KR20210031178A - 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템은, 보행자의 걸음에 따라 발바닥에 의해 눌리는 압력을 측정하는 복수개의 압력센서를 포함한 스마트 인솔; 상기 압력센서에서 측정된 압력정보를 수신하는 압력수신모듈과, 상기 보행자에 대한 보행 영상을 입력받는 보행영상입력모듈 및, 상기 보행 영상에 가상 기준선을 표시 처리한 합성 영상을 생성하는 기준선합성부를 포함하는 영상합성모듈 및, 복수개의 상기 압력정보를 분석 처리하여 상기 보행자의 보행에 대한 평가데이터를 산출하는 데이터연산모듈과, 상기 보행 시간별 상기 스마트 인솔 내의 압력 분포를 나타내는 압력 영상을 생성하는 압력영상생성모듈 및, 상기 압력 영상과 상기 합성 영상 및 상기 평가데이터가 통합 처리된 보행분석자료를 생성하는 자료생성모듈을 포함하는 컨트롤러; 상기 보행분석자료를 전송받아 표시하는 보행자단말;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템{Gait Analysis System Using Smart Insole}

본 발명은 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 인솔에 압력을 감지할 수 있는 센서를 장착하고, 이 센서를 통해 보행자의 보행 데이터를 분석하여 보행자의 보행특성에 대해 안내할 뿐 아니라, 바른 보행을 수행하고 있는지를 영상으로 즉각적으로 파악할 수 있도록 한 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템에 관한 것이다.

인간은 건강한 상태를 유지하고 웰빙(well-being)을 위한 잠재력을 극대화하기 위하여 체계적인 노력을 계속해 왔다. 국내의 경우 90년대 초반까지 개인들 대부분은 질병이 발생하면 비로소 병원에 가는 등 수동적인 헬스케어(건강관리)를 해왔으며, 주로 의료기관이나 의료기기 제조업체 등이 헬스케어 시장을 주도함에 따라서 개인들은 헬스케어 제품의 단순한 소비자(consumer)일 뿐이었다.

2000년대 이후에는 소득 증대와 여러 복지정책에 따른 의료 혜택의 증가로 헬스케어에 대한 개인들의 관심이 증가하였으며, 헬스케어 제품들이 폭발적으로 증가하였다. 또한, 개인들은 소비자로써 제품을 사용하는 단순한 고객 차원을 벗어나 제품개발 및 유통과정에까지 직접 참여하는 '생산적소비자(Prosumer)'로 거듭나기 시작했다. 최근에는 일상생활에서 자주 사용하는 가구, 의류, 신발 등과 같은 생활 제품을 헬스케어가 가능한 형태로 사용하고자하는 요구가 증가하고 있다.

한편, 신발은 일반적으로 운동화, 패션화, 및 실내화 등이 있다. 이와 같은 신발류 중 운동화는 운동 종목에 따라 그 종목에 적합한 구조를 갖는 각각의 운동화가 개발되어 있으며, 특히 이들 운동화는 밑창 구조에 특징을 갖고 있는 것이 대부분이고, 패션화는 외출 또는 일상 생활에서 보편적으로 싣는 신발이며, 실내화는 가정의 실내 또는 뜰 및 주택 주변 등에서 신을 수 있는 가볍고 간편한 신발이다. 이러한 신발에서 가장 중요한 부분이 사용자의 발바닥이 닿는 인솔이다.

개개인에 따라 차이는 있지만 사람은 평생 동안 수십만 Km를 걸으며, 1Km를 걸을 때 마다 대략 10 ~ 20톤 가량의 압력을 받는다. 또한, 선천적인 발 질환 또는 현대인들의 건강 생활 환경(비만, 운동 부족, 보행 습관, 관리 소홀 등)으로 발과 관련된 후천성 질환들이 속속 나타나고 있다. 또한, 보행이라 하더라도 누구나 똑같이 보행하는 것은 아니며, 보행 시에도 좌/우 발에 가해지는 충격이 다르거나 비정상적으로 충격이 클 수 있고, 이는 보행자의 건강에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.

이를 방지하는 차원인 보행을 교정하기 위한 것으로서, 다음의 기술이 공개되어있다.

먼저, 대한민국 등록특허 제10-1263216호에 "스마트 신발 및 그 동작 방법"이 개시되어 있으며, 사용자의 발에 의해 가해지는 힘의 변화를 저항값으로 측정하는 필름형 인솔 센서; 상기 사용자의 발의 움직임 변화에 따른 가속도값을 측정하는 가속도 센서; 및 상기 저항값 및 상기 가속도값을 이용하여 상기 사용자의 현재 상태 및 운동량을 예측하고, 상기 사용자의 상태 정보 및 운동량 정보를 생성하는 마이크로 컨트롤러를 포함하는 스마트 신발에 관한 것이다.

이러한 장치는 운동시설, 휴게시설 등과 같은 일상생활 속에서 노인들의 활동성 및 사교성을 측정할 수 있다는 장점이 있으나, 이러한 스마트신발은 단순하게 사용자의 상태와 운동량의 예측만 가능할 뿐, 보다 상세한 발의 압력분포나 기울기 등을 확인할 수 없어 다소 불편함이 있다.

다른 선행기술로서 대한민국 공개특허 제 10-2014-0062541호 "스마트 인솔을 이용한 헬스케어 모니터링 시스템"에 따르면, 별도의 센서로 발바닥 각 부위를 자극하지 않고 민감하게 신발 내의 온도, 습도, 압력을 감지하고 이를 이용하여 사용자의 좌/우 발의 상태와 좌/우 신발의 상태를 모니터링 할 수 있는 모니터링 시스템을 제공하는 스마트 인솔에 대하여 서술하고 있다.

다만, 이 모니터링 시스템의 경우, 좌/우 발에 대하여 압력, 온도, 습도를 감지하는 기능을 갖지만, 실제 걷는 동작은 두 발을 모두 사용하면서 두 발의 밸런스가 중요한 것인데, 이러한 밸런스를 측정하는 기능이 없어 실제 걷기 동작에 활용하기에는 다소 문제점이 있다.

따라서, 인솔에 압력을 감지할 수 있는 센서를 장착하고, 이 센서를 통해 보행자의 보행 데이터를 분석하여 보행자의 보행특성에 대해 안내할 뿐 아니라, 바른 보행을 수행하고 있는지를 영상으로 즉각적으로 파악할 수 있도록 한 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템의 개발이 필요하다.

본 발명은 상기 기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 인솔에 압력을 감지할 수 있는 센서를 장착하고, 이 센서를 통해 보행자의 보행 데이터를 분석하여 보행자의 보행특성에 대해 안내할 뿐 아니라, 바른 보행을 수행하고 있는지를 영상으로 즉각적으로 파악할 수 있도록 한 스마트 인솔을 통핸 보행 데이터 분석 시스템을 제공하는 것을 주요 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 압력정보를 통해 사용자의 보행에 있어 좌우 편중 여부, 보행 일관성, 정상걸음비율, 보행속도 등을 판단할 수 있도록 하는 구성을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 이러한 보행 분석 데이터를 사용자의 보행영상과 함께 제공하여 즉각적으로 보행문제를 파악할 수 있도록 하는 구성을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 좌우 편중 여부, 보행 일관성, 정상걸음비율, 보행속도 등의 분석에 있어서 새로운 분석 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은, 걸음 데이터 분석 시 발생할 수 있는 노이즈를 제거할 수 있는 추가 보정 구성을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템으로서, 보행자의 걸음에 따라 발바닥에 의해 눌리는 압력을 측정하는 복수개의 압력센서를 포함한 스마트 인솔; 상기 압력센서에서 측정된 압력정보를 수신하는 압력수신모듈과, 상기 보행자에 대한 보행 영상을 입력받는 보행영상입력모듈 및, 상기 보행 영상에 가상 기준선을 표시 처리한 합성 영상을 생성하는 기준선합성부를 포함하는 영상합성모듈 및, 복수개의 상기 압력정보를 분석 처리하여 상기 보행자의 보행에 대한 평가데이터를 산출하는 데이터연산모듈과, 보행 시간별 상기 스마트 인솔 내의 압력 분포를 나타내는 압력 영상을 생성하는 압력영상생성모듈 및, 상기 압력 영상과 상기 합성 영상 및 상기 평가데이터가 통합 처리된 보행분석자료를 생성하는 자료생성모듈을 포함하는 컨트롤러; 상기 보행분석자료를 전송받아 표시하는 보행자단말;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 데이터연산모듈은, 측정된 상기 압력정보를 기반으로 상기 보행자의 보행 좌우밸런스 수치를 분석하는 밸런스분석부 및, 측정된 상기 압력정보를 기반으로 상기 보행자의 보행 일관성 수치를 분석하는 일관성분석부 및, 측정된 상기 압력정보를 기반으로 상기 보행자의 보행비율수치를 산출하는 비율분석부 및, 측정된 상기 압력정보를 기반으로 상기 보행자의 정상걸음비율을 분석하는 정상걸음분석부 및, 상기 보행자의 보행속도를 기반으로 보행속도수치를 산출하는 속도기반분석부 및, 상기 보행 좌우밸런스, 상기 보행 일관성, 상기 입각기비율, 상기 정상걸음비율, 상기 보행속도수치를 포함하는 평가데이터를 산출하는 데이터산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더하여, 상기 압력영상생성모듈은, 상기 스마트 인솔의 인솔이미지를 생성하는 이미지생성부, 상기 인솔이미지 상에 상기 압력센서의 위치를 표시하는 센서위치표시부 및, 각각의 상기 압력센서마다 측정된 상기 압력정보 값의 고저에 따라 상기 인솔이미지를 차등 변색 처리하는 변색처리부 및, 생성된 복수개의 상기 인솔이미지를 기반으로 압력 영상을 생성하는 영상생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템에 의하면,

1) 인솔에 압력을 감지할 수 있는 센서를 장착하고, 이 센서를 통해 보행자의 보행 데이터를 분석하여 보행자의 보행특성에 대해 안내할 뿐 아니라, 바른 보행을 수행하고 있는지를 영상으로 즉각적으로 파악할 수 있도록 하였으며,

2) 측정된 압력정보를 통해 사용자의 보행에 있어 좌우 편중 여부, 보행 일관성, 정상걸음비율, 보행속도 등을 판단할 수 있도록 하였고,

3) 좌우 편중 여부, 보행 일관성, 정상걸음비율, 보행속도 등의 분석에 있어서 새로운 분석 방법을 제공할 뿐 아니라,

4) 걸음 데이터 분석 시 발생할 수 있는 노이즈를 제거하여 분석 데이터의 신뢰도를 높일 수 있도록 하였다.

도 1은 본 발명의 스마트 인솔의 기본구성을 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 스마트 인솔의 상세구성을 도시한 개념도.
도 3은 본 발명의 스마트 인솔을 통해 사용자에게 정보를 안내하는 보행자단말의 표시 예시도.
도 4는 본 발명의 컨트롤러의 구성을 도시한 블록도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 축척에 의하여 도시되지 않았으며, 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 스마트 인솔의 기본구성을 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 스마트 인솔의 상세구성을 도시한 개념도이며, 도 3은 본 발명의 스마트 인솔을 통해 사용자에게 정보를 안내하는 보행자단말의 표시 예시도이다.

도 1 내지 도 3에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 보행 데이터 분석 시스템은 신발 내부에 위치하는 것으로서, 보행자의 걸음에 따라 발바닥에 의해 눌리는 압력을 측정하는 복수개의 압력센서(11)를 포함하는 스마트 인솔(10)과, 이 스마트 인솔(10)에 포함된 압력센서(11)로부터 측정된 압력정보를 수신하고 이를 분석하여 발바닥의 밸런스를 측정하는 컨트롤러(20)와, 압력센서(11)가 포함된 스마트 인솔(10)을 포함한 신발을 착용한 보행자가 스마트 인솔(10)에 의해 측정된 정보를 확인할 수 있도록 컨트롤러(20)와 통신하여 정보를 표시하는 보행자단말(40)의 구성을 기본으로 한다.

여기에서 보행자단말(40)의 경우, 스마트폰이나 PDA, 태블릿PC, 노트북PC, 데스크탑컴퓨터 등 유/무선 통신망을 통해 컨트롤로부터 데이터를 전송받은 정보를 표시할 수 있는 디스플레이장치가 포함된 단말 혹은 유/무선 통신망을 통해 컨트롤러(20)로부터 데이터를 전송받은 상태에서 정보를 소리로 안내할 수 있는 스피커장치가 포함된 단말 등이 활용될 수 있음은 물론이다.

이 때, 인솔(insole)은 신발의 밑창(깔창)을 의미하는 것으로서, 일반적으로 신발을 신었을 때, 이 인솔에 의해 발바닥에 쿠션감을 주어 오랜 시간 걷더라도 피로감을 완화시킬 수 있는 역할을 하는 것이다. 본 발명의 스마트 인솔(10)은 이러한 인솔에 복수의 압력센서(11)가 포함되어 걸음을 걷는 동작에 따라 발바닥이 스마트 인솔(10)의 표면을 누르게 되는데, 스마트 인솔(10)에 포함된 각각의 압력센서(11)가 이 누르는 힘을 인식하여 압력정보를 생성하게 된다.

더불어, 스마트 인솔(10)은 통신 수단을 구비하여 이 통신 수단을 통해 주로 무선 방식으로 압력정보를 역시 통신 수단을 구비한 컨트롤러(20)에 전송한다.

이러한 스마트 인솔(10)에 포함된 압력센서(11)를 통해 압력정보를 제공받아 컨트롤러(20)가 이를 분석하게 되고, 이렇게 분석된 보행 데이터 및 이를 시각화한 압력 영상, 보행자가 보행할 때에 촬영된 보행 영상 보행자가 보행자단말(40)을 확인할 수 있도록 하는 것을 통해 기본 구성을 갖추게 되는 것이다. 더불어 컨트롤러(20)는 보행자단말(40)과 통신 기능을 겸비할 수 있어야 하므로, 별도의 유무선 통신 기능을 기본적으로 포함하게 된다.

더불어 본 발명의 보행 데이터 분석 시스템은 압력 영상, 즉 도 1의 예시에서 도시되어 있듯이 스마트 인솔(10)의 현재 압력 상태를 시각화한 영상(이를 압력 영상이라 한다)을 실시간으로 보행자가 보행자단말(40)을 통해 확인할 수 있도록 한다. 이때 본인의 보행을 실시간으로 촬영한 보행 영상을 압력 영상과 동시 출력하므로, 본인의 보행 특성 뿐 아니라 올바른 보행을 위한 걸음 교정의 역할까지 동시에 수행하게 된다. 더불어 보행자단말(40)을 의사와 같은 의료종사인 등이 확인할 수 있는 경우, 분석된 보행 데이터, 그리고 보행 영상과 압력 영상을 확인함으로써 보다 정확한 환자(보행자)의 상태를 진단 가능함은 물론이다.

도 3은 본 발명의 컨트롤러(20)의 구성을 도시한 블록도이이다.

상술한 도 1 내지 도 3, 그리고 도 4를 통해 본 발명의 스마트인솔에 포함된 컨트롤러(20)의 구성을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저 컨트롤러(20)는 기본 구성으로서, 압력수신모듈(100), 보행영상입력모듈(200), 영상합성모듈(300), 데이터연산모듈(400), 압력영상생성모듈(500), 자료생성모듈(600)을 기본적으로 포함한다.

압력수신모듈(100)은 상술한 통신 수단을 매개로 스마트 인솔(10)에 포함된 복수개의 압력센서(11)로부터 측정된 압력정보를 수신하는 기능을 수행하게 된다. 이때 압력수신모듈(100)은 각각의 압력센서(11)의 압력정보를 실시간으로 수신하여 데이터 트래킹의 기능을 기본으로 하게 된다.

보행영상입력모듈(200)은 nfc, wifi, 블루투스 등의 무선 통신 또는 유선 통신을 통해 상기 보행자에 대한 보행 영상을 입력받는 기능을 수행한다. 이 때 보행 영상은 보행자가 1인칭 시점으로 본인의 보행 영상을 입력하는 것일 수도 있으며, 타인이 보행자의 보행 영상을 촬영한 것일 수도 있다. 이 때 바람직하게 1인칭 촬영의 경우 보행자단말(40)을 통해 보행자 본인이 본인의 보행 영상을 촬영하고, 이를 스마트 인솔(10)과 연동 처리된 어플리케이션 등을 통해 컨트롤러(20)에 전송할 수 있도록 함이 바람직하다.

영상합성모듈(300)은 상기 보행 영상에 보행의 기준이 되는 가상 기준선(60)을 표시 처리하여 이를 합성한 합성 영상을 생성하게 된다. 이 때 보행 영상에 가상 기준선(60)을 합성하기 위한 영상합성모듈(300)의 세부 구성으로서, 영상합성모듈(300)은 바닥면검출부(310), 기준선설정부(320), 기준선표시부(330)를 더 포함할 수 있다.

바닥면검출부(310)는 촬영된 보행 영상에서 보행자가 보행을 수행하고 있는 기준면인 바닥면을 검출해낸다. 그 후 기준선설정부(320)를 통해 상기 바닥면 상에 가장 기준선을 설정하고, 기준선표시부(330)를 통해 설정된 가상 기준선(60)을 보행 영상 상에 표시 처리 및 합성하여 가상 기준선(60)이 표시 처리된 합성 영상을 생성하게 되는 것이다.

이 때 가상 기준선(60)의 설정 방법에 대해서는 별도의 제한을 두지 않으며, 보행자의 보행 방향, 그리고 검출된 바닥면의 커브 여부 등을 통해 가상 기준선(60)의 길이 및 형태가 달라질 수 있다.

데이터연산모듈(400)은 복수개의 상기 압력정보를 분석 처리하여 상기 보행자의 보행에 대한 평가데이터를 산출하는 기능을 수행한다. 이 때 데이터연산모듈(400)은 보행 좌우밸런스에 대한 분석을 수행하는 밸런스분석부(410)와, 보행 일관성에 대한 분석을 수행하는 일관성분석부(420), 상기 보행자의 입각기비율을 이용한 분석을 수행하는 비율분석부(430), 보행자의 정상걸음여부를 통한 분석을 수행하는 정상걸음분석부(440), 그리고 보행속도를 기반으로 한 분석을 수행하는 속도기반분석부(450)를 포함하며, 나아가 상술한 데이터들을 통합하여 평가데이터를 산출하는 데이터산출부(460)의 세부 구성을 포함한다.

밸런스분석부(410)는 각각의 압력센서(11)로부터 측정된 압력정보를 기반으로 하여 상기 보행자의 보행 좌우밸런스 수치를 분석하는 기능을 수행한다. 이 때 좌우밸런스 분석이라 함은 두 개의 발바닥 중에서 어느 쪽으로 압력분포가 쏠려있는지에 대한 분석이라 할 수 있으며, 좌우밸런스 수치는 왼쪽 발바닥 및 오른쪽 발바닥에 고르게 압력이 분산된 상태, 즉 좌우 압력 비율이 5:5에 가까울수록 높은 점수를 부여하여 단순 데이터 분석 뿐 아니라 보행자로 하여금 올바른 걸음걸이를 수행하게 하는 기능을 수행하게 된다.

이 때 밸런스분석부(410)는 세부 구성인 좌우압력측정파트(411)를 통해 상기 보행자의 왼쪽 발바닥에서 측정된 전체 압력정보의 평균값인 좌측압력값과, 상기 보행자의 오른쪽 발바닥에서 측정된 전체 압력정보의 평균값인 우측압력값을 연산하고, 다른 세부 구성인 인풋결정파트(412)를 통해 상기 좌측압력값과 상기 우측압력값을 비교 처리하여 수치 산출을 위한 인풋값을 결정한다. 이 때 바람직하게는 좌측압력값과 우측압력값을 비율로써 비교 처리하고(예를 들어 33:67, 45:55. 60:40 등 좌측압력값과 우측압력값의 상대 비율을 구한다), 그 후 그 중 작은 값을 인풋값으로 결정하게 된다.

밸런스분석부(410)의 마지막 세부 구성인 수치연산파트(413)는 상기 보정값을 기반으로 보행 좌우밸런스 수치를 산출하게 되는데, 이 때 보행 좌우밸런스 수치는 다음의 수학식 1을 통해 산출되는 것을 특징으로 한다.

수학식 1,

여기서,

는 보행 좌우밸런스 수치,

는 인풋값을 의미한다.

따라서 결정된 인풋값이 로그스케일로써 환산되어 수치화되는데, 이 때 보행 좌우밸런스 수치의 경우 바람직하게는 인풋값이 50에 가까울수록 100점에 가까운 점수를, 인풋값이 50에서 멀어질수록 낮은 점수가 주어지게 된다.

더불어 이 때 인풋값은 50이라는 값으로 나눠지게 되는데, 이 때 인풋값 보정은 결정된 인풋값을 이상적인 좌우 밸런스 비율, 즉 50:50의 비율에 있어서의 인풋값이라 할 수 있는 50으로 나눔으로써 보행자의 수치와 이상 수치를 비교 처리할 수 있도록 하는 것이다.

일관성분석부(420)는 측정된 상기 압력정보를 기반으로 상기 보행자의 보행 일관성을 수치화한 보행 일관성 수치를 분석하는 기능을 수행한다. 이러한 보행 일관성은 매 걸음마다 가해지는 압력정보를 저장하고, 저장된 압력정보의 분산을 구한 뒤 분산이 작을수록 일관성 있는 걸음을 걷는 것으로 판정하고, 분산이 클수록 일관성이 없는 걸음을 걷는 것으로 판정하게 되는 것이다. 이를 위해 일관성분석부(420)는 압력값연산파트(421)를 통해 측정된 상기 압력정보를 기반으로 상기 보행자의 매 걸음에 대한 압력정보 값의 합이라 할 수 있는 전체압력값을 연산하고, 수치분석파트(422)를 통해 상기 전체압력값을 기반으로 보행 일관성 수치를 분석하게 된다. 이 때 상기 수치분석파트(422)는, 다음의 수학식 2를 통해 상기 보행 일관성 수치를 산출하게 된다.

수학식 2,

여기서,

는 보행 일관성 수치,

은 산출된 전체압력값의 개수,

는

번째 전체압력값,

는 산출된 모든 전체압력값의 평균을 의미한다.

이러한 전체압력값은 전체압력값의 분산을 구하고 이를 지수화 한 뒤 이를 기반으로 하여 수치를 산출해내는 역할을 수행한다. 분산이 작을수록 보행 일관성 수치가 커지므로 높은 점수, 즉 높은 보행 일관성으로 판정 받게 되고, 분산이 커질수록 보행 일관성 수치가 작아져 낮은 점수, 즉 보행 일관성이 낮은 것으로 판정받게 된다.

비율분석부(430)는 측정된 상기 압력정보를 기반으로 상기 보행자의 전체 걸음 중 입각기(발이 땅에 닿아 있는 시점으로서 압력정보가 측정되는 시기)의 비율을 판별해내고, 이를 이상적인 입각기 비율과 비교 처리하여 보행비율수치를 산출해낸다. 이러한 비율분석부(430)는 비율산출파트(431) 및 수치산출파트(432)를 포함한다,

비율산출파트(431)는 측정된 상기 압력정보를 기반으로 보행자가 보행을 수행한 시간, 즉 보행 시간 동안의 입각기비율을 산출해낸다. 이는 전체 보행 시간 중 압력정보가 측정된 시간을 비교 처리함으로써 산출해낼 수 있는데, 바람직하게는 입각기비율의 값을 % 값으로 산출하게 된다.

수치산출파트(432)는 산출된 상기 입각기비율을 기반으로 상기 보행자의 보행비율수치를 산출하는데, 이 때 보행비율수치 산출을 위해 다음의 수학식 3이 이용된다.

수학식 3,

여기서,

는 보행비율수치,

는 입각기비율이다.

따라서 산출된 입각기비율이 로그스케일로써 환산되어 수치화되는데, 이 때 보행비율수치의 경우 바람직하게는 입각기비율이 60에 가까울수록 100점에 가까운 점수를, 60에서 멀어질수록 낮은 점수가 주어지게 된다. 이 때 입각기비율을 60이라는 값으로 나누는 이유는 이상적인 입각기비율이 60%이기 때문이며, 따라서 보행비율수치는 보행자의 입각기비율을 이상적인 입각기비율과 비교 처리하고 이를 로그스케일로써 환산하는 것이라 할 수 있다.

또 다른 데이터연산모듈(400)의 구성인 정상걸음분석부(440)는 측정된 상기 압력정보를 기반으로 상기 보행자의 정상걸음비율을 분석하는 기능을 수행하는데, 이 때 정상걸음이라 함은 걸음마다 압력정보를 측정하되, 측정된 압력정보의 시퀀스에 이상 발생 시 해당 걸음을 비정상 걸음으로 판정하여, 전체 걸음 수를 기준으로 하여 정상 걸음수의 비율을 환산해 얼마나 정상적으로 걷고 있는지를 판정해내는 것이다. 이 때 정상걸음비율은 % 값으로 환산되는 것이 바람직하다.

마지막으로 속도기반분석부(450)는 상기 보행자의 보행속도를 기반으로 보행속도수치를 산출하는 기능을 수행한다.

우선, 보행자와 기설정된 거리, 즉 기준 거리 이격된 지점에서 보행 영상을 촬영하였다는 가정 하에서 보행 영상에서는 보행자의 키와 보폭을 파악할 수 있는 x-y 좌표를 기반으로 한 눈금이 표시되어 있는바, 속도기반분석부(450)는 이 눈금을 통해 보행자가 이동한 거리를 파악할 수 있고 이와 동시에 타이머를 통해 보행자가 이동하는 과정의 시간을 체크할 수 있어 이를 통해 보행 속도를 구할 수 있는 것이다.

더 나아가, 보행속도수치는 수학식 4를 통해 산출되는 것을 특징으로 한다. 여기서 보행속도는 m/s를 기준으로 한다.

수학식 4,

여기서,

는 보행속도수치,

는 보행속도를 의미한다.

여기서 이상적인 보행 속도가 1.6m/s인 것을 감안하여, 보행속도가 1.6m/s 이상인 경우 100점이라는 결과값을 얻게 되며, 보행속도가 1.6m/s 미만인 경우 추가적인 점수 환산을 필요로 하게 된다. 보행속도가 1.6보다 작아지면 작아질수록 보행속도수치에서 낮은 점수가 환산되고, 1.6 미만의 값에서 1.6에 가까워질수록 상대적으로 높은 값을 얻으며, 1.6 이상의 경우 100점이라는 수치를 얻게 된다.

마지막으로 데이터연산모듈(400)의 데이터산출부(460)가 상기 보행 좌우밸런스, 상기 보행 일관성, 상기 입각기비율, 상기 정상걸음비율, 상기 보행속도수치를 모두 종합하여 이를 포함한 평가데이터를 산출하게 되고, 생성된 평가데이터는 후술할 보행분석자료 생성 시 이용된다.

나아가, 상술한 일관성분석부(420)는 전체압력값을 구하고 이를 통해 보행의 일관성을 판별한다. 따라서 개별 걸음이 아닌 전체 걸음을 분석 처리한다는 특성이 있는데, 이 때 보다 많은 양의 압력정보 데이터를 이용하여 값을 산출하게 된다. 이 때 측정된 압력정보 값으로부터 전체압력값을 산출할 때, 예를 들어 보행자의 발 밑에 작은 장애물이 있었을 경우, 혹은 압력센서(11)의 오류가 발생했을 경우 보행자의 보행특성과는 상관없이 높은 압력정보 값이 검출되어 이는 보행 일관성 분석의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있다. 이러한 데이터 상의 노이즈를 제거할 수 있는 경우 데이터의 신뢰도를 보다 높일 수 있는데, 이를 위해 일관성분석부(420)는 피크검출파트(423), 기준산출파트(424), 보정값산출파트(425)를 더 포함할 수 있다.

피크검출파트(423)는 특정 걸음에 대해 측정된 상기 압력정보의 값으로부터 피크값을 검출하는 기능을 수행한다. 즉 매 걸음마다 압력정보 값을 수집하고, 수집된 압력정보 값으로부터 피크값을 검출해내는 것이다. 이 때

번째 걸음을 가정했을 때

번째 걸음에 피크값이 검출되는 경우 해당 걸음 시 압력정보 값의 특이점이 발견되었으므로 해당 압력정보 값의 경우 보정을 거치게 되고, 피크값이 검출되지 않는 경우 보정을 하지 않고 바로 전체압력값을 연산할 수 있게 된다.

기준산출파트(424)는 검출된 상기 피크값을 기준으로 하여 불필요하고 환산에 혼선을 주는 데이터인 노이즈의 범위를 정의할 수 있는 보정기준값을 산출하는 기능을 수행한다. 이 때 보정기준값은 다음의 수학식 5를 기반으로 산출된다.

수학식 5,

여기서,

는

번째 걸음에 대한 보정 기준값,

는

번째 걸음에 대해 측정된 피크 값을 의미한다.

수학식 5는 상술한 피크검출파트(423)에 의해 검출된 피크값에 따라 보정기준값을 산출하는 것으로서, 이때 보정기준값은 노이즈의 범위를 정의하는 것이고, 피크값이 곧 노이즈가 될 수 있으므로, 피크값이 클수록 노이즈라고 판단되는 기준인 보정기준값이 커질 수 있음을 알 수 있다.

보정값산출파트(425)는 상기 보정기준값을 기반으로 상기 입력된 상기 압력정보의 값으로부터 노이즈를 제거한 보정 압력값을 연산하는데, 이 때 연산은 다음의 수학식 6을 통해 이루어지게 된다.

수학식 6.

여기서,

는

번째 걸음에 대한 보정 압력값,

는

번째 걸음 시에 측정된 상기 압력정보 중

번째 압력정보의 압력값,

는

번째 걸음에 대한 보정 기준값,

은

번째 걸음 시에 측정된 압력정보의 총 개수를 의미한다.

수학식 6은 입력된 압력정보의 압력값으로부터 노이즈를 제거하여 보정 압력값을 산출하는 것으로서, 이때 보정 압력값은 입력된 압력정보의 압력값에서 보정 기준값을 뺀 결과로부터 산출될 수 있으며, 보정 압력값은 결국 매 걸음마다 산출된 복수개의 압력정보의 압력값으로부터 노이즈를 제거한 값을 의미하는 것이다.

따라서 이렇게 보정 압력값이 산출되는 경우, 상기 압력값연산파트(421)는 노이즈가 제거된 상기 보정 압력값을 기반으로 상기 보행자의 매 걸음에 대한 전체압력값을 연산하게 되므로 보행 일관성 산출에 있어 신뢰도를 보다 높일 수 있게 된다.

또한 컨트롤러(20)의 또 다른 구성인 압력영상생성모듈(500)을 통해 스마트 인솔(10)의 압력 상태를 실시간으로 시각화한 압력 영상이 생성된다. 이러한 압력 영상의 예시는 도 1 또는 도 3을 통해 확인할 수 있다. 압력영상생성모듈(500)은 기본적으로 이미지생성부(510), 센서위치표시부(520), 변색처리부(530), 영상생성부(540)를 포함한다.

이미지생성부(510)는 상기 스마트 인솔(10)의 인솔이미지를 생성하는 기능을 포함한다. 이는 스마트 인솔(10)의 형태를 이미지화하여 압력 상태를 보여주기 위한 준비를 수행하는 것이다.

센서위치표시부(520)는 상술한 도 1과 같이 상기 인솔이미지 상에 상기 압력센서(11)의 위치를 표시하게 된다. 이 때 압력센서(11)의 위치 뿐 아니라 좌표정보 파악이 함께 이루어질 수도 있다.

변색처리부(530)는 각각의 상기 압력센서(11)마다 측정된 상기 압력정보 값의 고저에 따라 상기 인솔이미지를 차등 변색 처리하는 기능을 수행한다. 이 때 인솔 이미지의 차등 변색 처리라 함은 도 1 또는 도 3에서의 예시와 같이 인솔이미지 상에서 좌표마다의, 즉 인솔이미지 내에서 압력센서(11) 위치마다의 압력정보 값의 고저에 따라 인솔이미지를 차등 변색 처리하여 바람직하게는 압력정보 값이 큰 곳이 붉은 색으로, 압력정보 값이 작거나 압력정보가 측정되지 않는 곳은 파란색으로 변색 처리하여 한눈에 스마트 인솔(10)의 압력 상태를 파악할 수 있도록 하는 것이다.

영상생성부(540)는 생성된 복수개의 상기 인솔이미지를 기반으로 압력 영상을 생성하는 기능을 수행한다. 이는 걸음걸음마다 생성된 복수개의 인솔이미지를 하나의 영상으로써 이어주는 역할을 수행하는 것이다.

마지막 컨트롤러(20)의 구성인 자료생성모듈(600)은 상기 압력 영상과 상기 합성 영상 및 상기 평가데이터가 통합 처리된 보행분석자료를 생성하는 역할을 수행한다. 이 때 압력 영상과 합성 영상은 보행자의 보행에 맞추어 동시 출력되어야 하는데, 이를 위해 템플릿생성부(610), 영상자료생성부(620), 통합자료생성부(630)를 포함한다.

템플릿생성부(610)는 도 3의 예시를 통해 보이는 것과 같이 상기 보행자단말(40)에 출력되는 것으로서, 제 1 영역(51) 및 제 2 영역(52)을 포함하는 영상템플릿(50)을 생성하는 기능을 수행한다. 이는 일종의 화면 분할 구성이라 할 수 있다.

영상자료생성부(620)는 상기 제 1 영역(51)에 상기 합성 영상을 배치 및 출력 처리하고, 상기 제 2 영역(52)에 상기 압력 영상을 배치하고 상기 합성 영상과 동시 출력 처리하여 영상자료를 생성하는 기능을 수행한다. 따라서 도 3에서와 같이 보행자의 걸음에 따른 스마트 인솔(10)의 압력 분포를 실시간으로 확인할 수 있게 된다.

마지막으로 통합자료생성부(630)는 상기 영상자료에 상기 평가데이터를 통합 처리하여 보행분석자료를 생성하게 된다. 이와 같이 생성된 보행분석자료는 보행자단말(40)에 전송처리 되어 보행자가 실시간으로 본인의 걸음걸이를 확인할 수 있으며, 나아가 치료용으로도 이용될 수 있게 되는 것이다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템을 상기 설명 및 도면에 표현하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하여 본 발명의 사상이 상기 설명 및 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

10 : 스마트 인솔 11 : 압력센서
20 : 컨트롤러 40 : 보행자단말
50 : 영상템플릿 51 : 제 1 영역
52 : 제 2 영역 60 : 가상 기준선
100 : 압력수신모듈 200 : 보행영상입력모듈
300 : 영상합성모듈 310 : 바닥면검출부
320 : 기준선설정부 330 : 기준선표시부
400 : 데이터연산모듈 410 : 밸런스분석부
411 : 좌우압력측정파트 412 : 인풋결정파트
413 : 수치연산파트
420 : 일관성분석부 421 : 압력값연산파트
422 : 수치분석파트 423 : 피크검출파트
424 : 기준산출파트 425 : 보정값산출파트
430 : 비율분석부 431 : 비율산출파트
432 : 수치산출파트 440 : 정상걸음분석부
450 : 속도기반분석부 460 : 데이터산출부
500 : 압력영상생성모듈 510 : 이미지생성부
520 : 센서위치표시부 530 : 변색처리부
540 : 영상생성부 600 : 자료생성모듈
610 : 템플릿생성부 620 : 영상자료생성부
630 : 통합자료생성부

Claims (15)

1. 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템으로서,
   보행자의 걸음에 따라 발바닥에 의해 눌리는 압력을 측정하는 복수개의 압력센서를 포함한 스마트 인솔;
   상기 압력센서에서 측정된 압력정보를 수신하는 압력수신모듈과,
   상기 보행자에 대한 보행 영상을 입력받는 보행영상입력모듈 및,
   상기 보행 영상에 가상 기준선을 표시 처리한 합성 영상을 생성하는 기준선합성부를 포함하는 영상합성모듈 및,
   복수개의 상기 압력정보를 분석 처리하여 상기 보행자의 보행에 대한 평가데이터를 산출하는 데이터연산모듈과,
   보행 시간별 상기 스마트 인솔 내의 압력 분포를 나타내는 압력 영상을 생성하는 압력영상생성모듈 및,
   상기 압력 영상과 상기 합성 영상 및 상기 평가데이터가 통합 처리된 보행분석자료를 생성하는 자료생성모듈을 포함하는 컨트롤러;
   상기 보행분석자료를 전송받아 표시하는 보행자단말;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 데이터연산모듈은,
   측정된 상기 압력정보를 기반으로 상기 보행자의 보행 좌우밸런스 수치를 분석하는 밸런스분석부 및,
   측정된 상기 압력정보를 기반으로 상기 보행자의 보행 일관성 수치를 분석하는 일관성분석부 및,
   측정된 상기 압력정보를 기반으로 상기 보행자의 보행비율수치를 산출하는 비율분석부 및,
   측정된 상기 압력정보를 기반으로 상기 보행자의 정상걸음비율을 분석하는 정상걸음분석부 및,
   상기 보행자의 보행속도를 기반으로 보행속도수치를 산출하는 속도기반분석부 및,
   상기 보행 좌우밸런스, 상기 보행 일관성, 상기 입각기비율, 상기 정상걸음비율, 상기 보행속도수치를 포함하는 평가데이터를 산출하는 데이터산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 압력영상생성모듈은,
   상기 스마트 인솔의 인솔이미지를 생성하는 이미지생성부,
   상기 인솔이미지 상에 상기 압력센서의 위치를 표시하는 센서위치표시부 및,
   각각의 상기 압력센서마다 측정된 상기 압력정보 값의 고저에 따라 상기 인솔이미지를 차등 변색 처리하는 변색처리부 및,
   생성된 복수개의 상기 인솔이미지를 기반으로 압력 영상을 생성하는 영상생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 자료생성모듈은,
   상기 보행자단말에 출력되는 것으로서, 제 1 영역 및 제 2 영역을 포함하는 영상템플릿을 생성하는 템플릿생성부 및,
   상기 제 1 영역에 상기 합성 영상을 출력 처리하고, 상기 제 2 영역에 상기 압력 영상을 동시 출력 처리하여 영상자료를 생성하는 영상자료생성부 및,
   상기 영상자료에 상기 평가데이터를 통합 처리하여 보행분석자료를 생성하는 통합자료생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 영상합성모듈은,
   상기 보행 영상에서 바닥면을 검출하는 바닥면검출부 및,
   상기 바닥면 상에 가상 기준선을 설정하는 기준선설정부 및,
   상기 가상 기준선을 상기 보행 영상 상에 표시 처리하여 합성 영상을 생성하는 기준선표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
6. 제 2항에 있어서,
   상기 밸런스분석부는,
   상기 보행자의 왼쪽 발바닥에서 측정된 전체 압력정보의 평균값인 좌측압력값과, 상기 보행자의 오른쪽 발바닥에서 측정된 전체 압력정보의 평균값인 우측압력값을 연산하는 좌우압력측정파트와,
   상기 좌측압력값과 상기 우측압력값을 비교 처리하여 인풋값을 결정하는 인풋결정파트 및,
   상기 인풋값을 보정한 보정값을 연산하는 보정연산파트 및,
   상기 보정값을 기반으로 보행 좌우밸런스 수치를 산출하는 수치연산파트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 수치연산파트는,
   다음의 수학식 1을 통해 상기 보행 좌우밸런스 수치를 산출하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
   수학식 1,

   

   
   (여기서,

   

   는 보행 좌우밸런스 수치,

   

   는 인풋값)
8. 제 2항에 있어서,
   상기 일관성분석부는,
   측정된 상기 압력정보를 기반으로 상기 보행자의 매 걸음에 대한 전체압력값을 연산하는 압력값연산파트 및,
   상기 전체압력값을 기반으로 보행 일관성 수치를 분석하는 수치분석파트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 수치분석파트는,
   다음의 수학식 2를 통해 상기 보행 일관성 수치를 산출하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
   수학식 2,

   

   
   (여기서,

   

   는 보행 일관성 수치,

   

   은 산출된 전체압력값의 개수,

   

   는

   

   번째 전체압력값,

   

   는 산출된 모든 전체압력값의 평균)
10. 제 2항에 있어서,
    상기 비율분석부는,
    측정된 상기 압력정보를 기반으로 상기 보행 시간 동안의 입각기비율을 산출하는 비율산출파트 및,
    상기 입각기비율을 기반으로 상기 보행자의 보행비율수치를 산출하는 수치산출파트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 수치산출파트는,
    다음의 수학식 3을 통해 상기 보행비율수치를 산출하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
    수학식 3,

    

    
    (여기서,

    

    는 보행비율수치,

    

    는 입각기비율)
12. 제 2항에 있어서,
    상기 속도기반분석부는,
    다음의 수학식 4를 통해 상기 보행속도수치를 산출하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
    수학식 4,

    

    
    (여기서,

    

    는 보행속도수치,

    

    는 보행속도)
13. 제 8항에 있어서,
    상기 일관성분석부는,
    특정 걸음에 대해 측정된 상기 압력정보의 값으로부터 피크값을 검출하는 피크검출파트 및,
    검출된 상기 피크값을 기반으로 보정기준값을 산출하는 기준산출파트 및,
    상기 보정기준값을 기반으로 상기 입력된 상기 압력정보의 값으로부터 노이즈를 제거한 보정 압력값을 연산하는 보정값산출파트를 더 포함하고,
    상기 압력값연산파트는,
    상기 보정 압력값을 기반으로 상기 보행자의 매 걸음에 대한 전체압력값을 연산하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
14. 제 13항에 있어서,
    상기 기준산출파트는,
    다음의 수학식 5를 기반으로 보정 기준값을 산출하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
    수학식 5,

    

    
    (여기서,

    

    는

    

    번째 걸음에 대한 보정 기준값,

    

    는

    

    번째 걸음에 대해 측정된 피크 값)
15. 제 14항에 있어서,
    상기 보정값산출파트는,
    다음의 수학식 6을 기반으로 보정 압력값을 산출하는 것을 특징으로 하는, 스마트 인솔을 통한 보행 데이터 분석 시스템.
    수학식 6.

    

    
    (여기서,

    

    는

    

    번째 걸음에 대한 보정 압력값,

    

    는

    

    번째 걸음 시에 측정된 상기 압력정보 중

    

    번째 압력정보의 압력값,

    

    는

    

    번째 걸음에 대한 보정 기준값,

    

    은

    

    번째 걸음 시에 측정된 압력정보의 총 개수)
    

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