WO2019177202A1 - 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치 - Google Patents

정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치 Download PDF

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WO2019177202A1
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skin
user intention
electrode
intention sensing
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김영진
김완수
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김영진
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    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945—Proximity switches
    • H03K17/955—Proximity switches using a capacitive detector

Definitions

  • the present invention relates to a user intention sensing device. More specifically, the present invention relates to a capacitive user intention sensing device.
  • EMG signals that are easier to process data than EEG and that can be used in a non-invasive state of the skin are utilized to determine the intention of the user.
  • the EMG sensor sensing the EMG signal has various problems such as high price and high power consumption as well as change of EMG signal due to sweat, fatigue, and pretreatment process to increase wear conductivity.
  • An object of the present invention is to provide a capacitive user intention sensing device.
  • Another object of the present invention is to provide a capacitive user intention sensing device capable of sensing user intention without measuring a biological signal.
  • Another object of the present invention is to provide a capacitive user intention sensing device that can be attached to the skin to detect the user intention by detecting a change in distance between the skin and the electrode.
  • Still another object of the present invention is to provide a capacitive user intention sensing device in which signal change due to external factors is small and no preprocessing process is required.
  • Still another object of the present invention is to provide a capacitive user intention sensing device having a free configuration and no device start time.
  • a capacitive user intention sensing device is a user intention sensing device attached to the skin, the substrate, the electrode portion attached to the lower portion of the substrate, the electrode portion and the skin is kept spaced apart While it is characterized in that it comprises an attachment portion for attaching the substrate to the skin, and a measuring unit for measuring the capacitance between the electrode portion and the skin.
  • the attachment part may be made of a silicon pad.
  • the difference between the thickness of the attachment portion and the thickness of the electrode portion may be greater than 0 and 13 mm or less.
  • the difference of the thickness of the said attachment part and the thickness of the said electrode part is more than 0.5 mm and 1.5 mm or less.
  • the electrode unit may be formed of a plurality of electrodes spaced at regular intervals.
  • the capacitive user intention sensing device has a ground electrode formed on the substrate, a ground terminal formed under the attachment portion and a connection line connecting the ground electrode and the ground terminal directly contacting the skin; It may further include.
  • the present invention provides an effect of providing a capacitive user intention sensing device that can be attached to the skin without measuring a difficult biological signal to detect the user's intention by detecting a change in capacitance according to a change in distance between the skin and the electrode.
  • the present invention has an effect of providing a capacitive user intention sensing device that does not cause a time delay problem.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a capacitive user intention sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a state in which the capacitive user intention sensing device is attached to the skin according to an embodiment of the present invention.
  • 3 to 5 are graphs showing a sensing value according to the distance between the electrode pad and the skin.
  • FIG. 6 is a graph showing a signal-to-noise ratio according to the distance between the electrode pad and the skin.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a capacitive user intention sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a sample photograph of a capacitive user intention sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing three capacitive user intention sensing devices attached to different muscles according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a photograph showing a robot hand following a human hand using a sensing value of a capacitive user intention sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a capacitive user intention sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • the user intention sensing device senses the user's intention, such as being attached to the user's skin and trying to clench a fist.
  • the user intention sensing device may sense user intention by measuring capacitance rather than biological signal. Characterized in that it can.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a capacitive user intention sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • the capacitive user intention sensing device 100 may include a substrate 10, an electrode unit 20, an attachment unit 30, and a measurement unit 40. It is made to include.
  • the substrate 10 is a part of the basic frame of the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention, the electrode unit 20, the attachment unit 30, and the measurement unit 40 to be described later. Are all mounted on the substrate 10 to constitute the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode unit 20 is composed of an electrode attached to the lower surface of the substrate 10.
  • the electrode unit 20 forms a capacitance with the skin when the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention is attached to the skin. Therefore, as shown in FIG. 1, the lower surface of the substrate 10 is preferably positioned so that other components are not disposed between the electrode unit 20 and the skin.
  • the attachment part 30 is a component for attaching the substrate 10 on which the electrode part 20 is formed to the skin. As described above, it is preferable that other components are not located between the electrode part 20 and the skin. As shown in FIG. 10, the electrode part 20 is positioned in the center area under the substrate 10, and the attachment part 30 is positioned in the outer area under the substrate 10 to form the substrate 10 having the electrode part 20 formed thereon. It is desirable to ensure a stable attachment to the skin.
  • Attachment portion 30 is preferably made of a sticky material of the whole or at least the bottom surface in order to attach the capacitive user-intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention to the skin.
  • the attachment portion 30 preferably has an adhesive force such that the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention can be easily removed after being attached to the skin.
  • the removal is made of a material capable of maintaining the adhesive force even if repeatedly removed.
  • a silicone pad as the attachment portion 30, but is not necessarily limited thereto, and a double-sided tape may be used.
  • the measuring unit 40 measures the capacitance formed between the skin and the electrode unit 20.
  • the measurement unit may be electrically connected to the electrode unit 20 by a circuit on the substrate 10, and may provide an electrical signal necessary for the electrode unit 20.
  • the measurement unit 40 may be configured as a programmable capacitance-to-converter (CDC) capable of converting the measured capacitance into a digital value and outputting the digital value, and may output the converted digital value to the outside.
  • CDC programmable capacitance-to-converter
  • the measurement unit 40 and an external analyzer are wired to output the value measured by the measurement unit 40 to the outside. It may be connected.
  • the capacitive user intention sensing device 100 further includes a communication unit (not shown), and externally measures the value measured by the measurement unit 40 through short-range communication such as Bluetooth. It can also be sent to the analyzer.
  • a communication unit not shown
  • short-range communication such as Bluetooth
  • FIG. 2 illustrates a state in which the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention is attached to the skin.
  • the capacitive user intention sensing device 100 As shown in FIG. 2, when the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention is attached to the skin, the capacitance C is generated between the electrode unit 20 and the skin as follows. Done.
  • the vacuum dielectric constant ( ⁇ 0 ) and the relative dielectric constant ( ⁇ r ) are fixed at 9.954 ⁇ 10 -12 F / m and 1.00059 F / m (air dielectric constant), respectively, and the electrode area (A) is also fixed.
  • the distance d between the skin deformed by the movement of the electrode and the electrode 20 is the only variable that changes the capacitance.
  • the height of the attachment portion 30 is appropriately formed so that the skin and the electrode portion 20 can maintain an appropriate distance.
  • the distance between the skin and the electrode portion 20 was 1 mm or less, 1 mm, 2 mm, and 3 mm, as shown in FIG. .
  • the x-axis value is the number of data and the y-axis value is the measured capacitance value which is the CDC output value.
  • the contraction and relaxation of the muscle was measured using the capacitive user intention sensing device 100 according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • the distance between the skin and the electrode unit 20 may be difficult to determine muscle contraction and relaxation with the measured capacitance value.
  • the muscle using the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention is used. Shrinkage and relaxation of the can be measured, as shown in Figure 5 even if the distance between the skin and the electrode portion to 13mm was able to measure the contraction and relaxation of the muscle.
  • the height of the attachment portion 30 is preferably configured such that the distance between the skin and the electrode portion is greater than 0 and 13 mm or less in consideration of the resolution of the CDC.
  • the signal-to-noise ratio (SNR) according to the distance between the skin and the electrode was measured to confirm the possibility of noise due to the distance between the skin and the electrode.
  • Srms is a root mean square (RMS) value of n data measured by the capacitive user intention sensing device 100 according to an embodiment of the present invention when the muscle is contracted / relaxed, and Nrms is a muscle contraction.
  • the distance between the skin and the electrode it is preferable to configure the distance between the skin and the electrode to be 0.5mm to 1.5mm, but if the distance between the skin and the electrode is too close, such as 0.5mm, it is difficult to measure the proper capacitance when the muscle is relaxed, so the skin and the electrode Most preferably, the height of the attachment portion 30 is formed so that the distance between them is about 1 mm to 1.5 mm.
  • FIG. 7 illustrates a capacitive user intention sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • the capacitive user intention sensing device 100 ′ includes a substrate 10, an electrode unit 20, an attachment unit 30, and a measurement unit 40. It is done by
  • the user intention sensing device 100 ′ illustrated in FIG. 7 is composed of a plurality of electrodes spaced apart from each other, and the plurality of electrodes are fixed to each other. It is preferred to be spaced apart at intervals.
  • the plurality of electrodes may be arranged in a row as shown in FIG. 8, or may be arranged in a plurality of matrices, such as 2 ⁇ 2.
  • the capacitive user intention sensing device 100 ′ may measure muscle movement more finely than the electrode unit using one electrode.
  • a sample as shown in FIG. 8 is manufactured and attached to the forearm of a normal person in their twenties. After performing abduction, bending, new song, fist, and rest for 10 seconds, respectively, the measurement value by the measuring unit 40 was transmitted to the PC.
  • the received measured values were pattern-classified using the machine learning method, and then the accuracy of each motion was measured.
  • the results were 99.35%, 95.09%, 98.31%, 97.04%, 98.45%, and 99.19%, respectively, in order of wrist extension, flexion, adduction, abduction, fist, and rest.
  • the robot hand controller is programmed and the measured value by the measuring unit 40 of the user intention sensing device 100 ′ according to another embodiment of the present invention is provided to the robot hand controller.
  • the robot hand performed the same operation as that of the subject with the user's intention sensing device 100 ′ according to another embodiment of the present invention.
  • the accuracy is 98.4 for the gestures of scissors, rock, beam, and rest, respectively. %, 99.3%, 98.3%, 99.1%.
  • the capacitive user intention sensing device As described above, in the case of using the capacitive user intention sensing device according to the embodiment of the present invention, not only the limitation of using the biosignal for conventional user intention sensing can be overcome, but also the time of the FMG using the FSR. It can be seen that the user can accurately sense the user's intention about what action the user is trying to take while solving the problem of delay and inconvenience.
  • the capacitive user intention sensing device has an advantage of measuring the capacitance more conveniently and accurately by using one of two counter electrodes forming the capacitance as the skin.
  • the capacitive user intention sensing device when the user with the capacitive user intention sensing device according to the embodiment of the present invention contacts a conductive object such as an iron table, it may affect the capacitance measured by the measuring unit 40.
  • the capacitive user intention sensing device 100 ′′ according to another embodiment of the present invention is characterized in that the user's skin is maintained in a grounded state as shown in FIG. 11.
  • the capacitive user intention sensing device 100 ′′ includes a substrate 10, an electrode part 20, an attachment part 30, a measurement part 40, and a ground part. It consists of 50. That is, unlike the previous embodiment it further includes a grounding portion 50 to maintain the user's skin in the grounded state.
  • the ground part 50 includes a ground electrode 51 formed on the substrate 10, a ground terminal 52 directly contacting the user's skin, and a connection line connecting the ground electrode and the ground terminal. 53.
  • the ground electrode 51 is an electrode which is grounded by being connected to a voltage of 0 V, and the skin is electrically connected to the ground electrode 51 through the ground terminal 52 and the connection line 53 so that the ground is not affected by external conditions. State can be maintained.
  • the ground terminal 52 is formed in the lower portion of the attachment portion 30 so that the user's intention sensing device of the capacitive type according to an embodiment of the present invention can be maintained only by attaching to the user's skin.
  • the user's intention sensing device of the capacitive type according to an embodiment of the present invention can be maintained only by attaching to the user's skin.

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Abstract

본 발명에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치는 피부에 부착되는 사용자 의도 센싱 장치로서, 기판, 상기 기판의 하부에 부착된 전극부, 상기 전극부와 상기 피부가 이격된 상태로 유지시키면서 상기 피부에 상기 기판을 부착시키기 위한 부착부, 및 상기 전극부와 상기 피부 사이의 정전용량을 측정하는 측정부를 포함하여 이루어져 측정된 정전용량 값으로 사용자가 어떠한 움직임을 하려는 것인지에 대한 사용자 의도를 파악할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치
본 발명은 사용자 의도 센싱 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치에 관한 것이다.
센서를 통해 사용자의 의도를 파악하고 그에 맞추어 작동하도록 하는 전자 의족, 의수, 의지 등이 개발되어 절단 장애우들의 삶을 보다 윤택하게 해주고 있다.
이때 사용자의 의도를 파악하기 위해서 뇌파보다 데이터 처리가 쉽고 피부에 비침습한 상태에서 사용할 수 있는 근전도 신호가 많이 활용되고 있다.
하지만 근전도 신호를 센싱하는 근전도 센서는 가격이 비싸고 전력소모가 높을 뿐만 아니라 땀, 근피로도 등에 의해 근전도 신호가 변화하고 착용 전도성을 높이기 위한 전처리 과정이 필요하는 등 여러가지 문제점을 가지고 있다.
이에 최근 근피로도에 덜 민감하여 데이터 사용이 용이하고, 사용 전 전도성을 높이기 위해 피부 젤, 전도성 젤 등을 사용하지 않아도 되는 FMG(Force Myography)를 이용하여 사용자의도를 추정하는 연구가 이루어지고 있다.
하지만 FSR(Force-Sensing Resistor)을 이용하는 FMG의 경우 외력에 의해 저항이 변형되는 것을 측정하는 방식으로 장치가 반드시 밴드형태로 속박되어 피부에 밀착되어야 하므로 형태의 구성이 자유롭지 않고, 최소 10㎲ 이상의 소자시작시간(Device Rise Time)이 필요하기 때문에 근육의 빠른 변형에 대응하지 어려워 시간지연현상으로 이어지는 문제가 있다.
이에 사용자 의도를 파악할 수 있는 새로운 형태의 센서의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 생체 신호를 측정하지 않고도 사용자 의도를 센싱할 수 있는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 피부에 부착되어 피부와 전극 사이의 거리 변화를 감지함으로써 사용자 의도를 파악할 수 있는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 외부 요인에 의한 신호 변화가 적고 전처리 과정이 필요하지 않는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 형태의 구성이 자유롭고, 소자시작시간이 필요하지 않는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 목적들은, 본 발명에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치에 의해 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치는 피부에 부착되는 사용자 의도 센싱 장치로서, 기판, 상기 기판의 하부에 부착된 전극부, 상기 전극부와 상기 피부가 이격된 상태로 유지시키면서 상기 피부에 상기 기판을 부착시키기 위한 부착부, 및 상기 전극부와 상기 피부 사이의 정전용량을 측정하는 측정부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 부착부는 실리콘 패드로 이루어질 수 있다.
또한 상기 부착부의 두께와 상기 전극부의 두께의 차는 0 초과 13㎜ 이하일 수 있다.
또한 상기 부착부의 두께와 상기 전극부 두께의 차가 0.5mm 초과 1.5㎜ 이하인 것이 보다 바람직하다.
상기 전극부는 일정 간격으로 이격된 복수 개의 전극으로 이루어질 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치는 기판에 형성된 접지 전극, 부착부 하부에 형성되어 상기 피부와 직접 접촉하는 접지 단자 및 접지 전극과 상기 접지 단자를 연결하는 연결라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 측정이 어려운 생체 신호를 측정하지 않고 피부에 부착되어 피부와 전극 사이의 거리 변화에 따른 정전용량 변화를 감지함으로써 사용자 의도를 파악할 수 있는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 제공하는 효과를 갖는다.
특히 땀, 근피로도 등의 외부 요인에 의해 센싱값이 변화하지 않으므로 항상 신뢰성 있는 결과값 제공이 가능하며, 전처리 과정이 필요하지 않아 사용이 용이하고, 형태의 구성이 자유로울 뿐만 아니라 소자시작시간에 따른 시간지연 문제도 발생하지 않는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 제공하는 효과를 갖는다.
제1도는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치의 단면도이다.
제2도는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 피부에 부착한 모습을 보여주는 도면이다.
제3도 내지 제5도는 전극패드와 피부와의 거리에 따른 센싱값을 보여주는 그래프들이다.
제6도는 전극패드와 피부와의 거리에 따른 신호대 잡음비를 보여주는 그래프이다.
제7도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치의 단면도이다.
제8도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱장치의 샘플 사진이다.
제9도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱장치 3개를 각각 다른 근육에 부착한 모습을 보여주는 도면이다.
제10도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱장치의 센싱값을 이용하여 로봇 손이 사람의 손동작을 따라 하는 모습을 보여주는 사진이다.
제11도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치에 대해 상세히 설명하도록 한다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.
또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
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" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 사용자 의도 센싱 장치는 사용자의 피부에 부착되어 주먹을 쥐려고 하는지 손을 펴려고 하는지 등의 사용자 의도를 센싱한다.
즉, 지금까지 사용자 의도를 센싱하기 위해 뇌파, 근전도 등의 각종 생체 신호를 측정해 오던 것과 달리 본 발명의 실시예에 따른 사용자 의도 센싱 장치는 생체 신호가 아닌 정전용량을 측정함으로써 사용자 의도를 센싱할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치의 단면도가 도 1에 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)는 기판(10), 전극부(20), 부착부(30), 측정부(40)를 포함하여 이루어진다.
기판(10)는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)의 기본 틀이 되는 부분으로서 후술할 전극부(20), 부착부(30), 측정부(40)가 모두 기판(10)에 장착되어 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)를 구성한다.
이러한 기판(10)으로서 회로를 쉽게 형성할 수 있는 PCB를 사용하는 것이 바람직하다.
전극부(20)는 기판(10)의 하부면에 부착되는 전극으로 구성된다.
전극부(20)는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)가 피부에 부착되었을 때 피부와의 사이에서 정전용량을 형성한다. 따라서 전극부(20)와 피부 사이에 다른 구성요소가 위치하지 않도록 도 1에 도시된 바와 같이 기판(10)의 하부면에 위치하는 것이 바람직하다.
부착부(30)는 전극부(20)가 형성된 기판(10)을 피부에 부착시키기 위한 구성으로서 앞서 설명한 바와 같이 전극부(20)와 피부 사이에 다른 구성요소가 위치하지 않는 것이 바람직하므로 도 1에 도시된 바와 같이 기판(10) 하부의 중심 영역에 전극부(20)가 위치하고 기판(10) 하부의 외곽 영역에 부착부(30)가 위치하여 전극부(20)가 형성된 기판(10)을 피부에 안정적으로 부착되도록 하는 것이 바람직하다.
부착부(30)는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)가 피부에 부착되도록 하기 위해 전체 또는 적어도 하부면이 점착성 있는 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
또한 부착부(30)는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)가 피부에 부착된 후 다시 용이하게 제거될 수 있을 정도의 점착력을 갖는 것이 바람직하며, 부착과 제거가 반복적으로 이루어지더라도 점착력을 유지할 수 있는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 부착부(30)로서 실리콘 패드를 사용하는 것이 바람직하나 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, 양면테이프 등도 사용될 수 있다.
측정부(40)는 피부와 전극부(20) 사이에 형성되는 정전용량을 측정한다. 이를 위해 측정부는 기판(10) 상의 회로에 의해 전극부(20)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 전극부(20)에 필요한 전기적 신호를 제공할 수도 있다.
측정부(40)는 측정된 정전용량을 디지털값으로 변환하여 출력할 수 있는 CDC(Programmable capacitance-to-converter)로 구성될 수 있으며, 변환된 디지털값을 외부로 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)는 측정부(40)에서 측정된 값을 외부로 출력하기 위해 측정부(40)와 외부 분석부(미도시)가 유선연결되어 있을 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)는 통신부(미도시)를 더 구비하고, 블루투스 등의 근거리 통신을 통하여 측정부(40)에 의해 측정된 값을 외부 분석부에 전송할 수도 있다.
도 2에 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)를 피부에 부착한 모습이 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)를 피부에 부착하면, 전극부(20)와 피부 사이에 아래와 같이 정전용량(C)이 발생하게 된다.
Figure PCTKR2018006211-appb-I000001
이때 진공유전율(ε0)과 상대유전율(εr)은 각각 9.954×10-12F/m, 1.00059F/m(공기유전율)로 고정되어 있고, 전극부의 면적(A) 역시 고정되어 있기 때문에 근육의 움직임에 의해 변형되는 피부와 전극부(20) 사이의 거리(d)가 정전용량을 변화시키는 유일한 변수가 된다.
따라서 정전용량을 측정함으로써 근육의 수축, 이완 정도를 측정할 수 있게 된다.
다만, 근육의 움직임에 따라 피부가 전극부(20)에 맞닿게 되면 제대로 된 정전용량값을 측정할 수 없으며, 이를 방지하기 위해 피부와 전극부(20)의 거리를 너무 멀게 할 경우 근육 움직임에 따른 정전용량값의 변화가 미미하여 정전용량값을 이용해 근육의 움직임을 제대로 측정할 수 없다.
따라서 부착부(30)의 높이를 적절히 형성하여 피부와 전극부(20)가 적절한 거리를 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
부착부(30)의 적절한 높이를 설정하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 피부와 전극부(20)의 거리를 1㎜이하, 1㎜, 2㎜, 3㎜로 하고 정전용량값을 측정해 보았다.
도 3의 그래프에서 x축값은 데이터의 수이고 y축값은 CDC 출력값인 측정된 정전용량값이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)를 사용하여 근육의 수축과 이완이 측정됨을 확인할 수 있었다.
또한 도 3(c)와 도 3(d)에 도시된 바와 같이 피부와 전극부(20)의 거리를 이격시킬수록 측정된 정전용량값으로 근육의 수축과 이완을 확인하기 어려울 수 있다. 그러나 도 4에 도시된 바와 같이 CDC의 해상도를 높이면 피부와 전극부(20)의 거리를 더 이격시키더라도 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)를 사용하여 근육의 수축과 이완을 측정할 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 피부와 전극부의 거리를 13㎜까지 이격시키더라도 근육의 수축과 이완을 측정할 수 있었다.
따라서 부착부(30)의 높이는 CDC의 해상도를 고려하여 피부와 전극부의 거리가 0 초과 13㎜ 이하가 되도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한 피부와 전극 사이의 거리에 따른 노이즈가 발생 가능성을 확인하기 위해 피부와 전극 사이의 거리에 따른 신호대 잡음비(SNR)를 측정하였다.
Figure PCTKR2018006211-appb-I000002
여기서 Srms는 근육의 수축/이완시 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)에 의해 측정된 n개의 데이터의 RMS(Root Mean Square) 값이고, Nrms는 근육의 수축/이완이 발생하지 않는 휴식 상태에서 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100)에 의해 측정된 i개 데이터의 RMS값으로 잡음 강도 값임.
그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이 피부와 전극 사이의 거리가 0.5mm에서 1mm로 더 이격되었을 때에는 신호대 잡음비가 높아졌으나 그 이상으로 이격시킬수록 신호대 잡음비가 낮아짐을 알 수 있었다.
따라서 피부와 전극 사이의 거리는 0.5mm 내지 1.5mm가 되도록 구성하는 것이 바람직하나 0.5mm와 같이 피부와 전극 사이의 거리가 너무 가까울 경우 근육이 이완되었을 때 적절한 정전 용량을 측정하기가 어려우므로 피부와 전극 사이의 거리가 약 1mm 내지 1.5mm가 되도록 부착부(30)의 높이를 형성하는 것이 가장 바람직하다.
도 7에 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치가 도시되어 있다.
도 7에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100')는 기판(10), 전극부(20), 부착부(30), 측정부(40)를 포함하여 이루어진다.
도 7에 도시된 사용자 의도 센싱 장치(100')는 도 1에 도시된 사용자 의도 센싱 장치(100)와 달리 전극부(20)가 서로 이격된 복수 개의 전극으로 이루어지며, 복수 개의 전극은 서로 일정 간격으로 이격되어 있는 것이 바람직하다. 이때 복수 개의 전극은 도 8에 도시된 바와 같이 일렬로 배열될 수도 있고 2×2와 같이 복수 행렬로 배열될 수도 있다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100')는 하나의 전극으로 전극부를 구성하는 것에 비해 근육의 움직임을 더 미세하게 측정할 수 있다.
즉, 단순히 근육이 수축되었는지 이완되었는지를 측정하는 것을 넘어 손목의 내전, 외전, 굴곡, 신곡, 주먹, 휴식 동작과 같이 구체적인 동작을 측정할 수 있게 된다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100')의 효능을 검증하기 위해 도 8에 도시된 바와 같은 샘플을 제작하여 20대 정상인의 전완부에 부착하고 손목의 내전, 외전, 굴곡, 신곡, 주먹, 휴식 동작을 각각 10초간 수행하도록 한 후 측정부(40)에 의한 측정값을 PC로 전송하였다.
PC에서는 수신된 측정값을 기계학습 방법을 사용하여 패턴분류한 후 각 동작에 대한 정확도를 측정하였다. 그 결과 손목의 신전, 굴곡, 내전, 외전, 주먹, 휴식 순으로 각각 99.35%, 95.09%, 98.31%, 97.04%, 98.45%, 99.19%의 정확도가 나타났다.
또한 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자 의도 센싱 장치(100') 3개를 팔뚝에 부착하고 손의 다양한 제스처(가위, 바위, 보, 휴식)를 구별하는 패턴 분류 실험을 수행하였다.
패턴분류한 결과로 로봇 손 제어부를 프로그래밍하고 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자 의도 센싱 장치(100')의 측정부(40)에 의한 측정값을 로봇 손 제어부에 제공한 결과 도 10에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자 의도 센싱 장치(100')를 부착한 피측정자의 손동작과 동일한 동작을 로봇 손이 수행하였으며, 그 정확도는 가위, 바위, 보, 휴식의 제스처에 대해 각각 98.4%, 99.3%, 98.3%, 99.1%였다.
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 이용한 경우 종래 사용자 의도 센싱을 위해 생체신호를 사용함에 따른 여러가지 한계를 극복할 수 있을 뿐만 아니라 FSR을 이용한 FMG의 시간지연문제 및 불편한 착용감 문제를 해결하면서도 사용자가 어떠한 동작을 취하려고 하는지에 대한 사용자 의도를 정확히 센싱할 수 있음을 알 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치는 정전용량을 형성하는 두 개의 대항 전극 중 하나를 피부로 사용함으로써 보다 편리하고 정확하게 정전용량을 측정할 수 있는 이점이 있다.
다만 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 부착한 사용자가 철제 테이블 등 전도성 물체와 접촉했을 때 측정부(40)에 의해 측정되는 정전용량값에 영향을 줄 수 있다.
이에 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100'')는 도 11에 도시된 바와 같이 사용자의 피부가 접지상태를 유지하도록 하는 것을 특징으로 한다.
이를 위해 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치(100'')는 기판(10), 전극부(20), 부착부(30), 측정부(40), 접지부(50)를 포함하여 이루어진다. 즉, 앞선 실시예와 달리 사용자의 피부를 접지상태로 유지할 수 있도록 접지부(50)를 더 포함한다.
이러한 접지부(50)는 도 11에 도시된 바와 같이 기판(10)에 형성된 접지 전극(51), 사용자의 피부에 직접 접촉하는 접지 단자(52), 그리고 접지 전극과 접지 단자를 연결하는 연결라인(53)으로 구성될 수 있다.
접지 전극(51)은 0V 전압에 연결되어 접지 상태인 전극이며, 피부는 접지 단자(52)와 연결라인(53)을 통해 접지 전극(51)과 전기적으로 연결됨으로써 외부 조건에 영향을 받지 않고 접지 상태를 유지할 수 있다.
이때 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치가 사용자의 피부에 부착하는 것만으로 접지 상태가 유지될 수 있도록 접지 단자(52)는 부착부(30)의 하부에 형성되어 부착부(30)를 사용자 피부에 부착시켰을 때 자연스럽게 사용자 피부가 접지 단자(52)에 접촉하도록 하는 것이 바람직하다.
지금까지 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치를 구체적인 실시예를 참고로 한정되게 설명하였다. 그러나 본 발명은 이러한 구체적인 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 피부에 부착되는 사용자 의도 센싱 장치로서,
    기판;
    상기 기판의 하부에 부착된 전극부;
    상기 전극부와 상기 피부가 이격된 상태로 유지시키면서 상기 피부에 상기 기판을 부착시키기 위한 부착부; 및
    상기 전극부와 상기 피부 사이의 정전용량을 측정하는 측정부;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부착부는 실리콘 패드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부착부의 두께와 상기 전극부 두께의 차가 0 초과 13㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부착부의 두께와 상기 전극부 두께의 차가 0.5mm 초과 1.5㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극부는 일정 간격으로 이격된 복수 개의 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판에 형성된 접지 전극;
    상기 부착부 하부에 형성되어 상기 피부와 직접 접촉하는 접지 단자; 및
    상기 접지 전극과 상기 접지 단자를 연결하는 연결라인;
    을 더 포함하는 정전용량 방식의 사용자 의도 센싱 장치.
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