KR20240033329A - Waist load measuring method and terminal equipped with waist load prediction application - Google Patents

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KR20240033329A
KR20240033329A KR1020220111833A KR20220111833A KR20240033329A KR 20240033329 A KR20240033329 A KR 20240033329A KR 1020220111833 A KR1020220111833 A KR 1020220111833A KR 20220111833 A KR20220111833 A KR 20220111833A KR 20240033329 A KR20240033329 A KR 20240033329A
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KR1020220111833A
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최우철
임기택
이세영
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연세대학교 원주산학협력단
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Abstract

허리 부하 측정 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명의 허리를 구부리는 동작 간에 허리에 발생한 부하를 실시간으로 측정하기 위한 허리 부하 측정 방법은, 상체 움직임 데이터(kinematic data)를 이용하여, 허리 구부림 간에 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 발생하는 압력힘(compressive force)으로 허리 부하를 측정하도록 구성함으로써 상체 움직임 데이터 (kinematic data)를 이용하여 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 가해지는 압력힘(compressive force)을 측정할 수 있어, 작업자가 작업간 허리에 가해지는 부하를 실시간으로 인지하여, 허리 부상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.A method and device for measuring waist load are disclosed. The waist load measurement method for measuring the load generated on the waist between bending movements of the present invention in real time uses upper body movement data (kinematic data) to measure lumbar vertebrae 5 and sacrum 1 (L5/S1) during waist bending. ) By measuring the lumbar load using the compressive force generated between the upper body movement data (kinematic data), the compressive force applied between the 5th lumbar vertebra and the 1st sacral vertebra (L5/S1) ) can be measured, which has the effect of minimizing back injuries by allowing workers to recognize the load on their backs in real time while working.

Description

허리 부하 측정 방법 및 장치{WAIST LOAD MEASURING METHOD AND TERMINAL EQUIPPED WITH WAIST LOAD PREDICTION APPLICATION}Waist load measuring method and device {WAIST LOAD MEASURING METHOD AND TERMINAL EQUIPPED WITH WAIST LOAD PREDICTION APPLICATION}

본 발명은 움직임 간에 발생하는 허리 부하 예측 알고리즘에 관한 것으로, 보다 상세하게는 요통 발생의 원인 중 하나인 허리를 구부리는 동작 간에 발생하는 부하를 실시간으로 측정할 수 있는 움직임 간에 발생하는 허리 부하 측정 방법 및 그 장치에 관한 기술이다.The present invention relates to a prediction algorithm for lumbar load occurring between movements, and more specifically, a method for measuring lumbar load occurring between movements that can measure in real time the load occurring between bending the waist, which is one of the causes of low back pain. and technology related to the device.

근골격계 질환은 작업자 특성, 작업자가 수행하는 작업 형태, 작업 환경 등과 밀접한 관계를 가지고 있다. 기술의 발달로 작업의 많은 부분이 기계화, 자동화 생산시스템으로 변화함에 따라, 생산 조립생산현장의 작업자는 단순하고 반복적인 작업을 실시하는 작업시간이 많은 시간을 차지하고 있다. 지속적으로 단순하고 반복적인 작업을 실시할 때 문제점으로는 작업자들이 심리적으로는 지루하게 느끼고, 신체적으로는 작업관련 근골격계 질환의 원인으로 작용할 수 있다.Musculoskeletal diseases are closely related to worker characteristics, the type of work performed by the worker, and the work environment. As technology advances and many parts of the work are transformed into mechanized and automated production systems, workers at production and assembly sites spend a lot of time performing simple and repetitive tasks. The problem with continuously performing simple and repetitive tasks is that workers feel bored psychologically, and physically it can act as a cause of work-related musculoskeletal disorders.

작업관련 근골격계 질환은 치료에 많은 비용과 시간이 필요하며, 작업에 복귀한 후에도 재발병의 위험성을 내포하고 있으므로, 근골격계 질환은 치료보다는 근골격계 질환을 미연에 예방하는 것이 필요하다.Work-related musculoskeletal diseases require a lot of money and time to treat, and involve a risk of recurrence even after returning to work. Therefore, it is necessary to prevent musculoskeletal diseases in advance rather than treat them.

근골격계 질환을 예방하기 위한 방법으로는 작업순환이 대표적인 예방방법이지만, 정확한 작업자 작업부하의 측정이 힘들고, 근골격계 질환을 예방하기 위한 효과적인 작업순환 순서를 결정하는 방법이 없다.Work rotation is a representative prevention method to prevent musculoskeletal disorders, but it is difficult to accurately measure worker workload, and there is no way to determine an effective work rotation sequence to prevent musculoskeletal disorders.

작업자의 작업부하를 현장에서 측정하기 위한 방법으로 대표적인 것이 작업자세를 기준으로 평가하는 것이다.A representative method for measuring a worker's workload in the field is evaluation based on working posture.

그러나 모든 작업자세를 직접 평가하는 것에는 많은 시간과 인력이 소모되어 일반적으로 대표 작업자세를 선정하여 작업부하를 측정하는 것이 현실이다.However, directly evaluating all working postures consumes a lot of time and manpower, so the reality is that workload is generally measured by selecting representative working postures.

작업자의 작업자세를 실시간으로 수집하고 평가하는 것이 모션캡쳐 기술을 활용을 통해 가능하게 되었다. 따라서 기존에 불가능하였던 작업자의 모든 동작에 대한 작업부하를 산정하는 것이 가능하며, 보다 정확하게 작업자 작업부하를 결정할 수 있다.Collecting and evaluating workers' working posture in real time has become possible through the use of motion capture technology. Therefore, it is possible to calculate the workload for all movements of the worker, which was previously impossible, and the worker workload can be determined more accurately.

특히 요통 발생 원인 중 하나인 반복적인 허리 구부리는 동작에서 허리에 발생하는 부하를 실시간으로 측정함으로써 요통 발생의 확률을 낮추고자 시도하는 연구들이 활성화되어 있다. In particular, research is active to attempt to lower the probability of low back pain by measuring the load generated on the lower back in real time during repetitive bending, which is one of the causes of low back pain.

기존에는 허리의 동작을 측정하기 위한 장비로 미국 오하이오 주립대학에서 개발한 요추동작측정기(Lumbar Motion Monitor; LMM)가 있다. 미국에서 개발한 요추동작 측정기 일명 LMM은 산업현장에서 작업자가 작업을 수행하는 동안의 척추의 상태를 표현한다. 이는 동적인 허리동작을 3차원으로 정확하게 표현하기 위한 측정장비이나 4개의 potentiometer를 사용하여 측정된 동작 각도를 미분하여 추정된 값을 표현하고 있다. Existing equipment for measuring waist motion is the Lumbar Motion Monitor (LMM) developed by Ohio State University in the United States. The lumbar motion measuring instrument, also known as LMM, developed in the United States, expresses the state of the spine while a worker performs work in an industrial site. This is a measuring device for accurately expressing dynamic waist motion in three dimensions, but it expresses the estimated value by differentiating the measured motion angle using four potentiometers.

또한, 요추동작측정기를 사용하기 위해서는 기존에 요추에 부과되는 압축력(compressive force)에 관련된 측정 자료가 장비에 입력이 되어 있어야만 분석이 가능한 단점을 가지고 있으며, 작업자의 동작에 대한 자료를 실시간으로 표현하는 것이 아니라 최종 결과만을 표시하는 단점을 가지고 있었다.In addition, in order to use a lumbar motion measuring device, existing measurement data related to the compressive force applied to the lumbar spine must be input into the equipment for analysis, and it has the disadvantage of being able to analyze data on the worker's motion in real time. It had the disadvantage of only displaying the final result.

한편, 모션 캡쳐(Motion Cature)란 신체에 센서를 부착시키거나, 적외선 카메라 등을 이용하는 방법으로 인체의 움직임을 파악하여 디지털 형태로 기록하는 작업을 말한다. 이러한 모션 캡쳐를 통해 얻어지는 모션 캡쳐 데이터는 디지털 콘텐츠로서, 부하 측정이나 애니메이션, 영화 게임, 동작분석, 재활 등 다양하게 활용된다.Meanwhile, motion capture refers to the process of capturing the movement of the human body and recording it in digital form by attaching a sensor to the body or using an infrared camera. Motion capture data obtained through such motion capture is digital content and is used in a variety of ways, such as load measurement, animation, movie games, motion analysis, and rehabilitation.

모션 캡쳐 시스템은 데이터를 추출하는 방식에 따라 광학식, 기계식, 센서식으로 구분될 수 있다. 광학식은 대상의 움직임을 측정하기 위해 소정의 부위에 마커를 부착한 후 다수의 카메라를 통해 촬영함으로써 위치 데이터를 추출하는 방식이다. 고속으로 촬영이 가능하고 대상의 움직임에 제약이 적다는 장점이 있으나, 장비가 매우 고가이고 마커가 가려지는 경우 데이터가 손실되는 단점이 있다. 기계식은 인체의 각 관절부위의 움직임을 기계장치 부착을 통해 캡처하는 방식으로, 제공되는 데이터는 실시간으로 추출된 관절별 회전데이터로서 매우 정확한 데이터를 제공받을 수 있다. 그러나 고중량의 기계 장치를 부착함에 따라 대상이 자연스러운 움직임에 제약을 받게 되고 이로 인해 동작데이터의 추출에도 한계가 있다. 센서식은 대상의 각 관절 부위에 자기장을 발생하는 센서를 부착하고 대상의 움직임에 따른 자기장의 변화를 측정하여 위치데이터를 추출하는 방식이다. 케이블로 인한 대상의 동작 제한 등의 문제점을 가지고 있으나, 최근 MEMS(Microelectromechanical systems) 기술과 무선 통신 기술이 발전함에 따라 이러한 문제점들이 해결되고 있다.Motion capture systems can be classified into optical, mechanical, and sensor types depending on the method of extracting data. The optical method is a method of extracting location data by attaching a marker to a certain area to measure the movement of an object and then photographing it through multiple cameras. It has the advantage of being able to shoot at high speeds and has few restrictions on the subject's movement, but it has the disadvantage of being very expensive and causing data loss if the marker is obscured. The mechanical method captures the movement of each joint of the human body by attaching a mechanical device, and the data provided is rotation data for each joint extracted in real time, so very accurate data can be provided. However, by attaching a heavy mechanical device, the subject's natural movement is restricted, which limits the extraction of motion data. The sensor method attaches a sensor that generates a magnetic field to each joint of the object and extracts location data by measuring changes in the magnetic field according to the object's movement. There are problems such as limitations in the movement of objects due to cables, but these problems are being solved with the recent development of MEMS (Microelectromechanical systems) technology and wireless communication technology.

센서식 모션 캡쳐 시스템의 경우 위치 이동 연산에 이용되는 가속도 신호를 측정하기 위하여 가속도 센서를 필수적으로 포함한다. 가속도 신호를 적분하여 대상의 이동 거리 및 이동 속도 등을 산출하게 된다.In the case of a sensor-type motion capture system, an acceleration sensor is essentially included to measure the acceleration signal used in position movement calculation. By integrating the acceleration signal, the moving distance and moving speed of the object are calculated.

JP 특허 공보 제6968351호(2021.10.29)JP Patent Publication No. 6968351 (2021.10.29)

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 모션캡쳐 시스템을 이용하여, 허리 구부림 간에 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 발생하는 압력힘(compressive force)을 측정하는 알고리즘을 개발하여 앱에 탑재할 수 있는 허리 부하 측정 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.To solve this problem, the present invention uses a motion capture system to develop an algorithm to measure the compressive force that occurs between the 5th lumbar vertebra and the 1st sacrum (L5/S1) when bending the waist, and provides it to the app. The purpose is to provide a method and device for measuring lumbar load that can be mounted.

또한, 본 발명은 상체 움직임 데이터 (kinematic data)를 이용하여 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 가해지는 압력힘(compressive force)을 측정할 수 있는 허리 부하 측정 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.In addition, the present invention provides a method and device for measuring lumbar load that can measure the compressive force applied between lumbar 5 and sacral 1 (L5/S1) using upper body movement data (kinematic data). provided for a different purpose.

그리고 본 발명은 몸에 착용된 IMU 센서를 통해 실시간으로 허리에 가해지는 압력힘을 예측할 수 있는 허리 부하 측정 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.Another purpose of the present invention is to provide a method and device for measuring waist load that can predict the pressure force applied to the waist in real time through an IMU sensor worn on the body.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 허리를 구부리는 동작 간에 허리에 발생한 부하를 실시간으로 측정하기 위한 허리 부하 측정 방법은, 상체 움직임 데이터(kinematic data)를 이용하여, 허리 구부림 간에 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 발생하는 압력힘(compressive force)으로 허리 부하를 측정하도록 구성함으로써 달성될 수 있다.To solve this problem, the waist load measurement method for measuring the load generated on the waist between bending movements in real time of the present invention uses upper body movement data (kinematic data) to measure the 5th lumbar vertebra and sacrum between waist bending. This can be achieved by configuring the waist load to be measured using the compressive force that occurs between number 1 (L5/S1).

이러한 상체 움직임 데이터(kinematic data)는 motion capture system(VICON)을 이용한 상체의 위치데이터와 IMU를 이용하여 가속도와 각속도에 대한 데이터를 수집하여 구성하고, 측정한 압력힘은 미국 National Institute of Safety and Health(NIOSH)의 허리 부상 예방 가이드라인(압력힘 3,400N 이하)를 기준으로, 측정된 압력힘이 3,400N이하인 경우에는 안전한 움직임으로 그리고 압력힘이 3,400N을 초과한 경우에는 위험한 움직임으로 판단한다.This upper body movement data (kinematic data) is composed by collecting upper body position data using a motion capture system (VICON) and data on acceleration and angular velocity using an IMU, and the measured pressure force is collected from the U.S. National Institute of Safety and Health Based on the (NIOSH) back injury prevention guidelines (pressure force of 3,400N or less), if the measured pressure force is less than 3,400N, it is judged as a safe movement, and if the pressure force exceeds 3,400N, it is judged as a dangerous movement.

설명의 편의를 위하여 본 발명에서는 작업자를 돌봄받는자와 돌봄주는자로 구별하여 설명하기로 한다.For convenience of explanation, the present invention will describe workers by distinguishing between care recipients and caregivers.

허리부하는 (a)태스크(Task)를 수행하는 동안 모션 캡쳐 시스템(motion capture system)과 IMU를 이용하여 돌봄주는 자와 돌봄받는 자의 위치데이터를 수집하는 단계와, (b)상기 (a)단계에서 수집한 상체의 위치데이터로 허리부하를 측정하는 단계 및 (c)IMU로 수집한 데이터를 이용하여 허리부하 기준 분류 모델을 생성하는 단계를 포함하게 구성한다.The waist load includes (a) collecting location data of the caregiver and the caregiver using a motion capture system and IMU while performing the task, and (b) step (a) above. (c) measuring the waist load using the upper body position data collected in and (c) creating a waist load standard classification model using the data collected by the IMU.

따라서 본 발명의 허리 부하 예측 방법 및 그 어플리케이션을 구비한 단말기에 의하면, 상체 움직임 데이터 (kinematic data)를 이용하여 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 가해지는 압력힘(compressive force)을 측정할 수 있어, 작업자가 작업간 허리에 가해지는 부하를 실시간으로 인지하여, 허리 부상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.Therefore, according to the lumbar load prediction method of the present invention and the terminal equipped with the application, the compressive force applied between the 5th lumbar vertebra and the 1st sacrum (L5/S1) is calculated using upper body movement data (kinematic data). can be measured, which has the effect of minimizing back injuries by allowing workers to recognize the load on their backs in real time while working.

또한, 본 발명의 허리 부하 예측 방법 및 그 어플리케이션을 구비한 단말기에 의하면, 허리 구부림 간에 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 발생하는 압력힘(compressive force)을 측정하는 알고리즘을 개발하여 앱에 탑재할 수 있기 때문에 작업자가 작업간 허리에 가해지는 부하를 실시간으로 인지하여, 허리 부상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the lumbar load prediction method of the present invention and the terminal equipped with the application, an algorithm was developed to measure the compressive force that occurs between the 5th lumbar vertebra and the 1st sacrum (L5/S1) during waist bending. Because it can be installed in the app, workers can recognize the load on their backs in real time while working, which has the effect of minimizing back injuries.

그리고 본 발명의 허리 부하 예측 방법 및 그 어플리케이션을 구비한 단말기에 의하면, 몸에 착용된 IMU 센서를 통해 실시간으로 허리에 가해지는 압력힘을 예측하고, 허리 부상 예방 가이드라인 (압력힘 3,400N 이하)를 기준으로, 위험한 / 안전한 움직임을 판단하여 작업자에게 알려주어 위험을 사전에 방지할 수 있는 효과가 있다.And according to the terminal equipped with the waist load prediction method and application of the present invention, the pressure force applied to the waist is predicted in real time through an IMU sensor worn on the body, and back injury prevention guidelines (pressure force of 3,400N or less) are predicted. Based on this, it is effective in preventing danger in advance by judging dangerous/safe movements and notifying workers.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 허리 부하 측정 장치의 주요 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 허리 부하 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 3은 본 발명 어플리켄이션을 이용한 허리 부하 측정 결과를 표시하는 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 4는 돌봄주는자와 돌봄받는자에게 부착된 마커를 예시한 도면,
도 5는 마커가 부착된 피부에서부터 디스크사이의 거리를 계산하는 일례를 도시한 도면,
그리고
도 6은 정적 균형 공식을 바탕으로 계산된 공식을 예시한 도면이다.
1 is a main configuration diagram of a waist load measuring device according to an embodiment of the present invention,
Figure 2 is a flowchart illustrating a method for measuring waist load according to an embodiment of the present invention;
Figure 3 is a flowchart illustrating a method of displaying waist load measurement results using the application of the present invention;
Figure 4 is a diagram illustrating markers attached to the caregiver and the care recipient;
Figure 5 is a diagram showing an example of calculating the distance between the skin to which the marker is attached and the disc;
and
Figure 6 is a diagram illustrating a formula calculated based on the static balance formula.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims are not to be construed limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor can appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted based on the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary. In addition, terms such as "...unit", "...unit", "module", and "device" used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which is implemented by a combination of hardware and/or software. It can be.

명세서 전체에서 "및/또는"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목"의 의미는 제1, 제2 또는 제3 항목뿐만 아니라 제1, 제2 또는 제3 항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.Throughout the specification, the term “and/or” should be understood to include all possible combinations from one or more related items. For example, “the first item, the second item and/or the third item” means not only the first, second or third item, but also the meaning that may be derived from two or more of the first, second or third items. It means a combination of all possible items.

명세서 전체에서 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c, ...)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 한정하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.Throughout the specification, identification codes (e.g., a, b, c, ...) for each step are used for convenience of explanation. The identification codes do not limit the order of each step, and each step Unless a specific order is clearly stated in the context, it may occur in a different order than the specified order. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the opposite order.

이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 허리 부하 측정 장치의 주요 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 허리 부하 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 도시된 바와 같이 본 발명의 허리 부하 측정 방법 및 그 장치는 허리를 구부리는 동작 간에 허리에 발생한 부하를 실시간으로 측정하기 위하여, 상체 움직임 데이터(kinematic data)를 이용하여, 허리 구부림 간에 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 발생하는 압력힘(compressive force)으로 허리 부하를 측정하는 것을 하나의 특징으로 한다.Figure 1 is a main configuration diagram of a waist load measuring device according to an embodiment of the present invention, and Figure 2 is a flow chart for explaining a method of measuring waist load according to an embodiment of the present invention. As shown, the present invention The lumbar load measurement method and device uses upper body movement data (kinematic data) to measure the load generated on the waist between bending movements in real time, measuring the 5th lumbar vertebrae and 1st sacrum (L5/S1) between bending the waist. ) One feature is that the waist load is measured by the compressive force generated between the two.

즉, 신체에 부착된 모션 감지 시스템(motion capture system(VICON))과 IMU 센서를 통해 실시간으로 허리에 가해지는 압력힘(compressive force)을 예측하고, 측정된 압력힘과 미국 National Institute of Safety and Health (NIOSH)의 허리 부상 예방 가이드라인(압력힘 3,400N 이하)과 비교하여, 위험한 움직임과 안전한 움직임을 판단하여 작업자에게 알려주는 기술에 관한 것이다.In other words, the compressive force applied to the waist is predicted in real time through the motion capture system (VICON) and IMU sensor attached to the body, and the measured pressure force is measured by the U.S. National Institute of Safety and Health. This is about a technology that determines dangerous and safe movements and informs workers of them, compared to the (NIOSH) back injury prevention guidelines (pressure force of 3,400N or less).

또한, 모션 감지 시스템(motion capture system;이하 VICON이라 함)은 상체의 움직임 데이터를 측정할 수 있도록 VICON을 이용하였으며, 동시에 IMU sensor를 이용해 가속도, 속도, 각속도의 정보를 수집하게 하고, 이러한 가속도, 속도, 각속도의 정보로부터 특징을 추출할 수 있도록 한다.In addition, the motion capture system (hereinafter referred to as VICON) uses VICON to measure movement data of the upper body, and at the same time collects information on acceleration, speed, and angular velocity using an IMU sensor. It allows features to be extracted from speed and angular velocity information.

다시 말하면 본 발명은 kinematic 정보로 VICON을 이용하여 상체의 위치 데이터를 수집하고, IMU를 이용한 가속도, 속도, 각속도 데이터를 수집한다.In other words, the present invention collects upper body position data using VICON as kinematic information, and acceleration, velocity, and angular velocity data using IMU.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 사용자의 움직임을 관측하여 요추 부하량을 실시간으로 계측하기 위한 장치는, 먼저 사용자의 주요 관절의 양측 또는 일측에 부착되어 주요 관절이 꺾인 각도와 비틀림, 그리고 위치데이터를 계측하기 위하여 마커(130)를 사용자의 신체에 부착하고 가속도와 각속도를 측정하기 위하여 IMU센서를 사용자의 신체에 부착한다.Referring to Figure 1, the device for measuring the lumbar load in real time by observing the user's movements according to an embodiment of the present invention is first attached to both sides or one side of the user's major joints and measures the bending angle and twist of the major joints. , and a marker 130 is attached to the user's body to measure location data, and an IMU sensor is attached to the user's body to measure acceleration and angular velocity.

본 발명에서는 각 관절 부분의 위치 정보를 얻기 위하여 바이콘(Vicon) 모션 캡쳐 시스템을 사용한다.In the present invention, the Vicon motion capture system is used to obtain location information of each joint part.

IMU(Inertial Measurement Unit)는 관성 측정 장치로, 관성을 측정하여 최종적으로 구하고자 하는 값은 물체가 기울어진 각도를 정확하게 측정하기 위한 것으로 가속도 센서(Acceleration Sensor), 각속도 센서(Gyroscope, 자이로스코프)로 이루어져 있으며(6축) 일부는 지자기 센서(Magnetometer)를 포함할 수 있다.IMU (Inertial Measurement Unit) is an inertial measurement device, and the final value to be obtained by measuring inertia is used to accurately measure the tilt angle of an object, using an acceleration sensor and an angular velocity sensor (gyroscope). It consists of (6 axes) and some may include a geomagnetic sensor (Magnetometer).

가속도 센서는 물체에 작용하는 가속력과 진동력, 충격력 등 동적 힘이 발생했을 때, 움직임의 변화에 따른 가속도의 변화(단위: m/s^2)를 순간적으로 감지해낸다.An acceleration sensor instantly detects changes in acceleration (unit: m/s^2) due to changes in movement when dynamic forces such as acceleration force, vibration force, and impact force acting on an object occur.

센서에서 얻어지는 출력값인 가속도를 적분하여 물체의 진행 방향에 대한 속도를 계산할 수 있고, 이를 가공하면 물체의 위치를 알아낼 수 있다.By integrating the acceleration, which is the output value obtained from the sensor, the speed in the direction of movement of the object can be calculated, and by processing this, the position of the object can be found.

각속도센서(자이로스코프)는 대표적인 관성 센서로, 물체의 회전 변화량인 각속도(단위: rad/s)을 측정한다.An angular velocity sensor (gyroscope) is a representative inertial sensor that measures angular velocity (unit: rad/s), which is the change in rotation of an object.

자이로스코프는 중력을 이용하여 코리올리 힘을 검출한다. 중력이 가해질 때 진동 속도가 변하는 것을 각속도로 계산해, 질량과 진동 속도를 통해 값을 측정하여 검출할 수 있다.Gyroscopes use gravity to detect the Coriolis force. The change in vibration speed when gravity is applied can be calculated by calculating the angular speed and detecting the value by measuring the mass and vibration speed.

지자기센서는 지구 자기장의 세기(자기선속)와 방향(자북)을 기준으로 틀어진 각도)을 측정하는 센서이다.A geomagnetic sensor is a sensor that measures the strength (magnetic flux) and direction (angle offset relative to magnetic north) of the Earth's magnetic field.

물체가 바라보는 방향이 북쪽 방향과 정렬되어 지구의 자기력선과 일치할 때 센서의 측정값이 최대값과 최소값을 가진다.When the direction an object is facing is aligned with the north direction and coincides with the Earth's magnetic field lines, the sensor's measured values have maximum and minimum values.

따라서 지자기 센서는 주변 전기장, 자기장의 유무에 따라 측정값이 달라질 수도 있으므로 주의해야 한다.Therefore, caution must be taken with geomagnetic sensors as measured values may vary depending on the presence or absence of surrounding electric or magnetic fields.

이러한 IMU센서는 Both arm(양쪽 팔), 팔뚝(forearm), 허벅지(thighs), 정강이(shins), and 허리(waist)에 부착되는 것을 기본으로 설명하기로 한다.These IMU sensors will be explained on the basis that they are attached to both arms, forearms, thighs, shins, and waist.

즉, IMU는 팔뚝에 부착되는 제1센서(141) Both arm에 부착되는 제2센서(142), 허리에 부착되는 제3센서(143), 허벅지에 부착되는 제4센서(144), 정강이에 부착되는 제5센서(145)로 가속도와 속도, 각속도 등을 추출하도록 동작한다.That is, the IMU includes the first sensor 141 attached to the forearm, the second sensor 142 attached to both arms, the third sensor 143 attached to the waist, the fourth sensor 144 attached to the thigh, and the second sensor 142 attached to the both arms. It operates to extract acceleration, velocity, angular velocity, etc. using the attached fifth sensor 145.

또한, 본 발명에서는 몸의 무게 중심을 알기 위해서는 각 관절 부분의 위치 정보가 필요하기 때문에 위치 정보를 얻기 위하여 바이콘(Vicon) 모션 캡쳐 시스템을 사용한다.Additionally, in the present invention, since location information of each joint is required to know the body's center of gravity, the Vicon motion capture system is used to obtain location information.

모션 캡쳐 시스템은 적외선 카메라를 통해 몸에 부착시킨 마커에 적외선을 쏘며, 마커에 반사되는 적외선으로 3차원에서 시간에 따른 x, y, z축의 좌표를 제공해준다. The motion capture system shoots infrared rays at a marker attached to the body through an infrared camera, and the infrared rays reflected by the marker provide coordinates of the x, y, and z axes according to time in three dimensions.

본 발명에선 돌봄주는 자에게 부착된 마커 17개(도 4 참조), 돌봄받는 자에게 부착된 마커 6개(도 4참조)로부터 상체의 관절 부분의 위치 정보를 습득한다. In the present invention, location information of joint parts of the upper body is acquired from 17 markers attached to the caregiver (see FIG. 4) and 6 markers attached to the caregiver (see FIG. 4).

도 4는 돌봄주는자와 돌봄받는자에게 부착된 마커를 예시한 도면으로, 돌봄주는자와 돌봄받는자의 신체 부위에 마커가 부착되는 위치를 예시하고 있다.Figure 4 is a diagram illustrating markers attached to the caregiver and the care recipient, illustrating the locations where the markers are attached to the body parts of the caregiver and the caregiver.

예를 들면, 돌봄주는 자는 좌우 손목 각각 2군데, 좌우 팔꿈치 각각 2군데, 좌우 어깨 각 1군데, 골반 부위 3군데, 허리부위 4군데 해서 마커를 17개 부착하고, 돌봄받는 자는 전면 어깨부위 3군데와 후면 어깨부위 3군데에 마커를 부착하는 것이다.For example, the caregiver attaches 17 markers at 2 locations on each left and right wrist, 2 locations each on the left and right elbows, 1 location each on the left and right shoulders, 3 locations on the pelvis, and 4 locations on the waist, and the caregiver attaches 17 markers on the front shoulder area at 3 locations. Markers are attached to three places on the back and shoulder area.

제어장치(100)는 마커로부터 수집한 정보를 이용하여 허리 부하를 측정하도록 구성한다.The control device 100 is configured to measure waist load using information collected from the marker.

이를 위하여 제어장치(100)는 사용자의 움직임을 촬영하기 위한 촬영부(120), 마커로부터 획득된 데이터와 촬영부(120)에 의해 촬영된 사용자의 움직임에 기반하여 실시간으로 허리 부하량을 계산하기 위한 제어부(110), 및 사용자를 조명을 제어하기 위한 조명모듈(154)을 포함한다.To this end, the control device 100 includes a photographing unit 120 for photographing the user's movements, a device for calculating the amount of waist load in real time based on data obtained from the marker and the user's movements photographed by the photographing portion 120. It includes a control unit 110 and a lighting module 154 for controlling lighting for the user.

촬영부(120)는 사용자의 움직임을 촬영하기 위한 카메라 모듈로 구성되며, 상기 카메라 모듈을 수평으로 유지하기 위한 짐벌(gimbal)을 포함할 수 있다.The photographing unit 120 consists of a camera module for photographing the user's movements, and may include a gimbal to maintain the camera module horizontally.

제어부(120)는 촬영부(120)에 의해 촬영된 영상을 분석하기 위한 영상 분석 모듈, 촬영부(120)와 조명부(150)의 동작을 제어하기 위한 카메라 및 조명 제어 모듈, 그리고 센서로부터 분석한 결과 및 영상 분석 결과에 기반하여 실시간으로 사용자의 요추 부하량을 계산하기 위한 실시간 요추 부하량 계산 모듈을 포함할 수 있다.The control unit 120 includes an image analysis module for analyzing the image captured by the photographing unit 120, a camera and lighting control module for controlling the operations of the photographing unit 120 and the lighting unit 150, and an image analysis module for analyzing the image captured by the sensor. It may include a real-time lumbar load calculation module for calculating the user's lumbar load in real time based on the results and image analysis results.

또한, 제어장치(100)는 마커(130)와 외부 단말기(200)와 통신하기 위한 통신부(160)를 포함한다.Additionally, the control device 100 includes a marker 130 and a communication unit 160 for communicating with the external terminal 200.

또한, 제어장치(100)는 측정한 허리 부하를 측정자별로 저장부(170)에 이벤트별로 저장하고, 관리자 단말기(200)로 이벤트 내역을 전송할 수 있도록 할 수도 있다.Additionally, the control device 100 may store the measured waist load by event in the storage unit 170 for each measurer and transmit the event details to the administrator terminal 200.

또한, 단말기(200)는 어플리케이션을 실행하여 제어장치(100)로부터 발생한 이벤트 내역을 수신하여 표시하거나 또는 측량된 허리 부하에 대한 내용을 표시하여 음성이나 시각을 통하여 위험한 이승인지 안전한 이승인지를 확인할 수 있게 한다.In addition, the terminal 200 executes the application to receive and display event details occurring from the control device 100 or display content about the measured waist load to confirm whether riding is dangerous or safe through voice or vision. let it be

이때도 단말기의 스피커를 통하여 안전한 움직임으로 출력하거나 또는 위험한 움직임으로 출력하여 주의를 환기시켜 안전사고를 미연에 방지하게 할 수 있다.Even in this case, it is possible to prevent safety accidents in advance by drawing attention by outputting a safe movement or a dangerous movement through the terminal's speaker.

이러한 어플리케이션은 단말기의 저장부에 저장하되, 앱스토어 등을 통하여 관련 앱을 다운받아 저장하거나 또는 이동통신망을 통해 웹서버로 동작하는 클라우드서버(미도시)에 접속하여 어플리케이션을 다운받아 설치되도록 구성된다.These applications are stored in the storage of the terminal, and the related apps are downloaded and stored through the App Store, etc., or the applications are downloaded and installed by connecting to a cloud server (not shown) that operates as a web server through a mobile communication network. .

바람직하게는 앱(App)의 설치과정에서 회원가입을 통하여 서버의 인증과정을 거쳐 어플리케이션을 설치하도록 할 수 있다.Preferably, during the installation process of the app, you can register as a member and go through the server's authentication process to install the application.

물론 E-mail 또는 비밀번호와 같이 회원 고유 ID와 함께 간단하게 회원가입을 할 수도 있다.Of course, you can simply sign up with your unique member ID, such as your e-mail address or password.

이러한 앱은 웹사이트로 동작되는 서버에 접속해서 앱을 다운받아 설치할 수도 있으나, IOS 계열이건 안드로이드 계열이건 관계없이 각 OS에 맞는 앱을 앱 스토어에 올려서 배포하는 방식을 사용할 수도 있다.These apps can be downloaded and installed by connecting to a server that operates as a website, but you can also use the method of distributing the app appropriate for each OS by uploading it to the app store, regardless of whether it is IOS or Android.

이러한 앱(App)의 다운 및 설치과정 그리고 인증단계 등은 일반적인 것이므로 그 상세한 설명은 생략한다.The downloading and installation process of these apps, as well as the authentication steps, etc. are general, so detailed explanations are omitted.

한편 단말기(200)는 근거리통신부를 구비하여 제어장치(100)에 접근 시 페어링되어 자동으로 어플리케이션을 구동하여 허리 부하 측정 내용을 확인할 수 있게 할 수 있다.Meanwhile, the terminal 200 is equipped with a short-range communication unit and can be paired when approaching the control device 100 and automatically run the application to check the waist load measurement details.

이 경우 제어장치의 통신부(160)도 근거리 통신 기능을 구비하고 있어야 함은 당연하다.In this case, it is natural that the communication unit 160 of the control device must also be equipped with a short-distance communication function.

즉, 근거리 무선 통신기능을 구비한 단말기 사용자가 제어장치의 통신부(160)에 근접하면, 페어링되어 저장부(170)에 저장되어 있는 어플리케이션과 관리자단말기(500)의 어플리케이션을 활성화시키고, 이벤트 내역이나 실시간으로 허리 부하를 측정하고 그 결과를 표시할 수 있는 것이다.That is, when a terminal user equipped with a short-distance wireless communication function approaches the communication unit 160 of the control device, the paired application stored in the storage unit 170 and the application of the manager terminal 500 are activated, and event details or It can measure waist load in real time and display the results.

이 경우 비콘을 사용하면 소량의 패킷 전송으로 동작이 가능하고 두 기기를 연결시키는 페어링(pairing)이 불필요하며 저전력으로 통신하기 때문에, 다른 근거리 무선통신 기술에 비해 저비용으로 위치를 인식할 수 있다.In this case, using beacons allows operation with a small amount of packet transmission, does not require pairing to connect two devices, and communicates at low power, so location can be recognized at a low cost compared to other short-range wireless communication technologies.

비콘은 비접촉식으로 최대 50m의 원거리 통신을 지원한다. Beacons are non-contact and support long-distance communication up to 50m.

또한, 오차범위 5cm 이내로 기기의 위치를 파악할 수 있으며, 일대다 및 다대다 서비스 모두 가능하기 때문에 다양한 능동형 서비스를 제공할 수 있다.In addition, the location of the device can be determined within an error range of 5cm, and since both one-to-many and many-to-many services are possible, a variety of active services can be provided.

비콘 그 자체는 위치를 알려주는 기준점 역할을 수행하고 실제 정보 전달은 블루투스, 적외선 등의 근거리 통신 기술을 기반으로 이루어지는데, 블루투스를 결합한 블루투스 비콘을 사용하는 것이 바람직하다.The beacon itself serves as a reference point for indicating the location, and the actual information is transmitted based on short-range communication technologies such as Bluetooth and infrared. It is preferable to use a Bluetooth beacon that combines Bluetooth.

이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 사용자의 움직임을 관측하여 요추 부하량을 실시간으로 계측하기 위한 장치의 동작에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 2, the operation of a device for measuring lumbar load in real time by observing the user's movements according to an embodiment of the present invention will be described.

즉, 허리 부하 측정 방법은 상체 움직임 데이터(kinematic data)를 이용하여, 허리 구부림 간에 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 발생하는 압력힘(compressive force)을 측정하고, 측정값에 따라 안전한 움직임으로 판단하거나 또는 위험한 움직임으로 판단하고 주의를 환기시켜 안전사고를 미연에 방지하게 할 수 있다.In other words, the lumbar load measurement method uses upper body movement data (kinematic data) to measure the compressive force that occurs between lumbar vertebrae 5 and sac 1 (L5/S1) during waist bending, and is added to the measured value. Depending on the movement, it can be judged as a safe movement or a dangerous movement and caution can be drawn to prevent safety accidents in advance.

허리 부하 측정 방법은 Task(이승) 작업 중에 돌봄자와 돌봄 받는자의 위치 데이터를 수집하고(S110), 단계 S110에서 수집한 상체의 위치데이터로 허리부하를 측정하고(S120), 단계 S130에서 IMU로 수집한 데이터를 이용하여 허리부하 기준 분류 모델을 생성한다.The waist load measurement method collects location data of the caregiver and care recipient during the task (S110), measures the waist load using the upper body location data collected in step S110 (S120), and uses the IMU in step S130. Using the collected data, a classification model based on back load is created.

단계 S110에서의 Task는 침대에서 휠체어로 이승하는 것으로 한다.The task in step S110 is to transfer from the bed to the wheelchair.

단계 S110에서 수집한 상체의 위치데이터로 허리부하를 측정한다(S120).The waist load is measured using the upper body position data collected in step S110 (S120).

구체적으로 단계 S120은 단계 S110에서 수집된 위치데이터를 상체부분(segment)의 무게 중심비에 적용하여 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 있는 허리디스크의 위치를 구하는 단계(S121)와, 정적 균형 공식(static equilibrium squation)을 이용하여 근육의 당김힘 및 허리 부하를 계산하는 단계(S122) 그리고 단계 S122에서 계산된 허리부하를 NIOSH기준에 따라 위험한 움직임과 안전한 움직임으로 분류하는 단계(S123)를 포함한다.Specifically, step S120 applies the position data collected in step S110 to the center of gravity ratio of the upper body segment to obtain the position of the lumbar disc between the 5th lumbar vertebra and the 1st sacral vertebra (L5/S1) (S121). , a step of calculating muscle pulling force and waist load using a static equilibrium equation (S122), and a step of classifying the waist load calculated in step S122 into dangerous movements and safe movements according to NIOSH standards ( S123).

단계 S121에서 상체의 무게 중심점을 알기 위해서는 각 관절 부분의 위치 정보가 필요하고, 위치 정보를 얻기 위하여 바이콘(Vicon) 모션 캡쳐 시스템이 사용이 된다.In step S121, location information of each joint is required to know the center of gravity of the upper body, and the Vicon motion capture system is used to obtain the location information.

또한, 모션 캡쳐 시스템은 적외선 카메라를 통해 몸에 부착시킨 마커에 적외선을 쏘며, 마커에 반사되는 적외선으로 3차원에서 시간에 따른 x, y, z축의 좌표를 제공한다. In addition, the motion capture system shoots infrared rays to a marker attached to the body through an infrared camera, and provides x, y, and z coordinates over time in three dimensions with the infrared rays reflected by the marker.

먼저 상체의 무게중심을 알기 위해서는 어깨관절에서 고관절 중심에 이르는 거리의 몸통의 무게 중심, 양쪽 위팔의 무게 중심, 양쪽 아래팔의 무게 중심이 계산되어야 하며, 이는 상기의 상체 위치 정보와 사전 연구에서 제시하는 무게 중심 비(어깨관절에서 고관절 중심에 이르는 거리의 몸통의 무게 중심 비: 0.66; 위팔의 무게 중심 비: 0.436; 아래팔의 무게 중심 비: 0.682)를 접목시켜 계산한다. First, in order to know the center of gravity of the upper body, the center of gravity of the torso at the distance from the shoulder joint to the center of the hip joint, the center of gravity of both upper arms, and the center of gravity of both lower arms must be calculated, which is suggested by the above upper body position information and prior research. It is calculated by incorporating the center of gravity ratio (the ratio of the center of gravity of the torso, the distance from the shoulder joint to the center of the hip joint: 0.66; the ratio of the center of gravity of the upper arm: 0.436; the ratio of the center of gravity of the lower arm: 0.682).

계산식은 다음과 같다.The calculation formula is as follows:

CTRX = HX+0.66*(SX-HX)CTRX = HX+0.66*(SX-HX)

CTRY = HY+0.66*(SY-HY)CTRY = HY+0.66*(SY-HY)

CTRZ = HZ+0.66*(SZ-HZ)CTRZ = HZ+0.66*(SZ-HZ)

CTRX는 몸통의 무게 중심의 X좌표, CTRY는 몸통의 무게 중심의 Y좌표, CTRZ는 몸통의 무게 중심의 Z좌표, HX는 고관절 중심의 X좌표, HY는 고관절 중심의 Y좌표, HZ는 고관절 중심의 Z좌표를 의미하고, SX는 어깨관절의 중심의 X좌표, SY는 어깨관절의 중심의 Y좌표, SZ는 어깨관절의 중심의 Z좌표를 의미한다.CTRX is the X coordinate of the center of gravity of the torso, CTRY is the Y coordinate of the center of gravity of the torso, CTRZ is the Z coordinate of the center of gravity of the torso, HX is the means the Z coordinate of the center of the shoulder joint, SX means the X coordinate of the center of the shoulder joint, SY means the Y coordinate of the center of the shoulder joint, and SZ means the Z coordinate of the center of the shoulder joint.

모든 데이터는 위와 같이 X,Y,Z축을 계산하기에 같은 식이 세 번씩 반복되므로, X,Y,Z는 생략하고 하나의 대표식만 작성하면 다음과 같다.For all data, the same equation is repeated three times to calculate the X, Y, and Z axes as above, so if you omit

CUAL = LSHOA+0.436*((LELEC+LEMEC/2)-LSHOA)CUAL = LSHOA+0.436*((LELEC+LEMEC/2)-LSHOA)

CUAR = RSHOA+0.436*((RELEC+REMEC/2)-RSHOA)CUAR = RSHOA+0.436*((RELEC+REMEC/2)-RSHOA)

CFAL =CFAL =

(LELEC+LEMEC/2)+0.682*((LWLEC+LWMEC/2)-(LELEC+LEMEC/2))(LELEC+LEMEC/2)+0.682*((LWLEC+LWMEC/2)-(LELEC+LEMEC/2))

CFAR = CFAR =

(RELEC+REMEC/2)+0.682*((RWLEC+RWMEC/2)-(RELEC+REMEC/2(RELEC+REMEC/2)+0.682*((RWLEC+RWMEC/2)-(RELEC+REMEC/2

여기서 CUAL은 왼쪽위팔뼈의 무게 중심을, CUAR은 오른쪽위팔뼈의 무게 중심을, CFAL은 왼쪽아래팔뼈의 무게 중심을 그리고 CFAR은 오른쪽아래팔뼈의 무게 중심을, LSHOA는 왼쪽어깨뼈 앞쪽 마커를 RSHOA는 오른쪽어깨뼈 앞쪽마커를 LELEC는 왼쪽팔꿈치가쪽융기 마커를, LEMEC는 왼쪽팔꿈치안쪽융기 마커, RELEC는 오른쪽팔꿈치가쪽융기 마커, REMEC는 오른쪽팔꿈치안쪽융기 마커를 그리고 LWLEC는 왼쪽손목가쪽 마커를 LWMEC는 왼쪽손목안쪽 마커, RWLEC는 오른쪽손목가쪽 마커를 그리고 RWMEC는 오른쪽손목안쪽 마커를 의미한다.Here, CUAL is the center of gravity of the left humerus, CUAR is the center of gravity of the right humerus, CFAL is the center of gravity of the left lower arm, CFAR is the center of gravity of the right lower arm, and LSHOA is the marker in front of the left shoulder blade. is the anterior right shoulder blade marker, LELEC is the left elbow lateral prominence marker, LEMEC is the left elbow medial prominence marker, RELEC is the right elbow lateral prominence marker, REMEC is the right elbow medial prominence marker, and LWLEC is the left wrist marker. LWMEC refers to the left wrist marker, RWLEC refers to the right wrist marker, and RWMEC refers to the right wrist marker.

마지막으로 상체의 무게 중심은 각 관절의 무게 중심에 무게 비율을 고려하여 계산되며, 다음과 같다(어깨관절에서 고관절 중심에 이르는 거리의 몸통의 무게 비: 0.578; 위팔의 무게 비: 0.011; 아래팔의 무게 비: 0.014)Lastly, the center of gravity of the upper body is calculated by considering the weight ratio to the center of gravity of each joint, and is as follows (torso weight ratio of the distance from the shoulder joint to the center of the hip joint: 0.578; upper arm weight ratio: 0.011; lower arm weight ratio: 0.014)

COG COG

= ((0.022*(CFAR+CFAL))+(0.028*(CUAR+CUAL))+(0.578*CTR))/(0.628COG) = ((0.022*(CFAR+CFAL))+(0.028*(CUAR+CUAL))+(0.578*CTR))/(0.628COG)

COG는 상체의 무게 중심을 의미한다.COG refers to the center of gravity of the upper body.

돌봄 받는자(환자)의 무게 중심은 다음과 같다.The center of gravity of the person being cared for (patient) is as follows.

PCOG = PRSHOA+PSTRN+PLSHOA+PLSHOP+PC7+PRSHOP/6 PCOG = PRSHOA+PSTRN+PLSHOA+PLSHOP+PC7+PRSHOP/6

여기서 PCOG는 환자의 무게 중심을, PRSHOA는 환자의 오른쪽어깨뼈 앞쪽 마커를, PRSHOP은 환자의 오른쪽어깨뼈 뒤쪽 마커, PSTRN은 환자의 복장뼈 앞쪽 마커를, PLSHOA는 환자의 왼쪽어깨뼈 앞쪽 마커를 그리고 PLSHOP은 환자의 왼쪽어깨뼈 뒤쪽 마커를 의미하고, PC7은 환자의 목척추뼈 7번 마커를 의미한다.Here, PCOG is the patient's center of gravity, PRSHOA is a marker in front of the patient's right shoulder blade, PRSHOP is a marker in the back of the patient's right shoulder blade, PSTRN is a marker in front of the patient's sternum, and PLSHOA is a marker in front of the patient's left shoulder blade. And PLSHOP refers to the marker behind the patient's left shoulder blade, and PC7 refers to the marker of the patient's 7th cervical vertebra.

또한, 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 있는 허리디스크의 정확한 위치(다시말해 X,Y,Z축 좌표)를 알기 위해서는 골반에 부착된 마커를 기준으로 상대적 위치를 계산해야 한다. 마커는 골반의 앞, 뒤의 정보를 제공하기에, 해부학적인 위치를 기반으로 상대적 위치를 계산할 수 있다.Additionally, in order to know the exact location (in other words, X, Y, Z axis coordinates) of the lumbar disc between the 5th lumbar vertebra and the 1st sacral vertebra (L5/S1), the relative position must be calculated based on the marker attached to the pelvis. . Because the marker provides information about the front and back of the pelvis, the relative position can be calculated based on the anatomical location.

그리하여, 마커가 부착된 피부에서부터 디스크사이의 거리를 도 5와 같이 계산한다.Therefore, the distance between the skin where the marker is attached and the disc is calculated as shown in FIG. 5.

도 5는 마커가 부착된 피부에서부터 디스크사이의 거리를 계산하는 일례를 도시한 도면으로 피부에서 척추관 중앙까지의 거리(distance from skin to disc center)와 척추관 깊이(spinal canal depth) 그리고 척추사이 디스크 길이(intervertebral disc length)가 예시되어 있다.Figure 5 is a diagram showing an example of calculating the distance between the skin to which a marker is attached and the disc, and shows the distance from skin to disc center, spinal canal depth, and intervertebral disc length. (intervertebral disc length) is illustrated.

계산식은 다음과 같다.The calculation formula is as follows:

DSTD = SCD + (SDL)/2 + (IVDL)/2DSTD = SCD + (SDL)/2 + (IVDL)/2

여기서 DSTD = distance from skin to disc center; SCD = distance from skin to spinal canal; SDL = spinal canal depth; IVDL = intervertebral disc length이다.Where DSTD = distance from skin to disc center; SCD = distance from skin to spinal canal; SDL = spinal canal depth; IVDL = intervertebral disc length.

그리하여, disc center의 x,y,z축 위치 정보는 다음과 같이 계산된다.Therefore, the x, y, and z axis position information of the disc center is calculated as follows.

DISCX = L5X + (DSTD/(L5ANTX-L5X))*(L5ANTX-L5X);DISCX = L5X + (DSTD/(L5ANTX-L5X))*(L5ANTX-L5X);

DISCY = L5Y + (DSTD/(L5ANTY-L5Y))*(L5ANTY-L5Y);DISCY = L5Y + (DSTD/(L5ANTY-L5Y))*(L5ANTY-L5Y);

DISCZ = L5Z + (DSTD/(L5ANTZ-L5Z))*(L5ANTZ-L5Z);DISCZ = L5Z + (DSTD/(L5ANTZ-L5Z))*(L5ANTZ-L5Z);

여기서 DISCX는 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이의 디스크의 X위치를 의미한다. 이하, 설명의 편의를 위하여 X, Y, Z는 각각 X좌표, Y좌표, Z좌표를 나타내므로 생략하기로 한다. L5ANT는 허리척추뼈 5번의 평행라인 배쪽 마커를 그리고 L5는 허리척추뼈 5번 마커를 의미한다.Here, DISCX refers to the Hereinafter, for convenience of explanation, X, Y, and Z will be omitted since they represent X, Y, and Z coordinates, respectively. L5ANT refers to the parallel line ventral marker of lumbar vertebra 5, and L5 refers to the marker 5 to lumbar vertebra.

단계 S122에서는 정적 균형 공식(static equilibrium squation)을 이용하여 근육의 당김힘 및 허리 부하를 계산한다.In step S122, muscle pulling force and waist load are calculated using a static equilibrium equation.

정적 균형 공식(STATIC EQUILIBRIUM EQUATION)은 정지한 상태에서 모든 힘과 모멘트의 합은 0이 된다는 이론을 기반으로 계산되는 공식을 말한다. 즉, 사람이 서있다는 것은 지구 중심으로 끌어당기는 힘 중력에 대하여 대항하는 힘인 능동적 구조물인 근육의 근력, 수동적 구조물인 힘줄, 인대 등이 작용하여 중력을 상쇄시키기 때문에 가만히 서있는 상태로 있을 수 있는 것이다. 여기서 모멘트는 ROTATIONAL FORCE로 물체를 회전시키는 힘이다. STATIC EQUILIBRIUM EQUATION refers to a formula calculated based on the theory that the sum of all forces and moments in a stationary state is 0. In other words, when a person stands, he or she can remain standing still because the strength of muscles, which are active structures, and the tendons and ligaments, which are passive structures, act to counteract the force of gravity that pulls towards the center of the Earth and cancel out gravity. Here, moment is a ROTATIONAL FORCE and is a force that rotates an object.

도 6은 정적 균형 공식을 바탕으로 계산된 공식이다.Figure 6 is a formula calculated based on the static balance formula.

도 6에서 Fm = muscle force; d1 = distance from skin to disc center = DSTD; d2 = distance from disc center to COG; d3 = distance from disc center to patient's COG; wb = weight of caregiver's upper body; wp = weight of patient을 의미한다.In Figure 6, Fm = muscle force; d1 = distance from skin to disc center = DSTD; d2 = distance from disc center to COG; d3 = distance from disc center to patient's COG; wb = weight of caregiver's upper body; wp = means weight of patient.

도 6을 참고하면, 단계 S122에서의 정적 균형 공식은 아래의 수학식으로 표현된다.Referring to FIG. 6, the static balance formula in step S122 is expressed as the equation below.

ΣM = 0;Fm*d1 = Wb*d2+Wp*d3ΣM = 0;Fm*d1 = Wb*d2+Wp*d3

ΣF = 0;-Fm + Fc - Wbcosθ ΣF = 0;-Fm + Fc - Wbcos θ

Fm은 근육의 당김힘, Fc는 허리부하, Wb는 돌봄주는자 상체 무게, Wp는 환자의 무게, d1은 Fc와 Fm사이 거리, d2는 돌봄주는자 무게 중심과 디스크 중심과의 거리, d3는 디스크 중심과 돌봄받는자 무게 중심과 거리, 그리고 θ는 돌봄주는자의 허리 굽힘(flexion)각도를 의미한다.Fm is the pulling force of the muscle, Fc is the back load, Wb is the weight of the caregiver's upper body, Wp is the weight of the patient, d1 is the distance between Fc and Fm, d2 is the distance between the center of gravity of the caregiver and the center of the disc, and d3 is the distance between the center of gravity of the caregiver and the center of the disc. The distance between the disc center and the caregiver's center of gravity, and θ refers to the caregiver's waist flexion angle.

단계 S123는 단계 S122에서 계산된 압력힘(ΣF)을 NIOSH기준에 따라 위험한 움직임과 안전한 움직임으로 분류한다.Step S123 classifies the pressure force (ΣF) calculated in step S122 into dangerous movement and safe movement according to NIOSH standards.

즉, 허리 부상 예방 가이드라인(압력힘 3,400 N 이하)를 기준으로, 측정된 압력힘이 3,400N이하인 경우에는 안전한 움직임으로 그리고 압력힘이 3,400N을 초과한 경우에는 위험한 움직임으로 판단한다.In other words, based on the back injury prevention guidelines (pressure force of 3,400 N or less), if the measured pressure force is less than 3,400 N, it is judged as a safe movement, and if the pressure force exceeds 3,400 N, it is judged as a dangerous movement.

이렇게 판단된 결과는 저장부(170)에 저장되거나 또는 단말기(200)로 전송하도록 동작한다.The determined result is stored in the storage unit 170 or transmitted to the terminal 200.

단계 S130은 IMU로 수집한 데이터를 이용하여 허리부하 기준 분류 모델을 생성한다.Step S130 creates a back load-based classification model using data collected by the IMU.

단계 S130은 단계 S110단계에서 수집된 IMU의 가속도, 각속도 정보로부터 특징을 추출하는 단계(S131)와 RBF 커널 지원 벡터 머신(radial basis function support vector machine)을 이용하여 이승 분류모델을 생성하는 단계(S132)로 구체화된다.Step S130 includes extracting features from the acceleration and angular velocity information of the IMU collected in step S110 (S131) and generating a quadratic classification model using an RBF kernel support vector machine (radial basis function support vector machine) (S132). ) is specified.

단계 S131에서의 IMU는 Both arm(양쪽 팔), 팔뚝(forearm), 허벅지(thighs), 정갱이(shins), and 허리(waist)에 부착되어 측정된 데이터를 사용하여 특징을 추출한다.In step S131, the IMU is attached to both arms, forearms, thighs, shins, and waist and extracts features using measured data.

단계 S131에서의 특징 추출(windows size and lead time)은 최대허리부하 시점기준(lead time)은 0.1~0.5초 전으로 하고, 사용된 데이터 길이(windows size)는 0.1~0.5초간으로 하고, 추출한 특징은 가속도 평균, 가속도 분산, 속도평균, 속도 분산, 각속도평균, 그리고 각속도 분산을 특징으로 추출한다.In step S131, the feature extraction (windows size and lead time) is set to 0.1 to 0.5 seconds before the maximum back load, the data length used (windows size) is set to 0.1 to 0.5 seconds, and the extracted features are Extracts acceleration average, acceleration variance, velocity average, velocity variance, angular velocity average, and angular velocity variance as features.

해당 조건들은 다양하게 적용할 수 있으나, 조사자의 입장에서 적절한 조건을 설정하도록 한다. 예를들어, lead time 0.3초 window size 0.3초로 고정하여 정할 수 있습니다만, 어떻게 정하냐에 따라 제공되는 데이터의 정보와 크기가 달라지게 되어 모델의 정확도가 다르게 나타난다.These conditions can be applied in various ways, but appropriate conditions should be set from the investigator's perspective. For example, you can set the lead time at 0.3 seconds and the window size at 0.3 seconds, but depending on how you set it, the information and size of the data provided will vary, resulting in different accuracy of the model.

수치를 위와 같이 한정하는 것은 첫 번째 이유로 최대허리부하 시점을 연구한 사전 연구는 없기 때문에, 넘어짐 감지 연구에서 제공하는 정보를 바탕으로 적용한 것이고, 넘어지기 전에 넘어지는 것을 알 수 있는 lead time과 필요한 데이터의 길이인 window size가 위와 같이 제공된다. 두 번째 이유는 위와 같이 한정하지 않으면 데이터가 무수히 많아지기 때문에 한정하여 적용한 것이다.The first reason to limit the numbers as above is because there is no prior research on the timing of maximum back load, so it was applied based on information provided by fall detection research, and the lead time and necessary data to know the fall before the fall. The window size, which is the length of , is provided as above. The second reason is that if it is not limited as above, the data will become countless, so it is applied in a limited manner.

추출된 가속도 평균, 가속도 분산, 속도평균, 속도 분산, 각속도평균, 그리고 각속도 분산은 머신 러닝의 input data(입력 변수)로 사용된다.The extracted acceleration average, acceleration variance, velocity average, velocity variance, angular velocity average, and angular velocity variance are used as input data (input variables) for machine learning.

output data(결과 변수)는 3,400N을 넘는 위험한 이승, 3,400 N을 넘지 않는 안전한 이승 두가지가 되고, input data와 output data는 training 그리고 testing data로 사용이 되고, 여러 번의 루프를 통해 모델은 정확도를 가장 높이는 기준(RBF kernel의 parameter)을 제시하게 되는 것이다.The output data (result variable) is two types: a dangerous version that exceeds 3,400 N and a safe version that does not exceed 3,400 N. The input data and output data are used as training and testing data, and through several loops, the model maximizes accuracy. The height sets the standard (parameter of the RBF kernel).

또한, 해당 data를 기반으로 생성된 모델(RBF kernel의 parameter)은 새로운 데이터(가속도 평균, 가속도 분산, 속도 평균, 속도 분산, 각속도 평균, 그리고 각속도 분산을 가진 정보)가 들어오면, 모델의 기준에 따라 분류하고, 위험한 이승인지 안전한 이승인지 알려줄 수 있게 되는 것이다. In addition, when new data (information with acceleration average, acceleration variance, velocity average, velocity variance, angular velocity average, and angular velocity variance) comes in, the model created based on the data (RBF kernel parameters) meets the model's standards. It will be possible to classify it accordingly and let you know whether it is a dangerous or safe world.

상기와 같이 실시간으로 계산된 사용자의 요추에 가해지는 요추 부하량은, 이승시의 허리부하를 측량하여 위험도를 알릴 수 있을 뿐만 아니라, 작업을 하는 공장에서 작업자의 노동 강도를 추정하고, 추정된 작업자의 노동 강도가 소정 레벨 이상이 되지 않도록 작업자의 작업 프로토콜을 개발하기 위한 가이드라인으로 사용될 수 있다. The lumbar load applied to the user's lumbar spine, calculated in real time as described above, not only measures the lumbar load when riding and informs the level of risk, but also estimates the labor intensity of the worker in the factory where the work is performed, and determines the estimated worker's It can be used as a guideline for developing work protocols for workers so that labor intensity does not exceed a certain level.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the present invention has been described in detail with respect to the described embodiments above, it is clear to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the technical scope of the present invention, and it is natural that such changes and modifications fall within the scope of the appended patent claims.

100 : 제어장치 110 : 제어부
120 : 촬영부 130 : 마커
140 : IMU 150 : 조명부
160 : 통신부 170 : 저장부
200 : 단말기
100: control device 110: control unit
120: recording unit 130: marker
140: IMU 150: Lighting unit
160: communication unit 170: storage unit
200: terminal

Claims (20)

허리를 구부리는 동작 간에 허리에 발생한 부하를 실시간으로 측정하기 위한 허리 부하 측정 방법에 있어서,
상체 움직임 데이터(kinematic data)를 이용하여, 허리 구부림 간에 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 발생하는 압력힘(compressive force)으로 허리 부하를 측정하는 것을 특징으로 하는 허리 부하 측정 방법.
In the waist load measurement method for measuring in real time the load generated on the waist between bending movements,
A method of measuring lumbar load, characterized in that the lumbar load is measured by the compressive force generated between the 5th lumbar vertebra and the 1st lumbar vertebrae (L5/S1) during back bending, using upper body movement data (kinematic data). .
청구항 1에 있어서,
상기 상체 움직임 데이터(kinematic data)는
motion capture system(VICON)을 이용한 상체의 위치데이터와 IMU를 이용하여 가속도와 속도, 각속도에 대한 데이터를 수집하여 구성되는 것을 특징으로 하는 허리 부하 측정 방법.
In claim 1,
The upper body movement data (kinematic data) is
A method of measuring waist load, characterized by collecting upper body position data using a motion capture system (VICON) and data on acceleration, speed, and angular velocity using an IMU.
청구항 2에 있어서,
몸에 착용된 IMU 센서를 통해 실시간으로 허리에 가해지는 압력힘을 측정하고, 측정한 압력힘은 미국 National Institute of Safety and Health(NIOSH)의 허리 부상 예방 가이드라인(압력힘 3,400N 이하)를 기준으로, 측정된 압력힘이 3,400N이하인 경우에는 안전한 움직임으로 그리고 압력힘이 3,400N을 초과한 경우에는 위험한 움직임으로 판단하는 허리 부하 측정 방법.
In claim 2,
The pressure force applied to the waist is measured in real time through an IMU sensor worn on the body, and the measured pressure force is based on the back injury prevention guidelines (pressure force of 3,400N or less) of the U.S. National Institute of Safety and Health (NIOSH). A method of measuring waist load that determines a safe movement if the measured pressure force is less than 3,400N and a dangerous movement if the measured pressure force exceeds 3,400N.
청구항 2에 있어서,
(a)태스크(Task)를 수행하는 동안 모션 캡쳐 시스템(motion capture system)과 IMU를 이용하여 돌봄주는 자와 돌봄받는 자의 위치데이터를 수집하는 단계;
(b)상기 (a)단계에서 수집한 상체의 위치데이터로 허리부하를 측정하는 단계;및
(c)IMU로 수집한 데이터를 이용하여 허리부하 기준 분류 모델을 생성하는 단계;
를 포함하는 허리 부하 측정 방법.
In claim 2,
(a) Collecting location data of the caregiver and the caregiver using a motion capture system and IMU while performing the task;
(b) measuring the waist load using the upper body position data collected in step (a); and
(c) creating a lumbar load-based classification model using data collected by the IMU;
A method of measuring lumbar load including.
청구항 4에 있어서,
상기 (a)단계는
위치 정보를 얻기 위하여 바이콘(Vicon) 모션 캡쳐 시스템을 사용하되, 돌봄주는 자에게 부착된 마커 17개, 돌봄받는 자에게 부착된 마커 6개로부터 상체의 관절 부분의 위치 정보를 습득하는 것을 특징으로 하는 허리 부하 측정 방법.
In claim 4,
Step (a) above is
The Vicon motion capture system is used to obtain location information, and it is characterized by acquiring location information on the joints of the upper body from 17 markers attached to the caregiver and 6 markers attached to the caregiver. How to measure waist load.
청구항 4에 있어서,
상기 (a)단계에서 Task는
침대에서 휠체어로 이승하는 것인 것을 특징으로 하는 허리 부하 측정 방법.
In claim 4,
In step (a) above, the Task is
A method of measuring waist load, characterized by transferring from a bed to a wheelchair.
청구항 4에 있어서,
상기 (b)단계는
(b-1)상기 (a)단계에서 수집된 위치데이터를 상체부분(segment)의 무게 중심비에 적용하여 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 있는 허리디스크의 위치를 구하는 단계;
(b-2)정적 균형 공식(static equilibrium squation)을 이용하여 근육의 당김힘 및 허리 부하를 계산하는 단계;및
(b-3)단계 (b-2)에서 계산된 허리부하를 NIOSH기준에 따라 위험한 움직임과 안전한 움직임으로 분류하는 단계;
를 포함하는 허리 부하 측정 방법.
In claim 4,
Step (b) above is
(b-1) Applying the positional data collected in step (a) to the center of gravity ratio of the upper body segment to obtain the position of the lumbar disc between the 5th lumbar vertebra and the 1st sacral vertebra (L5/S1) ;
(b-2) calculating muscle pulling force and waist load using the static equilibrium equation; and
(b-3) classifying the waist load calculated in step (b-2) into dangerous movements and safe movements according to NIOSH standards;
A method of measuring lumbar load including.
청구항 7에 있어서,
상기 (b-1)단계에서의 무게중심비는 아래팔(Forearm)과 위팔(arm) 그리고 몸통(Trunk)을 0.682, 0.436 그리고 0.66으로 적용하고,
몸통의 무게중심(CTR)의 X,Y,Z 좌표는 아래의 수학식으로 표현되는 허리 부하 측정 방법.
CTRX = HX+0.66*(SX-HX)
CTRY = HY+0.66*(SY-HY)
CTRZ = HZ+0.66*(SZ-HZ)
여기서 CTRX는 몸통의 무게 중심의 X좌표, CTRY는 몸통의 무게 중심의 Y좌표, CTRZ는 몸통의 무게 중심의 Z좌표, HX는 고관절 중심의 X좌표, HY는 고관절 중심의 Y좌표, HZ는 고관절 중심의 Z좌표를 의미하고, SX는 어깨관절의 중심의 X좌표, SY는 어깨관절의 중심의 Y좌표, SZ는 어깨관절의 중심의 Z좌표를 의미한다.
In claim 7,
The center of gravity ratio in step (b-1) above is 0.682, 0.436, and 0.66 for the forearm, upper arm, and trunk,
A method of measuring waist load in which the X, Y, Z coordinates of the body's center of gravity (CTR) are expressed in the equation below.
CTRX = HX+0.66*(SX-HX)
CTRY = HY+0.66*(SY-HY)
CTRZ = HZ+0.66*(SZ-HZ)
Here, CTRX is the X coordinate of the body's center of gravity, CTRY is the Y coordinate of the body's center of gravity, CTRZ is the Z coordinate of the body's center of gravity, HX is the It means the Z coordinate of the center, SX means the X coordinate of the center of the shoulder joint, SY means the Y coordinate of the center of the shoulder joint, and SZ means the Z coordinate of the center of the shoulder joint.
청구항 8 있어서,
상체의 무게중심은 각 관절의 무게 중심에 무게 비를 반영하되, 어깨관절에서 고관절 중심에 이르는 거리의 몸통의 무게 비: 0.578, 위팔의 무게 비: 0.011, 그리고 아래팔의 무게 비: 0.014 로 설정하고, 상체의 무게중심(COG)은 아래의 수학식으로 표현되는 허리 부하 측정 방법.
COG = ((0.022*(CFAR+CFAL))+(0.028*(CUAR+CUAL))+(0.578*CTR))/(0.628)
여기서 COG는 상체의 무게 중심을, CUAL은 왼쪽위팔뼈의 무게 중심을, CUAR은 오른쪽위팔뼈의 무게 중심을, CFAL은 왼쪽아래팔뼈의 무게 중심을 그리고 CFAR은 오른쪽아래팔뼈의 무게 중심을 의미한다.
In claim 8,
The center of gravity of the upper body reflects the weight ratio in the center of gravity of each joint, and the torso weight ratio of the distance from the shoulder joint to the center of the hip joint is set to 0.578, the upper arm weight ratio: 0.011, and the lower arm weight ratio: 0.014. And the center of gravity (COG) of the upper body is a method of measuring waist load expressed by the equation below.
COG = ((0.022*(CFAR+CFAL))+(0.028*(CUAR+CUAL))+(0.578*CTR))/(0.628)
Here, COG is the center of gravity of the upper body, CUAL is the center of gravity of the left humerus, CUAR is the center of gravity of the right humerus, CFAL is the center of gravity of the left lower arm bone, and CFAR is the center of gravity of the right lower arm bone. .
청구항 9에 있어서,
마커가 부착된 피부에서부터 디스크사이의 거리를 아래의 수학식으로 표현되는 허리 부하 측정 방법.
DSTD = SCD + (SDL)/2 + (IVDL)/2
여기서 DSTD는 distance from skin to disc center를, SCD는 distance from skin to spinal canal, SDL은 spinal canal depth 그리고 IVDL은 intervertebral disc length를 의미한다.
In claim 9,
A method of measuring lumbar load in which the distance between the skin where the marker is attached and the disc is expressed by the equation below.
DSTD = SCD + (SDL)/2 + (IVDL)/2
Here, DSTD stands for distance from skin to disc center, SCD stands for distance from skin to spinal canal, SDL stands for spinal canal depth, and IVDL stands for intervertebral disc length.
DSTD를 이용한 disc center까지의 x,y,z축 위치정보는 아래의 수학식으로 표현되는 허리 부하 측정 방법.
DISCX = L5X + (DSTD/(L5ANTX-L5X))*(L5ANTX-L5X);
DISCY = L5Y + (DSTD/(L5ANTY-L5Y))*(L5ANTY-L5Y);
DISCZ = L5Z + (DSTD/(L5ANTZ-L5Z))*(L5ANTZ-L5Z);
A method of measuring waist load using DSTD, where the x, y, and z axis position information up to the disc center is expressed in the equation below.
DISCX = L5X + (DSTD/(L5ANTX-L5X))*(L5ANTX-L5X);
DISCY = L5Y + (DSTD/(L5ANTY-L5Y))*(L5ANTY-L5Y);
DISCZ = L5Z + (DSTD/(L5ANTZ-L5Z))*(L5ANTZ-L5Z);
청구항 7에 있어서,
상기 (b-2)단계에서의 정적 균형 공식은
아래의 수학식으로 표현되는 허리 부하 측정 방법.
ΣM = 0;Fm*d1 = Wb*d2+Wp*d3
ΣF = 0;-Fm + Fc - Wbcosθ
Fm은 근육의 당김힘, Fc는 허리부하, Wb는 돌봄주는자 상체 무게, Wp는 환자의 무게, d1은 Fc와 Fm사이 거리, d2는 돌봄 주는자 무게 중심과 디스크 중심과의 거리, d3는 디스크 중심과 돌봄 받는자 무게 중심과 거리, 그리고 θ는 돌봄주는자의 허리 굽힘(flexion)각도를 의미함.
In claim 7,
The static balance formula in step (b-2) above is
Waist load measurement method expressed by the equation below.
ΣM = 0;Fm*d1 = Wb*d2+Wp*d3
ΣF = 0;-Fm + Fc - Wbcos θ
Fm is the pulling force of the muscle, Fc is the back load, Wb is the weight of the caregiver's upper body, Wp is the weight of the patient, d1 is the distance between Fc and Fm, d2 is the distance between the center of gravity of the caregiver and the center of the disc, and d3 is the distance between the center of gravity of the caregiver and the center of the disc. The distance between the center of the disc and the center of gravity of the caregiver, and θ refers to the flexion angle of the caregiver's back.
청구항 4에 있어서,
상기 (c)단계는
(c-1)IMU로 수집한 가속도, 각속도 정보로부터 특징을 추출하는 단계;
(c-2)RBF 커널 서포트 벡터 머신(radial basis function support vector machine)을 이용하여 이승 분류모델을 생성하는 단계;
를 포함하는 허리 부하 측정 방법.
In claim 4,
Step (c) above is
(c-1) extracting features from acceleration and angular velocity information collected by IMU;
(c-2) generating a quadratic classification model using an RBF kernel support vector machine (radial basis function support vector machine);
A method of measuring lumbar load including.
청구항 13에 있어서,
상기 (c-1)에서 IMU는 Both arm(양쪽 팔), 전암(forearm), 허벅지(thighs), 정강이(shins), and 허리(waist)에 부착되는 것을 특징으로 하는 허리 부하 측정 방법.
In claim 13,
In (c-1), the IMU is a method of measuring waist load, characterized in that it is attached to both arms, forearm, thighs, shins, and waist.
청구항 13 있어서,
상기 (c-1)에서 특징 추출(windows size and lead time)은
최대허리부하 시점기준(lead time)은 0.1~0.5초 전으로 하고, 사용된 데이터 길이(windows size)는 0.1~0.5초간으로 하고, 추출한 특징은 가속도 평균, 가속도 분산, 속도평균, 속도 분산, 각속도평균, 그리고 각속도 분산을 특징으로 추출하는 것을 특징으로 하는 허리 부하 측정 방법.
In claim 13,
In (c-1) above, feature extraction (windows size and lead time) is
The standard for the peak back load (lead time) is 0.1 to 0.5 seconds before, the data length used (windows size) is 0.1 to 0.5 seconds, and the extracted features are acceleration average, acceleration variance, velocity average, velocity variance, and angular velocity. A waist load measurement method characterized by extracting the average and angular velocity distribution as features.
IMU센서와 모션감지시스템을 이용하여 허리 구부림 간에 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 발생하는 압력힘(compressive force)으로 허리 부하를 측정하는 허리 부하 측정 장치에 있어서,
위치 정보를 얻기 위하여 바이콘(Vicon) 모션 캡쳐 시스템을 사용하되, 돌봄주는 자에게 부착된 마커 17개, 돌봄받는 자에게 부착된 마커 6개로부터 상체의 관절 부분의 위치 정보를 습득하여 압력힘을 측정하는 것을 특징으로 하는 허리 부하 측정 장치.
In the lumbar load measuring device that measures the lumbar load using the compressive force generated between the 5th lumbar vertebra and the 1st sac (L5/S1) during lumbar bending using an IMU sensor and a motion detection system,
To obtain location information, the Vicon motion capture system is used, and the pressure force is calculated by acquiring location information on the joints of the upper body from 17 markers attached to the caregiver and 6 markers attached to the caregiver. A device for measuring waist load.
청구항 16에 있어서,
상기 마커로부터 수집한 정보를 사용하여 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 발생하는 압력힘(compressive force)을 축정하는 제어부;
를 포함하고,
상기 제어부는
수집된 위치데이터를 상체부분(segment)의 무게 중심비에 적용하여 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 있는 허리디스크의 위치를 구하고, 정적 균형 공식(static equilibrium squation)을 이용하여 근육의 당김힘 및 허리 부하를 계산한 다음, 허리부하를 NIOSH기준에 따라 위험한 움직임과 안전한 움직임으로 분류하는 허리 부하 측정 장치.
In claim 16,
A control unit that measures the compressive force occurring between lumbar 5 and sacral 1 (L5/S1) using information collected from the marker;
Including,
The control unit
By applying the collected positional data to the center of gravity ratio of the upper body segment, the position of the lumbar disc between lumbar vertebra 5 and sacral 1 (L5/S1) was obtained, and the static equilibrium equation was used to determine the position of the lumbar disc. A lumbar load measuring device that calculates muscle pulling force and lumbar load and then classifies lumbar load into dangerous and safe movements according to NIOSH standards.
청구항 17에 있어서,
돌봄주는 자는 좌우 손목 각각 2군데, 좌우 팔꿈치 각각 2군데, 좌우 어깨 각 1군데, 골반 부위 3군데, 허리부위 4군데 해서 마커를 17개 부착하고, 돌봄받는 자는 전면 어깨부위 3군데와 후면 어깨부위 3군데에 마커를 부착하는 것을 특징으로 하는 허리 부하 측정 장치.
In claim 17,
The caregiver attaches 17 markers at 2 locations on each left and right wrist, 2 locations each on the left and right elbows, 1 location each on the left and right shoulders, 3 locations on the pelvis, and 4 locations on the waist, and the caregiver attaches 17 markers on 3 locations on the front and back shoulder areas. A device for measuring waist load, characterized by attaching markers at three locations.
청구항 18에 있어서,
상기 제어부는
촬영부에 의해 촬영된 영상을 분석하기 위한 영상 분석 모듈, 상기 촬영부와 조명부의 동작을 제어하기 위한 카메라 및 조명 제어 모듈, 그리고 센서로부터 분석한 결과 및 영상 분석 결과에 기반하여 실시간으로 사용자의 요추 5번 및 엉치 1번(L5/S1) 사이에 발생하는 압력힘(compressive force)을 계산하기 위한 실시간 요추 부하량 계산 모듈을 포함하는 허리 부하 측정 장치.
In claim 18,
The control unit
An image analysis module for analyzing images captured by the imaging unit, a camera and lighting control module for controlling the operation of the imaging unit and the lighting unit, and the user's lumbar spine in real time based on the analysis results from the sensor and the image analysis results. A lumbar load measurement device including a real-time lumbar load calculation module to calculate the compressive force occurring between L5 and L5/S1.
청구항 19에 있어서,
상기 제어부는
측정한 압력힘(compressive force)을 측정자별로 저장부에 이벤트별로 저장하고, 관리자 단말기로 이벤트 내역을 전송할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 허리 부하 측정 장치.






In claim 19,
The control unit
A device for measuring waist load, characterized in that it is configured to store the measured compressive force by event in a storage unit for each measurer and transmit the event details to the administrator terminal.






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