KR20180031610A - 밴드형 운동 및 생체정보 측정 장치 - Google Patents

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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 밴드형 운동 및 생체정보 측정 장치에 관한 것으로, 가속도, 각속도 정보를 센싱하는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서; 센싱된 정보를 무선으로 전송하는 무선 통신 모듈; 피부에 접촉하여 근력의 활성 및 운동 상태 정보를 센싱하는 적어도 하나 이상의 근전도 센서; 및 측정 장치의 입력 버튼과 디스플레이 모듈이 타면에 노출되고 IMU 센서가 구비되는 제 1 영역, 근전도 센서가 착탈될 수 있도록 구비된 적어도 하나 이상의 제 2 영역과, 신축성 있는 소재로 이루어져 제 1 영역과 제 2 영역을 연결하는 길이 조절부로 이루어진 밴드;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

밴드형 운동 및 생체정보 측정 장치{BAND-TYPE MOTION AND BIO-INFORMATION MEASURING DEVICE}
본 발명은 밴드형 운동 및 생체정보 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 운동 센서와 생체 센서를 밴드형 운동측정장치에 탑재하고, 사용자의 운동을 분석할 수 있는 밴드형 운동 및 생체정보 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 운동 정보 및 건강관리용으로 개발된 웨어러블 장치들은 손목 착용형, 의류형, 가슴 착용형 등의 다양한 형태의 제품들이 출시되고 있으나, 삼성, 애플, LG 등의 대기업 및 중소기업을 중심으로 손목 착용형의 상용 제품이 현재 시장에서 주류를 이루고 있다.
종래의 웨어러블 장치의 구성은 가속도, 각속도, 혹은 자이로를 포함하는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서, 심박수를 측정하기 위한 심박센서, 때로는 GPS, 고도계 등을 포함한 센서들이 활용되고 있으며, 주로 손목 착용형의 제품들이 출시되고 있다.
웨어러블 장치를 활용한 운동분석 요소는 센서로부터 측정된 데이터들을 걸음수, 활동량, 칼로리 소모량, 심박수 정보로 가공하여 사용자들의 단순한 움직임에 대한 현재까지의 운동 및 건강 정보 제공에 중점을 두고 있다.
그리고 종래의 운동관리 시스템은 운동기구에서 사용자의 심박수, 체온, 혈압 등의 건강과 관련된 정보를 수집하거나, 혹은 주로 걷기, 달리기의 유산소 운동 상황에서의 활동량, 칼로리 소모 정보 등을 측정하여 건강 정보 위주의 데이터를 저장과 건강 상태를 체크하는 건강 데이터 관리 기능의 시스템 제공에 주력하고 있을 뿐, 피트니스 운동을 위한 사용자의 운동 정보를 수집하고 이를 이용한 운동 분석 및 운동 지도를 가능하게 하는 분석 정보를 제공하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 운동정보 및 생체정보를 통합하여 기초적인 운동측정과 더불어 피트니스트 운동 분석 및 지도를 가능하게 하는 분석 정보를 제공하여 체계적인 운동관리를 위한 개인 맞춤형 운동지도 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 밴드형 운동 및 생체정보 측정 장치는 가속도, 각속도 정보를 센싱하는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서; 센싱된 정보를 무선으로 전송하는 무선 통신 모듈; 피부에 접촉하여 근력의 활성 및 운동 상태 정보를 센싱하는 적어도 하나 이상의 근전도 센서; 및 상기 측정 장치의 입력 버튼과 디스플레이 모듈이 타면에 노출되고 상기 IMU 센서가 구비되는 제 1 영역, 상기 근전도 센서가 착탈될 수 있도록 구비된 적어도 하나 이상의 제 2 영역과, 신축성 있는 소재로 이루어져 상기 제 1 영역과 제 2 영역을 연결하는 길이 조절부로 이루어진 밴드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 IMU 센서는, 3축 자이로스코프 센서, 3축 가속도 센서 및 3축 지자기센서를 포함하여 이루어진다.
그리고 상기 분석 장치는, 상기 IMU 센서를 통해 센싱된 상기 반복 운동 정보 값이 negative peak 값에서 positive peak 값으로 상승하는 구간에서 상기 근전도 센서를 통해 센싱된 근전도 값을 분석하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단순히 측정 장치를 통해 제공되는 센싱 정보를 통해 사용자의 걸음수, 활동량, 칼로리 소모량 및 심박수 정보를 가공하여 사용자들의 단순한 움직임 결과 정보를 제공하는 것이 아니라, 사용자의 운동 정보 및 생체 정보를 분석함으로써, 개인의 기초 운동 측정과 맞춤형 운동 분석이 가능해지는 효과가 있다.
도 1은 밴드형 측정장치를 이용한 운동분석 시스템을 설명하기 위한 구조도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 나타낸 기능 블럭도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 설명하기 위한 도면.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 채용된 측정 장치의 실제 착용 예를 설명하기 위한 참고 도면.
도 5는 본 발명의 IMU 센서의 세부 구성을 설명하기 위한 기능블럭도.
도 6는 본 발명의 일 실시예에서 반복적으로 이루어지는 유산소 운동 시의 IMU 센서를 통해 제공되는 각도 정보와 근전도 신호 정보를 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 밴드형 측정장치를 이용한 운동분석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 밴드형 측정장치를 이용한 운동분석 시스템을 설명하기 위한 구조도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 밴드형 측정장치를 이용한 운동분석 시스템은 적어도 하나 이상의 측정 장치(100)와 분석 장치(200)로 이루어진다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 나타낸 기능 블럭도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 측정 장치(100)는 IMU(Inertial Measurement Unit, 이하, "IMU"라 함) 센서(110), 무선 통신 모듈(120), 적어도 하나 이상의 근전도 센서(130) 및 밴드(140)를 포함하여 이루어진다.
IMU 센서(110)는 가속도, 각속도 정보를 센싱하는 역할을 하는 것으로, 사용자가 측정 장치(100)를 신체의 일측에 장착한 후 발생되는 가속도와 각속도를 센싱한다.
그리고 무선 통신 모듈(120)은 센싱된 정보를 무선으로 분석 장치(200)에 전송하는 역할을 한다. 이러한 무선 통신 모듈(120)은 다양한 통신 무선통신 수단이 이용될 수 있으나, 본 실시예에서는 근거리 통신 수단을 이용하는 것이 바람직하다.
근전도 센서(130)는 피부에 접촉하여 근력의 활성 및 운동 상태 정보를 센싱한다. 이러한 근전도 센서(130)는 커넥터를 통해 무선 통신 모듈(120)과 연결되어 착탈이 가능하다.
밴드(140)는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, IMU 센서(110)가 구비되는 제 1 영역(141), 상기 근전도 센서(130)가 착탈될 수 있도록 제 1 영역(141) 양측에 구비된 적어도 하나 이상의 제 2 영역(143)과, 신축성 있는 소재로 이루어져 상기 제 1 영역(141)과 제 2 영역(143)을 연결하는 길이 조절부(145)로 이루어진다. 이러한 밴드(140)의 양측 종단에는 착탈수단이 구비되어 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 채결되어 신체 중 팔, 발 등에 착용할 수 있다.
한편, 분석 장치(200)는 상기 측정 장치(100)로부터 무선 통신을 통해 센싱 정보들을 수신하고, 상기 수신된 센싱 정보 중 가속도 및 각속도 정보를 이용하여 상기 측정 장치(100)가 설치된 부분을 추출하고, 상기 근전도 센서(130)를 통해 센싱된 근전도 값을 이용하여 해당 설치 부위에 대한 근육의 근전도 값을 분석한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단순히 측정 장치(100)를 통해 제공되는 센싱 정보를 통해 사용자의 걸음 수, 활동량, 칼로리 소모량 및 심박수 정보를 가공하여 사용자들의 단순한 움직임 결과 정보를 제공하는 것이 아니라, UMI 센서의 각도 및 속도 정보와 근전도 센서의 근전도 정보를 통해 사용자의 운동 정보 및 생체 정보를 분석함으로써, 개인의 기초 운동 측정과 맞춤형 운동 분석이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 밴드가 제 1 영역, 제 2 영역 및 길이 조절부로 이루어짐으로써, 측정 장치를 측정하고자 하는 신체 부위에 장착하여 해당 신체 부위의 상태를 검출하고 분석할 수 있는 장점이 있다.
이와 더불어, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 근전도 센서를 밴드에 착탈함으로써, 각 신체 부위에 맞는 센서를 선택적으로 이용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 채용된 측정 장치(100)는 도 4에 도시된 바와 같이, 허벅지와 발목에 각각 착용될 수 있고, 상완인 팔뚝과 손목에 각각 착용될 수 있다.
이렇게 각각 착용된 측정 장치(100)는 분석 장치(200)로 센싱된 신호를 전송하고, 분석 장치(200)는 각 허벅지에 착용한 측정 장치(100)와 발목에 착용한 측정 장치(100)로부터 수신되는 센싱 신호를 동기화하기 위해, 폴링 방식으로 상기 각각의 측정 장치(100)로부터 센싱 신호를 번갈아가며 수신한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 채용된 측정 장치는 피부에 접촉되어 혈류 신호를 센싱하는 PPG 센서가 더 구비될 수 있다. 이러한 PPG 센서는 피부에 직접 접촉될 수 있도록, 밴드의 제 1 영역(141)의 일면에 구비되는 것이 바람직하다.
그리고 측정 장치(100)는 내부 설정을 변경할 수 있도록, 사용자의 정보를 입력하기 위한 입력 버튼 및 센싱된 정보를 실시간으로 표시하는 디스플레이 모듈이 더 구비될 수 있다.
이러한, 본 발명의 일 실시예에 채용된 입력 버튼과 디스플레이 모듈은 밴드의 제 1 영역(141)의 타측에 구비되는 것이 바람직하고, IMU 센서(110), PPG 센서 및 무선 통신 모듈(120)은 밴드의 일면 즉, 신체와 접촉되는 면에 구비되는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 IMU 센서의 세부 구성을 설명하기 위한 기능블럭도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 채용된 IMU 센서(110)는, 측정 장치가 움직일 때 발생하는 각속도를 측정하는 3축 자이로스코프 센서(111), 측정 장치에 가해지는 가속도를 측정하는 3축 가속도 센서(113) 및 측정 장치 주위의 자기장을 측정하는 3축 지자기센서(115)를 포함하여 이루어진다.
이와 같이, IMU 센서(110)가 3축 자이로스코프 센서(111), 3축 가속도 센서(113) 및 3축 지자기센서(115)로 이루어짐으로써 신체에 착용한 측정 장치(100)의 회전축에 따른 각도(Pitch, Yaw, Roll)의 계산이 가능해 진다.
따라서, 사용자가 측정 장치(100)를 허벅지나 발목에 부착한 경우, 허벅지와 발목의 x축, y축 및 z축에 대한 회전 각도를 계산할 수 있다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에서 반복적으로 이루어지는 유산소 운동 시의 IMU 센서를 통해 제공되는 각도 정보와 근전도 신호 정보를 설명하기 위한 도면이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 채용된 분석 장치(200)는, 수축 및 이완에 대해서 RMS(Root Mean Square), MOV(Moving Average), INT(Integration), PSD(Power Spectral Density) 등의 기초적인 근육 분석을 시행하게 되는데, 가속도 및 자이로의 파형과는 달리 근육의 생체 정보만으로는 정확하게 수축되는 지점과 이완되는 지점을 구분하기가 어렵다.
따라서 측정 장치(100)는 가속도, 자이로를 이용한 운동 정보를 통해 팔 혹은 다리 등이 굽힌 상태와 편 상태를 도 6와 같이 비교적 정확하게 추출할 수 있다.
이에, 분석 장치(200)는 상기 IMU 센서(110)를 통해 센싱된 상기 반복 운동 정보 값이 negative peak 값에서 positive peak 값으로 상승하는 구간에서 상기 근전도 센서(130)를 통해 센싱된 근전도 값을 분석한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 채용된 분석 장치(200)에 따르면, 측정 장치(100)로부터 실시간으로 제공되는 모든 근전도 값을 분석하지 않고, 반복 운동 정보 값이 negative peak 값에서 positive peak 값으로 상승하는 구간에서만 분석함으로써, 보다 의미 있는 운동 정보를 도출해 낼 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 분석 장치(200)는 측정 장치(100)의 3축 자이로스코프 센서(111)와 3축 가속도 센서(113)로부터 센싱된 정보로부터 각도(Pitch, Yaw, Roll) 즉, 회전값을 알 수 있으나, 각 신체부위의 위치값은 계산할 수 없다.
따라서, 각 신체부위의 위치값을 임의의 값으로 산정하기 위해, BVH 포맷에 따라 미리 측정되어 기 저장된 위치값을 기준값으로 이용한다. 그리고, 3차원 공간에서 IMU 센서(110)의 자세각을 다루기 위해 쿼터니언(Quaternion)을 사용한다.
예를 들어, 다리 동작 측정을 위해서는 허벅지와 발목의 기 저장된 위치값을 임의의 값으로 설정한 후, IMU 센서(110)의 정보를 가공하여 허벅지와 발목의 회전 각도를 계산한다.
한편, 분석 장치(200)는 무릎의 회전값을 추정하기 위해 역운동학(Inverse Kinematics) 계산식을 이용한다. 즉, 각 끝점(end joint)인 허벅지와 발목의 움직임은 기 저장된 주어진 위치값에 IMU 센서(110)의 센싱 정보로부터 회전값을 적용하여 변위를 계산하고, 중간 관절인 무릎은 각 끝점의 변화된 위치 좌표값으로부터 역운동학을 이용하여 움직인 회전값을 계산한다.
이후, 분석 장치(200)는 측정 장치(100)의 PPG 센서를 통해 센싱된 심박/호흡수 정보를 통해 운동의 강도에 대한 정보를 분석한 후 측정을 종료한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 밴드형 측정장치를 이용한 운동분석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 분석 장치(200)는 먼저 유산소 운동 측정을 수행할 수 있다.
이를 위해, 사용자는 측정 장치(100)의 입력 버튼을 통해 운동 종목을 선택한다(S111). 만약, 사용자가 선택한 운동 종목이 유산소 운동이면(S112), 분석 장치(200)는 측정 장치(100)의 부착 위치를 확인한다(S113). 본 발명의 일 실시 예에서 측정 장치(100)의 부착 위치를 확인하는 방법은 각 신체부위의 기 저장된 위치값을 임의의 값으로 산정하기 위해, BVH 포맷에 따라 미리 측정된 위치값을 기준값으로 이용한다. 즉, 3차원 공간에서 IMU 센서(110)의 자세각을 다루기 위해 쿼터니언(Quaternion)을 사용한다.
이후, 분석 장치(200)는 사용자가 운동을 시작하면, IMU 센서(110)를 통해 센싱된 센싱 정보를 수신하여 측정 장치(100)의 움직임을 계측한다(S114). 즉, 분석 장치(200)는 수신된 센싱 정보로부터 측정 부위의 3축 회전 각도를 계산하고, 중간 관절의 3축 회전 각도를 계산한다.
이후, 분석 장치(200)는 근전도 센서(130)를 통해 센싱된 근력의 활성 및 운동 상태 정보를 측정한다(S115).
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 분석 장치(200)는 측정 장치(100)를 대퇴부에 장착함으로써, 앉기와 서기를 주된 동작으로 하는 스쿼트와 같은 저항성 운동의 신체 움직임 및 운동 자세를 측정할 수 있다. 즉, 분석 장치(200)는 대퇴부의 근활성도, 동작분석, 운동 탬포 및 운동강도 등에 따른 운동 분석을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 분석 장치(200)는 측정 장치(100)를 허벅지 또는 발목에 장착함으로써, 암컬이나 프레스다운과 같이 팔의 근육 강화나 팔 움직임이 주가 되는 운동 시 팔의 근활성도, 팔의 동작분석, 운동 강도 등의 분석이 가능해 지고, 측정 장치(100)를 팔뚝의 상완 또는 손목에 부착한 후 운동 자세와 팔의 움직임을 측정할 수 있다.
그리고 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분석 장치(200)는 동작 인식과 운동할 때의 자세를 분석할 수도 있다.
이를 위해, 분석 장치(200)는 측정 장치(100)의 IMU 센서(110)로부터가속도 및 각속도 정보를 수신하고, 근전도 센서로부터 근전도 신호를 수신한다. 이때, 상기 분석 장치(200)는 측정 장치(100)로부터 획득한 센싱 정보를 통해 노이즈 및 외부 영향에 따라 발생하는 오차를 줄이고, 각 데이터들에 대한 신뢰성 있는 데이터로 가공하기 위한 작업을 수행할 수 있다.
즉, 분석 장치(200)는 측정 장치(100)를 부착한 신체 부위별 움직임에 대한 변위(각도 및 속도)를 계산하고, 움직임에 대한 변위를 계산할 때 3축 방향(Pitch, Yaw, Roll)의 회전값을 추출하기 위해 자이로센서와 가속도센서, 지자기센서의 데이터를 이용하여 각 센서들의 오차를 보상하거나, 산정할 수 없는 방향에 대한 각을 계산한다.
따라서, 분석 장치(200)는 먼저, 측정 장치(100)의 IMU 센서(110)를 통해 제공되는 센싱 신호를 통해 신체 부위별 움직임을 추정한다.
이후, 분석 장치(200)는 측정 장치(100)의 부착위치가 상완과 손목, 또는 허벅지와 발목 부분이므로 팔꿈치 또는 무릎의 움직임을 추정하는 것이 필요하다.
이때, 팔꿈치 및 무릎의 움직임을 추정하기 위해 역운동학 기법을 이용하여 팔꿈치와 무릎의 각도를 계산한다.
그리고, 관절 움직임으로부터 추출한 각 관절의 동작 데이터를 이용하여 실제 사용자의 운동 중 동작을 인식 및 분석한다.
한편, 분석 장치(200)는 특징 인자 검출 및 동작인식/분석 알고리즘을 이용하여 각 운동에 대한 신체 부위별 동작을 인식하며, 특징 인자 검출 알고리즘을 이용하여, 특정 운동시 신체의 움직임 특징을 추출하여 해당 운동에 대한 동작의 특성을 파악할 수 있다.
따라서, 분석 장치(200)는 팔이나 다리의 움직임, 예를 들어 팔올림, 앉음, 일어섬, 팔짱낌과 같은 동작을 정확하게 인식할 수 없으므로, SVM과 같은 패턴인식 알고리즘을 이용하여 특정 동작에 대한 학습을 시킨 후 실제 움직임에 대한 특정 동작을 인식/판별할 수 있다.
이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 측정 장치 110 : IMU 센서
120 : 무선 통신 모듈 130 : 근전도 센서
140 : 밴드 200 : 분석 장치

Claims (1)

  1. 가속도, 각속도 정보를 센싱하는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서;
    센싱된 정보를 무선으로 전송하는 무선 통신 모듈;
    피부에 접촉하여 근력의 활성 및 운동 상태 정보를 센싱하는 적어도 하나 이상의 근전도 센서; 및
    상기 측정 장치의 입력 버튼과 디스플레이 모듈이 타면에 노출되고 상기 IMU 센서가 구비되는 제 1 영역, 상기 근전도 센서가 착탈될 수 있도록 구비된 적어도 하나 이상의 제 2 영역과, 신축성 있는 소재로 이루어져 상기 제 1 영역과 제 2 영역을 연결하는 길이 조절부로 이루어진 밴드;를 포함하여 이루어진 밴드형 운동 및 생체정보 측정 장치.
KR1020170121065A 2016-09-20 2017-09-20 밴드형 운동 및 생체정보 측정 장치 KR20180031610A (ko)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020122272A1 (ko) * 2018-12-11 2020-06-18 상명대학교 산학협력단 웨어러블 디바이스 및 이의 제스처 인식 방법
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KR20240047161A (ko) 2022-10-04 2024-04-12 오위환 생체 움직임에 따른 형광 측정 및 점수 카운팅 시스템
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