KR20190056647A - Device for measuring angle of ankle based on inertial sensors - Google Patents

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KR20190056647A
KR20190056647A KR1020170153834A KR20170153834A KR20190056647A KR 20190056647 A KR20190056647 A KR 20190056647A KR 1020170153834 A KR1020170153834 A KR 1020170153834A KR 20170153834 A KR20170153834 A KR 20170153834A KR 20190056647 A KR20190056647 A KR 20190056647A
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김종현
최서영
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대한민국(국립재활원장)
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, a device for measuring an angle of an ankle joint based on an inertial sensor calculates an angle (ρ) of an ankle joint (J) with rotary axes (X, X′). To this end, the device for measuring an angle of an ankle joint based on an inertial sensor comprises: a first inertial sensor attached to a first part of a human body based on the ankle joint (J); a second inertial sensor attached to a second part of the human body on the opposite side of the first part based on the ankle joint (J); and a processing unit calculating the angle (ρ) of the ankle joint (J) based on a unit vector (j1) in an axial direction of the rotary axes (X, X′) viewed by the first inertial sensor and a unit vector (j2) in an axial direction of the rotary axes (X, X′) viewed by the second inertial sensor.

Description

관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치{DEVICE FOR MEASURING ANGLE OF ANKLE BASED ON INERTIAL SENSORS}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an inertial sensor-based ankle joint angle measuring device,

이하, 실시예들은 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치에 관한 것이다.Embodiments relate to an inertial sensor-based ankle joint angle measuring apparatus.

발목 관절은 인체의 보행 중 발(foot)과 정강이(shank) 등에 인가되는 충격을 흡수하고 인체의 전진 보행을 가능하게 하는 관절이다. 인체가 보행하는 동안 발이 지면과 접촉할 때 발과 정강이에 인가되는 충격을 흡수하기 위하여 발목 관절은 충분한 유연성을 구비하여야 한다. 이에 따라, 인체의 발목 관절은 다양한 공간적 형태에 대응하기 위해 이동하는 축(moving axis)을 구비하며, 인체의 보행 중 상기 축은 지면에 접촉하는 발을 위에서 바라보았을 때 가상의 수평선에 대하여 각을 이루거나 지면에 접촉하는 발을 옆에서 바라보았을 때 지면에 대하여 각을 이루며 이동한다. 이러한 축은 "비틀림 축"으로도 언급된다. 또한, 발목 관절이 인체의 보행 중 발과 정강이에 인가되는 추진력에 견딜 수 있을 만큼 견고하도록 발목 관절을 이루는 여러 가지 크고 작은 뼈들이 결합 조직(e.g. 인대)에 의하여 단단히 연결된다.The ankle joint is a joint that absorbs the shock applied to the foot and shank during walking of the human body and enables the human body to walk forward. The ankle joints should have sufficient flexibility to absorb impacts applied to the feet and shin during contact with the ground while the human body is walking. Accordingly, the ankle joint of the human body has a moving axis to cope with various spatial shapes, and the axis during walking of the human body is angled with respect to a virtual horizon when viewed from above. Or when the foot that is in contact with the ground is viewed from the side, it moves at an angle to the ground. These axes are also referred to as " torsional axes ". In addition, various large and small bones constituting the ankle joint are firmly connected by a connective tissue (e.g., ligament) so that the ankle joint is strong enough to withstand the driving force applied to the foot and shin during walking of the human body.

한편, 경직(spasticity)이란 중추 신경계의 손상으로 인한 상위 운동 신경 증후군(upper motor neuron syndrome)을 말하는 것으로, 속도 의존적인 특성을 가진 신장 반사의 과흥분(hyperexcitability)으로 발생한다. 이러한 경직 현상은 인체의 보행을 방해한다. 경직 현상이 지속되면 관절의 통증과 변형이 발생한다. 이러한 경직 현상을 치료하기 위하여 발목 관절에 대한 객관적인 평가가 요구된다. 주로 임상 분야에서 발목 관절에 대한 평가는 발목 관절의 각도를 측정함으로써 이루어진다. 예를 들어, 평가 도구로는 수정 타르디외 스케일(modified tardieu scale; MTS)이 있다. 그러나, 현재 임상 분야의 의료인들은 주로 각도계를 사용하여 발목 관절의 각도를 측정하므로, 발목 관절의 측정 정확도가 떨어지고, 발목 관절의 각도를 정확히 측정하는 디바이스는 상업적으로 매우 비싸고 조작이 어려운 경우가 많다. 이에, 임상 분야에서 의료인들이 사용하기에 편리하고 정확한 관절의 각도를 측정하는 디바이스가 요구된다.On the other hand, spasticity refers to upper motor neuron syndrome caused by damage to the central nervous system, resulting in hyperexcitability of renal reflexes with rate-dependent characteristics. This rigidity prevents the human body from walking. If stiffness persists, joint pain and deformation will occur. Objective evaluation of the ankle joint is required to treat such stiffness. The evaluation of the ankle joint is mainly made by measuring the angle of the ankle joint in the clinical field. For example, the modified tardieu scale (MTS) is an evaluation tool. However, current medical practitioners mainly use angle gauges to measure the angle of the ankle joint, so the measurement accuracy of the ankle joint is lowered, and the device for accurately measuring the angle of the ankle joint is very expensive commercially and is often difficult to operate. Therefore, there is a demand for a device for measuring the angle of the joint, which is convenient and easy to use by medical personnel in the clinical field.

위와 같은 요구에 대응하여 관성 센서를 이용하여 발목 관절의 각도를 측정하는 예가 있다. 발목 관절은 인체의 다른 관절에 비해 짧은 이유로, 관성 센서는 발목 관절에 사용하기에 충분히 작고 가벼우며, 휴대용으로도 사용이 가능할 뿐만 아니라 비용도 저렴하다. 현재까지 개시된 관성 센서를 이용하여 발목 관절의 각도를 측정하는 방법에 따르면, 발등 굽힘(dorsiflexion) 및 발바닥쪽 굽힘(plantar flexion)이 이루어지는 동안 각도가 변하는 발목 관절의 비틀림 축을 고려하지 않고 발목 관절의 각도가 측정되었다. 또한, 관성 센서의 부적절한 센서 위치는 발목 관절의 각도 측정의 정확도를 감소시키는 요인이므로, 발목 관절의 해부학적 위치에 기반한 발목 관절의 움직임을 가이드하는 구성이 필요하였고, 이러한 가이드는 사용자의 사용 편의성을 감소시킨다.There is an example of measuring the angle of the ankle joint using the inertial sensor in response to the above requirement. The ankle joints are shorter than other joints in the human body, inertial sensors are small enough to be used for ankle joints, lightweight, portable and cost effective. According to the method of measuring the angle of the ankle joint using the inertial sensor disclosed up to now, the angle of the ankle joint can be measured without considering the torsion axis of the ankle joint whose angle changes during the dorsiflexion and plantar flexion, Was measured. In addition, since the inadequate sensor position of the inertia sensor reduces the accuracy of the angle measurement of the ankle joint, it is necessary to provide a guide for the movement of the ankle joint based on the anatomical location of the ankle joint. .

예를 들어, 일본공개특허공보 제2003-319920호는 관절 운동 기능 평가 장치 및 평가 방법을 개시한다.For example, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2003-319920 discloses an apparatus and method for evaluating joint motion function.

일 실시예에 따른 목적은 발목 관절의 비틀림 축을 고려하여 발목 관절의 각도를 계산하는 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an inertial sensor-based ankle joint angle measuring apparatus for calculating an angle of ankle joint in consideration of a torsional axis of an ankle joint.

일 실시예에 따른 목적은 발목 관절을 기준으로 인체의 임의의 부분에 관성 센서가 설치되더라도 발목 관절의 움직임을 가이드하는 구성 없이 발목 관절의 각도를 측정하는 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an inertial sensor-based ankle joint angle measuring apparatus for measuring an angle of an ankle joint without guiding the movement of the ankle joint even if an inertial sensor is installed on an arbitrary portion of the human body based on the ankle joint will be.

일 실시예에 따른 회전축(X; X')을 구비하는 발목 관절(J)의 각도(ρ)를 계산하는 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치는 상기 발목 관절(J)을 기준으로 인체의 제1부분에 부착된 제1관성센서; 상기 발목 관절(J)을 기준으로 상기 제1부분의 맞은편의 인체의 제2부분에 부착되는 제2관성센서; 및 상기 제1관성센서에서 바라본 상기 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j1)와, 상기 제2관성센서에서 바라본 상기 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j2)에 기초하여 상기 발목 관절(J)의 각도(ρ)를 계산하는 처리부를 포함할 수 있다.An inertial sensor-based ankle joint angle measuring apparatus for calculating an angle? Of an ankle joint J having an axis of rotation X (X ') according to an embodiment includes an ankle joint J, A first inertial sensor attached to the portion; A second inertial sensor attached to a second portion of the human body opposite to the first portion with respect to the ankle joint J; And a unit vector (j1) in the axial direction of the rotation axis (X; X ') viewed from the first inertial sensor and a unit vector in the axial direction of the rotation axis (X; X' of the ankle joint (J) based on the angle (j2) of the ankle joint (J).

상기 처리부는, 상기 제1관성센서에서 바라본 상기 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j1)에 설정 제1회전행렬을 곱한 값과, 상기 제2관성센서에서 바라본 상기 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j2)에 설정 제2회전행렬을 곱한 값에 기초하여 상기 발목 관절(J)의 각도(ρ)를 계산할 수 있다.Wherein the processing unit is configured to calculate a value obtained by multiplying a unit vector j1 in the axial direction of the rotation axis X (X ') viewed from the first inertia sensor by a first set rotation matrix and a value obtained by multiplying the rotation axis The angle? Of the ankle joint J can be calculated based on a value obtained by multiplying the unit vector j2 in the axial direction of the ankle joint X by the set second rotation matrix.

상기 처리부는, 상기 제1관성센서에서 바라본 상기 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j1)와 제1회전행렬의 곱이 상기 제2관성센서에서 바라본 상기 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j2)와 제2회전행렬의 곱과 같도록 상기 제1회전행렬과 상기 제2회전행렬을 설정할 수 있다.Wherein the processing unit calculates a product of the unit vector j1 in the axial direction of the rotation axis X and the first rotation matrix viewed from the first inertial sensor by the rotation axis X ' The unit vector j2 in the axial direction of the first rotation matrix and the second rotation matrix can be set to be equal to the product of the unit vector j2 in the axial direction and the second rotation matrix.

상기 제1관성센서는 상기 제1관성센서의 배향이 랜덤하게 상기 인체의 제1부분에 부착되고, 상기 제2관성센서는 상기 제2관성센서의 배향이 랜덤하게 상기 인체의 제2부분에 부착될 수 있다.Wherein the first inertial sensor is attached to a first portion of the human body at random with the orientation of the first inertial sensor being attached and the orientation of the second inertial sensor is randomly attached to the second portion of the human body .

상기 처리부는, 상기 제1관성센서에서 측정된 각속도(g1) 및 상기 제2관성센서에서 측정된 각속도(g2)에 기초하여 상기 제1부분에서 바라본 상기 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j1) 및 상기 제2부분에서 바라본 상기 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j2)를 계산할 수 있다.The processing unit calculates the angular speed g2 in the axial direction of the rotation axis (X; X ') viewed from the first portion based on the angular velocity g1 measured by the first inertia sensor and the angular velocity g2 measured by the second inertia sensor And the unit vector j2 in the axial direction of the rotation axis X (X ') viewed from the second portion can be calculated.

상기 처리부는, 상기 제1관성센서에서 측정된 각속도(g1)를 상기 회전축에 수직한 발목 관절 평면에 정사영한 제1정사영 값과 상기 제2관성센서에서 측정된 각속도(g2)를 상기 발목 관절 평면에 정사영한 제2정사영 값의 차이 값에 기초하여 상기 제1부분에서 바라본 상기 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j1) 및 상기 제2부분에서 바라본 상기 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j2)를 계산할 수 있다.Wherein the processing unit corrects the angular velocity g1 measured by the first inertial sensor to a first orthogonality value orthogonal to the ankle joint plane perpendicular to the rotation axis and an angular velocity g2 measured by the second inertia sensor to the ankle joint plane The unit vector j1 in the axial direction of the rotation axis X, X 'viewed from the first portion, and the unit vector j2 in the axial direction of the rotation axis X, X' viewed from the second portion on the basis of the difference value of the second ortho- ') In the axial direction can be calculated.

상기 처리부는, 시간에 따른 상기 제1정사영 값과 상기 제2정사영 값의 차이 값의 합이 최소화되는 지점에서의 단위 벡터들을 상기 제1부분에서 바라본 상기 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j1) 및 상기 제2부분에서 바라본 상기 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j2)로 각각 설정할 수 있다.Wherein the processing unit calculates the unit vectors at a point at which the sum of the difference between the first orthogonal projection value and the second orthographic projection value is minimized in the axial direction of the rotation axis (X; X ') viewed from the first portion And a unit vector (j2) in the axial direction of the rotation axis (X; X ') viewed from the second portion.

상기 처리부는, 가우스-뉴턴 방식에 기초하여 시간에 따른 상기 제1정사영 값과 상기 제2정사영 값의 차이 값의 제곱의 합이 최소화되는 지점에서 상기 단위 벡터들을 계산할 수 있다.The processing unit may calculate the unit vectors at a point where a sum of squares of difference values between the first orthogonal projection value and the second orthogonal projection value is minimized with time based on the Gauss-Newton method.

일 실시예에 따른 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치는 발목 관절의 비틀림 축을 고려하여 발목 관절의 각도를 계산할 수 있다.The inertial sensor-based ankle joint angle measuring apparatus according to one embodiment can calculate the angle of the ankle joint considering the torsional axis of the ankle joint.

일 실시예에 따른 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치는 발목 관절을 기준으로 인체의 임의의 부분에 관성 센서가 설치되더라도 발목 관절의 움직임을 가이드하는 구성 없이 발목 관절의 각도를 측정할 수 있다.According to the inertial sensor-based ankle joint angle measuring apparatus according to an embodiment, the angle of the ankle joint can be measured without guiding the movement of the ankle joint even if the inertial sensor is installed on an arbitrary portion of the human body based on the ankle joint.

일 실시예에 따른 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the inertial sensor-based ankle joint angle measuring device according to one embodiment are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned may be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 일 실시예에 따른 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 제1관성센서 및 제2관성센서가 발목 관절을 기준으로 인체의 제1부분과 제2부분에 각각 부착된 모습을 나타낸 도면이다.
FIG. 1 is a block diagram schematically showing an inertial sensor-based ankle joint angle measuring apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is a view showing a first inertial sensor and a second inertial sensor according to an embodiment attached to a first portion and a second portion of a human body, respectively, with reference to an ankle joint.

이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to exemplary drawings. It should be noted that, in adding reference numerals to the constituent elements of the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference symbols as possible even if they are shown in different drawings. In the following description of the embodiments, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the best of an understanding clear.

또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements. When a component is described as being "connected", "coupled", or "connected" to another component, the component may be directly connected or connected to the other component, Quot; may be " connected, " " coupled, " or " connected. &Quot;

어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.The components included in any one embodiment and the components including common functions will be described using the same names in other embodiments. Unless otherwise stated, the description of any one embodiment may be applied to other embodiments, and a detailed description thereof will be omitted in the overlapping scope.

도 1 및 도 2를 참고하면, 일 실시예에 따른 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치(100)는 회전축(X; X')을 가지는 발목 관절의 각도를 계산할 수 있다. 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치(100)는 제1관성센서(110), 제2관성센서(120) 및 처리부(130)를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, an inertial sensor-based ankle joint angle measuring apparatus 100 according to an embodiment may calculate an angle of an ankle joint having a rotation axis X (X '). The inertial sensor-based ankle joint angle measuring apparatus 100 may include a first inertial sensor 110, a second inertial sensor 120, and a processing unit 130.

본원에서 사용하는 "회전축"은 발목 관절이 가지는 회전축을 말하는 것으로, 회전축은 발목의 굽힘(flexion) 또는 신장(extension)함에 따라 발목의 회전 중심이 되는 비틀림 축으로 생각될 수 있다. 이에 따라, 발목 관절은 기계적인 힌지 조인트(hinge joint)와 같이 거동하는 것으로 고려될 수 있다. 다만, 발목의 움직임이 특정 움직임에 제한되는 것은 아니다.As used herein, the term "axis of rotation" refers to the axis of rotation of the ankle joint, and the axis of rotation may be thought of as a torsion axis that becomes the center of rotation of the ankle as it flexes or extends. Accordingly, the ankle joint can be considered to behave like a mechanical hinge joint. However, the movement of the ankle is not limited to a specific motion.

본원에서 사용하는 "발목 관절의 각도"는 발목이 굽힘 운동 또는 신장 운동을 함에 따라 운동 전의 발목 관절(J)의 회전축(X)과 운동 후의 발목 관절(J)의 회전축(X')이 이루는 각도(ρ)로 정의된다. 즉, 발목 관절은 비틀림 축을 구비한다.The angle of the ankle joint as used herein refers to an angle formed by the rotation axis X of the ankle joint J before exercise and the rotation axis X 'of the athletic joint J after exercise as the ankle bends or stretches. (?). That is, the ankle joint has a twist axis.

제1관성센서(110)는 제1관성센서(110)가 가지는 국소 좌표계(x1, y1, z1)로 표현되는 가속도(acceleration), 각속도(angular rate) 및 소정 시간 간격(time period)을 측정할 수 있다. 제1관성센서(110)에서 측정되는 관성 값들인 가속도, 각속도 및 각가속도는 각각

Figure pat00001
,
Figure pat00002
Figure pat00003
으로 표현될 수 있다.The first inertial sensor 110 measures acceleration, angular rate and predetermined time period represented by the local coordinate system x1, y1, z1 of the first inertial sensor 110 . The inertia values, angular velocity and angular velocity, which are the inertia values measured by the first inertial sensor 110,
Figure pat00001
,
Figure pat00002
And
Figure pat00003
. ≪ / RTI >

제2관성센서(120)는 제2관성센서(120)가 가지는 국소 좌표계(x1, y1, z1)로 표현되는 가속도, 각속도 및 소정 시간 간격을 측정할 수 있다. 제2관성센서(120)에서 측정되는 관성 값들인 가속도, 각속도 및 각가속도는 각각

Figure pat00004
,
Figure pat00005
Figure pat00006
로 표현된다. 여기서, 각가속도는 3차 근사한 값을 사용한다.The second inertial sensor 120 may measure the acceleration, the angular velocity, and the predetermined time interval represented by the local coordinate system (x1, y1, z1) of the second inertial sensor 120. [ The inertia values, the angular velocity and the angular acceleration, which are the inertia values measured by the second inertia sensor 120,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
And
Figure pat00006
Lt; / RTI > Here, the third-order approximation value is used for the angular acceleration.

여기서, 관성센서가 측정하는 "국소 좌표계(local coordinate)"는 관성센서가 부착된 위치를 기준으로 관성센서에 의하여 측정되는 관성값들이 표현되는 가상의 공간으로 언급된다.Here, the " local coordinate " measured by the inertial sensor is referred to as a virtual space in which the inertia values measured by the inertial sensor are expressed based on the position where the inertial sensor is attached.

제1관성센서(110)는 발목 관절(J)을 기준으로 인체의 제1부분에 부착될 수 있고, 제2관성센서(120)는 발목 관절(J)을 기준으로 상기 제1부분의 맞은편의 인체의 제2부분에 부착될 수 있다.The first inertial sensor 110 may be attached to the first portion of the human body with reference to the ankle joint J and the second inertial sensor 120 may be attached to the ankle joint J with respect to the ankle joint J, And can be attached to the second portion of the human body.

여기서, 관성센서들(110, 120)이 부착된 각각의 위치(position) 및 이들의 각각의 배향(orientation)은 미지수(unknown)로 고려된다. 특히, 관성센서들의 각각의 자체가 가지는 축은 발목 관절(J)이 가지는 회전축(X; X')과 반드시 일치하는 것은 아니다.Here, the position of each of the inertial sensors 110 and 120 attached thereto and their respective orientations are considered to be unknown. In particular, the axis of each inertial sensor itself does not necessarily coincide with the rotation axis X (X ') of the ankle joint J.

한편, 도 1에는 인체의 제1부분이 정강이(shank)로, 인체의 제2부분이 발(foot)로 도시되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 제1부분이 발이고 제2부분이 정강이일 수 있다. 다시 말하면, 제1관성센서(110) 및 제2관성센서(120)의 부착 위치는 서로 바뀔 수 있다.1, a first part of the human body is shown as a shank and a second part of the human body is shown as a foot. However, the present invention is not limited thereto and the first part may be a foot and the second part may be a shank. have. In other words, the attaching positions of the first inertial sensor 110 and the second inertial sensor 120 may be mutually changed.

처리부(130)는 제1관성센서(110)에서 바라본 회전축(X)의 축 방향으로의 단위 벡터(j1)와, 제2관성센서(120)에서 바라본 회전축(X)의 축 방향으로의 단위 벡터(j2)에 기초하여 발목 관절(J)의 각도(ρ)를 계산할 수 있다.The processing unit 130 reads the unit vector j1 in the axial direction of the rotating shaft X viewed from the first inertial sensor 110 and the unit vector j1 in the axial direction of the rotating shaft X viewed from the second inertial sensor 120. [ the angle? of the ankle joint J can be calculated based on the angle? 2.

먼저, 제1관성센서(110)에서 바라본 회전축(X)의 축 방향으로의 단위 벡터(j1) 및 제2관성센서(120)에서 바라본 회전축(X)의 축 방향으로의 단위 벡터(j2)를 계산하는 방법을 설명한다.First, the unit vector j1 in the axial direction of the rotation axis X as viewed from the first inertial sensor 110 and the unit vector j2 in the axial direction of the rotation axis X as viewed from the second inertia sensor 120 The method of calculation will be described.

제1관성센서(110)는 매 소정 시간마다 제1부분에서 바라본 (제1관성센서(110)의 국소 좌표계로 표현되는) 발목 관절(J)의 가속도, 발목 관절(J) 주위로 제1관성센서(110)의 회전으로 인한 반경 방향 가속도와 접선 방향 가속도, 발목 관절(J)의 각속도, 이의 각가속도를 측정할 수 있다.The first inertial sensor 110 measures the acceleration of the ankle joint J viewed from the first portion at every predetermined time (expressed in the local coordinate system of the first inertial sensor 110), the acceleration of the ankle joint J around the ankle joint J, The radial acceleration and the tangential acceleration due to the rotation of the sensor 110, the angular velocity of the ankle joint J, and the angular acceleration thereof can be measured.

제2관성센서(120)는 매 소정 시간마다 제2부분에서 바라본 (제2관성센서(120)의 국소 좌표계로 표현되는) 발목 관절(J)의 가속도, 발목 관절(J) 주위로 제2관성센서(120)의 회전으로 인한 반경 방향 가속도와 접선 방향 가속도, 발목 관절(J)의 각속도, 이의 각가속도를 측정할 수 있다.The second inertial sensor 120 measures the acceleration of the ankle joint J viewed from the second portion at every predetermined time (represented by the local coordinate system of the second inertial sensor 120), the acceleration of the ankle joint J around the ankle joint J, The radial acceleration and the tangential acceleration due to the rotation of the sensor 120, the angular velocity of the ankle joint J, and the angular acceleration thereof can be measured.

제1관성센서(110)에서 측정되는 가속도, 각속도 등의 관성 값들 및 제2관성센서(120)에서 측정되는 가속도, 각속도 등의 관성 값들은 제1관성센서(110)에서 바라본 발목 관절(J)의 회전축(X; X')의 단위 길이 방향 벡터(j1) 및 제2관성센서(120)에서 바라본 발목 관절(J)의 회전축(X; X')의 단위 길이 방향 벡터(j2)를 계산하는 데 사용될 수 있다.The inertia values such as the acceleration and angular velocity measured by the first inertial sensor 110 and the inertia values such as the acceleration and the angular velocity measured by the second inertial sensor 120 are calculated based on the ankle joint J viewed from the first inertial sensor 110, The unit longitudinal direction vector j2 of the rotational axis X of the ankle joint J viewed from the second inertial sensor 120 and the unit longitudinal direction vector j2 of the rotational axis X of the ankle joint J are calculated Can be used.

제1관성센서(110)에서 측정되는 발목 관절(J)의 각속도와 제2관성센서(120)에서 측정되는 발목 관절의 각속도는 각각이 가지는 벡터의 배향과 회전행렬만 다를 뿐, 각각의 '발목 관절 평면'으로의 정사영(projection)은 동일 시간에서 같은 길이를 가진다고 가정된다. 여기서, "발목 관절 평면"은 발목 관절이 가지는 회전축에 수직한 평면을 말한다.The angular velocity of the ankle joint J measured by the first inertial sensor 110 and the angular velocity of the ankle joint measured by the second inertial sensor 120 are different from each other only by the orientation of the vector and the rotation matrix, The projection to the joint plane is assumed to have the same length at the same time. Here, " ankle plane " refers to a plane perpendicular to the axis of rotation of the ankle joint.

앞서 설명한 제1관성센서(110)에서 측정되는 관성 값들과 제2관성센서(120)에서 측정되는 관성 값들은 "제1관성센서(110)에서 측정되는 발목 관절(J)의 각속도와 제2관성센서(J)에서 측정되는 발목 관절의 각속도는 각각이 가지는 벡터의 배향과 회전행렬만 다를 뿐, 각각의 '발목 관절 평면'으로의 정사영은 동일 시간에서 같은 길이를 가진다"는 가정을 만족시켜야 한다. 이 때, 제1관성센서(110)에서 측정된 각속도를 발목 관절 평면에 정사영한 제1정사영 값과 제2관성센서(120)에서 측정된 각속도를 발목 관절 평면에 정사영한 제2정사영 값의 차이값을 최소화함으로써 단위 길이 방향 벡터들(j1, j2)을 계산할 수 있다. 이러한 단위 길이 방향 벡터들(j1, j2)은 도 1에 도시된 바와 같은 각도 파라미터들(e.g. 구 좌표계 성분들)을 통해 표현될 수 있다.The inertia values measured by the first inertia sensor 110 and the inertia values measured by the second inertia sensor 120 described above may be expressed as " the angular velocity of the ankle joint J measured by the first inertial sensor 110, The angular velocity of the ankle joint measured by the sensor J must satisfy the assumption that the angular velocity of each of the ankle joint planes is the same at the same time, . At this time, the angular velocity measured by the first inertial sensor 110 is converted into a first orthogonality value orthogonal to the ankle joint plane and an angular velocity measured by the second inertia sensor 120 to the difference between the second orthogonality value orthogonal to the ankle joint plane The unit length direction vectors j1 and j2 can be calculated by minimizing the value. These unit length direction vectors (j1, j2) can be expressed through angle parameters (e.g., spherical coordinate system components) as shown in Fig.

일 실시예에서, 매 소정 시간마다 제1정사영 값과 제2정사영 값의 차이값을 제곱한 값들을 모두 합한 값을 '제곱 오차'로 정의하는 경우, 이 제곱 오차가 설정 크기보다 작아질 때까지 제곱 오차를 최소화하여 단위 길이 방향 벡터들(j1, j2)을 계산할 수 있다. 예를 들어, 처리부(130)는 가우스-뉴턴(Gauss-Newton) 알고리즘을 이용하여 단위 길이 방향 벡터들(j1, j2)을 계산할 수 있다.In one embodiment, when a value obtained by summing up values obtained by squaring the difference between the first orthogonal projection value and the second orthogonal projection value at every predetermined time is defined as a 'square error', until the square error becomes smaller than the setting size The unit length direction vectors (j1, j2) can be calculated by minimizing the square error. For example, the processing unit 130 may calculate unit length vectors j1 and j2 using a Gauss-Newton algorithm.

앞서 설명한 기본 개념을 토대로 계산한 제1관성센서에서 바라본 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j1)와, 제2관성센서에서 바라본 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j2)에 기초하여 발목 관절(J)의 각도(ρ)를 계산하는 방법을 설명한다.The unit vector j1 in the axial direction of the rotation axis X and the rotation axis X in the direction of the second inertia sensor X are calculated from the first inertial sensor calculated on the basis of the above- A method of calculating the angle p of the ankle joint J based on the unit vector j2 of the ankle joint J will be described.

제1관성센서(110) 및 제2관성센서(120)는 각각 국소 좌표계로 표현되는 기준 프레임(reference frame)을 가지고 있는 한편, 제1관성센서(110) 및 제2관성센서(120)의 각각에 동일한 서로 공통된 고정 기준 프레임(fixed reference frame)이 있는 것으로 가정된다.The first inertial sensor 110 and the second inertial sensor 120 each have a reference frame represented by a local coordinate system while the first inertial sensor 110 and the second inertial sensor 120 Are assumed to have the same common fixed reference frame.

이러한 고정 기준 프레임에 대한 제1관성센서(110)의 배향 및 고정 기준 프레임에 대한 제2관성센서(120)의 배향은 각각 회전행렬 R1(t), R2(t)로 표현된다.The orientation of the first inertial sensor 110 with respect to this fixed reference frame and the orientation of the second inertial sensor 120 with respect to the fixed reference frame are represented by rotation matrices R1 (t) and R2 (t), respectively.

회전행렬 R1(t)는 제1관성센서(110)에서 바라본 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j1)를 고정 기준 프레임으로 변환하고, 회전행렬 R2(t)는 제2관성센서(120)에서 바라본 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j2)를 고정 기준 프레임으로 변환한다. 다시 말하면, 제1관성센서(110)에서 바라본 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j1)에 회전행렬 R1(t)를 곱하고, 제2관성센서(120)에서 바라본 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j2)에 회전행렬 R2(t)를 곱함으로써 각각의 단위 벡터(j1, j2)를 공통된 고정 기준 프레임으로 변환하여 공통된 좌표계에서 표현되게 한다.The rotation matrix R1 (t) transforms the unit vector j1 in the axial direction of the rotation axis X (X ') viewed from the first inertial sensor 110 into a fixed reference frame, and the rotation matrix R2 (t) The unit vector j2 in the axial direction of the rotation axis X (X ') viewed from the inertial sensor 120 is converted into a fixed reference frame. In other words, the unit vector j1 in the axial direction of the rotation axis X (X ') viewed from the first inertial sensor 110 is multiplied by the rotation matrix R1 (t), and the rotation axis R1 (J1, j2) are transformed into a common fixed reference frame by multiplying the unit vector j2 in the axial direction of the reference frame (X, X; X ') by the rotation matrix R2 (t) to be represented in a common coordinate system.

여기서, 제1관성센서(110)에서 바라본 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j1)에 회전행렬 R1(t)를 곱한 벡터와 제2관성센서(120)에서 바라본 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j2)에 회전행렬 R2(t)를 곱한 벡터가 같도록 회전행렬 R1(t), R2(t)가 설정될 수 있다.Here, a vector obtained by multiplying the unit vector j1 in the axial direction of the rotation axis X (X ') viewed from the first inertial sensor 110 by the rotation matrix R1 (t) and a vector obtained by multiplying the rotation axis The rotation matrices R1 (t) and R2 (t) can be set such that the vector multiplied by the rotation matrix R2 (t) is equal to the unit vector j2 in the axial direction of the X axis X '.

결국, 발목 관절(J)의 각도(ρ)는 제1관성센서(110)에서 바라본 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j1)에 회전행렬 R1(t)를 곱한 벡터 및 제2관성센서(120)에서 바라본 회전축(X; X')의 축 방향으로의 단위 벡터(j2)에 회전행렬 R2(t)를 곱한 벡터 사이의 각도로 결정된다.The angle p of the ankle joint J is a vector obtained by multiplying the unit vector j1 in the axial direction of the rotation axis X (X ') viewed from the first inertial sensor 110 by the rotation matrix R1 (t) Is determined by the angle between the vector obtained by multiplying the unit vector j2 in the axial direction of the rotation axis X (X ') viewed from the second inertial sensor 120 by the rotation matrix R2 (t).

이상과 같이 앞서 설명한 기본 개념은 다양한 실시예들에 적용될 수 있다. 한편, 이상의 설명은 발목 관절(J)의 각도(ρ)를 계산하기 위한 하나의 방법에 불과하며, 실시 예들이 반드시 위와 같이 제한되는 것은 아님을 밝혀둔다.As described above, the basic concept described above can be applied to various embodiments. It should be noted that the above description is only one method for calculating the angle? Of the ankle joint J, and the embodiments are not necessarily limited to the above.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to an embodiment may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions to be recorded on the medium may be those specially designed and configured for the embodiments or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.

Claims (8)

회전축을 구비하는 발목 관절의 각도를 계산하는 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치에 있어서,
상기 발목 관절을 기준으로 인체의 제1부분에 부착된 제1관성센서;
상기 발목 관절을 기준으로 상기 제1부분의 맞은편의 인체의 제2부분에 부착되는 제2관성센서; 및
상기 제1관성센서에서 바라본 상기 회전축의 축 방향으로의 단위 벡터와, 상기 제2관성센서에서 바라본 상기 회전축의 축 방향으로의 단위 벡터에 기초하여 상기 발목 관절의 각도를 계산하는 처리부;
를 포함하는 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치.
An inertial sensor-based ankle joint angle measuring device for calculating an angle of an ankle joint having a rotation axis,
A first inertial sensor attached to a first portion of the human body based on the ankle joint;
A second inertial sensor attached to a second portion of the human body opposite to the first portion with respect to the ankle joint; And
A processing unit for calculating an angle of the ankle joint based on a unit vector in the axial direction of the rotation axis viewed from the first inertial sensor and a unit vector in the axial direction of the rotation axis viewed from the second inertia sensor;
An inertial sensor-based ankle joint angle measuring device.
제1항에 있어서,
상기 처리부는, 상기 제1관성센서에서 바라본 상기 회전축의 축 방향으로의 단위 벡터에 설정 제1회전행렬을 곱한 값과, 상기 제2관성센서에서 바라본 상기 회전축의 축 방향으로의 단위 벡터에 설정 제2회전행렬을 곱한 값에 기초하여 상기 발목 관절의 각도를 계산하는 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the processing unit includes a value obtained by multiplying a unit vector in the axial direction of the rotation axis viewed from the first inertia sensor by a first rotation matrix and a unit vector in the axial direction of the rotation axis viewed from the second inertia sensor, Wherein the angle of the ankle joint is calculated based on a value obtained by multiplying the angle of rotation of the ankle joint by a two-rotation matrix.
제2항에 있어서,
상기 처리부는, 상기 제1관성센서에서 바라본 상기 회전축의 축 방향으로의 단위 벡터와 제1회전행렬의 곱이 상기 제2관성센서에서 바라본 상기 회전축의 축 방향으로의 단위 벡터와 제2회전행렬의 곱과 같도록 상기 제1회전행렬과 상기 제2회전행렬을 설정하는 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the processing unit calculates the product of the unit vector in the axial direction of the rotation axis viewed from the first inertia sensor and the first rotation matrix by the unit vector in the axial direction of the rotation axis viewed from the second inertia sensor and the second rotation matrix And sets the first rotation matrix and the second rotation matrix so that the first rotation matrix and the second rotation matrix are equal to each other.
제1항에 있어서,
상기 제1관성센서는 상기 제1관성센서의 배향이 랜덤하게 상기 인체의 제1부분에 부착되고, 상기 제2관성센서는 상기 제2관성센서의 배향이 랜덤하게 상기 인체의 제2부분에 부착되는 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the first inertial sensor is attached to a first portion of the human body at random with the orientation of the first inertial sensor being attached and the orientation of the second inertial sensor is randomly attached to the second portion of the human body An inertial sensor based ankle joint angle measuring device.
제1항에 있어서,
상기 처리부는, 상기 제1관성센서에서 측정된 각속도 및 상기 제2관성센서에서 측정된 각속도에 기초하여 상기 제1부분에서 바라본 상기 회전축의 축 방향으로의 단위 벡터 및 상기 제2부분에서 바라본 상기 회전축의 축 방향으로의 단위 벡터를 계산하는 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the processing unit calculates the unit vector in the axial direction of the rotation axis viewed from the first portion based on the angular velocity measured by the first inertia sensor and the angular velocity measured by the second inertia sensor, An inertial sensor-based ankle joint angle measuring device for calculating the unit vector in the axial direction of the ankle joint.
제5항에 있어서,
상기 처리부는, 상기 제1관성센서에서 측정된 각속도를 상기 회전축에 수직한 발목 관절 평면에 정사영한 제1정사영 값과 상기 제2관성센서에서 측정된 각속도를 상기 발목 관절 평면에 정사영한 제2정사영 값의 차이 값에 기초하여 상기 제1부분에서 바라본 상기 회전축의 축 방향으로의 단위 벡터 및 상기 제2부분에서 바라본 상기 회전축의 축 방향으로의 단위 벡터를 계산하는 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치.
6. The method of claim 5,
The angular velocity measured by the first inertial sensor is converted into a first orthogonality value orthogonal to the ankle joint plane perpendicular to the rotation axis and an angular velocity measured by the second inertia sensor to a second orthogonality orthogonal to the ankle joint plane, And calculates a unit vector in the axial direction of the rotation axis viewed from the first portion and a unit vector in the axial direction of the rotation axis viewed from the second portion based on the difference value of the value.
제6항에 있어서,
상기 처리부는, 시간에 따른 상기 제1정사영 값과 상기 제2정사영 값의 차이 값의 합이 최소화되는 지점에서의 단위 벡터들을 상기 제1부분에서 바라본 상기 회전축의 축 방향으로의 단위 벡터 및 상기 제2부분에서 바라본 상기 회전축의 축 방향으로의 단위 벡터로 각각 설정하는 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치.
The method according to claim 6,
Wherein the processing unit includes unit vectors in the axial direction of the rotation axis as viewed from the first portion and unit vectors in the axial direction of the rotation axis viewed from the first portion as unit vectors at a point where the sum of the difference between the first orthogonal projection value and the second orthogonal projection value is minimized, And a unit vector in the axial direction of the rotating shaft as viewed from the two parts.
제7항에 있어서,
상기 처리부는, 가우스-뉴턴 방식에 기초하여 시간에 따른 상기 제1정사영 값과 상기 제2정사영 값의 차이 값의 제곱의 합이 최소화되는 지점에서 상기 단위 벡터들을 계산하는 관성 센서 기반 발목 관절 각도 측정 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the processing unit includes an inertial sensor based ankle joint angle measurement unit that calculates the unit vectors at a point at which a sum of squares of difference values of the first orthogonal projection value and the second orthogonal projection value is minimized based on a Gauss- Device.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20210105455A (en) * 2020-02-18 2021-08-27 고려대학교 산학협력단 Walking assistance system
KR102315206B1 (en) 2021-05-10 2021-10-19 김병훈 Apparatus for subtalar joint locator
KR102328905B1 (en) 2021-05-10 2021-11-18 김병훈 System for ankle reabilitation

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