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KR20050097181A - Walking pattern analysis apparatus and method using inertial sensor - Google Patents

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KR20050097181A
KR20050097181A KR1020040022289A KR20040022289A KR20050097181A KR 20050097181 A KR20050097181 A KR 20050097181A KR 1020040022289 A KR1020040022289 A KR 1020040022289A KR 20040022289 A KR20040022289 A KR 20040022289A KR 20050097181 A KR20050097181 A KR 20050097181A
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홍성경
이석천
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학교법인 대양학원
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Abstract

본 발명은 보행패턴의 분석장치 및 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 관성센서를 이용하여 사용자의 3차원의 자세를 측정하여 보행패턴을 분석함으로써 장애인의 재활치료와 의공제품의 개발에 유용한 관성센서를 이용한 보행패턴의 분석장치 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for analyzing gait patterns, and more particularly, inertia useful for rehabilitation treatment and development of medical products by analyzing gait patterns by measuring a user's three-dimensional posture using an inertial sensor. An apparatus and method for analyzing walking patterns using a sensor are provided.

이를 위한 본 발명은 센서축을 기준으로 하여 보행자의 회전각속도와, 가속도를 측정하는 단계와(S10); 측정된 회전각속도를 연산하여 절대좌표계에서의 회전변화율(Φg, θg, ψg)로 변환시키는 단계와(S20); 절대좌표계에서의 중력방향의 회전변화율(Φg, θg, ψg)를 연산하는 단계와(S30); 회전변화율(Φg, θg, ψg)을 적분하고, 적분된 상기 회전변화율에서 상기 중력방향의 회전변화율(Φa, θa, ψa)을 감하므로써 오차를 보정하여 보행시의 좌우각도(Φm)(S40)와; 회전변화율(Φg, θg, ψg)을 적분하고, 적분된 상기 회전변화율에서 상기 중력방향의 회전변화율(Φa, θa, ψa)을 감하므로써 오차를 보정하여 보행시의 전후각도(θm)를 연산하는 단계(S50)와; 연산된 좌우각도(Φm) 및 전후각도(θm)를 통해서 시간영역의 데이타신호로써 보행패턴을 출력하는 단계를 포함한다. The present invention for this purpose is to measure the angular rotation speed and acceleration of the pedestrian based on the sensor axis (S10); Calculating the measured rotational angular velocity and converting the rotational rotation rate in the absolute coordinate system into Φg, θg and ψg (S20); Calculating rotation rate of change (Φg, θg, ψg) in the gravitational direction in the absolute coordinate system (S30); Integrating the rotation rate (Φg, θg, ψg) and subtracting the rotational change rate (Φa, θa, ψa) in the gravity direction from the integrated rotational change rate to correct the error so that the left and right angles when walking (Φm) (S40) Wow; Integrating the rotation rate (Φg, θg, ψg) and subtracting the rotational change rate (Φa, θa, ψa) in the gravity direction from the integrated rotational change rate to correct the error to calculate the forward and backward angles (θm) during walking Step S50; And outputting a walking pattern as a data signal in the time domain through the calculated left and right angles Φ m and the front and rear angles θ m.

Description

관성센서를 이용한 보행패턴 분석장치 및 그 방법{Walking pattern analysis apparatus and method using inertial sensor}Walking pattern analysis apparatus and method using inertial sensor

본 발명은 보행패턴의 분석장치 및 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 관성센서를 이용하여 사용자의 3차원의 자세를 측정하여 보행패턴을 분석함으로써 장애인의 재활치료와 의공제품의 개발에 유용한 관성센서를 이용한 보행패턴의 분석장치 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for analyzing gait patterns, and more particularly, inertia useful for rehabilitation treatment and development of medical products by analyzing gait patterns by measuring a user's three-dimensional posture using an inertial sensor. An apparatus and method for analyzing walking patterns using a sensor are provided.

하지에 기능적 또는 병리적결함이 있는 장애인의 재활치료와 의공제품의 개발을 위한 보행분석에 대한 연구가 국내에서도 오래전부터 진행되고 있다. 그러나 기존의 보행분석작업은 수많은 CCD카메라와 장비들이 설치되어 있는 전용연구실에서만 수행할 수 있어서 장소의 제약이 있고, 환자들이 옷을 벗고 몸에 여러개의 마커를 붙여야 하는 불편함이 있으며, 한국인의 보행특성에 관한 기초분석자료의 부족으로 많은 어려움이 있다. Research on gait analysis for the development of rehabilitation treatments and medical products for people with functional or pathological defects in the lower extremities has been underway for a long time in Korea. However, the existing gait analysis work can be performed only in a dedicated laboratory where numerous CCD cameras and equipment are installed, and there is a limitation of the place, and the inconvenience of patients having to take off their clothes and attach several markers to the body. There are many difficulties due to the lack of basic analysis data on characteristics.

또한, 하지에 시행한 여러가지 시술들에 대한 재활정도의 평가과정이 의학분야의 기술수준에 비교하여 볼때 상대적으로 낙후된 수준에 머물고 있으며, 기존 평가기법의 주관적 성향에 대한 의사들 스스로의 지적이 많아 좀더 과학적이고 정량적인 평가기법이 도입도어야할 필요성이 증대되고 있다.In addition, the evaluation process of rehabilitation of various procedures performed in the lower extremities remains relatively inferior compared to the technical level in the medical field, and many doctors themselves point out the subjective tendency of the existing evaluation techniques. There is an increasing need to introduce more scientific and quantitative evaluation techniques.

그러므로 최근에는 가속도계와 자이로스코프를 포함하는 관성센서를 이용하여 사용자의 자세 및 속도, 이동거리를 계산하는 관성항법장치에 대한 연구가 가속화되고 있다. 사용되는 관성센서에 포함되는 자이로 및 가속도계는 각각 회전 각속도와 선형각속도를 측정하는 관성센서로서 이동하는 항체의 자세 및 속도, 위치를 계산하는 관성항법장치의 핵심센서로 사용된다. 이때 사용자의 자세는 자이로 출력을 적분하여 계산하고 사용자의 속도와 위치는 가속도계 출력을 적분하여 계산한다. 그러나 이와 같은 관성센서는 바이어스등의 오차를 포함하고 있기 때문에 적분연산과정에서 오차가 누적되어 시간이 경과됨에 따라 항법정보가 발산하게 된다. 또한, 기존의 고급관성센서를 사용하는 경우 센서가 가지고 있는 오차의 크기가 작기 때문에 시간에 따른 오차발산정도가 작으나, 관성항법장치에 사용되는 고급관성센서는 고가일뿐만 아니라 구입이 어렵고 부피가 크기 때문에 이를 이용하는 분야는 군용, 항해용 등으로 제한되어 사용되어지고 있는 것이다. Therefore, in recent years, the research on the inertial navigation system which calculates the user's posture, speed and moving distance by using inertial sensor including accelerometer and gyroscope has been accelerated. The gyro and accelerometer included in the inertial sensor used are the inertial sensors that measure the rotational angular velocity and the linear angular velocity, respectively. At this time, the user's posture is calculated by integrating the gyro output, and the user's speed and position are calculated by integrating the accelerometer output. However, since the inertial sensor includes an error such as a bias, the navigation information is emitted as the time is accumulated and the error is accumulated in the integral calculation process. In addition, in case of using the existing advanced inertial sensor, the error divergence with time is small because the error of the sensor is small, but the advanced inertial sensor used in the inertial navigation system is not only expensive but also difficult to purchase and bulky. Therefore, the field using this is being limited to military use, nautical use and the like.

이에 따라 최근 기술의 발달에 따라 저가이면서 소형인 반도체형 관성센서가 개발되고 응용분야 또한 민간용으로 확대되고 있다. 그러나 기존의 고급 관성센서에 비하여 성능이 현저히 떨어지므로 기존의 항법 방법만으로는 원하는 정확도를 갖는 항법정보를 얻을 수 없고, 특히 사람의 몸에 관성센서를 장착하고 자세를 측정하는 경우, 장착오차등에 의하여 정확도가 더욱 떨어지게되는 문제점이 있다. Accordingly, with the recent development of technology, low-cost and small-sized semiconductor inertial sensors have been developed, and their application fields have also been expanded to private use. However, the performance is significantly lower than that of the existing advanced inertial sensor. Therefore, the navigation information with the desired accuracy cannot be obtained by the existing navigation method alone.In particular, when the inertial sensor is mounted on the human body and the posture is measured, the accuracy due to mounting error There is a problem that fall further.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명의 목적은 관성센서를 사람의 몸에 부착하고 보행하는 경우, 보행특성에 관한 데이타를 산출하고, 산출된 데이타에 의거하여 보행자의 패턴을 연산함으로써 비정상보행과 정상보행을 수치해석적인 방법으로 분석하여 구별할 수 있는 관성센서를 이용한 보행자의 분석장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. Therefore, an object of the present invention devised to solve the above problems is to calculate the data on the walking characteristics when the inertial sensor is attached to the human body, and by calculating the pedestrian pattern based on the calculated data It is an object of the present invention to provide an analysis device for pedestrians using inertial sensors and a method for distinguishing abnormal walking and normal walking by numerically analyzing them.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 보행자의 회전각속도 및 가속도를 측정하는 관성센서부와; 상기 관성센서부에서 출력되는 측정신호를 송신하는 송신부와; 상기 송신부에서 전송되는 신호를 수신하는 수신부와; 상기 수신부에서 수신된 AC신호를 DC신호로 변환시키는 AC/DC변환부와; 상기 AC/DC변환부에서 인가된 상기 관성센서부의 측정신호를 절대좌표계의 신호로 변환하고, 변환된 회전각속도의 변화율을 적분하고, 적분된 변화율에서 상기 가속도의 변화율을 감하므로써 적분오차를 연산 및 보정하여 보행자의 보행패턴을 연산하는 연산부를 포함한다. The configuration of the present invention for achieving the above object, the inertial sensor unit for measuring the angular rotation speed and acceleration of the pedestrian; A transmitter for transmitting a measurement signal output from the inertial sensor unit; A receiver which receives a signal transmitted from the transmitter; An AC / DC converter converting the AC signal received by the receiver into a DC signal; The integral error is calculated by converting the measurement signal of the inertial sensor unit applied from the AC / DC converter into an absolute coordinate system signal, integrating the change rate of the converted rotational angular velocity, and subtracting the change rate of the acceleration from the integrated change rate. Comprising a calculation unit for calculating the walking pattern of the pedestrian.

여기서, 상기 관성센서는 자이로 센서 또는 가속도계중 적어도 어느 하나인것을 특징으로 한다. Here, the inertial sensor is characterized in that at least one of a gyro sensor or an accelerometer.

또한, 상기 연산부는 연산된 적분오차를 비례게인(Kp)과 적분게인(Ki)을 곱하여 그 결과를 상기 회전각속도의 회전변화율에서 감하므로 적분오차를 보정하는 것을 특징으로 한다. In addition, the calculating unit multiplies the calculated integral error by the proportional gain (Kp) and the integral gain (Ki), so as to reduce the result from the rotation rate of change of the angular velocity, characterized in that for correcting the integral error.

또는, 보행자의 회전각속도를 측정하는 자이로센서(11)와, 보행자의 가속도를 측정하는 가속도계(12)를 포함하여 보행자의 보행패턴을 분석하는 보행패턴 분석방법에 있어서, 센서축을 기준으로 하여 보행자의 회전각속도와, 보행자의 가속도를 측정하는 단계와(S10); 상기 단계(S10)에서 측정된 회전각속도를 연산하여 절대좌표계에서의 회전변화율(Φg, θg, ψg)로 변환시키는 단계와(S20); 상기 단계(S10)에서 측정된 가속도를 통하여 절대좌표계에서의 중력방향의 회전변화율(Φg, θg, ψg)를 연산하는 단계와(S30); 상기 단계(S20)에서 연산된 회전변화율(Φg, θg, ψg)을 적분하고, 적분된 상기 회전변화율에서 상기 중력방향의 회전변화율(Φa, θa, ψa)을 감하므로써 오차를 보정하여 보행시의 좌우각도(Φm)(S40)와; 상기 단계(S20)에서 연산된 회전변화율(Φg, θg, ψg)을 적분하고, 적분된 상기 회전변화율에서 상기 중력방향의 회전변화율(Φa, θa, ψa)을 감하므로써 오차를 보정하여 보행시의 전후각도(θm)를 연산하는 단계(S50)와; 상기 좌우각도 연산단계(S40) 및 전후각도 연산단계(S50)에서 연산된 좌우각도(Φm) 및 전후각도(θm)를 통해서 시간영역의 데이타신호로써 보행패턴을 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. Or, in the walking pattern analysis method for analyzing the walking pattern of the pedestrian, including a gyro sensor 11 for measuring the angular rotation speed of the pedestrian, and an accelerometer 12 for measuring the acceleration of the pedestrian, the pedestrian Measuring rotational angular velocity and acceleration of the pedestrian (S10); Calculating a rotation angular velocity measured in the step S10 and converting the rotation angular velocity into a rotation change rate Φg, θg, ψg in an absolute coordinate system (S20); Calculating a rate of change of rotation (Φg, θg, ψg) in the gravitational direction in the absolute coordinate system through the acceleration measured in the step (S10) (S30); Integrate the rotational change rate Φg, θg, ψg calculated in the step S20, and correct the error by subtracting the rotational change rate Φa, θa, ψa in the gravity direction from the integrated rotational change rate. Left and right angle Φ m (S40); Integrate the rotational change rate Φg, θg, ψg calculated in the step S20, and correct the error by subtracting the rotational change rate Φa, θa, ψa in the gravity direction from the integrated rotational change rate. Calculating a front and rear angle θm; And outputting a walking pattern as a data signal in a time domain through the left and right angles Φ m and the front and rear angles θ m calculated in the left and right angle calculation step S40 and the front and rear angle calculation step S50. do.

그리고, 추출된 좌우 및 전후각도데이타를 주파수영역의 신호로 변환하여 보행패턴데이타를 획득하는 단계(S60)와, 획득된 데이타를 출력하는 단계(S70)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. The method further includes the step of obtaining the walking pattern data by converting the extracted left and right and front and rear angle data into a signal in the frequency domain (S60), and outputting the obtained data (S70).

아울러, 상기 좌우각도 연산단계는 회전변화율을 적분하고, 적분된 결과치에서 상기 중력방향의 회전변화율성분을 감하여 적분오차를 연산하는 단계와; 상기 단계에서 연산된 적분오차와 적분게인(Ki)을 곱하고, 그 결과값을 적분하는 단계와; 상기 적분오차와 비례게인(Kp)을 곱하고, 그 결과치와 상기 단계에서 연산된 적분오차와 적분게인(Ki)의 연산치를 합하여 누적오차를 연산하는 단계와; 상기 단계에서 연산된 누적오차를 상기 회전변화율에서 감하고, 이를 적분하여 좌우각도 또는 전후각도를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the step of calculating the left and right angles is integrated with the rotational change rate, and calculating the integral error by subtracting the rotational change rate component in the gravity direction from the integrated result; Multiplying the integral error calculated in the above step by the integral gain Ki and integrating the resultant value; The step of multiplying the integrated error and the proportional gain (Kp), calculating the accumulated error value of the combined operation of the integrated error and the integral gain (Ki) calculated at the step and that the resultant value; And calculating the left and right angles or the front and rear angles by subtracting the accumulated error calculated in the step from the rotational change rate and integrating it.

또한, 상기 전후각도 연산단계는 회전변화율을 적분하고, 적분된 결과치에서 상기 중력방향의 회전변화율성분을 감하여 적분오차를 연산하는 단계와; 상기 단계에서 연산된 적분오차와 적분게인(Ki)을 곱하고, 그 결과값을 적분하는 단계와; 상기 적분오차와 비례게인(Kp)을 곱하고, 그 결과치와 상기 단계에서 연산된 적분오차와 적분게인(Ki)의 연산치를 합하여 누적오차를 연산하는 단계와; 상기 단계에서 연산된 누적오차를 상기 회전변화율에서 감하고, 이를 적분하여 좌우각도 또는 전후각도를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The step of calculating the front and rear angles may include: integrating a rotational change rate and calculating an integration error by subtracting the rotational change rate component in the gravity direction from the integrated result; Multiplying the integral error calculated in the above step by the integral gain Ki and integrating the resultant value; The step of multiplying the integrated error and the proportional gain (Kp), calculating the accumulated error value of the combined operation of the integrated error and the integral gain (Ki) calculated at the step and that the resultant value; And calculating the left and right angles or the front and rear angles by subtracting the accumulated error calculated in the step from the rotational change rate and integrating it.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 보행패턴분석장치를 나타낸 블럭도이다. 1 is a block diagram showing a walking pattern analysis apparatus using an inertial sensor according to the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 보행패턴분석장치는 보행자의 보행시 회전각속도를 측정하는 자이로 센서(11)와, 상기 보행자의 가속도를 측정하는가속도계(12)를 포함하는 관성센서(10)와, 상기 관성센서(10)에서 측정된 측정치를 전송하는 송신부(20)와, 상기 송신부(20)에서 측정된 신호를 수신하는 수신부(30)와, 상기 수신부(30)에서 전달되는 아날로그신호를 디지탈신호로 변환시키는 A/D컨버터(40)와, 상기 A/D 컨버터(40)에서 전달되는 상기 자이로센서(11)와 가속도계(12)의 측정신호를 근거로 하여 보행자의 보행패턴을 연산하는 연산부(50)로 구성된다. As shown, the gait pattern analysis apparatus according to the present invention is an inertial sensor 10 including a gyro sensor 11 for measuring the rotational angular velocity of the pedestrian walking, and an accelerometer 12 for measuring the acceleration of the pedestrian; In addition, the transmitter 20 transmits the measurement value measured by the inertial sensor 10, the receiver 30 receives the signal measured by the transmitter 20, and the analog signal transmitted from the receiver 30 digital An arithmetic unit that calculates a walking pattern of a pedestrian based on the measured signals of the A / D converter 40 and the gyro sensor 11 and the accelerometer 12 transmitted from the A / D converter 40. It consists of 50.

여기서 바람직하게는 상기 연산부(50)는 개인용 PC에 본 발명에 따른 보행패턴 제어방법을 설치하여 구성함도 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 개인용 PC에 상기 수신부(30)와, 상기 A/D 컨버터(40)를 상기 개인용 PC에 연결구성함도 본 발명의 요지에 해당된다. Preferably, the operation unit 50 is also configured to install a walking pattern control method according to the present invention on a personal PC, more preferably, the receiving unit 30 and the A / D converter in the personal PC Connecting 40 to the personal PC also corresponds to the gist of the present invention.

자이로센서(11) 및 가속도계(12)는 보행자의 신체일부에 부착되어 보행자의 보행시에 각각의 회전각속도 및 가속도를 측정한다(도 4 참조). 즉, 자이로센서(11)는 센서축을 기준으로 하여 보행시의 회전각속도를 측정하며, 가속도계(12)는 센서축을 기준으로 하여 가속도를 측정한다. The gyro sensor 11 and the accelerometer 12 are attached to a part of the body of the pedestrian to measure each rotational angular velocity and acceleration when the pedestrian is walking (see FIG. 4). That is, the gyro sensor 11 measures the rotational angular velocity during walking on the basis of the sensor axis, and the accelerometer 12 measures the acceleration on the basis of the sensor axis.

상기와 같은 관성센서부(10)에서 측정된 측정신호는 상기 송신부(20)에 전달되고, 송신부(20)는 이를 상기 수신부(30)에 전송한다. 수신부(30)는 수신된 신호를 A/D 컨버터(40)에 인가하고, 상기 A/D컨버터(40)는 아날로그신호인 상기 측정신호를 디지탈신호로 변환하여 이를 연산부(50)에 인가한다. The measurement signal measured by the inertial sensor unit 10 is transmitted to the transmitter 20, and the transmitter 20 transmits it to the receiver 30. The receiver 30 applies the received signal to the A / D converter 40, and the A / D converter 40 converts the measured signal, which is an analog signal, into a digital signal and applies it to the calculator 50.

그러므로 상기 연산부(50)는 보행패턴 방법에 따라서 자이로센서(11)에서 측정된 센서축을 기준으로 하여 회전된 회전각속도와 가속도계(12)에서 측정된 센서축을 기준으로 하는 가속도를 절대좌표계로 좌표변환하여 각도 차원의 데이타로 변환하고, 보행시 좌우 및 전후 회전각의 데이타를 연산하여 보행패턴을 추출한다. 여기서 상기 가속도계(12)의 신호들은 원래 절대좌표계에 대해서 작용을 하므로 소정의 연산과정을 거쳐 가속도의 회전변화율을 연산하면 바로 보행자의 보행패턴에 대한 데이타가 연산된다. Therefore, the calculation unit 50 converts the rotational angular velocity rotated on the basis of the sensor axis measured by the gyro sensor 11 and the acceleration based on the sensor axis measured by the accelerometer 12 into an absolute coordinate system according to the walking pattern method. The gait pattern is extracted by converting the data into an angular dimension and calculating data of left, right, and front and rear rotational angles during walking. Here, since the signals of the accelerometer 12 operate on the absolute coordinate system, data on the walking pattern of the pedestrian is calculated immediately after calculating the rotational change rate of the acceleration through a predetermined calculation process.

그러나 자이로센서(11)는 회전각속도를 검출함에 따라 측정된 회전각속도를 적분하여 회전각을 검출하나, 적분시에 적분오차가 발생되고, 가속도계(12)의 보행패턴데이타는 상기 자이로 센서(11)에 비하여 오차가 발산되지는 않으나 반응이 느리다는 단점이 있다. However, the gyro sensor 11 detects the rotational angle by integrating the measured rotational angular velocity as the rotational angular velocity is detected, but an integration error is generated at the time of integration, and the walking pattern data of the accelerometer 12 is the gyro sensor 11. Compared with this, the error is not emitted but the response is slow.

그러므로 본 발명의 연산부(50)는 자이로센서(11)에서 측정된 회전각속도와 상기 가속도계(12)의 측정신호를 혼합하여 연산함으로써 자이로센서(11)의 적분오차를 보정하고, 신속하게 보행패턴을 데이타화할 수 있다. 이에 대한 상세설명은 하기의 보행패턴 분석방법에 대한 설명에서 상세히 설명한다. Therefore, the calculation unit 50 of the present invention corrects the integration error of the gyro sensor 11 by calculating the mixed angular velocity measured by the gyro sensor 11 and the measurement signal of the accelerometer 12 to calculate the walking pattern quickly. Data can be converted. Details of this will be described in detail in the following description of the walking pattern analysis method.

도 2는 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 보행패턴 분석방법을 나타낸 블럭도이다. 2 is a block diagram showing a walking pattern analysis method using an inertial sensor according to the present invention.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 보행패턴 분석방법은 자이로센서(11)에서 측정된 회전각속도를 연산하여 절대좌표계에서의 회전변화율을 도출하는 회전변화율 연산수단(51)과, 상기 가속도계(12)의 측정신호를 연산하여 중력방향의 회전변화율을 연산하는 중력방향 회전변화율 연산수단(52)과, 상기 중력방향 회전변화율 연산수단(52)과 회전변화율 연산수단(51)의 결과치를 이용하여 누적오차를 연산 및 보정하여 좌우각도를 연산하는 롤필터(53, Roll Filter)와, 상기 중력방향 회전변화율 연산수단(52)과 회전변화율 연산수단(51)의 결과치를 이용하여 누적오차를 연산 및 보정하여 전후각도를 연산하는 피치필터(54, Pitch Filter)를 포함한다. As shown, the gait pattern analysis method according to the present invention calculates the rotational change rate in the absolute coordinate system by calculating the rotational angular velocity measured by the gyro sensor 11 and the accelerometer 12 The cumulative error is calculated using the result of the gravity direction rotation change rate calculating means 52 and the rotation direction change rate calculating means 52 and the rotation change rate calculating means 51 which calculate the rotation change rate in the gravity direction by calculating the measurement signal. Calculate and correct the cumulative error by using the roll filter 53 for calculating the left and right angles by calculating and correcting, and the resultant values of the rotation direction change rate calculating means 52 and the rotation rate change calculating means 51. A pitch filter 54 for calculating the angle.

이에 대한 상세설명은 도 3의 관성센서를 이용한 보행패턴의 분석방법을 나타낸 흐름도 및 도 4의 좌표계를 이용하여 설명한다. Detailed description thereof will be described using a flowchart illustrating a method of analyzing a walking pattern using the inertial sensor of FIG. 3 and a coordinate system of FIG. 4.

먼저 자이로센서는 도4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 보행자의 정면이 X축, 우측이 Y축, 아래방향이 Z축방향으로써 센서축이 설정되고, 원점(P)은 인체의 무게중심이 된다. 그러므로 상기 자이로센서(11)는 보행자가 보행시에 X축, Y축, Z축을 기준으로 하여 보행시의 회전각속도를 측정한다. 그리고 가속도계(12)는 X축과 Y축의 센서축을 기준으로 하여 보행자의 가속도를 측정한다(S10). First, in the gyro sensor, as shown in FIGS. 4A and 4B, the sensor axis is set as the X-axis, the right-side Y-axis, and the lower-direction Z-axis direction of the pedestrian, and the origin P is the center of gravity of the human body. . Therefore, the gyro sensor 11 measures the rotational angular velocity during walking based on the X-axis, Y-axis, and Z-axis when the pedestrian walks. The accelerometer 12 measures the acceleration of the pedestrian based on the sensor axes of the X and Y axes (S10).

여기서 상기 자이로센서(11)와 가속도계(12)에서 측정되는 X축을 중심으로 회전하는 운동을 롤(Roll, φ), Y축을 중심으로 회전하는 운동을 피치(Pitch, θ), Z축을 중심으로 회전하는 운동을 요(Yaw, Ψ)라고 하며 그 방향은 도 4에 나타난 회전방향을 +방향으로 정의한다. 그리고 상기 롤(Roll, φ), 피치(Pitch, θ), 요(Yaw, Ψ)는 각도의 차원으로 나타내며 단위는 deg 또는 rad를 사용하며, 통상적으로 보행자의 자세는 상기 롤, 피치, 요의 각도(φ, θ, Ψ)를 종합해서 측정되며, 상기 자이로센서(11)에서 출력되는 측정치는 롤, 피치, 요(φ, θ, Ψ)의 시간에 대한 변화율(p, q, r, 수학식 1 참조)이 된다. Here, the rotational motion about the X axis measured by the gyro sensor 11 and the accelerometer 12 is roll (φ), the rotational motion about the Y axis is rotated about the pitch (θ), Z axis This motion is called yaw (Ψ) and the direction defines the rotation direction shown in FIG. 4 in the + direction. The roll (φ), pitch (θ) and yaw (Ψ) are represented by the dimension of the angle, and the unit is deg or rad. The angles φ, θ, and Ψ are measured in total, and the measured values output from the gyro sensor 11 are the rates of change (p, q, r, and time with respect to the time of roll, pitch, yaw (φ, θ, Ψ). Equation 1).

여기서 상기 자이로센서(11)에서 측정된 보행자의 롤, 피치, 요(φ, θ, Ψ)의 시간에 대한 회전변화율(p, q, r, 수학식 1참조)은 센서축을 기준으로 해서 측정되므로써 이전자세에 비하여 몇도가 틀어졌는지의 변화량을 측정할 수 있으나, 현재 자세가 몇도 인지는 알 수가 없다. 이는 임의로 설정된 센서축을 이용하여 측정한 관계로 절대적인 기준값이 없기 때문이다. 따라서 회전변화율 연산수단(51)은 상기와 같은 센서축을 기준으로 한 자이로센서(11)의 측정치를 절대기준을 갖는 절대좌표계로 변환시킨다. Here, the rotational change rate (p, q, r, Equation 1) with respect to the time of the pedestrian roll, pitch, yaw (φ, θ, Ψ) measured by the gyro sensor 11 is measured based on the sensor axis. You can measure the change in how many degrees are wrong compared to the previous posture, but it is not known how many degrees your current posture is. This is because there is no absolute reference value because it is measured using a sensor axis set arbitrarily. Therefore, the rotation change rate calculating means 51 converts the measurement value of the gyro sensor 11 based on the sensor axis as described above into an absolute coordinate system having an absolute reference.

즉, 상기 관성센서(10)를 통해 측정된 센서축을 기준으로 한 측정치는 송신부(20)와 수신부(30) 및 A/D컨버터(40)를 통하여 상기 연산부(50)에 인가되며, 상기 연산부(50)에서는 센서축을 기준으로 한 측정치를 절대좌표계로 변환시켜 회전변화율을 연산한다(S20). That is, the measurement value based on the sensor axis measured by the inertial sensor 10 is applied to the calculation unit 50 through the transmitter 20, the receiver 30, and the A / D converter 40. In 50), the rotation change rate is calculated by converting the measured value based on the sensor axis into an absolute coordinate system (S20).

먼저, 자이로센서(11)에서 측정된 센서축을 중심으로 한 X, Y, Z축의 각 회전각속도는 회전변화율 연산수단(51)에 전달된다. 그러므로 회전변화율 연산수단(51)은 하기의 수학식1에 의하여 절대좌표계에서의 회전변화율을 측정한다. First, the rotational angular velocities of the X, Y, and Z axes around the sensor axis measured by the gyro sensor 11 are transmitted to the rotation change rate calculating means 51. Therefore, the rotation change rate calculating means 51 measures the rotation change rate in the absolute coordinate system by Equation 1 below.

p, q, r은 센서축을 기준으로 한 롤, 피치, 요의 회전각속도이고, Φg, θg, ψg는 절대좌표계에서 롤, 피치, 요의 변화율이고, Φm, θm은 센서축이 절대좌표계에서 회전한 각도로서 이전자세에서 롤과 피치의 각도를 의미한다. p, q and r are the rotational angular velocities of the roll, pitch and yaw relative to the sensor axis, Φ g, θ g and ψ g are the rate of change of the roll, pitch and yaw in the absolute coordinate system, and Φ m and θ m are the rotation of the sensor axis in the absolute coordinate system. As an angle, it means the angle between the roll and the pitch in the previous position.

상기 수학식 1은 센서축을 기준으로한, X, Y, Z축을 중심으로한 회전각속도(p, q, r)와 절대좌표계에서의 회전각도를 이용하여 절대좌표계의 회전각도 변화율(Φg, θg, ψg)을 구한다. 즉, 신체의 일부에 장착되는 자이로센서(11)는 센서를 중심축으로 하여 보행자의 보행시, 변화되는 X축, Y축, Z축의 회전각속도(p, q, r)를 측정하고, 상기 회전변화율 연산수단(51)은 센서축을 중심으로 한 회전각속도(p, q, r)를 상기 수학식 1을 통해 절대좌표계에서의 회전변화율(Φg, θg, ψg)로 변환시킨다. Equation 1 is the rate of change of the rotation angle of the absolute coordinate system (Φg, θg, using the rotation angle velocity (p, q, r) around the X, Y, Z axis with respect to the sensor axis and the rotation angle in the absolute coordinate system ψg) is obtained. That is, the gyro sensor 11 mounted on a part of the body measures rotational angular velocities (p, q, r) of X, Y, and Z axes which are changed when the pedestrian walks with the sensor as the central axis, and the rotation The change rate calculating means 51 converts the rotational angular velocities p, q and r around the sensor axis into the rotation change rates Φg, θg and ψg in the absolute coordinate system through Equation 1 above.

이때 상기 회전변화율 연산수단(51)은 후술하는 롤 필터(53)와 피치필터(54)에서 연산된 이전자세의 X축과 Y축을 중심으로 회전된 각도, 즉, 롤과 피치(φm, θm)를 궤환받아 상기 수학식 1에 적용하여 절대좌표계에서의 회전변화율을 연산하고, 연산된 회전각의 변화율(Φg, θg, ψg)을 후술되는 롤 필터(53, Roll filter)와 피치필터(54, Pitch Filter)에 각각 출력한다. 여기서 상기 이전자세에서의 절대좌표계에서 Z축의 각도인 요(Ψm)는 보행자가 상하운동을 하지 않고 직선운동을 하는 것으로 간주함에 따라 0이 된다. In this case, the rotation change rate calculating means 51 is an angle rotated about the X and Y axes of the previous posture calculated by the roll filter 53 and the pitch filter 54, that is, the roll and the pitch φm and θm. Is applied to Equation 1 to calculate the rate of change of rotation in the absolute coordinate system, and calculates the rate of change of the rotation angle (Φg, θg, ψg) as described below. Pitch Filter). Here, the yaw (Ψm), which is the angle of the Z axis in the absolute coordinate system in the previous posture, becomes 0 as the pedestrian assumes the linear movement without the vertical movement.

또한, 상기 중력방향 회전변화율 연산수단(52)은 상기 가속도계(12)로부터 보행자의 직선가속도의 측정치가 전달되면 이를 하기의 수학식 2에 의해 중력방향의 회전변화율을 연산한다(S30). In addition, the gravity direction rotation change rate calculating unit 52 calculates the rotation change rate in the gravity direction by the following equation 2 when the measurement value of the linear acceleration of the pedestrian is transmitted from the accelerometer 12 (S30).

여기서 Φa, θa는 절대좌표계에서 X축과 Y축에서의 중력방향의 회전변화율, ax와 ay는 가속도계의 측정가속도이고, fx와 fy는 센서축을 기준으로 한 X축과 Y축의 가속도 성분, g는 중력가속도이다. Where Φa and θa are the rotational rate of change in the direction of gravity in the X and Y axes in the absolute coordinate system, ax and ay are the accelerometer accelerations, fx and fy are the acceleration components of the X and Y axes relative to the sensor axis, and g is Gravity acceleration.

이를 상세히 설명하자면, 가속도계(12)는 물체의 직선가속도를 측정하는 센서로써, 물체의 운동에 의한 가속도성분과 지구의 중력가속도, 원심력에 의한 가속도 성분, 코리올리 효과등을 포함하고, 출력된 측정치는 계산에 의해 각 성분들을 보정하여 물체의 운동에 의한 순수 가속도성분만을 출력한다. In detail, the accelerometer 12 is a sensor for measuring linear acceleration of an object. The accelerometer 12 includes acceleration components due to the movement of the object, gravitational acceleration of the earth, acceleration components due to centrifugal force, and the Coriolis effect. By correcting each component by the output only the pure acceleration component by the motion of the object.

따라서 중력방향 회전변화율 연산수단(52)은 지구의 중력가속도가 절대좌표계에서의 Z축에 수직한다고 가정하여 센서축을 기준으로 상기 수학식 2를 통하여 중력가속도의 회전변화율(Φa, θa)을 센서축을 기준으로 한 X축과 Y축의 가속도성분(ax, ay)으로 부터 연산한다. 여기서 θm은 이전 자세에서의 전후각도, 즉 피치각을 의미하며, 상기 피치필터(54, Pitch Filter)에서 측정된 이전자세의 전후각도(θm)가 궤환되어 상기 중력방향 회전변화율 연산수단(52)에 인가된다. Therefore, the gravity direction rotation change rate calculating means 52 assumes that the earth's gravity acceleration is perpendicular to the Z axis in the absolute coordinate system, and the rotational change rates (Φa, θa) of the gravity accelerations are based on the sensor axis with reference to the sensor axis. Calculate from the acceleration components (ax, ay) of the X and Y axes. Here, θm means the front and rear angle in the previous posture, that is, the pitch angle, and the front and rear angle θm of the previous posture measured by the pitch filter 54 is fed back so that the gravitational direction rotation change rate calculating means 52 Is applied to.

상술한 바와 같이 상기 회전변화율 연산수단(51)과 중력방향 회전변화율 연산수단(52)에서 각각 연산된 회전변화율(Φg, θg, ψg)과 중력가속도의 회전변화율(Φa, θa)은 롤필터(53)와 피치필터(54)에 인가되며, 롤필터(53)와 피치필터(54)에서는 인가된 회전변화율(Φg, θg, ψg)과 중력가속도의 회전변화율(Φa, θa)을 혼합하여 각각 좌우각도 및 전후각도를 연산하며(S40, S50), 이에 대한 상세설명은 도 5와 도 6을 이용하여 상세히 설명한다. As described above, the rotation change rates Φg, θg, ψg and the rotation change rates Φa, θa calculated by the rotation change rate calculating means 51 and the gravity direction rotation change rate calculating means 52 are respectively roll filters ( 53) and the pitch filter 54, and the roll filter 53 and the pitch filter 54 mix the applied rotation rate of change (Φg, θg, ψg) with the rotational rate of change (Φa, θa) of gravity acceleration, respectively. It calculates the left and right angles and the front and rear angles (S40, S50), a detailed description thereof will be described in detail with reference to Figs.

도 5는 롤필터 또는 피치필터의 연산방법을 나타낸 블럭도, 도 6은 롤필터 또는 피치필터의 연산방법을 나타낸 순서도이다. 5 is a block diagram illustrating a method of calculating a roll filter or a pitch filter, and FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of calculating a roll filter or a pitch filter.

도시된 바와 같이 상기 회전변화율 연산수단(51)에서 출력된 회전변화율(Φg, θg, ψg)은 적분되고(S41, S42), 적분된 상기 회전변화율은 중력방향 회전변화율 연산수단(52)에서 출력된 중력방향의 회전변화율(Φa, θa)과 혼합된다(S43). 이때 롤필터(53)에서는 롤각, 즉 좌우각도(Φm)를 연산하며, 피치필터(54)는 피치, 즉 전후각도(θm)를 연산한다. 따라서 롤필터(53)에 입력되는 회전변화율(Φg, θg, ψg)과 중력방향 회전변화율(Φa, θa)의 성분은 X축을 중심으로한 회전변화율, 즉 롤(φg, φa,) 성분만 입력되고, 피치필터(54)에 입력되는 성분은 Y축을 중심으로 한 피치(θg, θa) 성분만 입력되며, Z축을 중심으로 한 회전변화율(Ψg, Ψa)은 보행자가 직선운동을 하는 것으로 간주됨에 따라 0이된다. As shown, the rotational change rate (Φg, θg, ψg) output from the rotational change rate calculating means 51 is integrated (S41, S42), and the integrated rotational change rate is output from the gravity direction rotational change rate calculating means 52. It is mixed with the rotation rate of change (Φa, θa) in the gravity direction (S43). At this time, the roll filter 53 calculates the roll angle, that is, the left and right angles Φ m, and the pitch filter 54 calculates the pitch, that is, the front and rear angles θ m. Therefore, the components of the rotational change rate (Φg, θg, ψg) and the gravity direction rotational change rate (Φa, θa) input to the roll filter 53 input only the rotational change rate around the X axis, that is, the roll (φg, φa,) components. The components input to the pitch filter 54 are input only the components of the pitch (θg, θa) around the Y axis, and the rotation rate of change (Ψg, Ψa) around the Z axis is considered to be a linear movement of the pedestrian. Becomes zero.

그리고 상기 단계(S42)에서 적분된 자이로센서(11)의 절대좌표계에서의 회전변화율(Φg, θg, ψg)에서 상기 가속도계(12)의 중력방향의 회전변화율(Φa, θa, ψa)을 감하여 적분오차를 연산한다(S44). Then, the rotational change rate (Φg, θg, ψg) in the absolute coordinate system of the gyro sensor 11 integrated in the step (S42) is reduced by the rotational change rate (Φa, θa, ψa) in the gravity direction of the accelerometer 12. Compute the error (S44).

그리고 연산된 적분오차는 각각 비례게인(Kp)과 적분게인(Ki)과 곱해진다(S45, S47). 또한 상기 적분오차와 적분게인(Ki)의 곱셈결과치는 다시 적분되어 다음 단계(S48)로 그 결과치를 전달한다(S46). The calculated integral error is multiplied by the proportional gain Kp and the integral gain Ki, respectively (S45 and S47). In addition, the multiplication result of the integration error and the integral gain Ki is integrated again to transfer the result value to the next step S48 (S46).

이후, 상기 단계(S45, S47)에서 연산된 오차와 적분게인(Ki)의 곱셈치와 상기 비례게인(Kp)과 적분오차의 곱셈치가 가산함으로써 누적오차를 연산한다(S48). 여기서 상기 누적오차는 바이어스(Bias)로써 센서에 입력되는 물리량이 없을때에도 출력되는 0에 가까운 값이다. Subsequently, a cumulative error is calculated by adding the multiplication value of the error and the integral gain Ki calculated in the steps S45 and S47 and the multiplication value of the proportional gain Kp and the integration error (S48). The cumulative error is a value close to zero that is output even when there is no physical quantity input to the sensor as a bias.

상기 자이로센서(11)는 회전각속도를 측정함에 따라 적분을 통하여 각도성분을 얻지만, 측정값을 적분하게되면, 상기 바이어스에 의한 오차값 때문에 적분결과가 한없이 발산하게 되므로 정밀한 센서의 구성이 불가능하게 된다. 그러나 본 발명은 자이로의 측정성분과 가속도계의 측정성분을 연산하여 적분게인(Ki)과 비례게인(Kp)에 의한 오차를 연산하고, 하기의 보정단계(S49)를 거쳐 오차를 보정함으로서 정밀한 보행패턴의 측정이 가능하다. The gyro sensor 11 obtains an angular component through integration as the rotational angular velocity is measured, but when the measured value is integrated, the integrated result is infinitely diverged due to the error value caused by the bias, thus making it impossible to construct a precise sensor. do. However, the present invention calculates the error due to the integral gain (Ki) and the proportional gain (Kp) by calculating the measurement component of the gyro and the measurement component of the accelerometer, and corrects the error through the following correction step (S49) to precise walking pattern Can be measured.

즉, 상기 단계(S48)에서 연산된 누적오차는 상기 자이로센서(11)의 회전변화율(Φg, θg, ψg)에서 감하므로써 상기 자이로센서(11)의 오차를 보정한다(S49). 그리고 보정된 상기 자이로센서(11)의 회전변화율(Φg, θg, ψg)은 다시 적분되어져 각속도의 성분을 각도로 변화시켜 출력함으로써 보행자의 보행시 좌우각도 (Φm) 또는 전후각도(θm)를 연산하여 출력한다(S51, S52, S53). In other words, the cumulative error calculated in the step S48 is corrected by reducing the error of the gyro sensor 11 by reducing the rotation change rates Φg, θg, ψg of the gyro sensor 11 (S49). And the rotational change rate (Φg, θg, ψg) of the corrected gyro sensor 11 is integrated again to calculate the left and right angles (Φm) or the front and rear angles (θm) when walking the pedestrian by changing the components of the angular velocity to output the angle. And outputs it (S51, S52, S53).

이후, 다시 도 3을 참조하면, 상기와 같은 롤필터(53) 또는 피치필터(54)의 좌우각도(Φm) 또는 전후각도(θm)의 연산단계(S40, S50, 도 6참조)에서 연산된 좌우각도(Φm) 및 전후각도(θm), 즉 롤과 피치의 데이타는 퓨우리에변화수단(57)을 통하여 주파수영역으로 데이타로 변환되어 출력수단(도시되지 않음)을 통해 출력된다(S60)(S70).Afterwards, referring to FIG. 3 again, the operation is performed in the calculation steps (S40, S50, FIG. 6) of the left and right angles Φ m or the front and rear angles θm of the roll filter 53 or the pitch filter 54 as described above. The left and right angle Φ m and the front and rear angle θ m, that is, the data of the roll and the pitch, are converted into data in the frequency domain through the Fourier changing means 57 and output through the output means (not shown) (S60). (S70).

상기 단계(S60)를 상세히 설명하자면, 상기 롤필터(53)와 피치필터(54)에서 출력되는 데이타는 시간영역의 데이타로써 바로 출력수단(도시되지 않음)을 통해 출력되거나 또는 사용자의 의도에 따라 퓨우리에 변환수단(57)을 통해 상기 롤필터와 피치필터에서 획득된 시간영역의 데이타를 이산퓨리에변환(DFT: Discrete Fourier Transform)에 근거한 고속퓨리에변환(FFT : Fast Fourier Transform)을 통하여 주파수 영역으로 변환되며, 이는 하기의 수학식 3을 통해 달성된다. To describe the step (S60) in detail, the data output from the roll filter 53 and the pitch filter 54 is output through the output means (not shown) as the data of the time domain or according to the user's intention Frequency domain data obtained from the roll filter and the pitch filter by the Fourier transform means 57 is converted into a frequency domain through a Fast Fourier Transform (FFT) based on a Discrete Fourier Transform (DFT). Is achieved through Equation 3 below.

N은 이산데이터의 갯수, wN 은 이산데이타가 N개일 때의 주파수이다.N is the number of discrete data, w N is the frequency when there are N discrete data.

이와 같은 수학식 3을 통하여 달성되는 주파수영역의 데이타로서 표시되는 보행자의 보행패턴은 도 7에 도시된 바와 같다. A walking pattern of a pedestrian displayed as data of the frequency domain achieved through Equation 3 is as shown in FIG.

도 7a는 정상인의 보행패턴을 시간영역에서 나타낸 그래프이고, 도 7b는 정상인의 보행패턴을 주파수 영역에서 나타낸 그래프이다. 또한, 도 7c는 장애인의 보행패턴을 시간영역에서 나타낸 그래프이고, 도 7d는 장애인의 보행패턴을 주파수영역에서 나타낸 그래프이다.7A is a graph illustrating a walking pattern of a normal person in the time domain, and FIG. 7B is a graph illustrating a walking pattern of a normal person in the frequency domain. In addition, Figure 7c is a graph showing the walking pattern of the disabled in the time domain, Figure 7d is a graph showing the walking pattern of the disabled in the frequency domain.

도시된 바와 같이 시간영역의 그래프는 일정시간동안 보행자의 보행시의 회전각도 변화를 선형적으로 나타낸다. 즉, 정상인의 경우는 일정시간동안 회전되는 각도의 최고치와 최저치의 폭이 좁게 나타나고, 비정상인의 경우는 일정시간동안 회전되는 각도의 최고치와 최저치의 폭이 크게 나타난다. As shown, the graph of the time domain linearly shows a change in rotation angle when the pedestrian walks for a certain time. That is, in the case of a normal person, the width of the maximum and minimum values of the angle rotated for a predetermined time is narrow, and in the case of an abnormal person, the width of the maximum and minimum values of the angle rotated for a certain time is large.

아울러, 주파수영역의 그래프는 정상인의 경우 주파수성분이 깨끗하지만, 비정상인의 경우는 주파수 성분이 상대적으로 훨씬 많고 그 크기도 매우 크게 나타남을 알 수 있다. In addition, the graph of the frequency domain shows that the frequency component is clean in the case of a normal person, but in the case of an abnormal person, the frequency component is relatively much larger and its size is also very large.

이와 같은 시간영역 및 주파수영역의 보행패턴 그래프를 통하여 정상인은 보행중에 신체의 무게중심이 흔들리지 않도록 하는 각 관절 및 근육들의 활동이 활발하기 때문에 결과적으로 무게중심부의 변위가 매우 적게 일어난다고 유추할 수 있다. 반면에 하지에 결함이 있는 경우에는 하지의 관절들 또는 의족의 관절들이 유연하지 못하고 하지 근육의 작용이 전무하거나 능동적이지 못하다고 해석할 수 있다. Through the gait pattern graph in the time domain and the frequency domain, it can be inferred that a normal person has very little displacement of the center of gravity because the activity of each joint and muscle is active so that the center of gravity of the body is not shaken while walking. . On the other hand, if the lower limbs are defective, the joints of the lower limbs or the limbs can be interpreted as inflexible and inactive or inactive.

본 발명은 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments, it will be appreciated that the invention can be modified and modified in various ways without departing from the spirit or scope of the invention as set forth in the claims below. One of ordinary skill in the art will readily know.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 보행자의 보행패턴분석장치 및 그 방법은 자이로센서와 가속도계의 장점을 적절히 혼합하므로써 종래의 자이로센서의 오차를 보정하여 정밀하고 정확한 보행패턴의 분석이 가능하며, 또한 종래에는 CCD카메라와 장비들이 구비된 전용시설에서만 행하여졌으나 본 발명은 무선시스템을 이용한 간단한 구성으로 구비됨에 따라 장소에 한정되지 않고, 또한 제조원가가 저렴하며, 아울러 보행자의 보행패턴을 시간영역 및 주파수영역으로써 분석함으로써 비정상보행 또는 장애의 형태와 정도에 대한 데이타베이스의 구축이 가능하며, 구축된 데이타베이스를 통해 재활훈련의 성과 또는 장애의 정도에 대한 객관적이고 정량적인 평가 및 진단이 가능하므로 의료발전에 지대한 효과가 있다. The pedestrian walking pattern analysis apparatus and method according to the present invention as described above, by properly mixing the advantages of the gyro sensor and the accelerometer, it is possible to correct the error of the conventional gyro sensor to accurately and accurately analyze the walking pattern, and also In the present invention, the present invention is performed only in a dedicated facility equipped with a CCD camera and equipment. However, the present invention is not limited to a place because it is equipped with a simple configuration using a wireless system. By analyzing, it is possible to establish a database on the type and extent of abnormal walking or disability, and through the established database, it is possible to objectively and quantitatively evaluate and diagnose the results of rehabilitation or the degree of disability. It works.

도 1은 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 보행패턴분석장치를 나타낸 블럭도,1 is a block diagram showing a walking pattern analysis apparatus using an inertial sensor according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 보행패턴의 분석방법의 구성을 나타낸 블럭도,Figure 2 is a block diagram showing the configuration of a walking pattern analysis method using an inertial sensor according to the present invention,

도 3은 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 보행패턴의 분석방법을 나타낸 흐름도,3 is a flowchart illustrating a method of analyzing a walking pattern using an inertial sensor according to the present invention;

도 4a 내지 4b는 관성센서의 센서축을 기준으로 하는 좌표를 나타낸 예시도,4A to 4B are exemplary views showing coordinates based on a sensor axis of an inertial sensor;

도 5는 본 발명에 따른 연산필터의 연산방법을 나타낸 블럭도, 5 is a block diagram showing a calculation method of a calculation filter according to the present invention;

도 6은 본 발명에 따른 연산필터의 연산방법을 나타낸 흐름도,6 is a flowchart illustrating a calculation method of an operation filter according to the present invention;

도 7a 내지 7d는 본 발명에 따라서 획득된 데이타를 통한 보행패턴을 나타낸 그래프이다.7A to 7D are graphs showing walking patterns through data obtained according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 관성센서 11 : 자이로센서10: inertial sensor 11: gyro sensor

12 : 가속도계 20 : 송신부12 accelerometer 20 transmitter

30 : 수신부 40 : A/D컨버터30: receiver 40: A / D converter

50 : 연산부 51 : 회전변화율 연산수단50: calculation unit 51: rotation change rate calculation means

52 : 중력방향 회전변화율 연산수단 53 : 롤필터52: gravity direction rotation rate calculation means 53: roll filter

54 : 피치필터 57 : 퓨우리에 변환수단54: pitch filter 57: Fourier conversion means

Claims (7)

보행자의 회전각속도 및 가속도를 측정하는 관성센서부(10)와;Inertial sensor unit 10 for measuring the angular rotation speed and acceleration of the pedestrian; 상기 관성센서부에서 출력되는 측정신호를 송신하는 송신부(20)와;A transmitter 20 for transmitting a measurement signal output from the inertial sensor unit; 상기 송신부에서 전송되는 신호를 수신하는 수신부(30)와;A receiver 30 for receiving a signal transmitted from the transmitter; 상기 수신부에서 수신된 AC신호를 DC신호로 변환시키는 AC/DC변환부(40)와;An AC / DC converter 40 for converting an AC signal received by the receiver into a DC signal; 상기 AC/DC변환부(40)에서 인가된 상기 관성센서부(10)의 측정신호를 절대좌표계의 신호로 변환하고, 변환된 회전각속도의 변화율((Φg, θg, ψg)을 적분하고, 적분된 변화율에서 상기 가속도의 변화율(Φa, θa, ψa)을 감하므로써 적분오차를 연산 및 보정하여 보행자의 보행패턴을 연산하는 연산부(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행패턴 분석장치. The measurement signal of the inertial sensor unit 10 applied from the AC / DC converter 40 is converted into a signal of an absolute coordinate system, and the rate of change of the converted rotational angular velocity ((Φg, θg, ψg) is integrated and integrated. And a calculation unit (50) which calculates and corrects an integration error by subtracting the change rate (Φa, θa, ψa) of the acceleration from the changed change rate. 제 1 항에 있어서, 상기 관성센서(10)는The method of claim 1, wherein the inertial sensor 10 자이로 센서(11) 또는 가속도계(12)중 적어도 어느 하나인것을 특징으로 하는 보행패턴 분석장치.Gait pattern analysis device characterized in that at least one of the gyro sensor (11) or the accelerometer (12). 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연산부(50)는The method of claim 1 or 2, wherein the calculation unit 50 연산된 적분오차를 비례게인(Kp)과 적분게인(Ki)을 곱하고, 그 결과치를 가산하여 상기 회전각속도의 회전변화율(Φg, θg, ψg)에서 감하므로 적분오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 보행패턴 분석장치.Multiply the calculated integral error by the proportional gain (Kp) and the integral gain (Ki), and add the resultant value to reduce the rotation error rate (Φg, θg, ψg), thereby correcting the integral error. Pattern analysis device. 보행자의 회전각속도를 측정하는 자이로센서(11)와, 보행자의 가속도를 측정하는 가속도계(12)를 포함하여 보행자의 보행패턴을 분석하는 보행패턴 분석방법에 있어서,In the walking pattern analysis method for analyzing the walking pattern of a pedestrian, including a gyro sensor 11 for measuring the angular rotation speed of the pedestrian and an accelerometer 12 for measuring the acceleration of the pedestrian, 센서축을 기준으로 하여 보행자의 회전각속도와, 보행자의 가속도를 측정하는 단계와(S10);Measuring a rotation angle of the pedestrian and an acceleration of the pedestrian based on the sensor axis (S10); 상기 단계(S10)에서 측정된 회전각속도를 연산하여 절대좌표계에서의 회전변화율(Φg, θg, ψg)로 변환시키는 단계와(S20);Calculating a rotation angular velocity measured in the step S10 and converting the rotation angular velocity into a rotation change rate Φg, θg, ψg in an absolute coordinate system (S20); 상기 단계(S10)에서 측정된 가속도를 통하여 절대좌표계에서의 중력방향의 회전변화율(Φg, θg, ψg)를 연산하는 단계와(S30);Calculating a rate of change of rotation (Φg, θg, ψg) in the gravitational direction in the absolute coordinate system through the acceleration measured in the step (S10) (S30); 상기 단계(S20)에서 연산된 회전변화율(Φg, θg, ψg)을 적분하고, 적분된 상기 회전변화율에서 상기 중력방향의 회전변화율(Φa, θa, ψa)을 감하므로써 오차를 보정하여 보행시의 좌우각도(Φm)(S40)와;Integrate the rotational change rate Φg, θg, ψg calculated in the step S20, and correct the error by subtracting the rotational change rate Φa, θa, ψa in the gravity direction from the integrated rotational change rate. Left and right angle Φ m (S40); 상기 단계(S20)에서 연산된 회전변화율(Φg, θg, ψg)을 적분하고, 적분된 상기 회전변화율에서 상기 중력방향의 회전변화율(Φa, θa, ψa)을 감하므로써 오차를 보정하여 보행시의 전후각도(θm)를 연산하는 단계(S50)와;Integrate the rotational change rate Φg, θg, ψg calculated in the step S20, and correct the error by subtracting the rotational change rate Φa, θa, ψa in the gravity direction from the integrated rotational change rate. Calculating a front and rear angle θm; 상기 좌우각도 연산단계(S40) 및 전후각도 연산단계(S50)에서 연산된 좌우각도(Φm) 및 전후각도(θm)를 통해서 시간영역의 데이타신호로써 보행패턴을 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행패턴의 분석방법.And outputting a walking pattern as a data signal in a time domain through the left and right angles Φ m and the front and rear angles θ m calculated in the left and right angle calculation step S40 and the front and rear angle calculation step S50. Analysis method of walking pattern. 제 4 항에 있어서, The method of claim 4, wherein 추출된 좌우 및 전후각도데이타를 주파수영역의 신호로 변환하여 보행패턴데이타를 획득하는 단계(S60)와, 획득된 데이타를 출력하는 단계(S70)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행패턴의 분석방법.The method further includes a step (S60) of obtaining the walking pattern data by converting the extracted left and right and front and rear angle data into a signal in the frequency domain, and outputting the obtained data (S70). . 제 4 항에 있어서, 상기 좌우각도 연산단계(S40)는The method of claim 4, wherein the right and left angle calculation step (S40) 회전변화율을 적분하고(S42), 적분된 결과치에서 상기 중력방향의 회전변화율성분을 감하여 적분오차를 연산하는 단계(S44)와;Integrating a rotation rate of change (S42) and calculating an integration error by subtracting the rotation rate of change component in the gravity direction from the integrated result value (S44); 상기 단계(S44)에서 연산된 적분오차(Kp)와 적분게인(Ki)을 곱하고(S45), 그 결과값을 적분하는 단계(S46)와;Multiplying the integral error (Kp) and the integral gain (Ki) calculated in the step (S44) (S45), and integrating the resultant value (S46); 상기 적분오차와 비례게인(Kp)을 곱하고(S47), 그 결과치와 상기 단계(S46)에서 연산된 적분오차와 적분게인(Ki)의 연산치를 합하여 누적오차를 연산하는 단계(S48)와;Multiplied by the integrated error and the proportional gain (Kp) (S47), the results and step (S48) for computing a combined accumulated error value operation of the integrated error and the integral gain (Ki) calculated at the step (S46) and; 상기 단계(S48)에서 연산된 누적오차를 상기 회전변화율(Φg, θg, ψg)에서 감하고(S49), 이를 적분하여 좌우각도 또는 전후각도를 연산하는 단계(S51, S52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행패턴의 분석방법.And subtracting the cumulative error calculated in the step S48 from the rotational change rates Φg, θg, ψg (S49), and integrating the calculated errors (S51, S52). Analysis method of walking pattern. 제 4 항에 있어서, 상기 전후각도 연산단계(S50)는The method of claim 4, wherein the front and rear angle calculation step (S50) 회전변화율을 적분하고(S42), 적분된 결과치에서 상기 중력방향의 회전변화율성분을 감하여 적분오차를 연산하는 단계(S44)와;Integrating a rotation rate of change (S42) and calculating an integration error by subtracting the rotation rate of change component in the gravity direction from the integrated result value (S44); 상기 단계(S44)에서 연산된 적분오차(Kp)와 적분게인(Ki)을 곱하고(S45), 그 결과값을 적분하는 단계(S46)와;Multiplying the integral error (Kp) and the integral gain (Ki) calculated in the step (S44) (S45), and integrating the resultant value (S46); 상기 적분오차와 비례게인(Kp)을 곱하고(S47), 그 결과치와 상기 단계(S46)에서 연산된 적분오차와 적분게인(Ki)의 연산치를 합하여 누적오차를 연산하는 단계(S48)와;Multiplied by the integrated error and the proportional gain (Kp) (S47), the results and step (S48) for computing a combined accumulated error value operation of the integrated error and the integral gain (Ki) calculated at the step (S46) and; 상기 단계(S48)에서 연산된 누적오차를 상기 회전변화율(Φg, θg, ψg)에서 감하고(S49), 이를 적분하여 좌우각도 또는 전후각도를 연산하는 단계(S51, S52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행패턴의 분석방법.And subtracting the cumulative error calculated in the step S48 from the rotational change rates Φg, θg, ψg (S49), and integrating the calculated errors (S51, S52). Analysis method of walking pattern.
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