KR102669531B1 - 마찰력 정량화 시스템 - Google Patents

Abstract

실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템은 마찰력이 발생하는 매 순간의 마찰력을 화살표를 누적하여 표시하고, 마찰력 크기와 방향을 기준에 따라 표준화한다. 또한, 마찰력 대표값을 설정하여 달리기 및 다양한 스포츠 동작 중 지면에 지지하는 구간의 주요 마찰력을 정량화하여 표출한다.
또한, 측정된 마찰력의 최대값과 평균값을 색으로 다르게 표시하여, 마찰력 크기와 발생 위치를 보다 가시적이고 직관적으로 파악할 수 있도록 한다.

Description

마찰력 정량화 시스템{Friction Quantification System}

본 개시는 마찰력 정량화 시스템에 관한 것으로 구체적으로, 달리기 등 다양한 스포츠 동작 중 지면에 지지하는 구간의 주요 마찰력을 정량화 하여 표출하는 시스템에 관한 것이다.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.

마찰력은 스포츠에서 중요한 요소 중 하나다. 마찰력이란 물체의 운동을 방해하는 힘으로, 두 물체가 서로 맞닿는 표면에서 발생한다. 마찰력의 크기는 운동 방향과 반대로 작용하고, 물체 표면 거칠기와 물체 무게에 따라 좌우된다. 눈이나 얼음 위에서 경기하는 선수가 속도를 내거나 정지할 때, 또는 진행 방향을 바꾸거나 회전할 때 마찰력을 잘 이용하는 것이 경기력의 관건이다.

스키 선수의 경우 스키 바닥과 눈 사이에서 마찰에 의한 열이 발생한다. 이 열이 눈을 녹이고 스키가 잘 미끄러진다. 스키 재질로 합성 플라스틱이 주로 사용되는 것도 비슷한 이유다. 합성 플라스틱 스키는 금속 재질 스키보다 열전도율이 낮기 때문에 상대적으로 눈을 더 많이 녹일 수 있어 더 빠른 속도를 낼 수 있게 해준다.

스톤과 빗자루라는 독특한 조합의 빙상 종목인 컬링도 마찰력이 승패를 좌우한다고 해도 과언이 아닌 경기다. 컬링 선수들은 전략에 따라 스톤을 더 멀리 보내기도, 가깝게 보내기도 해야 하는데 이 과정에서 마찰력을 조절하기 위해 빗자루를 쓴다. 빗자루로 얼음판을 문질러 생기는 마찰열로 얼음을 녹이면 스톤이 더 멀리 뻗어간다.

0.001초 단위로 속도를 다투는 대표적인 빙상 종목 중 하나인 쇼트트랙의 경우 선수는 곡선 구간을 돌 때도 속도를 유지하기 위해 마찰을 줄이는 게 중요하다. 쇼트트랙 선수는 곡선 주로에서 밖으로 튕겨 나가려는 원심력을 이기기 위해 회전 방향으로 손을 짚으면서 원심력과 반대 방향 힘인 구심력을 높인다. 또한, 마찰력을 스포츠에 활용하는 대표적인 예는 스케이트 날이다. 스케이트날은 가늘고 날카롭다. 압력은 접촉면당 가해지는 힘이 커지거나 힘을 가하는 면적이 좁을수록 커지며 압력이 증가하면 얼음은 물 상태가 된다. 날카로운 스케이트 날에 사람의 몸무게가 실리면 접촉면의 얼음이 순간적으로 녹아서 물이 된다. 그 물이 스케이트 날과 얼음판 사이의 윤활유 역할을 하게 되어 마찰력은 줄어들고 속도가 나게 된다. 네덜란드 스피드스케이팅 선수들은 클랩 스케이트를 주로 활용하는데 클랩 스케이트는 얼음을 지치고 몸을 앞으로 이동하는 순간, 스케이트화의 뒷굽에서 날이 분리되고 발을 떼어도 얼음판에 스케이트 날이 붙어 있어서 날과 얼음 사이의 마찰을 줄여주고 선수는 체력부담을 덜면서 속도를 유지할 수 있도록 해 준다. 이러한 클랩 스케이트를 활용하여 네덜란드는 스피드스케이팅 강국으로 부상하게 되었다. 쇼트트랙 선수의 착용장갑에도 마찰력을 줄이기 위해 손가락 끝을 매끄러운 에폭시 수지로 감싼다. 이를 통해 쇼트트랙선수들은 곡선 구간을 돌 때 몸을 옆으로 기울여서 넘어지는 것을 방지하기 위해 장갑을 착용한다. 이렇게 마찰력을 정확하게 측정하고 컨트롤 하는 경우 경기력 향상에 많은 도움이 되지만, 운동 중 발생하는 마찰력을 정확하게 측정하는 시스템 및 측정 지표가 부재한 실정이다.

1. 한국 특허출원 제2016-0113247호 (2016.09.02) 2. 한국 특허출원 제2017-0064385호 (2017.05.24)

실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템은 마찰력이 발생하는 매 순간의 마찰력을 화살표를 누적하여 표시하고, 마찰력 크기와 방향을 기준에 따라 표준화한다. 또한, 마찰력 대표값을 설정하여 달리기 및 다양한 스포츠 동작 중 지면에 지지하는 구간의 주요 마찰력을 정량화하여 표출한다.

또한, 측정된 마찰력의 최대값과 평균값을 색으로 다르게 표시하여, 마찰력 크기와 발생 위치를 보다 가시적이고 직관적으로 파악할 수 있도록 한다.

실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템은 선수를 포함하는 분석객체의 움직임을 촬영하는 카메라; 발에 부착되어 3차원 위치 좌표를 생성하는 반사마커; 각각의 반사 마커로 표시된 발바닥 모양을 기준으로 가해진 힘의 방향과 크기를 이용하여 마찰력을 산출하는 산출모듈; 산출된 마찰력을 마찰력이 가해진 위치와 크기에 따라 분석하는 분석모듈; 및 분석된 마찰력의 위치와 크기에 대응하는 화살표, 색을 포함하는 디스플레이를 출력하는 출력 모듈; 을 포함한다.

이상에서와 같은 마찰력 정량화 시스템은 보행 및 달리기를 비롯한 다양한 스포츠 동작 수행 시 지면에서 발생하는 마찰력의 크기와 위치를 정확하게 측정하고 대표값(최대값, 평균값)과 8방향으로 간소화함으로써, 다양한 스포츠 동작에서 발생하는 마찰력을 정량화 시킬 수 있다.

스포츠 동작과 성과에 많은 영향을 미치는 마찰력의 발생 위치와 크기를 정량화 함으로써, 스포츠 동작의 효율성과 경기력을 향상시킬 수 있으며, 요구되는 마찰력의 적용을 통해 동작의 안정성을 높이고 미끄러짐으로 인한 낙상 등의 상해를 예방하는데 활용할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템 구성을 나타낸 도면
도 2는 실시예에 따른 카메라와 지면반력기를 나타낸 도면
도 3은 실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템에서 마찰력 산출 필요조건을 나타낸 도면
도 4는 실시예에 따른 마찰력 정량화 방향 및 마찰력 정량화 최종 출력을 나타낸 도면
도 5은 실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템의 마찰력 분석 출력 예를 나타낸 도면
도 6은 지면 반력 측정 실시예를 나타낸 도면
도 7은 발이 지면에 지지하는 동안 지면반력의 형태에 따라 착지구간과 추진구간으로 구분한 실시예를 나타낸 도면

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템 구성을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템은 카메라(10), 반사마커(100), 지면 반력기(200), 산출모듈(300), 분석모듈(400) 및 출력 모듈(500)을 포함하여 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 '모듈' 이라는 용어는 용어가 사용된 문맥에 따라서, 소프트웨어, 하드웨어 또는 그 조합을 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 소프트웨어는 기계어, 펌웨어(firmware), 임베디드코드(embedded code), 및 애플리케이션 소프트웨어일 수 있다. 또 다른 예로, 하드웨어는 회로, 프로세서, 컴퓨터, 집적 회로, 집적 회로 코어, 센서, 멤스(MEMS; Micro-Electro-Mechanical System), 수동 디바이스, 또는 그 조합일 수 있다.

카메라(100)는 마찰력을 측정하고자 하는 선수 등 분석객체의 움직임을 촬영한다. 실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템은 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 2대 이상의 적외선 카메라(infrared camera)를 구비하여 촬영속도(sampling rate) 최소 100 Hz로 설정하여 움직임을 촬영할 수 있다.

반사마커(100)은 발에 부착되어 3차원 위치 좌표를 생성하고, 부착된 영역에 가해지는 힘의 방향과 크기를 측정한다. 실시예에서 반사마커(reflection marker)(100)는 지름 1cm내지2cm의 구 형태가 될 수 있고, 움직임 측정센서, 근력측정센서, 속도 측정센서, 가속 측정센서 등 마찰력을 구성하는 힘의 구성요소 센싱에 필요한 센서들로 구성될 수 있다.

지면 반력기(200)는 충격력 추진력, 지면반력(Ground Reaction Force)을 포함하는 동작 중 인체에 작용하는 힘을 센싱 한다. 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템의 지면 반력기(200)는 보행이나 주행 등 몸을 움직일 때 가해지는 힘을 측정할 수 있는 기기이다. 예를 들어 육상 경기에서는 출발 시점 및 주행 시점 에서의 힘을 정밀하게 측정할 수 있고, 야구 경기에서는 피칭과 배팅 시에 발을 밟았을 때의 압력 등을 측정할 수 있다. 실시예에서는 지면반력기(200)의 샘플링 속도(sampling rate)를 최소 1000 Hz 이상으로 설정하여 지면 반력을 측정할 수 있다. 실시예에서는 달리기를 비롯한 스포츠 동작이 수행되는 주변에 적외선 카메라를 설치하고, 지지하는 발이 지면 반력기 위에 위치하도록 동작을 유도한다. 이후, 발 또는 신발에 부착한 도 3의 (b)에 도시된 6개의 반사 마커에 대한 3차원 위치 좌표를 획득하여 마찰력을 산출하도록 한다.

산출모듈(300)은 각각의 반사 마커로 발의 위치를 계산하고 발 모양을 기준으로 가해진 힘의 방향과 크기를 이용하여 마찰력을 산출한다. 실시예에서 산출모듈(300)은 마찰력 크기는 지면을 수직으로 누르는 수직힘 대비 수평힘의 크기로 산출한다. 실시예에서 산출모듈(300)은 지면 반력기(200)에서 센싱된 데이터를 전달받아, 지면 반력의 방향에 따른 힘의 구성요소를 활용하여 마찰력을 산출할 수 있다. 지면 반력의 방향에 따른 힘의 구성요소에는 좌우 지면반력 Fx, 전후 지면반력 Fy 및 수직 지면반력 Fz 이 포함될 수 있다. 마찰력의 크기는 수학식 1에 따라 지면을 수직으로 누르는 수직 지면 반력에 대한 수평 지면 반력의 크기로 산출한다.

수학식 1

GRF: 지면반력(ground reaction forces),

RCOF: 필요한 마찰계수(Required coefficient of friction)

도 3은 실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템에서 마찰력 산출 필요조건을 나타낸 도면이다. 실시예에서는 산출모듈(300)은 마찰력 산출 시 도 3의 (a)에 도시된 3차원 지면반력 (Fx; 좌우 지면반력, Fy: 전후 지면반력, Fz: 수직 지면반력) 과 도 3의 (b)에 도시된 발 분절 위치를 이용하여, 마찰력의 방향을 발의 분절 위치와 수평 지면 반력의 방향으로 설정할 수 있다. 또한, 실시예에서 산출모듈(300)은 가해진 마찰력의 크기를 마찰계수(수직 힘 대비 수평 힘)로 표시할 수 있다.

분석모듈(400)은 산출된 마찰력을 마찰력이 가해진 위치와 크기에 따라 분석한다. 예컨대, 분석모듈(400)은 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 마찰력의 방향을 8방향으로 분류하여 마찰력 표출구간을 생성하고, 표출구간에 가해지는 최대마찰력, 평균마찰력의 위치, 크기, 방향을 분석한다. 실시예에서 표출구간은 충격을 흡수하는 착지구간과 추진력을 가하는 추진구간을 포함할 수 있다.

출력 모듈(500)은 분석된 마찰력의 위치와 크기에 대응하는 화살표, 색을 포함하는 시각적 디스플레이를 출력한다. 출력 모듈(500)은 지면에 지지하는 구간에서 매 순간 산출 가능한 마찰력의 대표값을 설정하고 설정한 대표값을 표시할 수 있다. 도 4를 참조하면, 실시예에 따른 출력모듈(500)은 마찰력 정량화 지표와 함께, 착지구간(D)과 추친구간(E)을 표시하고 마찰력 분석 순간의 동작에 해당하는 사진(F)도 함께 출력할 수 있다.

도 4를 참조하면, 실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템은 화살표 방향은 마찰력 방향으로, 화살표 길이는 마찰력 크기로, 화살표 시작점은 지면에 가한 힘점으로 매칭하고, 약 0.01초의 화살표를 연속적으로 표기하여 발이 지면을 지지하고 있는 구간을 표시할 수 있다. 또한, 마찰력 최대값과 평균값은 색을 달리하여 출력할 수 있다. 예컨대, 마찰력 최대값은 붉은색으로, 평균값은 파란색으로 출력할 수 있다. 도 4에 도시된 실시예에 따른 출력 모듈이 표시한 화살표 색, 문자, 화살표 방향, 길이에 매칭된 의미는 다음과 같다. (B) PL 1.5는 충격흡수 구간인 착지구간(B)에서 PL 방향(오른발 기준 뒤쪽 외측 45도 방향)으로 수직힘 대비 1.5배의 최대(빨간색) 마찰력(마찰계수)이 요구된다(필요하다)는 의미이다. (B) PL 1.0은 충격흡수 구간인 착지구간(B)에서 AM - PL 방향(오른발 기준 뒤쪽 외측 45도 방향)으로 수직힘 대비 1.0배의 평균(파란색) 마찰력(마찰계수)이 요구된다(필요하다)로 해석할 수 있다. (P) A 2.5는 추진구간(P)에서 A 방향(오른발 기준 앞쪽 방향)으로 수직힘 대비 2.5배의 최대(빨간색) 마찰력(마찰계수)이 요구된다(필요하다)의 의미이다. (P) A 1.5는 충격흡수 구간인 착지구간(P)에서 A 방향(오른발 기준 앞쪽 방향)으로 수직힘 대비 1.5배의 평균(파란색) 마찰력(마찰계수)이 요구된다(필요하다)는 의미로 해석할 수 있다.

도 5는 실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템의 마찰력 분석 출력 예를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템은 촬영된 움직임을 분절하고, 힘이 가해지는 위치 좌표를 추출하고 추출된 좌표를 각 포인트(P)로 매핑하여, 각 포인트 에서의 수평 지면 반력과 수직 지면 반력을 화살표로 표현할 수 있다.

도 6은 지면 반력 측정 실시예를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 실시예에서는 지면 반력을 매순간(0.001초) 3차원으로 측정하여, 측정된 지면 반력을 시간에 따른 그래프로 변환하여 디스플레이 할 수 있다.

도 7은 발이 지면에 지지하는 동안 지면반력의 형태에 따라 착지구간과 추진구간으로 구분한 실시예를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템의 분석모듈은 시간에 따른 마찰력 변화 그래프를 생성하고, 생성된 그래프에서 마찰력 제시 구간을 착지구간과 추진구간으로 구분하여 분석할 수 있다. 실시예에서는 러닝(Running), 점핑(jumping), 회전(Rotation)을 포함하는 다양한 움직임의 마찰력 변화그래프를 생성하고, 분석할 수 있다.

실시예에 따른 마찰력 정량화 시스템은 매 순간의 마찰력을 화살표를 누적시켜 표출하고, 마찰력 크기와 방향은 기준에 따라 표준화하며, 마찰력 대표값을 설정하여 표시함으로써 스포츠 동작 중 발생하는 마찰력의 크기와 위치를 정확하게 측정하고 측정 결과에 기반하여 신발, 장갑 등 스포츠 용품을 설계 가능하게 함으로써, 선수들의 경기력을 대폭 향상시킬 수 있다.

스포츠 동작과 성과에 많은 영향을 미치는 마찰력의 발생 위치와 크기를 정확하게 측정함으로써, 선수들의 훈련 과정과 결과를 더욱 정확하게 분석할 수 있다. 이를 통해, 정확한 훈련 피드백을 제시하여 경기력 향상 및 선수 개개인의 역량 향상에 도움을 줄 수 있다.

뿐만 아니라, 보행 및 달리기를 비롯한 다양한 스포츠 동작 수행 시 지면에서 발생하는 마찰력의 크기와 위치를 정확하게 측정하고 대표값(최대값, 평균값)과 8방향으로 간소화함으로써, 다양한 스포츠 동작에서 발생하는 마찰력을 정량화 시킬 수 있다.

스포츠 동작과 성과에 많은 영향을 미치는 마찰력의 발생 위치와 크기를 정량화 함으로써, 스포츠 동작의 효율성과 경기력을 향상시킬 수 있으며, 요구되는 마찰력의 적용을 통해 동작의 안정성을 높이고 미끄러짐으로 인한 낙상 등의 상해를 예방하는데 활용할 수 있다.

개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않는다.

Claims (7)

1. 마찰력 정량화 시스템에 있어서,
   선수를 포함하는 분석객체의 움직임을 촬영하는 카메라;
   발에 부착되어 3차원 위치 좌표를 생성하고, 가해지는 힘의 방향과 크기를 측정하는 반사마커;
   각각의 반사 마커로 발의 위치를 계산하고 가해진 힘의 방향과 크기를 이용하여 지면에 접촉된 발바닥 내에서 발생되는 마찰력을 산출하는 산출모듈;
   산출된 마찰력을 마찰력이 가해진 위치와 크기에 따라 분석하는 분석모듈;
   분석된 마찰력의 위치와 크기에 대응하는 화살표, 색을 포함하는 디스플레이를 출력하는 출력 모듈; 및
   충격력 추진력, 지면반력(Ground Reaction Force)을 포함하는 동작 중 인체에 작용하는 힘을 센싱하는 지면 반력기; 를 포함하고
   상기 산출모듈; 은
   마찰력 크기를 지면을 수직으로 누르는 수직힘 대비 수평힘의 크기로 산출하고,
   상기 출력 모듈; 은
   지면에 지지하는 구간에서 매 순간 산출 가능한 마찰력의 대표값을 설정하고 설정한 대표값을 표시하고
   상기 분석 모듈; 은
   마찰력의 방향을 8방향으로 분류하여 충격을 흡수하는 착지구간과 추진력을 가하는 추진구간을 포함하는 표출구간을 생성하고, 표출구간에 가해지는 최대마찰력, 평균마찰력의 위치, 크기, 방향을 분석하고
   상기 반사마커; 는
   발이 부착된 영역에 가해지는 힘의 방향과 크기를 측정하고. 지름 1cm내지2cm의 구의 형태로 구성되고, 움직임 측정센서, 근력측정센서, 속도 측정센서 및 가속 측정센서를 포함하고,
   상기 출력 모듈; 은
   설정한 대표값 및 마찰력 정량화 지표와 함께, 착지구간(D)과 추친구간(E)을 표시하고 마찰력 분석 순간의 동작에 해당하는 사진(F)을 함께 출력하고,
   마찰력 방향을 화살표 방향으로, 마찰력 크기를 화살표 길이로 매칭하고, 화살표 시작점은 지면에 가한 힘점으로 매칭하고, 0.01초의 시간간격에 따라 화살표를 연속적으로 표기하여 발이 지면을 지지하고 있는 구간을 표시하고, 마찰력 최대값과 평균값에 각각 다른 색을 매칭하여 출력하는 것을 특징으로 하는 마찰력 정량화 시스템.
   
   
   
   
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