 부상 위험성을 매우 용이하게 측정할 수 있다는 큰 효과가 있다. 특히 현대와 같이 대다수의 일반인들이 건강을 위한 운동을 하면서 자가 진단이 필요한 상황에서, 전문 관리 기관 등을 이용하지 않아도 스스로 이러한 부상 위험성을 측정할 수 있다는 점에서, 일반인의 건강 증진에 있어 비약적인 편의성 및 경제성 향상 효과가 있다.

또한 장치 구성적인 측면에서, 본 발명에 의하면 가속도 센서와 같이 사용자의 동적 물리량을 측정하는 센서만을 이용할 수 있다는 큰 장점이 있다. 즉 기존에는 사용자의 발에 의해 눌림으로써 보행을 인지하는 압력 센서를 이용함으로써 장치 내구도 및 수명 저하 문제, 사용자 신체 치수에 따른 별도 장치 생산 및 사용 문제 등의 여러 문제들이 있었다. 그러나 본 발명의 경우 이러한 문제의 원인인 압력 센서를 발 부분에 배치한다는 기술 구성 자체가 완전히 배제되기 때문에, 상술한 바와 같은 여러 문제들이 원천적으로 제거되는 것이다. 물론 이로부터 사용자 편의성 향상, 사용자 또는 생산자 각각에서의 경제성 향상 등과 같은 효과 또한 얻을 수 있음은 당연하다.

도 1은 본 발명의 부상 위험성 정량화 장치의 실시예.
도 2는 본 발명의 부상 위험성 정량화 장치의 개략도.
도 3은 본 발명의 부상 위험성 정량화 방법의 흐름도.
도 4는 주행 시 상하 방향 가속도 그래프.
도 5는 주행 시 상하 방향 가속도 그래프에 기울기를 표시한 도면.
도 6은 주행 시 상하 방향 가속도 그래프에 충격량을 표시한 도면.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 주행 시 부상 위험성 정량화 방법 및 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

부상 위험성 정량화 장치

도 1은 본 발명의 부상 위험성 정량화 장치의 실시예를, 도 2는 본 발명의 부상 위험성 정량화 장치의 개략도를 각각 도시하고 있다. 먼저 도 1, 2를 통해 본 발명의 부상 위험성 정량화 장치의 구성을 간략히 설명하고, 이후 이러한 부상 위험성 정량화 장치를 이용한 주행 시 부상 위험성 정량화 방법 및 장치에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 부상 위험성 정량화 장치(100)를 간략히 설명하자면 보행 또는 주행 시 발생할 수 있는 부상 위험성을 사용자에게 알려주는 장치이다. 보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 보행 또는 주행 시, 자세가 잘못되어 있거나 지면이 딱딱하다거나 등과 같은 다양한 이유로 인하여 발목, 무릎, 허리 등에 무리가 갈 수 있고 이것이 부상으로 이어질 위험이 있다는 문제가 잘 알려져 있다. 이러한 위험을 막기 위하여 종래에는 충격 흡수과 같은 기능성 운동화를 착용하는 등과 같은 정도의 대처밖에는 하지 못했으며, 실제로 얼마나 부상 위험성이 발생하는지 알 수 있는 정확한 지표가 없었던 실정이다. 본 발명에서는, 이러한 부상 위험성을 판단지표로서 정량화하고, 이를 이용하여 부상 위험성이 어느 수준 이상으로 올라가면 사용자에게 경보로서 위험 정도를 알려 주도록 한다. 이를 통해 사용자는 부상이 발생하기 전에 적절히 보행 또는 주행을 멈추거나, 자세를 교정하거나, 운동화를 교체하거나, 보행 또는 주행 코스를 변경하는 등과 같은 대처를 할 수 있게 되어, 궁극적으로 보행 또는 주행 시 발생하는 부상 위험성을 크게 저감할 수 있게 된다.

이러한 본 발명의 부상 위험성 정량화 장치(100)는, 도 1, 2에 도시된 바와 같이 센서 신호 수집부(110), 제어부(120), 경보부(130)를 포함하여 이루어진다. 더불어, 상기 부상 위험성 정량과 장치(100)는 데이터베이스(140)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 센서 신호 수집부(110)는, 기본적으로 가속도 센서(111)를 포함하여 이루어지며 사용자의 팔을 제외한 상체에 착용된다. 상기 센서 신호 수집부(110)는 단일 개여도 무방하고 또는 복수 개여도 무방하다. 도 1에는 상기 센서 신호 수집부(110)가 2개로 형성되어 사용자의 머리 및 허리 각각에 착용되는 예시를 도시하고 있으며, 이 경우 사용자의 머리측에 착용되는 센서 신호 수집부를 머리측 센서 신호 수집부(110H), 사용자의 허리측에 착용되는 센서 신호 수집부를 허리측 센서 신호 수집부(110W)로 구분할 수 있다. 착용 상태의 구체적인 예시로서, 도 1의 개략도에 나타나는 바와 같이, 머리측에 착용되는 머리측 센서 신호 수집부(110H)는 이어폰과 같이 귀에 꽂는 형태로 이루어지고, 허리측에 착용되는 허리측 센서 신호 수집부(110W)는 벨트에 꽂는 형태로 이루어질 수 있다. 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 상기 머리측 센서 신호 수집부(110H)가 헤어밴드 형태, 안경 형태, 별도의 모자에 꽂아 부착하는 형태, 헬멧 형태 등 다양하게 변경 실시될 수 있음은 당연하다. 또한 도면에는 도시되지 않았으나, 상기 센서 신호 수집부(110)는 사용자의 팔을 제외한 상체 어디에든 착용될 수 있는데, 예를 들어 가슴 부위에 착용되도록 할 경우 의복의 가슴주머니에 수용되거나 꽂아 부착하는 형태, 별도의 조끼나 하네스 등을 이용하여 착용하는 형태 등과 같은 다양한 변경 실시가 가능하다.

상기 센서 신호 수집부(110)에는 상술한 바와 같이 기본적으로 상기 가속도 센서(111)가 포함된다. 상기 가속도 센서(111)는 자이로스코프를 내장하는 형태 등과 같이 일반적으로 3축 방향의 가속도를 측정하는 데 사용되는 센서들 중 적절한 것을 선택하여 채용할 수 있다. 한편 상기 센서 신호 수집부(110)에, 상기 가속도 센서(111)에서 수집된 가속도 데이터 신호를 사용하여 계산을 수행하고 제어하는 등의 역할을 하는 상기 제어부(120)가 직접 구비되도록 할 수도 있다. 또는 상기 제어부(120)는 기존에 사용되는 스마트폰에 앱 형태로 구현되게 할 수 있는 등 다양한 변경 실시가 가능하다. 즉 이처럼 상기 제어부(120)가 상기 센서 신호 수집부(110)와 별도의 장치로 구현되게 될 경우, 상기 가속도 센서(111)에서 수집됩 가속도 데이터 신호가 상기 제어부(120)로 원활하게 전달될 수 있도록, 상기 센서 신호 수집부(110)는 통신부(112)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이러한 신호 전달은 와이어링을 통한 유선 통신에 의하여 이루어질 수도 있고, 블루투스, 와이파이, NFC 등과 같은 무선 통신에 의하여 이루어질 수 있는 등, 필요되는 조건이나 요구되는 성능에 따라 적절한 형태를 선택하여 채용할 수 있다.

이후 본 발명의 부상 위험성 정량화 방법의 설명에서 보다 상세히 설명되겠지만, 본 발명에서는 부상 위험성을 판단함에 있어서 상하 방향 가속도를 사용한다. 종래에 주행과 관련하여 사용자의 운동 상태를 측정하는 대부분의 장치들은, 직접적으로 발로 눌러지는 부분인 신발, 발판 등에 구비되는 압력 센서를 사용하였으며, 이에 따라 센서의 손상이 빨리 일어나 장치 내구도 및 수명이 짧아지는 문제가 있었다. 물론 이는 사용 중 장치 손상으로 인한 보행 인식 및 분석 정확성의 저하, 잦은 장치 교체로 인한 편의성 및 경제성 저하 등의 문제를 유발시킨다. 더불어 이러한 장치가 신발에 구비되는 경우 사용자의 발 크기에 따라 사용자마다 각각 별도의 장치가 필요하게 되어, 사용자의 편의성 및 경제성 저하가 가중되며, 생산자에게는 크기별 별도 생산을 해야만 하여 역시 경제적 부담을 발생시키는 등의 문제가 있었다.

그러나 본 발명에서는 보행 또는 주행과 관련된 운동을 인식함에 있어서 발로 눌리는 압력을 사용한다는 개념을 완전히 탈피하여, 도 1에 도시된 바와 같이 사용자의 팔을 제외한 상체에서 측정되는 가속도를 사용한다. 이처럼 본 발명은 종래기술과는 측정 위치가 전혀 상이하고(종래기술 : 발 / 본 발명: 팔을 제외한 상체), 측정 물리량도 전혀 상이하다(종래기술 : 압력 / 본 발명 : 가속도와 같은 동적 물리량). 이 때 앞서 종래기술에서 지적된 여러 문제점들의 근본적인 원인은 '압력 센서를 발 부분에 배치한다'는 기술 구성에서 오는 것인바, 본 발명에 의하면 그 구성만으로서 상술한 바와 같은 여러 문제들이 원천적으로 제거될 수 있게 된다.

또한 본 발명에서는 부상 위험성의 정량화를 위해 상하 방향 가속도를 사용한다. 일반적으로 주행이 이루어질 때, 상대적으로 머리에서의 좌우 움직임과 사용자 신체의 질량 중심의 좌우 움직임이 보다 유사하게 나타나고, 또한 상대적으로 허리에서의 전후 움직임과 사용자 신체의 질량 중심의 전후 움직임이 보다 유사하게 나타난다. 더불어 상하 움직임은 머리에서 허리까지를 포함한 상체 및 질량 중심 모두에서 유사하게 나타난다. 다만 상체 중에서 팔 부분은, 질량 중심의 움직임 외에도 전후 방향으로 흔들리는 별도의 움직임을 하기 때문에 팔은 제외된다. 이러한 점을 고려할 때, 상하 방향의 가속도는 팔을 제외한 상체 중 어디에서 측정하도록 하여도 무방하다. 부연하자면, 상하 방향의 가속도는 팔을 제외한 상체 어디에서 측정하여도 상당히 정확하게 잘 나타나므로, 머리측이나 허리측 둘 중 하나에서 측정된 값을 선택적으로 사용하여도 되고, 또는 양측에서 측정된 값들의 평균값을 사용하여도 되는 등 적절하게 선택할 수 있다.

상기 제어부(120)는, 상기 센서 신호 수집부(110)로부터 신호를 전달받아, 상하 방향 가속도(a_z)를 기반으로 산출되는 적어도 하나의 부상 위험성 판단지표를 도출하고, 상기 부상 위험성 판단지표를 사용하여 경보 발생 여부를 판단 및 제어하는 역할을 한다. 좀더 구체적으로는, 상기 제어부(120)는 상기 부상 위험성 판단지표로서, 상하 방향 가속도(a_z)의 평균 기울기, 상하 방향 가속도(a_z)의 최대 기울기, 최대 충격력, 충격량 중 선택되는 적어도 하나를 도출하여, 이를 통해 부상 위험성을 정량화하고 위험 정도를 판별하게 된다. 상기 제어부(120)에서 수행하는 부상 위험성 판단지표 도출 등에 대해서는 이후 본 발명의 부상 위험성 정량화 방법을 설명하면서 보다 상세히 설명한다.

상기 제어부(120)의 실제 구현 형태는 필요나 목적에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 즉 구체적인 예를 들자면, 상기 제어부(120)는, 다양한 계산을 수행할 수 있는 집적 회로 형태로 이루어져 상기 센서 신호 수집부(110)와 일체로서 하나의 기판 상에 형성될 수도 있고, 별도의 전용 장치(즉 부상 위험성 정량화 용도로만 만들어진 독립적인 장치)나 별도의 컴퓨터 등과 같은 형태로 이루어질 수도 있으며, 또는 앞서 설명한 바와 같이 기존에 사용되고 있는 스마트폰에 앱 형태로 구현될 수도 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 상기 제어부(120)가 상기 센서 신호 수집부(110)와 일체로 형성되어 있을 경우에는 상기 가속도 센서(111)로부터 직접 신호를 전달받도록 이루어질 수 있다. 한편 상기 제어부(120)가 별도의 장치나 스마트폰 앱 형태로 이루어지는 등과 같이 상기 센서 신호 수집부(110)와 독립적으로 형성되어 있을 경우에는 상기 가속도 센서(111)로부터 유선 또는 무선 통신에 의하여 신호를 전달받도록 이루어질 수 있다.

상기 경보부(130)는, 상기 제어부로부터 경보 발생 제어 신호를 받아 사용자에게 부상 위험성을 경보하는 역할을 한다. 상기 제어부(120)에서는 상하 방향 가속도(a_z)를 기반으로 산출되는 적어도 하나의 부상 위험성 판단지표를 도출하고 이를 사용하여 경보 발생 여부를 판단하는데, 부상 위험성이 미리 결정된 기준 이상이라고 판단되면 상기 경보부(130)에서 경보를 발생시키도록 제어함으로써 사용자에게 위험을 알리게 된다.

상기 경보부(130)는 음향, 도해, 영상을 포함하는 사용자가 인식 가능한 정보로서 경보 신호를 출력한다. 예를 들자면, 상기 경보부(130)가 음향을 출력하는 스피커 형태로 이루어질 경우 부상 위험성이 기준 이상이면 경고음이 울리게 할 수 있다. 또는 본 발명의 장치가 구글 글래스와 같은 증강현실 안경에 적용될 경우, 상기 경보부(130)는 증강현실 안경 상에 빨간색 경고용 도형 또는 이러한 도형이 깜빡거리는 영상을 출력한다거나, "부상 위험성이 ??%입니다" 등과 같은 메시지를 출력하도록 이루어질 수도 있다. 또는 상기 경보부(130)가 열전소자로 구현되며 사용자의 피부에 직간접적으로 접촉된 형태로 이루어져, 부상 위험성이 기준 이상이면 차가워지거나 또는 뜨거워짐으로써 사용자에게 경보할 수도 있다. 다른 예시로서 사용자가 시각 장애인일 경우를 위해 상기 경보부(130)가 변경 가능한 점자 형태로서 촉각에 의해 인식되는 형태로 이루어질 수도 있다. 이와 같이 상기 경보부는, 사용자가 인식 가능한 정보로서 경보 신호를 출력할 수 있기만 하다면 그 어떠한 형태로 이루어져도 무방하다.

더불어 상기 부상 위험성 정량화 장치(100)는, 부상 위험성 경보 발생 시점 및 해당 시점에서의 부상 위험성 판단지표 값을 포함하는 부상 위험성 데이터를 외부의 데이터베이스(140)에 전송하여 누적적으로 저장하도록 이루어질 수 있다. 이러한 보행 또는 주행 운동 분석을 필요로 하는 사용자는, 건강 촉진을 위해 매일 산책 또는 조깅을 수행하는 일반인이나, 또는 신체 능력 향상을 위해 훈련하는 전문가 등이 있을 수 있으며, 이러한 운동 분석 데이터가 누적되어 시간적인 변화를 볼 수 있도록 이루어지는 것이 당연히 바람직하다. 뿐만 아니라, 이처럼 운동 분석 데이터가 대량으로 누적 저장되면, 이러한 데이터가 빅데이터로서 활용되어 각종 통계나 분석에 사용될 수도 있는 등, 다양한 활용이 가능하다.

부상 위험성 정량화 방법

도 3은 본 발명의 부상 위험성 정량화 방법의 흐름도로서, 도 3을 통해 본 발명의 부상 위험성 정량화 방법을 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명의 부상 위험성 정량화 방법은, 상술한 바와 같이 가속도 센서(111)를 포함하여 이루어지며 사용자의 팔을 제외한 상체에 착용되는 적어도 하나의 센서 신호 수집부(110)를 이용하여 측정된 상하 방향 가속도(a_z)를 사용하여 부상 위험성 판단지표를 도출하여 부상 위험성을 정량화한다. 이를 위하여 본 발명의 부상 위험성 정량화 방법은, 데이터 수집 단계, 판단지표 도출 단계, 부상 위험성 판단 단계, 부상 위험성 경보 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 더불어 부상 위험성 판단지표 도출의 정확성을 높이기 위하여 노이즈 제거 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 도 3에 나타난 각 단계에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 데이터 수집 단계에서는, 상기 센서 신호 수집부(110)에서 측정된 상하 방향 가속도(a_z)를 수집한다. 수집된 상하 방향 가속도(a_z)는 그대로 사용될 수도 있으나, 미리 결정된 밴드 패스 필터를 통과시켜 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 단계를 거치도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 이 때 상기 밴드 패스 필터는, 예를 들어 일반적인 사람의 보행 또는 주행 주파수에 해당하는 0.1 ~ 5 Hz로 형성될 수 있으나, 물론 이 범위는 적절하게 변경 결정될 수 있다.

상기 판단지표 도출 단계에서는, 상하 방향 가속도(a_z)를 기반으로 산출되는 적어도 하나의 부상 위험성 판단지표를 도출하게 된다. 이 때 상기 부상 위험성 판단지표는, 상하 방향 가속도(a_z)의 평균 기울기, 상하 방향 가속도(a_z)의 최대 기울기, 최대 충격력, 충격량 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 각각의 판단지표에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.

상기 부상 위험성 판단 단계에서는, 상기 부상 위험성 판단지표가 미리 결정된 기준보다 큰지 판단한다. 이 때 상기 부상 위험성 판단지표가 상술한 바와 같이 복수 개가 될 수 있는데, 여러 판단지표들 중 어느 하나만 기준 이상일 때 경보를 발생시킬 수도 있고, 모두 기준 이상일 때 경보를 발생시킬 수도 있고, 또는 적절하게 우선순위를 두어 단계적으로 경보를 발생시킬 수도 있다. 상기 부상 위험성 판단 단계에서, 상기 부상 위험성 판단지표가 미리 결정된 기준보다 작으면 경보를 발생하지 않고 다시 데이터 수집 단계로 되돌아가게 된다. 더불어, 상기 부상 위험성 판단 단계에서는, 주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도(a_z) 데이터에 대하여 적어도 2주기 이상의 데이터를 취합하여 산출된 상기 부상 위험성 판단지표를 사용하여 판단이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

상기 부상 위험성 경보 단계에서는, 상기 부상 위험성 판단지표 중 적어도 하나가 각각 미리 결정된 기준보다 클 경우, 사용자에게 부상 위험성을 경보한다. 부상 위험성의 경보 형태는 앞서 설명한 바와 같이 음향, 도해, 영상 등 다양한 형태가 될 수 있으며, 사용자는 이처럼 경보를 받음으로써 능동적으로 부상 위험성을 줄이기 위한 대처(운동 종료, 자세 교정, 신발 교체, 코스 변경 등)를 함으로써 궁극적으로 부상 위험성을 크게 저감할 수 있다.

이하에서는 본 발명에서 사용되는 부상 위험성 판단지표의 여러 예시와 각각을 도출하는 과정을 보다 구체적으로 설명한다.

도 4는 주행 시 상하 방향 가속도 그래프를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 상하 방향 가속도(a_z)는 시간에 대하여 주기적인 형태로 나타난다(보행 또는 주행 자체가 주기적인 운동이므로 이는 당연한 것이다). 주행 운동을 풀어서 묘사하자면 다음과 같다. 먼저 전방으로 나와 있는 한 쪽 발이 지면을 박차는 순간(이 순간 다른 쪽 발은 허공에 떠 있음)으로 시작한다. 이 상태에서, 한 쪽 발이 지면을 박차서 떠오르면서 양 발이 모두 허공에 떠 있는 상태인 채로 사람의 몸체가 전방으로 이동하며, 이와 함께 양 발이 허공을 저으면서 전후가 바뀌어 다른 쪽 발이 전방으로 나오게 된다. 전방으로 나온 다른 쪽 발이 지면에 닿음과 동시에 지면을 박차는 순간이 다시 이루어지면서 한 걸음의 주행이 이루어진다. 이 과정에서, 한 발로 지면을 박차는 순간에는 사람의 머리가 상하 방향으로 가장 크게 흔들리는 반면(상하 방향 가속도(a_z)에서 로컬 맥시멈이 형성됨), 공중에 뜬 채 나아가고 있는 상태에서는 상하 방향으로 거의 흔들리지 않게 된다(상하 방향 가속도(a_z)에서 상수값이 형성됨).

바로 이렇게 발이 지면을 박차는 순간 관절에 가장 많은 충격이 가해지게 되며, 이러한 충격은 도 4와 같은 상하 방향 가속도 그래프에서 첫 번째 피크(peak) 형태로 나타나게 된다. 이 때의 충격의 정도에 따라 부상 위험성이 달라지게 되며, 본 발명에서는 이를 지표화함으로써 정량화된 판단의 근거로 사용하였다. 이러한 판단지표로서, 본 발명에서는 앞서 설명한 바와 같이, 상하 방향 가속도(a_z)의 평균 기울기, 상하 방향 가속도(a_z)의 최대 기울기, 최대 충격력, 충격량을 사용한다.

도 5는 주행 시 상하 방향 가속도 그래프에 기울기를 표시한 도면으로서, 이를 통해 상하 방향 가속도(a_z)의 평균 기울기 및 최대 기울기를 도출하는 과정을 설명한다.

먼저 상기 부상 위험성 판단지표를 상하 방향 가속도(a_z)의 평균 기울기 값으로 선택할 경우, 상기 부상 위험성 판단지표는 하기의 식을 사용하여 산출된다.

충격 시작 시간이란, 실제적으로는 발이 지면에 착지하는 순간을 의미한다. 이는 상하 방향 가속도(a_z)가 0 이하의 값에서 0 근처의 소정의 기준값(예 : 0.3 m/s²)을 상향 돌파하는 시점으로 결정할 수 있다. 여기에서 충격 시작 시간을 결정하는 기준값의 구체적인 값은, 상술한 예와 같이 0.5m/s² 이하의 값 중에서 적절하게 결정될 수 있다. 충격 끝 시간은 첫 번째 피크 값이 나타나는 시각으로, 그래프 상에서 직관적으로도 쉽게 확인할 수 있다. 인덱스 i는, 충격 시작 시간부터 충격 끝 시간까지의 시간을 n으로 나누어 디지타이즈화한 시간들의 인덱스로서, n은 필요에 따라 적절하게 결정하면 된다.

평균 기울기 값은 바로 이렇게, 충격 시작 시간에서 충격 끝 시간까지를 n등분하였을 때 각각의 간격에서 구해진 n개의 기울기 값들의 평균값이다. 도 5는 어느 한 주기에서의 상하 방향 가속도(a_z) 그래프를 도시하고 있는데, 이러한 한 주기에서 상술한 바와 같은 평균 기울기 값을 구할 수 있다. 한편, 도 4에 보이는 바와 같이 주행 중에는 도 5와 같은 형태의 그래프가 계속 반복되며, 상술한 바와 같은 평균 기울기 값은 각 주기마다(즉 각 걸음마다) 구해질 수 있다. 이 때 상기 판단지표 도출 단계에서, 사용자 질량(m) 및 평균 기울기의 곱으로서 산출되는 평균 수직 부하율(average vertical loading rate)이 더 산출될 수 있다.

한편 상기 부상 위험성 판단지표를 상하 방향 가속도(a_z)의 최대 기울기 값으로 선택할 경우, 상기 부상 위험성 판단지표는 하기의 식을 사용하여 산출된다.

상기 최대 기울기는, 평균 기울기에 대한 설명에서 기술한 바와 같이 어떤 한 주기(한 걸음)에서의 충격 시작 시간~충격 끝 시간까지 사이에서 구해진 n개의 기울기 값들 중 최대값이다. 이 때 상기 판단지표 도출 단계에서, 사용자 질량(m) 및 최대 기울기의 곱으로서 산출되는 최대 수직 부하율(instantaneous vertical loading rate)이 더 산출될 수 있다.

도 6은 주행 시 상하 방향 가속도 그래프에 충격량을 표시한 도면으로서, 이를 통해 최대 충격력 및 충격량을 도출하는 과정을 설명한다.

먼저 상기 부상 위험성 판단지표를 최대 충격력 값으로 선택할 경우, 상기 부상 위험성 판단지표는 하기의 식을 사용하여 산출된다.

앞서 설명한 바와 같이 충격 끝 시간은 첫 번째 피크 값이 나타나는 시각이므로, 당연히 최대 충격력이 나타나는 시각은 충격 끝 시간이 된다. 도 6에서 상하 방향 가속도(a_z)의 첫 번째 피크(1st peak)가 표시되어 있는데, 여기에 사용자 질량(m)을 곱한 값이 바로 최대 충격력 값이 된다.

한편 상기 부상 위험성 판단지표를 충격량 값으로 선택할 경우, 상기 부상 위험성 판단지표는 하기의 식을 사용하여 산출된다.

(여기에서, a_z : 상하 방향 가속도, m : 사용자 질량, t_c : 충격 시작 시간, t_m : 충격 끝 시간)

도 6에서 충격 시작 시간에서 충격 끝 시간 사이의 상하 방향 가속도(a_z) 그래프 면적이 표시되어 있는데, 이 면적에 사용자 질량(m)을 곱한 값이 바로 충격량 값이 된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: 부상 위험성 정량화 장치
110: 센서 신호 수집부
111: 가속도 센서 112: 통신부
110H: 머리측 센서 신호 수집부
111H: 머리측 가속도 센서 112H: 머리측 통신부
110W: 허리측 센서 신호 수집부
111W: 허리측 가속도 센서 112W: 허리측 통신부
120: 제어부 130: 경보부
140: 데이터베이스

Claims

가속도 센서를 포함하여 이루어지며 사용자의 팔을 제외한 상체에 착용되는 적어도 하나의 센서 신호 수집부를 이용한 주행 시 부상 위험성 정량화 방법에 있어서,
상기 센서 신호 수집부에서 측정된 상하 방향 가속도를 수집하는 데이터 수집 단계;
상하 방향 가속도를 기반으로 산출되는 적어도 하나의 부상 위험성 판단지표를 도출하는 판단지표 도출 단계;
상기 부상 위험성 판단지표가 미리 결정된 기준보다 큰지 판단하는 부상 위험성 판단 단계;
상기 부상 위험성 판단지표 중 적어도 하나가 각각 미리 결정된 기준보다 클 경우, 사용자에게 부상 위험성을 경보하는 부상 위험성 경보 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주행 시 부상 위험성 정량화 방법.
제 1항에 있어서, 상기 부상 위험성 판단지표는,
상하 방향 가속도의 평균 기울기, 상하 방향 가속도의 최대 기울기, 최대 충격력, 충격량 중 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 주행 시 부상 위험성 정량화 방법.
제 2항에 있어서, 상기 부상 위험성 판단지표는,
상하 방향 가속도의 평균 기울기 값으로서, 하기의 식을 사용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 주행 시 부상 위험성 정량화 방법.

(여기에서, a_z : 상하 방향 가속도, mean : 평균값 산출 함수, i : 인덱스 번호, t_i : i번째 시간, t_i-1 : i-1번째 시간, t_c : 충격 시작 시간, t_m : 충격 끝 시간)
제 3항에 있어서, 상기 판단지표 도출 단계에서,
사용자 질량 및 평균 기울기의 곱으로서 산출되는 평균 수직 부하율이 더 산출되는 것을 특징으로 하는 주행 시 부상 위험성 정량화 방법.
제 2항에 있어서, 상기 부상 위험성 판단지표는,
상하 방향 가속도의 최대 기울기 값으로서, 하기의 식을 사용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 주행 시 부상 위험성 정량화 방법.

(여기에서, a_z : 상하 방향 가속도, max : 평균값 산출 함수, i : 인덱스 번호, t_i : i번째 시간, t_i-1 : i-1번째 시간, t_c : 충격 시작 시간, t_m : 충격 끝 시간)
제 5항에 있어서, 상기 판단지표 도출 단계에서,
사용자 질량 및 최대 기울기의 곱으로서 산출되는 최대 수직 부하율이 더 산출되는 것을 특징으로 하는 주행 시 부상 위험성 정량화 방법.
제 2항에 있어서, 상기 부상 위험성 판단지표는,
최대 충격력 값으로서, 하기의 식을 사용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 주행 시 부상 위험성 정량화 방법.

(여기에서, a_z : 상하 방향 가속도, max : 최대값 산출 함수, m : 사용자 질량, t_m : 충격 끝 시간)
제 2항에 있어서, 상기 부상 위험성 판단지표는,
충격량 값으로서, 하기의 식을 사용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 주행 시 부상 위험성 정량화 방법.

(여기에서, a_z : 상하 방향 가속도, m : 사용자 질량, t_c : 충격 시작 시간, t_m : 충격 끝 시간)
제 1항에 있어서, 상기 부상 위험성 정량화 방법은,
상기 판단지표 도출 단계 이전에,
상하 방향 가속도를 미리 결정된 밴드 패스 필터를 통과시켜 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 단계;
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주행 시 부상 위험성 정량화 방법.
가속도 센서를 포함하여 이루어지며 사용자의 팔을 제외한 상체에 착용되는 적어도 하나의 센서 신호 수집부;
상기 센서 신호 수집부로부터 신호를 전달받아, 상하 방향 가속도를 기반으로 산출되는 적어도 하나의 부상 위험성 판단지표를 도출하고, 상기 부상 위험성 판단지표를 사용하여 경보 발생 여부를 판단 및 제어하는 제어부;
상기 제어부로부터 경보 발생 제어 신호를 받아 사용자에게 부상 위험성을 경보하는 경보부;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주행 시 부상 위험성 정량화 장치.
제 10항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 부상 위험성 판단지표로서, 상하 방향 가속도의 평균 기울기, 상하 방향 가속도의 최대 기울기, 최대 충격력, 충격량 중 선택되는 적어도 하나를 도출하는 것을 특징으로 하는 주행 시 부상 위험성 정량화 장치.
제 10항에 있어서, 상기 경보부는,
음향, 도해, 영상을 포함하는 사용자가 인식 가능한 정보로서 경보 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 주행 시 부상 위험성 정량화 장치.
제 10항에 있어서, 상기 부상 위험성 정량화 장치는,
부상 위험성 경보 발생 시점 및 해당 시점에서의 부상 위험성 판단지표 값을 포함하는 부상 위험성 데이터를 외부의 데이터베이스에 전송하여 누적적으로 저장하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 주행 시 부상 위험성 정량화 장치.