KR20210111098A - 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

스마트 개인 무장의 효율적인 개발을 위하여 사격으로 인해 인체 하박부에 반동 충격이 가해졌을 시, 정확한 인체 거동 예측을 위한 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템이 개시된다. 상기 인체 모델링 시스템은, 인체에 부착되는 2개 이상의 마커, 상기 2개 이상의 마커를 센싱하여 모션 정보를 생성하는 모션 캡쳐 장치, 및 상기 모션 정보를 이용하여 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링을 생성하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템 및 방법{System and Method for modeling human body which can estimate occupant motion}
본 발명은 인체 모델링 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 웨어러블 무기 사격시 인체에 전달되는 충격에 의한 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템 및 방법에 대한 것이다.
또한, 본 발명은 인체 하박에서 발사된 탄의 반동 충격이 가해졌을 시, 정확한 인체 거동 예측을 위한 인체-충격 모델링 방법에 대한 것이다.
총기 시스템의 발사 충격이 인체에 미치는 영향에 대한 연구가 국내외적으로 다수 수행되었다. 국내에서는 사격시 발생하는 충격에 의한 인체충격특성에 관한 연구가 수행되었으며, 사격 자세별로 인체 충격량 특성을 분석하였다. 해외 연구로는 미 육군 환경의학연구소에서 어깨 견착식 소총 사격시 병사가 입는 부상의 정도와 반동 에너지의 상관관계를 정량적으로 분석하였다.
최근에는 웨어러블 디바이스들이 등장하고 있는데, 다양한 웨어러블 디바이스를 국방 기술에 적용하려는 시도가 이루어지고 있다. 하지만, 발사 충격이 인체에 미치는 영향에 대한 연구들은 총기에 국한 되어있어 웨어러블 무기에서는 별도의 기술이 필요하다.
총기는 물론이고 웨어러블 형태의 무기체계 개발과정에서 발사 반동력으로 인해 인체가 받는 충격과 거동에 관한 연구를 실제 인간을 대상으로 반복 실험을 수행할시 폭발 등으로 인한 안전 문제가 존재한다. 따라서, 다양한 충격 조건에 대한 폭넓은 연구수행에는 한계가 있다. 대안으로 고가의 충돌용 인체 모형(crash dummy)을 활용할 수 있으나 이 또한 경제적인 면에서 어려움이 따른다.
1. 한국공개특허번호 제10-2018-0086547호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 스마트 개인 무장의 효율적인 개발을 위하여 사격으로 인해 인체 하박부에 반동 충격이 가해졌을 시, 정확한 인체 거동 예측을 위한 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 스마트 개인 무장의 효율적인 개발을 위하여 사격으로 인해 인체 하박부에 반동 충격이 가해졌을 시, 정확한 인체 거동 예측을 위한 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템을 제공한다.
상기 인체 모델링 시스템은,
인체에 부착되는 2개 이상의 마커;
상기 2개 이상의 마커를 센싱하여 모션 정보를 생성하는 모션 캡쳐 장치; 및
상기 모션 정보를 이용하여인체 모델링을 수행하고, 상기 인체 모델링을 통해 인체 거동을 예측하는 컴퓨터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인체 모델링 시스템은, 진자(150)를 낙하시켜 미리 설정되는 충격량을 발생시키는 충격 발생 장치; 및 상기 충격량을 흡수함으로써 상기 2개 이상의 마커를 움직이며 상기 인체에 설치되는 충격흡수 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충격흡수 장치는 상기 인체의 하박부에 장탈착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모션 캡쳐 장치는 2개 이상의 적외선 카메라를 이용하여 실시간으로 상기 2개 이상의 마커의 움직임인 모션을 실시간으로 측정하여 상기 모션 정보를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충격 발생 장치는, 받침대; 상기 받침대의 표면상에 결합되는 연결 부재; 상기 연결 부재의 말단에 결합되는 플레이트; 및 상기 플레이트의 중심에 회동가능하게 연결되며 말단에 상기 진자가 결합되는 회전 몸체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 진자의 발사 속도 (vs)는 수학식
Figure pat00001
(여기서, L은 연결 부재(120)의 길이이고, θ는 진자를 낙하시키기 위해 시계방향으로 회전시킨 회전각이고, g는 중력 가속도이다)로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연결 부재는 높이 조절이 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충격흡수 장치는, 하박부에 안착되는 안착 플레이트; 상기 안착 플레이트의 양가변측에 형성되는 가이드; 및 상기 가이드에 결합되며, 위치 조정이 가능한 충격판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충격판은, 후면 플레이트; 상기 후면 플레이트에 직각으로 결합되며 가이드가 삽입되는 밑면 플레이트; 및 상기 후면 플레이트와 밑면 플레이트의 가장자리에 연결되며 일정 간격으로 서로 이격되는 2개의 측면 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 후면 플레이트의 표면에는 상기 진자가 상기 표면과 충돌될때 발생하는 충격을 완화하기 위해 탄성 부재가 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 장탈착은 벨크로를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인체 모델링은 인체 모델을 대상으로 한 거동 시뮬레이션 결과 데이터와 모션 캡쳐 장치를 이용하여 실측한 거동 데이터를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 거동 데이터는 대흉근, 승모근, 광배근, 삼각근, 이두근, 및 삼두근에 대한 EMG(Electromyograph) 센서의 EMG 측정값인 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 모션 캡쳐 장치가 인체에 부착되는 2개 이상의 마커를 센싱하여 모션 정보를 생성하는 단계; 및 (b) 컴퓨터가 상기 모션 정보를 이용하여 인체 모델링을 수행하고, 상기 인체 모델링을 통해 인체 거동을 예측하는 단계;를 포함하며, 상기 인체 모델링은 인체 모델을 대상으로 한 거동 시뮬레이션 결과 데이터와 모션 캡쳐 장치를 이용하여 실측한 거동 데이터를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 웨어러블 개인 무장의 발사 충격으로 인한 병사의 관절 거동 결과를 예측 가능케 하는 인체-충격 상호 작용 모델링 기술을 개발할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 웨어러블 스마트 무장 연구개발 단계에서 화력이 높은 무기 개발과 동시에 인체 공학적으로 병사들의 관절에 충격을 최소화하고 발사의 정확도를 높일 수 있는 사격 자세 연구를 위한 기초 인체 모델로 활용될 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 충격 실험 장치중 충격 발생 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 충격 실험 장치중 충격 흡수 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 충격 실험을 위한 다양한 자세에 대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 모델링 시스템의 구성 블럭도이다.
도 5는 도 4에 도시된 인체 모델링 시스템에 포함되는 근골격 모델을 생성하는 근골격 모델 생성 블럭도이다.
도 6은 일반적인 피실험자의 신체 사이즈 및 관절 위치 입력을 나타낸 화면예이다.
도 7은 도 5에 도시된 근골격 모델 생성 블럭도를 이용하여 생성되는 주요 근육의 EMG(Electromyograph) 곡선을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 인체 충격 상호작용 모델링의 개념도를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 모델 관절의 물성치를 역추적하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 10은 도 3에 도시된 자세들중 서서쏴 자세에서의 하박부와 머리 변위를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 3에 도시된 자세들중 옆으로 서서쏴 자세에서의 하박부와 머리 변위를 나타낸 도면이다.
도 12는 도 3에 도시된 자세들중 앉아쏴 자세에서의 하박부와 머리 변위를 나타낸 도면이다.
도 13은 도 3에 도시된 자세들중 앞으로 서서쏴 자세에서의 하박부와 머리 변위를 나타낸 도면이다.
도 14는 도 3에 도시된 자세들중 옆으로 서서쏴 자세에서의 하박부와 머리 변위를 나타낸 도면이다.
도 15는 도 3에 도시된 자세들중 앉아쏴 자세에서의 하박부와 머리 변위를 나타낸 도면이다.
도 16은 도 3에 도시된 자세들중 서서쏴 자세에서의 하박부와 머리 변위를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 충격 실험 장치중 충격 발생 장치(100)를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 충격 발생 장치(100)는 인체 모델링 과정에서 인체-충격 모델의 신뢰도를 높이고 보다 안전한 환경에서 충격 실험 수행을 위해 스마트 개인 무장을 대체하는 충격 발생 장치이다. 충격 발생 장치(100)는 받침대(110), 받침대(110)의 표면상에 조립식으로 결합되는 연결 부재(120), 연결 부재(120)의 말단에 조립식으로 결합되는 플레이트(130), 플레이트(130)의 중심에 회동가능하게 연결되는 회전 몸체(140), 회전 몸체(140)의 말단에 일자 부재(141)를 통해 결합되는 진자(150) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
연결 부재(120)는 2개가 삼각형 형상으로 하단은 받침대(110)에 조립되고, 상단은 플레이트(130)에 조립된다. 특히, 연결 부재(120)는 높이 조절이 가능하다. 부연하면, 2개의 부재로 되어 있으며, 상단 부재가 하단 부재의 내측에 삽입될 수 있는 구조이다. 이 경우, 상단 부재에는 관통홀이 일정 간격으로 형성되며, 이 관통홀에 볼트를 삽입하여 너트로 체결하면 볼트 머리가 하단 부재의 말단에 걸리는 구조이다.
플레이트(130)는 원판형이며, 중심에 2개의 베어링(미도시)이 설치될 수 있다. 특히, 단렬 깊은홈 볼 베어링, 단렬 앵귤러 콘택트 볼 베어링 등이 사용될 수 있다.
다양한 병사의 체형 및 사격자세를 수용할 수 있도록 진자(150)의 회전축의 높이가 조정 가능하도록 설계될 수 있으며, DMU(Digital Mock-Up)를 이용하여 기구학적 특성이나 실제 무게 등이 검토될 수 있다. 충격 발생 장치(100)의 프레임 재질은 철이 될 수 있으며, 회전 몸체(140)의 회전축에는 2개의 베어링을 장착하여 진자의 회전 운동에 의한 마찰 에너지 손실을 최소화할 수 있다.
이 베어링에 회전 몸체(140)의 돌출부(미도시)를 삽입하여 고정한다. 돌출부는 회전 몸체(140)와 일체형으로 형성될 수 있으며, 말단에 볼트처럼 나사산이 형성되어 너트(미도시)와 체결될 수 있다. 또한, 회전 몸체(140)에 아래방향쪽으로 일자 부재(141)가 조립될 수 있다. 이 일자 부재(141)의 말단에 진자(150)가 조립된다. 따라서, 진자(150)를 시계 방향으로 돌려 일정 높이에서 회전시키는 것이 가능하다.
진자의 무게가 추의 무게에 영향을 주지 않도록 회전축을 중심으로 무게 평형을 맞추는 균형추(미도시)가 추가될 수 있다. 충격 발생 장치(100)의 총 무게는 약 50kg정도이며, 이동이 용이하도록 일부 구성품들은 조립식으로 될 수 있다. 조립은 볼트 및 너트를 이용한 볼팅 방식, 나사 볼트 등이 될 수 있다.
충격 발생 장치(100)는 설계 및/또는 사용의 편의성을 위하여 철을 재질로 한 진자(150)의 무게는 1(kg)을 시작으로 200(g) 단위의 소형 추를 필요에 따라 추가 가능토록 하였다.
발사 속도(vs)는 수학식에서 L(연결 부재(120)의 길이)이나 θ의 크기를 조절하여 원하는 충격량을 생성하는 방식을 택할 수 있다. θ는 진자(150)를 낙하시키기 위해 시계방향으로 회전시킨 회전각이다.
Figure pat00002
여기서, g는 중력 가속도이다.
따라서, 예를 들어 1(kg)추를 사용하여 msvs(N·s) 충격량을 생성하기 원하는 경우, θ의 크기를 90°로 하면, 수학식을 이용하여 진자의 길이(즉 연결 부재(120)의 길이)
Figure pat00003
로 조정하면 된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 충격 실험 장치중 충격 흡수 장치(200)를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 충격 실험 장치는 충격 발생 장치(100)와 이 충격 발생 장치(100)로부터 진자(150)의 낙하에 의해 충격을 받는 충격 흡수 장치(200)로 이루어진다. 충격 흡수 장치(200)는 인체의 하박부(20)에 착용될 수 있다. 이를 위해, 충격 흡수 장치(200)는 하박부(20)에 안착되는 안착 플레이트(210), 안착 플레이트(210)의 양가변측에 형성되는 가이드(230), 상기 가이드(230)에 결합되어 가로방향으로 이동되는 충격판(220) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
안착 플레이트(210)는 중앙 단면이 역 Ｕ자 형상이 될 수 있다. 즉 중앙이 반원형처럼 곡률을 가지며, 가변에 돌출되게 평평한 날개부(211)가 형성된다. 이 날개부(211)의 상단면 이동을 위한 가이드(230)가 구성된다. 가이드(230)는 원형의 관형태가 되나, 다른 형태도 가능하다. 물론, 이 가이드(230)의 양단에는 차단부(212)가 구성된다. 따라서, 충격판(220)은 이 차단부(212)사이에서만 이동이 된다. 이 차단부(212)는 용접에 의해 날개부(211)의 표면에 결합될 수 있다.
충격판(220)은 후면 플레이트(221)와 이 후면 플레이트(221)에 직각으로 결합되는 밑면 플레이트(224)로 이루어지며, 후면 플레이트(221)와 밑면 플레이트(224)의 가장자리에 측면 플레이트(222)가 용접으로 연결된다. 측면 플레이트(222)는 2개가 서로 일정 간격으로 배치된다. 또한, 밑면 플레이트(224)에는 관통홀(미도시)이 형성되며, 이 관통홀에 가이드(230)가 삽입되어 이동이 가능하게 된다.
부연하면, 진자(150)의 충격이 직접 가해지는 방패에 해당하는 수직판인 후면 플레이트(221)는 하박부(20)를 따라 위치가 조정 가능하도록 이동식으로 설계될 수 있다.
밑면 플레이트(224) 상단에 나사를 풀어 피실험자가 충격 받을 위치에 밑면 플레이트(224)를 이동하고 밑면 플레이트(224) 상단의 나사를 육각 렌치로 고정하도록 한다.
이는 스마트 개인 무장이 병사의 하박부 어느 부분에 발사를 위한 충격력이 가해지는 것이 안전한지를 인체공학적인 특성을 고려하여 가변적으로 설계될 수 있게 하기 위함이다.
충격 흡수 장치(200)의 재질은 초소형 미사일을 장착한 스마트 개인 무장의 무게와 비슷한 범위가 되도록 상대적으로 가벼운 재질인 알루미늄, 엔지니어링 플라스틱 등이 될 수 있다. 추후에 무게의 변화가 있을 시 후면 플레이트의 크기 등을 조절하여 손쉽게 변화가 가능하도록 설계될 수 있다.
또한, 후면 플레이트(221)의 표면에는 진자(150)와의 충돌때 발생하는 충격을 완화하기 위해 탄성 부재(223)가 부착될 수 있다. 탄성 부재(223)는 고무, 스티로폼 등이 될 수 있다.
착용은 벨크로(velcro)(240)를 이용하여 이루어질 수 있다. 이를 통해 웨어러블인 특징을 반영하여 하박부에 장탈착이 용이하고 견고하게 고정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 충격 실험을 위한 다양한 자세에 대한 도면이다. 도 3을 참조하면, 충격 발생 장치를 이용한 인체 거동 해석을 위해 우선 발사 자세는 기본적으로 앞으로 서서쏴 자세(310), 옆으로 서서쏴 자세(320), 앉아쏴 좌세(330)의 3가지 자세가 있다.
이들 기본자세로부터 각각 오른팔의 뻗은 방향을 수평으로 유지하는 자세와 그리고 상향으로 하는 자세 등 다양한 발사 각도에 대해 실험을 수행할 수 있다. 그리고 앉아쏴 자세에서는 충격 후 안정된 자세 유지를 위하여 왼손으로 오른 손목을 받친 형태를 취할 수 있다. 한편, 인체의 표면에 마커(301)들이 부착된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 모델링 시스템(400)의 구성 블럭도이다. 도 4를 참조하면, 인체 모델링 시스템(400)은 인체에 부착되는 제 1 내지 제 n 마커(410-1 내지 410-n), 제 1 내지 제 n 마커(410-1 내지 410-n)의 움직인 모션을 캡쳐하는 모션 캡쳐 장치(420), 모션 캡쳐 장치(420)로부터 획득된 모션 정보를 처리하는 컴퓨터(430), 처리된 정보를 표시하는 표시부(440) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
제 1 내지 제 n 마커(410-1 내지 410-n)는 고휘도 반사 마커가 될 수 있다. 모션 캡쳐 장치(420)는 피실험자의 인체에 부착된 마커(marker)의 좌표를 적외선 카메라를 이용하여 실시간으로 측정하고 기록해 주는 기능을 수행한다.
모션 캡쳐 장치(420)는 적외선 카메라(모델명: Qualisys 7+, Sweden) 18대로 구성되어 있으며, 이들 적외선 카메라는 동작이 수행되는 피실험자를 중심으로 가로, 세로, 높이 3m×5m×2m의 공간을 촬영할 수 있도록 배치하였다. 각각의 적외선 카메라는 데이터 케이블(미도시)로 연결되어 있으며 마커의 좌표값 데이터를 컴퓨터(430)로 전송한다.
컴퓨터(430)는 획득 모듈(431), 분석 모듈(432), 추출 모듈(433), 데이터베이스(434) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 획득 모듈(431)은 마커의 좌표값 데이터를 수집하는 기능을 수행한다.
분석 모듈(432)은 획득 모듈(431)을 통해 획득한 실제 인체의 거동 데이터와 발사 충격에 의한 거동을 가상의 환경에서 인체 모델을 대상으로 시뮬레이션하여 생성되는 시뮬레이션 결과 데이터를 상호 비교 분석하는 기능을 수행한다.
이러한 비교 분석을 통하여 인체-충격 상호작용 모델의 신뢰도를 높였다. 이를 위하여 상용 소프트웨어인 LifeMOD(LifeModeler, Inc.) & ADAMS(MSC Software)등을 활용할 수 있다. LifeMOD는 인체 모델링을 지원하며 이를 이용하여 생성된 인체 모델에 다물체 동역학(MBD; Multi Body Dynamics)에 특화된 ADAMS를 적용하면 인체 거동을 해석 가능케 한다.
본 발명의 일실시예에서 이들 소프트웨어를 선택한 이유는 두 소프트웨어 간의 상호 운용성이 높고 진자를 이용한 충격 거동 해석 등과 같이 다른 상용 소프트웨어보다 본 발명의 목적에 부합되는 기능들을 지원하고 있기 때문이다.
도 4를 참조하면, 추출 모듈(433)은 분석 모듈(432)에 따른 획득 모듈(431)을 통해 획득한 실제 인체의 거동 데이터와 발사 충격에 의한 거동을 가상의 환경에서 인체 모델을 대상으로 시뮬레이션하여 생성되는 시뮬레이션 결과 데이터의 비교 분석을 통해 인체 거동 예측 결과를 추출하는 기능을 수행한다. 웨어러블 개인 무장의 발사 충격으로 인한 인체의 관절 거동 결과를 예측 가능케 한다.
표시부(440)는 실제 인체의 거동 데이터, 입력 데이터, 관절 거동 결과 등을 표시하는 기능을 수행한다. 표시부(440)는 LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode) 디스플레이, OLED(Organic LED) 디스플레이, 터치 스크린, 플렉시블 디스플레이 등이 될 수 있다. 터치 스크린의 경우, 입력 수단의 기능도 수행한다. 물론, 입력 수단으로는 키보드, 마이크 등이 병행하여 사용될 수 있다.
데이터베이스(434)는 실제 인체의 거동 데이터, 입력 데이터, 관절 거동 결과 등의 정보를 저장하는 기능을 수행한다. 또한, 인체-근골격 모델을 위한 정보 등이 저장될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 인체 모델링 시스템에 포함되는 근골격 모델을 생성하는 근골격 모델 생성 블럭도이다. 골격과 관절로만 구성된 인체모델로도 발사충격으로 인한 대략적인 거동 해석이 가능하나 보다 정확한 해석 결과를 얻으려면 근육 모델이 추가된 인체 근골격 모델 생성이 필수적이다. 따라서 본 발명의 일실시예에서는 충격이 진행되는 동안 개입되는 근육의 활성도에 대해 EMG(Electromyograph) 측정을 위해 자극부(510), 센서(520), 제어기(530), 모델 생성 모듈(540) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
자극부(510)는 EMG 신호를 생성하는 전기 자극을 생성하는 기능을 수행한다. 즉, 자극부(510)는 인체의 피부에 부착시켜 피부에 자극을 가한다.
EMG 센서(520)는 자극부(510)에 의해 생성되는 EMG 신호를 생성하는 기능을 수행한다. EMG 신호는 근전도 신호를 포함할 수 있다.
제어기(530)는 자극부(510)에 전원을 공급하고, EMG 센서(530)의 온오프를 제어한다. 또한, 제어기(530)는 센서(530)로부터 생성된 EMG 신호를 수신한다. 이를 위해 제어기(530)에는 회로, 마이크로프로세서, 컨버터, 전원 공급기 등이 구성될 수 있다.
모델 생성 모듈(540)은 EMG 신호를 이용하여 인체 근골격 모델을 생성한다. 이러한 인체 근골격 모델을 생성하기 위해서는 입력 데이터가 요구된다. 이를 보여주는 도면이 도 6에 도시된다.
도 4 및 도 5에 도시된 “~모듈” 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 소프트웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 소프트웨어 구성 컴포넌트(요소), 객체 지향 소프트웨어 구성 컴포넌트, 클래스 구성 컴포넌트 및 작업 구성 컴포넌트, 프로세스, 기능, 속성, 절차, 서브 루틴, 프로그램 코드의 세그먼트, 드라이버, 펌웨어, 마이크로 코드, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조, 테이블, 배열 및 변수를 포함할 수 있다. 소프트웨어, 데이터 등은 메모리에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.
도 6은 일반적인 피실험자의 신체 사이즈 및 관절 위치 입력을 나타낸 화면예이다. 도 6을 참조하면, 일반적으로 인체 모델은 대한민국 병사의 표준 체형을 대상으로 생성하기 위하여 2017년 통계청이 제공한 20대 남성 평균 체격인 키 약173.5cm와 몸무게 약 70.9kg에 근접한 남성을 표본으로 하였다. 키와 몸무게만으로도 골격 모델 생성에 필요한 팔의 길이, 허리 둘레 등의 부수적인 치수가 LifeMOD의 인체 모델링 모듈에 의해 기본적으로 제공될 수 있다. 그러나, 이는 소프트웨어가 개발된 국가인 서양인에 특화된 치수이므로 한국인을 대상으로 한 모델링에는 정확도가 떨어진다.
한국인의 표준 체형에 대해서도 통계적으로 조사된 부수적인 인체치수들이 제공된다. 하지만, 인체 모델을 대상으로 한 거동 시뮬레이션 결과 데이터와 모션 캡쳐 장비로 실측한 거동 데이터 상호 간의 신뢰도를 높이기 위하여 피실험자의 키와 몸무게 외의 부수적인 신체 사이즈와 관절의 위치를 직접 측정하여 모델 생성에 활용하였다. 이는 부가적으로 피실험자 신체에 부착한 모션 마커와 관절과의 상대적인 위치들이 인체 모델과도 일치하는 효과를 가져다주어 시뮬레이션의 정확도를 높이는데 기여하였다.
도 6을 참조하면, 단위가 인치로 표시된 인체 측정 테이블(Body measurement table)의 예시가 도시되어 있다. 이 인체 측정 테이블에는 나이(age), 몸무게(weight) 등이 될 수 있다.
도 7은 도 5에 도시된 근골격 모델 생성 블럭도를 이용하여 생성되는 주요 근육의 EMG 곡선을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 충격이 진행되는 동안 개입되는 근육의 활성도를 EMG(Electromyograph) 측정을 통해 0~1사이의 값으로 나타내는 근육 활성도 곡선을 LifeMOD에 활용하여 근골격 모델을 생성할 수 있다.
인체의 다양한 근육에 EMG(Electromyograph) 측정을 수행한 결과, 오른손잡이의 경우, 충격 거동에 주로 개입하는 근육은 오른쪽 상반신 근육들로 판명되었고, 왼쪽 상반신과 하체의 근육들은 개입이 미미함이 관찰되었다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는 오른쪽 상반신 근육중, 활성도가 도 7과 같이 상위 6위까지의 근육들(대흉근, 승모근, 광배근, 삼각근, 이두근, 삼두근)의 EMG 측정값을 반영하여 근골격 모델을 완성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 인체 충격 상호작용 모델링의 개념도를 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하면, 실제 실험과 동일한 환경을 구축한 후 반복 시뮬레이션을 통해 인체 모델이 실측한 모션(810)과 가장 유사한 거동을 모사하고, LifeMOD가 제공하는 관절의 물성치인 마찰 강성값(friction stiffness value)과 감쇠값(damping value)을 역추적 방식을 통해 도출함으로써, 신뢰도 높은 인체 근골격 모델(850)을 구축할 수 있다. 부연하면, 모션 캡쳐 입력 처리 절차는, 모션 측정이 된후(810), 관절 및 골격 정보를 입력하고(820), 이 관절에 근육 정보를 입력하며(830), 근육 활성화를 수행한다(840).
예를 들어 Life Mod에서 제공하는 기존 관절의 물성치 값이 1000이라 하고 시뮬레이션을 진행하면 시뮬레이션에서의 하박부, 머리 변위 값이 실제 거동 변위와 차이가 크기 때문에 시뮬레이션 변위 값이 실제 거동과 가장 유사하게 하는 주요 관절 물성치의 값을 역추적 방식으로 50~100씩 줄여가며 도출한다.
이를 위하여 실측에 사용된 마커(410-1 내지 410-n)를 인체 모델 상의 모션 마커의 위치와 정렬하고 모션 캡쳐 장치(420)의 주파수가 약 120Hz임을 고려하여 매 시뮬레이션의 프레임 간격을 0.0083(1/120)초로 설정한다. 마찰 강성값과 감쇠값의 역추적 대상인 관절로서는 발사 충격에 의해 거동 범위가 가장 큰 팔꿈치, 어깨, 요추, 흉추, 목 관절을 선정할 수 있다.
이와 같은 방식으로 완성된 근골격 모델(850)에 대해 시뮬레이션에서는 가상의 진자를 제작하고, 이 진자를 인체 모델에 부착된 충격 흡수판 모델에 가격하는 형태로 모델링하여 인체-충격 상호작용 모델을 완성한다. 이때 진자(도 1의 150)와 충격판(도 2의 220)의 재질은 각각 철과 알루미늄으로 설정하여 실제 추를 이용한 실험과 동일한 동력학적 환경을 구축할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 모델 관절의 물성치를 역추적하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 9를 참조하면, 상위 6위까지의 근육들(대흉근, 승모근, 광배근, 삼각근, 이두근, 삼두근)의 EMG (Electromyograph) 측정값을 이용하여 인체거동 데이터베이스를 구축한다(단계 S910). 이후, 이러한 인체거동 데이터베이스를 이용하여 초기 인체 모델을 생성한다(단계 S920). 이후, 인체거동 시뮬레이션을 생성한다(단계 S930). 이후, 인체모델 관절의 물성치를 역추적한다(단계 S940).
발사충격에 의한 실험 대상자 실제 근육들의 EMG 측정값을 입력한 초기 인체 모델을 생성하고, LifeMOD 내에 실제 실험과 동일한 환경에 낙하 시스템을 구현한 후 초기 인체모델을 활용하여 인체거동 시뮬레이션을 수행하였다. 이와 같은 시뮬레이션을 반복 수행하여 인체모델 관절의 물성치를 역추적하였다.
발사 충격에 의한 거동 실측 데이터와 인체 모델을 이용한 시뮬레이션 결과 데이터의 비교를 위하여 도 3에서 소개한 3가지 발사 자세의 오른팔 발사각을 각각 0°(수평)와 15°로 설정하여 모두 3x2=6종류의 발사 자세에 대해 거동 결과를 도출하였다.
실험 조건으로는 충격 발생 장치의 진자(도 1의 150)의 무게를 편의상 약1kg으로 설정하였고, 충격량은 스마트 개인 무장의 개발 범위 사양으로 고려되는 3N·s 크기가 되도록 진자 길이를 조정하여 수행하였다.
도 10은 도 3에 도시된 자세들중 서서쏴 자세에서의 (수평 0°3N·s) 하박부 변위(1010)와 머리 변위(1020)를 나타낸 도면이고, 도 11은 도 3에 도시된 자세들중 옆으로 서서쏴 자세에서의 (수평 0°3N·s) 하박부 변위(1110)와 머리 변위(1120)를 나타낸 도면이다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 앞으로 서서쏴, 옆으로 서서쏴의 0°(수평) 자세의 경우, 모션 캡쳐와 동적 시뮬레이션의 결과를 비교할 시, 하박부와 머리 각각의 거동 변화는 매우 유사한 패턴을 보이고 있다. 도면에서 빨간색 곡선과 파란색 곡선은 각각 모션 캡쳐와 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 또한, 오른쪽 팔을 뻗은 방향으로 거동 변화의 차이는 약 6~8mm로 모델의 신뢰도가 전체 변위 대비 ±8% 정도의 오차 범위 내에 있음을 관찰할 수 있다.
도 10 및 도 11에 도시된 그래프를 비교하면 옆으로 서서쏴 거동의 전체 변화 크기가 앞으로 서서쏴 보다 약 50mm에서 20mm로 약 50% 이상 감소함이 관찰된다. 이는 옆으로 서서쏴 자세의 경우, 진자(도 1의 150)로 인한 오른쪽 하박부 충격을 후방에 위치한 왼쪽 다리가 반력을 통해 지지하는 것에 기인한 것이다. 따라서 옆으로 서서쏴 자세가 앞으로 서서쏴 자세보다 훨씬 안정된 사격 자세임을 확인할 수 있다.
도 12는 도 3에 도시된 자세들중 앉아쏴 자세에서의 (수평 0°3N·s) 하박부 변위(1210)와 머리 변위(1220)를 나타낸 도면이다. 도 12를 참조하면, 앉아쏴 0°(수평)자세의 경우, 모션 캡쳐와 동적 시뮬레이션의 전체 거동은 약 10~20mm대로 다른 두 자세일 때 보다 약 10~30mm 정도 감소하여 더 안정적으로 나타났다. 이는 예상대로 앉아쏴 자세가 두 개의 서서쏴 자세에 비해 인체 무게중심의 위치가 낮아짐으로 상대적으로 충격에 의한 흔들림 영향을 덜 받는 것으로 해석될 수 있었다.
도 13은 도 3에 도시된 자세들중 앞으로 서서쏴 자세에서의 (수평 15°3N·s) 하박부 변위(1310)와 머리 변위(1320)를 나타낸 도면이고, 도 14는 도 3에 도시된 자세들중 옆으로 서서쏴 자세에서의 (수평 15°3N·s) 하박부 변위(1410)와 머리 변위(1420)를 나타낸 도면이고, 도 15는 도 3에 도시된 자세들중 앉아쏴 자세에서의 (수평 15°3N·s) 하박부 변위(1510)와 머리 변위(1520)를 나타낸 도면이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 발사각이 15°인 두 개의 서서쏴 자세의 경우, 실측값과 시뮬레이션 값 모두 변동폭이 0°자세에 비해 상대적으로 좀 더 일치함을 보이고 있어 모델의 신뢰도가 높은 것으로 평가된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 앉아쏴 자세의 발사각이 15°로 높아진 경우, 0°자세에 비해 (도 12 참조), 하박부와 머리의 거동 범위가 각각 2배 이상 크게 늘어남에 따라 모델의 신뢰성이 상대적으로 낮음이 관찰된다.
이는 오른팔이 올라가면서 왼쪽 손으로 잡을 수 있는 범위에서 벗어나 더 이상 무릎에 의해 오른팔이 고정되지 않은 불안정한 자세에 기인한 것으로 판단된다. 이에 따라 앉아쏴 자세에서 상향 사격의 경우, 좀 더 안정된 새로운 자세에 대한 연구가 필요하다.
스마트 개인 무장의 발사 충격은 무기 연구개발 초기 단계에서는 설계 변수로 작용할 수가 있다. 따라서 충격량 변화에 따른 모델의 신뢰도 검증을 위하여 본 발명의 일실시예에서 구축한 3N·s의 인체-충격 모델을 대상으로 충격량을 두 배로 늘린 6N·s에 대해 시뮬레이션과 진자의 무게를 약2kg으로 변경하여 실측 실험을 진행하였다.
이들 조건에서 앞으로 서서쏴에 대한 시뮬레이션 결과, 충격량이 두 배로 늘어남에 따라 도 10의 3N·s 경우와 비교할 시 하박부와 머리의 거동 그래프의 패턴은 유사하게 유지되었으며 변위 폭은 2.3~2.6배 늘어났음을 관찰할 수 있다. 이를 보여주는 도면이 도 16이다. 도 16은 도 3에 도시된 자세들중 서서쏴 자세에서의 (수평 0°6N·s) 하박부 변위(1610)와 머리 변위(1620)를 나타낸 도면이다.
그리고 인체 모델과 모션 캡쳐의 거동 변위 차이는 하박부와 머리 부분에서 각각 12mm와 22mm로 ±10% 오차범위를 보였다. 이는 도 10의 3N·s 경우와 비교할 시 오차가 ±2% 정도 증가한 것으로서 전체적인 데이터를 고려해볼 때 모델의 신뢰성이 매우 높은 것으로 판단된다.
본 발명의 일실시예에서는 인체 모델링 기술과 충격 실험 장치를 이용하여 웨어러블 개인 무장의 발사 충격으로 인한 병사의 관절 거동 결과를 예측 가능케 하는 인체-충격 상호 작용 모델링 기술을 기술하였다. 또한, 실제 발사 충격 실험과 인체-충격 모델을 이용한 시뮬레이션을 수행하여 거동의 변위를 비교분석함으로써 제안한 방법론이 신뢰성이 높은 모델을 생성할 수 있음을 입증하였다.
본 발명의 일실시예에 따른 모델링 기술을 활용하면 웨어러블 스마트 무장 연구개발 단계에서 화력이 높은 무기 개발과 동시에 인체공학적으로 병사들의 관절에 충격을 최소화하고 발사의 정확도를 높이는 사격 자세 연구를 위한 기초 인체 모델로 활용될 것으로 기대된다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 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) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 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 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
100: 충격 발생 장치
110: 받침대
120: 연결 부재
130: 플레이트
150: 진자
200: 충격흡수 장치
210: 안착 플레이트
220: 충격판
230: 가이드
400: 인체 모델링 시스템
410-1 내지 410-n: 제 1 내지 제 n 마커
420: 모션 캡쳐 장치
430: 컴퓨터
510: 자극부
520: 센서
530: 제어기
540: 모델 생성 모듈

Claims (14)

  1. 인체에 부착되는 2개 이상의 마커(410-1 내지 410-n);
    상기 2개 이상의 마커(410-1 내지 410-n)를 센싱하여 모션 정보를 생성하는 모션 캡쳐 장치(420); 및
    상기 모션 정보를 이용하여 인체 모델링을 수행하고, 상기 인체 모델링을 통해 인체 거동을 예측하는 컴퓨터(430);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    진자(150)를 낙하시켜 미리 설정되는 충격량을 발생시키는 충격 발생 장치(100); 및
    상기 충격량을 흡수함으로써 상기 2개 이상의 마커(410-1 내지 410-n)를 움직이며 상기 인체에 설치되는 충격흡수 장치(200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 충격흡수 장치(200)는 상기 인체의 하박부(20)에 장탈착되는 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 모션 캡쳐 장치(420)는 2개 이상의 적외선 카메라를 이용하여 실시간으로 상기 2개 이상의 마커(410-1 내지 410-n)의 움직임인 모션을 실시간으로 측정하여 상기 모션 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 충격 발생 장치(100)는,
    받침대(110);
    상기 받침대(110)의 표면상에 결합되는 연결 부재(120);
    상기 연결 부재(120)의 말단에 결합되는 플레이트(130); 및
    상기 플레이트(130)의 중심에 회동가능하게 연결되며 말단에 상기 진자(150)가 결합되는 회전 몸체(140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 진자(150)의 발사 속도 (vs)는 수학식
    Figure pat00004
    (여기서, L은 연결 부재(120)의 길이이고, θ는 진자(150)를 낙하시키기 위해 시계방향으로 회전시킨 회전각이고, g는 중력 가속도이다)로 정의되는 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 연결 부재(120)는 높이 조절이 되는 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 충격흡수 장치(200)는,
    상기 인체의 하박부(20)에 안착되는 안착 플레이트(210);
    상기 안착 플레이트(210)의 양측면에 형성되는 가이드(230); 및
    상기 가이드(230)에 결합되며, 위치 조정이 가능한 충격판(220);을 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 충격판(220)은,
    후면 플레이트(221);
    상기 후면 플레이트(221)에 직각으로 결합되며 가이드(230)가 삽입되는 밑면 플레이트(224); 및
    상기 후면 플레이트(221)와 상기 밑면 플레이트(224)의 가장자리에 연결되며 일정 간격으로 서로 이격되는 2개의 측면 플레이트(222);를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 후면 플레이트(221)의 표면에는 상기 진자(150)가 상기 표면과 충돌될때 발생하는 충격을 완화하기 위해 탄성 부재(223)가 부착되는 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 장탈착은 벨크로(240)를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 인체 모델링은 인체 모델을 대상으로 한 거동 시뮬레이션 결과 데이터와 상기 모션 캡쳐 장치(420)를 이용하여 실측한 거동 데이터를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 거동 데이터는 대흉근, 승모근, 광배근, 삼각근, 이두근, 및 삼두근에 대한 EMG(Electromyograph) 센서의 EMG 측정값인 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 시스템.
  14. (a) 모션 캡쳐 장치(420)가 인체에 부착되는 2개 이상의 마커(410-1 내지 410-n)를 센싱하여 모션 정보를 생성하는 단계; 및
    (b) 컴퓨터(430)가 상기 모션 정보를 이용하여 인체 모델링을 수행하고, 상기 인체 모델링을 통해 인체 거동을 예측하는 단계;를 포함하며,
    상기 인체 모델링은 인체 모델을 대상으로 한 거동 시뮬레이션 결과 데이터와 상기 모션 캡쳐 장치(420)를 이용하여 실측한 거동 데이터를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인체 거동이 예측 가능한 인체 모델링 방법.
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