KR20210092647A - Method and apparatus for biomechanical based balance analysis - Google Patents

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KR20210092647A
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Abstract

A biomechanical-based balance analysis method and an apparatus thereof are disclosed. According to an embodiment of the present invention, the biomechanical-based balance analysis method comprises the following steps of: measuring three-dimensional joint center position data by a depth camera; measuring ground reaction force data about the user from a ground reaction force device; and analyzing the three-dimensional joint center position data and the ground reaction force data to calculate a joint reaction force and torque acting on a lower extremity joint of the user.

Description

생체역학 기반 균형 분석 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR BIOMECHANICAL BASED BALANCE ANALYSIS}Biomechanical-based balance analysis method and apparatus {METHOD AND APPARATUS FOR BIOMECHANICAL BASED BALANCE ANALYSIS}

본 발명은 깊이카메라와 지면반력기를 이용한 실용적인 시스템과, 깊이카메라의 좌표계와 지면반력기의 좌표계를 일치시키기 위한 효율적인 캘리브레이션을 제공하는, 생체역학 기반 균형 분석 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a practical system using a depth camera and a ground reaction forcer, and a biomechanical-based balance analysis method and apparatus, which provide efficient calibration for matching the coordinate system of the depth camera and the coordinate system of the ground reaction force.

특히, 본 발명에서는, 깊이카메라와 지면반력기로, 생체역학 분석을 위한 장치를 구성 함으로써, 비교적 단순화된 장치들을 통해, 피험자의 선 자세 혹은 보행 분석을 수행하고, 해당 피험자의 균형능력을 평가할 수 있게 한다.In particular, in the present invention, a device for biomechanical analysis is configured with a depth camera and a ground reaction force, so that the subject's standing posture or gait analysis can be performed and the subject's balance ability can be evaluated through relatively simple devices. do.

일반적인 자세 분석은, 카메라로 인체 관절 중심의 3차원 좌표값을 측정하고, 측정된 3차원 좌표값을 통해 자세의 균형이나 질을 판단하는 것이다.In general posture analysis, a three-dimensional coordinate value of the center of a human body joint is measured with a camera, and the balance or quality of the posture is determined based on the measured three-dimensional coordinate value.

하지만 인체 관절의 3차원 좌표만으로는, 해당 자세에서 각 관절에 걸리는 힘이나 토크 등의 운동역학적 요소들에 대한 고려를 할 수 없어, 세밀한 진단을 할 수 없다.However, with only the three-dimensional coordinates of the joints of the human body, it is not possible to take into account the kinematic factors such as the force or torque applied to each joint in the corresponding posture, and thus a detailed diagnosis cannot be made.

또한, 현재 전문적인 3차원 동작분석에 주로 사용되는 제품들은, 마커 방식 모션 캡쳐 시스템으로, 여러 대의 카메라를 사용하고 있어, 넓은 공간이 필요하고, 고가이며 설치 및 캘리브레이션이 쉽지 않다는 단점을 가지고 있다.In addition, products that are currently mainly used for professional 3D motion analysis are marker-type motion capture systems, which use multiple cameras, so they require a large space, are expensive, and have disadvantages in that they are not easy to install and calibrate.

이러한 종래의 3차원 동작분석에 따른 가격적, 공간적 한계점 때문에, 근래에는 kinect 등 저가의 깊이카메라로 대표되는 마커리스 방식의 보급형 측정 장치를 이용한 자세 측정 연구가 활발히 이루어지고 있다.Due to the cost and spatial limitations of the conventional three-dimensional motion analysis, research on posture measurement using a markerless-type entry-level measurement device represented by a low-cost depth camera such as the kinect has been actively conducted in recent years.

하지만 Kinect 등의 저가의 깊이카메라 만 사용한 운동학적(kinematic)연구는 힘을 고려하지 않기 때문에 운동역학적(kinetic)인 분석을 할 수 없다.However, kinematic studies using only low-cost depth cameras such as Kinect do not consider forces, so kinetic analysis cannot be performed.

따라서, 깊이카메라와 지면반력기를 이용한 실용적인 시스템을 구축하기 위한, 새로운 기법이 절실히 요구되고 있다.Therefore, there is an urgent need for a new technique for constructing a practical system using a depth camera and a ground reaction force.

본 발명의 실시예는, 종래의 광학식 모션 캡쳐 시스템에 비해 저렴하고 실용적인 깊이카메라를 활용하여 생체역학 분석을 수행할 수 있게 하는, 생체역학 기반 균형 분석 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a biomechanical-based balance analysis method and apparatus, which enables biomechanical analysis to be performed using a depth camera that is inexpensive and practical compared to the conventional optical motion capture system.

또한, 본 발명의 실시예는, 신체 외부의 운동학적(kinematic) 형태 뿐만 아니라, 인체 내부에 작용하는 힘을 함께 고려하는 신체 내부의 운동역학(kinetic)적인 평가가 가능하여 더욱 전문적인 임상에 활용할 수 있게 하는 것을, 목적으로 한다.In addition, the embodiment of the present invention can be utilized in more professional clinical trials because it is possible to evaluate the kinetics inside the body considering not only the kinematic shape of the outside of the body, but also the forces acting inside the human body. to make it possible, for the purpose

또한, 본 발명의 실시예는, 깊이카메라와 지면반력기 좌표계를 글로벌 좌표계로 변환하는 것에 대한 자동화 알고리즘을 제안하는 것을 목적으로 한다.In addition, an embodiment of the present invention aims to propose an automated algorithm for converting a depth camera and a ground reaction force coordinate system into a global coordinate system.

또한, 본 발명의 실시예는, 마커 중심점의 추정을 수행하고 지면반력기의 평면 특성을 융합하여, 깊이카메라가 가지는 스캔 노이즈에 강인한 글로벌 좌표계 변환을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.In addition, an embodiment of the present invention aims to enable global coordinate system transformation robust to scan noise of a depth camera by performing estimation of the marker center point and fusing the planar characteristics of the ground reaction force.

또한, 본 발명의 실시예는, 생체역학 분석을 수행하여, 좌/우 관절의 힘, 토크 비교를 할 수 있으며, 이를 통하여 보행 및 선 자세에서의 균형 능력 수치화 및 훈련을 제안하는 것을 목적으로 한다.In addition, an embodiment of the present invention can perform a biomechanical analysis to compare the force and torque of the left/right joints, and through this, it is an object of the present invention to propose quantification and training of balance ability in walking and standing postures .

본 발명의 일실시예에 따른, 생체역학 기반 균형 분석 방법은, 깊이카메라로부터, 사용자의 3차원 관절 중심 위치 데이터를 측정하는 단계; 지면반력기로부터, 상기 사용자에 관한 지면반력 데이터를 측정하는 단계; 및 상기 3차원 관절 중심 위치 데이터와 상기 지면반력 데이터를 분석하여, 상기 사용자의 하지 관절에 작용하는 관절반발력과 토크를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a biomechanical-based balance analysis method includes: measuring, from a depth camera, data on a user's three-dimensional joint center position; measuring, from the ground reaction force device, ground reaction force data about the user; and analyzing the three-dimensional joint center position data and the ground reaction force data, and calculating the joint reaction force and torque acting on the lower extremity joint of the user.

또한, 본 발명의 실시예에 따른, 생체역학 기반 균형 분석 장치는, 깊이카메라로부터, 사용자의 3차원 관절 중심 위치 데이터를 측정하고, 지면반력기로부터, 상기 사용자에 관한 지면반력 데이터를 측정하는 측정부; 및 상기 3차원 관절 중심 위치 데이터와 상기 지면반력 데이터를 분석하여, 상기 사용자의 하지 관절에 작용하는 관절반발력과 토크를 계산하는 분석부를 포함하여 구성할 수 있다.In addition, the biomechanical-based balance analysis apparatus according to an embodiment of the present invention measures the user's three-dimensional joint center position data from the depth camera, and measures the ground reaction force data about the user from the ground reaction forcer wealth; and an analysis unit that analyzes the three-dimensional joint center position data and the ground reaction force data to calculate the joint reaction force and torque acting on the lower extremity joint of the user.

본 발명의 일실시예에 따르면, 종래의 광학식 모션 캡쳐 시스템에 비해 저렴하고 실용적인 깊이카메라를 활용하여 생체역학 분석을 수행할 수 있게 하는, 생체역학 기반 균형 분석 방법 및 장치를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a biomechanical-based balance analysis method and apparatus, which enables biomechanical analysis to be performed using a depth camera that is inexpensive and practical compared to a conventional optical motion capture system.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 신체 외부의 운동학적(kinematic) 형태 뿐만 아니라, 인체 내부에 작용하는 힘을 함께 고려하는 신체 내부의 운동역학(kinetic)적인 평가가 가능하여 더욱 전문적인 임상에 활용할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to evaluate not only the kinematic shape of the outside of the body, but also the kinetic evaluation of the inside of the body considering the forces acting inside the human body, so that more professional clinical trials are possible. can be used for

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 깊이카메라와 지면반력기 좌표계를 글로벌 좌표계로 변환하는 것에 대한 자동화 알고리즘을 제안할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to propose an automation algorithm for converting the coordinate system of the depth camera and the ground reaction force to the global coordinate system.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 마커 중심점의 추정을 수행하고 지면반력기의 평면 특성을 융합하여, 깊이카메라가 가지는 스캔 노이즈에 강인한 글로벌 좌표계 변환을 가능하게 할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to perform global coordinate system transformation robust to scan noise of the depth camera by performing estimation of the marker center point and fusing the planar characteristics of the ground reaction force.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 생체역학 분석을 수행하여, 좌/우 관절의 힘, 토크 비교를 할 수 있으며, 이를 통하여 보행 및 선 자세에서의 균형 능력 수치화 및 훈련을 제안할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, by performing biomechanical analysis, it is possible to compare the force and torque of the left/right joints, and through this, it is possible to quantify and train balance ability in walking and standing postures. .

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 생체역학 기반 균형 분석 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는, 본 발명의 일실시예에 따른, 생체 역학 분석 시스템의 모식도이다.
도 3은 FSR압력매트 및 글로벌 좌표계 구축을 위한 마커의 일례를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 하지 자유물체도를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 지면반력기와 깊이카메라의 좌표계를 글로벌 좌표계로 변환하는 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, 생체역학 기반 균형 분석 방법을 도시한 흐름도이다.
1 is a block diagram showing the configuration of a biomechanical-based balance analysis apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a biomechanical analysis system according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an example of a marker for constructing an FSR pressure mat and a global coordinate system.
4 is a view for explaining a lower extremity free body diagram according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining an example of converting the coordinate system of the ground reaction force and the depth camera into the global coordinate system.
6 is a flowchart illustrating a biomechanical-based balance analysis method according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, since various changes may be made to the embodiments, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all modifications, equivalents and substitutes for the embodiments are included in the scope of the rights.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used for description purposes only and should not be construed as limiting. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components are given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and the overlapping description thereof will be omitted. In the description of the embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 생체역학 기반 균형 분석 장치의 구성을 도시한 블록도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a biomechanical-based balance analysis apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 측정부(110), 좌표계 정렬부(120), 분석부(130), 및 출력부(140)를 포함하여 구성할 수 있다.Referring to FIG. 1 , a biomechanical-based balance analysis apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a measuring unit 110 , a coordinate system aligning unit 120 , an analysis unit 130 , and an output unit 140 . can be configured including

우선, 측정부(110)는 깊이카메라(depth camera)로부터, 사용자의 3차원 관절 중심 위치 데이터를 측정한다. 즉, 측정부(110)는 깊이카메라로 사용자의 골격을 스캔하고, 스캔에 따른 골격의 깊이 정보로부터 상기 3차원 관절 중심 위치 데이터를 획득하는 역할을 할 수 있다. 상기 3차원 관절 중심 위치 데이터는, 사용자가 취하는 제스처를 인식하여, 골격이 움직이는 동작에 관한 움직임 데이터일 수 있다.First, the measurement unit 110 measures the user's three-dimensional joint center position data from a depth camera. That is, the measurement unit 110 may serve to scan the user's skeleton with a depth camera, and obtain the three-dimensional joint center position data from the depth information of the skeleton according to the scan. The three-dimensional joint center position data may be motion data related to a movement of a skeleton by recognizing a gesture taken by a user.

또한, 측정부(110)는 지면반력기로부터, 상기 사용자에 관한 지면반력 데이터를 측정한다. 즉, 측정부(110)는 지면반력기 위에서 보행하는 사용자의 걸음걸이 또는 지면반력기 위에서 서있는 사용자의 균형자세에 대한 정보를, 획득하는 역할을 할 수 있다.In addition, the measurement unit 110 measures the ground reaction force data about the user from the ground reaction force machine. That is, the measurement unit 110 may serve to obtain information on the gait of the user walking on the ground reaction force or the balance posture of the user standing on the ground reaction force.

지면반력기는, 지면에 힘을 가했을 때 반작용력을 측정하는 기구로서, 지면 반력 분석을 통해, 예컨대 달리기, 걷기, 점프 등에서 인체가 받는 충격이나 발의 흡수 정도를 파악할 수 있게 하는 수단일 수 있다.The ground reaction force device is a device for measuring the reaction force when a force is applied to the ground, and may be a means to determine the degree of absorption of an impact or foot received by the human body through ground reaction force analysis, for example, running, walking, jumping, etc.

구체적으로, 지면반력(ground reaction force)기는 지면반력 데이터를 측정할 수 있는 센서로서, 본 명세서에서는 힘판(force plate) 및 FSR(force sensing register) 압력매트를 의미할 수 있다. 상기 힘판은 마커에 따른 마커에 따른, x축, y축, z축 각각의 힘(force)과 x축, y축, z축 각각의 모멘트(moment)를 측정하고, FSR 압력매트는 z축 힘 만을 측정할 수 있다.Specifically, a ground reaction force device is a sensor capable of measuring ground reaction force data, and herein may refer to a force plate and a force sensing register (FSR) pressure mat. The force plate measures the force and the moment of each of the x-axis, y-axis, and z-axis according to the marker according to the marker, and the moment of each of the x-axis, y-axis, and z-axis, and the FSR pressure mat is the z-axis force can only be measured.

깊이카메라로부터 측정된 3차원 관절 중심 위치 데이터와, 지면반력기로부터 측정된 지면반력 데이터는, 해당 장치에서 개별적으로 설정된 좌표계에 준하여 값을 표시하고 있어, 이를 통합된 단일 좌표계로 보여주기 위한 캘리브레이션이 필요할 수 있다.The three-dimensional joint center position data measured from the depth camera and the ground reaction force data measured from the ground reaction force device display values according to the coordinate system individually set in the device, so calibration is required to show it as an integrated single coordinate system. may be needed

이를 위해, 본 발명의 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 좌표계 정렬부(120)를 포함하여 구성할 수 있다.To this end, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 of the present invention may be configured to include the coordinate system alignment unit 120 .

즉, 좌표계 정렬부(120)는 지면반력기의 좌표계와 깊이카메라의 좌표계를, 글로벌 좌표계로 변환하여, 깊이카메라와 지면반력기를 캘리브레이션하는 역할을 할 수 있다.That is, the coordinate system aligning unit 120 may serve to calibrate the depth camera and the ground reaction force by converting the coordinate system of the ground reaction forcer and the coordinate system of the depth camera into a global coordinate system.

좌표계 정렬부(120)는 상기 깊이카메라와 연관되어 등록되는 입력 3차원 포인트 클라우드(input 3D point cloud) 내 점들을, K-Means 또는 색상 기반 분류방법을 이용하여, 마커 영역과 지면반력기 영역으로 분류한다. 즉, 좌표계 정렬부(120)는 입력 3차원 포인트 클라우드로서 스캔되는 점들을, 클러스터링을 통해, 마커 영역에 관한 점들과, 지면반력기 영역에 관한 점들로 구분하는 역할을 할 수 있다.The coordinate system alignment unit 120 converts points in an input 3D point cloud registered in association with the depth camera into a marker area and a ground reaction forcer area using K-Means or a color-based classification method. classify That is, the coordinate system aligning unit 120 may serve to classify the points scanned as the input 3D point cloud into points related to the marker area and points related to the ground reaction forcer area through clustering.

또한, 좌표계 정렬부(120)는 상기 마커 영역으로 분류된 점에 대해 마커 중심점을 추정한다. 즉, 좌표계 정렬부(120)는 마커 영역의 점들 간에 중심이 되는 점을 가정할 수 있다.Also, the coordinate system aligning unit 120 estimates a marker center point for the points classified as the marker regions. That is, the coordinate system aligner 120 may assume a center point between points of the marker area.

또한, 좌표계 정렬부(120)는 상기 마커 중심점과, 글로벌 좌표계에 정의된 참값과의 대응관계에 따라 연산된, 1차 강체변환 R1과 t1을 이용하여, 상기 마커 영역으로 분류된 점과, 상기 지면반력기 영역으로 분류된 점 각각을, 글로벌 좌표계로 1차 변환시킨다. In addition, the coordinate system aligning unit 120 uses the first rigid body transformation R 1 and t 1 calculated according to the correspondence between the marker center point and the true value defined in the global coordinate system, the point classified into the marker area and , each of the points classified as the ground reaction force region is first transformed into a global coordinate system.

강체변환(Rigid body transformation)은 평행이동(translation)과 회전변환(Euclidean transformation)을 이용하여 변환을 나타내는 모델일 수 있다.Rigid body transformation may be a model representing transformation using translation and Euclidean transformation.

강체변환 R과 t는, [수학식 1]을 만족하여 획득될 수 있다.Rigid body transformations R and t may be obtained by satisfying [Equation 1].

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, 상기 pi는 추정된 마커 중심점, 상기 qi는 글로벌 좌표계 기준 마커의 중심점 위치 참값, 상기 wi는 동일하게 설정하거나, 각각의 마커 중심점을 추정하는 과정에서 계산되는 오차값을 활용하여 설정된 값일 수 있다.Here, the p i is the estimated marker center point, the q i is the true value of the center point position of the global coordinate system reference marker, and the w i is set to be the same or set using an error value calculated in the process of estimating each marker center point. can be a value.

좌표계 정렬부(120)는 상기 강체변환 R과 t를 이용하여, 상기 지면반력기의 좌표계와 상기 깊이카메라의 좌표계를, 1차적으로 글로벌 좌표계로 변환할 수 있다.The coordinate system alignment unit 120 may primarily convert the coordinate system of the ground reaction forcer and the coordinate system of the depth camera into a global coordinate system by using the rigid body transformations R and t.

또한, 좌표계 정렬부(120)는, 상기 1차 변환된 지면반력기 영역으로 분류된 점을 이용하여 평면을 추정할 수 있다.Also, the coordinate system aligning unit 120 may estimate the plane using the points classified as the first transformed ground reaction force region.

이후, 좌표계 정렬부(120)는, 상기 추정된 평면으로, 상기 1차 변환된 마커 영역으로 분류된 점을 투영하여, 투영 마커 중심점을 연산할 수 있다.Thereafter, the coordinate system aligning unit 120 may calculate the projection marker center point by projecting the point classified as the first-transformed marker area onto the estimated plane.

또한, 좌표계 정렬부(120)는, 상기 투영 마커 중심점의 위치를 기반으로, 상기 지면반력기 영역으로 분류된 점을 샘플링하여 선택할 수 있다.Also, the coordinate system aligning unit 120 may sample and select points classified as the ground reaction force region based on the position of the center point of the projection marker.

또한, 좌표계 정렬부(120)는, 상기 투영 마커 중심점과, 상기 샘플링된 지면반력기 영역의 점에 가중치를 배당할 수 있다.Also, the coordinate system aligning unit 120 may assign a weight to the center point of the projection marker and the point of the sampled ground reaction forcer region.

또한, 좌표계 정렬부(120)는, 상기 투영 마커 중심점, 상기 샘플링된 지면반력기 영역의 점, 및 상기 가중치에 따라 연산된, 2차 강체변환 R2과 t2를 이용하여, 상기 마커 영역으로 분류된 점과, 상기 지면반력기 영역으로 분류된 점 각각을, 글로벌 좌표계로 2차 변환시킬 수 있다. In addition, the coordinate system aligning unit 120 uses the second rigid body transformation R 2 and t 2 calculated according to the projection marker center point, the sampled point of the ground reaction force region, and the weight to the marker region. Each of the classified points and the points classified as the ground reaction force region may be secondarily transformed into a global coordinate system.

즉, 좌표계 정렬부(120)는 지면반력기의 좌표계와 깊이카메라의 좌표계를, 단일 체계의 좌표계로 통일 시킴으로써, 지면반력기의 깊이카메라로부터 획득된 데이터들이, 동일 좌표계 하에서의 값이 되도록 할 수 있다.That is, the coordinate system aligning unit 120 unifies the coordinate system of the ground reaction forcer and the coordinate system of the depth camera into a single coordinate system, so that the data obtained from the depth camera of the ground reaction forcer becomes a value under the same coordinate system. .

분석부(130)는 상기 3차원 관절 중심 위치 데이터와 상기 지면반력 데이터를 분석하여, 상기 사용자의 하지 관절에 작용하는 관절반발력과 토크를 계산한다. 즉, 분석부(130)는 단일 좌표계 체계로 보여지는, 3차원 관절 중심 위치 데이터와 지면반력 데이터를 이용하여, 사용자의 보행시 또는 사용자의 선 자세시 하지 관절에 걸리는 물리력을 산출하는 역할을 할 수 있다.The analysis unit 130 analyzes the three-dimensional joint center position data and the ground reaction force data, and calculates the joint reaction force and torque acting on the lower extremity joint of the user. That is, the analysis unit 130 uses the three-dimensional joint center position data and the ground reaction force data, which are shown as a single coordinate system, to calculate the physical force applied to the lower extremity joints when the user is walking or when the user is standing. can

관절반발력은 근육활성, 신장된 관절주위 결합조직, 체중에 의해 생산된 힘들에 대한 반작용력으로서, 강체(분절)를 연결하는 관절이 사용자의 보행에 따라 일정 방향으로 휘어지는, 굴곡각도의 변화에 따른 반발력을 의미할 수 있다.The joint repulsion force is a reaction force against the forces produced by muscle activity, the stretched connective tissue around the joint, and body weight. The joint connecting the rigid body (segment) bends in a certain direction according to the user's walking, It could mean repulsion.

또한, 토크는, 회전력을 의미할 수 있고, 보행하는 사용자가 걸으면서 순간적으로 내는 힘을 지칭할 수 있다.Also, the torque may refer to a rotational force, and may refer to a force that a walking user momentarily exerts while walking.

관절반발력과 토크의 계산에 있어, 분석부(130)는 사용자의 하지(허리 이하의 신체)를 자유물체도(free body diagram)로 표현할 수 있다.In calculating the joint reaction force and torque, the analysis unit 130 may express the user's lower extremities (body below the waist) as a free body diagram.

자유물체도는 신체와 환경 사이의 상호작용을 나타내는 스케치의 일종으로서, 사용자의 하지에 작용하는 관련된 모든 힘의 벡터를 화살표 등으로 표시하는 다이어그램일 수 있다.The free body diagram is a kind of sketch representing the interaction between the body and the environment, and may be a diagram in which vectors of all related forces acting on the user's lower extremities are indicated by arrows or the like.

즉, 분석부(130)는 상기 사용자의 하지를 n개의 강체로 구성하고, 상기 n개의 강체를 연결하는 관절을 힌지로 가정하여 자유물체도로 표현할 수 있다. 여기서, n은 상기 사용자의 골반, 양 쪽 허벅지, 양 쪽 종아리, 양 발을 적어도 포함하여 카운트되는 7 이상의 자연수로 정의할 수 있다.That is, the analysis unit 130 may represent the user's lower extremities as n rigid bodies, and assuming that the joints connecting the n rigid bodies are hinges, the free body diagram may be expressed. Here, n may be defined as a natural number of 7 or more counted including at least the user's pelvis, both thighs, both calves, and both feet.

분석부(130)는 사용자의 하지를, 7등분하여 강체로 세분화하고, 세분화된 강체와, 이들 강체 각각을 연결하는 관절을 도시하여, 자유물체도를 나타낼 수 있다.The analysis unit 130 divides the user's lower extremities into seven equal parts to subdivide the rigid body, and shows the subdivided rigid body and the joints connecting each of these rigid bodies to represent the free body diagram.

이후, 분석부(130)는 상기 자유물체도 내 특정의 강체의 관성 모멘트 Icg를, [수학식 2]와 [수학식 3]을 만족하여 연산할 수 있다.Thereafter, the analysis unit 130 may calculate the moment of inertia I cg of a specific rigid body in the free body diagram by satisfying [Equation 2] and [Equation 3].

[수학식 2][Equation 2]

kcg = Kcg Lk cg = K cg L

[수학식 3][Equation 3]

Icg = msegment k2 cg I cg = m segment k 2 cg

상기 Kcg는 강체의 회전반경 비율, 상기 L은 강체의 길이, 상기 kcg는 질량중심에서의 회전반경, 상기 msegment 는 강체의 질량으로 정의할 수 있다.The K cg may be defined as a ratio of the rotation radius of the rigid body, L may be defined as the length of the rigid body, the k cg may be defined as the rotation radius at the center of mass, and the m segment may be defined as the mass of the rigid body.

관성 모멘트는 회전축을 중심으로 회전하는 물체가 계속해서 회전을 지속하려고 하는 성질의 크기를 나타낸 것으로, 회전하는 물체가 그 때의 상태를 유지하려고 하는 에너지의 크기를 지칭할 수 있다.The moment of inertia indicates the magnitude of the property of an object rotating about its axis of rotation to continue to rotate, and may refer to the amount of energy that the rotating object tries to maintain at that time.

또한, 분석부(130)는 상기 관성 모멘트 Icg를 이용하여, 상기 특정의 강체를 연결하는 관절에 대한 관절별 관절반발력과 관절별 토크를 계산할 수 있다.In addition, the analysis unit 130 may use the moment of inertia I cg to calculate a joint repulsion force for each joint and a torque for each joint for a joint connecting the specific rigid body.

즉, 분석부(130)는 관절별로 관성 모멘트를 구하고, 이를 통해 해당 관절의 관절반발력과 토크를 산출할 수 있다.That is, the analysis unit 130 may obtain the moment of inertia for each joint, and through this, calculate the joint reaction force and torque of the corresponding joint.

예컨대, 분석부(130)는 상기 사용자의 종아리와 발을 연결하는 '발목 관절', 상기 사용자의 허벅지와 종아리를 연결하는 '무릎 관절', 상기 사용자의 골반과 허벅지를 연결하는 '엉덩 관절' 각각에 대한 관절별 관절반발력과 관절별 토크를 계산할 수 있다.For example, the analysis unit 130 may include an 'ankle joint' connecting the user's calf and foot, a 'knee joint' connecting the user's thigh and calf, and a 'hip joint' connecting the user's pelvis and thigh, respectively. It is possible to calculate the joint reaction force for each joint and the torque for each joint.

보다 구체적으로, 상기 특정의 강체가 '발'인 경우, 분석부(130)는, 상기 '발'과 연결되는 발목 관절의 관절별 관절반발력 FAnkle와 관절별 토크 TAnkle을, [수학식 4]과 [수학식 5]를 만족하여 연산할 수 있다.More specifically, when the specific rigid body is a 'foot', the analysis unit 130 calculates the joint repulsion force F Ankle and the joint torque T Ankle of the ankle joint connected to the 'foot', [Equation 4] ] and [Equation 5] can be satisfied.

[수학식 4][Equation 4]

FAnkle = MFoot AFoot - FGRF - WFoot F Ankle = M Foot A Foot - F GRF - W Foot

여기서, 상기MFoot은 발의 질량, 상기 AFoot은 발 질량중심의 가속도, 상기 FGRF는 압력센서로 측정한 지면반력, 상기 WFoot은 발의 질량으로 인한 자중으로 정의할 수 있다.Here, the M Foot may be defined as the mass of the foot, the A Foot may be defined as the acceleration of the center of mass of the foot, the F GRF may be defined as a ground reaction force measured by a pressure sensor, and the W Foot may be defined as self-weight due to the mass of the foot.

[수학식 5][Equation 5]

TAnkle = IFoot αFoot + wFoot * IFoot wFoot T Ankle = I Foot α Foot + w Foot * I Foot w Foot

- VCoM-GRF * FGRF - V CoM-GRF * F GRF

- TGRF - VCoM-Ankle * FAnkle - T GRF - V CoM-Ankle * F Ankle

여기서, 상기 IFoot은 발목에 대한 발의 관성모멘트, 상기 αFoot은 발의 각가속도, 상기 wFoot 은 발의 각속도, 상기 VCoM-GRF는 발의 질량중심에서 지면반력 작용점까지의 거리벡터, 상기 TGRF는 지면반력에 의한 토크, 상기 VCoM-Ankle은 발의 질량중심에서 발목까지의 거리벡터로 정의할 수 있다.Here, the I Foot is the moment of inertia of the foot with respect to the ankle, the α Foot is the angular acceleration of the foot, the w Foot is the angular velocity of the foot, the V CoM-GRF is the distance vector from the center of mass of the foot to the ground reaction force action point, and T GRF is the ground The torque caused by the reaction force, V CoM-Ankle, can be defined as a distance vector from the center of mass of the foot to the ankle.

정리하면, 분석부(130)는 앞서 기술된 [수학식 2] 내지 [수학식 5]를 통해, '발목 관절'에 대한 관절반발력과 토크를 연산할 수 있다.In summary, the analysis unit 130 may calculate the joint reaction force and torque for the 'ankle joint' through [Equation 2] to [Equation 5] described above.

이후, 분석부(130)는 '무릎 관절'과 '엉덩 관절'에 대해서도 동일하게 [수학식 2] 내지 [수학식 5]를 적용하여, 관절별 관절반발력과 관절별 토크를 각각 계산할 수 있다.Thereafter, the analysis unit 130 may apply [Equation 2] to [Equation 5] in the same manner to the 'knee joint' and the 'hip joint' to calculate the joint repulsion force for each joint and the torque for each joint, respectively.

'발목 관절', '무릎 관절', '엉덩 관절' 각각에 대한 관절별 관절반발력과 관절별 토크의 연산 후, 분석부(130)는, 연산된 각 관절별 관절반발력을 합산하여, 관절반발력 FHip, Knee, Ankle를 계산하고, 연산된 각 관절별 토크를 합산하여, 토크 THip, Knee, Ankle를 계산한다.After calculating the joint repulsion force for each joint and the joint torque for each of the 'ankle joint', 'knee joint', and 'hip joint', the analysis unit 130 adds up the calculated joint repulsion force for each joint, and the joint repulsion force F Calculate Hip, Knee, Ankle , and add up the calculated torque for each joint to calculate the torque T Hip, Knee, and Ankle .

출력부(140)는 상기 관절반발력과 기준 값과의 상관계수, 및 상기 토크와 기준 값과의 상관계수를 백분율로 제시 함으로써, 상기 사용자의 자세에 대한 형태 변화율을 출력한다. 즉, 출력부(140)는 관절반발력 FHip, Knee, Ankle와 토크 THip, Knee, Ankle를, 설정된 기준 값과 비교하고, 비교 결과에 따른 유사 정도에 관한 상관계수를 수치화하여 보여 줌으로써, 사용자의 보행 또는 선 자세 형태가, 정상의 형태와 어느 정도 다르게 변화하는지를 시각적으로 보여주는 역할을 할 수 있다.The output unit 140 outputs the rate of change of shape with respect to the posture of the user by presenting the correlation coefficient between the joint repulsion force and the reference value and the correlation coefficient between the torque and the reference value as a percentage. That is, the output unit 140 compares the joint reaction force F Hip, Knee, Ankle and the torque T Hip, Knee, Ankle with a set reference value, and numerically shows the correlation coefficient regarding the degree of similarity according to the comparison result. It can play a role of visually showing how different from the normal form the gait or standing posture of the person changes.

다른 실시예에서, 본 발명의 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 사용자의 균형능력을 평가할 수 있다.In another embodiment, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 of the present invention may evaluate the user's balance ability.

측정부(110)는, 상기 지면반력기로부터, 상기 사용자의 보행 또는 선자세에 관한 수직지면반력 데이터를 측정한다. 측정부(110)는 지면반력기로서의 FSR압력매트 위에서 사용자를 세우고, 상기 FSR압력매트에 의해 감지된 보행 또는 선 자세에 대한 정보를 획득하는 역할을 할 수 있다.The measuring unit 110 measures vertical ground reaction force data regarding the walking or standing posture of the user from the ground reaction force device. The measurement unit 110 may serve to stand up the user on the FSR pressure mat as a ground reaction force and obtain information on the walking or standing posture sensed by the FSR pressure mat.

FSR압력매트는, 다수의 FSR(Force Sensing Resistor) 센서를 배열하고, 이들 FSR 센서에 의해 감지되는 누르는 힘을, 감지 위치 별로 구분하여 정보로서 생산해내는 수단일 수 있다.The FSR pressure mat may be a means for arranging a plurality of Force Sensing Resistor (FSR) sensors and producing information by classifying the pressing force sensed by these FSR sensors for each sensing position.

수직지면반력 데이터는, FSR압력매트에 선 사용자에 대해, 사용자의 하지, 발 등을 수직(z축 방향)으로 밀어내는 지면반력(GRF, Ground Reaction Force)이다.The vertical ground reaction force data is a ground reaction force (GRF) that pushes the user's lower extremities, feet, etc. vertically (z-axis direction) with respect to the user standing on the FSR pressure mat.

즉, 측정부(110)는 FSR압력매트를 통해, 보행 또는 선 자세를 취하는 사용자의 수직지면반력 데이터를 획득할 수 있다.That is, the measurement unit 110 may acquire the vertical ground reaction force data of the user taking a walking or standing posture through the FSR pressure mat.

깊이카메라로부터 측정된 3차원 관절 중심 위치 데이터와, 지면반력기로서의 FSR압력매트로부터 측정된 수직지면반력 데이터는, 해당 장치에서 설정된 좌표계에 준하여 값을 표시하고 있어, 이를 통합된 단일 좌표계로 캘리브레이션을 할 필요가 있다.The three-dimensional joint center position data measured from the depth camera and the vertical ground reaction force data measured from the FSR pressure mat as a ground reaction force are displayed in accordance with the coordinate system set in the device. Needs to be.

이러한 캘리브레이션은 좌표계 정렬부(120)에 의해 수행될 수 있고, 해당 과정은, 상술의 지면반력기의 좌표계와 깊이카메라의 좌표계를, 글로벌 좌표계로 변환하여, 깊이카메라와 지면반력기를 캘리브레이션하는 설명으로 갈음하고, 여기서는 생략한다.This calibration can be performed by the coordinate system alignment unit 120, and the process is to convert the coordinate system of the above-mentioned ground reaction forcer and the depth camera to a global coordinate system, and calibrate the depth camera and the ground reaction force. replaced, and omitted here.

상기 수직지면반력 데이터의 획득 후, 분석부(130)는, 상기 3차원 관절 중심 위치 데이터와 상기 수직지면반력 데이터를 분석하여, 상기 사용자의 하지 관절에 작용하는 관절반발력을 계산한다. 즉, 분석부(130)는 단일 좌표계 체계로 보여지는, 3차원 관절 중심 위치 데이터와 수직지면반력 데이터를 이용하여, 사용자가 보행하거나 서 있는 동안에, 하지 관절에 걸리는 물리력을 산출할 수 있다.After obtaining the vertical ground reaction force data, the analysis unit 130 analyzes the three-dimensional joint center position data and the vertical ground reaction force data, and calculates the joint reaction force acting on the lower extremity joint of the user. That is, the analysis unit 130 may calculate the physical force applied to the lower extremity joint while the user is walking or standing by using the three-dimensional joint center position data and the vertical ground reaction force data, which are shown as a single coordinate system.

구체적으로 분석부(130)는, 상기 하지의 좌측과 우측 각각의 허벅지에 관한 관절반발력 FThigh와, 상기 하지의 좌측과 우측 각각의 종아리에 관한 관절반발력 FLeg로 인해 분산되는 힘의 비대칭성(asymmetric)을 변동계수(CoV)로 나타낼 수 있다.Specifically, the analysis unit 130, the asymmetry of the force distributed due to the joint repulsion force F Thigh on the left and right thighs of the lower extremities, and the joint repulsion force F Leg on the left and right calves of each of the lower extremities ( asymmetric) can be expressed as a coefficient of variation (CoV).

즉, 분석부(130)는 보행 또는 선 자세의 사용자에 대해, FSR압력매트에서 발생된, 허벅지와 종아리 각각에 관한 관절반발력을 좌우측으로 계산하고, 이들 관절반발력이 좌우에 대해 서로 대칭되지 않는 정도를 수치화하여, 변동계수(CoV)로 연산할 수 있다.That is, the analysis unit 130 calculates the joint repulsion force for each thigh and calf, generated from the FSR pressure mat, to the left and right for the user in a walking or standing posture, and the degree to which these joint repulsion forces are not symmetrical with respect to the left and right can be digitized and calculated as a coefficient of variation (CoV).

변동계수(CoV)는 임의의 표준편차의 크기를 평균치에 대한 백분율로 나타낸 것으로, 여기서는 좌우 각각의 허벅지에 관한 관절반발력 FThigh와, 좌우 각각의 종아리에 관한 관절반발력 FLeg에 대한 복수의 표준 편차를 평균값으로 나눈 값으로 정의할 수 있다.The coefficient of variation (CoV) represents the size of an arbitrary standard deviation as a percentage of the average value, where multiple standard deviations for the joint reaction force F Thigh for each thigh on the left and right and the joint reaction force F for the left and right calves F Leg can be defined as the value divided by the average value.

분석부(130)는, 상기 허벅지와 연관된 변동계수 CoVThigh를, 좌측 허벅지에 관한 관절반발력 FL,Thigh와 우측 허벅지에 관한 관절반발력 FR,Thigh과의 차로 나타내고, 또한 상기 종아리와 연관된 변동계수 CoVLeg를, 좌측 종아리에 관한 관절반발력 FL,Leg와 우측 종아리에 관한 관절반발력 FR,Leg과의 차로 나타낼 수 있다.The analysis unit 130 represents the difference between the coefficient of variation CoV Thigh associated with the thigh, the joint repulsion force F L,Thigh on the left thigh and the joint reaction force F R,Thigh on the right thigh, and also the coefficient of variation associated with the calf The CoV Leg can be expressed as the difference between the joint reaction force F L,Leg on the left calf and the joint reaction force F R,Leg on the right calf.

즉, 분석부(130)는 허벅지와 종아리의 좌우 관절반발력 간의 차를, 변동계수로서 산출할 수 있다.That is, the analysis unit 130 may calculate the difference between the left and right joint repulsion forces of the thigh and calf as a coefficient of variation.

출력부는, 상기 관절반발력으로부터 나타나는 변동계수(coefficient of variation, CoV)를 통해, 상기 사용자의 균형능력을 평가한다. 즉, 출력부(140)는 변동계수(CoV)를 이용하여, 특정 신체 부위(강체)에 대한 균형능력이 어느 정도인지를 진단하는 역할을 할 수 있다.The output unit evaluates the balance ability of the user through a coefficient of variation (CoV) appearing from the joint reaction force. That is, the output unit 140 may play a role of diagnosing the level of the balance ability for a specific body part (rigid body) by using the coefficient of variation (CoV).

앞서와 같이, 허벅지와 연관된 변동계수 CoVThigh와 종아리와 연관된 변동계수 CoVLeg가 산출된 상태에서, 출력부(140)는 이들 변동계수를 서로 비교하고, 비교 결과에 따라 특정 신체부위(강체)에 대해 균형능력을 평가할 수 있다. As before, in the state where the coefficient of variation CoV Thigh associated with the thigh and the coefficient of variation CoV Leg associated with the calf are calculated, the output unit 140 compares these coefficients of variation with each other, and according to the comparison result, balance ability can be assessed.

즉, 출력부(140)는, 변동계수 CoVThigh와 변동계수 CoVLeg를 비교하여, 상대적으로 낮은 변동계수의 강체에 대해, 낮은 균형능력을 평가할 수 있다. 예컨대, 변동계수 CoVThigh와 변동계수 CoVLeg를 비교하여, 변동계수 CoVThigh가 변동계수 CoVLeg보다 낮은 경우, 출력부(140)는 변동계수 CoVThigh와 관련된 허벅지에 대해, 낮은 균형능력을 평가할 수 있다.That is, the output unit 140 may compare the coefficient of variation CoV Thigh and the coefficient of variation CoV Leg , and evaluate the low balancing ability for a rigid body having a relatively low coefficient of variation. For example, by comparing the variation coefficient CoV Thigh and variation coefficient CoV Leg, variation coefficient CoV Thigh is lower than the coefficient of variation CoV Leg, the output unit 140 for thighs related to the variation coefficient CoV Thigh, to evaluate the low Balance there is.

실시예에 따라, 출력부(140)는, 상기 변동계수 CoVThigh와 상기 변동계수 CoVLeg를 비교하여, 상대적으로 낮은 변동계수의 강체에 대해, 근력 훈련을 권하는 메시지를 출력할 수 있다.According to an embodiment, the output unit 140 may compare the coefficient of variation CoV Thigh with the coefficient of variation CoV Leg , and output a message recommending strength training for a rigid body having a relatively low coefficient of variation.

변동계수 CoVThigh가 변동계수 CoVLeg보다 낮은 상술의 예시에서, 출력부(140)는 변동계수 CoVThigh와 관련된 허벅지에 대해, 근력을 강화시키는 예컨대, 스커트 운동을 권하는 메시지를 작성하여 출력할 수 있다.In the above-described example in which the coefficient of variation CoV Thigh is lower than the coefficient of variation CoV Leg , the output unit 140 writes and outputs a message recommending, for example, a skirt exercise for strengthening muscle strength, for the thigh related to the coefficient of variation CoV Thigh. .

본 발명의 일실시예에 따르면, 종래의 광학식 모션 캡쳐 시스템에 비해 저렴하고 실용적인 깊이카메라를 활용하여 생체역학 분석을 수행할 수 있게 하는, 생체역학 기반 균형 분석 방법 및 장치를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a biomechanical-based balance analysis method and apparatus, which enables biomechanical analysis to be performed using a depth camera that is inexpensive and practical compared to a conventional optical motion capture system.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 신체 외부의 운동학적(kinematic) 형태 뿐만 아니라, 인체 내부에 작용하는 힘을 함께 고려하는 신체 내부의 운동역학(kinetic)적인 평가가 가능하여 더욱 전문적인 임상에 활용할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to evaluate not only the kinematic shape of the outside of the body, but also the kinetic evaluation of the inside of the body considering the forces acting inside the human body, so that more professional clinical trials are possible. can be used for

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 깊이카메라와 지면반력기 좌표계를 글로벌 좌표계로 변환하는 것에 대한 자동화 알고리즘을 제안할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to propose an automation algorithm for converting the coordinate system of the depth camera and the ground reaction force to the global coordinate system.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 마커 중심점의 추정을 수행하고 지면반력기의 평면 특성을 융합하여, 깊이카메라가 가지는 스캔 노이즈에 강인한 글로벌 좌표계 변환을 가능하게 할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to perform global coordinate system transformation robust to scan noise of the depth camera by performing estimation of the marker center point and fusing the planar characteristics of the ground reaction force.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 생체역학 분석을 수행하여, 좌/우 관절의 힘, 토크 비교를 할 수 있으며, 이를 통하여 보행 및 선 자세에서의 균형 능력 수치화 및 훈련을 제안할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, by performing biomechanical analysis, it is possible to compare the force and torque of the left/right joints, and through this, it is possible to quantify and train balance ability in walking and standing postures. .

본 발명은, 지면반력기(ground reaction force)와 깊이카메라(kinect)를 사용하여, 보행시 또는 선 자세시 지면에서 인체에 작용하는 축방향의 지면반력 데이터, 압력중심, 그리고 관절의 위치를 측정하기 위한 구성을 포함할 수 있다.The present invention uses a ground reaction force and a depth camera (kinect) to measure the ground reaction force data in the axial direction acting on the human body on the ground during walking or standing posture, the center of pressure, and the position of the joint It may include a configuration for

본 발명에서는, 구형(球形) 마커가 부착된 지면반력기와 깊이카메라의 좌표계를 정합할 수 있다.In the present invention, the coordinate system of the ground reaction force and the depth camera to which a spherical marker is attached can be matched.

본 발명은, 최소 1회의 걸음(stride)을 수행하고, 걸음의 0%(오른발뒤꿈치 접지기, heel contact)에서 걸음의 100%(오른발가락 들림기, toe off)까지의 보행 이벤트에 맞추어 측정한 지면반력기의 데이터와, 깊이카메라의 데이터와, 피험자의 키, 몸무게 등을 활용하여 역동역학적 분석을 수행할 수 있다.The present invention performs at least one stride, and the ground measured according to the gait event from 0% of the step (right heel fold, heel contact) to 100% of the step (right toe lifted, toe off) Dynamic dynamic analysis can be performed using the data of the reaction force, the data of the depth camera, and the height and weight of the subject.

또한, 본 발명에서는, 각 하지 관절별로 분석되어 출력되는 축 방향 결과를, 시계열의 그래프로 출력할 수 있다.In addition, in the present invention, it is possible to output the axial results that are analyzed and output for each lower extremity joint as a time series graph.

이를 통해, 본 발명은, 정상 보행으로 알려져 있는 각 관절에서의 접촉력과 토크값을, 산출된 값들과 비교하여, 이들 사이의 상관계수를 산출하고, 백분율로 제시 함으로써, 현재의 보행과 정상 보행과의 유사 수준을 평가하는 데에 활용할 수 있다.Through this, the present invention compares the contact force and torque values in each joint known as normal gait with the calculated values, calculates a correlation coefficient between them, and presents it as a percentage, thereby comparing the current gait and normal gait and It can be used to evaluate the similarity level of

본 발명은 무릎 및 고관절 치환술, 추나치료 등의 처치를 받은 환자의 동적기능 회복 수준을 확인하는 데에 활용할 수 있다.The present invention can be utilized to confirm the level of recovery of dynamic function in patients who have undergone treatment such as knee and hip replacement surgery and Chuna treatment.

일반적으로 보행분석에 사용되는 시스템은 매우 고가이며, 신체 외부의 운동학적(kinematic) 형태만을 고려하지만, 본 발명의 시스템은 인체 내부에 작용하는 힘을 함께 고려하는 신체 내부의 운동역학(kinetic)적인 평가가 가능하여 더욱 전문적인 임상에 활용될 수 있다.In general, the system used for gait analysis is very expensive and only considers the kinematic form of the outside of the body, but the system of the present invention takes into account the forces acting inside the body as well as the kinetic It can be evaluated and used in more professional clinical trials.

또한, 지면반력기로서의 FSR압력매트를 사용하는 경우에는, 피험자의 균형능력을 평가할 수 있다.In addition, in the case of using the FSR pressure mat as a ground reaction force, the subject's balance ability can be evaluated.

FSR압력매트에 의한 시스템의 구성은 비교적 간단하게 시스템의 구현을 가능하게 한다.The configuration of the system by the FSR pressure mat enables the implementation of the system relatively simply.

기존의 균형능력 평가에서는 선 자세에서 인체 외부의 변화인 압력 및 질량중심의 움직임을 측정하는 평가 만이 수행되었으나, 본 발명과 같이 간소화된 시스템으로는 인체 내부 좌/우측 하지 강체(분절) 힘과 토크 값, 그리고 관절 접촉력을 산출할 수 있다.In the existing balance ability evaluation, only the evaluation was performed to measure the movement of the center of mass and pressure, which are changes outside the human body in the standing posture, but with a simplified system like the present invention, the internal left/right lower extremity rigid body (segmental) force and torque value, and the joint contact force can be calculated.

또한, 본 발명은, 좌/우측 하지로 분산되는 힘의 비대칭성(asymmetric)을 산출하여 균형능력을 평가하는 지표로 활용할 수 있다.In addition, the present invention can be utilized as an index for evaluating balance ability by calculating the asymmetric of the forces distributed to the left / right lower extremities.

또한, 본 발명은, 깊이카메라를 지면반력기와 함께 사용 함으로써, 자세 분석에 있어, 공간적, 가격적인 강점을 부각 시킬 수 있다.In addition, in the present invention, by using the depth camera together with the ground reaction force, it is possible to highlight spatial and price strengths in posture analysis.

특히, 관절 치환술 및 추나치료를 받은 근골격계 질환자의 경우, 수술 전후의 동적기능 평가를 위해 주로 보행분석을 활용하는데, 상기 보행분석에 따른 보행시 운동학적으로 측정되는 관절각도 및 가동범위만으로는, 하지 각 관절 내부에 작용하는 힘의 크기와 형태를 확인할 수 없으므로, 본 발명에 따른 간소화된 시스템을 활용한 임상적인 평가의 수행을 필요로 할 수 있다.In particular, in the case of musculoskeletal disease patients who have undergone joint replacement surgery and chuna treatment, gait analysis is mainly used for dynamic function evaluation before and after surgery. Only the joint angle and range of motion measured kinematically during walking according to the gait analysis, the lower extremity angle Since the magnitude and shape of the force acting inside the joint cannot be confirmed, it may be necessary to perform clinical evaluation using the simplified system according to the present invention.

아울러, 본 발명에 따른 시스템은 사용자에 대해, 균형능력의 평가를 할 수 있고, 비교적 간단하게 시스템의 구현도 가능하다.In addition, the system according to the present invention can evaluate the balance ability for the user, and it is also possible to implement the system relatively simply.

기존의 균형능력 평가에서는 선 자세에서 압력중심의 분포나 움직임을 고려한 평가만 수행되었으나, 간소화된 본 시스템에서는, 좌/우측 하지 강체(분절) 별 토크 값 및 관절 접촉력을 산출할 수 있다.In the existing balance ability evaluation, only the evaluation was performed considering the distribution or movement of the center of pressure in the standing posture, but in this simplified system, torque values and joint contact forces can be calculated for each rigid body (segment) of the left and right lower extremities.

특히, 본 발명의 시스템에서는, 좌/우측 하지로 분산되어 관절에 걸리는 힘과 토크 값의 비대칭성(asymmetric)을 변동계수로 산출하여 균형능력을 평가하는 지표로 활용할 수 있다.In particular, in the system of the present invention, it can be used as an index to evaluate the balance ability by calculating the asymmetric value of the force and torque applied to the joint distributed to the left and right lower extremities as a coefficient of variation.

도 2는, 본 발명의 일실시예에 따른, 생체 역학 분석 시스템의 모식도이다.2 is a schematic diagram of a biomechanical analysis system according to an embodiment of the present invention.

도 2와 같이, 깊이카메라(Depth camera)는 상용화된 시스템인 kinect 2.0(Microsoft, US)과 kinect for windows SDK 2.0을 사용하여 인체의 3차원 관절 중심 위치 데이터를 측정한다. 상기 3차원 관절 중심 위치 데이터는 깊이카메라의 고유 좌표계(Xc, Yc, Zc)에 기반하여 나타낼 수 있다.As shown in Figure 2, the depth camera measures the three-dimensional joint center position data of the human body using kinect 2.0 (Microsoft, US) and kinect for windows SDK 2.0, which are commercialized systems. The three-dimensional joint center position data may be represented based on a unique coordinate system (X c , Y c , Z c ) of the depth camera.

샘플링 주파수를 동기화한 지면반력기로서의 힘판(Force plate)에서는, 6축(x,y,z-axis force & moment)의 지면반력 데이터 값을 측정한다. 상기 6축 지면반력 데이터 값은 지면반력기의 고유 좌표계(Xg, Yg, Zg)에 기반하여 나타낼 수 있다.In the force plate as a ground reaction force device synchronized with the sampling frequency, the ground reaction force data values of 6 axes (x, y, z-axis force & moment) are measured. The 6-axis ground reaction force data value may be expressed based on the unique coordinate system (X g , Y g , Z g ) of the ground reaction force machine.

선 자세 균형능력을 평가를 위해서는, 간소화된 FSR 압력센서를 포함하여 구성되는 압력매트(FSR Matrix)를 활용할 수 있다. FSR 압력센서는 누르는 힘을 감지하여 눌렀을 때 저항을 감소시키고, 누르지 않은 상태에서 저항을 유지하는 원리로 작동하는 센서이다.In order to evaluate the standing posture balance ability, a pressure mat including a simplified FSR pressure sensor (FSR Matrix) can be used. The FSR pressure sensor is a sensor that detects the pressing force, reduces the resistance when pressed, and operates on the principle of maintaining the resistance when not pressed.

FSR 압력센서 2,304개를 48 × 48 로 배열해놓은 압력매트 MS9705 (Large Area FSR Matrix Array Sensor(Kitronyx, Korea))는, 사용자의 선 자세에서의 수직 지면반력을 측정할 수 있다. 압력매트 MS9705의 측정 가능 면적은 384 × 384(mm)이고, 개별 FSR 압력센서의 면적은 8 × 8(mm)이며, 압력 감지 범위는 0.22 에서 1.78이다.The pressure mat MS9705 (Large Area FSR Matrix Array Sensor (Kitronyx, Korea)), which has 2,304 FSR pressure sensors arranged in 48 × 48, can measure the vertical ground reaction force in the user's standing posture. The measurable area of the pressure mat MS9705 is 384 × 384 (mm), the area of each FSR pressure sensor is 8 × 8 (mm), and the pressure sensing range is 0.22 to 1.78.

분석시스템(Analysis System)은 컨트롤러에 의해 제어된 압력매트 MS9705로부터 데이터를 입력받아, 해당 데이터를 분석하는 역할을 한다. 컨트롤러 MC1509(Force Controller(Kitronyx, Korea))는, 압력매트 MS9705와 연결되며, 압력매트 MS9705로부터 8 bit 해상도로 힘 측정값을 얻어낼 수 있다.The Analysis System receives data from the pressure mat MS9705 controlled by the controller and analyzes the data. The controller MC1509 (Force Controller (Kitronyx, Korea)) is connected to the pressure mat MS9705, and the force measurement value can be obtained from the pressure mat MS9705 with 8 bit resolution.

분석시스템은 USB 시리얼 포트로 전원을 공급받고, 통신 인터페이스를 구성으로 포함할 수 있다.The analysis system is powered by a USB serial port and may include a communication interface as a configuration.

분석시스템은 컨트롤러 MC1509로부터 전달받은, 하지 관절 위치 데이터(힘 측정값)를 이용하여, 엉덩관절, 무릎, 발목 관절 중심의 속도와 가속도를 계산하고, 피험자의 키와 몸무게 정보를 받아 인체측정학 데이터를 적용하여 하지 강체의 길이, 질량, 질량중심, 관성모멘트를 구하여 보행 및 선 자세의 역동역학적 분석을 수행할 수 있다.The analysis system calculates the velocity and acceleration of the hip joint, knee, and ankle joint center using the lower limb joint position data (force measurement value) received from the controller MC1509, and receives the subject's height and weight information and anthropometric data can be applied to obtain the length, mass, center of mass, and moment of inertia of the rigid body of the lower extremities to perform dynamic dynamic analysis of walking and standing postures.

도 3은 FSR압력매트 및 글로벌 좌표계 구축을 위한 마커의 일례를 도시하는 도면이다.3 is a diagram illustrating an example of a marker for constructing an FSR pressure mat and a global coordinate system.

자유물체도의 관절 위치에서 글로벌 좌표계를 생성하기 위해서는, 도 3(a)와 같이 지면반력기에 붙인 5개의 마커를 이용할 수 있다.In order to create a global coordinate system at the joint position of the free body diagram, five markers attached to the ground reaction force can be used as shown in FIG. 3(a).

도 3(b)에서는 도 3(a)의 지면반력기에 배열된 마커들 중에서, 2번 마커를 원점으로 정의하는 것을 예시한다.In FIG. 3(b), it is exemplified that the second marker is defined as the origin among the markers arranged in the ground reaction force of FIG. 3(a).

깊이카메라의 '3차원 관절 중심 위치 데이터'와 지면반력기의 양 발 압력중심에 따른 '지면반력 데이터 (또는 수직지면반력 데이터는, 모두 글로벌 좌표계로 변환하여 모델을 생성해야 한다.The '3D joint center position data' of the depth camera and the 'ground reaction force data (or vertical ground reaction force data) according to the pressure center of both feet of the ground reaction machine must be converted into a global coordinate system to create a model.

역동역학 해석을 위해서는, 사람의 하지를 골반, 양 쪽 허벅지, 양 쪽 종아리, 양 발의 총 7개의 변형이 없는 강체로 구성하고, 각 강체를 연결하는 관절은 마찰이 없는 힌지로 가정하여 자유물체도(free body diagram)로 나타낸다.For dynamic dynamics analysis, the human lower extremities are composed of 7 rigid bodies without deformation: the pelvis, both thighs, both calves, and both feet, and the joints connecting each rigid body are assumed to be frictionless hinges. (free body diagram).

하지 역동역학 계산을 위해 필요한 각 강체의 길이, 질량, 질량중심, 관성모멘트는, 공지의 논문 Winter (D. A. Winter, Biomechanics of human movement, John Wiley & Sons, New York, 1979.)의 인체측정학 데이터를 이용하여 적용할 수 있다.The length, mass, center of mass, and moment of inertia of each rigid body required for calculating the dynamic dynamics of the lower extremities are anthropometric data of the known paper Winter (DA Winter, Biomechanics of human movement, John Wiley & Sons, New York, 1979.). can be applied using

인체측정학 데이터는 표 1과 같이, 강체(분절) 길이와 몸무게의 비율로 제시되어 있으며, 각 피험자의 강체(분절) 길이와 몸무게를 측정하여 3D 관성모멘트의 계산에 사용될 수 있다.Anthropometric data is presented as a ratio of rigid body (segment) length and weight, as shown in Table 1, and can be used to calculate 3D moment of inertia by measuring the rigid body (segment) length and weight of each subject.

3D 관성모멘트는 공지의 논문 De Leva(P. De Leva, "Adjustments to Zatsiorsky- Seluyanov's segment inertia parameters," J. Biomechanics, vol. 29, no. 9, pp. 1223-1230, 1996)에 개시된 표 2의 회전반경 비율을 사용하여, [수학식 2]와 [수학식 3]을 통해 계산할 수 있다.The 3D moment of inertia is Table 2 disclosed in the known paper De Leva (P. De Leva, "Adjustments to Zatsiorsky- Seluyanov's segment inertia parameters," J. Biomechanics, vol. 29, no. 9, pp. 1223-1230, 1996). It can be calculated through [Equation 2] and [Equation 3] using the rotation radius ratio of .

표 1은 인체 분절 변수를 기록하는 테이블이다.Table 1 is a table that records human segment variables.

[표 1][Table 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

*segment mass as proportion of total body mass*segment mass as proportion of total body mass

**location of center of gravity from proximal ends of segment as proportion of segment's length**location of center of gravity from proximal ends of segment as proportion of segment's length

표 2는 인체 분절의 회전반경 비율을 기록하는 테이블이다.Table 2 is a table that records the rotation radius ratio of human body segments.

[표 2][Table 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

[수학식 2] [Equation 2]

kcg = Kcg Lk cg = K cg L

[수학식 3][Equation 3]

Icg = msegment k2 cg I cg = m segment k 2 cg

Kcg는 강체의 회전반경 비율, L은 강체의 길이, kcg는 질량중심에서의 회전반경, 상기 msegment 는 강체의 질량, Icg는 강체의 관성 모멘트이다.K cg is the rotation radius ratio of the rigid body, L is the length of the rigid body, k cg is the rotation radius at the center of mass, m segment is the mass of the rigid body, and I cg is the moment of inertia of the rigid body.

본 발명에서는, 깊이카메라의 3차원 관절 중심 위치 데이터와 지면반력기의 양 발 압력중심에 따른 지면반력 데이터 또는 수직지면반력 데이터를, 모델링 한 생체역학 모델에 적용하여, 하지 관절에 작용하는 관절반발력과 토크를 계산하였다.In the present invention, joint reaction force acting on lower extremity joints by applying the three-dimensional joint center position data of the depth camera and ground reaction force data or vertical ground reaction force data according to the pressure center of both feet of the ground reaction force to the modeled biomechanical model. and torque were calculated.

본 발명은 각 강체의 자유물체도를 통해 발목, 무릎, 엉덩관절 순서로 관절 반발력과 토크를 계산할 수 있다.The present invention can calculate joint repulsion force and torque in the order of ankle, knee, and hip joint through the free body diagram of each rigid body.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 하지 자유물체도를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining a lower extremity free body diagram according to an embodiment of the present invention.

도 4(a)는 강체 '발'에 대한 자유물체도의 일례를 도시하고, 도 4(b)는 강체 '종아리'에 대한 자유물체도의 일례를 도시하며, 도 4(c)는 강체 '허벅지'에 대한 자유물체도의 일례를 도시한다.Fig. 4 (a) shows an example of a free body diagram for a rigid body 'foot', Fig. 4 (b) shows an example of a free body diagram for a rigid body 'calf', and Fig. 4 (c) shows an example of a free body diagram for a rigid body 'calf'. An example of a free-body diagram for 'thigh' is shown.

이 중, 도 4(a)의 발 자유물체도에서 발목관절의 반발력 FAnkle와 토크 TAnkle을 계산하는 [수학식 4]와 [수학식 5]를 다음과 같이 유도할 수 있다.Of these, [Equation 4] and [Equation 5] for calculating the repulsive force F Ankle and the torque T Ankle of the ankle joint in the free-body diagram of FIG. 4(a) can be derived as follows.

[수학식 4] [Equation 4]

FAnkle = MFoot AFoot - FGRF - WFoot F Ankle = M Foot A Foot - F GRF - W Foot

[수학식 5][Equation 5]

TAnkle = IFoot αFoot + wFoot * IFoot wFoot T Ankle = I Foo t α Foot + w Foot * I Foot w Foot

- VCoM-GRF * FGRF - V CoM-GRF * F GRF

- TGRF - VCoM-Ankle * FAnkle - T GRF - V CoM-Ankle * F Ankle

MFoot은 발의 질량, AFoot은 발 질량중심의 가속도, FGRF는 압력센서로 측정한 지면반력, WFoot은 발의 질량으로 인한 자중을 나타낼 수 있다.M Foot is the mass of the foot, A Foot is the acceleration of the center of mass of the foot, F GRF is the ground reaction force measured by the pressure sensor, and W Foot is the self-weight due to the mass of the foot.

또한, IFoot은 발목에 대한 발의 관성모멘트, αFoot은 발의 각가속도, wFoot 은 발의 각속도, VCoM-GRF는 발의 질량중심에서 지면반력 작용점까지의 거리벡터, TGRF는 지면반력에 의한 토크, VCoM-Ankle은 발의 질량중심에서 발목까지의 거리벡터를 나타낼 수 있다.In addition, I Foot is the moment of inertia of the foot with respect to the ankle, α Foot is the angular acceleration of the foot, w Foot is the angular velocity of the foot, V CoM-GRF is the distance vector from the center of mass of the foot to the point of application of the ground reaction force, T GRF is the torque by the ground reaction force, V CoM-Ankle can represent the distance vector from the center of mass of the foot to the ankle.

선 자세의 역동역학 계산에서는 지면반력을 압력센서로 측정하여 TGRF 는 측정되지 않아 무시한다.In the dynamic dynamics calculation of the standing posture, the ground reaction force is measured with a pressure sensor, and T GRF is not measured and is therefore ignored.

MFoot AFoot은 가속도로 인한 힘, FGRF 는 외부에서 가해진 힘, WFoot는 발의 질량으로, 발목에 걸리는 반발력 FAnkle은, 이들 힘들의 합과 같음을, 자유물체도로 통해 확인할 수 있다.M Foot A Foot is the force caused by acceleration, F GRF is an externally applied force, W Foot is the mass of the foot , and the repulsive force F Ankle applied to the ankle is the same as the sum of these forces.

마찬가지로, 발목에 걸리는 토크 TAnkle는 자유물체도에 표시된 다른 토크들의 합으로 표시할 수 있다.Similarly, the torque T Ankle applied to the ankle can be expressed as the sum of the other torques shown in the free body diagram.

IFoot αFoot + wFoot * IFoot wFoot 은 각운동량의 변화량으로 힘에서의 가속도와 같은 역할이고, VCoM-GRF * FGRF는 외부 힘으로 인한 토크, VCoM-Ankle * FAnkle는 발의 질량으로 인한 토크, TGRF는 지면반력 토크로 자유물체도에 표시된 모든 토크를 표시하였다.I Foot α Foot + w Foot * I Foot w Foot is the amount of change in angular momentum and has the same role as acceleration in force, V CoM-GRF * F GRF is torque due to external force, V CoM-Ankle * F Ankle is the mass of the foot The torque caused by T GRF is the ground reaction force torque, and all torques indicated on the free body diagram are indicated.

본 발명에서는 동일한 방식으로 무릎, 엉덩관절의 반발력과 토크에 관한 계산식을 유도할 수 있다. 이때, 지면반력 작용점 위치와 지면반력은, 이전 관절의 위치와 반발력, 토크의 역방향으로 대치하여 계산될 수 있다.In the present invention, calculation formulas for the repulsive force and torque of the knee and hip joints can be derived in the same manner. At this time, the ground reaction force action point position and the ground reaction force can be calculated by replacing the position of the previous joint in the opposite direction of the repulsion force and torque.

본 발명에 의해서는, 관절 치환술, 추나치료 이전에 본 시스템을 이용한 진단으로 산출되는 하지 각 관절의 접촉력인 관절반발력 FHip, Knee, Ankle과 토크 THip, Knee, Ankle를 확보하고, 시술 및 치료 후 반복 측정으로 획득되는 결과 값과의 상관계수(r)를 산출하여 백분율로 제시 할 경우 보행의 형태 변화율을 확인할 수 있다. According to the present invention, joint repulsion force F Hip, Knee, Ankle and torque T Hip, Knee, Ankle, which are the contact force of each lower extremity joint calculated by diagnosis using this system before joint replacement surgery and chuna treatment, are secured, and treatment and treatment are performed. When the correlation coefficient (r) with the result obtained by repeated measurement is calculated and presented as a percentage, the rate of change in the form of walking can be confirmed.

또한, 일반적으로 알려진 정상보행 그래프를 기준으로 할 경우, 본 발명에 의해서는 정상보행 대비 현재 상태의 보행상태를 확인할 수 있다. In addition, when a generally known normal gait graph is used as a reference, according to the present invention, it is possible to check the current gait state compared to the normal gait.

또한, 본 발명에서는, 사용자의 균형능력 평가를 위해, 지면반력기로서의 FSR 압력센서를 사용하는 간소화된 시스템을 구성할 수 있다.In addition, in the present invention, for the evaluation of the user's balance ability, a simplified system using the FSR pressure sensor as a ground reaction force can be configured.

구성된 시스템은, 피험자가 눈을 감고 선 자세를 1분간 유지할 때의 데이터를 획득할 수 있다.The configured system may acquire data when the subject closes their eyes and maintains a standing posture for 1 minute.

일반적으로 균형능력은 시각, 전정, 체성 감각이 기여하며, 그 중 가장 대표적인 균형감각 요소인 시각을 차단하여 임의로 저하시킨 균형성을 평가할 수 있다.In general, the balance ability contributes to the visual, vestibular, and somatic senses, and among them, the balance, which is arbitrarily reduced by blocking the most representative balance element, can be evaluated.

이때, 본 발명에서는, 좌(FL)/우(FR)측 허벅지(FThigh)와 종아리(FLeg)에서 분산되는 힘의 비대칭성(asymmetric)을, 변동계수(coefficient of variation, CoV)로 나타내어 균형능력을 평가하는 지표로 활용할 수 있다.At this time, in the present invention, left (F L) / right (F R) side leg (F Thigh) and calf (F Leg) asymmetry (asymmetric) of force, the coefficient of variation (coefficient of variation, CoV) is dispersed in the It can be used as an index to evaluate balance ability.

균형능력의 평가에 있어, 본 발명은 변동계수가 낮을수록 균형능력이 열악한 것으로 평가한다.In the evaluation of the balance ability, the present invention evaluates that the lower the coefficient of variation, the poorer the balance ability.

이에 따라, 본 발명은 하지의 허벅지와 종아리 근육의 변동계수를 비교하여 상대적으로 낮은 부분을, 선 자세 균형을 위해 활용되지 않는 것으로 간주하여 선택적으로 균형능력을 향상시키는 근력 훈련을 할 수 있다.Accordingly, the present invention compares the coefficient of variation of the thigh and calf muscles of the lower extremities and considers a relatively low part not to be used for standing posture balance, so that strength training can selectively improve balance ability.

선 자세 균형능력 평가결과 산출 방법과 순서는 아래 1)~3)과 같다.The method and procedure for calculating the standing balance ability evaluation result are as follows 1)~3).

1) |FHip - FKnee| = FThigh , |FKnee - FAnkle| = FLeg 1) |F Hip - F Knee | = F Thigh , |F Knee - F Ankle | = F Leg

2) 1분간 선 자세 측정 데이터에서 |FR.Thigh - FL.Thigh|와 |FR.Leg - FL.Leg|의 CoVThigh와 CoVLeg을 산출함.2) CoV Thigh and CoV Leg of |F R.Thigh - F L.Thigh | and |F R.Leg - F L.Leg | were calculated from the 1 minute standing posture measurement data.

3) CoVThigh < CoVLeg일 경우, 허벅지 선택적 근력 훈련 실시함.3) If CoV Thigh < Co VLeg , thigh selective strength training is performed.

반대로, CoVThigh > CoVLeg 일 경우, 종아리 선택적 근력 훈련 실시함.Conversely, if CoV Thigh > CoV Leg , calf selective strength training is performed.

생체 역학 분석을 수행하기 위해서는 지면반력기의 좌표계와 깊이카메라의 좌표계의 변환을 필요로 한다. 즉, 깊이카메라에서 측정된 관절의 위치 및 지면반력기에 정의된 마커의 위치는, 카메라 좌표계 기준의 값들인데, 이들을 글로벌 좌표계로 변환하는 강체변환 R,t (R: 3차원 rotation, t: 3차원 translation 변환) 를 구해야 한다.In order to perform biomechanical analysis, it is necessary to convert the coordinate system of the ground reaction forcer and the coordinate system of the depth camera. That is, the position of the joint measured by the depth camera and the position of the marker defined in the ground reaction force are values based on the camera coordinate system, and the rigid body transformation R,t (R: 3-dimensional rotation, t: 3-dimensional) that transforms them into the global coordinate system. translation) should be obtained.

앞서의 도 2에서와 같이, 사전에 정의된 구형(spherical) 마커 1~5번 에 대해서는, 글로벌 좌표계 기준으로 위치에 대한 참값을 미리 알고 있다고 가정한다. 예컨대, 마커 2번을 글로벌 좌표계 원점으로 정의하고, 각 마커들의 가로, 세로 grid 간격을 실측된 값으로 알고 있다면, 모든 마커 중심점 위치의 참값은 미리 알고 있다고 가정할 수 있다.As shown in FIG. 2 above, it is assumed that the true values of positions are known in advance on the basis of the global coordinate system for predefined spherical markers 1 to 5 . For example, if marker No. 2 is defined as the origin of the global coordinate system and the horizontal and vertical grid intervals of each marker are known as measured values, it can be assumed that the true values of the center points of all markers are known in advance.

글로벌 좌표계 기준으로 1~5번 마커의 중심점 위치 참값을 알고 있으면, 1~5번 마커의 카메라 좌표계 기준 중심점 위치를 글로벌 좌표계로 이동시키는 강체변환 R, t 는, 카메라 좌표계에서 관측되는 마커 중심점 추정 값을 통하여, singluar value decompostion 등의 방법으로 구할 수 있다.If the true value of the center point position of markers 1 to 5 is known based on the global coordinate system, the rigid body transformation R, t that moves the center point position based on the camera coordinate system of markers 1 to 5 to the global coordinate system is the estimated value of the center point of the marker observed in the camera coordinate system. Through , it can be obtained by methods such as singluar value decomposition.

상술의 [수학식 1]에서, pi는 카메라 좌표계에서 관측되는 마커 중심점 추정값들이며, qi는 글로벌 좌표계 기준 마커의 중심점 위치 참값이고, wi는 각 점들의 중요도를 나타내는 웨이트 일 수 있다. [수학식 1]의 에러를 최소화하는 문제를 singluar value decompostion 등의 방법으로 풀 수 있다. _는 각 점들의 중요도를 나타내는 웨이트 이다.In the above [Equation 1], p i is the estimated values of the center point of the marker observed in the camera coordinate system, q i is the true value of the center point position of the global coordinate system reference marker, and w i may be a weight indicating the importance of each point. The problem of minimizing the error of [Equation 1] can be solved by a method such as singluar value decompostion. _ is a weight indicating the importance of each point.

실제로 깊이카메라에서 관측되는 마커 표면에 해당하는 3차원 점들은 매우 잡음이 심하기 때문에 각각의 마커 중심점 추정의 오차는 큰 편이다. 따라서 잡음에 강인하면서 정확한 R,t를 구하는 방법이 필요하다.In fact, since the 3D points corresponding to the marker surface observed by the depth camera are very noisy, the error in the estimation of the center point of each marker is large. Therefore, there is a need for a method to obtain accurate R,t while being robust to noise.

잡음이 심한 마커 표면의 3차원 점들만 활용하여 강체변환을 구하기는 힘들기 때문에 평면으로 가정된 지면반력기 영역의 점 정보를 같이 활용하는 방법을 제시한다. 일반적으로 지면반력기 영역의 점들의 개수가 마커영역의 개수 보다 훨씬 많고 지면반력기가 평면이므로, 제안하는 방법을 이용하면 강체변환을 잡음에 강인하게 수행할 수 있다.Since it is difficult to obtain a rigid body transformation using only 3D points on the noisy marker surface, we present a method of using the point information of the ground reaction force region assumed to be flat. In general, the number of points in the ground reaction forcer region is much greater than the number of marker regions, and since the ground reaction forcer is flat, rigid body transformation can be performed robustly against noise using the proposed method.

도 5는 지면반력기와 깊이카메라의 좌표계를 글로벌 좌표계로 변환하는 일례를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining an example of converting the coordinate system of the ground reaction force and the depth camera into the global coordinate system.

단계 501에서, 입력 3차원 포인트 클라우드(input 3D point cloud)는 깊이카메라에서 관측된, 지면반력기와 마커 영역을 포함하는 점(point)들의 집합이다.In step 501, the input 3D point cloud is a set of points observed by the depth camera, including the ground reaction force and the marker area.

단계 502는 K-Means, 색상 기반 분류방법 등을 활용하여 마커와 지면반력기 영역으로 점들을 분류하는 과정이다.Step 502 is a process of classifying points into markers and ground reaction force regions using K-Means, a color-based classification method, and the like.

단계 503은 마커 영역 점들에 대해서 마커 중심점 추정을 수행하는 과정이다.Step 503 is a process of estimating the marker center point with respect to the marker area points.

단계 504는 추정된 마커 중심점과 글로벌 좌표계에 정의된 참값과의 대응관계를 이용하여, [수학식1]을 풀어, 1차 강체변환 R1,t1 을 구하는 과정이다.Step 504 is a process of obtaining the first-order rigid body transformation R1,t1 by solving [Equation 1] using the correspondence relationship between the estimated marker center point and the true value defined in the global coordinate system.

[수학식 1]에서 pi는 추정된 마커 중심점, qi는 글로벌 좌표계 기준 마커의 중심점 위치 참값, wi는 동일하게 설정하거나, 각각의 마커 중심점을 추정하는 과정에서 계산되는 오차값을 활용하여 설정할 수 있다.In [Equation 1], p i is the estimated center point of the marker, q i is the true value of the center point position of the global coordinate system reference marker, and w i is the same, or using the error value calculated in the process of estimating the center point of each marker. can be set.

단계 505는 제1차 강체변환을 마커 및 지면반력기 영역에 해당하는 점들에 적용하여 해당 점들을 모두 글로벌 좌표계로 1차 변환시키는 과정이다.Step 505 is a process of first transforming all of the points into the global coordinate system by applying the first rigid body transformation to the points corresponding to the marker and the ground reaction force region.

단계 506은 지면반력기 영역에 해당하는 점들을 이용하여 평면 fitting을 수행하는 과정이다. 단계 506에서는, 3차원 평면의 식을 얻고, 지면반력기의 평면에서 특정 임계값 이상 먼 거리에 위치한 outlier 점들을 제거할 수 있다.Step 506 is a process of performing plane fitting using points corresponding to the ground reaction force region. In step 506, an equation of a three-dimensional plane may be obtained, and outlier points located farther than a certain threshold value from the plane of the ground reaction force may be removed.

단계 507은 단계 506에서 구한 평면에, 단계 505의 마커 중심점을 투영(projection)하여 평면에 투영된 마커 중심점을 계산하는 과정이다.Step 507 is a process of calculating the projected marker center point on the plane by projecting the marker center point of step 505 onto the plane obtained in step 506 .

단계 508은 단계 507에서 계산된 투영된 마커 중심점 위치를 기반으로 지면반력기 영역에 해당하는 점들을 샘플링 하여 선택하는 과정이다. 예컨대, 단계 508에서는 가로, 세로의 grid 간격을 정의해서 평면상에 고르게(uniformly) 분포하도록 지면반력기 영역의 점들을 샘플링할 수 있다. 또한 각 점들의 위치 참값은 설정한 grid 간격 정의로 쉽게 설정할 수 있다.Step 508 is a process of sampling and selecting points corresponding to the ground reaction force region based on the projected marker center point position calculated in step 507 . For example, in step 508 , the points of the ground reaction forcer region may be sampled so as to be uniformly distributed on a plane by defining horizontal and vertical grid intervals. Also, the true position value of each point can be easily set by defining the grid interval.

단계 509는 투영된 마커 중심점과 지면반력기 영역의 점들에 웨이트, wi를 배당하는 과정이다. 예컨대, 마커 중심점 추정이 신뢰성 있게 되었다면, 마커 중심점은 더 높은 웨이트를 배당받을 수 있다. 또는 마커 중심점 만으로 얻은 제1차 강체변환 결과의 오차가 클 수록, 마커 중심점에는 상대적으로 낮은 웨이트가 배당될 수 있다. Step 509 is a process of allocating a weight, w i , to the projected marker center point and points in the ground reaction force region. For example, marker centroids may be assigned a higher weight if the marker centroid estimate has been made reliable. Alternatively, a relatively low weight may be allocated to the marker center point as the error of the first rigid body transformation result obtained only with the marker center point is greater.

단계 510은 투영된 마커 중심점, 샘플링된 지면반력기 영역의 점들 및 대응하는 웨이트 값을 이용하여, 제2차 강체변환 R2,t2 을 구하고, 변환을 수행함으로써 글로벌 좌표계로 변환을 완료하는 과정이다.Step 510 is a process of completing transformation into the global coordinate system by obtaining the second-order rigid body transformation R2,t2 using the projected marker center point, the sampled points of the GRF region, and the corresponding weight value, and performing the transformation.

이하, 도 6에서는 본 발명의 실시예들에 따른 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)의 작업 흐름을 상세히 설명한다.Hereinafter, a work flow of the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 6 .

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, 생체역학 기반 균형 분석 방법을 도시한 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a biomechanical-based balance analysis method according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 생체역학 기반 균형 분석 방법은 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.The biomechanical-based balance analysis method according to the present embodiment may be performed by the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 .

우선, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 깊이카메라(depth camera)로부터, 사용자의 3차원 관절 중심 위치 데이터를 측정한다(610). 단계(610)는 깊이카메라로 사용자의 골격을 스캔하고, 스캔에 따른 골격의 깊이 정보로부터 상기 3차원 관절 중심 위치 데이터를 획득하는 과정일 수 있다. 상기 3차원 관절 중심 위치 데이터는, 사용자가 취하는 제스처를 인식하여, 골격이 움직이는 동작에 관한 움직임 데이터일 수 있다.First, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 measures the user's three-dimensional joint center position data from a depth camera ( 610 ). Step 610 may be a process of scanning the user's skeleton with a depth camera and acquiring the 3D joint center position data from the depth information of the skeleton according to the scan. The three-dimensional joint center position data may be motion data related to a movement of a skeleton by recognizing a gesture taken by a user.

또한, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 지면반력기로부터, 상기 사용자에 관한 지면반력 데이터를 측정한다(620). 단계(620)는 지면반력기 위에서 보행하는 사용자의 걸음걸이 또는 지면반력기 위에서 서있는 사용자의 균형자세에 대한 정보를, 획득하는 과정일 수 있다.In addition, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 measures the ground reaction force data regarding the user from the ground reaction force device ( 620 ). Step 620 may be a process of acquiring information on the gait of a user walking on the ground reaction force or the balance posture of the user standing on the ground reaction force.

지면반력기는, 지면에 힘을 가했을 때 반작용력을 측정하는 기구로서, 지면 반력 분석을 통해, 예컨대 달리기, 걷기, 점프 등에서 인체가 받는 충격이나 발의 흡수 정도를 파악할 수 있게 하는 수단일 수 있다.The ground reaction force device is a device for measuring the reaction force when a force is applied to the ground, and may be a means to determine the degree of absorption of an impact or foot received by the human body through ground reaction force analysis, for example, running, walking, jumping, etc.

구체적으로, 지면반력(ground reaction force)기는 지면반력 데이터를 측정할 수 있는 센서로서, 본 명세서에서는 힘판(force plate) 및 FSR(force sensing register) 압력매트를 의미할 수 있다. 상기 힘판은 마커에 따른 마커에 따른, x축, y축, z축 각각의 힘(force)과 x축, y축, z축 각각의 모멘트(moment)를 측정하고, FSR 압력매트는 z축 힘만을 측정할 수 있다.Specifically, a ground reaction force device is a sensor capable of measuring ground reaction force data, and herein may refer to a force plate and a force sensing register (FSR) pressure mat. The force plate measures the force and the moment of each of the x-axis, y-axis, and z-axis according to the marker according to the marker, and the moment of each of the x-axis, y-axis, and z-axis, and the FSR pressure mat is the z-axis force can only be measured.

깊이카메라로부터 측정된 3차원 관절 중심 위치 데이터와, 지면반력기로부터 측정된 지면반력 데이터는, 해당 장치에서 개별적으로 설정된 좌표계에 준하여 값을 표시하고 있어, 이를 통합된 단일 좌표계로 보여주기 위한 캘리브레이션이 필요할 수 있다.The three-dimensional joint center position data measured from the depth camera and the ground reaction force data measured from the ground reaction force device display values according to the coordinate system individually set in the device, so calibration is required to show it as an integrated single coordinate system. may be needed

이를 위해, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 3차원 관절 중심 위치 데이터와 지면반력 데이터의 좌표계를 글로벌 좌표계로 변환한다(630). 단계(630)은 지면반력기의 좌표계와 깊이카메라의 좌표계를, 글로벌 좌표계로 변환하여, 깊이카메라와 지면반력기를 캘리브레이션하는 과정일 수 있다.To this end, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 converts the coordinate system of the three-dimensional joint center position data and the ground reaction force data into a global coordinate system ( 630 ). Step 630 may be a process of calibrating the depth camera and the ground reaction force by converting the coordinate system of the ground reaction forcer and the coordinate system of the depth camera into a global coordinate system.

실시예에 따라, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 상기 깊이카메라와 연관되어 등록되는 입력 3차원 포인트 클라우드(input 3D point cloud) 내 점들을, K-Means 또는 색상 기반 분류방법을 이용하여, 마커 영역과 지면반력기 영역으로 분류한다. 즉, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 입력 3차원 포인트 클라우드로서 스캔되는 점들을, 클러스팅을 통해, 마커 영역에 관한 점들과, 지면반력기 영역에 관한 점들로 구분할 수 있다.According to an embodiment, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 uses K-Means or a color-based classification method for points in an input 3D point cloud registered in association with the depth camera, It is classified into a marker area and a ground reaction force area. That is, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may classify the points scanned as the input 3D point cloud into points related to the marker region and points related to the ground reaction force region through clustering.

또한, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 상기 마커 영역으로 분류된 점에 대해 마커 중심점을 추정한다. 즉, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 마커 영역의 점들 간에 중심이 되는 점을 가정할 수 있다.In addition, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 estimates a marker center point for the points classified as the marker regions. That is, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may assume a central point between points of the marker region.

또한, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 상기 마커 중심점과, 글로벌 좌표계에 정의된 참값과의 대응관계에 따라 연산된, 1차 강체변환 R1과 t1을 이용하여, 상기 마커 영역으로 분류된 점과, 상기 지면반력기 영역으로 분류된 점 각각을, 글로벌 좌표계로 1차 변환시킨다. In addition, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 uses the first rigid body transformations R 1 and t 1 calculated according to the correspondence between the marker center point and the true value defined in the global coordinate system, and classifies it into the marker region. Each of the points and the points classified into the ground reaction force region are first transformed into a global coordinate system.

강체변환(Rigid body transformation)은 평행이동(translation)과 회전변환(Euclidean transformation)을 이용하여 변환을 나타내는 모델일 수 있다.Rigid body transformation may be a model representing transformation using translation and Euclidean transformation.

강체변환 R과 t는, [수학식 1]을 만족하여 획득될 수 있다.Rigid body transformations R and t may be obtained by satisfying [Equation 1].

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, 상기 pi는 추정된 마커 중심점, 상기 qi는 글로벌 좌표계 기준 마커의 중심점 위치 참값, 상기 wi는 동일하게 설정하거나, 각각의 마커 중심점을 추정하는 과정에서 계산되는 오차값을 활용하여 설정된 값일 수 있다.Here, the p i is the estimated marker center point, the q i is the true value of the center point position of the global coordinate system reference marker, and the w i is set to be the same or set using an error value calculated in the process of estimating each marker center point. can be a value.

생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 상기 강체변환 R과 t를 이용하여, 상기 지면반력기의 좌표계와 상기 깊이카메라의 좌표계를, 1차적으로 글로벌 좌표계로 변환할 수 있다.The biomechanics-based balance analysis apparatus 100 may primarily convert the coordinate system of the ground reaction forcer and the coordinate system of the depth camera into a global coordinate system by using the rigid body transformations R and t.

또한, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는, 상기 1차 변환된 지면반력기 영역으로 분류된 점을 이용하여 평면을 추정할 수 있다.In addition, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may estimate a plane by using the points classified as the first transformed ground reaction force region.

이후, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는, 상기 추정된 평면으로, 상기 1차 변환된 마커 영역으로 분류된 점을 투영하여, 투영 마커 중심점을 연산할 수 있다.Thereafter, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may calculate a projection marker center point by projecting a point classified as the first-transformed marker region on the estimated plane.

또한, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는, 상기 투영 마커 중심점의 위치를 기반으로, 상기 지면반력기 영역으로 분류된 점을 샘플링하여 선택할 수 있다.Also, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may sample and select points classified as the ground reaction force region based on the position of the center point of the projection marker.

또한, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는, 상기 투영 마커 중심점과, 상기 샘플링된 지면반력기 영역의 점에 가중치를 배당할 수 있다.In addition, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may allocate weights to the center point of the projection marker and the point of the sampled ground reaction force region.

또한, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는, 상기 투영 마커 중심점, 상기 샘플링된 지면반력기 영역의 점, 및 상기 가중치에 따라 연산된, 2차 강체변환 R2과 t2를 이용하여, 상기 마커 영역으로 분류된 점과, 상기 지면반력기 영역으로 분류된 점 각각을, 글로벌 좌표계로 2차 변환시킬 수 있다. In addition, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 uses the second rigid body transformation R 2 and t 2 calculated according to the projection marker center point, the sampled ground reaction force region, and the weight. Each of the points classified as the marker region and the points classified as the ground reaction force region may be secondarily transformed into a global coordinate system.

즉, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 지면반력기의 좌표계와 깊이카메라의 좌표계를, 단일 체계의 좌표계로 통일 시킴으로써, 지면반력기의 깊이카메라로부터 획득된 데이터들이, 동일 좌표계 하에서의 값이 되도록 할 수 있다.That is, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 unifies the coordinate system of the ground reaction forcer and the depth camera into a single coordinate system, so that the data obtained from the depth camera of the ground reaction forcer becomes a value under the same coordinate system. can do.

계속해서, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 상기 3차원 관절 중심 위치 데이터와 상기 지면반력 데이터를 분석하여, 상기 사용자의 하지 관절에 작용하는 관절반발력과 토크를 계산한다(640). 단계(640)는 단일 좌표계 체계로 보여지는, 3차원 관절 중심 위치 데이터와 지면반력 데이터를 이용하여, 사용자의 보행시 또는 사용자의 선 자세시 하지 관절에 걸리는 물리력을 산출하는 과정일 수 있다.Subsequently, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 analyzes the three-dimensional joint center position data and the ground reaction force data, and calculates the joint reaction force and torque acting on the lower extremity joint of the user ( 640 ). Step 640 may be a process of calculating the physical force applied to the lower extremity joint when the user walks or the user's standing posture by using the three-dimensional joint center position data and ground reaction force data, which are shown as a single coordinate system.

관절반발력은 근육활성, 신장된 관절주위 결합조직, 체중에 의해 생산된 힘들에 대한 반작용력으로서, 강체(분절)를 연결하는 관절이 사용자의 보행에 따라 일정 방향으로 휘어지는, 굴곡각도의 변화에 따른 반발력을 의미할 수 있다.The joint repulsion force is a reaction force against the forces produced by muscle activity, the stretched connective tissue around the joint, and body weight. The joint connecting the rigid body (segment) bends in a certain direction according to the user's walking, It could mean repulsion.

또한, 토크는, 회전력을 의미할 수 있고, 보행하는 사용자가 걸으면서 순간적으로 내는 힘을 지칭할 수 있다.Also, the torque may refer to a rotational force, and may refer to a force that a walking user momentarily exerts while walking.

관절반발력과 토크의 계산에 있어, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 사용자의 하지(허리 이하의 신체)를 자유물체도(free body diagram)로 표현할 수 있다.In calculating the joint repulsion force and torque, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may express the user's lower extremities (body below the waist) as a free body diagram.

자유물체도는 신체와 환경 사이의 상호작용을 나타내는 스케치의 일종으로서, 사용자의 하지에 작용하는 관련된 모든 힘의 벡터를 화살표 등으로 표시하는 다이어그램일 수 있다.The free body diagram is a kind of sketch representing the interaction between the body and the environment, and may be a diagram in which vectors of all related forces acting on the user's lower extremities are indicated by arrows or the like.

즉, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 상기 사용자의 하지를 n개의 강체로 구성하고, 상기 n개의 강체를 연결하는 관절을 힌지로 가정하여 자유물체도로 표현할 수 있다. 여기서, n은 상기 사용자의 골반, 양 쪽 허벅지, 양 쪽 종아리, 양 발을 적어도 포함하여 카운트되는 7 이상의 자연수로 정의할 수 있다.That is, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may represent the user's lower extremities as n rigid bodies, and assuming that the joints connecting the n rigid bodies are hinges, they may be expressed as free-body diagrams. Here, n may be defined as a natural number of 7 or more counted including at least the user's pelvis, both thighs, both calves, and both feet.

생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 사용자의 하지를, 7등분하여 강체로 세분화하고, 세분화된 강체와, 이들 강체 각각을 연결하는 관절을 도시하여, 자유물체도를 나타낼 수 있다.The biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may represent a free-body diagram by dividing the user's lower extremities into seven equal parts and subdividing them into rigid bodies, showing the subdivided rigid bodies and joints connecting each of these rigid bodies.

이후, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 상기 자유물체도 내 특정의 강체의 관성 모멘트 Icg를, [수학식 2]와 [수학식 3]을 만족하여 연산할 수 있다.Thereafter, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may calculate the moment of inertia I cg of a specific rigid body in the free body diagram by satisfying [Equation 2] and [Equation 3].

[수학식 2][Equation 2]

kcg = Kcg Lk cg = K cg L

[수학식 3][Equation 3]

Icg = msegment k2 cg I cg = m segment k 2 cg

상기 Kcg는 강체의 회전반경 비율, 상기 L은 강체의 길이, 상기 kcg는 질량중심에서의 회전반경, 상기 msegment 는 강체의 질량으로 정의할 수 있다.The K cg may be defined as a ratio of the rotation radius of the rigid body, L may be defined as the length of the rigid body, the k cg may be defined as the rotation radius at the center of mass, and the m segment may be defined as the mass of the rigid body.

관성 모멘트는 회전축을 중심으로 회전하는 물체가 계속해서 회전을 지속하려고 하는 성질의 크기를 나타낸 것으로, 회전하는 물체가 그 때의 상태를 유지하려고 하는 에너지의 크기를 지칭할 수 있다.The moment of inertia indicates the magnitude of the property of an object rotating about its axis of rotation to continue to rotate, and may refer to the amount of energy that the rotating object tries to maintain at that time.

또한, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 상기 관성 모멘트 Icg를 이용하여, 상기 특정의 강체를 연결하는 관절에 대한 관절별 관절반발력과 관절별 토크를 계산할 수 있다.In addition, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may use the moment of inertia I cg to calculate a joint repulsion force for each joint and a torque for each joint for joints connecting the specific rigid body.

즉, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 관절별로 관성 모멘트를 구하고, 이를 통해 해당 관절의 관절반발력과 토크를 산출할 수 있다.That is, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may obtain the moment of inertia for each joint and calculate the joint reaction force and torque of the corresponding joint through this.

예컨대, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 상기 사용자의 종아리와 발을 연결하는 '발목 관절', 상기 사용자의 허벅지와 종아리를 연결하는 '무릎 관절', 상기 사용자의 골반과 허벅지를 연결하는 '엉덩 관절' 각각에 대한 관절별 관절반발력과 관절별 토크를 계산할 수 있다.For example, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 includes an 'ankle joint' connecting the user's calf and foot, a 'knee joint' connecting the user's thigh and calf, and a 'knee joint' connecting the user's pelvis and thigh It is possible to calculate the joint repulsion force and torque for each joint for each 'hip joint'.

보다 구체적으로, 상기 특정의 강체가 '발'인 경우, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는, 상기 '발'과 연결되는 발목 관절의 관절별 관절반발력 FAnkle와 관절별 토크 TAnkle을, [수학식 4]과 [수학식 5]를 만족하여 연산할 수 있다.More specifically, when the specific rigid body is a 'foot', the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 calculates the joint repulsion force F Ankle and the joint torque T Ankle of the ankle joint connected to the 'foot', It can be calculated by satisfying [Equation 4] and [Equation 5].

[수학식 4][Equation 4]

FAnkle = MFoot AFoot - FGRF - WFoot F Ankle = M Foot A Foot - F GRF - W Foot

여기서, 상기MFoot은 발의 질량, 상기 AFoot은 발 질량중심의 가속도, 상기 FGRF는 압력센서로 측정한 지면반력, 상기 WFoot은 발의 질량으로 인한 자중으로 정의할 수 있다.Here, the M Foot may be defined as the mass of the foot, the A Foot may be defined as the acceleration of the center of mass of the foot, the F GRF may be defined as a ground reaction force measured by a pressure sensor, and the W Foot may be defined as self-weight due to the mass of the foot.

[수학식 5][Equation 5]

TAnkle = IFoot αFoot + wFoot * IFoot wFoot T Ankle = I Foot α Foot + w Foot * I Foot w Foot

- VCoM-GRF * FGRF - V CoM-GRF * F GRF

- TGRF - VCoM-Ankle * FAnkle - T GRF - V CoM-Ankle * F Ankle

여기서, 상기 IFoot은 발목에 대한 발의 관성모멘트, 상기 αFoot은 발의 각가속도, 상기 wFoot 은 발의 각속도, 상기 VCoM-GRF는 발의 질량중심에서 지면반력 작용점까지의 거리벡터, 상기 TGRF는 지면반력에 의한 토크, 상기 VCoM-Ankle은 발의 질량중심에서 발목까지의 거리벡터로 정의할 수 있다.Here, the I Foot is the moment of inertia of the foot with respect to the ankle, the α Foot is the angular acceleration of the foot, the w Foot is the angular velocity of the foot, the V CoM-GRF is the distance vector from the center of mass of the foot to the ground reaction force action point, and T GRF is the ground The torque caused by the reaction force, V CoM-Ankle, can be defined as a distance vector from the center of mass of the foot to the ankle.

정리하면, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 앞서 기술된 [수학식 2] 내지 [수학식 5]를 통해, '발목 관절'에 대한 관절반발력과 토크를 연산할 수 있다.In summary, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may calculate the joint reaction force and torque for the 'ankle joint' through [Equation 2] to [Equation 5] described above.

이후, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 '무릎 관절'과 '엉덩 관절'에 대해서도 동일하게 [수학식 2] 내지 [수학식 5]를 적용하여, 관절별 관절반발력과 관절별 토크를 각각 계산할 수 있다.Thereafter, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 applies [Equation 2] to [Equation 5] in the same way for the 'knee joint' and the 'hip joint', and calculates the joint repulsion force for each joint and the torque for each joint, respectively. can be calculated

'발목 관절', '무릎 관절', '엉덩 관절' 각각에 대한 관절별 관절반발력과 관절별 토크의 연산 후, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는, 연산된 각 관절별 관절반발력을 합산하여, 관절반발력 FHip, Knee, Ankle를 계산하고, 연산된 각 관절별 토크를 합산하여, 토크 THip, Knee, Ankle를 계산한다.After calculating the joint repulsion force for each joint and the torque for each joint for each of the 'ankle joint', 'knee joint', and 'hip joint', the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 adds up the calculated joint repulsion force for each joint, , calculate the joint reaction force F Hip, Knee, and Ankle , and add up the calculated torques for each joint to calculate the torque T Hip, Knee, and Ankle .

또한, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 상기 관절반발력과 기준 값과의 상관계수, 및 상기 토크와 기준 값과의 상관계수를 백분율로 제시 함으로써, 상기 사용자의 자세에 대한 형태 변화율을 출력한다(650). 단계(650)는 관절반발력 FHip, Knee, Ankle와 토크 THip, Knee, Ankle를, 설정된 기준 값과 비교하고, 비교 결과에 따른 유사 정도에 관한 상관계수를 수치화하여 보여 줌으로써, 사용자의 보행 또는 선 자세 형태가, 정상의 형태와 어느 정도 다르게 변화하는지를 시각적으로 보여주는 과정일 수 있다.In addition, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 outputs the rate of change of shape with respect to the posture of the user by presenting the correlation coefficient between the joint repulsion force and the reference value and the correlation coefficient between the torque and the reference value as a percentage. (650). In step 650, the joint reaction force F Hip, Knee, Ankle and the torque T Hip, Knee, Ankle are compared with a set reference value, and the correlation coefficient regarding the degree of similarity according to the comparison result is digitized and shown. It may be a process of visually showing how different the standing posture changes from the normal form.

다른 실시예에서, 본 발명의 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 사용자의 균형능력을 평가할 수 있다.In another embodiment, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 of the present invention may evaluate the user's balance ability.

생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는, 상기 지면반력기로부터, 상기 사용자의 보행 또는 선자세에 관한 수직지면반력 데이터를 측정한다. 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 지면반력기로서의 FSR압력매트 위에서 사용자를 세우고, 상기 FSR압력매트에 의해 감지된 보행 또는 선 자세에 대한 정보를 획득하는 역할을 할 수 있다.The biomechanical-based balance analysis apparatus 100 measures vertical ground reaction force data regarding the user's walking or standing posture from the ground reaction forcer. The biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may serve to stand up the user on the FSR pressure mat as a ground reaction force and obtain information on the walking or standing posture sensed by the FSR pressure mat.

FSR압력매트는, 다수의 FSR(Force Sensing Resistor) 센서를 배열하고, 이들 FSR 센서에 의해 감지되는 누르는 힘을, 감지 위치 별로 구분하여 정보로서 생산해내는 수단일 수 있다.The FSR pressure mat may be a means for arranging a plurality of Force Sensing Resistor (FSR) sensors and producing information by classifying the pressing force sensed by these FSR sensors for each sensing position.

수직지면반력 데이터는, FSR압력매트에 선 사용자에 대해, 사용자의 하지, 발 등을 수직(z축 방향)으로 밀어내는 지면반력(GRF, Ground Reaction Force)이다.The vertical ground reaction force data is a ground reaction force (GRF) that pushes the user's lower extremities, feet, etc. vertically (z-axis direction) with respect to the user standing on the FSR pressure mat.

즉, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 FSR압력매트를 통해, 보행 또는 선 자세를 취하는 사용자의 수직지면반력 데이터를 획득할 수 있다.That is, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may acquire vertical ground reaction force data of a user taking a walking or standing posture through the FSR pressure mat.

깊이카메라로부터 측정된 3차원 관절 중심 위치 데이터와, 지면반력기로서의 FSR압력매트로부터 측정된 수직지면반력 데이터는, 해당 장치에서 설정된 좌표계에 준하여 값을 표시하고 있어, 이를 통합된 단일 좌표계로 캘리브레이션을 할 필요가 있다.The three-dimensional joint center position data measured from the depth camera and the vertical ground reaction force data measured from the FSR pressure mat as a ground reaction force are displayed in accordance with the coordinate system set in the device. Needs to be.

이러한 캘리브레이션은 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)에 의해 수행될 수 있고, 해당 과정은, 상술의 지면반력기의 좌표계와 깊이카메라의 좌표계를, 글로벌 좌표계로 변환하여, 깊이카메라와 지면반력기를 캘리브레이션하는 설명으로 갈음하고, 여기서는 생략한다.This calibration may be performed by the biomechanical-based balance analysis apparatus 100, and the process converts the coordinate system of the above-described ground reaction forcer and the depth camera into a global coordinate system, and calibrates the depth camera and the ground reaction force. description, and will be omitted here.

상기 수직지면반력 데이터의 획득 후, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는, 상기 3차원 관절 중심 위치 데이터와 상기 수직지면반력 데이터를 분석하여, 상기 사용자의 하지 관절에 작용하는 관절반발력을 계산한다. 즉, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 단일 좌표계 체계로 보여지는, 3차원 관절 중심 위치 데이터와 수직지면반력 데이터를 이용하여, 사용자가 보행하거나 서 있는 동안에, 하지 관절에 걸리는 물리력을 산출할 수 있다.After obtaining the vertical ground reaction force data, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 analyzes the three-dimensional joint center position data and the vertical ground reaction force data, and calculates the joint reaction force acting on the lower extremity joint of the user. . That is, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 calculates the physical force applied to the lower extremity joint while the user walks or stands by using the three-dimensional joint center position data and the vertical ground reaction force data, which are shown as a single coordinate system. can

구체적으로 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는, 상기 하지의 좌측과 우측 각각의 허벅지에 관한 관절반발력 FThigh와, 상기 하지의 좌측과 우측 각각의 종아리에 관한 관절반발력 FLeg로 인해 분산되는 힘의 비대칭성(asymmetric)을 변동계수(CoV)로 나타낼 수 있다.Specifically, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 is a force distributed due to the joint repulsion force F Thigh on the left and right thighs of the lower extremities, and the joint repulsion force F Leg pertaining to the left and right calves of the lower extremities, respectively. can be expressed as a coefficient of variation (CoV).

즉, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 보행 또는 선 자세의 사용자에 대해, FSR압력매트에서 발생된, 허벅지와 종아리 각각에 관한 관절반발력을 좌우측으로 계산하고, 이들 관절반발력이 좌우에 대해 서로 대칭되지 않는 정도를 수치화하여, 변동계수(CoV)로 연산할 수 있다.That is, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 calculates the joint repulsion force for each thigh and calf, generated from the FSR pressure mat, to the left and right for a user in a walking or standing posture, and these joint repulsion forces are each other for the left and right. The degree of non-symmetry can be quantified and calculated as a coefficient of variation (CoV).

변동계수(CoV)는 임의의 표준편차의 크기를 평균치에 대한 백분율로 나타낸 것으로, 여기서는 좌우 각각의 허벅지에 관한 관절반발력 FThigh와, 좌우 각각의 종아리에 관한 관절반발력 FLeg에 대한 복수의 표준 편차를 평균값으로 나눈 값으로 정의할 수 있다.The coefficient of variation (CoV) represents the size of an arbitrary standard deviation as a percentage of the average value, where multiple standard deviations for the joint reaction force F Thigh for each thigh on the left and right and the joint reaction force F for the left and right calves F Leg can be defined as the value divided by the average value.

생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는, 상기 허벅지와 연관된 변동계수 CoVThigh를, 좌측 허벅지에 관한 관절반발력 FL,Thigh와 우측 허벅지에 관한 관절반발력 FR,Thigh과의 차로 나타내고, 또한 상기 종아리와 연관된 변동계수 CoVLeg를, 좌측 종아리에 관한 관절반발력 FL,Leg와 우측 종아리에 관한 관절반발력 FR,Leg과의 차로 나타낼 수 있다.The biomechanical-based balance analysis apparatus 100 represents the difference between the coefficient of variation CoV Thigh associated with the thigh, the joint repulsion force F L,Thigh on the left thigh and the joint repulsion force F R,Thigh on the right thigh, and also the calf The coefficient of variation associated with CoV Leg can be expressed as the difference between the joint reaction force F L,Leg on the left calf and the joint reaction force F R,Leg on the right calf.

즉, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 허벅지와 종아리의 좌우 관절반발력 간의 차를, 변동계수로서 산출할 수 있다.That is, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may calculate the difference between the left and right joint repulsion forces of the thigh and calf as a coefficient of variation.

출력부는, 상기 관절반발력으로부터 나타나는 변동계수(coefficient of variation, CoV)를 통해, 상기 사용자의 균형능력을 평가한다. 즉, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 변동계수(CoV)를 이용하여, 특정 신체 부위(강체)에 대한 균형능력이 어느 정도인지를 진단하는 역할을 할 수 있다.The output unit evaluates the balance ability of the user through a coefficient of variation (CoV) appearing from the joint reaction force. That is, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may play a role in diagnosing the degree of balance ability for a specific body part (rigid body) by using the coefficient of variation (CoV).

앞서와 같이, 허벅지와 연관된 변동계수 CoVThigh와 종아리와 연관된 변동계수 CoVLeg가 산출된 상태에서, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 이들 변동계수를 서로 비교하고, 비교 결과에 따라 특정 신체부위(강체)에 대해 균형능력을 평가할 수 있다. As before, in the state where the coefficient of variation CoV Thigh associated with the thigh and the coefficient of variation CoV Leg associated with the calf are calculated, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 compares these coefficients of variation with each other, and a specific body part according to the comparison result Balance ability can be evaluated for (rigid body).

즉, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는, 변동계수 CoVThigh와 변동계수 CoVLeg를 비교하여, 상대적으로 낮은 변동계수의 강체에 대해, 낮은 균형능력을 평가할 수 있다. 예컨대, 변동계수 CoVThigh와 변동계수 CoVLeg를 비교하여, 변동계수 CoVThigh가 변동계수 CoVLeg보다 낮은 경우, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 변동계수 CoVThigh와 관련된 허벅지에 대해, 낮은 균형능력을 평가할 수 있다.That is, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 may compare the coefficient of variation CoV Thigh and the coefficient of variation CoV Leg to evaluate a low balance ability for a rigid body having a relatively low coefficient of variation. For example, by comparing the coefficient of variation CoV Thigh and the coefficient of variation CoV Leg , when the coefficient of variation CoV Thigh is lower than the coefficient of variation CoV Leg , the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 provides a low balance for the thigh associated with the coefficient of variation CoV Thigh. ability can be assessed.

실시예에 따라, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는, 상기 변동계수 CoVThigh와 상기 변동계수 CoVLeg를 비교하여, 상대적으로 낮은 변동계수의 강체에 대해, 근력 훈련을 권하는 메시지를 출력할 수 있다.According to an embodiment, the biomechanical-based balance analysis apparatus 100 compares the coefficient of variation CoV Thigh with the coefficient of variation CoV Leg , and outputs a message recommending strength training for a rigid body having a relatively low coefficient of variation. there is.

변동계수 CoVThigh가 변동계수 CoVLeg보다 낮은 상술의 예시에서, 생체역학 기반 균형 분석 장치(100)는 변동계수 CoVThigh와 관련된 허벅지에 대해, 근력을 강화시키는 예컨대, 스커트 운동을 권하는 메시지를 작성하여 출력할 수 있다.In the above example where the coefficient of variation CoV Thigh is lower than the coefficient of variation CoV Leg , the biomechanical-based balance analysis device 100 writes a message to recommend, for example, a skirt exercise to strengthen muscle strength, for the thigh related to the coefficient of variation CoV Thigh, can be printed out.

본 발명의 일실시예에 따르면, 종래의 광학식 모션 캡쳐 시스템에 비해 저렴하고 실용적인 깊이카메라를 활용하여 생체역학 분석을 수행할 수 있게 하는, 생체역학 기반 균형 분석 방법 및 장치를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a biomechanical-based balance analysis method and apparatus, which enables biomechanical analysis to be performed using a depth camera that is inexpensive and practical compared to a conventional optical motion capture system.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 신체 외부의 운동학적(kinematic) 형태 뿐만 아니라, 인체 내부에 작용하는 힘을 함께 고려하는 신체 내부의 운동역학(kinetic)적인 평가가 가능하여 더욱 전문적인 임상에 활용할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to evaluate not only the kinematic shape of the outside of the body, but also the kinetic evaluation of the inside of the body considering the forces acting inside the human body, so that more professional clinical trials are possible. can be used for

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 깊이카메라와 지면반력기 좌표계를 글로벌 좌표계로 변환하는 것에 대한 자동화 알고리즘을 제안할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to propose an automation algorithm for converting the coordinate system of the depth camera and the ground reaction force to the global coordinate system.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 마커 중심점의 추정을 수행하고 지면반력기의 평면 특성을 융합하여, 깊이카메라가 가지는 스캔 노이즈에 강인한 글로벌 좌표계 변환을 가능하게 할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to perform global coordinate system transformation robust to scan noise of the depth camera by performing estimation of the marker center point and fusing the planar characteristics of the ground reaction force.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 생체역학 분석을 수행하여, 좌/우 관절의 힘, 토크 비교를 할 수 있으며, 이를 통하여 보행 및 선 자세에서의 균형 능력 수치화 및 훈련을 제안할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, by performing biomechanical analysis, it is possible to compare the force and torque of the left/right joints, and through this, it is possible to quantify and train balance ability in walking and standing postures. .

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 the embodiment may be implemented in the form of program instructions 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, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and carry out program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes 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.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more thereof, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device. The software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. , or may be permanently or temporarily embody in a transmitted signal wave. The software may be distributed over networked computer systems, and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 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.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited drawings, those skilled in the art may apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

100 : 생체역학 기반 균형 분석 장치
110 : 측정부 120 : 좌표계 정렬부
130 : 분석부 140 : 출력부
100: biomechanical-based balance analysis device
110: measurement unit 120: coordinate system alignment unit
130: analysis unit 140: output unit

Claims (19)

깊이카메라로부터, 사용자의 3차원 관절 중심 위치 데이터를 측정하는 단계;
지면반력기로부터, 상기 사용자에 관한 지면반력 데이터를 측정하는 단계; 및
상기 3차원 관절 중심 위치 데이터와 상기 지면반력 데이터를 분석하여, 상기 사용자의 하지 관절에 작용하는 관절반발력과 토크를 계산하는 단계
를 포함하는 생체역학 기반 균형 분석 방법.
Measuring the user's three-dimensional joint center position data from the depth camera;
measuring, from the ground reaction force device, ground reaction force data about the user; and
Analyzing the three-dimensional joint center position data and the ground reaction force data, calculating the joint reaction force and torque acting on the lower extremity joint of the user
A biomechanical-based balance analysis method comprising a.
제1항에 있어서,
상기 관절반발력과 기준 값과의 상관계수, 및 상기 토크와 기준 값과의 상관계수를 백분율로 제시 함으로써, 상기 사용자의 자세에 대한 형태 변화율을 출력하는 단계
를 더 포함하는 생체역학 기반 균형 분석 방법.
According to claim 1,
Outputting the shape change rate for the posture of the user by presenting the correlation coefficient between the joint repulsion force and the reference value, and the correlation coefficient between the torque and the reference value as a percentage
A biomechanical-based balance analysis method further comprising a.
제1항에 있어서,
상기 지면반력기는, 상기 지면반력 데이터를 측정하는 센서로서,
마커에 따른, x축, y축, z축 각각의 힘(force)과 x축, y축, z축 각각의 모멘트(moment)를 측정하는 힘판(force plate); 및
z축의 힘을 측정하는 FSR(force sensing register) 압력매트
를 포함하는 생체역학 기반 균형 분석 방법.
According to claim 1,
The ground reaction force device, as a sensor for measuring the ground reaction force data,
a force plate for measuring a force and a moment in each of the x-axis, y-axis, and z-axis according to the marker; and
FSR (force sensing register) pressure mat that measures the force in the z-axis
A biomechanical-based balance analysis method comprising a.
제1항에 있어서,
상기 깊이카메라와 연관되어 등록되는 입력 3차원 포인트 클라우드(input 3D point cloud) 내 점들을, K-Means 또는 색상 기반 분류방법을 이용하여, 마커 영역과 지면반력기 영역으로 분류하는 단계;
상기 마커 영역으로 분류된 점에 대해 마커 중심점을 추정하는 단계; 및
상기 마커 중심점과, 글로벌 좌표계에 정의된 참값과의 대응관계에 따라 연산된, 1차 강체변환 R1(3차원 Rotation)과 t1(3차원 translation)을 이용하여, 상기 마커 영역으로 분류된 점과, 상기 지면반력기 영역으로 분류된 점 각각을, 글로벌 좌표계로 1차 변환시키는 단계
를 더 포함하는 생체역학 기반 균형 분석 방법.
According to claim 1,
classifying points in an input 3D point cloud registered in association with the depth camera into a marker region and a ground reaction force region using K-Means or a color-based classification method;
estimating a marker center point for the points classified as the marker regions; and
Points classified into the marker area using the first-order rigid body transformation R 1 (three-dimensional rotation) and t 1 (three-dimensional translation) calculated according to the correspondence between the marker center point and the true value defined in the global coordinate system. and first transforming each of the points classified into the ground reaction force region into a global coordinate system.
A biomechanical-based balance analysis method further comprising a.
제4항에 있어서,
상기 1차 변환된 지면반력기 영역으로 분류된 점을 이용하여 평면을 추정하는 단계;
상기 추정된 평면으로, 상기 1차 변환된 마커 영역으로 분류된 점을 투영(projection)하여, 투영 마커 중심점을 연산하는 단계;
상기 투영 마커 중심점의 위치를 기반으로, 상기 지면반력기 영역으로 분류된 점을 샘플링하여 선택하는 단계;
상기 투영 마커 중심점과, 상기 샘플링된 지면반력기 영역의 점에 가중치를 배당하는 단계; 및
상기 투영 마커 중심점, 상기 샘플링된 지면반력기 영역의 점, 및 상기 가중치에 따라 연산된, 2차 강체변환 R2과 t2를 이용하여, 상기 마커 영역으로 분류된 점과, 상기 지면반력기 영역으로 분류된 점 각각을, 글로벌 좌표계로 2차 변환시키는 단계
를 더 포함하는 생체역학 기반 균형 분석 방법.
5. The method of claim 4,
estimating a plane using the points classified as the first transformed ground reaction force region;
calculating a projection marker center point by projecting a point classified as the first-order transformed marker region onto the estimated plane;
sampling and selecting points classified as the ground reaction force region based on the location of the center point of the projection marker;
allocating weights to the center point of the projection marker and the point of the sampled ground reaction force region; and
Using the second-order rigid body transformation R 2 and t 2 calculated according to the projection marker center point, the sampled point of the ground reaction force region, and the weight, a point classified into the marker region, and the ground reaction force region region Secondary transformation of each point classified as
A biomechanical-based balance analysis method further comprising a.
제1항에 있어서,
상기 지면반력기로부터, 상기 사용자에 관한 수직지면반력 데이터를 측정하는 단계;
상기 3차원 관절 중심 위치 데이터와 상기 수직지면반력 데이터를 분석하여, 상기 사용자의 하지 관절에 작용하는 관절반발력을 계산하는 단계; 및
상기 관절반발력으로부터 나타나는 변동계수(coefficient of variation, CoV)를 통해, 상기 사용자의 균형능력을 평가하는 단계
를 더 포함하는 생체역학 기반 균형 분석 방법.
According to claim 1,
Measuring vertical ground reaction force data about the user from the ground reaction force;
analyzing the three-dimensional joint center position data and the vertical ground reaction force data, calculating a joint reaction force acting on the lower extremity joint of the user; and
Evaluating the user's balance ability through a coefficient of variation (CoV) appearing from the joint repulsion force
A biomechanical-based balance analysis method further comprising a.
제6항에 있어서,
상기 하지의 좌측과 우측 각각의 허벅지에 관한 관절반발력 FThigh와, 상기 하지의 좌측과 우측 각각의 종아리에 관한 관절반발력 FLeg로 인해 분산되는 힘의 비대칭성(asymmetric)을 상기 변동계수(CoV)로 나타내는 단계
를 더 포함하는 생체역학 기반 균형 분석 방법.
7. The method of claim 6,
The coefficient of variation (CoV) is the asymmetric force distributed due to the joint repulsion force F Thigh on the left and right thighs of the lower extremity and the joint repulsion force F Leg per each calf on the left and right sides of the lower extremity. step represented by
A biomechanical-based balance analysis method further comprising a.
제7항에 있어서,
상기 허벅지와 연관된 변동계수 CoVThigh를, 좌측 허벅지에 관한 관절반발력 FL,Thigh와 우측 허벅지에 관한 관절반발력 FR,Thigh과의 차로 나타내는 단계; 및
상기 종아리와 연관된 변동계수 CoVLeg를, 좌측 종아리에 관한 관절반발력 FL,Leg와 우측 종아리에 관한 관절반발력 FR,Leg과의 차로 나타내는 단계
를 더 포함하고,
상기 사용자의 균형능력을 평가하는 단계는,
상기 변동계수 CoVThigh와 상기 변동계수 CoVLeg를 비교하여, 상대적으로 낮은 변동계수의 강체에 대해, 낮은 균형능력을 평가하는 단계
를 포함하는 생체역학 기반 균형 분석 방법.
8. The method of claim 7,
representing the coefficient of variation CoV Thigh associated with the thigh as a difference between the joint repulsion force F L,Thigh on the left thigh and the joint repulsion force F R,Thigh on the right thigh; and
Representing the coefficient of variation CoV Leg associated with the calf as the difference between the joint repulsion force F L,Leg on the left calf and the joint repulsion force F R,Leg on the right calf
further comprising,
The step of evaluating the user's balance ability,
Comparing the coefficient of variation CoV Thigh and the coefficient of variation CoV Leg to evaluate a low balancing ability for a rigid body having a relatively low coefficient of variation
A biomechanical-based balance analysis method comprising a.
제8항에 있어서,
상기 사용자의 균형능력을 평가하는 단계는,
상기 변동계수 CoVThigh와 상기 변동계수 CoVLeg를 비교하여, 상대적으로 낮은 변동계수의 강체에 대해, 근력 훈련을 권하는 메시지를 출력하는 단계
를 더 포함하는 생체역학 기반 균형 분석 방법.
9. The method of claim 8,
The step of evaluating the user's balance ability,
Comparing the coefficient of variation CoV Thigh with the coefficient of variation CoV Leg , outputting a message recommending strength training for a rigid body having a relatively low coefficient of variation
A biomechanical-based balance analysis method further comprising a.
깊이카메라로부터, 사용자의 3차원 관절 중심 위치 데이터를 측정하고, 지면반력기로부터, 상기 사용자에 관한 지면반력 데이터를 측정하는 측정부; 및
상기 3차원 관절 중심 위치 데이터와 상기 지면반력 데이터를 분석하여, 상기 사용자의 하지 관절에 작용하는 관절반발력과 토크를 계산하는 분석부
를 포함하는 생체역학 기반 균형 분석 장치.
a measurement unit for measuring the three-dimensional joint center position data of the user from the depth camera, and measuring the ground reaction force data for the user from the ground reaction force; and
An analysis unit that analyzes the three-dimensional joint center position data and the ground reaction force data to calculate the joint reaction force and torque acting on the lower extremity joint of the user
A biomechanical-based balance analysis device comprising a.
제10항에 있어서,
상기 관절반발력과 기준 값과의 상관계수, 및 상기 토크와 기준 값과의 상관계수를 백분율로 제시 함으로써, 상기 사용자의 자세에 대한 형태 변화율을 출력하는 출력부
를 더 포함하는 생체역학 기반 균형 분석 장치.
11. The method of claim 10,
By presenting the correlation coefficient between the joint repulsion force and the reference value and the correlation coefficient between the torque and the reference value as a percentage, an output unit for outputting a rate of change of shape for the user's posture
A biomechanical-based balance analysis device further comprising a.
제10항에 있어서,
상기 지면반력기는, 상기 지면반력 데이터를 측정하는 센서로서,
마커에 따른, x축, y축, z축 각각의 힘(force)과 x축, y축, z축 각각의 모멘트(moment)를 측정하는 힘판(force plate); 및
z축의 힘을 측정하는 FSR(force sensing register) 압력매트
를 포함하는 생체역학 기반 균형 분석 장치.
11. The method of claim 10,
The ground reaction force device, as a sensor for measuring the ground reaction force data,
a force plate for measuring a force and a moment in each of the x-axis, y-axis, and z-axis according to the marker; and
FSR (force sensing register) pressure mat that measures the force in the z-axis
A biomechanical-based balance analysis device comprising a.
제10항에 있어서,
상기 깊이카메라와 연관되어 등록되는 입력 3차원 포인트 클라우드 내 점들을, K-Means 또는 색상 기반 분류방법을 이용하여, 마커 영역과 지면반력기 영역으로 분류하고, 상기 마커 영역으로 분류된 점에 대해 마커 중심점을 추정하며, 상기 마커 중심점과, 글로벌 좌표계에 정의된 참값과의 대응관계에 따라 연산된, 1차 강체변환 R1과 t1을 이용하여, 상기 마커 영역으로 분류된 점과, 상기 지면반력기 영역으로 분류된 점 각각을, 글로벌 좌표계로 1차 변환시키는 좌표계 정렬부
를 더 포함하는 생체역학 기반 균형 분석 장치.
11. The method of claim 10,
Points in the input 3D point cloud registered in association with the depth camera are classified into a marker region and a ground reaction force region using K-Means or a color-based classification method, and a marker is applied to the points classified as the marker region. Estimating the center point, using the first rigid body transformation R 1 and t 1 calculated according to the correspondence between the marker center point and the true value defined in the global coordinate system, the point classified into the marker area, and the ground reaction force A coordinate system aligning unit that first transforms each point classified into a base region into a global coordinate system
A biomechanical-based balance analysis device further comprising a.
제13항에 있어서,
상기 좌표계 정렬부는,
상기 1차 변환된 지면반력기 영역으로 분류된 점을 이용하여 평면을 추정하고,
상기 추정된 평면으로, 상기 1차 변환된 마커 영역으로 분류된 점을 투영하여, 투영 마커 중심점을 연산하며,
상기 투영 마커 중심점의 위치를 기반으로, 상기 지면반력기 영역으로 분류된 점을 샘플링하여 선택하고,
상기 투영 마커 중심점과, 상기 샘플링된 지면반력기 영역의 점에 가중치를 배당하며,
상기 투영 마커 중심점, 상기 샘플링된 지면반력기 영역의 점, 및 상기 가중치에 따라 연산된, 2차 강체변환 R2과 t2를 이용하여, 상기 마커 영역으로 분류된 점과, 상기 지면반력기 영역으로 분류된 점 각각을, 글로벌 좌표계로 2차 변환시키는
생체역학 기반 균형 분석 장치.
14. The method of claim 13,
The coordinate system alignment unit,
Estimate the plane using the points classified as the first transformed ground reaction force region,
Projecting a point classified as the first-transformed marker area onto the estimated plane, calculating a projection marker center point,
Based on the location of the center point of the projection marker, sampling and selecting points classified as the ground reaction force region,
allocating a weight to the center point of the projection marker and the point of the sampled ground reaction force region;
Using the second-order rigid body transformation R 2 and t 2 calculated according to the projection marker center point, the sampled point of the ground reaction force region, and the weight, the point classified into the marker region, the ground reaction force region Each of the points classified as
Biomechanical-based balance analysis device.
제10항에 있어서,
상기 측정부는,
상기 지면반력기로부터, 상기 사용자에 관한 수직지면반력 데이터를 측정하고,
상기 분석부는,
상기 3차원 관절 중심 위치 데이터와 상기 수직지면반력 데이터를 분석하여, 상기 사용자의 하지 관절에 작용하는 관절반발력을 계산하며,
상기 생체역학 기반 균형 분석 장치는,
상기 관절반발력으로부터 나타나는 변동계수(CoV)를 통해, 상기 사용자의 균형능력을 평가하는 출력부
를 더 포함하는 생체역학 기반 균형 분석 장치.
11. The method of claim 10,
The measurement unit,
Measuring vertical ground reaction force data about the user from the ground reaction force,
The analysis unit,
By analyzing the three-dimensional joint center position data and the vertical ground reaction force data, the joint reaction force acting on the lower extremity joint of the user is calculated,
The biomechanical-based balance analysis device,
An output unit that evaluates the user's balance ability through the coefficient of variation (CoV) appearing from the joint repulsion force
A biomechanical-based balance analysis device further comprising a.
제15항에 있어서,
상기 분석부는,
상기 하지의 좌측과 우측 각각의 허벅지에 관한 관절반발력 FThigh와, 상기 하지의 좌측과 우측 각각의 종아리에 관한 관절반발력 FLeg로 인해 분산되는 힘의 비대칭성(asymmetric)을 상기 변동계수(CoV)로 나타내는
생체역학 기반 균형 분석 장치.
16. The method of claim 15,
The analysis unit,
The coefficient of variation (CoV) is the asymmetric force distributed due to the joint repulsion force F Thigh on the left and right thighs of the lower extremity and the joint repulsion force F Leg per each calf on the left and right sides of the lower extremity. represented by
Biomechanical-based balance analysis device.
제16항에 있어서,
상기 분석부는,
상기 허벅지와 연관된 변동계수 CoVThigh를, 좌측 허벅지에 관한 관절반발력 FL,Thigh와 우측 허벅지에 관한 관절반발력 FR,Thigh과의 차로 나타내고, 상기 종아리와 연관된 변동계수 CoVLeg를, 좌측 종아리에 관한 관절반발력 FL,Leg와 우측 종아리에 관한 관절반발력 FR,Leg과의 차로 나타내며,
상기 출력부는,
상기 변동계수 CoVThigh와 상기 변동계수 CoVLeg를 비교하여, 상대적으로 낮은 변동계수의 강체에 대해, 낮은 균형능력을 평가하는
생체역학 기반 균형 분석 장치.
17. The method of claim 16,
The analysis unit,
The coefficient of variation CoV Thigh associated with the thigh is expressed as the difference between the joint repulsion force F L,Thigh on the left thigh and the joint repulsion force F R,Thigh on the right thigh, and the coefficient of variation CoV Leg associated with the calf is expressed on the left calf It is expressed as the difference between the joint repulsion force F L,Leg and the joint repulsion force F R,Leg on the right calf,
the output unit,
By comparing the coefficient of variation CoV Thigh and the coefficient of variation CoV Leg, for a rigid body with a relatively low coefficient of variation, low balancing ability
Biomechanical-based balance analysis device.
제17항에 있어서,
상기 출력부는,
상기 변동계수 CoVThigh와 상기 변동계수 CoVLeg를 비교하여, 상대적으로 낮은 변동계수의 강체에 대해, 근력 훈련을 권하는 메시지를 출력하는
생체역학 기반 균형 분석 장치.
18. The method of claim 17,
the output unit,
Comparing the coefficient of variation CoV Thigh with the coefficient of variation CoV Leg , outputting a message recommending strength training for a rigid body with a relatively low coefficient of variation
Biomechanical-based balance analysis device.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.A computer-readable recording medium recording a program for executing the method of any one of claims 1 to 9.
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