KR20230051750A - 9축 관성센서를 이용한 보행패턴 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 보행패턴 검출장치는 인간의 보행상태를 검출하여 건강상태를 판단하는 것으로, 신발 내부 뒤꿈치에 보행을 검출할 수 있는 센서류와 무선송신부를 두어 보행상태를 무선으로 송신하는 것으로, 보다 상세하게는 신발내부 뒤꿈치에 수직 및 수평방향의 이동을 감지하는 가속도 센서와 회전을 감지하는 자이로 센서를 두어, 신발이 지면으로부터 상승하여 이동하고 지면에 착지하는 과정에서 발생하는 직선방향 및 회전방향으로의 움직임을 검출하여 정상적인 보행인가를 판단하여 미래의 건강상태를 판단에 이용하게 된다.

Description

9축 관성센서를 이용한 보행패턴 측정장치{Apparatus for measuring a gait pattern using a 9-axis inertial sensors}

본 발명은 신발 내부에 보행을 검출할 수 있는 센서류와 무선송신부를 두어 센서로부터 보행상태를 감지하여 무선으로 송신하여 보행패턴을 측정하는 보행패턴 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신발 내부에 수직 및 수평방향의 이동을 감지하는 가속도 센서와 회전을 감지하는 자이로 센서를 두어, 신발이 지면으로부터 상승하여 이동하고 지면에 착지하는 과정에서 발생하는 직선방향 및 회전방향으로의 움직임을 검출함에 따라, 보행상태를 검출하여 올바른 보행인가를 판단하게 되므로, 미래에 다리부위의 건강상태를 예측할 수 있는 보행패턴 측정장치에 관한 것이다.

통상적으로 보행은 수술환자들의 건강회복 수단으로 널리 권장되는 것으로, 주로 건강상태 확인 및 운동수단으로 사용되고 있으며, 올바르지 않은 보행습관은 건강장애의 요인이 되기도 한다.

현재 보행을 검출하는 방법은 다리부위에 다양한 기구를 장착하여 보행을 측정하거나, 또는 보행시 땅에 착지하는 과정에서 발생되는 충격량을 측정하거나, 착지할때마다 발생되는 충격량으로부터 보행 간격과 보행속도를 판단하여 운동량으로 환산하는 방법을 사용하는 것이 일반화되어있으며, 이러한 장치를 운동량 측정장치라고 한다.

그리고, 신발내부에 전자회로를 장착하여 보행패턴을 측정하는 방법도 사용되고 있으며, 센서에서 발생되는 신호, 즉, 보행자의 보행패턴을 모바일폰 등의 외부기기로 전송할 수 있어, 주기적으로 보행을 관리할 수 도 있다.

그러나 위와 같은 방식으로는 일반적인 운동시간을 산출할 수 있지만, 올바른 보행인가를 파악하기에는 부족한 부분이 있다.

일반적인 정상적인 보행은 11자 보행으로 나타나고, 다리 및 발 등이 정상적인 상황이 아니면, 11자 보행은 어려워질수 있어, 8(八)자 보행 및 8자보행의 반대인 안짱다리 보행으로 나타나게 된다.

그런데, 이상과 같은 종래의 보행분석 기술을 사용하는 경우에는 보행시간 및 보행속도에 따른 운동량을 측정하는 수단으로 사용되므로, 올바른 보행분석을 통해 보행을 교정해주는 수단으로 적용되지 못하는 등의 불편한 단점이 있다.

보행을 분석하기 위하여 사용되고 있는 운동량 측정장치는 보행을 검출하고자 발 주위에 다양한 기구를 장착하여 보행을 측정하거나, 또는 보행 시 땅에 착지하는 과정에서 발생되는 충격량을 측정하거나, 착지 할 때 마다 발생되는 충격량으로부터 보행 간격과 보행속도를 판단하여 운동량으로 환산하는 방법을 사용하고 있어, 측정자가 정상적인 보행을 유지하고 있는지를 판단하기가 곤란하였다.

일반적으로 보행자는 정상적인 11자 보행과, 보행이 불편한 사람의 8(八)자 보행 및 8자 보행의 반대인 안짱다리 보행을 유지하게 되므로, 기존의 운동량 측정장치로는 상기의 보행패턴을 판단하기 곤란하였다.

한편, 신발내부 깔창에 운동량 측정용 전자회로를 두어 보행분석에 이용되고 있으나, 신발 깔창속에 딱딱한 전자회로가 삽입되어 있어서, 보행 중 지면 접촉 시 깔창에서 충격흡수가 원활하게 이루어지지 못한 단점이 있다.

또한, 정상적인 보행은 좌우대칭이어야 하지만, 보행자마다 걸음걸이가 좌우 대칭이 되지 못하는 경우가 있으며, 현재 개발된 운동량 측정장치로는 보행의 좌우편차를 교정하기 곤란한 문제가 있었다.

하기의 특허문헌 1의 “컨트롤러를 장착한 인공지능신발과 운동량측정방법”은 운동량을 측정하는 신발과 운동량측정방법에 관한 것으로, 특히 신발본체에 장착된 보행감지센서, 체지방측정부와 맥박감지센서로 측정된 각종 수치(칼로리소비량, 체지방량, 맥박)를 디스플레이부상에 실시간으로 표시하여 사용자가 자신의 운동량을 주기적으로 체크할 수 있어서 건강관리에 유익하며, 칼로리소비량이나 체지방량은 사용자의 신체조건(키, 몸무게, 나이, 성별, 신발무게)에 근거하여 산출되므로 그 정확도가 높고, 이들 운동량을 각종 외부기기(개인용컴퓨터, 모바일폰, 휴대용메모리)로 전송할 수 있어서 자신의 운동량을 주기적으로 관리할 수 있는 인공지능신발과 운동량 측정방법을 개시하고 있다.

특허문헌 2는 6축 힘/모멘트 센서를 이용한 보행실험을 위한 힘정보 측정용 지능형 신발 및 이를 이용한 힘정보 측정방법”으로서, 사람의 보행 시 발바닥의 앞꿈치와 뒤꿈치에 가해지는 힘과 모멘트를 동시에 측정하는 보행실험을 위한 힘정보 측정용 지능형 신발에 관한 것이다.

또한, 특허문헌 3의 “보행센서가 구비된 신발”은, 감지부에 외부 압력에 의해 펴질 수 있는 굴곡부를 형성함으로써, 굴곡부가 형성된 감지부와 제2 접속부와의 단락에 의하여 보행 횟수를 정확하게 계산할 수 있는 보행센서가 구비된 신발로서, 신발의 내부에 위치하는 깔창; 상기 깔창의 일측에 형성되는 보행센서; 및 상기 신발 또는 깔창의 일측에 형성되고, 상기 보행센서로부터 신호를 받아 보행 횟수를 표시하는 표시부를 포함하며, 상기 보행센서는, 상판과 하판 사이의 양단에 형성되는 제1 및 제2 접속부; 및 일측 끝단이 상기 제1 접속부에 연결되고, 타측 끝단이 상기 제2 접속부와 소정 거리 떨어져 있으며, 다수의 굴곡부가 형성되어 있어 상판에 작용하는 외부 압력에 의해 굴곡부가 펴지면서 타측 끝단이 상기 제2 접속부에 연결되는 감지부를 포함하는 구성을 개시한다.

마지막으로 특허문헌 4는 “운동정보 감지 신발과 단말장치”로서, 신발을 착용한 사용자의 보행과 운동상태를 감지하고 이를 사용자가 단말장치로 확인할 수 있는 운동정보 감지 신발과 단말장치를 제공하는 것으로, 미드솔과 아웃솔을 포함하는 신발에 있어서 전족부에는 관통되어 형성되는 배터리홀과 그 중족부 하면에는 함몰된 수용홈이 마련되는 미드솔과, 상기 미드솔 하면에 접착 결합되며 그 상면에는 상기 수용홈에 대응 삽입되며 3축 가속도센서를 포함하는 컨트롤러와 상기 배터리홀에 관통 삽입되는 배터리와 상기 컨트롤러에 연결된 스위치로 구성되는 센서장치가 안치되는 연질의 센서솔과, 상기 센서솔 하면에 접착 구성되는 아웃솔로 이루어지는 신발 및 상기 컨트롤러의 감지 신호를 수신하고, 이를 가공하여 표시하는 단말장치로 이루어진다.

한국등록특허 제10-0702613호(2007.4.3 공고) 한국등록특허 제10-0941058호(2010.2.5 공고) 한국등록특허 제10-0746504호(2007.8.6 공고) 한국등록특허 제10-1120548호(2012.3.9 공고)

본 발명은 이상과 같은 종래의 문제점을 해소하고자 안출된 것으로, 그 목적은 신발 내부에 수직 및 수평방향의 이동을 감지하는 가속도 센서와 회전을 감지하는 자이로 센서를 두어, 신발이 지면으로부터 상승하여 이동하고 지면에 착지하는 과정에서 발생하는 직선방향 및 회전방향으로의 움직임을 검출함에 따라, 보행상태를 검출하여 올바른 보행인가를 판단할 수 있는 보행패턴 측정장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르는 보행패턴 측정장치는 전원부와, 보행시 발이 지면으로부터 상승하여 이동하고 지면에 착지하는 과정에서 발생하는 직선방향 움직임과 회전방향 움직임을 각각 검출하도록 상기 내부공간에 설치되어 가속도 신호 및 자이로 신호를 검출하는 3축 가속도 센서 및 3축 자이로 센서와, 상기 3축 가속도 센서 및 3축 자이로 센서에서 검출된 가속도 신호 및 자이로 신호를 전송받아 무선통신부를 통해 무선전송하도록 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

가속도 센서는 상하, 좌우, 전후 방향을 검출하는 3축으로 구성되고, 상기 자이로 센서는 한 쌍의 2축 자이로 센서를 사용하여, 상하방향회전, 좌우방향회전, 전후방향회전을 검출하는 3축으로 구성될 수 있다.

가속도 센서에 의해 측정된 보행시간과 보행속도에 의해 보행자의 운동량을 측정할 수 있다.

본 발명의 보행패턴 검출장치로부터 전송된 한쌍의 무선신호를 외부기기로 무선수신하여 보행패턴의 차이를 분석함에 의해 보행의 좌우 대칭성을 파악할 수 있다.

또한 본 발명의 보행패턴 검출장치의 무선통신부는 외부기기에서 수신가능한 블루투스 방식으로 무선전송하며, 블루투스 안테나를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 관점에 따르는 보행자의 보행패턴을 측정하는 신발은 보행패턴 측정장치를 좌우 신발 각각의 뒤꿈치 내부공간에 설치할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 보행시간과 보행속도로부터 운동량을 측정할 수 있으며, 직선운동과 회전운동으로 구성된 보행패턴을 분석하여, 직선운동 분석을 통해서 지면과의 충격량을 검출하여 충격량이 무릎에 미치는 영향을 파악하고, 회전운동 분석을 통해서 11자 보행 및 8자 보행, 안짱다리 보행인가를 판단하고, 나아가 좌우측 보행패턴의 차이를 통해서 보행의 좌우대칭성을 파악할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행패턴 측정장치의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성한 보행패턴 측정장치의 조립도이고,
도 3은 본 발명의 보행패턴 측정장치를 신발 뒤꿈치 내부공간에 설치한 일 실시예이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서의 작동 신호도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로 센서의 작동 신호도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행패턴 측정장치의 작동 타이밍도이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행패턴 측정장치의 작동 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예를 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운영자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행패턴 측정장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성한 보행패턴 측정장치의 조립도이고, 도 3은 본 발명의 보행패턴 측정장치를 신발 뒤꿈치 내부공간에 설치한 일 실시예이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서의 작동 신호도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로 센서의 작동 신호도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행패턴 측정장치의 작동 타이밍도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행패턴 측정장치의 작동 순서도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 보행패턴 측정장치(10)는 보행자의 보행패턴을 보행자가 보행할 때 발이 지면으로부터 상승하여 이동하고 지면에 착지하는 과정에서 나타날 수 있는 발의 운동을 직선방향과 회전방향의 운동으로 분류하여, 직선방향 운동은 3축 가속도 센서(30)를 사용하여 검출하고, 회전방향 운동은 3축 자이로 센서(20)를 사용하여 검출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 검출된 보행신호를 무선통신부(50)를 통해, 무선으로 송신하여 모바일폰 등의 외부기기(도시하지 않음)에서 보행자의 보행패턴을 주기적으로 분석할 수 있도록 제공해줄 수 있다.

본 발명의 보행패턴 측정장치(10)는 전원부(60)와, 3축 가속도 센서(30) 및 3축 자이로 센서(20)에서 검출된 가속도 신호 및 자이로 신호를 전송받아 무선통신부(50)를 통해 무선전송하도록 제어하는 마이크로 컨트롤러(40)를 포함한다.

가속도 센서(30)는 상하, 좌우, 전후 방향을 검출하는 3축으로 구성되고, 자이로 센서(20)는 한 쌍의 2축 자이로 센서(20a)(20b)를 사용하여, 상하방향회전, 좌우방향회전, 전후방향회전을 검출하는 3축으로 구성되어, 검출된 자이로 및 가속도 신호를 마이크로 컨트롤러(40)에 전송한다. 마이크로 컨트롤러(40)는 가속도 및 자이로 센서(30)(20)들의 신호를 무선으로 송신하기 위해서 무선통신부(50)에서 블루투스 방식으로 무선전송하므로, 보행자는 모바일폰 등의 외부기기에서 보행패턴을 분석할 수 있음에 따라, 보행자의 보행 시 발이 지면으로부터 상승하여 이동하고 지면에 착지하는 과정에서 발생하는 직선방향 및 회전방향으로의 움직임을 검출하여 정상적인 보행여부 판단 및 보행시 좌우 대칭의 보행을 유지하고 있는지를 분석할 수 있으며, 나아가 11자 보행 및 8자 보행, 안짱다리 보행인가를 판단하여 보행자의 미래 건강상태를 예측해주는 수단으로 사용하게 된다.

무선통신부(50)는 외부기기에서 수신가능한 블루투스 방식으로 무선전송을 하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이, 무선통신 안테나로서 블루투스 안테나(70)를 포함할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행패턴 측정장치(10)를 보행자의 신발 뒤꿈치 내부공간(11)에 설치한 일 실시예를 나타내고 있다.

이와 같이, 본 발명의 보행패턴 측정장치(10)는 보행자의 좌우 신발(100) 각각에 장착되며, 보행시간과 보행속도 등을 측정함에 따라 운동량 측정장치로 사용할 수 있고, 좌우측 신발(100)에 각각 장착함에 따라, 보행자의 좌우측 보행패턴의 차이점을 측정할 수 있으므로, 정상적인 보행을 판단할 수 있는 분석자료로 사용할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서의 작동 신호도를 나타낸 것으로 실험시간 5.5초 중에서 Y축 회전 1.5초, X축 회전 2초, Z축 회전 2초로 구성하여 실험한 결과값을 나타내고 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로 센서의 작동 신호도를 나타낸 것으로 도 4와 마찬가지로, 실험시간을 5.5초로 설정하였고, Y축 회전 1.5초, X축 회전 2초, Z축 회전 2초로 구성하여 실험한 결과값을 나타내고 있다. 이때, Y축 회전은 Y축을 기준으로 회전시킨 것으로 Y축 직선방향에는 변화량이 없으므로, 가속도(Y)값은 무시하고, 가속도(X)와 가속도(Z)값의 변화량이 검출되고, X축 회전은 X축을 기준으로 회전시킨 것으로, X축 직선방향에는 변화량이 없으므로, 가속도(X)값은 무시하고, 가속도(Y)와 가속도(Z)값의 변화량이 검출되고, Z축 회전은 Z축을 기준으로 회전시킨 것으로, Z축 직선방향에는 변화량이 없으므로, 가속도(Z)값은 무시하고, 가속도(X)와 가속도(Y)값의 변화량이 검출되고 있음을 나타내고 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행패턴 측정장치의 작동 타이밍도로서, 보행자의 보행을 하지 않고 정지한 구간인 (t1)까지는 본 발명의 보행패턴 측정장치(10)는 그 작동을 멈춘상태이고, 보행자가 보행을 시작하는 (t1) 이후의 단계부터 작동을 시작하다가, 보행자가 다시 보행을 하지 않는 구간인 (t2) 이후, 일정시간이 경과하는 (t3) 까지 작동하다가, 계속해서 보행을 하지 않게 되면, 본 발명의 보행패턴 측정장치(10)는 (t3) 이후부터 작동을 멈추어, 보행패턴 측정장치(10)에 사용되는 전원을 최소화하여 장시간 사용이 가능하도록 구성할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행패턴 측정장치의 작동 순서를 나타내고 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 보행패턴 측정장치(10)는 전원부(60)의 작동 이후, 가속도 센서(30)와 자이로 센서(20)의 순차적인 작동에 따른 가속도 및 자이로 신호를 검출하고, 검출된 검출된 자이로 및 가속도 신호를 마이크로 컨트롤러(40)가 무선통신부(50)의 블루투스 안테나(70)를 통해 블루투스 방식으로 모바일폰 등의 외부기기로 무선전송하여, 보행패턴을 분석할 수 있는 것으로, 전원부(60)의 오프되지 않고 보행자의 보행 중에 계속 작동하게 된다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 보행패턴 측정장치(10)는 신발(100) 뒤꿈치에 비어있는 내부공간(11)을 이용하여, 수직 및 수평방향의 이동을 감지하는 3축 가속도 센서(30)와 회전을 감지하는 3축 자이로센서(20)를 설치함에 따라, 신발(100)이 지면으로부터 상승하여 이동하고 지면에 착지하는 과정에서 발생하는 직선방향의 움직임을 3축 가속도 센서(30)에서 검출하고, 보행 중 신발(100)의 회전으로부터 11자 보행 및 8자 보행을 3축 자이로 센서(20)에서 검출하여, 운동량 측정기능과 올바른 보행패턴을 판단할 수 있음에 따라, 보행자 걸음걸이의 좌우편차를 교정할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 보행패턴 측정장치의 작동에 대한 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

10 : 보행패턴 측정장치 20 : 자이로 센서
30 : 가속도 센서 40 : 마이크로 컨트롤러
50 : 무선통신부 60 : 전원부
70 : 무선통신안테나 100 : 신발

Claims (6)

1. 전원부와,
   보행시 발이 지면으로부터 상승하여 이동하고 지면에 착지하는 과정에서 발생하는 직선방향 움직임과 회전방향 움직임을 각각 검출하도록 상기 내부공간에 설치되어 가속도 신호 및 자이로 신호를 검출하는 3축 가속도 센서 및 3축 자이로 센서와,
   상기 3축 가속도 센서 및 3축 자이로 센서에서 검출된 가속도 신호 및 자이로 신호를 전송받아 무선통신부를 통해 무선전송하도록 제어하는 컨트롤러를 포함하는
   보행패턴 검출장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가속도 센서는 상하, 좌우, 전후 방향을 검출하는 3축으로 구성되고,
   상기 자이로 센서는 한 쌍의 2축 자이로 센서를 사용하여, 상하방향회전, 좌우방향회전, 전후방향회전을 검출하는 3축으로 구성된
   보행패턴 검출장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 가속도 센서에 의해 측정된 보행시간과 보행속도에 의해 보행자의 운동량을 측정하는
   보행패턴 측정장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 보행패턴 검출장치로부터 전송된 한쌍의 무선신호를 외부기기로 무선수신하여 보행패턴의 차이를 통해서 보행의 좌우 대칭성을 파악하는
   보행패턴 측정장치.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 보행패턴 검출장치의 무선통신부는 외부기기에서 수신가능한 블루투스 방식으로 무선전송하며, 블루투스 안테나를 포함하는
   보행패턴 측정장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항의 기재에 따른 보행패턴 측정장치를 좌우 각각의 뒤꿈치 내부공간에 설치한 신발.
   

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