KR101817274B1 - 다 센서 기반 착용형 에너지 소모량 측정 장치 및 방법 - Google Patents

다 센서 기반 착용형 에너지 소모량 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사람의 움직임 정보 및 활동량을 근거로 소모 에너지를 산출하는 기존의 시스템과 달리 일상생활 중 활동량 정보, 고도 정보, 음성신호를 검출하고 분석함으로써, 사용자의 에너지 소모량을 보다 정확하게 계산하여, 비만 및 다이어트 등을 포함하는 건강관리에 적용할 수 있는 다 센서 기반 착용형 에너지 소모량 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 활동량을 측정하기 위한 가속도센서, 사용자가 있는 현재 위치의 상대적인 고도를 측정하기 위한 고도센서, 음성신호를 검출하기 위한 PVDF 필름과 같이 진동을 감지할 수 있는 진동센서로 이루어져 있는 센서부, 센서 출력의 처리를 위한 아날로그 신호 처리부, A/D 변환 및 에너지 소모량을 계산하기 위한 디지털 신호처리부를 포함한 제어부, 소모 에너지 데이터의 저장을 위한 메모리부, 저장된 신호를 컴퓨터나 통신 단말기로 전송하기 위하여 USB 단자나 블루투스 프로토콜을 이용하는 인터페이스부, 상기 측정 장치에 전원을 공급하는 전원부, 전송받은 소모 에너지를 디스플레이하고 저장, 관리할 수 있는 애플리케이션부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

다 센서 기반 착용형 에너지 소모량 측정 장치 및 방법 {Apparatus for multi-sensor based wearable energy expenditure measurement device and method thereof}
본 발명은 에너지 소모량 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 사용자의 에너지 소모량을 보다 정확하게 계산하여 비만 및 다이어트 등을 포함한 건강관리에 적용할 수 있는 사용자의 에너지 소모량을 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
비만은 당뇨병, 고혈압, 이상 지질혈증 등의 성인병을 유발시키고, 이로 인한 심뇌혈관질환의 유병률과 사망률이 심각한 지경에 이르고 있다. 즉, 비만은 방치해 두어서는 안될 사회적인 문제로 여겨지고 있으다. 즉, 매년 1천 7백만 명의 사람이 비만의 주요 위험인자인 심혈관질환으로 죽는다고 알려져 있고, 2015년에는 지금보다 50% 증가한 세계 15억 명이 비만으로 심각한 고통을 받을 것으로 예측되고 있다. 이러한 비만 문제가 대두됨에 따라 다이어트에 대한 관심이 급증하고 있으며 한방다이어트, 헬스센터, 요가, 비만관리센터 등을 통하여 다양한 방법의 비만 관리 방법이 소개되고 있다. 최근 들어 평상시 일상생활을 유지하면서 활동량을 측정함으로써 비만 등 건강관리가 가능한 기기들이 개발되고 있으며, 사용자의 움직임에 의한 활동량을 근거로 에너지 소모량을 추정하는 방식을 사용하고 있다.
따라서 일상생활에서의 자가 적으로 사용자의 에너지 소모량을 계산하여 비만 및 다이어트 등을 포함한 건강관리에 적용할 수 있는 건강관련 기기의 개발이 필요한 시점이다.
에너지 소모량 측정은 조건에 따라 측정 방법이 다르고 측정 정도도 다르다. 우선, 움직임에 대한 측정은 걷기(평지, 비탈길), 뛰기(제자리 뛰기, 줄넘기, 빠른달리기, 장거리달리기), 구기종목 운동(축구, 농구), 높은 고도에서의 걷기 및 뛰기 등이 있고, 음성에 대한 측정은 대화, 책 읽기, 노래 등이 있다. 음성의 경우 소홀히 생각했던 부분이었는데, 노래할 때의 에너지 소모는 100미터를 전력 질주할 때의 에너지 소모량과 비슷하다. 따라서 음성에 대한 에너지 소모도 상당하다는 것을 알 수 있다.
현재 여러 가지의 에너지 소모량 측정기기들이 있으며, 그 중 주로 알려져 있는 것이 3축 가속도 센서를 이용하여 걸음수, 속도에 따른 움직임에 대한 에너지 소모량 측정하는 대한민국 특허출원 제2005-0066178호(가속도 센서를 이용한 운동량 측정장치 및 방법) 이외에도 대한민국 특허출원 제2008-0125948호(멤스 가속도센서를 이용한 신체활동 자동 기록장치), 대한민국 특허출원 제2008-0124281호(운동량 측정장치, 운동량측정시스템 및 운동량 측정방법), 그리고 중력방향의 자동인식이 가능한 휴대형 단말기를 이용한 운동량 측정 방법, 움직임 감지센서를 이용한 집안 내 일상 생활에서의 무구속적 행동량 측정장치 및 그에 따른 무구속적 행동량 측정방법, 칼로리 소비량 계산 장치 및 상기 장치의 동작 방법 등이 개시되어 있다. 또한 논문 『최동운, 김진성, 송행숙, “3축 가속도 센서를 이용한 u-헬스케어 에이전트 시스템 개발”, 한국콘텐츠학회, Vol.10, No.4, pp.98-105, 2010.』등에서도 연구 결과가 발표되었다.
걷기, 제자리 걷기, 뛰기, 천천히 걷기 등의 각 상황별 걸음 수를 정밀하게 측정하기 위해 적응적인 임계값을 사용하는 보행 횟수 검출 알고리즘을 수립하고, 이를 이용해서 활동량으로 환산하는 논문 『유향미, 서재원, 차은종, 배현덕, “3축 가속도 센서를 이용한 보행 횟수 검출 알고리즘과 활동 모니터링”, 한국콘텐츠학회, Vol.8, No.8, pp.253-260, 2008.』, 그리고 3축 가속도센서 모듈을 허리에 착용함으로써 활동시간, 휴식시간, 사용자의 자세, 걷기, 뛰기 등을 파악하여 대사 에너지 소비량을 계산하는 논문 『 D. M. Karantonis, M. R. Narayanan, M. Mathie, N. H. Lovell and B. G. Celler, "Implementation of a Real-Time Human Movement Classifier Using a Triaxial Accelerometer for Ambulatory Monitoring", IEEE Trans. Inf. Technol. Biomed., Vol.10, No.1, pp.156-167, 2006.』 등이 개시되어 있다. 그러나 이러한 서비스는 몸의 움직임에 대한 활동량만을 측정하기 때문에 소모 에너지의 산출에 정확도가 떨어진다고 볼 수 있다.
따라서 보다 정확한 에너지 소모량의 측정을 위해서는 움직임에 대한 에너지 소모량, 고도에 따른 에너지 소모량, 음성에 의한 에너지 소모량을 측정하여야 한다. 이러한 기술 실현을 위해서는 센서의 선정 및 배치 문제, 정확한 활동량 측정을 위한 센서 출력의 아날로그 처리 문제, 각 생체 정보를 이용한 에너지 소모량의 계산 알고리즘 수립 문제, 장기간 사용 가능한 전원 공급문제, 그리고 사용이 편리하고 신체 접촉 문제 등의 해결 요소를 안고 있다.
따라서 본 발명은 기기에 다 센서 즉, 가속도 센서, 고도 센서, 진동 센서를 적용하는데 음성에 의한 에너지 소모량도 검출하기 위해 가슴형 밴드의 형태로 이루어져서 일상생활 하는 동안 검출된 센서들의 신호로 측정된 에너지 소모량 정보를 블루투스 통신으로 컴퓨터나 다른 통신 단말기에 전송받아 분석, 관리할 수 있는 다 센서 기반 착용형 에너지 소모량 측정 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 에너지 소모량 측정 장치는, 활동량 정보, 음성 정보 또는 고도 정보들 중에서 적어도 두 개 이상의 정보 신호를 검출하는 에너지 소모량 측정 센서부와; 상기 에너지 소모량 측정 센서부로부터 검출되는 정보 신호를 아날로그 신호 처리하는 생체 정보 신호 검출부; 상기 생체 정보 신호 검출부의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 디지털 신호처리부; 상기 디지털 신호를 근거로 에너지 소모량을 계산하는 알고리즘 연산부; 그리고, 상기 에너지 소모량을 디스플레이하고 저장, 관리할 수 있는 애플리케이션부를 포함하여 구성된다.
상기 에너지 소모량 측정 센서부는, 활동량 정보를 측정하기 위해서 가속도센서, 음성 정보를 검출하기 위해서 진동센서, 그리고 높이 정보를 검출하기 위해서 고도센서를 이용한다.
상기 진동센서는, 음성에 의해 발생되는 진동이 신체를 따라 전달되는 가슴 또는 등의 뼈가 있는 체표면에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 알고리즘 연산부는, 가속도센서의 출력을 처리한 후의 활동량에 대한 변수와, 음성 신호에 위한 진동센서의 출력을 신호처리 후에 추출된 전력 값을 독립변수로 하고, 에너지 소모량을 종속변수로 하여 에너지 소모량을 계산하는 회귀식을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 애플리케이션부는, 에너지 소모량 측정장치 내부, 개인용 컴퓨터 또는 모바일 장치에 설치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 저장된 개인용 컴퓨터, 모바일 단말장치 등의 통신 단말기로 전송하는 인터페이스부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 에너지 소모량 측정 장치는, 스트랩 또는 테이프 등을 이용하여 사용자의 인체에 부착할 수 있는 휴대용 장치인 것이 바람직하다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 에너지 소모량 측정 방법은, 활동량 정보, 음성 정보 또는 고도 정보들 중에서 적어도 두 개 이상의 정보 신호를 검출하는 단계와; 상기 에너지 소모량 측정 센서부로부터 검출되는 정보 신호를 아날로그 신호로 변환하는 단계와; 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계와; 상기 디지털 신호를 근거로 에너지 소모량을 계산하는 단계와; 그리고 상기 에너지 소모량을 디스플레이하고 저장, 관리하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 에너지 소모량을 계산하는 단계는, 가속도센서의 출력을 처리한 후의 활동량에 대한 변수와, 음성 신호에 위한 진동센서의 출력을 신호처리 후에 추출된 전력 값을 독립변수로 하고, 에너지 소모량을 종속변수로 하여 에너지 소모량을 계산하는 회귀식을 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 기기는 일상생활 중 활동량 정보, 고도 정보, 음성신호를 검출하고 분석함으로써, 사용자의 에너지 소모량을 보다 정확하게 계산하여 비만 및 다이어트 등을 포함한 건강관리에 적용한다. 인체의 움직임에 따른 활동 정보만을 이용하여 에너지 소모량을 추정하는 기존 시스템의 부정확성을 개선하여, 자신의 평상시 운동 관리에 효과적이고 실용적으로 활용 가능한 건강관련 기기로 이용될 수 있다.
사용자로부터 시간·장소에 제한 없이 운동량 및 칼로리 소모량을 측정함으로써 최적의 비만 관리 프로그램의 수립이 가능하다. 평상시의 활동 상태를 고려한 진단 및 처방이 가능하도록 하는 맞춤형 u-헬스케어 장치로 활용할 수 있고, 비만 환자 및 만성 질환자에 있어서 심장질환을 비롯한 혈관질환 등으로 합병증 진전 이전에 조기 발견하여 관리할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 소모량 측정 장치의 실시 예를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 에너지 소모량 측정 장치의 정면도이다.
도 3은 도 1의 에너지 소모량 측정 장치의 배면도이다.
도 4는 도 1의 에너지 소모량 측정 장치의 우측면도이다.
도 5는 도 1의 에너지 소모량 측정 장치의 저면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 에너지 소모량 측정 장치의 개념을 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명에 따른 에너지 소모량 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8 ~ 도 10은 본 발명에 따른 외부 기기 애플리케이션 예제이다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 에너지 소모량 측정 장치 및 방법에 관해서 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 다 센서 기반 착용형 에너지 소모량 측정 장치의 실시 예를 나타낸 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 사용자가 센서가 내장되어 가슴에 착용할 수 있는 센싱 모듈(100)을 포함하는 스트랩(200)을 착용하며, 상기 에너지 소모량 측정장치(100)를 통해서 검출되는 신호는 활동량, 고도, 음성 신호로서, 상기 에너지 소모량 측정장치(100)의 활동량 센서(110), 고도센서(120), 진동센서(130)를 통해 측정되고, 상기 에너지 소모량 측정장치(100)의 내부 메모리에 저장되며, 저장된 신호는 블루투스를 이용하여 외부 PC나 통신 단말기로 전송할 수 있다.
도 2 ~ 도 5는 본 발명에 의한 도 1의 에너지 소모량 측정장치(100)의 정면도, 배면도, 우측면도, 저면도로서, 도 1에서 게시한 내용을 포함하며, 에너지 소모량 측정장치(100)를 이용해 활동량, 고도, 음성 신호를 측정하기 위해서는 상기 에너지 소모량 측정장치(100)의 전원 버튼(140)을 눌러, 상기 에너지 소모량 측정장치(100)에 전원을 인가한다. 에너지 소모량 측정장치(100)를 몸에 착용하고, 신체활동을 통하여 측정된 활동량, 고도, 음성 신호는 측정장치 내부의 메모리에 저장된다. 저장된 데이터들은 일련의 과정을 통해 연산 처리되어 에너지 소모량 값으로 계산된 후 개인용 컴퓨터나 모발일 단말기 등의 통신 단말기로의 전송을 위해 블루투스 프로토콜을 이용할 수 있다.
본 발명에서 센서의 착용 위치는 활동량을 측정하기 위한 가속도 센서, 사용자가 있는 현재 위치의 상대적인 고도를 측정하기 위한 고도센서, 음성 신호를 검출하기 위한 진동센서를 동일한 위치에서 측정하기 위해 가슴 밴드 형태로 적용되어야 측정에 바람직한 구성이라 할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 에너지 소모량 측정장치(100)의 블록도를 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 에너지 소모량 측정 센서부는 가속도 센서(110)로부터의 활동량, 고도센서(120)로부터의 고도정보, 그리고 진동센서(130)로부터의 음성 신호를 검출한다. 상기 검출된 활동량, 고도, 음성 신호는 생체신호 검출부(350)에 해당하는 아날로그 신호처리부에 의해 전원 노이즈를 비롯한 분석에 필요하지 않은 신호 성분들을 제거하고, 신호가 포화되지 않을 정도로 증폭한다. 이렇게 아날로그 신호처리 된 활동량, 고도, 음성 신호는 제어부(400)에 있는 A/D 변환부(401)의 아날로그 입력 단자에 입력되어 디지털 신호로 변환되고, RAM(403)에 저장된다. RAM(403)에 저장된 신호가ROM(404)에 저장되어 있는 분석 프로그램에 의해 디지털 신호처리(402)를 거치게 되는데, 검출된 활동량, 음성, 고도 정보를 독립변수로 사용하고 에너지 소모량을 종속변수로 하는 회귀식에 의해 에너지 소모량 값을 계산하게 되며, 그 결과가 Flash Memory(405)에 저장된다. 저장된 활동량, 고도, 음성 신호 및 분석 결과값은 USB 단자 등의 인터페이스부(310)를 이용해 개인용 컴퓨터 또는 통신 단말기 등과 같은 외부기기(311)에 전송이 가능하다.
도 4는 본 발명에 따른 에너지 소모량 측정장치(100)의 측정 및 분석 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 에너지 소모량 측정 방법은, 본 발명에 따른 에너지 소모량 측정장치(100)의 전원버튼(140)에 의해 전원이 인가되어, 가속도 센서(110)로부터의 활동량(520a), 고도센서(120)로부터의 고도정보(520b), 그리고 진동 센서(130)로부터의 음성 신호(520c)로 생체정보를 검출(520)한다. 활동량, 고도, 음성 신호의 아날로그 신호처리 과정(530)을 수행한다. 아날로그 신호 처리된 활동량, 고도, 음성 신호는 제어부(도 3의 400)의 A/D 변환부(도 3의 401)의 아날로그 입력 단자에 입력되어 디지털 신호로 변환된다(540).
디지털 신호로 변환된 활동량, 고도, 음성 신호에 디지털 필터를 적용하고, 각 정보에 대한 변수를 추출하고, 이들을 독립변수로 사용하고 에너지소모량을 종속변수로 사용하는 회귀식에 대입함으로써 에너지 소모량을 계산한다. 에너지 소모량 계산이 완료되면, 통신 단말기로 전송하기 위하여 USB 단자나 블루투스 프로토콜을 이용하여 외부기기(311)로 전송한다. 전송받은 소모 에너지를 디스플레이하고, 애플리케이션을 이용하여 저장, 관리할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 외부기기 애플리케이션 예제이다.
USB 단자나 블루투스 프로토콜을 이용하여 외부기기(311)와 접속하여 전송한 후 애플리케이션의 예로서,
사용자가 외부기기(311)로부터 사용자를 설정할 수 있으며, 도 8은 사용자가 설정된 화면(600)이다. 기록을 선택한 화면(610)에서는 활동 에너지 소모량, 음성 에너지 소모량, 전체 에너지 소모량의 계산된 데이터를 볼 수 있으며, 일별, 주별, 월별로 소모된 에너지량을 관리할 수 있다. 저장된 데이터에서 1주를 선택한 화면(620)에서는 저장된 수치들을 그래프화 하여 한눈에 알아볼 수 있다. 이러한 결과로 인해 사용자는 전송받은 데이터를 애플리케이션을 이용하여 저장, 관리할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
상기 기술적 과제들은 기존에 가속도 센서만을 적용하였던 장치에 고도 및 음성 신호를 추가하여 검출함으로써 정확한 에너지 소모량의 산출이 가능할 수 있고, 시간과 장소에 제한 없이 운동량 및 칼로리 소모량을 측정함으로써 최적의 건강 관리 시스템에 적용할 수 있다. 다이어트 관리 또는 비만, 심장질환 환자들 건강 관리에 효과적으로 이용되어 다양한 의료 환경 및 가정용 의료기 산업에 적용 가능한 산업적 가치 또한 포함하고 있다.
100 : 본체
110 : 가속도 센서(내장)
120 : 고도 센서(내장)
130 : 진동 센서(내장)
140 : 전원 버튼
150 : 리셋 키
160 : 블루투스 버튼
170 : USB 단자
200 : 밴드
251, 252 : 고정용 고리

Claims (9)

  1. 에너지 소모량 측정 장치에 있어서,
    음성 정보 신호를 검출하는 진동센서;
    상기 진동센서로부터 검출되는 음성 정보 신호를 아날로그 신호 처리하는 생체 신호 검출부;
    상기 생체 신호 검출부의 아날로그 음성 정보 신호를 디지털 음성 정보 신호로 변환하는 디지털 신호처리부;
    상기 디지털 음성 정보 신호를 독립변수로 하고 에너지 소모량을 종속변수로 하는 회귀식으로 에너지 소모량을 계산하는 알고리즘 연산부; 그리고,
    상기 에너지 소모량을 디스플레이하고 저장, 관리할 수 있는 애플리케이션부를 포함하고,
    상기 에너지 소모량 측정 장치는,
    스트랩 또는 테이프를 이용하여 사용자의 인체에 부착할 수 있는 휴대용 장치 타입이며,
    상기 진동센서는,
    사용자의 음성에 의해 발생되는 진동이 신체를 따라 전달되는 가슴 또는 등의 뼈가 있는 체표면에 위치하는 것을 특징으로 하는 에너지 소모량 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 저장된 개인용 컴퓨터 및 모바일 단말장치 중 어느 하나로 전송하는 인터페이스부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 소모량 측정 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서
    상기 애플리케이션부는,
    에너지 소모량 측정장치 내부, 개인용 컴퓨터 또는 모바일 장치에 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지 소모량 측정 장치.
  8. 에너지 소모량 측정 장치의 에너지 소모량 측정 방법에 있어서,
    진동센서로 음성 정보 신호를 검출하는 단계;
    진동센서로 검출한 음성 정보 신호를 아날로그 신호 처리하는 단계;
    상기 아날로그 음성 정보 신호를 디지털 음성 정보 신호로 변환하는 단계;
    상기 디지털 음성 정보 신호를 독립변수로 하고 에너지 소모량을 종속변수로 하는 회귀식으로 에너지 소모량을 계산하는 단계; 그리고
    상기 에너지 소모량을 디스플레이하고 저장, 관리하는 단계를 포함하고,
    상기 에너지 소모량 측정 장치는,
    스트랩 또는 테이프를 이용하여 사용자의 인체에 부착할 수 있는 휴대용 장치 타입이며,
    상기 진동센서는,
    사용자의 음성에 의해 발생되는 진동이 신체를 따라 전달되는 가슴 또는 등의 뼈가 있는 체표면에 위치하는 것을 특징으로 하는 에너지 소모량 측정 방법.
  9. 삭제
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