KR20190113208A

KR20190113208A - 굴곡변화 감지용 웨어러블 장치

Info

Publication number: KR20190113208A
Application number: KR1020180035581A
Authority: KR
Inventors: 박기원
Original assignee: 영산대학교산학협력단
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-10-08
Also published as: KR102052700B1

Abstract

본 발명은 인체를 움직이고자 할 때 발생되는 인체 표면의 굴곡변화를 감지하기 위한 웨어러블 장치 관한 것이다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.
즉, 휘어지는 정도에 따라 저항값이 달라지는 센싱필름을 이용하여 생체 표면의 미세한 움직임을 감지함으로써 근육의 움직임이 야기한 인체 동작의 의도를 판별할 수 있게 된다.
또한, 인체 굴곡 변화에 따른 동작 감지뿐만 아니라 기존 스트레인게이지를 부착하기 어려운 표면에 적용하여 길이 변형 및 힘의 측정이 가능한 장점이 있다.

Description

굴곡변화 감지용 웨어러블 장치 {omitted}

본 발명은 인체를 움직이고자 할 때 발생되는 인체 표면의 굴곡변화를 감지하기 위한 웨어러블 장치 관한 것이다.

최근 ICT(Information & Communication Technology) 기술 개발에 관심이 집중되고 있는데, ICT의 핵심은 인간과 기계간의 인터페이스(HMI: Human Man Interfacing) 기술로서 대표적인 기술들로는 음성 인식 기술, 동작 인식 기술, 촉각 인식 기술 등이 있다.

현재 그 외에도 인체에서 발생하는 근전도(EMG), 뇌파(EEG)와 같은 생체 신호들을 활용하는 기술들에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

생체 신호들을 활용하는 기술은 사람의 생각이나 동작 의도를 파악하여 스마트 기기들의 제어 신호로 사용 할 수 있기 때문에 다양한 분야에 활용되어 사람들의 삶의 질 향상에 기여할 수 있다.

그러나 여러 개의 동작들을 감지하기 위해서는 생체 표면에 다수개의 전극을 부착시켜야 하는 불편함이 있으며 신호에 내재된 잡음들로부터 유용한 정보를 추출해 내는 신호처리 기술들이 필요하다.

따라서 신체의 움직임 감지에 있어서 향상된 편의성과 활용성을 보여줄 수 있는 웨어러블 (Wearable) 기술이 개발된다면 그 가치가 클 것이다.

등록특허 제10-1501661호 (2016.03.05.)

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 다음과 같다.

즉, 휘어지는 정도에 따라 저항값이 달라지는 센싱필름을 이용하여 생체 표면의 미세한 움직임을 감지함으로써 근육의 움직임이 야기한 인체 동작의 의도를 판별하고자 한다.

본 발명은 위와 같은 과제를 해결하기 위하여,

휘어지는 정도에 따라 저항값이 달라지는 센싱필름(100); 탄성있는 재질의 밴드(400); 센싱필름(100)의 양단에 결합되되, 센싱필름(100)이 밴드(400)와 평행하되 휘어진 상태로 밴드(400)의 일면에 결합되도록 형성된 결합모듈(200);을 포함하는 것을 특징으로 하고,

상기 결합모듈(200)은 센싱필름(100)이 밴드(400)의 반대방향을 향해 휘어지도록 결합시키는 밴드결합부(240)를 포함하고, 상기 밴드결합부(240)는 밴드(400)에 고정결합되는 두 개의 고정체(244)를 포함하는 것을 특징으로 하며,

상기 밴드결합부(240)는 센싱필름(100)의 양단과 각 고정체(244)를 연결하는 링크(241), 링크(241)를 고정체(244)에 회동가능하게 결합시키는 핀조인트(242), 링크(241)가 밴드(400)의 방향으로 회동하는 것을 제한하도록 고정체(244)에 형성된 스토퍼(243)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 동작의도 감지용 센서를 이용한 웨어러블 장치를 제시한다.

본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.

즉, 휘어지는 정도에 따라 저항값이 달라지는 센싱필름을 이용하여 생체 표면의 미세한 움직임을 감지함으로써 근육의 움직임이 야기한 인체 동작의 의도를 판별할 수 있게 된다.

또한, 인체 굴곡 변화에 따른 동작 감지뿐만 아니라 기존 스트레인게이지를 부착하기 어려운 표면에 적용하여 길이 변형 및 힘의 측정이 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 센싱필름의 저항값이 변화되는 과정을 도식화 한 도면.
도 2는 도 1의 원리를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 인체 동작의도 감지용 센서에서 회로부의 구성 및 인체에 센싱필름이 부착된 상태에서의 움직임을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 웨어러블 장치 구성을 도식화하여 나타낸 정면도(좌) 및 배면도(우).
도 5는 도 4에 대한 측면도.
도 6은 도 4의 구성을 입체적으로 나타낸 도면.
도 7은 고분자필름에 도전층이 형성될 때 그 경계(a)와 표면(b,c), 단면(d)을 전자현미경으로 촬영한 사진.
도 8은 센싱필름의 도전층이 압축되도록 굽혀졌다 펴지는 과정과 이 때의 저항변화를 나타낸 도면.
도 9는 센싱필름의 도전층이 인장되도록 굽혀졌다 펴지는 과정과 이 때의 저항 변화를 나타낸 도면.
도 10은 도 8 및 9 의 A 상태(a), 도 8의 C 상태(b), 도 9의 C 상태(c)에 대한 도전층 표면 사진.
도 11은 밴드결합부의 세부 구성을 나타낸 도면.
도 12는 밴드의 수축과 팽창에 따른 센싱필름의 굴곡 변화와 그에 따른 도전층의 표면 저항의 변화를 나타낸 도면.
도 13은 도전층의 표면 저항 변화에 따른 전압 신호의 변동을 측정한 결과를 나타낸 사진.
도 14는 밴드결합부에 센싱필름의 양단이 고정결합된 경우(a)와 밴드결합부에 링크와 핀조인트가 형성된 경우(b)에 대한 센싱필름의 굴곡 과정을 나타낸 도면.

이하 첨부된 도면을 바탕으로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 다만 본 발명의 권리범위는 특허청구범위 기재에 의하여 파악되어야 한다. 또한 본 발명의 요지를 모호하게 하는 공지기술의 설명은 생략한다.

본 발명은 굴곡변화 감지용 웨어러블 장치에 관한 것으로서, 인체를 움직이고자 할 때 발생되는 인체 표면의 굴곡변화로 인해 고분자 표면의 전압이 변하면 이를 감지하여 인체 동작의도를 판별하는데 이용하기 위한 것이다.

본 발명의 굴곡변화 감지용 웨어러블 장치는 크게 센싱필름(100), 회로부(300), 결합모듈(200) 및 밴드(400)로 구성된다.

센싱필름(100)은 휘어지는 정도에 따라 저항값이 달라지는 것으로서 인체 표면의 굴곡변화가 있을 때 센싱필름(100)이 휘어져 센싱필름(100) 자체의 저항값(구체적으로는 후술하는 도전층(130)의 저항값)이 변하는 것이다. 따라서 센싱필름(100)에 일정 전류를 흘려주면 저항값 변화에 따라 양단에 걸리는 전압도 바뀌므로 이를 이용하여 인체 표면의 굴곡 변화를 감지하는 것이며, 도 1과 같이 고분자필름(110)과 도전층(130)으로 구성된다.

고분자필름(110)은 유연성 있는 Nafion 필름, PET 필름 등 조금이라도 점착성을 가지거나 마찰성을 가지는 것이라면 다양하게 사용할 수 있다.

도전층(130)은 고분자필름(110)의 일면에 전도성 파우더 물질을 도포하고 연마 가공(표면이 매끈하게 고루 도포되도록 문지름)을 통하여 형성시킨 층이다.

도포되는 전도성 파우더 물질은 그래핀 파우더, CNT파우더, 흑연파우더 등의 탄소계열 파우더가 바람직하다. 혹은 탄소계열 파우더, 금속 파우더, 전도성 고분자와 같은 전도성 파우더 물질과 접착성 필러를 혼합한 전도성 페인트를 표면에 바른 후 건조시킴으로써 도전층(130)을 형성시킬 수도 있다.

탄소계열 파우더를 사용할 경우 고분자필름(110)에 단순히 직접 문지르기만 해도 얇은 도전층을 만들 수 있다.

도 7은 폴리머필름에 그래핀 파우더를 문질러 센싱필름(100)을 제조한 것을 전자현미경으로 촬영한 것이다. 이 때 폴리머필름은 고분자필름(110)에, 그래핀 파우더가 그래핀 도전층(130)을 이루는 전도성 파우더 물질에 해당된다. 즉, 그래핀 파우더를 폴리머필름에 단순히 문지르기만 해도 도 7에서 확인되는 바와 같은 그래핀 도전층이 형성되는 것이다.

한편, 금속 파우더, 전도성 고분자와 같은 전도성 파우더 물질을 사용할 경우 접착성 필러를 혼합한 전도성 페인트를 표면에 바른 후 건조과정을 통하여 도전층을 형성시킬 수도 있다.

접착성 필러는 전도층을 형성시키고자하는 고분자의 액상형을 사용한다. 휘발성있는 알코올과 같은 용매에 섞여있는 액상 타입 고분자를 전도성 파우더와 함께 섞어서 필름위에 도포한 후에 건조과정을 통하여 전도층을 형성시킬 수 있다.

도 1은 고분자필름(110)에 도전층(130)이 형성된 센싱필름(100)의 굴곡에 따른 저항 변화를 나타낸 것이다.

A → B → C 와 같이 굽어졌다 펴지는 과정을 거치면서 도전층(130)의 저항은 도 1 하단에 도시된 그래프와 같이 변하게 된다.

왜냐하면 도전층의 저항은 아래와 같은 식으로 표현되는데( R: 도전층의 저항, ρ:고유저항, L:길이, A:단면적 ),

R=ρ*L/A

도 2를 참고하면 필름이 굽혀지거나 변형될 경우 고분자 필름위에 생성된 도전층이 팽창하게 되고 따라서 L의 증가로 전기적 저항이 커지게 되는 것이다.

따라서 도 3과 같이 인체(10)에 부착된 센싱필름(100)이 근육의 움직임에 따라 F1 또는 F2 방향으로 휘어질 때 센싱필름(100)에 걸리는 전압(Vout)을 측정함으로써 근육의 미세한 움직임을 감지할 수 있게 된다.

회로부(300)는 센싱필름(100)의 저항값 변화를 전기적 신호로 변환하여 증폭 및 정제(필터링)시키는 역할을 하는 것으로서 PCB와 같은 회로기판으로 구성된다. 바람직하게는 도 3(a)와 도 6에 도시된 바와 같이 전압분배회로로 구성하여 외부저항(Rx)과 센싱필름(100)이 직렬로 연결되고 센싱필름(100)의 일단은 접지시켜 전원을 인가할 때 센싱필름(100)에 걸리는 출력전압(Vout)을 추출하여 신호필터(LPF/HPF 등)에 의한 정제 및 증폭(Amp)회로에 의한 증폭을 통해 분석가능한 신호로 가공한다. 다수의 센싱필름(100)을 구성할 때는 각 회로를 병렬연결한다.

한편, 회로부(300)는 도 3(b)와 같이 브릿지회로로 구성할 수도 있다. 이 경우 오프셋 없는 출력전압(Vout)을 얻을 수 있는 장점이 있으므로, 신호처리과정에서 필터에 의한 오프셋 제거 과정을 생략할 수 있다.

센서의 감도는 전압분배회로(도 3(a))나 브릿지회로(도 3(b)) 모두 센싱필름(100)의 저항값과 외부저항(Rx)의 저항값이 동일할 때 가장 민감하므로, 인체의 표면의 형상에 따라 근육의 움직임을 감지할 수 있는 최적의 폭과 길이로 선정될 때의 센싱필름(100)의 저항값에 외부저항(Rx)의 값이 대응되도록 설계함이 바람직하다.

결합모듈(200)은 소정 간격을 두고 나열된 다수의 센싱필름(100)의 단부를 회로부(300) 또는 밴드(400)와 결합시키는 역할을 하는데, 구체적으로는 두 개의 회로부가 구비되어 센싱필름(100)의 양단부가 모두 회로부에 결합될 때에는 두 회로부에 각각 결합모듈(200)이 형성될 것이고, 하나의 회로부가 구비될 경우 결합모듈(200)은 회로부와 밴드(400)의 단부에 형성되며 이 때 밴드(400)에 결합되는 센싱필름(100)의 단부는 접지된다.

각 센싱필름(100)이 변형될 때 간섭을 최소화하기 위하여 센싱필름 간에 소정의 간격을 두는 것이며, N개의 센싱필름으로 구성할 경우 인체의 움직임에 대응한 출력신호 N개의 조합에 의해서 인체(10)의 다양한 움직임 의도를 판별할 수 있게 된다. 즉, 센싱필름의 개수 N이 증가할수록 판별 동작의 개수를 증가시킬 수 있다.

상기 결합모듈(200)은 도 4 및 도 5와 같이 커넥터(210), 금속박막(230) 및 연결필름(220)으로 구성된다.

한편, 결합모듈(200)이 도 11과 같이 센싱필름(100)의 양단에 결합되되, 센싱필름(100)이 밴드(400)와 평행하되 휘어진 상태로 밴드(400)의 일면에 결합되도록 형성될 수도 있는데 이 경우 결합모듈(200)은 밴드결합부(240)를 더 포함하게 된다.

커넥터(210)는 다수의 센싱필름(100)의 단부가 삽입되는 것으로서 FFC 커넥터를 예로 들 수 있으며, 센싱필름(100)이 삽입되어 회로부(300) 또는 접지와 연결되도록 한다.

금속박막(230)은 각 센싱필름(100)의 양단부에서 도전층(130)이 형성된 면에 부착되는 것으로서 커넥터(210)에 연결되는 전극 역할을 하며 알루미늄 테이프 등을 사용할 수 있다.

연결필름(220)은 다수의 센싱필름(100)의 단부를 연결하기 위해 도전층(130)이 형성된 반대면에 부착되는 필름으로, 비전도성 파우더 물질의 필름을 사용하며 소정 간격을 두고 나열된 다수의 센싱필름(100)의 단부에서 나열방향으로 이어지는 필름이 센싱필름(100)을 연결함과 동시에 커넥터(210)에 일체로 삽입이 용이하도록 지지하는 역할을 한다. 따라서 연결필름(220)의 폭이 커넥터(210)의 삽입부 폭과 같거나 다소 작게 형성됨이 바람직하다.

밴드결합부(240)는 센싱필름(100)이 밴드(400)의 반대방향을 향해 휘어지도록 결합시키는 역할을 하며, 도 11과 같이 링크(241), 핀조인트(242), 스토퍼(243), 고정체(244)로 구성된다.

두 개의 고정체(244)는 밴드(400)에 고정결합되고, 링크(241)가 센싱필름(100)의 양단과 각 고정체(244)를 연결하게 된다.

핀조인트(242)는 링크(241)를 고정체(244)에 회동가능하게 결합시키도록 형성된다. 이는 도 12와 같이 밴드(400)가 수축 또는 팽창함에 따라 두 고정체(244)의 간격이 줄어들거나 늘어날 때 센싱필름(100)도 휘어지거나 펴지게 되는데, 이 때 링크(241)가 핀조인트(242)에 의해 회동함으로써 센싱필름(100)이 휘어지거나 펴질 때 센싱필름(100)의 양단을 자유롭게 회전할 수 있게 하기 위함이다.

핀조인트(242)가 없이 센싱필름(100)이 고정체(244)에 고정결합된 상태에서는 도 14(a)와 같이 센싱필름(100)의 중앙부가 집중적으로 휘게 되어 도전층(130)의 균열이 쉽게 발생할 수 있다. 그러나 핀조인트(242)와 링크(241)가 도 14(b)와 같이 결합되면 고정체(244)의 사이 간격이 좁아지더라도(밴드(400)가 수축하더라도) 링크(241)의 회동에 의해 센싱필름(100)이 완만하게 휘게 되므로 센싱필름(100)의 중앙부 곡률을 최소화할 수 있고, 이로써 도전층(130)의 균열을 최소화할 수 있게 된다. 또한 링크(241)가 회동함으로써 센싱필름(100)의 양단이 센싱필름(100)의 휨에 따라 이동가능하게 되어 센싱필름(100)의 양단에 가해질 수 있는 압력 내지 충격이 가해지는 것을 방지할 수도 있다.

스토퍼(243)는 링크(241)가 밴드(400)의 방향으로 회동하는 것을 제한하도록 고정체(244)에 형성된 것으로서, 이는 도전층(130)의 균열에 의한 저항 변화를 방지하기 위함이다. 센싱필름(100)이 도 8과 같이 도전층(130)이 형성된 면이 안쪽으로 배치되도록 하여 고분자필름(110)의 방향으로 휘게 되면 센싱필름(100)의 중앙부 곡률로 인해 해당 부분의 도전층(130)이 압축력을 받으면서 구성입자가 뭉치게 된다. 따라서 센싱필름(100)이 다시 펴질 때에는 뭉친 입자 사이에 틈이 생기면서 더 벌어지게 되어, A → B → C 과정을 거치면서 도전층의 표면저항(Rs)이 큰폭으로 변하게 된다. 즉, 펴진 이후(C) 도전층의 표면저항(R_S)이 굽혀지기 전(A) 표면저항보다 큰폭으로 증가하게 되는 것이다.

그러나 센싱필름(100)을 도 9와 같이 도전층(130)이 형성된 면이 바깥쪽으로 배치되도록 하여 도전층(130)의 방향으로 휘게 되면 센싱필름(100)의 중앙부 도전층(130)은 인장력을 받으면서 균열이 발생하기는 하나 다시 센싱필름(100)이 펴졌을 때에는 균열된 부분이 닫힘으로써, 펴진 이후(C) 도전층의 표면저항(R_S)이 굽혀지기 전(A) 표면저항보다 소폭 증가하게 된다. 또한 반복적인 굽힘에도 새로운 균열이 발생하기 보다는 기존에 발생한 균열이 유지된다.

도 10(a)는 센싱필름(100)이 굽혀지기 전인 A 상태의 도전층(130) 표면 사진이고, 도 10(b)는 도 8의 C 상태, 도 10(c)는 도 9의 C 상태에 대한 도전층(130) 표면 사진을 나타낸 것으로서, 이를 보더라도 도전층(130)이 바깥쪽에 형성된 상태에서 센싱필름(100)이 바깥으로 휘어졌을 때, 복원 후 도전층(180)의 표면 변화가 적음을 확인할 수 있다.

따라서 스토퍼(243)가 센싱필름(100)과 링크(241)가 결합될 때 도전층(130)의 반대측, 즉 고분자필름(110)과 맞닿는 영역에 형성되어 링크(241)가 도전층(130)의 방향으로만 휘어지도록(도전층(130)이 바깥쪽으로 배치된 채 센싱필름(100)이 휘어지도록) 링크(241)의 회전방향을 제한하는 역할을 하는 것이다.

밴드(400)는 회로부(300)와 결합모듈(200)의 사이 또는 두 개의 회로부(300) 사이를 연결하는 역할을 하며 탄성있는 재질로서 센싱필름(100)이 인체에 밀착되도록 한다. 이로 인해 본 발명의 웨어러블 장치는 팔찌와 같은 형상을 하게 되고, 팔에 장착하면 팔 근육의 미세한 움직임을 감지할 수 있게 된다.

즉, 도 6과 같이 구성할 때, 인체가 움직일 시에 발생하는 내부 근육의 움직임에 따른 인체 표면의 굴곡변화에 의해서 해당 근육군 위의 피부 표면과 접하고 있는 센싱필름(100)의 굽힘 또는 변형이 발생하고 이로 인한 고분자 필름 표면에 도전층의 저항의 변화로 출력전압(Vout)이 변동하게 된다. 이러한 출력전압 변동을 측정하여 각 근육군의 움직임 및 근육의 움직임이 야기한 인체 동작의 의도를 판별할 수 있다.

한편, 결합모듈(200)이 밴드결합부(240)로 구성될 경우 도 11 내지 14와 같이 센싱필름(100)의 아래에 밴드(400)가 연결되어 밴드(400)의 수축 또는 신장을 센싱필름(100)의 곡률 변화에 따른 도전층(130)의 표면 저항 변화로 감지하도록 구성할 수도 있다.

도 13은 도전층(130)의 저항 변화에 따른 전압 신호의 변동 특정을 측정하여 나타낸 것으로서, 밴드(400)의 수축과 팽창을 반복함으로써 센싱필름(100)의 굽힘이 반복됨에 의해 전압신호도 반복적으로 변동되는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100 : 센싱필름
110 : 고분자필름
120 : 도전층
200 : 결합모듈
210 : 커넥터
220 : 연결필름
230 : 금속박막
240 : 밴드결합부
241 : 링크
242 : 핀조인트
243 : 스토퍼
244 : 고정체
300 : 회로부
400 : 밴드
10 : 인체

Claims

휘어지는 정도에 따라 저항값이 달라지는 센싱필름(100);
탄성있는 재질의 밴드(400);
센싱필름(100)의 양단에 결합되되, 센싱필름(100)이 밴드(400)와 평행하되 휘어진 상태로 밴드(400)의 일면에 결합되도록 형성된 결합모듈(200);을 포함하는 것을 특징으로 하는
굴곡변화 감지용 웨어러블 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 결합모듈(200)은
센싱필름(100)이 밴드(400)의 반대방향을 향해 휘어지도록 결합시키는 밴드결합부(240)를 포함하고,

상기 밴드결합부(240)는
밴드(400)에 고정결합되는 두 개의 고정체(244)를 포함하는 것을 특징으로 하는
굴곡변화 감지용 웨어러블 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 밴드결합부(240)는
센싱필름(100)의 양단과 각 고정체(244)를 연결하는 링크(241),
링크(241)를 고정체(244)에 회동가능하게 결합시키는 핀조인트(242),
링크(241)가 밴드(400)의 방향으로 회동하는 것을 제한하도록 고정체(244)에 형성된 스토퍼(243)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
인체 동작의도 감지용 센서를 이용한 웨어러블 장치.