KR20230078500A - 웨어러블 동작인식 시스템 - Google Patents

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KR20230078500A
KR20230078500A KR1020220114076A KR20220114076A KR20230078500A KR 20230078500 A KR20230078500 A KR 20230078500A KR 1020220114076 A KR1020220114076 A KR 1020220114076A KR 20220114076 A KR20220114076 A KR 20220114076A KR 20230078500 A KR20230078500 A KR 20230078500A
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KR
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wearable
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KR1020220114076A
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박인규
서보경
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 신체의 동작인식 기술에 관한 것으로써, 본 발명에 따른 웨어러블 동작인식 장치는 공간의 제한성이 없어 더욱 넓은 공간을 확보할 수 있으며, 비전문가도 손쉽게 사용할 수 있는 효율성을 가져 무용과 같은 동작 변화가 많고, 동작 속도가 빠르며, 가동범위가 넓은 다양한 시스템에 적용할 수 있다.

Description

웨어러블 동작인식 시스템{Wearable movement recognition system}
본 발명은 신체의 동작인식 기술에 관한 것이다.
동작인식 기술은 무용/운동에서 움직임을 캡처하기 위해 사용하거나 시청각 장애인을 보조하기 위해 사용한다.
종래의 동작인식기술은 광학식과 비광학식 방식으로 나눌 수 있다. 광학 방식에는 비디오녹화 후 후처리를 사용하는 방법, TOF(Time of flight)/스테레오 카메라를 사용하는 방법, 적외선 카메라를 사용하는 방법이 있다. 비광학식 방식은 전기기계적(electromechanical)인 것과 관성(Inertia), 각도 센서(angular) 등을 사용하는 방법이 있다.
광학식은 한공간에 있는 다수의 사람을 검출할 수 없으며 변화하거나 어두운 조명에 영향을 많이 받는다. 특히 TOF(Time of flight)/스테레오 카메라방식은 여러 개의 3D 카메라를 공간에 둘러 배치하는 방식이나 변화하는 조명에 영향을 받아, 레이저, 조명효과, 색 변화를 수반하는 무용 등의 환경에 적용하기 어렵다. 적외선 카메라를 사용하는 경우에는 추가적인 조명원 (light source)이 필요하다.
비광학식은 여러 센서의 조합이 필요하며, 비광학적 방식으로 센서를 사용한 방법 중 전기기계적 방식은 관절의 두 측정점 사이에 폴리머, 전도성 선 등으로 된 지지체가 있으며 이로 인해 내구성이 양하고, 반복사용에 제한이 있다. 무용과 같은 동작 변화가 많고, 동작 속도가 빠르며, 가동범위가 넓고 다양한 시스템에 적용하기에 제한적이다.
인장 센서의 경우 이전 상태에 현재 상태가 영향을 받는 히스테리시스(hysteresis)를 가지는 문제가 있다. 신축성, 유연 폴리머 기반의 센서는 관절의 각 끝단에 폴리머, 전도성 선 등으로 연결하기 때문에 반복사용 시 내구성이 낮아지고, 히스테리시스를 가지는 문제가 있다.
또한, 손가락의 미세 동작을 구분하기 위하여 자이로, 가속도, 압력센서(근전도 센서)의 감지소자를 사용하여 각각 단독 또는 조합에 의해 여러 동작을 측정하는 방법은 감지소자를 지자기 센서, 가속도계 센서, 자이로 센서로 구성함에 따라 시스템의 제작비용이 비교적 비싸고, 관절의 움직임을 9축으로 감지함에 따라 상대적으로 동작 캡처 과정이 복잡하며, 사용시간이 증가함에 따라 측정오차가 점진적으로 증가한다는 문제가 있다.
등록특허 제10-197188호 (2019.04.18.)
본 발명의 목적은 목 넘김, 심장박동 등의 작은(small-scale movement) 움직임이 아닌 대관절(어깨, 무릎, 골반 등)의 움직임과 소 관절(손가락 등)의 다(多)관절 움직임과 같은 큰 움직임(large-scale movement)을 검출하여 추적(Surveillance), 재활(Rehabilitation), 게임, 그리고 무용 등의 운동을 포함한 다양한 신체 활동을 기록하고 이를 전달하여 생활의 편의를 도모할 수 있는 웨어러블 동작인식 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 사용자의 소관절에 착용가능한 적어도 하나 이상의 소관절센서부; 사용자의 대관절에 착용가능한 적어도 하나 이상의 대관절센서부; 상기 소관절센서부로부터 검출되는 소관절동작데이터 또는 상기 대관절센서로부터 검출되는 대관절 동작데이터를 취득하는 데이터수집부; 및 상기 소관절동작데이터 또는 대관절 동작데이터를 바탕으로 사용자의 동작을 인식하는 동작인식부; 를 포함하는, 웨어러블 동작인식 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 웨어러블 동작인식 시스템은 공간의 제한성이 없어 더욱 넓은 공간을 확보할 수 있으며, 비전문가도 손쉽게 사용할 수 있는 효율성을 가져 무용과 같은 동작 변화가 많고, 동작 속도가 빠르며, 가동범위가 넓은 다양한 시스템에 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 카메라 렌즈에 수직한 방향인 깊이방향 데이터 추출의 한계를 극복할 수 있고, 높은 내구성을 가지고 반복적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 소관절센서부가 손부위에 배치된 것을 나타낸 도면이다.
도 2는 대관절센서부가 대관절부위에 배치된 것을 나타낸 도면이다.
도 3은 소관절센서부가 손가락의 움직임별로 자기모멘트를 감지한 것을 보여주는 도면이다.
도 4는 손가락의 각 움직임에 따라 레이블을 부여한 것을 보여주는 도면이다.
도 5는 손가락의 각 관절의 각도 변화를 보여주는 도면이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부되는 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현할 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략한다.
이하에서 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참고로 설명한다.
도 1내지 도3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 웨어러블 동작인식 시스템은 소관절센서부(110), 대관절센서부(120), 햅틱모션부(130), 데이터수집부(210), 동작인식부(220), 저장부(230) 및 표시부(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 소관절센서부(110), 대관절센서부(120), 햅틱모션부(130)는 사용자의 신체에 착용가능한 웨어러블부(100)로 구성될 수 있다.
또한 데이터수집부(210), 동작인식부(220), 저장부(230)는 컴퓨터 장치와 같은 서버(200)로 구성될 수 있다.
소관절센서부(110)는 자석(111)과 자기센서(112)를 포함하여 구성된다. 대관절센서부(120)도 자석(121)과 자기센서(122)로 구성된다.
자석(111, 121)은 사용자의 관절부위에 배치되어 사용자의 움직임에 따라 자기모멘트의 변화를 일으키며, 자기센서(112, 122)는 자석(111, 121)과 소정의 거리에 배치되어 자석(111, 121)의 자기모멘트 변화를 감지한다.
그리고 소관절센서부(110)는 소관절동작데이터(i1)를 생성하고, 대관절센서부(120)는 대관절동작데이터(i2)를 생성하여 데이터수집부(210)로 전송한다. 이때, 소관절센서부(110), 대관절센서부(120), 및 데이터수집부(210)에는 통신부가 구성되어 데이터를 송수신할 수 있다.
여기서 자석(111, 121)은 부착가능한 형태의 자석 마커로 구성할 수 있으며, 자기센서(112, 122)는 자기모멘트 변화를 감지할 수 있는 홀센서로 구성할 수 있다.
소관절(10)은 손의 손가락관절(11)이며, 대관절(20)은 팔꿈치관절(21), 어깨관절(22), 골반관절(23), 무릎관절(24), 및 발목관절(25)을 포함한다.
도 3을 참조하면, 소관절센서부(110)는 사용자의 손에 배치된다. 자석(111)은 각 손가락의 손가락관절(11)에 배치할 수 있으며, 자기센서(112)는 손등이나 손목부위에 배치할 수 있다.
소관절센서부(110)에서 자석(111)은 손가락마다 배치되므로 적어도 5개가 사용되나 자기센서(112)는 하나를 사용한다. 하나의 자기센서(112)로 다수개 자석의 자기모멘트 변화를 감지한다. 즉, 하나의 자기센서(112)와 5개의 자석(111)이 한 세트로 구성되어 오른손과 왼손에 각각 배치된다.
자석(111)은 각 자석이 서로 인접하지 않도록 각 손가락별로 다른 손가락관절(11)에 배치할 수 있다. 손가락에서 소지, 약지, 중지, 검지, 엄지의 각 손가락관절(11)에 대해 손가락의 길이 방향에서 각 손가락에 배치된 자석이 서로 이격되도록 배치할 수 있다.
예를 들면 도 3에서 볼 수 있는 것처럼 소지, 약지, 중지, 검지, 엄지 순서로 자석(111)은 각 손가락관절(11)에서 엇갈리도록 배치할 수 있다.
이러한 배치를 통해 도 4와 같이 손가락의 움직임 변화에 대해 각각 다른 자기모멘트 변화 값의 패턴을 얻을 수 있으며, 이를 통해 정확한 손의 동작을 인식할 수 있다.
각 손가락마다 자석을 배치하고 각 자석의 배치도 서로 이격되도록 함으로써, 도 4에 나타난 것과 같이 손가락을 모두 핀 동작, 소지를 접는 동작, 약지를 접는 동작, 중지를 잡는 동작, 검지를 접는 동작, 엄지를 접는 동작 등에서 각 동작별로 다른 자기모멘트의 패턴 값을 얻을 수 있다.
도 2를 참조하면, 대관절센서부(120)는 사용자의 대관절(20)인 팔꿈치관절(21), 어깨관절(22), 골반관절(23), 무릎관절(24), 발목관절(25) 중 적어도 하나 이상의 위치에 배치할 수 있다.
대관절센서부(120)는 팔꿈치관절(21), 어깨관절(22), 골반관절(23), 무릎관절(24), 또는 발목관절(25)에 각각 배치할 수 있다. 대관절센서부(120)는 자석(121)과 자기센서(122)가 한 세트로 구성되어 각 대관절(20)별로 자기모멘트의 변화를 각각 감지한다.
데이터수집부(210)는 소관절센서부(110)에서 생성한 소관절동작데이터(i1)와 대관절센서부(120)에서 생성한 대관절동작데이터(i2)를 취득한다.
데이터수집부(210)는 소관절동작데이터(i1)와 대관절동작데이터(i2)를 동작인식부(220)로 송부하고, 동작인식부(220)는 소관절동작데이터(i1)와 대관절동작데이터(i2)를 바탕으로 사용자의 동작을 인식한다.
그리고 저장부(230)에는 소관절(10) 또는 대관절(20)의 움직임에 따른 동작 패턴에 레이블이 부여된 라벨링데이터(i3)가 저장되어 있으며, 동작인식부(220)는 저장부(230)로부터 라벨링데이터(i3)를 전달받는다.
데이터수집부(210)와 동작인식부(220)에는 데이터를 송수신하기 위한 통신부가 포함하여 구성될 수 있다.
동작인식부(220)는 소관절동작데이터(i1) 또는 대관절동작데이터(i2)와 라벨링데이터(i3)로 기계학습을 수행하여 사용자의 동작을 인식할 수 있다.
여기서 기계학습은 PCA(Principal Components Analysis)은 모델을 사용하여 수행할 수 있으나 반드시 이에 한정되지는 않으며 변수들의 개수를 함축시키는 차원축소에 관한 학습모델은 어떤 것이든 사용 가능하다.
여기서 사용자의 동작은 사용자의 손가락 움직임에 해당하는 손동작, 사용자의 몸 움직임에 해당하는 몸동작, 또는 손동작과 상기 몸동작을 포함하는 복합동작 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
여기서 손동작은 도 5, 6과 같은 손가락의 변화에 관한 것이고, 몸동작은 도 7과 같은 몸의 대관절(20)의 움직임에 따른 변화에 관한 것이다. 또한 복합동작은 손동작과 몸동작을 동시에 포함한 것이다.
동작인식부(220)는 도 4와 같이 손가락관절(11) 움직임 패턴에 레이블이 부여된 라벨링데이터(i3)를 저장부(230)로부터 전달받고, 이를 소관절동작데이터(i1)와 기계학습을 통한 매칭으로 사용자의 손동작을 인식할 수 있다.
마찬가지로 동작인식부(220)는 팔꿈치관절(21), 어깨관절(22), 골반관절(23), 무릎관절(24), 또는 발목관절(25)이 관여하는 사용자의 몸동작패턴에 레이블이 부여된 라벨링데이터(i3)를 저장부(230)로부터 전달받고, 이를 대관절동작데이터(2)와 기계학습을 통한 매칭으로 사용자의 몸동작을 인식할 수 있다.
또한, 도 6에서 보여주는 손가락관절(11)의 움직임에 따른 각 관절의 각도변화를 소관절센서부(110)에서 더 측정할 수 있다. 소관절센서부(110)는 손가락관절의 각도변화에 따른 소관절각도데이터를 생성하고, 데이터수집부(21)는 상기 소관절각도데이터를 저장할 수 있다. 그리고, 동작인식부(220)는 손가락의 특정 각도에 따른 움직임 패턴에 따라 레이블이 부여된 라벨링데이터를 저장부(230)에서 전달받고 이를 소관절각도데이터와 기계학습을 통해 매칭하여 사용자의 손동작을 인식할 수 있다.
소관절센서부(10) 및 대관절센서부(20)는 사용자의 신체에 배치되도록 구성되고, 데이터수집부 및 동작인식부는 사용자의 신체 외부의 컴퓨터 장치에 구성된다. 소관절센서부(10) 및 대관절센서부(20)와 데이터수집부 및 동작인식부가 서로 무선통신으로 데이터를 송수신하도록 소관절센서부(10), 대관절센서부(20), 데이터수집부, 동작인식부에는 데이터를 무선으로 송수신할 수 있는 무선통신모듈을 구비할 수 있다. 무선통신모듈로 RF 모듈을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 웨어러블 동작인식 시스템은 사용자의 소관절(10) 또는 대관절(20)에 착용가능한 적어도 하나 이상의 햅틱모션부(130) 를 더 포함할 수 있다.
햅틱모션부(130)는 동작인식부(22)에서 생성된 사용자의 동작을 바탕으로 사용자에게 햅틱 피드백을 전달할 수 있다.
동작인식부(230)는 인식한 사용자의 동작을 바탕으로 햅틱모션데이터(i4)를 생성하고, 이를 다시 사용자에게 햅틱 피드백으로 전달할 수 있다.
햅틱모션부(130)는 액튜에이터와 같은 구동기로 구성될 수 있으며, 착용한 사용자에게 진동 등을 발생시킬 수 있다.
이러한 햅틱모션부(130)의 햅틱 피드백은 도 7과 같이 사용자에게 사용자가 수행해야할 동작에 대한 여러 정보를 전달할 수 있다.
햅틱 피드백의 진동 패턴을 다양화 함으로써, 특정 동작정보(햅틱 시나리오 1)를 전달하거나, 특장 동작을 얼마나 유지해야하는 지 등의 시간정보(햅틱 시나리오 2)를 전달하거나, 특정 방향으로 이동해야하는 지를 알려주는 공간정보(햅틱 시나리오 3)를 전달할 수 있다.
그리고 햅틱모션부(130)와 소관절센서부(110) 또는 상기 대관절센서부(120)는 일체로 구성될 수 있다.
이러한 소관절센서부(110), 대관절센서부(120), 햅틱모션부(130)는 웨어러블부(100)로 형성되어 사용자의 신체에 착용가능한 형태로 구성할 수 있다.
즉, 소관절센서부(10)는 장갑과 같은 형태로 구성할 수 있으며, 대관절센서부(20)는 무용복이나 운동복과 같은 의류형이나 벨트/벤드와 같은 하네스형으로 구성할 수 있다. 장갑, 무용복, 운동복 등에 자석과 자기센서를 부착하여 구성할 수 있다. 또는, 손쉽게 착용가능한 밴드에 구성할 수도 있을 것이다.
또한, 동작인식부(220)에서 인식된 사용자의 동작을 표시하는 표시부(300)를 더 포함할 수 있다. 표시부(300)는 디스플레이장치 등으로 구성되어 사용자의 동작을 시각적으로 보여줄 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
10: 소관절
11: 손가락관절
20: 대관절
21: 팔꿈치관절
22: 어깨관절
23: 골반관절
24: 무릎관절
25: 발목관절
100: 웨어러블부
110: 소관절센서부
111: 자석
112: 자기센서
120: 대관절센서부
121: 자석
122: 자기센서
130: 햅틱모션부
200: 서버
210: 데이터수집부
220: 동작인식부
230: 저장부
300: 표시부

Claims (11)

  1. 사용자의 소관절에 착용가능한 적어도 하나 이상의 소관절센서부;
    사용자의 대관절에 착용가능한 적어도 하나 이상의 대관절센서부;
    상기 소관절센서부로부터 검출되는 소관절동작데이터 또는 상기 대관절센서부로부터 검출되는 대관절동작데이터를 취득하는 데이터수집부; 및
    상기 소관절동작데이터 또는 대관절동작데이터를 바탕으로 사용자의 동작을 인식하는 동작인식부; 를 포함하는,
    웨어러블 동작인식 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 소관절센서부는,
    자석과 상기 자석으로부터 소정의 거리에 배치되는 자기센서를 포함하여 구성되고, 상기 자기센서는 사용자의 움직임에 따른 상기 자석의 자기모멘트의 변화로부터 상기 소관절동작데이터를 생성하는,
    웨어러블 동작인식 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 소관절센서부는 사용자의 손에 배치되되, 상기 자석은 각 손가락관절에 배치되는,
    웨어러블 동작인식 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 자석은 각 자석이 서로 인접하지 않도록 각 손가락별로 다른 관절부위에 배치되는,
    웨어러블 동작인식 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 대관절센서부는,
    자석과 상기 자석으로부터 소정의 거리에 배치되는 자기센서를 포함하여 구성되고, 상기 자기센서는 사용자의 움직임에 따른 상기 자석의 자기모멘트의 변화로부터 상기 대관절동작데이터를 생성하는,
    웨어러블 동작인식 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 대관절센서부는 사용자의 팔꿈치관절, 어깨관절, 골반관절, 무릎관절, 또는 발목관절 중 적어도 하나 이상의 위치에 배치되는,
    웨어러블 동작인식 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    소관절 또는 대관절의 움직임에 따른 동작 패턴에 레이블이 부여된 라벨링데이터가 저장된 저장부; 를 더 포함하고,
    상기 동작인식부는 상기 소관절동작데이터 또는 대관절동작데이터와 상기 라벨링데이터로 기계학습을 수행하여 사용자의 동작을 인식하는,
    웨어러블 동작인식 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    사용자의 동작은 사용자의 손가락 움직임에 해당하는 손동작, 사용자의 몸 움직임에 해당하는 몸동작, 또는 상기 손동작과 상기 몸동작을 포함하는 복합동작 중 하나 이상을 포함하는,
    웨어러블 동작인식 시스템.
  9. 제7 항에 있어서,
    사용자의 소관절 또는 대관절에 착용가능한 적어도 하나 이상의 햅틱모션부; 를 더 포함하고,
    상기 햅틱모션부는 상기 동작인식부에서 생성된 상기 사용자의 동작을 바탕으로 상기 사용자에게 햅틱 피드백을 전달하는 것을 특징으로 하는,
    웨어러블 동작인식 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 햅틱모션부와 상기 소관절센서부 또는 상기 대관절센서부는 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    웨어러블 동작인식 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 동작인식부에서 인식된 사용자의 동작을 표시하는 표시부를 더 포함하는,
    웨어러블 동작인식 시스템.

KR1020220114076A 2021-11-26 2022-09-08 웨어러블 동작인식 시스템 KR20230078500A (ko)

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KR20210165524 2021-11-26

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100197188B1 (ko) 1995-04-17 1999-06-15 모리시다 요이치 고내압회로 및 전압레벨 변환회로

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KR100197188B1 (ko) 1995-04-17 1999-06-15 모리시다 요이치 고내압회로 및 전압레벨 변환회로

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