WO2017119642A1 - 스마트 신발 및 그 데이터 처리 방법 - Google Patents

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WO2017119642A1
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sensor
smart shoe
smart
motion
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정웅
장성권
신승용
가호경
서동규
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    • G01L1/005—Measuring force or stress, in general by electrical means and not provided for in G01L1/06 - G01L1/22

Definitions

  • the present invention relates to a smart shoe for detecting motion and processing of motion data sensed in the smart shoe.
  • the mobile terminal performs only a simple communication function in the related art, in recent years, as a multimedia device having complex functions, it has been developed into a smart phone to perform functions related to production and consumption of content.
  • the mobile terminal may be implemented in the form of not only the above-mentioned smart phone but also a user wearable device, that is, a wearable device.
  • the wearable device extends from devices such as smart watches, smart glasses, head mounted displays, and the like to products such as clothing and shoes that are essential to the user. have.
  • a wearable device a shoe, a so-called smart shoe, analyzes information on a wearer's activity and performs a function of notifying predetermined information to the user through a mobile terminal or by itself.
  • Sensors are mainly used to perform these functions, and these sensors are a cause of an increase in power consumption of a circuit or a module provided in a smart shoe, causing frequent replacement or failure due to battery consumption.
  • the data sensed based on the sensor provided in the conventional smart shoes there is a problem that can not distinguish by accurately detecting and analyzing the movement of the smart shoe wearer. This is problematic because it lowers the reliability of the wearer's smart shoes.
  • the present invention is to solve the above-described problems, the present invention is to improve the battery efficiency by minimizing the power consumption in spite of the motion sensor data collection, analysis, etc. of the wearer through the new sensor module as a task do.
  • Another object of the present invention is to propose a motion sensing algorithm based on sensing data collected through the sensor module, thereby improving accuracy compared to a conventional motion sensing algorithm.
  • the present invention is another task to increase the reliability by improving the accuracy of the data sensed in the smart shoe while eliminating the inconvenience caused by frequent battery replacement by increasing the battery efficiency of the smart shoe through the above description.
  • the sensor unit is switched by an acceleration sensor, a gyro sensor and a step unit, including a pressure sensor for sensing the pressure of the smart shoe; And a data processor configured to acquire and process motion data of the smart shoe based on sensing data of the sensor unit.
  • the data processor with reference to the zero velocity data detected from the pressure sensor data sensed through the pressure sensor, the smart shoe based on the acceleration sensor data and gyro sensor data sensed through the acceleration sensor and the gyro sensor The step noise of the motion data is removed, and the motion data from which the step noise has been removed is processed to process the motion data of the smart shoe based on the filtered motion data and a first predefined threshold value.
  • the smart shoe including an acceleration sensor, a gyro sensor and a pressure sensor that is switched in units of steps and senses the pressure of the smart shoe, and receives sensing data of the smart shoe sensors, And a mobile terminal including a data processor configured to process motion data of the smart shoe based on the received pressure sensor sensing data.
  • the data processor detects zero velocity data from the pressure sensor sensing data among the received sensing data, and is generated from the acceleration sensor sensing data and the gyro sensor sensing data based on the detected zero velocity data. Step noise of the movement speed data is removed, and motion data of the smart shoe is obtained based on the movement speed data from which the step noise is removed.
  • An embodiment of a data processing method in a smart shoe includes: collecting sensing data from sensors; Acquiring motion data from the collected sensing data; Detecting zero velocity data of the motion data based on sensing data of a pressure sensor which is switched in units of steps among the sensors and senses pressure of the smart shoe; Removing step noise of the motion data based on the detected zero velocity data; Filtering the motion data from which the step noise has been removed; And processing motion data of the smart shoe based on the filtered motion data and a predefined threshold value.
  • the new sensor module has an effect of improving battery efficiency by minimizing power consumption despite collection and analysis of motion sensing data of the wearer through smart shoes.
  • the motion sensing algorithm based on the sensing data collected through the sensor module is proposed to improve the accuracy compared to the conventional motion sensing algorithm.
  • the present invention it is possible to increase the battery efficiency of the smart shoes to solve the inconvenience caused by frequent battery replacement, etc., and to improve the reliability by improving the accuracy of the data sensed in the smart shoes.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a smart shoe 100 related to the present invention
  • Figure 2 is a y-z plane cross-sectional view of the smart shoe 100 associated with the present invention
  • FIG. 3 is a time series diagram of a movement of a smart shoe wearer 300 according to the present invention, that is, a response to a signal generated by a step.
  • FIG. 4 is a view showing a pressure distribution acting on the smart shoe 100 according to the present invention.
  • FIG. 6 is a flow chart for a smart shoe 100 associated with the present invention
  • FIG. 7 illustrates a pressure switch 710 and a first circuit portion 751 related to the present invention.
  • FIG. 8 is a front perspective view of a pressure switch module 700 according to the present invention.
  • 9A and 9B are cross-sectional views along the line AA ′ of FIG. 8;
  • FIG. 10 is a view showing an embodiment of a pressure switch module 700 according to the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing some embodiments of a smart shoe 100 related to the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration for a smart shoe tracking algorithm according to the present invention.
  • FIG. 13 is a view showing an example of a trace data graph including noise in accordance with the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a trace data graph from which noise is removed according to the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a motion data graph for a smart shoe wearer according to the present invention.
  • FIG. 17 is a flowchart illustrating a data processing method in a smart shoe system according to the present invention.
  • the wearable device which is one of the mobile terminals, is expanding to devices such as clothing and shoes worn by the user, from devices such as smart watches, smart glasses, and head mounted displays (HMDs).
  • the shoe is referred to as a smart shoe for convenience. Details thereof will be described later.
  • the smart shoes may collect motion data according to the movement of the smart shoe wearer, and may calculate the amount of exercise of the wearer by analyzing the collected motion data.
  • the collected or analyzed motion data may be transmitted to another mobile terminal such as a smart phone to provide related data to the user.
  • the analysis of the motion data, the calculation of the amount of exercise, the provision of related data, etc. may all be made in the smart shoes or may be made through another mobile terminal.
  • the smart shoes may collect or acquire motion data for data acquisition, processing, and the like, such as activity time, activity distance, activity trajectory, etc. of the wearer while wearing the smart shoes.
  • the motion sensor refers to an acceleration sensor and a gyro sensor.
  • the motion sensor in the present specification may mean a pressure sensor to be described later or at least two or more of the acceleration sensor, the gyro sensor and the pressure sensor.
  • the sensor (s) described above may be included in the meaning of the motion sensor other sensor (s) or a separate configuration or communication capable of configuring the sensor unit in the smart shoe.
  • the smart shoe can sense its approximate location through a satellite navigation device such as a GPS (Global Positioning System), and further refer to data such as an acceleration sensor and a gyro sensor in addition to the location. Identify additional data.
  • the smart shoe may calculate the wearer's step recognition and the step unit reference by measuring the speed through the motion sensor.
  • GPS Global Positioning System
  • acceleration sensor e.g., gyro sensor
  • gyro sensor Global Positioning System
  • the smart shoe may calculate the wearer's step recognition and the step unit reference by measuring the speed through the motion sensor.
  • battery consumption increases. This may impose structural limitations in designing a circuit for smart shoes or may make it difficult to implement smart shoes.
  • the battery may be replaced, it is cumbersome to manually replace the battery each time.
  • an embodiment of the smart shoe according to the present invention includes a sensor unit including an acceleration sensor, a gyro sensor, and a step sensor that is switched in units of steps and a pressure sensor for sensing a pressure of the smart shoe, and the smart shoe based on sensing data of the sensor unit. And a data processor for acquiring and processing motion data of the.
  • the data processor with reference to the zero velocity data detected from the pressure sensor data sensed through the pressure sensor, the smart shoe based on the acceleration sensor data and gyro sensor data sensed through the acceleration sensor and the gyro sensor
  • the step noise of the motion data is removed, and the motion data from which the step noise has been removed is processed to process the motion data of the smart shoe based on the filtered motion data and a first predefined threshold value.
  • the smart shoe including an acceleration sensor, a gyro sensor and a pressure sensor that is switched in units of steps and senses the pressure of the smart shoe, and receives sensing data of the smart shoe sensors, And a mobile terminal including a data processor configured to process motion data of the smart shoe based on the received pressure sensor sensing data.
  • the data processor detects zero velocity data from the pressure sensor sensing data among the received sensing data, and is generated from the acceleration sensor sensing data and the gyro sensor sensing data based on the detected zero velocity data. Step noise of the movement speed data is removed, and motion data of the smart shoe is obtained based on the movement speed data from which the step noise is removed.
  • the data processing unit may be named by various names such as a tracking data processing unit, a sensor data processing unit, a sensor processing unit, and a sensor data correction unit, and the present invention is not limited thereto.
  • the tracking data processing unit will be described.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a smart shoe 100 related to the present invention.
  • the smart shoe 100 includes a wireless communication unit 110, an input unit 120, a sensing unit 140, an output unit 150, an interface unit 160, a memory 170, a controller 180, and a power supply unit 190. And the like.
  • the smart shoe 100 is not limited to the components shown in FIG. 1, and may be implemented with more or less components than those listed above.
  • the wireless communication unit 110 of the components wireless between the smart shoe 100 and the wireless communication system, between the smart shoe 100 and another mobile terminal, or between the smart shoe 100 and the external server. It may include one or more modules that enable communication. In addition, the wireless communication unit 110 may include one or more modules for connecting the smart shoe 100 to one or more networks.
  • the wireless communication unit 110 may include at least one of the short range communication module 111 and the location information module 112.
  • the short range communication module 111 may be connected to the mobile terminal through a Bluetooth method to transmit / receive data.
  • the location information module 112 serves to measure or transmit location information of the smart shoe 100, and may include a concept overlapping with the motion sensor 143 to be described later.
  • the input unit 120 may include a user input unit 121 (eg, a touch key, a mechanical key, etc.) for receiving information from a user.
  • the voice data or the image data collected by the input unit 120 may be analyzed and processed as a user's control command.
  • the input unit 120 may play a role of receiving an on / off function of activating or deactivating the function of the smart shoe 100 and may be omitted as necessary to reduce production cost or light weight.
  • the sensing unit 140 may include one or more sensors for sensing at least one of information in the smart shoe 100, surrounding environment information surrounding the smart shoe 100, and user information.
  • the sensing unit 140 may include a proximity sensor 341, an illumination sensor 142, an illumination sensor, a touch sensor, an acceleration sensor 144, a magnetic sensor, and a gravity sensor.
  • G-sensor gyroscope sensor
  • gyroscope sensor 145, gyroscope sensor, hereinafter referred to as gyro sensor
  • motion sensor 143 RGB sensor
  • infrared sensor IR sensor: infrared sensor
  • fingerprint scan sensor fingerprint scan sensor
  • Ultrasonic sensors ultrasonic sensors
  • optical sensors e.g.
  • the mobile terminal disclosed herein may use a combination of information sensed by at least two or more of these sensors.
  • the acceleration sensor 144 and the gyro sensor 145 mentioned in the present invention may be a concept included in the motion sensor 143.
  • the pressure sensor 146 may mean a pressure switch module 200 (see FIG. 2) to be described later.
  • the pressure sensor 146 may be a concept included in the motion sensor 143, but for convenience of description, the motion sensor 143 and the pressure sensor 146 will be described separately.
  • the output unit 150 is used to generate an output related to sight, hearing, or tactile sense, and includes at least one of a display unit 151, an audio output unit 152, a hap tip module 153, and an optical output unit 154. can do.
  • the interface unit 160 serves as a path to various types of external devices connected to the smart shoe 100.
  • the interface unit 160 includes at least one of an external charger port, a wired / wireless data port, a memory card port, and a port for connecting a device equipped with an identification module. can do.
  • appropriate control associated with the connected external device may be performed.
  • the memory 170 stores data supporting various functions of the smart shoe 100.
  • the memory 170 may store data and instructions for the operation of the controller running in the smart shoe 100.
  • the controller 180 In addition to the operation related to the application program, the controller 180 typically controls the overall operation of the smart shoe 100.
  • the controller 180 may provide or process information or a function appropriate to a user by processing signals, data, information, or the like input or output through the above-described components or by using data and instructions stored in the memory 170. .
  • the power supply unit 190 receives power from an external power source and an internal power source under the control of the controller 180 to supply power to each component included in the smart shoe 100.
  • the power supply unit 190 includes a battery, which may be a built-in battery or a replaceable battery.
  • At least some of the components may operate in cooperation with each other to implement an operation, control, or control method of the smart shoe 100 according to various embodiments described below.
  • the operation, control, or control method of the smart shoe 100 may be implemented on the smart shoe 100 through at least one data or command stored in the memory 170.
  • FIG 2 is a cross-sectional view of the y-z plane of the smart shoe 100 according to the present invention.
  • the sole frame 210 refers to a direct / indirect area in which the sole of the wearer touches. That is, in the smart shoe 100, it may mean a frame of an area provided between the wearer's foot and the floor.
  • the sole frame 210 is provided at the bottom of the insole 211 (insole) that the wearer's sole directly touches, the bottom of the smart shoe 100, that is, the outsole (213, outsole) and insole 211 that directly touches the outside, the ground and
  • the midsole 212 may be provided between the outsoles 213 to form a predetermined volume.
  • the insole 211 may be a so-called insole, but if necessary, the insole 211 and the midsole 212 may be formed integrally, or may be provided in a combined form by a separate member or adhesive.
  • the pressure switch module 700 including the pressure switch 710 (see FIG. 7) to be described later may be provided in the sole frame 210.
  • a predetermined pressure may be applied to signal or data whether or not the pressure is applied.
  • the wearer's walking or driving may attempt to make electrical contact of the first circuit unit 751 (see FIG. 7) by operating the pressure switch module 700.
  • the first circuit unit 751 may generate an electrical signal (eg, a current).
  • the controller may recognize whether the current or signal generated in the first circuit unit 751 is an on / off binary signal and control various subsequent operations based on the on / off signal.
  • the first circuit unit 751 generates a current or a signal
  • the controller 180 (refer to FIG. 1) is configured to recognize the on / off current or signal generated by the first circuit unit 751 and the first circuit unit 751.
  • the controller 180 may perform a separate and independent process, it may mean a series of operations performed in one circuit in some cases.
  • 3 is a time series of the movement of the smart shoe wearer 300 according to the present invention, that is, a response to a signal generated as a user walks.
  • the ON signal by the first circuit unit 751 falls off the floor by wearing the smart shoes 100, and the OFF signal by the first circuit unit 751 is lost. May occur.
  • a specific pressure value or more acts on the first circuit unit 751 to generate a value 1, that is, an on-signal.
  • a value 0, that is, an off signal may be generated in the first circuit unit 751.
  • this result may vary sufficiently depending on the generation of the signal, that is, how much the threshold pressure value for connecting the first circuit unit 751 is set to adjust the stiffness or the interval of the pressure switch 710.
  • the pressure threshold value at which the on signal can be generated becomes higher, so that the value 1, that is, the ON signal occurs in the first circuit portion 751 only in the case of 2 or 3, and the remaining 1 and In the case of 5-7, the value of the first circuit unit 751, that is, the off signal may occur.
  • 2 can be interpreted as the beginning of a step, and a point that becomes 1 after passing a?
  • one cycle may be identified as one step and a plurality of steps may be interpreted.
  • the on / off signal of the switch 710 may be used to remove such noise to distinguish the correct step unit.
  • the pressure switch 710 may operate according to whether pressure is applied to the sole frame 210 from the sole to the sole frame 210. However, it is not necessarily required to be in the lower direction, and if necessary, may operate based on pressure in a direction shifted by a predetermined angle with respect to the lower direction, and in the case where a plurality of pressure switches 710 are provided, It may work.
  • the direction of this pressure may be based on the wearer's general gait and force action, or may vary based on the wearer's walk and force action that is different for each individual.
  • FIG 4 illustrates the pressure distribution acting on the smart shoe 100 according to the present invention.
  • Figure 4 shows the pressure distribution on the x-y plane that acts when tread the smart shoe 100 for the smart shoe wearer on the floor.
  • a relatively small pressure of, for example, 100 kpa or less acts on the relatively central portion of the foot.
  • This pressure result may be the basis for determining the position where the pressure switch 710 is to be mounted. If the pressure switch 710 is provided in the heel area that is relatively high pressure may cause a problem in the durability of the device, due to the switch case to be described later including the pressure switch 710 may bring a disadvantage in the wearer's comfort. .
  • the pressure switch 710 may be provided in the area W between the heel and the center of the foot, which is an area around 100 kpa. If necessary, it may be provided in a working area of 100 kpa or more.
  • the size of the smart shoe 100 may vary, but for the y-axis component that is the vertical axis of the smart shoe 100, the distance D from the rear end of the sole frame 210 to the pressure switch 710 is generally about 50 mm. Preferably, the pressure switch 710 is provided at a spaced distance. If necessary, such as the size and shape of the smart shoes 100, the movement of the position can be determined to be flexible about 20mm up and down.
  • the shorter the time the pressure is applied the more precisely the point at which the step ends and starts. In other words, it is advantageous to minimize the length of the section where the velocity is zero. As a result of the measurement, it was confirmed that the region where the velocity is 0 is relatively short becomes the W region where 100 kpa is applied.
  • FIG. 5 is a simplified diagram of the medial structure of a human foot bone.
  • the W region may correspond to a region near a heel bone, a cuboid bone, or fifth metatarsal bones when viewed based on the bone of the wearer's foot.
  • the x-axis component which is a horizontal axis of the smart shoe 100, may be provided near the centers of both ends. When provided near the center of both ends it can minimize the sense of foreign body that the wearer can feel, it is possible to minimize the risk of damage to the pressure switch 710 by the external force.
  • the critical pressure value may be differently applied depending on physical and habitual factors such as the height, weight, and foot size of the wearer.
  • the on / off of the pressure switch 710 is dependent on the material and structure, so that the pressure switch 710 having a predetermined material and structure has a predetermined threshold pressure value.
  • the motion sensor 143 mounted on the smart shoe 100 may refer to a configuration for directly sensing the movement of the smart shoe 100.
  • the motion sensor 143 may include an acceleration sensor 144 (see FIG. 1) and a gyro sensor 145 (see FIG. 1). If necessary, only one of the acceleration sensor 144 and the gyro sensor 145 may be provided.
  • the motion sensor 143 may sense a movement such as a position change with respect to a position and time on a two-dimensional or three-dimensional image of the smart shoe 100.
  • the motion sensor 143 may be sensed by receiving a current through a second circuit unit constituting a circuit independently of the first circuit unit 751.
  • the controller 180 may control the supply of current to the second circuit unit.
  • the controller 180 may include a micro controller unit (CPU) 752 (see FIG. 7) such as an operation processing unit (CPU).
  • FIGS. 1 and 7 are flowchart of a smart shoe 100 according to the present invention. For convenience of description, reference is made to FIGS. 1 and 7 together.
  • the controller 180 may control the supply or interruption of the current to the second circuit unit, that is, the motion sensor 143, based on whether the current or the signal of the first circuit unit 751 is generated.
  • the wearer does not wear or wears the smart shoes 100. Even if it does, it can be interpreted as a stationary state.
  • the controller 180 may perform the system sleep mode to minimize the power consumption of the smart shoe 100 by deactivating the second circuit unit that controls the motion sensor 143 (S601).
  • the wearer may interpret the wearer to be active by wearing the smart shoe 100 (S602).
  • the current of the first circuit unit 751 generated during the system sleep mode may activate the controller 180 including the MCU 752 (S603).
  • the MCU 752 is already activated, this step may be omitted.
  • the activated controller 180 may release the system sleep mode of the smart shoe 100 and drive the system.
  • the driving of the system may mean driving various electronic components and sensors provided in the smart shoe 100.
  • the second circuit unit for controlling the motion sensor 143 may be activated to control the sensing of the movement of the smart shoe 100 (S604).
  • the controller 180 receives a signal of on / off current through the first circuit unit 751 in real time and compares a signal generation period of the first circuit unit 751 generated by the pressure switch 710 with a preset time or pattern. (S605).
  • driving of the smart shoe 100 system may be continuously maintained.
  • activation of the second circuit portion that controls the motion sensor 143 can be maintained continuously (S606).
  • the controller 180 deactivates the entire system of the smart shoe 100, that is, the system You can switch to sleep mode. In particular, the controller 180 can supply or cut off power to the second circuit unit.
  • FIG. 7 illustrates a pressure switch 710 and a first circuit portion 751 related to the present invention.
  • the pressure switch 710 may operate in conjunction with the first circuit portion 751.
  • the first circuit unit 751 may be mounted in the main substrate 750.
  • FIG. 7 schematically illustrates a state before coupling of the pressure switch 710 and the first circuit unit 751.
  • the pressure switch 710 may be fixed to the main substrate 750 by a separate member.
  • the pressure switch 710 When a pressure below a certain value is applied to the pressure switch 710, the pressure switch 710 electrically disconnects the first circuit portion 751.
  • the first circuit portion 751 may remain open, that is, electrically open, until the first circuit portion 751 is connected by the conductive member of the pressure switch 710.
  • the first circuit portion 751 in the open state may be implemented by two contact terminals 753 spaced apart from each other.
  • the pressure switch 710 When a pressure greater than a certain value is applied to the pressure switch 710, the pressure switch 710 may be electrically connected to the contact terminal 753 of the first circuit unit 751.
  • the two contact terminals 753 spaced apart may be electrically closed by the conductive member of the pressure switch 710 so that the first circuit portion 751 may form a closed circuit.
  • current or a signal may be generated.
  • the first circuit portion 751 may generate a current or a signal by electrical contact.
  • the controller 180 may recognize whether the current or signal generated in the first circuit unit 751 is an on / off binary signal and control various subsequent operations based on the on / off signal.
  • the controller 180 recognizes the on / off signal and can be interpreted as a separate process, but this means one operation performed in the same circuit. can do. That is, the current generated by the first circuit unit 751 may be recognized as an on signal by itself by electrically connecting the controller 180.
  • FIG. 8 is a front perspective view of the pressure switch module 700 according to the present invention.
  • the pressure switch 710, the main board 750, and the like described with reference to FIG. 7 may be implemented as one pressure switch module 700, and the pressure switch module 700 may be mounted in the switch housing 860. More details about this will be described later.
  • 9A and 9B are cross-sectional views taken along the line AA ′ of FIG. 8.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view before the pressure switch 710 according to an embodiment of the present invention behaves by pressure
  • FIG. 9B is a pressure switch 710 according to an embodiment of the present invention behaving by pressure. It is sectional view of one state.
  • the main board 750 may be provided at a lower end of the pressure switch 710 to mount the first circuit unit 751.
  • the main substrate 750 may also mount the second circuit unit and the controller 180.
  • at least one of the second circuit unit or the controller 180 may be provided on a separate main substrate 750 independently separated from each other as necessary.
  • the first circuit unit 751 may be provided in at least one of a bonding form of a film and a metal electrode, a film and a conductive polymer, a film and a CNT, or a film and graphene.
  • the first circuit unit 751 may be provided in the form of an injection molding and mold interconnect devices (MID).
  • MID injection molding and mold interconnect devices
  • the conductive member 930 of the pressure switch 710 may electrically connect the first circuit portion 751 when the conductive member 930 contacts the first circuit portion 751.
  • the conductive member 930 may be a conductive material such as conductive silicon (Silicone), metal gasket (Gasket), metal plate or metal deposition, conductive polymer, CNT, graphene (Graphene).
  • the injection molding may be configured by combining a MID (Mold Interconnect Device).
  • the fixing member 920 of the pressure switch 710 separates the conductive member 930 from the first circuit portion 751 when a pressure less than a certain value is applied, and removes the conductive member 930 when a pressure greater than or equal to a certain value is applied.
  • One circuit section 751 can be brought into contact.
  • the fixing member 920 may include a non-conductive fixing part 922 mounted to the main substrate 750, that is, the first circuit part 751. Although the non-conductive fixing part 922 is directly fixed to the first circuit part 751 or the main substrate 750 including a non-conductive material, the non-conductive fixing part 922 may not affect the current flow of the first circuit part 751.
  • the displacement part 923 of the fixing member 920 may be connected to the non-conductive fixing part 922 through the upper end 921 of the fixing member 920.
  • the displacement part 923 of the fixing member 920 directly fixes the conductive member 930 and may be displaced by a specific or higher pressure value to connect the conductive member 930 to the first circuit portion 751.
  • At least one region of the upper end portion 921 may include an elastic material in order for the displacement portion 923 to be displaced by a specific pressure value. Due to the elasticity of at least one region of the upper end portion 921, the conductive member 930 may displace the fixed displacement portion 923 downward so that the conductive member 930 contacts the first circuit portion 751.
  • the displacement part 923 and the conductive member 930 of the fixing member 920 may be formed through a double injection molding.
  • the fixing member 920 may be a silicone rubber, or may be a plastic injection molding such as polycarbonate or polyamide. Or a material such as metal sheet or metal die casting.
  • the non-conductive fixing part 922 may branch to the lower end of the first area of the upper end 921, and the displacement part 923 may be branched to the lower end of the second area of the upper end 921.
  • the upper end 921, the non-conductive fixing part 922, and the displacement part 923 may be integrally provided. If necessary, different separate materials may be formed by a process such as double injection.
  • the second region may be located between the first regions. If necessary, each of the second region or the first region may include a plurality of regions of the upper end portion 921.
  • the first region may include three regions that are both ends and a central region of the upper end portion 921 of the pressure switch 710, and the second region may include three first regions.
  • the non-conductive fixing portion 922 of the pressure switch 710 can be stably coupled to the main substrate 750 or the first circuit portion 751 and further provided in the second region.
  • the conductive member 930 can be prevented from being inadvertently connected to the first circuit portion 751.
  • the non-conductive fixing part 922 and the displacement part 923 may form slits 924 spaced apart from each other.
  • At least one region including the elastic material of the upper end 921 may mean a region corresponding to the formed slit 924. Since the non-conductive fixing part 922 is fixed to the slit 924 and the displacement part 923 is displaced, it is possible to cause the displacement well if the area in the vicinity thereof is particularly an elastic material.
  • the pressure switch 710 may be mounted in the switch housing 960.
  • the switch housing 960 may fix the pressure switch 710 by combining the upper case 961 and the lower case 962.
  • the upper case 961 may have a thin planar shape so that the pressure may be well transmitted from the sole of the wearer to the pressure switch 710, and may be provided in direct contact with the pressure switch 710.
  • the upper case 961 may include a material having elasticity as needed to facilitate the transfer of force to the pressure switch 710.
  • the upper case 961 may be formed of a material of silicon.
  • FIG. 10 illustrates an embodiment of a pressure switch module 700 according to the present invention.
  • the pressure switch module 700 may refer to a structural unit that mounts a component that performs a function of a pressure sensor such as a pressure switch 710 and a main board 750, and is physically mounted in the switch housing 860. It may include the whole.
  • the switch housing 860 may mount components such as the pressure switch 710 and the main substrate 750.
  • the upper case 1061 and the lower case 1062 provided on the front of the switch housing 860 may be configured as a combination.
  • the front case 1063 may be coupled between the two components.
  • the power supply 190 may also be mounted in the switch housing 860 of the pressure switch module.
  • the power supply unit 190 may serve to supply power to the controller 180 and the like.
  • the battery cover 1064 may be coupled to the lower case 1062 for smooth replacement of the power supply unit 190.
  • the waterproof ring 1065 may prevent the gap between the battery cover 1064 and the lower case 1062 so as to prevent a problem in waterproofing.
  • the switch housing 860 may mount the second circuit unit as necessary.
  • the switch housing 860 including the pressure switch 710 based on the xy plane has a heel bone and a cuboid based on the wearer's sole structure in the sole frame 210. It may be provided in a pressure region corresponding to at least one of the bone or the fifth metatarsal bones. Therefore, the switch housing 860 mounting the pressure switch 710 may also be provided in the pressure region of the sole frame 210.
  • the sole frame 210 may include a mounting part 220 that forms a step in an area where the switch housing 860 is to be mounted.
  • the seating portion 220 on which the switch housing 860 is seated may be formed in particular in the midsole 212 region of the sole frame 210.
  • FIG 11 illustrates some embodiments of smart shoes 100 related to the present invention.
  • the main substrate 750 including the pressure switch 710 and the first circuit unit 751 may be stacked in the z-axis direction.
  • a separate circuit line 770 is not required to connect both components from the outside, thereby minimizing the possibility of problems due to reduction of material cost and disconnection.
  • the switch housing 860 can mount the pressure switch 710 and the main substrate 750 in a small volume, the total volume is minimized and the area of the mounting portion 220 (see FIG. 2) where the switch housing 860 is to be mounted. Can also be minimized.
  • FIG. 11B illustrates a scheme in which the main substrate 750 and the pressure switch 710 do not overlap with respect to the z-axis direction. Since a higher pressure acts on the B line than the A line, the main substrate 750 may be provided horizontally on the xy plane without overlapping the pressure switch 710 in the z-axis direction so as not to be located in the B line. .
  • FIG. 11C illustrates that the main board 750 and the pressure switch 710 are electrically connected through a separate connection line 770.
  • 11A and 11B since the main board 750 is completely positioned on the A line, the load applied from the wearer's foot can be minimized, thereby increasing the durability reliability of the main board 750.
  • the smart shoe system according to the present invention has been described.
  • Such a smart shoe system can be operated based on a smart shoe tracking algorithm based on sensing data of the pressure sensor described above in the PDR algorithm.
  • the smart shoe tracking algorithm can accurately sense the motion (eg, step) of the smart shoe wearer based on the sensing data of the pressure sensor in the PDR algorithm.
  • the smart shoe tracking algorithm can easily and accurately calculate the foot trajectory, the walking direction, the stride, the height, etc. of the smart shoe wearer.
  • the smart shoe tracking algorithm may contribute to minimizing power consumption and maximizing efficiency of the smart shoe system by interworking with the above-described pressure switch or pressure sensor circuit or module.
  • Smart shoes according to the present invention the time, velocity (velocity), distance or position (orientation), trace or path (movement) while the wearer wearing the smart shoes It can track, sense, and record motion data such as, attitude, and stride length.
  • the present invention performs tracking, sensing, and the like accurately without missing a step of the smart shoe wearer. This enables sensing of the various motion data described above.
  • the movement data also includes sensing data for the step of the smart shoe wearer.
  • the motion sensor herein may mean only a pressure sensor or may mean a pressure sensor, an acceleration sensor, a gyro sensor, or the like.
  • the acceleration sensor and the gyro sensor may be specifically referred to as a PDR sensor or an inertial sensor.
  • the PDR sensor when measuring the wearer's motion data through such a PDR sensor, the PDR sensor should always maintain a measurable state, that is, a state that consumes current. Can give
  • the noise generated in the inertial sensor may not accurately distinguish the wearer's step, which may result in a cumulative error.
  • the above-described pressure switch or pressure sensor is further employed as the PDR sensor, and the above-described information is used, and the overlapping description is omitted here.
  • a smart shoe tracking algorithm based on the sensing data of the pressure sensor may acquire various and accurate motion data for the smart shoe compared to the conventional art.
  • FIG. 12 illustrates a configuration for a smart shoe tracking algorithm according to the present invention.
  • a smart shoe tracking data processing unit 1200 or a tracking data processing unit 1200 (hereinafter referred to as a tracking data processing unit for convenience). As mentioned above, this may be referred to as a data processing unit.
  • the tracking data processor 1200 may be implemented in hardware such as a circuit or a module or software embedded in one component of the aforementioned smart shoe system. However, the tracking data processor 1200 does not necessarily need to be one configuration of the smart shoe, but may be designed in one configuration to another device capable of receiving and processing sensing data of the sensors of the smart shoe.
  • the tracking data processor 1200 estimates the moving speed Velocity (3D) and the moving direction Attitude (3D) of the smart shoe wearer through a sensor module mounted on the smart shoe to calculate the movement distance (3D). Can be calculated cumulatively.
  • the tracking data processor 1200 processes the tracking data for the smart shoe wearer based on the sensing data of the sensor module (or sensor unit) mounted on the smart shoe using the processor 1220 and the filter unit 1250. This is related to the PDR algorithm associated with the conventional inertial navigation system, and the detailed description of the PDR algorithm uses known contents, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • the tracking data processing process through the processing unit 1220 and the filter unit 1250 will be described first.
  • the processor 1220 includes a first processor 1222 and a second processor 1224.
  • the first processor 1222 receives the data sensed by the first sensor 1212, processes the received sensing data, and outputs the sensed data to the first integrator.
  • the first sensor 1212 includes, for example, an acceleration sensor.
  • the first processor 1222 subtracts a gravity from the data sensed by the first sensor 1212.
  • the second processor 1224 receives the data sensed by the second sensor 1214 and processes the received sensing data.
  • the processed data is output to the first processor 1222 and the mixer.
  • the second sensor 1214 may include, for example, a gyro sensor.
  • the movement direction data may include yaw data, pitch data, roll data, and the like.
  • the second processor 1224 calculates a moving direction A of the insole of the smart shoe based on the data sensed by the second sensor 1214.
  • the output data of the first integrator may itself be movement speed data (V), and the data processed by the second processing unit 1224 may itself be movement direction data (A) of the smart shoe wearer. have.
  • the data excluding the movement speed data v1 from the output data of the first integrator, that is, the movement distance data p0, are input to the second integrator and accumulate again.
  • the movement speed data v1, the output data of the second integrator, that is, the movement distance data p1, and the movement direction data a1 of the second processor 1224 are input to the filter unit 1250.
  • the filter unit 1250 filters the moving speed data v1, the moving distance data p1, and the moving direction data a1, for example, by using a Kalman filter mainly used in the above-described PDR algorithm. .
  • the input moving speed data v1, the moving distance data p1, and the moving direction data a1 are filtered by the filter unit 1250 to move the moving speed data v2, the moving distance data p2, and The movement direction data a2 is output.
  • the movement speed data v2, the movement distance data p2, and the movement direction data a2 thus outputted are output to the mixer unit 1260.
  • the mixer unit 1260 includes a first mixer regarding a moving distance, a second mixer regarding a moving speed, and a third mixer regarding a moving direction.
  • the first mixer calculates the final moving distance data P by mixing the moving distance data p1 which is the output of the second integrator and the moving distance data p2 which is the output of the filter unit 1250.
  • the second mixer calculates the final moving speed data V by mixing the moving speed data v1 extracted from the first integrator and the moving speed data v2 which is the output of the filter unit 1250.
  • the third mixer calculates the final movement direction data A by mixing the movement direction data a1 output from the second processor 1224 and the movement direction data a2 output from the filter unit 1250.
  • the tracking data processing unit 1200 processes the tracking data for the smart shoe wearer based on the sensing data of the sensor module mounted on the smart shoes using the processing unit 1220 and the filter unit 1250 of FIG. 12, A graph as shown in FIG. 13 can be obtained.
  • a noise area 1300 is present and thus a step of a smart shoe wearer. May not be detected correctly. This is because it is not possible to accurately measure the zero velocity according to the influence of the noise, and it is ambiguous to distinguish the previous step from the next step, so that one step may not be detected. For example, this may not be a big problem when the smart shoe wearer walks or is in a static state. However, when the moving speed is increased or the stride length is narrow, the entire data may be affected to give an error. In addition, the noise can be generated in every step, which may cause a large error in the entire data. Therefore, minimizing or eliminating the noise area can contribute to more accurate tracking data calculation.
  • the present invention further refers to the sensing data of the above-described pressure sensor.
  • the tracking data processor 1200 further includes a detector 1230 and a fourth mixer 1240.
  • the detector 1230 receives the data sensed by the third sensor 1216, processes the received data, and outputs the received data to the fourth mixer 1240.
  • the third sensor 1216 may be a pressure sensor according to the present invention described above. Therefore, the above-mentioned content is used here and abbreviate
  • Data sensed by the pressure sensor may be generated, for example, at every step of the smart shoe wearer. This may be, for example, a graph 1410 generated at the bottom of FIG. 14.
  • the detector 1230 detects zero velocity from data sensed and input by the third sensor 1216. This can be easily detected from the graph data as shown in FIG. 14 sensed as the third sensor 1216 operates as a pressure switch according to the wearer's step.
  • the zero velocity data z1 detected by the detector 1230 is mixed with the movement velocity data v1 extracted from the first integrator in the fourth mixer 1240, and the mixed data is thus described above. It becomes input v1 'different from input v1 of (). Thereafter, as described above, after the filtering in the filter unit 1250, the movement distance P, the movement speed V, and the movement direction A data are calculated.
  • the noise region 1310 exists in FIG. 13 as described above.
  • the data filtered through the detector 1230 and the fourth mixer 1240 cancels noise as shown in FIG. 13 to minimize zero velocity, thereby clearly recognizing and processing every step. Do it. Therefore, in the case of FIG. 13 described above, the missing part may be compensated for a specific step that may occur, and thus accurate data calculation is possible.
  • the altitude was used as an air pressure sensor, but in this case, the atmospheric pressure suddenly changed due to weather change, wind, etc. Due to other factors such as open and closed, the pressure change was severe and accurate data sensing was impossible, and the reliability of the sensed data was low.
  • the zero velocity is minimized based on the sensing data of a simple pressure sensor (pressure switch), so that easy and accurate data calculation is possible without an air pressure sensor or other configuration.
  • the tracking data processing algorithm according to the present invention can be used for tracking and managing the wearer's exercise information to measure the wearer's calorie consumption, weight change, and the like, and automatically recognizes riding, walking, and running, and accordingly navigation. To scheduling services are also possible.
  • the walking posture tracking and management services of the wearer military, etc.
  • indoor navigation services such as marts, libraries, public institutions, outdoor bicycle
  • walking navigation accuracy correction Various services such as service, tracking history management of walking area, exercise measurement and management service using stride length and reporting, and wearer tracking management service in areas where GPS or Wi-Fi are not available will be available.
  • 16 is a UX diagram of an example of a service scenario according to the present invention described above.
  • FIG. 16A illustrates a case of walking at a moving distance of 10 m at an average speed
  • FIG. 16B illustrates UX of data acquired through the tracking data processor in FIG. 16A.
  • the data acquired through the tracking data processor for the moving distance 10m in FIG. 16A may be 10.072m.
  • FIG. 16C illustrates a case of walking a 10 m moving distance at a high speed as an alarm
  • FIG. 16D illustrates UX of data obtained through the tracking data processor in FIG. 16C.
  • the data acquired through the tracking data processor for the moving distance 10m in FIG. 16C may be 10.066m.
  • FIG. 16E illustrates the UX of the stride, speed, and total distance data acquired by accumulating through the tracking data processor for a predetermined time.
  • FIG. 17 is a flowchart illustrating a data processing method in a smart shoe system according to the present invention.
  • An embodiment of a data processing method in a smart shoe according to the present invention may include collecting sensing data from sensors, acquiring motion data from the collected sensing data, and switching by a step unit among the sensors. Detecting zero velocity data of the motion data based on sensing data of a pressure sensor sensing a pressure of a shoe; removing step noise of the motion data based on the detected zero velocity data; Filtering the motion data from which the noise is removed, and processing the motion data of the smart shoe based on the filtered motion data and a predefined threshold value.
  • the tracking data processor of the smart shoe system receives sensing data from one or more first sensors (S1702), and receives sensing data based on the operation of the second sensor to zero velocity. Data is detected (S1704).
  • the first sensors include, for example, the first sensor (acceleration sensor) and the second sensor (gyro sensor) of FIG. 12 described above.
  • the second sensor includes the third sensor (pressure sensor) of FIG. 12 described above.
  • the tracking data processor removes step noise of the sensing data received from the first sensors based on the detected zero velocity data (S1706).
  • the step noise refers to the noise 1310 illustrated in FIG. 13, and the step noise to be removed indicates that the process is performed as shown in FIG. 14.
  • the tracking data processing unit filters the sensing data from which the step noise is removed (S1708).
  • the tracking data processor acquires motion data of the smart shoe based on the filtered sensing data and a predefined threshold value (S1710).
  • the predefined threshold may represent a value according to data normalization according to filtering in the filter unit. As such, normalizing data may be useful for data management.
  • the battery power is improved by minimizing power consumption to improve battery efficiency.
  • the present invention relates to a smart shoe, the technology related thereto is applicable throughout the digital industry, the present invention has industrial applicability.

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Abstract

본 명세서에서는, 본 발명에 따라 모션을 감지하는 스마트 신발과 상기 스마트 신발에서 감지된 모션 데이터의 처리 방법이 개시된다. 여기서, 본 발명에 따른 스마트 신발의 일 실시 예는, 가속도 센서, 자이로 센서 및 스텝 단위로 스위칭되며 스마트 신발의 압력을 센싱하는 압력 센서를 포함한 센서부, 및 상기 센서부의 센싱 데이터에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 획득하고 처리하는 데이터 처리부를 포함한다. 여기서, 상기 데이터 처리부는, 상기 압력 센서를 통해 센싱된 압력 센서 데이터로부터 검출되는 제로 벨로시티 데이터를 참조하여, 상기 가속도 센서와 자이로 센서를 통해 센싱된 가속도 센서 데이터와 자이로 센서 데이터에 기초한 상기 스마트 신발 모션 데이터의 스텝 노이즈를 제거하고, 상기 스텝 노이즈가 제거된 모션 데이터를 필터링하여 상기 필터링된 모션 데이터와 미리 정의된 제1 임계값에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 처리한다.

Description

스마트 신발 및 그 데이터 처리 방법
본 발명은 모션을 감지하는 스마트 신발과 상기 스마트 신발에서 감지된 모션 데이터의 처리에 관한 것이다.
이동 단말기는 종래 단순 통신 기능만 수행하였으나, 최근에는 복합적인 기능들까지 갖춘 멀티미디어 기기로서 스마트폰으로 발전하여 컨텐츠의 생산, 소비 등에 관련된 기능을 수행하고 있다.
또한, 이동 단말기는 전술한 스마트폰뿐만 아니라 사용자가 착용 가능한 물건 즉, 웨어러블 디바이스 등의 형태로도 구현된다.
더불어, 최근 이동 단말기는, 다양한 사물들에 확장되어 IoT(Internet of Things)를 위한 핵심 기능을 수행하는 연구가 진행되고 있다.
상술한 이동 단말기의 하나로 웨어러블 디바이스는 스마트 워치(smart watch), 스마트 글래스(smart glass), HMD(head mounted display) 등과 같은 장치에서부터, 사용자에게 필수적으로 착용해야 하는 의류, 신발과 같은 제품까지 확장되고 있다.
관련하여, 웨어러블 디바이스로서 신발, 이른바 스마트 신발은 착용자의 활동에 대한 정보를 분석하여 이동 단말기를 통해, 또는 자체적으로 상기 사용자에게 소정 정보를 알려주는 기능을 수행하고 있다. 이러한 기능 수행을 위하여 주로 센서들이 이용되는데, 이러한 센서들은 스마트 신발에 구비된 회로나 모듈의 소모 전력 증가의 원인이 되어 배터리 소모로 인한 잦은 교체나 고장의 원인이 되어 문제점이 있다. 한편, 종래 스마트 신발에 구비된 센서에 기초하여 센싱되는 데이터는, 상기 스마트 신발 착용자의 움직임을 정확하게 감지하고 분석하여 이를 구분하지 못하는 문제점이 있다. 이는 착용자의 상기 스마트 신발에 대한 신뢰도를 떨어 뜨려 문제가 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 본 발명은 새로운 센서 모듈을 통해 스마트 신발을 통한 착용자의 모션 센싱 데이터 수집, 분석 등에도 불구하고 소모 전력을 최소화하여 배터리 효율을 개선하는 것을 일 과제로 한다.
본 발명은 상기 센서 모듈을 통해 수집되는 센싱 데이터에 기초한 모션 센싱 알고리즘을 제안하여 종래 모션 센싱 알고리즘에 비하여 정확도를 개선하는 것을 다른 과제로 한다.
본 발명은 상술한 내용을 통해 스마트 신발의 배터리 효율을 높여 잦은 배터리 교체 등에 따른 불편함을 해소하면서 더불어 상기 스마트 신발에서 센싱되는 데이터의 정확도를 개선함으로써 신뢰도를 높이는 것을 또 다른 과제로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서는, 본 발명에 따른 스마트 신발 및 그 데이터 처리 방법을 개시한다.
본 발명에 따른 스마트 신발의 일 실시 예는, 가속도 센서, 자이로 센서 및 스텝 단위로 스위칭되며 스마트 신발의 압력을 센싱하는 압력 센서를 포함한 센서부; 및 상기 센서부의 센싱 데이터에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 획득하고 처리하는 데이터 처리부를 포함한다. 여기서, 상기 데이터 처리부는, 상기 압력 센서를 통해 센싱된 압력 센서 데이터로부터 검출되는 제로 벨로시티 데이터를 참조하여, 상기 가속도 센서와 자이로 센서를 통해 센싱된 가속도 센서 데이터와 자이로 센서 데이터에 기초한 상기 스마트 신발 모션 데이터의 스텝 노이즈를 제거하고, 상기 스텝 노이즈가 제거된 모션 데이터를 필터링하여 상기 필터링된 모션 데이터와 미리 정의된 제1 임계값에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 처리한다.
본 발명에 따른 스마트 신발 시스템의 일 실시 예는, 가속도 센서, 자이로 센서 및 스텝 단위로 스위칭되며 스마트 신발의 압력을 센싱하는 압력 센서를 포함한 스마트 신발과, 상기 스마트 신발 센서들의 센싱 데이터를 수신하고, 상기 수신된 압력 센서 센싱 데이터에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 처리하는 데이터 처리부를 포함한 이동 단말기를 포함한다. 여기서, 상기 데이터 처리부는, 상기 수신한 센싱 데이터 중 상기 압력 센서 센싱 데이터로부터 제로 벨로시티 데이터를 검출하고, 상기 검출된 제로 벨로시티 데이터에 기초하여 상기 가속도 센서 센싱 데이터와 자이로 센서 센싱 데이터로부터 생성된 이동 속도 데이터의 스텝 노이즈를 제거하고, 상기 스텝 노이즈가 제거된 이동 속도 데이터에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 획득한다.
본 발명에 따른 스마트 신발에서 데이터 처리 방법의 일 실시 예는, 센서들로부터 센싱 데이터를 수집하는 단계; 상기 수집된 센싱 데이터로부터 모션 데이터를 획득하는 단계; 상기 센서들 중 스텝 단위로 스위칭되며 상기 스마트 신발의 압력을 센싱하는 압력 센서의 센싱 데이터에 기초하여 상기 모션 데이터의 제로 벨로시티 데이터를 검출하는 단계; 상기 검출된 제로 벨로시티 데이터에 기초하여 상기 모션 데이터의 스텝 노이즈를 제거하는 단계; 상기 스텝 노이즈가 제거된 모션 데이터를 필터링하는 단계; 및 상기 필터링된 모션 데이터와 미리 정의된 임계값에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 처리하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서 얻을 수 있는 기술적 해결 수단(들)은 이상에서 언급한 해결 수단들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 해결 수단들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
[발명의 효과]
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 새로운 센서 모듈을 통해 스마트 신발을 통한 착용자의 모션 센싱 데이터 수집, 분석 등에도 불구하고 소모 전력을 최소화하여 배터리 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 상기 센서 모듈을 통해 수집되는 센싱 데이터에 기초한 모션센싱 알고리즘을 제안하여 종래 모션 센싱 알고리즘에 비하여 정확도를 개선하는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 스마트 신발의 배터리 효율을 높여 잦은 배터리 교체 등에 따른 불편함을 해소하면서 더불어 상기 스마트 신발에서 센싱되는 데이터의 정확도를 개선함으로써 신뢰도를 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명과 관련된 스마트 신발(100)을 설명하기 위한 블록도,
도 2는 본 발명과 관련된 스마트 신발(100)의 y-z 평면 단면도,
도 3은 본 발명과 관련된 스마트 신발 착용자(300)의 움직임 즉, 걸음에 따라 발생하는 신호에 대한 대응을 시계열적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명과 관련된 스마트 신발(100)에 작용하는 압력 분포를 도시한 도면,
도 5는 사람의 발뼈의 내측 구조에 관한 간략도,
도 6은 본 발명과 관련된 스마트 신발(100)에 대한 순서도,
도 7은 본 발명과 관련된 압력 스위치(710) 및 제1 회로부(751)를 도시한 도면,
도 8은 본 발명과 관련된 압력 스위치 모듈(700)의 정면 사시도,
도 9a 및 9b는 도 8의 A-A' 방향 단면도,
도 10은 본 발명과 관련된 압력 스위치 모듈(700)의 일 실시 예를 도시한 도면,
도 11은 본 발명과 관련된 스마트 신발(100)의 몇 가지 실시 예를 도시한 도면,
도 12는 본 발명에 따른 스마트 신발 추적 알고리즘을 위한 구성을 도시한 도면,
도 13은 본 발명과 관련하여 노이즈가 포함된 추적 데이터 그래프의 일 예를 도시한 도면,
도 14는 본 발명에 따른 노이즈가 제거된 추적 데이터 그래프의 일 예를 도시한 도면,
도 15는 본 발명에 따른 스마트 신발 착용자에 대한 움직임 데이터 그래프의 일 예를 도시한 도면,
도 16은 전술한 본 발명에 따른 서비스 시나리오의 일 예에 대한 UX 도면, 그리고
도 17은 본 발명에 따른 스마트 신발 시스템에서 데이터 처리 방법을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예(들)을 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 중복 설명은 생략한다. 이하에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예(들)과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예(들)의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되면, 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예(들)을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이동 단말기의 하나인 웨어러블 디바이스는 스마트 워치, 스마트 글래스, HMD(head mounted display) 등 장치에서 나아가 사용자가 착용하는 의류, 신발 등의 제품으로 확장 발전하고 있다. 상기 신발을 본 명세서에서는 편의상 스마트 신발이라 명명하여 설명한다. 이에 대한 상세 내용은 후술한다.
상기 스마트 신발은 스마트 신발 착용자의 움직임에 따른 모션 데이터를 수집하고, 이렇게 수집된 모션 데이터를 분석하여 상기 착용자의 운동량 등을 산출할 수 있다. 또는, 상기 수집되거나 분석된 모션 데이터를 스마트폰과 같은 다른 이동 단말기로 전송하여 유저에게 관련 데이터를 제공할 수 있다. 본 발명과 관련하여, 모션 데이터의 분석, 운동량 등 산출, 관련 데이터 제공 등은, 스마트 신발에서 모두 이루어질 수도 있고 다른 이동 단말기를 통해 이루어질 수도 있다.
보다 구체적으로, 스마트 신발은 스마트 신발을 착용한 상태에서의 착용자의 활동 시간, 활동 거리, 활동 궤적 등에 데이터 획득, 처리 등을 위한 모션 데이터를 수집 또는 획득할 수 있다.
스마트 신발은 모션 데이터를 센싱하고 수집하기 위하여 모션 센서를 이용한다. 통상 상기 모션 센서라 함은, 가속도 센서와 자이로 센서를 의미한다. 다만, 본 명세서에서 모션 센서는 후술할 압력 센서를 의미하거나 상기 가속도 센서, 자이로 센서 및 압력 센서 중 적어도 둘 이상을 의미할 수 있다. 한편, 특별히 언급하지 않더라도 상술한 센서(들) 외에 스마트 신발에 센서부를 구성하거나 별개 구성이나 통신 가능한 다른 센서(들) 역시 상기 모션 센서의 의미에 포함될 수 있다.
스마트 신발은 GPS(Global Positioning System)와 같은 위성항법장치를 통한 자신의 대략적인 위치를 센싱할 수 있고, 가속도 센서(acceleration sensor), 자이로 센서(gyro sensor) 등의 데이터를 더 참조하여 상기 위치 외에 추가적인 데이터를 파악할 수 있다. 또한, 스마트 신발은 모션 센서를 통한 속력을 측정하여 착용자의 스텝 인식, 스텝 단위의 기준 등을 연산할 수도 있다. 다만, 상기와 같은 데이터 수집을 위하여 GPS, 가속도 센서, 자이로 센서 등을 계속하여 활성화하면, 배터리 소모량이 증가하게 된다. 이는 스마트 신발을 위한 회로 설계시 구조적인 제한을 가하게 된다거나 스마트 신발의 경량화 구현에 어려움을 줄 수 있다. 또한, 배터리를 교체할 수도 있겠지만, 매번 배터리를 수동으로 직접 교체하여야 하는 번거로움이 있다.
한편, 스마트 신발을 착용한 유저 즉, 착용자의 운동량은, 착용자의 스텝을 놓치지 않고 정확하게 감지하는 것이 중요하다. 종래 모션 센서는 센서에서 발생하는 노이즈 등으로 인해 종종 착용자의 스텝을 놓치거나 상기 스텝을 정확하게 구분하지 못하는 오류가 있었다. 하지만, 이러한 오류가 누적되면, 누적 오차로 인해 스마트 신발을 통한 운동량 측정 등을 위한 모션 데이터 전체에 상당한 오류를 불러올 수 있고, 이는 결국 스마트 신발에 대한 신뢰도에 영향을 줄 수 있어 문제가 된다.
이에 본 발명에 따른 스마트 신발의 일 실시 예는, 가속도 센서, 자이로 센서 및 스텝 단위로 스위칭되며 스마트 신발의 압력을 센싱하는 압력 센서를 포함한 센서부, 및 상기 센서부의 센싱 데이터에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 획득하고 처리하는 데이터 처리부를 포함한다. 여기서, 상기 데이터 처리부는, 상기 압력 센서를 통해 센싱된 압력 센서 데이터로부터 검출되는 제로 벨로시티 데이터를 참조하여, 상기 가속도 센서와 자이로 센서를 통해 센싱된 가속도 센서 데이터와 자이로 센서 데이터에 기초한 상기 스마트 신발 모션 데이터의 스텝 노이즈를 제거하고, 상기 스텝 노이즈가 제거된 모션 데이터를 필터링하여 상기 필터링된 모션 데이터와 미리 정의된 제1 임계값에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 처리한다.
본 발명에 따른 스마트 신발 시스템의 일 실시 예는, 가속도 센서, 자이로 센서 및 스텝 단위로 스위칭되며 스마트 신발의 압력을 센싱하는 압력 센서를 포함한 스마트 신발과, 상기 스마트 신발 센서들의 센싱 데이터를 수신하고, 상기 수신된 압력 센서 센싱 데이터에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 처리하는 데이터 처리부를 포함한 이동 단말기를 포함한다. 여기서, 상기 데이터 처리부는, 상기 수신한 센싱 데이터 중 상기 압력 센서 센싱 데이터로부터 제로 벨로시티 데이터를 검출하고, 상기 검출된 제로 벨로시티 데이터에 기초하여 상기 가속도 센서 센싱 데이터와 자이로 센서 센싱 데이터로부터 생성된 이동 속도 데이터의 스텝 노이즈를 제거하고, 상기 스텝 노이즈가 제거된 이동 속도 데이터에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 획득한다.
상기에서, 데이터 처리부는, 추적 데이터 처리부, 센서 데이터 처리부, 센서 처리부, 센서 데이터 보정부 등 다양한 명칭으로 명명될 수 있으며, 본 발명은 이러한 명칭에 제한되는 것은 아니다. 편의상 추적 데이터 처리부로 명명하여 설명한다.
도 1은 본 발명과 관련된 스마트 신발(100)을 설명하기 위한 블록도이다.
스마트 신발(100)은 무선 통신부(110), 입력부(120), 센싱부(140), 출력부(150), 인터페이스부(160), 메모리(170), 제어부(180) 및 전원 공급부(190) 등을 포함할 수 있다. 스마트 신발(100)은 도 1에 도시된 구성요소들로 한정되는 것은 아니며, 상기 열거된 구성요소들보다 많거나 적은 구성요소들로 구현될 수도 있다.
보다 구체적으로, 상기 구성요소들 중 무선 통신부(110)는, 스마트 신발(100)과 무선 통신 시스템 사이, 스마트 신발(100)과 다른 이동 단말기 사이, 또는 스마트 신발(100)과 외부 서버 사이의 무선 통신을 가능하게 하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 상기 무선 통신부(110)는, 스마트 신발(100)을 하나 이상의 네트워크에 연결하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다.
이러한 무선 통신부(110)는 근거리 통신 모듈(111), 위치 정보 모듈(112) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 근거리 통신 모듈(111)은 블루투스(Bluetooth) 방식을 통해 이동 단말기와 연결되어 데이터를 송/수신할 수 있다. 위치 정보 모듈(112)은 스마트 신발(100)의 위치정보를 측정 또는 전송하는 역할을 수행하는 것으로서, 후술할 모션 센서(143)와 중복되는 개념을 포함할 수 있다.
입력부(120)는 사용자로부터 정보를 입력받기 위한 사용자 입력부(121, 예를 들어, 터치 키(touch key), 푸시 키(mechanical key) 등)를 포함할 수 있다. 입력부(120)에서 수집한 음성 데이터나 이미지 데이터는 분석되어 사용자의 제어 명령으로 처리될 수 있다. 입력부(120)는 스마트 신발(100)의 기능을 활성화 또는 비활성화시키는 온/오프의 기능을 입력받는 역할을 수행할 수도 있으며, 생산 비용 절감 또는 경량화를 위해 필요에 따라 생략될 수도 있다.
센싱부(140)는 스마트 신발(100) 내 정보, 스마트 신발(100)을 둘러싼 주변 환경 정보 및 사용자 정보 중 적어도 하나를 센싱하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센싱부(140)는 근접 센서(341, proximity sensor), 조도 센서(142, illumination sensor), 터치 센서(touch sensor), 가속도 센서(144), 자기 센서(magnetic sensor), 중력 센서(G-sensor), 자이로스코프 센서(145, gyroscope sensor, 이하 자이로 센서라 한다.), 모션 센서(143), RGB 센서, 적외선 센서(IR 센서: infrared sensor), 지문 인식 센서(finger scan sensor), 초음파 센서(ultrasonic sensor), 광 센서(optical sensor), 배터리 게이지(battery gauge), 환경 센서(예를 들어, 기압계, 습도계, 온도계, 방사능 감지 센서, 열 감지 센서, 가스 감지 센서 등), 화학 센서(예를 들어, 전자 코, 헬스케어 센서, 생체 인식 센서 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 한편, 본 명세서에 개시된 이동 단말기는, 이러한 센서들 중 적어도 둘 이상의 센서에서 센싱되는 정보들을 조합하여 활용할 수 있다.
특히, 본 발명에서 언급하는 가속도 센서(144)와 자이로 센서(145)는 모션 센서(143)에 포함되는 개념일 수 있다.
또한, 압력 센서(146)는 후술할 압력 스위치 모듈(200, 도 2 참조)을 의미할 수 있다. 압력 센서(146)는 모션 센서(143)에 포함되는 개념이 될 수 있으나, 설명의 편의를 위해 모션 센서(143)와 압력 센서(146)를 구분하여 서술하도록 한다.
출력부(150)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시키기 위한 것으로, 디스플레이부(151), 음향 출력부(152), 햅팁 모듈(153), 광 출력부(154) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
인터페이스부(160)는 스마트 신발(100)에 연결되는 다양한 종류의 외부 기기와의 통로 역할을 수행한다. 이러한 인터페이스부(160)는, 외부 충전기 포트(port), 유/무선 데이터 포트(port), 메모리 카드(memory card) 포트, 식별 모듈이 구비된 장치를 연결하는 포트(port) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 스마트 신발(100)에서는, 상기 인터페이스부(160)에 외부 기기가 연결되는 것에 대응하여, 연결된 외부 기기와 관련된 적절한 제어를 수행할 수 있다.
또한, 메모리(170)는 스마트 신발(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터를 저장한다. 메모리(170)는 스마트 신발(100)에서 구동되는 제어부의 동작을 위한 데이터들, 명령어들을 저장할 수 있다.
제어부(180)는 상기 응용 프로그램과 관련된 동작 외에도, 통상적으로 스마트 신발(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 제어부(180)는 위에서 살펴본 구성요소들을 통해 입력 또는 출력되는 신호, 데이터, 정보 등을 처리하거나 메모리(170)에 저장된 데이터, 명령어들을 사용함으로써, 사용자에게 적절한 정보 또는 기능을 제공 또는 처리할 수 있다.
전원 공급부(190)는 제어부(180)의 제어 하에서, 외부의 전원, 내부의 전원을 인가받아 스마트 신발(100)에 포함된 각 구성요소들에 전원을 공급한다. 이러한 전원 공급부(190)는 배터리를 포함하며, 상기 배터리는 내장형 배터리 또는 교체 가능한 형태의 배터리가 될 수 있다.
상기 각 구성요소 중 적어도 일부는, 이하에서 설명되는 다양한 실시 예들에 따른 스마트 신발(100)의 동작, 제어, 또는 제어방법을 구현하기 위하여 서로 협력하여 동작할 수 있다. 또한, 스마트 신발(100)의 동작, 제어, 또는 제어방법은 상기 메모리(170)에 저장된 적어도 하나의 데이터, 명령어를 통하여 스마트 신발(100) 상에서 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명과 관련된 스마트 신발(100)의 y-z 평면 단면도이다.
밑창 프레임(210)은 착용자의 발바닥이 닿는 직/간접적 영역을 의미한다. 즉, 스마트 신발(100)에 있어서, 착용자의 발과 바닥 사이에 구비되는 영역의 프레임을 의미할 수 있다. 밑창 프레임(210)은 착용자의 발바닥이 직접적으로 닿는 인솔(211, insole), 스마트 신발(100)의 최하단에 구비되어 외부, 즉 지면과 직접적으로 닿는 아웃솔(213, outsole) 및 인솔(211)과 아웃솔(213)의 사이에 구비되어 일정 부피를 형성하는 미드솔(212, midsole)로 구성될 수 있다.
인솔(211)은 흔히 말하는 깔창이 될 수도 있으나, 필요에 따라 인솔(211)과 미드솔(212)의 구분없이 일체형으로 구성될 수도 있고, 별개의 부재이나 접착제 등에 의해 결합 형태로 구비될 수도 있다.
후술할 압력 스위치(710, 도 7 참조)를 포함하는 압력 스위치 모듈(700)은 밑창 프레임(210)에 구비될 수 있다. 밑창 프레임(210)에 구비된 압력 스위치 모듈(200)은 착용자의 보행 또는 주행에 의해 바닥에 닿는 경우 일정 압력이 작용하여 압력 작용 여부를 신호화 또는 데이터화할 수 있다.
다시 말해, 착용자의 보행 또는 주행은 압력 스위치 모듈(700) 거동시켜 제1 회로부(751, 도 7 참조)의 전기적인 접촉을 시도할 수 있다.
전기적인 접촉에 의해 제1 회로부(751)는 전기적인 신호(예를 들어, 전류)를 발생시킬 수 있다.
제어부는 제1 회로부(751)에 발생된 전류 또는 신호의 여부를 온/오프 이진법 신호로 인식하고 그 온/오프 신호를 근거로 다양한 후속 동작을 제어할 수 있다.
제1 회로부(751)는 전류 또는 신호를 발생시키고, 제어부(180, 도 1 참조)는 제1 회로부(751)에서 발생한 온/오프의 전류 또는 신호를 인식하는 것과 같이 제1 회로부(751)와 제어부(180)가 별도의 독립된 과정을 수행할 수도 있으나, 경우에 따라 하나의 회로에서 수행되는 일련의 동작을 의미할 수도 있다.
즉, 제어부(180)를 연결하고 있는 제1 회로부(751)가 압력 스위치(710)에 의해 전기적으로 연결 즉, 전류가 발생하여 제어부(180)에 전기가 통하면, 이를 온 신호로 인식할 수도 있다.
도 3은 본 발명과 관련된 스마트 신발 착용자(300)의 움직임 즉, 걸음에 따라 발생하는 신호에 대한 대응을 시계열적으로 도시한 것이다.
착용자(300)가 스마트 신발(100)을 신고 바닥에 디딜 때 제1 회로부(751)에 의한 온 신호가, 스마트 신발(100)을 신고 바닥에서 떨어지는 경우 제1 회로부(751)에 의한 오프 신호가 발생할 수 있다.
도 3의 ② 내지 ④의 상태에 특정 이상의 압력 값이 작용하여 제1 회로부(751)에 값 1, 즉 온 신호가 발생하고, 나머지 ① 및 ⑤-⑦의 경우에는 특정 미만의 압력 값이 작용하여 제1 회로부(751)에 값 0, 즉 오프 신호가 발생할 수 있다.
다만, 이러한 결과는 신호 발생, 즉 제1 회로부(751)가 연결되도록 하는 임계 압력 값을 얼마로 설정하여 압력 스위치(710)의 강성 또는 간격을 조절하는가에 따라 충분히 달라질 수 있다.
예를 들어, 임계 압력 값을 더 크게 하는 경우 온 신호가 발생할 수 있는 압력 임계치는 더욱 높아지므로 ② 또는 ③의 경우에만 제1 회로부(751)에 값 1, 즉 온 신호가 발생하고, 나머지 ① 및 ⑤-⑦의 경우에는 제1 회로부(751) 값 0, 즉 오프 신호가 발생할 수 있다.
따라서 이러한 결과를 통해 착용자의 한 걸음의 시작과 끝을 판단할 수 있으며, 걸음이 반복되는 경우 각 걸음의 주기를 파악할 수 있다.
도 3을 예로 드는 경우, ②를 걸음의 시작으로 해석하여, ⑦을 지나 ①이 되는 지점을 한 걸음의 끝으로 해석할 수 있다.
또한, 이러한 ②에서 ①로의 변화가 반복되는 경우 한 주기를 한 걸음으로 파악하여 복수의 걸음을 해석할 수 있다.
즉, 종전에 걸음의 단위를 해석하기 위해 모션 센서를 통한 스마트 신발(100)의 속력 값이 0(zero)인 지점을 해석한 경우에는 여러 변수, 즉 노이즈가 작용하여 오차가 생길 수 있으나, 압력 스위치(710)의 온/오프 신호를 통해 이러한 노이즈를 제거하여 정확한 걸음 단위를 구분할 수 있다.
압력 스위치(710)는 발바닥에서 밑창 프레임(210)을 향하는 방향, 즉 하단 방향에 대한 압력 작용 여부에 따라 동작할 수 있다. 다만, 반드시 하단 방향일 것을 요구하는 것은 아니며, 필요에 따라 하단 방향에 대해 일정 각도 어긋난 방향에 대한 압력을 기준으로 동작할 수도 있으며, 복수 개의 압력 스위치(710)가 구비되는 경우에는 여러 방향에 대해 동작할 수도 있다.
이러한 압력의 방향은 착용자의 일반적인 걸음 및 힘 작용에 근거할 수도 있으며, 또는 개인마다 다른 착용자의 걸음 및 힘 작용에 근거하여 달라질 수도 있다.
도 4는 본 발명과 관련된 스마트 신발(100)에 작용하는 압력 분포를 도시한 것이다.
도 4는 스마트 신발 착용자를 대상으로 한 스마트 신발(100)을 바닥에 디딜 때 작용하는 x-y 평면상의 압력 분포를 도시한 것이다.
오차가 있을 수 있으나, 대략 발의 앞 부분, 특히 엄지발가락 부근 영역과 발의 뒤꿈치 영역에 큰 압력이 작용하는 것을 확인할 수 있다.
상대적으로 발의 중심부분에는 예컨대, 100kpa 이하의 비교적 작은 크기의 압력이 작용하는 것을 확인할 수 있다.
이러한 압력 결과는 압력 스위치(710)가 실장될 위치 판단의 근거가 될 수 있다. 압력 스위치(710)가 상대적으로 큰 압력을 받는 뒤꿈치 영역에 구비될 경우 장치의 내구성에 문제가 생길 수 있으며, 압력 스위치(710)를 포함한 후술할 스위치 케이스로 인해 착용자의 착화감에 단점을 가져올 수 있다.
반대로, 압력 스위치(710)가 상대적으로 작은 압력을 받는 발 중심 영역으로 치우쳐 구비될 경우, 압력 스위치(710)에 작용하는 압력의 크기가 너무 작고, 착용자의 발의 형상이나 걸음걸이 특성 등의 요인에 따라 압력 작용 여부의 오판을 할 수 있다.
따라서, 100kpa 부근의 영역인 발뒤꿈치와 발 중심 사이의 영역 W에 압력 스위치(710)가 구비될 수 있다. 필요에 따라 100kpa 이상의 작용 영역에 구비될 수도 있을 것이다.
스마트 신발(100)의 크기에 달라질 수 있으나, 스마트 신발(100)의 세로축인 y축 방향 성분에 대해서는, 일반적으로 밑창 프레임(210)의 뒤쪽 끝단에서부터 압력 스위치(710)까지의 거리 D는 50mm 정도 이격된 곳에 압력 스위치(710)가 구비되는 것이 바람직하다. 스마트 신발(100)의 크기 및 형상 등 필요에 따라 그 위치의 이동은 위아래 20mm 정도 유동적으로 확정될 수 있다.
걸음의 단위를 판단할 때, 압력이 작용하는 시간이 짧을수록 한 걸음이 끝나고 시작되는 지점을 정확하게 판단할 수 있다. 즉, 속도가 0인 구간의 길이를 최소화하는 것이 유리하다. 측정 결과, 속도가 0인 구간이 상대적으로 짧은 영역이 100kpa가 작용하는 상기 W 영역이 되는 것을 확인하였다.
상기에서 설명된 수치들은 모두 예시적인 것으로 본 발명은 상기한 수치들에 한정되는 것은 아니다. 이는 본 명세서에서 기술되는 다른 수치들 역시 마찬가지이다.
도 5는 사람의 발 뼈의 내측 구조에 관한 간략도이다.
상기 W 영역은 착용자 발의 뼈를 기준으로 보았을 때 종골(heel bone), 입방골(cuboid bone) 또는 제5 중족골(metatarsal bones) 부근 영역에 해당할 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 스마트 신발(100)의 가로축인 x 축 방향 성분에 대해서는, 양 끝단의 중심 부근에 구비될 수 있다. 양 끝단의 중심 부근에 구비되는 경우 착용자가 느낄 수 있는 이물감을 최소화할 수 있으며, 외력에 의해 압력 스위치(710)가 손상될 우려를 최소화할 수 있다.
임계 압력 값이라고 함은 착용자의 키, 몸무게 및 발 사이즈 등 신체적, 습관적인 요인에 따라 다르게 적용될 수도 있다. 다만, 압력 스위치(710)의 온/오프 여부는 재료 및 구조에 종속하므로 재료 및 구조가 정해진 압력 스위치(710)는 정해진 임계 압력 값을 갖게 된다.
스마트 신발(100)에 실장된 모션 센서(143, 도 1 참조)는 스마트 신발(100)의 움직임을 직접적으로 센싱하는 구성을 의미할 수 있다. 모션 센서(143)는 가속도 센서(144, 도 1 참조) 및 자이로 센서(145, 도 1 참조)를 포함할 수 있다. 필요에 따라 가속도 센서(144) 및 자이로 센서(145) 중 어느 하나만을 구비할 수도 있다.
모션 센서(143)를 통해 스마트 신발(100)의 2차원 또는 3차원 상의 위치 및 시간에 대한 위치 변화와 같은 움직임을 센싱할 수 있다.
모션 센서(143)는 상기 제1 회로부(751)와 독립적으로 회로를 구성하는 제2 회로부를 통해 전류를 공급받아 센싱을 수행할 수 있다.
제어부(180)는 제2 회로부에 대한 전류 공급을 제어할 수 있다. 제어부(180)는 연산처리장치(CPU)와 같은 MCU(Micro Controller Unit, 752, 도 7 참조)를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명과 관련된 스마트 신발(100)에 대한 순서도이다. 설명의 편의상 도 1과 7을 함께 참조한다.
제어부(180)는 제1 회로부(751)의 전류 또는 신호의 발생 여부에 기초하여 제2 회로부에 대한 전류 공급 또는 차단, 즉 모션 센서(143)를 제어할 수 있다.
제1 회로부(751)에 전류가 기설정된 시간 이상 흐르지 않거나 상기 제1 회로부(751)로부터 발생하는 전기적인 신호 주기가 기설정된 패턴에 벗어나면, 착용자가 스마트 신발(100)을 착용하지 않고 있거나 착용하였어도 움직이지 않는 상태로 해석할 수 있다.
따라서, 제어부(180)는 모션 센서(143)를 제어하는 제2 회로부를 비활성화하여 스마트 신발(100)의 소모 전력을 최소화하도록 시스템 슬립 모드를 수행할 수 있다(S601).
시스템 슬립 모드 중 압력 스위치(710)를 통해 제1 회로부(751)에 전류 또는 전기적인 신호가 발생하면, 착용자가 스마트 신발(100)을 착용하여 활동을 하는 것으로 해석할 수 있다(S602).
따라서, 시스템 슬립 모드 중에 발생한 제1 회로부(751)의 전류는 MCU(752)를 포함하는 제어부(180)를 활성화 시킬 수 있다(S603). 여기서, 상기 MCU(752)가 이미 활성화된 상태이면, 본 단계가 생략될 수도 있다.
활성화된 제어부(180)는 스마트 신발(100)의 시스템 슬립 모드를 해제하고 시스템을 구동시킬 수 있다. 시스템의 구동은 스마트 신발(100)에 구비된 각종 전자 부품 및 센서류를 구동하는 것을 의미할 수 있다. 특히, 모션 센서(143)를 제어하는 제2 회로부를 활성화하여 스마트 신발(100)의 움직임을 센싱하도록 제어할 수 있다(S604).
제어부(180)는 실시간으로 제1 회로부(751)를 통해 온/오프 전류의 신호를 수신하여 압력 스위치(710)에 의해 발생한 제1 회로부(751)의 신호 발생 주기와 기설정된 시간 또는 패턴을 비교한다(S605).
제1 회로부(751)에 전류가 기설정된 시간 이내에서 흐르는 경우 즉, 온 값인 1의 값이 일정 시간 이내에 수신되면, 계속해서 스마트 신발(100) 시스템의 구동을 유지할 수 있다. 특히, 모션 센서(143)를 제어하는 제2 회로부의 활성화를 계속해서 유지시킬 수 있다(S606).
반면, 제1 회로부(751)에 전류가 기설정된 시간 이상 흐르지 않는 경우 즉, 오프 값인 0의 값이 일정 시간 이상 계속되면, 제어부(180)는 스마트 신발(100)의 시스템 전체를 비활성화, 즉 시스템 슬립 모드로 전환 시킬 수 있다. 특히, 제어부(180)는 제2 회로부에 대한 전원 공급 또는 차단을 수행할 수 있다.
도 7은 본 발명과 관련된 압력 스위치(710) 및 제1 회로부(751)를 도시한 것이다.
압력 스위치(710)는 제1 회로부(751)와 연계되어 작동할 수 있다. 제1 회로부(751)는 메인 기판(750) 내에 실장될 수 있다. 편의상, 도 7에서는 압력 스위치(710)와 제1 회로부(751)의 결합 전 상태를 개략적으로 도시하였다. 여기서, 상기 압력 스위치(710)는 별도의 부재에 의해 메인 기판(750)과 고정될 수 있다.
압력 스위치(710)에 특정 값 미만의 압력이 작용하면, 압력 스위치(710)는 제1 회로부(751)를 전기적으로 분리시킨다.
압력 스위치(710)의 전도성 부재에 의해 제1 회로부(751)가 연결되기 전까지 제1 회로부(751)는 개회로 즉, 전기적으로 열린(Open) 상태를 유지할 수 있다. 이러한 열린 상태의 제1 회로부(751)는 이격된 두 개의 접촉 단자(753)에 의해 구현될 수 있다.
압력 스위치(710)에 특정 값 이상의 압력이 작용하면, 압력 스위치(710)는 제1 회로부(751)의 접촉 단자(753) 전기적으로 연결될 수 있다. 이격된 두 개의 접촉 단자(753)는 압력 스위치(710)의 전도성 부재에 의해 전기적으로 닫혀(Closed) 제1 회로부(751)가 폐회로를 형성할 수 있다. 제1 회로부(751)가 폐회로를 형성하면 전류 또는 신호가 발생할 수 있다.
전기적인 접촉에 의해 제1 회로부(751)는 전류 또는 신호를 발생시킬 수 있다.
제어부(180)는 제1 회로부(751)에 발생된 전류 또는 신호의 여부를 온/오프 이진법 신호로 인식하고 그 온/오프 신호를 근거로 다양한 후속 동작을 제어할 수 있다.
제1 회로부(751)의 전류 또는 신호의 발생에 따라 제어부(180)는 온/오프 신호를 인식한다고 하여 별도의 독립된 과정으로 해석될 수 있으나, 이는 동일한 하나의 회로에서 수행되는 하나의 동작을 의미할 수 있다. 즉, 제1 회로부(751)에서 발생한 전류는 곧바로 제어부(180)를 전기적으로 연결하여 그 자체로 온 신호로 인식할 수 있다.
도 8은 본 발명과 관련된 압력 스위치 모듈(700)의 정면 사시도이다.
도 7에서 설명한 압력 스위치(710), 메인 기판(750) 등은 하나의 압력 스위치 모듈(700)로 구현될 수 있으며, 이러한 압력 스위치 모듈(700)은 스위치 하우징(860) 내에 실장될 수 있다. 이에 대한 보다 자세한 내용은 후술한다.
도 9a 및 9b는 도 8의 A-A' 방향 단면도이다.
구체적으로, 도 9a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력 스위치(710)가 압력에 의해 거동하기 전 단면도이고, 도 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력 스위치(710)가 압력에 의해 거동한 상태의 단면도이다.
메인 기판(750)은 압력 스위치(710)의 하단에 구비되어 제1 회로부(751)를 실장할 수 있다. 메인 기판(750)은 제2 회로부 및 제어부(180)를 실장할 수도 있다. 또는, 필요에 따라 독립적으로 이격된 별도의 메인 기판(750)에 제2 회로부 또는 제어부(180) 중 적어도 하나를 구비할 수도 있다.
제1 회로부(751)는 필름 및 금속 전극의 결합 형태, 필름 및 전도성 폴리머, 필름 및 CNT, 또는 필름 및 그래핀(Graphene)의 형태 중 적어도 하나로 구비될 수도 있다. 또는, 제1 회로부(751)는 사출물과 MID(Mold Interconnect Devices)의 형태로 구비될 수도 있다.
압력 스위치(710)의 전도성 부재(930)는 제1 회로부(751)에 접촉 시 제1 회로부(751)를 전기적으로 연결할 수 있다. 전도성 부재(930)는, 도전성 실리콘(Silicone), 금속 개스킷(Gasket), 금속 판재 또는 금속 증착, 전도성 폴리머(Conductive Polymer), CNT, 그래핀(Graphene) 등 전도성 물질이 될 수도 있다. 또는, 사출물과 MID(Mold Interconnect Device)의 결합으로 구성될 수도 있다.
압력 스위치(710)의 고정 부재(920)는 특정 값 미만의 압력이 가해질 때 전도성 부재(930)를 제1 회로부(751)로부터 이격시키고, 특정 값 이상의 압력이 가해질 때 전도성 부재(930)를 제1 회로부(751)에 접촉시킬 수 있다.
고정 부재(920)는 메인 기판(750), 즉 제1 회로부(751)에 마운트 된 비 전도성 고정부(922)를 포함할 수 있다. 비전도성 고정부(922)는 비 전도성 물질을 포함하여 제1 회로부(751) 또는 메인 기판(750)에 직접적으로 고정이 되어 있음에도 제1 회로부(751)의 전류 흐름에는 영향을 미치지 않을 수 있다.
고정 부재(920)의 변위부(923)는 고정 부재(920)의 상단부(921)를 통해 비 전도성 고정부(922)와 연결되어 구비될 수 있다. 고정 부재(920)의 변위부(923)는 전도성 부재(930)를 직접적으로 고정시키고 특정 이상의 압력 값에 의해 변위하여 전도성 부재(930)를 제1 회로부(751)에 연결할 수 있다.
특정 이상의 압력 값에 의해 변위부(923)가 변위하기 위해서 상단부(921)의 적어도 일 영역은 탄성 소재를 구비할 수 있다. 상단부(921)의 적어도 일 영역의 탄성으로 인해 전도성 부재(930)가 고정된 변위부(923)를 하방으로 변위시켜 제1 회로부(751)에 접촉되도록 할 수 있다.
고정 부재(920)의 변위부(923) 및 전도성 부재(930)는 이중 사출을 통해 결합 형성될 수도 있다.
고정 부재(920)는 실리콘 고무(Silicon Rubber)가 될 수도 있고, 폴리카보네이트(Poly-Carbonate), 폴리아미드(Poly-Amide)와 같은 플라스틱(Plastic) 사출물이 될 수도 있다. 또는 금속 판재 또는 금속 다이 캐스팅(Die casting)과 같은 물질을 포함할 수도 있다.
비전도성 고정부(922)는 상단부(921)의 제1 영역에, 변위부(923)는 상단부(921)의 제2 영역에서 각각 하단으로 분기될 수 있다. 상단부(921), 비 전도성 고정부(922) 및 변위부(923)는 일체형으로 구비될 수도 있으며, 필요에 따라 서로 다른 별개의 물질이 이중 사출 등의 공정에 의해 형성될 수도 있다.
제2 영역은 제1 영역 사이에 위치할 수 있다. 필요에 따라 제2 영역 또는 제1 영역 각각은 상단부(921)의 복수 영역을 포함할 수도 있다.
제1 영역은 압력 스위치(710) 상단부(921)의 양끝 및 중앙 영역인 세 영역을, 제2 영역은 세 군데의 제1 영역의 사이를 포함할 수 있다. 제1 영역이 양끝 및 중앙 영역이 되는 경우 압력 스위치(710)의 비전도성 고정부(922)를 메인 기판(750) 또는 제1 회로부(751)에 안정적으로 결합시킬 수 있으며 나아가 제2 영역에 구비된 전도성 부재(930)가 의도하지 않게 제1 회로부(751)에 연결되는 것을 방지할 수 있다.
비전도성 고정부(922) 및 변위부(923)는 일정 간격 이격된 슬릿(924)을 형성할 수 있다.
상단부(921)의 탄성 소재를 포함하는 적어도 일 영역은 형성된 슬릿(924)에 대응되는 영역을 의미할 수 있다. 슬릿(924)을 경계로 비전도성 고정부(922)는 고정되고 변위부(923)가 변위되므로 그 부근의 영역이 특히 탄성 소재이면, 변위가 잘 일어나도록 할 수 있다.
압력 스위치(710)는 스위치 하우징(960)에 실장될 수 있다.
스위치 하우징(960)은 상부 케이스(961) 및 하부 케이스(962)의 결합으로 압력 스위치(710)를 고정 시킬 수 있다.
상부 케이스(961)는 착용자의 발바닥에서 압력 스위치(710)로 압력이 잘 전달될 수 있도록 얇은 평면 형상을 띨 수 있고, 압력 스위치(710)와 직접적으로 맞닿아 구비될 수 있다. 상부 케이스(961)는 필요에 따라 탄성을 갖는 물질을 포함하여 압력 스위치(710)에 힘을 잘 전달할 수 있도록 할 수 있다. 일 예로, 상부 케이스(961)는 실리콘의 소재로 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명과 관련된 압력 스위치 모듈(700)의 일 실시 예를 도시한 것이다.
압력 스위치 모듈(700)은 압력 스위치(710) 및 메인 기판(750) 등 압력센서의 기능을 수행하는 부품을 실장하는 구조적 단위를 의미할 수 있으며, 물리적으로는 스위치 하우징(860) 내에 실장된 구성 전체를 포함할 수 있다.
스위치 하우징(860)은 압력 스위치(710) 및 메인 기판(750) 등의 부품을 실장할 수 있다. 스위치 하우징(860) 전면에 구비된 상부 케이스(1061) 및 하부 케이스(1062)의 결합으로 구성될 수 있다.
메인 기판(750)과 상부 케이스(1061)의 결합 신뢰도를 높이기 위해 보조적으로 프론트 케이스(1063)가 양 구성 사이에 결합할 수도 있다.
전원 공급부(190) 또한 압력 스위치 모듈의 스위치 하우징(860) 내에 실장될 수 있다. 전원 공급부(190)는 제어부(180) 등에 전력을 공급하는 역할을 수행할 수 있다.
전원 공급부(190)의 원활한 교체를 위해 하부 케이스(1062)에 결합하는 배터리 커버(1064)를 포함할 수 있다.
배터리 커버(1064)와 하부 케이스(1062) 사이의 틈을 방수 링(1065)이 막아 방수에 문제가 발생하지 않도록 할 수 있다.
스위치 하우징(860)은 필요에 따라 제2 회로부를 실장할 수도 있다.
다시 도 2를 참조하면, x-y 평면을 기준으로 압력 스위치(710)를 포함하는 스위치 하우징(860)은 밑창 프레임(210)에서 착용자의 발바닥뼈 구조를 기준으로 종골(heel bone), 입방골(cuboid bone) 또는 제5 중족골(metatarsal bones) 중 적어도 하나에 대응되는 압력 영역에 구비될 수 있다. 따라서 압력 스위치(710)를 실장하는 스위치 하우징(860) 또한 밑창 프레임(210)의 상기 압력 영역에 구비될 수 있다.
밑창 프레임(210)은 스위치 하우징(860)이 실장될 영역에 단차를 형성하는 안착부(220)를 구비할 수 있다. 스위치 하우징(860)이 안착되는 안착부(220)는 특히 밑창 프레임(210)의 미드솔(212) 영역에 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명과 관련된 스마트 신발(100)의 몇 가지 실시 예를 도시한 것이다.
전술한 바와 같이, 도 11a를 참조하면 압력 스위치(710)와 제1 회로부(751)가 구비되는 메인 기판(750)은 z축 방향으로 적층되어 구비될 수 있다. 압력 스위치(710)와 메인 기판(750)을 적층 구비하는 경우 양 구성을 외부에서 이어줄 별도의 회로선(770)이 필요 없으므로 재료비의 절감 및 단선으로 인한 문제점 발생의 여지를 최소화할 수 있다.
나아가 스위치 하우징(860)이 압력 스위치(710)와 메인 기판(750)을 작은 부피로 실장할 수 있으므로 전체 부피의 최소화 및 스위치 하우징(860)이 실장될 안착부(220, 도 2 참조)의 영역도 최소화할 수 있다.
도 11b는 메인 기판(750)과 압력 스위치(710)를 z축 방향에 대해 겹치지 않도록 구비하는 방안을 도시한 것이다. A 라인보다 B 라인 상에 상대적으로 높은 압력이 작용하므로, 메인 기판(750)을 B 라인에 위치하지 않도록 압력 스위치(710)와 z축 방향으로 겹치지 않고 x-y 평면상에 횡으로 구비하도록 할 수 있다.
도 11c는 별도의 연결 선(770)을 통해 메인 기판(750)과 압력 스위치(710)를 전기적으로 연결한 것을 도시한 것이다. 도 11a 및 11b의 실시 예와 비교하여 메인 기판(750)이 A 라인 상에 완전히 위치하므로 착용자의 발로부터 작용하는 하중을 최소화할 수 있으므로 메인 기판(750)의 내구성 신뢰도를 높일 수 있다.
이상 상술한 도 1 내지 11을 참조하여, 본 발명에 따른 스마트 신발 시스템을 설명하였다. 이러한 스마트 신발 시스템은 PDR 알고리즘에 전술한 압력 센서의 센싱 데이터에 기초한 스마트 신발 추적 알고리즘에 기초하여 동작될 수 있다.
이하에서는 특히, 스마트 신발 추적 알고리즘에 기반하여 동작되는 스마트 신발 시스템에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
여기서, 본 발명에 따른 스마트 신발 추적 알고리즘은, PDR 알고리즘에 압력 센서의 센싱 데이터에 기초하여 스마트 신발 착용자의 움직임(예를 들어, 스텝)을 놓치지 않고 정확하게 센싱할 수 있다. 또한, 상기 스마트 신발 추적 알고리즘은, 스마트 신발 착용자의 걸음 궤적, 걸음 방향, 보폭(stride), 보고(height) 등도 손쉽고 정확하게 계산할 수 있다. 그리고 상기 스마트 신발 추적 알고리즘은, 전술한 압력 스위치 또는 압력 센서 회로 또는 모듈과 연동하여, 스마트 신발 시스템의 전력 소모 최소화와 효율 극대화에 기여할 수 있다.
본 발명에 따른 스마트 신발은, 착용자가 스마트 신발을 착용한 상태에서의 움직인 시간(time), 속도(velocity), 거리 또는 위치(distance or position), 방향(orientation), 궤적(trace or path), 고도(attitude), 보폭 등 모션 데이터를 추적, 센싱, 기록 등을 수행할 수 있다. 이때, 기본적으로 본 발명에서는 스마트 신발 착용자의 스텝을 놓치지 않고 정확하게 추적, 센싱 등을 수행한다. 이를 통해 전술한 다양한 모션 데이터에 대한 센싱이 가능하다. 상기 움직임 데이터에는 스마트 신발 착용자의 스텝에 대한 센싱 데이터 역시 포함된다.
전술한 바와 같이, 본 명세서에서 모션 센서라 함은 압력 센서만을 의미하거나 압력 센서, 가속도 센서, 자이로 센서 등을 의미할 수도 있다. 여기서, 상기 가속도 센서와 자이로 센서는 특히, PDR 센서 또는 관성 센서로 명명할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 PDR 센서를 통해 착용자의 모션 데이터를 측정할 때, 상기 PDR 센서가 항시 측정 가능한 상태, 즉 전류를 소모하는 상태를 유지해야 하며, 이로 인한 배터리 소모와 스마트 신발 경량화에 어려움을 줄 수 있다. 또한, 상기 PDR 센서를 통해 스마트 신발의 움직임 궤적을 파악할 때, 상기 관성 센서에 발생하는 노이즈로 인해 착용자의 스텝을 정확하게 구분하지 못하는 경우가 있으며, 이로 인한 누적 오차가 발생할 수 있다. 이를 해소하기 위해, 본 발명에서는 상기 PDR 센서에 전술한 압력 스위치 또는 압력 센서를 더 채용하였으며, 이에 대해서는 전술한 내용을 원용하고, 여기서 중복되는 설명은 생략한다.
정리하면, 본 발명에서는 압력 센서의 센싱 데이터에 기초한 스마트 신발 추적 알고리즘에 따라 종래에 비해 스마트 신발에 대한 다양하고 정확한 모션 데이터를 획득할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 모션 데이터 센싱, 스마트 신발 추적 알고리즘을 통한 센싱된 모션 데이터 보정, 획득 등과 그를 위한 스마트 신발 시스템을 상세히 설명한다.
도 12는 본 발명에 따른 스마트 신발 추적 알고리즘을 위한 구성을 도시한 것이다.
이하에서, 도 12에 도시된 스마트 신발 추적 알고리즘을 위한 구성요소들은 스마트 신발 추적 데이터 처리부(1200) 또는 추적 데이터 처리부(1200)(편의상 이하에서는 추적 데이터 처리부라고 함)로 명명하여 설명한다. 전술한 바와 같이, 이는 데이터 처리부라고 명명할 수도 있다. 상기 추적 데이터 처리부(1200)는, 회로나 모듈과 같은 하드웨어 또는 전술한 스마트 신발 시스템의 일 구성에 임베디드된 소프트웨어로 구현될 수 있다. 다만, 추적 데이터 처리부(1200)는, 반드시 스마트 신발의 일 구성일 필요는 없으며, 상기 스마트 신발의 센서들의 센싱 데이터를 수신하여 처리 가능한 다른 디바이스에 일 구성으로 설계될 수도 있다.
추적 데이터 처리부(1200)는 스마트 신발에 마운트된 센서 모듈을 통하여 상기 스마트 신발 착용자의 이동 속도(Velocity (3D)), 이동 방향(Attitude (3D))을 추정하여 이동 거리(Position (3D))를 누적 계산할 수 있다.
도 12를 참조하여, 본 발명에 따른 추적 데이터 처리부(1200)의 동작을 설명하면, 다음과 같다.
추적 데이터 처리부(1200)는 처리부(1220)와 필터부(1250)를 이용하여 스마트 신발에 마운트된 센서 모듈(또는 센서부)의 센싱 데이터에 기초하여 상기 스마트 신발 착용자에 대한 추적 데이터를 처리한다. 이는 종래 관성 항법 시스템과 관련된 PDR 알고리즘과 관련된 것으로, 상기 PDR 알고리즘에 대한 자세한 설명은 알려진 내용을 원용하는바, 여기서 별도의 상세 설명은 생략한다.
이러한 처리부(1220)와 필터부(1250)를 통한 추적 데이터 처리 과정을 먼저 설명하면 다음과 같다.
먼저, 처리부(1220)는 제1 처리부(1222)와 제2 처리부(1224)를 포함한다.
제1 처리부(1222)는 제1 센서(1212)에서 센싱된 데이터를 수신하고, 수신된 센싱 데이터를 처리하여 제1 적분기로 출력한다. 여기서, 상기 제1 센서(1212)는 예를 들어, 가속도 센서를 포함한다. 특히, 제1 처리부(1222)는 상기 제1 센서(1212)로부터 센싱된 데이터에서 그래비티(gravity)를 감산(subtract)한다.
제2 처리부(1224)는 제2 센서(1214)에서 센싱된 데이터를 수신하고, 수신된 센싱 데이터를 처리한다. 이렇게 처리된 데이터는 상기 제1 처리부(1222)와 믹서로 출력된다. 여기서, 상기 제2 센서(1214)는 예를 들어, 자이로 센서를 포함한다. 상기 이동 방향 데이터는 요(yaw) 데이터, 피치(pitch) 데이터, 롤(roll) 데이터 등을 포함할 수 있다. 상기 제2 처리부(1224)는 상기 제2 센서(1214)로부터 센싱된 데이터에 기초하여 스마트 신발의 인솔의 이동 방향(A)을 계산한다.
상기에서, 제1 적분기의 출력 데이터는 그 자체로 이동 속도 데이터(V)일 수 있고, 상기 제2 처리부(1224)에서 처리된 데이터는 그 자체로 스마트 신발 착용자의 이동 방향 데이터(A)일 수도 있다.
상기에서, 상기 제1 적분기의 출력 데이터에서 이동 속도 데이터(v1)를 제외한 데이터 즉, 이동 거리 데이터(p0)는 다시 제2 적분기로 입력되어 누적된다. 상기 이동 속도 데이터(v1), 상기 제2 적분기의 출력 데이터 즉, 이동 거리 데이터(p1) 그리고 상기 제2 처리부(1224)의 이동 방향 데이터(a1)는 필터부(1250)로 입력된다. 상기 필터부(1250)는 예를 들어, 전술한 PDR 알고리즘에서 주로 사용하는 칼만 필터를 이용하여 입력되는 이동 속도 데이터(v1), 이동 거리 데이터(p1), 및 이동 방향 데이터(a1)를 필터링한다. 상기 입력된 이동 속도 데이터(v1), 이동 거리 데이터(p1), 및 이동 방향 데이터(a1)는, 상기 필터부(1250)에서 필터링되어 이동 속도 데이터(v2), 이동 거리 데이터(p2), 및 이동 방향 데이터(a2)가 출력된다. 이렇게 출력된 이동 속도 데이터(v2), 이동 거리 데이터(p2), 및 이동 방향 데이터(a2)는 믹서부(1260)로 출력된다.
믹서부(1260)는 이동 거리에 관한 제1 믹서, 이동 속도에 관한 제2 믹서 그리고 이동 방향에 관한 제3 믹서를 포함한다.
제1 믹서는 상기 제2 적분기의 출력인 이동 거리 데이터(p1)와 상기 필터부(1250)의 출력인 이동 거리 데이터(p2)를 믹싱하여 최종 이동 거리 데이터(P)를 산출한다.
제2 믹서는 상기 제1 적분기로부터 추출된 이동 속도 데이터(v1)와 상기 필터부(1250)의 출력인 이동 속도 데이터(v2)를 믹싱하여 최종 이동 속도 데이터(V)를 산출한다.
제3 믹서는 상기 제2 처리부(1224)의 출력인 이동 방향 데이터(a1)와 상기 필터부(1250)의 출력인 이동 방향 데이터(a2)를 믹싱하여 최종 이동 방향 데이터(A)를 산출한다.
상술한 도 12의 처리부(1220)와 필터부(1250)를 이용하여 추적 데이터 처리부(1200)에서 스마트 신발에 마운트된 센서 모듈의 센싱 데이터에 기초하여 상기 스마트 신발 착용자에 대한 추적 데이터를 처리하면, 도 13과 같은 그래프를 얻을 수 있다.
다만, 도 13을 참조하면, 제1 센서(1212)와 제2 센서(1214)에서 센싱된 데이터에 기초하여 처리한 경우에는 도시된 바와 같이, 노이즈 영역(1300)이 존재하여 스마트 신발 착용자의 스텝을 정확하게 검출하지 못할 수도 있다. 왜냐하면, 상기 노이즈의 영향에 따라 제로 벨로시티(zero velocity)를 정확하게 측정하지 못하여 이전 스텝과 다음 스텝을 구분하는 것이 모호하여 한 스텝을 검출하지 못할 수도 있기 때문이다. 이는 예컨대, 스마트 신발 착용자가 단지 걷거나 정적인 상태에서는 큰 문제가 되지 않을 수도 있으나, 이동 속도가 올라가거나 보폭이 좁은 등의 경우에는 전체 데이터에 영향을 주어 오류를 줄 수 있다. 또한, 상기 노이즈는 매스텝에서 발생 가능하여, 자칫 전체 데이터에 큰 오류를 불러 일으킬 수도 있다. 따라서, 상기 노이즈 영역을 최소화하거나 제거하는 것이 더욱 정확한 추적 데이터 산출에 이바지할 수 있게 된다.
상술한 노이즈에 따른 오류를 최소화 또는 제거하기 위해, 본 발명에서는 전술한 압력 센서의 센싱 데이터를 더 참조한다.
도 12를 참조하면, 추적 데이터 처리부(1200)는 검출부(1230)와 제4 믹서(1240)를 더 포함한다.
검출부(1230)는 제3 센서(1216)로부터 센싱된 데이터를 수신하고, 수신된 데이터를 처리하여 제4 믹서(1240)로 출력한다. 여기서, 상기 제3 센서(1216)는 전술한 본 발명에 따른 압력 센서일 수 있다. 따라서, 여기서, 압력 센서에 대해서는 전술한 내용을 원용하고 생략한다. 압력 센서에서 센싱되는 데이터는 예컨대, 스마트 신발 착용자의 매 스텝에서 생성될 수 있다. 이는 예를 들어, 도 14에서 하단에 생성되는 그래프(1410)일 수 있다.
검출부(1230)는 제3 센서(1216)에서 센싱되어 입력되는 데이터로부터 제로 벨로시티를 검출한다. 이는 상기 제3 센서(1216)가 착용자의 스텝에 따른 압력 스위치로 동작함에 따라 센싱되는 도 14와 같은 그래프 데이터로부터 쉽게 검출할 수 있다.
검출부(1230)에서 검출된 제로 벨로시터 데이터(z1)는 제4 믹서(1240)에서 상기 제1 적분기로부터 추출된 이동 속도 데이터(v1)와 믹싱되고, 이렇게 믹싱된 데이터는 전술한 필터부(1250)의 입력(v1)과는 다른 입력(v1’)가 된다. 이후 전술한 바와 같이, 필터부(1250)에서 필터링 후에 이동 거리(P), 이동 속도(V), 및 이동 방향(A) 데이터가 산출된다.
이를 도 13과 14를 참조하여 설명하면, 도 13에서는 전술한 바와 같이 노이즈 영역(1310)이 존재한다. 다만, 도 14를 참조하면, 상기 검출부(1230)와 제4 믹서(1240)를 거쳐 필터링된 데이터는 도 13과 같은 노이즈를 상쇄하여 제로 벨로시티가 최소화되도록 함으로써, 매 스텝을 명확하게 인식하고 처리할 수 있도록 한다. 따라서, 전술한 도 13에 의할 경우 발생 가능한 특정 스텝 등에 대해 놓칠 수 있는 부분을 보상하게 되어, 정확한 데이터 산출이 가능하다.
따라서, 도 14에 따르면, 스마트 신발 착용자의 모션 데이터 즉, x, y, z 축의 움직임에 대하여 제로 벨로시티가 최소화되어 모든 스텝을 정확하게 산출할 수 있으므로, 이에 기초하여 PDR 기법 등을 포함한 본 발명에 따르면 발 각도 데이터 내지 발 각도 보정 데이터를 손쉽고 정확하게 산출할 수 있게 되어, 도 15에 도시된 바와 같이, 착용자의 이동 궤적, 이동 속도, 이동 방향, 보폭, 보고 등을 정확하게 쉽게 산출할 수 있게 된다. 이는 PDR 센서 또는 관성 센서만으로는 매 스텝의 제로 벨로시티를 정확하게 획득하지 못해 누적되는 오차로 인하여 보정이 필요한 경우에 비하여 훨씬 시스템의 효율성을 높일 수 있으며 전력 소모도 절감할 수 있다. 또한, PDR 센서 데이터만을 이용하는 경우에는 와이파이, 블루투스 등에 기초하여 무선 위치 측위 보정이 필요하나, 압력 센서 데이터까지 이용하면 이러한 무선 위치 측위 기법을 사용하지 않고도 더욱 정확한 데이터 센싱이 가능하다.
또한, 보폭이나 보고와 관련하여, 종래에는 산행이나 건물 계단 등을 이용하는 경우에는 고도를 기압 센서 등을 활용하였으나, 이 경우 주변 기압이 날씨 변화, 바람 등에 따라 갑자기 변동되거나 계단을 이용하는 경우 창문이나 문이 열리고 닫힌 등 다른 요인에 의하여 기압 변화가 심하고 정확한 데이터 센싱이 불가능하였으며, 센싱된 데이터의 신뢰도도 낮은 문제가 있었다. 이에 반해, 본 발명에서는 간단한 압력 센서(압력 스위치)의 센싱 데이터에 기초하여 제로 벨로시티를 최소화함으로써 기압 센서나 기타 구성이 없이도 손쉽고 정확한 데이터 산출이 가능하다.
이러한 본 발명에 따른 추적 데이터 처리 알고리즘은, 착용자의 운동 정보 추적 및 관리 서비스에 이용되어 착용자의 칼로리 소비량, 체중 변화 등을 측정할 수 있고, 바이크 라이딩, 걷기, 뛰기 등도 자동으로 인식하여 그에 따른 네비게이션 내지 스케줄링 서비스도 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 추적 데이터 처리 알고리즘에 따르면, 착용자(군인 등)의 걷기 자세 추적 및 관리 서비스, 마트, 도서관, 공공기관 등의 인도어 네비게이션 서비스(indoor navigation service), 야외 자전거, 걷기 네비게이션 정확도 보정 서비스, 걷는 구역의 추적 히스토리 관리, 보폭, 보고 등을 이용한 운동량 측정 및 관리 서비스, GPS나 와이-파이 사용 불가 지역에서의 착용자 추적 관리 서비스 등 다양한 서비스가 가능해진다.
도 16은 전술한 본 발명에 따른 서비스 시나리오의 일 예에 대한 UX 도면이다.
도 16a는 10m의 이동 거리를 평균 속도로 걷는 경우이고, 도 16b는 도 16a에서 추적 데이터 처리부를 통해 획득되는 데이터의 UX이다. 도 16a에서 이동 거리 10m에 대하여 추적 데이터 처리부를 통해 획득된 데이터는 도 16b를 참조하면, 10.072m임을 알 수 있다.
도 16c는 10m의 이동 거리를 경보와 같이 빠른 속도로 걷는 경우이고, 도 16d는 도 16c에서 추적 데이터 처리부를 통해 획득되는 데이터의 UX이다. 도 16c에서 이동 거리 10m에 대하여 추적 데이터 처리부를 통해 획득된 데이터는 도 16d를 참조하면, 10.066m임을 알 수 있다.
더불어, 도 16e는 일정 시간동안 추적 데이터 처리부를 통해 누적하여 획득된 보폭, 속도, 총거리 데이터에 대한 UX이다.
도 17은 본 발명에 따른 스마트 신발 시스템에서 데이터 처리 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명에 따른 스마트 신발에서 데이터 처리 방법의 일 실시 예는, 센서들로부터 센싱 데이터를 수집하는 단계, 상기 수집된 센싱 데이터로부터 모션 데이터를 획득하는 단계, 상기 센서들 중 스텝 단위로 스위칭되며 상기 스마트 신발의 압력을 센싱하는 압력 센서의 센싱 데이터에 기초하여 상기 모션 데이터의 제로 벨로시티 데이터를 검출하는 단계, 상기 검출된 제로 벨로시티 데이터에 기초하여 상기 모션 데이터의 스텝 노이즈를 제거하는 단계, 상기 스텝 노이즈가 제거된 모션 데이터를 필터링하는 단계, 및 상기 필터링된 모션 데이터와 미리 정의된 임계값에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 처리하는 단계를 포함하여 이루어진다.
도 17을 참조하면, 스마트 신발 시스템의 추적 데이터 처리부는, 하나 또는 그 이상의 제1 센서들로부터 센싱 데이터를 수신하고(S1702), 제2 센서의 동작에 기초하여 센싱된 데이터를 수신하여 제로 벨로시티 데이터를 검출한다(S1704). 여기서, 제1 센서들은 예컨대, 전술한 도 12의 제1 센서(가속도 센서), 제2 센서(자이로 센서)를 포함한다. 또한, 여기서, 상기 제2 센서는 전술한 도 12의 제3 센서(압력 센서)를 포함한다.
추적 데이터 처리부는, 상기 검출된 제로 벨로시티 데이터에 기초하여 상기 제1 센서들로부터 수신된 센싱 데이터의 스텝 노이즈를 제거한다(S1706). 상기 스텝 노이즈라 함은 도 13에 도시된 노이즈(1310)를 의미하고, 상기 스텝 노이즈가 제거한다고 함은 도 14와 같이 처리함을 나타낸다.
추적 데이터 처리부는, 상기 스텝 노이즈가 제거된 센싱 데이터를 필터링한다(S1708).
추적 데이터 처리부는, 상기 필터링된 센싱 데이터와 미리 정의된 임계치에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 획득한다(S1710). 여기서, 미리 정의된 임계치라 함은 필터부에서의 필터링에 따른 데이터 규준화에 따른 값을 나타낼 수 있다. 이와 같이, 데이터를 규준화하면 데이터 관리 등에 도움이 될 수 있다.
이상 상술한 본 발명의 다양한 실시 예들, 각각 또는 그 조합에 따르면, 새로운 센서 모듈을 통해 스마트 신발을 통한 착용자의 모션 센싱 데이터 수집, 분석 등에도 불구하고 소모 전력을 최소화하여 배터리 효율을 개선하여 잦은 배터리 교체 등에 따른 불편함을 해소하고, 상기 센서 모듈을 통해 수집되는 센싱 데이터에 기초한 모션 센싱 알고리즘을 제안하여 종래 모션 센싱 알고리즘에 비하여 정확도를 개선함으로써 상기 스마트 신발의 신뢰도를 높일 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
본 발명은 스마트 신발에 관한 것이며, 이에 관한 기술은 디지털 산업 전반에 걸쳐 적용 가능한바, 본 발명은 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (14)

  1. 가속도 센서, 자이로 센서 및 스텝 단위로 스위칭되며 스마트 신발의 압력을 센싱하는 압력 센서를 포함한 센서부; 및
    상기 센서부의 센싱 데이터에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 획득하고 처리하는 데이터 처리부를 포함하고,
    상기 데이터 처리부는,
    상기 압력 센서를 통해 센싱된 압력 센서 데이터로부터 검출되는 제로 벨로시티 데이터를 참조하여, 상기 가속도 센서와 자이로 센서를 통해 센싱된 가속도 센서 데이터와 자이로 센서 데이터에 기초한 상기 스마트 신발 모션 데이터의 스텝 노이즈를 제거하고, 상기 스텝 노이즈가 제거된 모션 데이터를 필터링하여 상기 필터링된 모션 데이터와 미리 정의된 제1 임계값에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 처리하는 스마트 신발.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는,
    압력에 의해 상기 압력 센서의 턴-온시에만 전원 공급을 받아 센싱 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 스마트 신발.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는,
    상기 센서부로부터 수신되는 센서 데이터에 기초하여 상기 스마트 신발의 이동 거리, 이동 속도 및 이동 방향에 대한 데이터 중 적어도 하나를 포함하는 상기 모션 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 스마트 신발.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는,
    상기 모션 데이터 중 이동 속도 데이터를 보정하여 상기 스텝 노이즈를 제거하고,
    상기 자이로 센서 데이터로부터 상기 스마트 신발의 이동 방향을 계산하여 획득된 이동 방향 데이터와 상기 필터링된 모션 데이터 내 이동 방향 데이터를 참조하여 상기 모션 데이터 중 이동 방향 데이터를 처리하는 것을 특징으로 하는 스마트 신발.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는,
    칼만 필터와 PDR 알고리즘에 기초하여 상기 모션 데이터를 처리하는 것을 특징으로 하는 스마트 신발.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는,
    상기 스마트 신발의 보폭 데이터와 보고 데이터 중 적어도 하나를 상기 모션 데이터로 더 획득하고,
    상기 보폭 데이터와 보고 데이터는 상기 이동 속도 데이터, 이동 거리 데이터 및 이동 방향 데이터에 기초하여 획득되는 것을 특징으로 하는 스마트 신발.
  7. 스마트 신발 시스템에 있어서,
    가속도 센서, 자이로 센서 및 스텝 단위로 스위칭되며 스마트 신발의 압력을 센싱하는 압력 센서를 포함한 스마트 신발과,
    상기 스마트 신발 센서들의 센싱 데이터를 수신하고, 상기 수신된 압력 센서 센싱 데이터에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 처리하는 데이터 처리부를 포함한 이동 단말기를 포함하되,
    상기 데이터 처리부는,
    상기 수신한 센싱 데이터 중 상기 압력 센서 센싱 데이터로부터 제로 벨로시티 데이터를 검출하고, 상기 검출된 제로 벨로시티 데이터에 기초하여 상기 가속도 센서 센싱 데이터와 자이로 센서 센싱 데이터로부터 생성된 이동 속도 데이터의 스텝 노이즈를 제거하고, 상기 스텝 노이즈가 제거된 이동 속도 데이터에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 획득하는 스마트 신발 시스템.
  8. 스마트 신발에서 데이터 처리 방법에 있어서,
    센서들로부터 센싱 데이터를 수집하는 단계;
    상기 수집된 센싱 데이터로부터 모션 데이터를 획득하는 단계;
    상기 센서들 중 스텝 단위로 스위칭되며 상기 스마트 신발의 압력을 센싱하는 압력 센서의 센싱 데이터에 기초하여 상기 모션 데이터의 제로 벨로시티 데이터를 검출하는 단계;
    상기 검출된 제로 벨로시티 데이터에 기초하여 상기 모션 데이터의 스텝 노이즈를 제거하는 단계;
    상기 스텝 노이즈가 제거된 모션 데이터를 필터링하는 단계; 및
    상기 필터링된 모션 데이터와 미리 정의된 임계값에 기초하여 상기 스마트 신발의 모션 데이터를 처리하는 단계를 포함하여 이루어지는 스마트 신발에서 데이터 처리 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 센싱 데이터 수집 단계는,
    압력에 의해 상기 압력 센서의 턴-온시에만 전원 공급을 받아 센싱 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 스마트 신발에서 데이터 처리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 모션 데이터는,
    상기 센서부로부터 수집되는 센싱 데이터에 기초하여 상기 스마트 신발의 이동 거리, 이동 속도 및 이동 방향에 대한 데이터 중 적어도 하나를 포함하여 획득되는 것을 특징으로 하는 스마트 신발에서 데이터 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스텝 노이즈를 제거하는 단계는,
    상기 모션 데이터 중 이동 속도 데이터에 대하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스마트 신발에서 데이터 처리 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 처리되는 모션 데이터의 이동 방향 데이터는,
    상기 센서들 중 자이로 센서 데이터로부터 상기 스마트 신발의 이동 방향을 계산하여 획득된 제1 이동 방향 데이터와 상기 필터링된 모션 데이터를 참조하여 결정되는 것을 특징으로 하는 스마트 신발에서 데이터 처리 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 모션 데이터는,
    칼만 필터와 PDR 알고리즘에 기초하여 처리하는 것을 특징으로 하는 스마트 신발에서 데이터 처리 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 모션 데이터는,
    상기 스마트 신발의 보폭 데이터와 보고 데이터 중 적어도 하나를 더 포함하고,
    상기 보폭 데이터와 보고 데이터는 상기 이동 속도 데이터, 이동 거리 데이터 및 이동 방향 데이터에 기초하여 획득되는 것을 특징으로 하는 스마트 신발에서 데이터 처리 방법.
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