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KR102277292B1 - 보행 상태 측정 장치 - Google Patents

보행 상태 측정 장치 Download PDF

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Publication number
KR102277292B1
KR102277292B1 KR1020200182707A KR20200182707A KR102277292B1 KR 102277292 B1 KR102277292 B1 KR 102277292B1 KR 1020200182707 A KR1020200182707 A KR 1020200182707A KR 20200182707 A KR20200182707 A KR 20200182707A KR 102277292 B1 KR102277292 B1 KR 102277292B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
vision camera
stereo vision
photographing
gait
distance
Prior art date
Application number
KR1020200182707A
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English (en)
Inventor
박세훈
최종문
이희태
조재성
윤준석
Original Assignee
근로복지공단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 실내가 아닌 외부에서 보행자의 정확한 보행 상태를 측정할 수 있도록 구성한 보행 상태 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 측정 대상자의 모션을 촬영하는 스테레오 비전 카메라(stereo vision camera); 촬영시 상기 측정 대상자와 상기 스테레오 비전 카메라 사이의 이격 거리와 상기 스테레오 비전 카메라와 바닥 사이의 이격 거리를 감지하는 거리감지수단; 촬영시 상기 스테레오 비전 카메라의 수평상태 및 모션을 감지하는 관성측정장치; 촬영시 상기 스테레오 비전 카메라의 위치 및 주변 상황 정보를 수집하는 GPS 센서; 보행시 상기 측정 대상자의 발의 압력을 감지하는 압력감지수단; 및 상기 스테레오 비전 카메라, 상기 거리감지수단, 상기 관성측정장치, 상기 GPS 센서, 상기 압력감지수단과 연결되어 이들로부터 취득된 데이터를 저장하는 메모리;를 포함하는 보행 상태 측정 장치에 관한 것이다.

Description

보행 상태 측정 장치{MEASURING DEVICE FOR WALKING STATE}
본 발명은 보행 상태 측정 장치에 관한 것으로서, 특히, 실내가 아닌 외부에서 보행자의 정확한 보행 상태를 측정할 수 있도록 구성한 보행 상태 측정 장치에 관한 것이다.
의족 시스템은 대퇴절단자의 삶의 질을 향상시키는데 필수적인 재활 보조 장치이다. 의족 착용자의 움직임이 정상인의 보행(에너지를 가장 적게 소모하는 최적화된 움직임)과 유사한 움직임을 재현하기 위해서는 정확한 보행 진단이 필수적이다. 보행 측정은 의족 제어시스템이 정상 보행에 맞게 설정되었는지 확인할 수 있도록 해줄 뿐만 아니라, 의족 착용자의 신체적 특성 및 불균형 문제를 진단함으로써 사용자의 만족감을 증대시킬 수 있다. 보행 이상으로 인한 신체 평형과 보행 문제가 발생하면 낙상 빈도가 늘게 되고, 환자들의 생활을 위축시킬 수 있기 때문에 보행 측정을 통해 진단하고 적절한 처방 및 운동을 통해 문제를 개선할 수 있다.
도 1은 종래 적외선카메라를 이용하여 보행 데이터를 분석하는 상태를 나타낸 개념도이다. 종래에는 실내에서 진단하는 경우, 일반적으로 실내에 위치가 고정된 12대의 적외선카메라를 이용한 3차원 모션 캡처 장비를 사용하고 있으나, 이는 수천만원대에 이르는 고가의 장비일 뿐만 아니라, 적외선 카메라의 위치가 조금만 변경되도 카메라 위치 보정작업을 다시 수행해야 한다. 즉, 기존의 보행 측정 시스템은 제한된 공간에서 여러 대의 적외선 카메라를 사용한 고가의 측정 장비로 구성되어 임상시험 환경 구축 및 테스트 비용이 큰 단점이 있다. 또한, 실내에서만 촬영하는 장비로써, 보행자의 평상시 정확한 보행 상태를 측정할 수 없다는 문제점도 함께 제기되었다.
(0001) 대한민국 등록특허 제10-1674816호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 전술한 문제점들을 해결하기 위해 시스템 구축 비용을 낮추고 제한된 실내 공간을 벗어나 실외 혹은 일상 생활에서도 보행 상황을 측정하고, 의족 제어시스템을 모니터링 할 수 있도록 구성한 보행 상태 측정 장치를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명인 보행 상태 측정 장치는, 측정 대상자의 모션을 촬영하는 스테레오 비전 카메라(stereo vision camera); 촬영시 상기 측정 대상자와 상기 스테레오 비전 카메라 사이의 이격 거리와 상기 스테레오 비전 카메라와 바닥 사이의 이격 거리를 감지하는 거리감지수단; 촬영시 상기 스테레오 비전 카메라의 수평상태 및 모션을 감지하는 관성측정장치; 촬영시 상기 스테레오 비전 카메라의 위치 및 주변 상황 정보를 수집하는 GPS 센서; 보행시 상기 측정 대상자의 발의 압력을 감지하는 압력감지수단; 상기 스테레오 비전 카메라, 상기 거리감지수단, 상기 관성측정장치, 상기 GPS 센서, 상기 압력감지수단과 연결되어 이들로부터 취득된 데이터를 저장하는 메모리;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스테레오 비전 카메라, 상기 거리감지수단, 상기 관성측정장치, 상기 GPS 센서, 상기 압력감지수단은 하나의 휴대용 촬영장비로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메모리에 저장된 데이터는 PC와 연결되어 모니터링되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
먼저, 실내는 물론 실외에서도 의족 착용자의 보행 상태를 측정하고, 이를 토대로 정확한 보행 진단을 내릴 수 있으므로 의족 제어시스템이 정상 보행을 맞게 설정되었는지 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 의족 착용자의 신체적 특성 및 불균형 문제를 진단함으로써 사용자의 만족감을 증대시킬 수 있다.
또한, 보행 이상으로 인한 신체 평형과 보행 문제가 발생하면 낙상 빈도가 늘게 되고 환자들의 생활을 위축시킬 수 있기 때문에 보행 측정을 통해 진단하고 적절한 처방 및 운동을 통해 이와 같은 문제를 개선할 수 있다.
또한, 보행 측정에 비전 카메라 센서를 단독으로 활용할 경우 영상 처리 시간이 많이 들고 적외선 카메라가 아닌 경우 3차원 데이터를 인식하는데 어려움이 있으므로, 관성측정장치(IMU : Inertial Measuring Unit), 엔코더와 같은 관절각 측정 센서들에 비전 데이터를 융합함으로서 제한된 보행 환경에서 벗어나 실제 보행 상태와 가까운 환경에서 역동적인 동작 측정이 가능하다.
또한, 시스템 구축 비용을 낮추고 제한된 실내 공간을 벗어나 실외 혹은 일상 생활에서 보행 상황을 측정하고 의족 제어시스템을 모니터링 할 수 있으므로, 의족 착용자의 실생활에서의 보행 상태를 측정을 통해 정확한 대안책을 제시할 수 있다.
도 1은 종래 적외선카메라를 이용하여 보행 데이터를 분석하는 상태를 나타낸 개념도,
도 2는 본 발명에 의한 보행 상태 측정 장치의 일 실시례에 따른 구성 개념도,
도 3은 본 발명에 의한 보행 상태 측정 장치의 적용 상태 예시도.
이하, 본 발명의 일부 실시례들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시례를 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시례에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시례의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 보행 상태 측정 장치의 일 실시례에 따른 구성 개념도이고, 도 3은 본 발명에 의한 보행 상태 측정 장치의 적용 상태 예시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명인 보행 상태 측정 장치를 설명하면 다음과 같다.
본 발명인 보행 상태 측정 장치는 의족 시스템을 착용한 사용자의 보행 상태를 측정하여 사용자에게 보다 정확한 보행 알고리즘을 제공하기 위한 것이다. 전술한 바와 같이 종래에는 적외선카메라가 세팅된 평평한 실내에서만 의족 시스템을 착용한 사용자의 보행 상태를 측정하였으므로, 실생활에 반영하기에는 부족한 면이 없지 않았다. 즉, 사용자는 일상 생활을 하면서 울퉁불퉁한 도로를 걷거나 오르막 또는 내리막 길을 걷기도 하고 비탈진 길을 걷기도 한다. 이와 같은 실생활에서의 사용자의 보행상태를 측정하고, 이를 토대로 정확한 보행 데이터를 사용자에게 제공하기 위해서는 실내가 아닌 실외에서의 사용자의 보행 상태를 측정하는 것이 필요하며, 이를 토대로 정확한 보행 데이터(알고리즘)를 사용자에게 제공하는 것이 필요하다.
본 발명은 이를 위해 안출된 것으로써, 실내 뿐만이 아닌 실외에서도 사용자의 보행상태를 측정하기 위해 촬영하우징(60)의 형태로 제공된다. 쵤영하우징(60)은 일반적인 촬영 카메라의 형태일 수 있으며, 본 발명인 보행 상태 측정 장치의 전체적인 골격을 형성한다. 촬영하우징(60)은 합성 플라스틱 재질로 구성되며, 연성보다는 강성재질로 구성하는 것이 바람직할 것이다.
촬영하우징(60)에는 스테레오 비전 카메라(10), 거리감지수단(20), 관성측정장치(30), GPS센서(40) 및 메모리(100) 등이 구성될 수 있다.
스테레오 비전 카메라(10, stereo vision camera)는 안전성과 자유도를 높이기 위해 주로 사용하며, 보행 측정에 비전 센서를 단독으로 활용할 경우 영상 처리 시간이 많이 들고, 적외선 카메라가 아닌 경우 3차원 데이터를 인식하는데 어려우이 있어 관성측정장치(30, IMU : Inertial Measuring Unit), 엔코더와 같은 관절각 측정 센서들에 비전 데이터를 융합함으로서 제한된 보행 환경에서 벗어나 실제 보행 상태와 가까운 환경에서 역동적인 동작 측정이 가능하다. 사용자의 몸, 특히 관절 부위에는 마커(Marker)가 설치되며, 스테레오 비전 카메라(10)를 통해 측정 대상자의 모션을 측정한다. 즉, 무릎각도, 고관절각도 및 발목각도 등의 움직임을 촬영한다.
거리감지수단(20)은 촬영하우징(60)으로부터 측정 대상자(사용자)까지의 이격 거리와 촬영하우징(60)으로부터 바닥면까지의 이격 거리를 측정한다. 이를 위해 거리감지수단(20)은 프론트 레이저 다이오드(21, front laser diode) 및 보텀 레이저 다이오드(22, bottom laser diode)를 포함하며, 각각 적어도 하나로 구성될 수 있다.
관성측정장치(30)는 촬영시 스테레오 비전 카메라(10)의 수평상태 및 모션을 감지한다. 관성측정장치(30)는 이동 물체의 속도와 방향, 중력, 가속도를 측정하는 장치로써, 3차원 공간에서 자유로운 움직임을 측정하려고 가속도계, 자이로스코프, 지자계 센서로 축을 이룬다. 가속도계는 이동 관성을, 자이로스코프는 회정 관성을, 지자계 센서는 방위각을 측정한다.
GPS센서(40)는 촬영시 스테레오 비전 카메라(10)의 위치 및 주변 상황 정보를 수집한다. GPS(global position system)는 인공위성에서 발사한 전파를 수신하여 위치를 파악하는 자동 위치 추적 시스템이다. 세계 어느 곳에 있든 자신의 위치를 정확하게 알 수 있는 시스템이다. GPS는 기본적으로 삼각 측량의 원리를 이용하여 알고 싶은 점을 사이에 두고 있는 두 변의 길이를 측정함으로써 미지의 점의 위치를 결정한다. 인공위성으로부터 수신기까지의 위치를 파악하는 위성을 이용한 자동 위치 추적 시스템이다. GPS는 3개 이상의 인공위성으로부터 떨어진 거리를 알면 GPS 수신기의 위치가 결정되며, 이를 통해 보행 상태 측정 장치의 정확한 위치를 알 수 있다.
압력감지수단(50)은 보행시 상기 측정 대상자의 발의 압력을 감지하는 것으로써, 인솔 센서(Insole Sensor)로 구성된다. 압력감지수단(50)은 측정 대상자의 신발에 장착되어 보행시 지면과의 반발력을 계산한다. 보행은 Force 측정, Torque 측정, Motion 측정으로 크게 나누어 측정할 수 있다. 발이 지면에 작용하는 반발력을 측정하여 힘과 모멘트, 압력 중심 등을 알 수 있고, 피험자의 신체 정보를 이용하여 역동역학적 해석을 수행할 수 있다. 압력감지수단(50)과 촬영하우징(60) 사이에는 유/무선 통신 환경이 구축되어 압력감지수단(50)에서 감지된 정보를 촬영하우징(60) 내부에 구비된 메모리(100)에 저장하거나, 압력감지수단(50) 내부에 자체 메모리를 구비하여 상기 자체 메모리에 저장된 데이터를 분석자료로 활용할 수도 있다.
기본적으로 촬영하우징(60) 내부에는 메모리(100)가 구비되며, 전술한 스테레오 비전 카메라(10), 거리감지수단(20), 관성측정장치(30), GPS센서(40) 및 압력감지수단(50)으로부터 취득된 정보를 수집하여 저장한다.
또한, 미도시 하였으나, 촬영하우징(60)의 내부에는 상기 구성 장비들을 동작시키기 위한 별도의 전원부(배터리)가 구비되며, 전원부는 충전용 배터리로 구성할 수 있다.
본 발명인 보행 상태 측정 장치는 이와 같이 하나의 휴대용 촬영장비로 구성함으로써, 실내는 물론 실외에서도 촬영자가 휴대하여 촬영하기가 용이하며, 스테레오 비전 카메라(10)와 연계된 각각의 센싱 데이터들을 토대로 의족 시스템 착용자의 정확한 보행 상태를 측정할 수 있다.
이와 같이 측정된 데이터는 적어도 하나로 구성된 메모리(100)에 저장되며, 메모리(100)에 저장된 데이터는 PC(70)와 연결되어 디스플레이(80)를 통해 모니터링할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명인 보행 상태 측정 장치를 사용하면, 실내는 물론 실외에서도 의족 착용자의 보행 상태를 측정하고, 이를 토대로 정확한 보행 진단을 내릴 수 있으므로 의족 제어시스템이 정상 보행을 맞게 설정되었는지 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 의족 착용자의 신체적 특성 및 불균형 문제를 진단함으로써 사용자의 만족감을 증대시킬 수 있다. 또한, 종래 대비 제한된 보행 환경에서 벗어나 실제 보행 상태와 가까운 환경에서 역동적인 동작 측정이 가능하며, 시스템 구축 비용을 낮추고 제한된 실내 공간을 벗어나 실외 혹은 일상 생활에서 보행 상황을 측정하고 의족 제어시스템을 모니터링 할 수 있으므로, 의족 착용자의 실생활에서의 보행 상태를 측정을 통해 정확한 대안책을 제시할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시례를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시례에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 스테레오 비전 카메라 20 : 거리감지수단
21 : 프론트 레이저 다이오드 22 : 보텀 레이저 다이오드
30 : 관성측정장치 40 : GPS센서
50 : 압력감지수단 60 : 촬영하우징
70 : PC 80 : 디스플레이
100 : 메모리

Claims (3)

  1. 실내가 아닌 외부에서 보행자의 정확한 보행 상태를 측정할 수 있도록 구성한 보행 상태 측정 장치에 관한 것으로,
    측정 대상자의 모션을 촬영하는 스테레오 비전 카메라(stereo vision camera);
    촬영시 상기 측정 대상자와 상기 스테레오 비전 카메라 사이의 이격 거리 감지를 위한 적어도 하나의 프론트 레이저 다이오드와 상기 스테레오 비전 카메라와 바닥 사이의 이격 거리를 감지를 위한 적어도 하나의 보텀 레이저 다이오드를 포함하는 거리감지수단;
    촬영시 상기 스테레오 비전 카메라의 수평상태 및 모션을 감지하는 관성측정장치;
    촬영시 상기 스테레오 비전 카메라의 위치 및 주변 상황 정보를 수집하는 GPS 센서;
    보행시 상기 측정 대상자의 발의 압력을 감지하는 압력감지수단;
    상기 스테레오 비전 카메라, 상기 거리감지수단, 상기 관성측정장치, 상기 GPS 센서, 상기 압력감지수단과 연결되어 이들로부터 취득된 데이터를 저장하는 메모리;를 포함하며,
    상기 스테레오 비전 카메라, 상기 거리감지수단, 상기 관성측정장치, 상기 GPS 센서, 상기 압력감지수단은 하나의 휴대용 촬영장비로 구성되고,
    상기 메모리에 저장된 데이터는 PC와 연결되어 모니터링되는 보행 상태 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
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