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WO2019112158A1 - 관절센서를 이용한 센서 오차 보정장치, 보정방법 - Google Patents

관절센서를 이용한 센서 오차 보정장치, 보정방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2019112158A1
WO2019112158A1 PCT/KR2018/011621 KR2018011621W WO2019112158A1 WO 2019112158 A1 WO2019112158 A1 WO 2019112158A1 KR 2018011621 W KR2018011621 W KR 2018011621W WO 2019112158 A1 WO2019112158 A1 WO 2019112158A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
joint
unit
angle
sensor unit
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2018/011621
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
황희선
박성호
김종찬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Institute of Robot and Convergence
Original Assignee
Korea Institute of Robot and Convergence
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Korea Institute of Robot and Convergence filed Critical Korea Institute of Robot and Convergence
Publication of WO2019112158A1 publication Critical patent/WO2019112158A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Measuring devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor or mobility of a limb
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0219—Inertial sensors, e.g. accelerometers, gyroscopes, tilt switches

Definitions

  • the present invention relates to a sensor error correction device using a joint sensor, a correction method, and a training system to which such an error correction device is applied.
  • Inertial Navigation System is a system that can determine the position, speed and posture of a moving object or a moving object in a reference navigation coordinate system without external assistance by using the inertial physical quantity measured by two basic sensors of gyro and accelerometer The accuracy and error of the system are affected by various factors.
  • the cause of the error can largely be divided into a hardware aspect and a software aspect.
  • the hardware aspect is mainly caused by the inherent sensor error such as the bias or misalignment error of the inertial measurement device.
  • the noise included in the measurement of the sensor signal or the A / D converter Quantization error and non-aligned mounting when mounting an inertial measurement device on a moving object.
  • a gimbal type inertial navigation system (Gimballed) is used to mount an inertial sensor such as a gyro and an accelerometer on a stabilized platform and to determine the current position, attitude, and speed using an inertial measurement amount such as angular velocity and acceleration from the inertial sensor.
  • inertial sensor such as a gyro and an accelerometer
  • an inertial measurement amount such as angular velocity and acceleration from the inertial sensor.
  • trapdown INS which is a mechanical device instead of a mechanical device, is dependent on the motion of an aircraft, and therefore, inertia measurement
  • the device must consider the inertia measurement device error for the gyro effect before it is applied to the inertial navigation system.
  • an error model is established through an error modeling process, and an error correction test is performed to estimate the respective error coefficients constituting the error model .
  • a device capable of generating three-axis rotational motion and three-axis linear motion is required.
  • a 3-axis motion table that has three degrees of freedom and can provide a constant angular velocity and precise attitude for each axis is used in the error correction test of the inertial measurement device.
  • an angular velocity sensor such as a gyro sensor is practically error-free, and drift occurs over time, making it difficult to obtain reliable information. Therefore, there is a problem that an angle value measured in real time must be calibrated.
  • the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a joint sensor capable of measuring a joint angle in real-
  • An object of the present invention is to provide an error correction method and apparatus capable of correcting an error of an angular velocity sensor or an acceleration sensor attached to a body.
  • a first object of the present invention is to provide a sensor error correcting apparatus, comprising: a first inertial sensor unit provided on one side of a first supporting unit for measuring in real time a first measured value, which is an angle of the first supporting unit; A second inertial sensor unit provided on one side of a second support part, one end of which is connected to the other end of the first support part through a joint part, to measure a second measured value, which is an angle of the second support part, in real time; A joint sensor mounted on the joint unit for measuring in real time a third measured value that is a joint angle between the first and second supports; And a correcting unit correcting at least one of the first inertial sensor unit and the second inertial sensor unit based on a third measured value measured by the joint sensor. Can be achieved as a correction device.
  • the correction unit may calculate the joint angle based on the first measurement value measured by the first inertia sensor unit and the second measurement value measured by the second inertia sensor unit, And corrects at least one of the inertial sensor unit and the second inertial sensor unit.
  • the first inertial sensor unit and the second inertial sensor unit may be constituted by at least one of an angular velocity sensor and an acceleration sensor.
  • the angular velocity sensor, the acceleration sensor, and the joint sensor may be three-axis sensors.
  • the first support portion is an upper arm of a human body and the second support portion is a lower arm of a human body and the joint portion is an elbow or the first support portion is an upper leg of a human body, And the joint portion is a knee.
  • a second object of the present invention is to provide a sensor error correcting method in which a first inertial sensor unit is mounted on one side of a first support unit and a second inertia sensor unit is mounted on one side of a second support unit having one end connected to the other end of the first support unit through a joint, Mounting a tube sensor part and mounting a joint sensor on the joint part;
  • the first inertial sensor unit measures in real time a first measured value that is an angle of the first support unit and a second measured value that is an angle of the second support unit in the second inertial sensor unit in real time, Measuring, in real time, a third measured value, which is a joint angle between the first support portion and the second support portion;
  • a correction unit configured to calculate a joint angle based on the first measurement value measured by the first inertia sensor unit and the second measurement value measured by the second inertia sensor unit, And correcting at least one of the inertial sensor unit and the second inertial sensor unit based on
  • the correcting may include correcting the second inertial sensor unit while comparing the second standard value stored in the database with the second measured value while changing the angle of the second support relative to the joint unit. Correcting the joint sensor while comparing the standard joint angle data stored in the database with the third measured value while changing the joint angle based on the joint portion of the first support portion or the second support portion; And correcting the first inertial sensor unit based on the second measured value measured by the second inertial sensor unit and the third measured value measured by the corrected joint sensor, .
  • a third object of the present invention is to provide a training system, comprising: a sensor error correcting device using a joint sensor according to the first object; A receiving unit that receives measurement data measured by the first inertial sensor unit, the second inertial sensor unit, and the joint sensor of the error correction device; A motion detector for calculating motion information data according to the joint angle and the amount of exercise based on the measurement data received from the receiving unit; And a motion analyzer for analyzing a movement motion and a posture based on the motion information data.
  • the apparatus for correcting sensor error using the joint sensor may be implemented as a training system.
  • a joint sensor capable of measuring a joint angle in real time attached to a body joint
  • the angular velocity sensor, the acceleration sensor, and the like can be corrected.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a sensor error correction apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a relationship between a first measured value, a second measured value, and a third measured value according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a plan view of a joint sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of a sensor unit and an FPCB connection unit according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a plurality of U-shaped sensor sections patterned on a flexible substrate according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a plan view in which a plurality of U-shaped sensor portions are patterned on a flexible substrate according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the sensor unit with the FPCB attached to the end thereof in FIG. 5;
  • FIG. 8 is a plan view of the FPCB mounted on the end of the sensor unit in FIG. 6,
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the connector in FIG. 7,
  • Fig. 10 is a cross-sectional view of the connector with a connector connected to the connector in Fig. 8;
  • FIG. 11 is a plan view of a multi-axis joint sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view illustrating a first gyro sensor in an upper arm, a second gyro sensor in a lower arm, an arm in which a joint sensor is attached to an elbow,
  • FIG. 13 is a view showing a bridge in which a first gyro sensor is mounted on a leg and a joint sensor is provided on a second gyro sensor knee
  • FIG. 14 is a flowchart of a sensor error correction method using a joint sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a configuration diagram of a training system to which a sensor error correction apparatus according to an embodiment of the present invention is applied,
  • 16 is a flowchart of a training information providing method using a training system to which a sensor error correcting apparatus according to an embodiment of the present invention is applied,
  • FIG. 17 illustrates an application example of a training system according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention relates to an apparatus for correcting errors between sensors. More particularly, the present invention relates to an apparatus and method for correcting an angular velocity sensor and an acceleration sensor such as a gyro sensor using a joint sensor (30).
  • a sensor error correction apparatus 1 is a block diagram of a sensor error correction apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.
  • a sensor error correction apparatus 1 includes a first inertial sensor unit 10, a second inertial sensor unit 20, a correction unit 40, a joint sensor 30), and the like.
  • the first inertial sensor unit 10 is mounted on one side of the first supporting unit 2 and the first inertial sensor unit 10 is rotatably supported on the first supporting unit 2 and the second supporting unit 3, And is configured to measure in real time a first measured value that is an angle of the first support portion (2).
  • the second inertia sensor unit 20 is provided at one side of the second support unit 3 connected to the other end of the first support unit 2 through the joint unit 4, And measures the second measured value in an angle in real time.
  • the joint sensor 30 is mounted on the joint portion 4 to measure a third measurement value in real time, which is a joint angle between the first support portion 2 and the second support portion 3.
  • the correction unit 40 corrects an error of at least one of the first inertial sensor unit 10 and the second inertial sensor unit 20 based on the third measured value measured by the joint sensor 30.
  • the first inertial sensor unit 10 and the second inertial sensor unit 20 may be constituted by at least one of an angular velocity sensor, an acceleration sensor, and a gyro sensor.
  • FIG. 2 schematically shows a relationship between a first measured value, a second measured value and a third measured value according to an embodiment of the present invention.
  • the correction unit 40 calculates the joint angle based on the first measured value measured by the first inertial sensor unit 10 and the second measured value measured by the second inertial sensor unit 20, The error of at least one of the first inertial sensor unit 10 and the second inertial sensor unit 20 is corrected
  • the first inertial sensor unit 10 measures a first measured value? 1, which is an angle of the first supporting unit 2.
  • the second inertia sensor unit 20 measures a second measurement value? 2, which is the angle of the second support member 3.
  • the joint sensor 30 measures the joint angle? 3 (third measured value), which is an angle between the first support portion 2 and the second support portion 3.
  • the joint angle based on the first measured value and the second measured value can be defined by the following equation (1).
  • the second measured value and the third measured value is defined by the following equation (2).
  • the second inertial sensor unit 20 when the second inertial sensor unit 20 is to be corrected, the first inertial sensor unit 10 is corrected by the correction method according to the related art, And the second inertial sensor unit 20 can be corrected based on the measured third measured value.
  • the first inertial sensor unit 10 is corrected by the correction method according to the related art, And the second inertial sensor unit 20 can be corrected based on the measured third measured value.
  • the first inertial sensor unit 10, the second inertial sensor unit 20, and the joint sensor 30 may be three-axis sensors. That is, the first inertial sensor unit 10 measures the angles of the first support unit 2 in the X, Y, and Z directions in real time, and the second inertial sensor unit 20 measures the angles in the X, Y, And the joint sensor 30 may be configured to measure joint angles in the X, Y, and Z directions.
  • the X-direction angle of the first inertial sensor unit 10 or the second inertial sensor unit 20 can be corrected based on the X-direction joint angle measurement value of the joint sensor 30, It is possible to correct the Y-direction angle of the first inertial sensor unit 10 or the second inertial sensor unit 20 based on the Y-direction joint angle measurement value of the joint sensor 30, The angle of the first inertial sensor unit 10 or the second inertial sensor unit 20 in the Z direction can be corrected.
  • FIG. 3 is a plan view of a joint sensor 30 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of a connection part between the sensor unit 32 and the FPCB 35 according to the embodiment of the present invention.
  • the joint sensor 30 is composed of an elastic joint sensor and includes a flexible substrate 31, a sensor unit 32, an FPCB 35 having an electrode portion 36, 37), and the like.
  • the sensor unit 32 is provided on the flexible substrate 31 and has elasticity.
  • the sensor unit 32 may be composed of a plurality of sensor units 33, and each of the sensor units 33 has a U-shape. That is, the end portions 34 are directed to the same one side and the other side is bent.
  • one side of the FPCB 35 is connected to the end portion 34 of the sensor unit 32 in a surface contact manner, And the electrode unit 36 provided inside the sensor unit 32 is connected to the end of the sensor unit 32.
  • the flexible film 37 is adhered to cover the sensor unit 32 and the FPCB 35.
  • the sensor unit 32 can be composed of a plurality of U-shaped sensor portions 33, and the ends of the U-shaped sensor portion 33 are connected to the electrode portions 36 of the FPCB 35, And each of the end portions 34 of the U-shaped sensor portion 33 is in surface contact with one side of the FPCB 35.
  • a connector 38 is provided at the other end of the plurality of electrode units 36 to enable detachable connection with the communication board 39.
  • the FPCB 35 is attached to the end portion 34 of the sensor unit 32 in a surface contact manner, the durability against the tension can be improved.
  • the U-shaped sensor portion 33 So that the communication board 39 can be connected in one direction, which enables miniaturization.
  • a flexible substrate 31 having elasticity is prepared and a plurality of sensor units 33 having a U-shaped pattern are patterned on the flexible substrate 31 to fabricate the sensor unit 32 on the flexible substrate 31 .
  • 5 is a cross-sectional view of a plurality of U-shaped sensor portions 33 patterned on a flexible substrate 31 according to an embodiment of the present invention.
  • 6 is a plan view of a plurality of U-shaped sensor portions 33 patterned on a flexible substrate 31 according to an embodiment of the present invention. 6, a plurality of U-shaped sensor portions 33 are patterned on the flexible substrate 31, and all the end portions 34 of the U-shaped sensor portion 33 are oriented in one direction Able to know.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the FPCB 35 attached to the end portion 34 of the sensor unit 32 in FIG.
  • FIG. 8 is a plan view of the FPCB 35 attached to the end portion 34 of the sensor unit 32 in FIG.
  • a plurality of electrode units 36 are formed in the FPCB 35.
  • the electrode unit 36 is connected to the sensor unit 33 and the FPCB 35 is crossed with the sensor unit 32, (35). 7 and 8, it is understood that the other end of the electrode portion 36 of the FPCB 35 is coupled to the connector 38. Then, the flexible film 37 is attached to cover the FPCB 35 and the sensor unit 32.
  • Fig. 9 is a cross-sectional view of the connector 38 connected to the communication board 39 in Fig. 10 is a cross-sectional view of the connector 38 connected to the communication board 39 in FIG.
  • the manufactured elastic joint sensor 30 is attached to the joints of the elbows, knees, wrists, and ankles of the human body, and the joint angle is calculated by measuring the resistance change value in real time.
  • the sensor unit 32 may include a first heat sensor unit 33-1 and a second heat sensor unit 33-2.
  • the first thermal sensor unit 33-1 is for measuring the joint angle in the first direction
  • the second thermal sensor unit 33-2 is for measuring the joint angle in the second direction. Therefore, according to another embodiment of the present invention, it is possible to calculate the joint angle with respect to the multi-axis direction.
  • the first sensor unit 33-1 is composed of a plurality of U-shaped sensor units whose longitudinal direction is arranged in the first direction
  • the second sensor unit 33-2 is composed of a plurality of U- And a plurality of U-shaped sensor portions arranged in a second direction intersecting the first direction.
  • the end portions 34 of the first and second sensor units 33-1 and 33-2 are in surface contact with the FPCB 35, respectively.
  • the aforementioned first inertial sensor unit 10 includes a triaxial single gyro sensor, a second inertial sensor unit 20 Can be applied to the upper arm 2 and the 3-fiducial two-gyro sensor 20 can be attached to the lower arm 3 by using a 3-fiducial 2-gyro sensor.
  • the three-focal one-gyro sensor 10 can be attached to the upper leg 2, and the three-focal two-gyro sensor 20 can be attached to the lower leg 3.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example in which the first gyro sensor 10 is attached to the upper arm 2, the second gyro sensor 20 is attached to the lower arm 3, and the joint sensor 30 is attached to the elbow 4 according to the embodiment of the present invention.
  • the state of the arm in the state of being. 13 shows a first gyro sensor 10 on the upper leg 2, a second gyro sensor 20 on the lower leg 3 and a leg provided with a joint sensor 30 on the knee 4 .
  • the position of the wrist can be calculated on the assumption that the arm length is known.
  • the gyro sensors 10 and 20 have large errors and drift over time, making it difficult to obtain reliable information. Therefore, there arises a problem that the angular values emitted from the first and second gyro sensors 10 and 20 must be calibrated in real time. For this purpose, there is a method of imposing a contraint on the angle value.
  • the value of the second gyro sensor 20 in the lower arm based on the value of the first gyro sensor 10 in the upper arm Correcting through the corrector 40 to satisfy a constraint allows a more accurate wrist position portion to be calculated.
  • the angular value of the second gyro sensor 20 mounted on the lower arm can be calculated more accurately.
  • the actual angle of the elbow can be measured through the joint sensor 30. That is, by attaching the joint sensor 30 to the elbow or the knee, the angle value of the second gyro sensor 20 can be more accurately corrected.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a method of correcting a sensor error using the joint sensor 30 according to an embodiment of the present invention.
  • the first gyro sensor 10 is mounted on one side of the upper arm 2
  • the second gyro sensor 20 is mounted on one side of the lower arm 3
  • the joint sensor 30 is mounted on the elbow 4 (S1).
  • the angle of the upper arm 2 is measured in real time by the first gyro sensor 10 and the angle of the lower arm 3 is measured by the second gyro sensor 20 in real time.
  • the joint angle is measured in real time (S2). Then, based on these measured values, motion data is analyzed by calculating the position and trajectory of the wrist (S3).
  • the corrector 40 calculates the joint angle based on the value measured by the first gyro sensor 10 and the value measured by the second gyro sensor 20, At least one of the first gyro sensor 10 and the second gyro sensor 20 is corrected by comparing the measured value with the joint sensor 30. [ That is, the first gyro sensor 10 or the second gyro sensor 20 is corrected based on the third measurement value, which is the joint angle measured by the joint sensor 30, through the relationship of Equation (2).
  • the first gyro sensor 10 is first determined by the previously disclosed method (S5). For example, while the shoulder is fixed, the value measured by the first gyro sensor 10 and the actual angle value, for example, the value stored in the database 50, are calculated while slowly changing the angle of the upper arm 2 with respect to the shoulder. 1 standard angle data and the value measured by the first gyro sensor 10, the first gyro sensor 10 is corrected.
  • the second gyro sensor 20 is calibrated based on the value measured by the first gyro sensor 10 and the value measured by the joint sensor 30 (S6).
  • the motion data analysis is continued through the values measured by the first gyro sensor 10, the second gyro sensor 20 and the joint sensor 30 .
  • FIG. 15 is a block diagram of a training system to which a sensor error correction apparatus according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 16 is a flowchart illustrating a method of providing training information using a training system to which a sensor error correction apparatus according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 17 illustrates an example of application of the training system according to an embodiment of the present invention. It is.
  • the training system 100 to which the sensor error correcting apparatus using the joint sensor 30 according to the embodiment of the present invention is applied includes the first inertial sensor unit 10 and the second inertial sensor unit A motion estimating unit for calculating motion information data based on the joint angle and the amount of exercise based on the measurement data received from the receiving unit 110, A recognition unit 120, and a motion analysis unit 130 for analyzing the motion and posture based on the motion information data.
  • the first inertial sensor unit 10 and the second inertial sensor unit 20 are connected to the first support unit 2 via the joint 4 And the second support portion 3, respectively.
  • the first inertial sensor unit 10 measures the angle and position of the first supporting unit 2 in real time and the second inertial sensor unit 20 measures the angle and position of the second supporting unit 3 in real time ,
  • the joint sensor (30) measures the joint angle in accordance with the movement of the joint (4) in real time.
  • the receiving unit 110 receives measurement data in real time (S10).
  • S10 measurement data in real time
  • the motion detector 120 calculates motion information data on the joint angle, the joint motion range, and the angular velocity based on the measurement data received by the receiver through the communication board 39 (S20). That is, the motion detection unit 120 receives the values measured by the joint sensors 30 and 10 and the first and second inertial sensor units 10 and 20 including an acceleration sensor, an angular velocity sensor, a gyro sensor, It becomes possible to collect exercise information on the movement.
  • the motion analyzer 130 analyzes the motion and posture based on the motion information data generated by the motion detector 120 (S30).
  • standard motion information data on the standard joint angle, the amount of exercise, and the exercise attitude according to the type of exercise are DB and stored.
  • the motion analyzer 130 generates training information by comparing and analyzing the standard exercise information data and the measured exercise information data.
  • the information informing unit 131 guides the user to the training information, which is the comparative analysis data analyzed by the motion analyzer 130 (S40)
  • the motion notification unit 120, the motion analysis unit 130, the database 50, the correction unit 40, and the information notification unit 131 are provided in the user terminal .
  • the display unit 132 may be configured to display the measured motion information data, standard motion information data, and comparison analysis data on the screen according to an instruction and display the same to a user.

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Abstract

본 발명은 관절센서를 이용한 센서 오차 보정장치, 보정방법 그리고 이러한 오차 보정장치가 적용된 트레이닝시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는 센서 오차 보정장치에 있어서, 제1지지부 일측에 구비되어 상기 제1지지부의 각도인 제1측정값을 실시간으로 측정하는 제1관성센서부; 일측 끝단이 상기 제1지지부의 타측 끝단과 조인트부를 통해 연결되는 제2지지부 일측에 구비되어 제2지지부의 각도인 제2측정값을 실시간으로 측정하는 제2관성센서부; 상기 조인트부에 장착되어 상기 제1지지부와 상기 제2지지부 사이의 관절각도인 제3측정값을 실시간으로 측정하는 관절센서; 및 상기 관절센서에서 측정된 제3측정값을 기반으로 상기 제1관성센서부와 상기 제2관성센서부 중 적어도 어느 하나를 보정하는 보정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절센서를 이용한 관성센서 오차 보정장치에 관한 것이다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 17.10.2018]　관절센서를 이용한 센서 오차 보정장치, 보정방법
본 발명은 관절센서를 이용한 센서 오차 보정장치, 보정방법 그리고 이러한 오차 보정장치가 적용된 트레이닝시스템에 대한 것이다.
관성항법시스템(INS ; Inertial Navigation System)은 자이로와 가속도계의 두가지 기본 센서를 통해 측정된 관성 물리량을 이용해 외부의 도움없이 기준 항법 좌표계에 대한 비행체나 이동체의 위치, 속도 및 자세를 결정할 수 있는 시스템으로 시스템의 정확도 및 오차는 여러 가지 요인에 의해 영향을 받게 된다.
이때, 상기한 오차의 발생요인은 크게 하드웨어적인 측면과 소프트웨어적인 측면으로 크게 나눌수 있다.
먼저, 하드웨어적인 측면으로는 관성측정장치의 바이어스(bias)나 비정렬 (misalignment) 오차 등 자체적인 센서오차가 주된 요인으로 작용하며, 이외에도 센서 신호의 측정시에 포함되는 잡음이나 A/D컨버터의 양자화(quantization) 오차 및 이동체에 관성측정장치를 장착할 때의 비정렬 장착 등이 있다.
다음으로, 소프트웨어적인 측면으로는 주로 수치적인 계산 오차로서 초기정렬오차, 자체계산오차 및 적분오차로 크게 구분되며, 이 오차 요인들은 하드웨어적인 오차 요인들이 적절히 제거되지 않을 경우에 시간에 따라 누적되어 시스템의 성능에 막대한 오차를 증가시키게 된다. 따라서 소프트웨어 상에서 수치적으로 오차를 줄이는 노력도 중요하지만, 1차적으로는 하드웨어적인 오차를 최대한 감소시키고 제거하는 것이 필수적인 과정으로 중요하며, 특히 관성측정장치에서 자체적으로 발생되는 센서오차를 제거하여야 한다.
특히, 안정화된 플랫폼에 자이로와 가속도계와 같은 관성센서를 장착하고 그 관성센서에서 나오는 각속도 및 가속도 등의 관성 측정량을 활용하여 현재의 위치 및 자세, 속도 등을 알아내는 짐벌형 관성항법시스템(Gimballed INS)과는 달리 비행체의 몸체에 직접 장착하고 동체 좌표계로부터 관성 좌표계로의 좌표변환을 통하여 기계적인 장치를 대신하는 스트랩다운형 관성항법시스템(Strapdown INS)은 항공기의 운동에 종속되게 되므로, 관성측정장치는 관성항법시스템에 응용되기 전에 자이로 효과에 대한 관성측정장치 오차를 필수적으로 고려하여야만 한다.
이러한 관성측정장치 자체의 오차를 제거하기 위하여 오차 모델링(Error Modeling)과정을 통하여 자이로 및 가속도계에 대한 적절한 오차 모델을 정립하고 오차모델을 구성하는 각각의 오차계수들을 추정하기 위하여 오차보정시험을 수행한다.
이때, 상기 오차보정시험을 수행하기 위해서는 3축의 회전운동과 3축의 직선운동을 발생할 수 있는 장치가 필요하다. 물론, 이를 위해 3 자유도를 가지며 각 축에 대하여 일정한 각속도와 정밀한 자세를 제공할 수 있는 3축 운동시험대(3-axis Motion Table)가 관성측정장치의 오차보정시험에 사용되고 있다.
또한 최근 인체에 가속도센서, 각속도 센서등을 부착하여 팔이나 다리의 각도의 이동거리, 각도를 실시간으로 측정하여 움직임, 동작을 실시간으로 검출하기 위한 시스템에 존재한다.
그러나 자이로센서 등과 같은 각속도 센서는 실제적으로 오차가 크고 시간이 지남에 따라 drift도 발생해서 믿을 수 있는 정보를 얻기 힘들다. 따라서 실시간으로 측정되는 각도값을 calibration 시켜야 하는 문제가 존재한다.
따라서 관절센서에서 측정된 값을 기반으로 다른 각속도센서, 가속도센서 등을 보정할 수 있는 기술이 요구되었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 신체의 관절에 부착되어 관절각도를 실시간으로 측정할 수 있는 관절센서에서 측정된 값을 기반으로, 신체에 부착된 각속도센서, 가속도센서 등의 오차를 보정할 수 있는 오차보정방법, 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 센서 오차 보정장치에 있어서, 제1지지부 일측에 구비되어 상기 제1지지부의 각도인 제1측정값을 실시간으로 측정하는 제1관성센서부; 일측 끝단이 상기 제1지지부의 타측 끝단과 조인트부를 통해 연결되는 제2지지부 일측에 구비되어 제2지지부의 각도인 제2측정값을 실시간으로 측정하는 제2관성센서부; 상기 조인트부에 장착되어 상기 제1지지부와 상기 제2지지부 사이의 관절각도인 제3측정값을 실시간으로 측정하는 관절센서; 및 상기 관절센서에서 측정된 제3측정값을 기반으로 상기 제1관성센서부와 상기 제2관성센서부 중 적어도 어느 하나를 보정하는 보정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절센서를 이용한 센서 오차 보정장치로서 달성될 수 있다.
그리고 보정부는, 제1관성센서부에서 측정된 제1측정값과 상기 제2관성센서부에서 측정된 제2측정값을 기반으로 산출된 관절각도와, 상기 제3측정값을 대비하여 상기 제1관성센서부와 상기 제2관성센서부 중 적어도 어느 하나를 보정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 제1관성센서부와 상기 제2관성센서부는 각속도 센서 및 가속도 센서 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 각속도 센서, 상기 가속도 센서 및 상기 관절센서는 3축 센서로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 제1지지부의 각도에 대해 기 설정된 제1표준각도데이터와, 상기 제2지지부의 각도에 대해 기 설정된 제2표준각도데이터, 상기 관절각도에 대해 기 설정된 표준관절각도데이터가 저장되는 데이터베이스를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 제1지지부는 인체의 상부팔이고, 상기 제2지지부는 인체의 하부팔이며, 상기 조인트부는 팔꿈치이거나, 또는 상기 제1지지부는 인체의 상부다리이고, 상기 제2지지부는 인체의 하부다리이며, 상기 조인트부는 무릎인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 센서 오차 보정방법에 있어서, 제1지지부 일측에 제1관성센서부를 장착하고, 일측 끝단이 상기 제1지지부의 타측 끝단과 조인트부를 통해 연결되는 제2지지부 일측에 제2관센서부를 장착하고, 상기 조인트부에 관절센서를 장착하는 단계; 상기 제1관성센서부에서 상기 제1지지부의 각도인 제1측정값을 실시간으로 측정하고, 상기 제2관성센서부에서 제2지지부의 각도인 제2측정값을 실시간으로 측정하며, 상기 관절센서가 상기 제1지지부와 상기 제2지지부 사이의 관절각도인 제3측정값을 실시간으로 측정하는 단계; 및 보정부가 상기 제1관성센서부에서 측정된 제1측정값과 상기 제2관성센서부에서 측정된 제2측정값을 기반으로 산출된 관절각도와, 상기 제3측정값을 대비하여 상기 제1관성센서부와 상기 제2관성센서부 중 적어도 어느 하나를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절센서를 이용한 센서 오차 보정방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 보정하는 단계는 상기 제1지지부를 상기 제1지지부의 일측 끝단을 기준으로 각도를 변화시키면서 데이터 베이스에 저장된 제1표준각도데이터와 상기 제1측정값을 대비하면서 제1관성센서부를 보정하는 단계; 상기 제1지지부 또는 제2지지부를 상기 조인트부를 기준으로 관절각도를 변화시키면서 데이터 베이스에 저장된 표준관절각도데이터와 상기 제3측정값을 대비하면서 관절센서를 보정하는 단계; 및 보정된 제1관성센서부에서 측정된 제1측정값과, 보정된 관절센서에서 측정된 제3측정값을 기반으로 상기 제2관성센서부를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 보정하는 단계는 제2지지부를 상기 조인트부를 기준으로 각도를 변화시키면서 데이터 베이스에 저장된 제2표준각도데이터와 상기 제2측정값을 대비하면서 제2관성센서부를 보정하는 단계; 상기 제1지지부 또는 제2지지부를 상기 조인트부를 기준으로 관절각도를 변화시키면서 데이터 베이스에 저장된 표준관절각도데이터와 상기 제3측정값을 대비하면서 관절센서를 보정하는 단계; 및 보정된 제2관성센서부에서 측정된 제2측정값과, 보정된 관절센서에서 측정된 제3측정값을 기반으로 상기 제1관성센서부를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은 트레이닝 시스템에 있어서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 관절센서를 이용한 센서 오차보정장치; 상기 오차보정장치의 제1관성센서부와 제2관성센서부와 관절센서에서 측정된 측정데이터를 수신받는 수신유닛; 상기 수신유닛에서 수신받은 측정데이터를 기반으로 관절각도, 및 운동량에 따른 운동정보데이터를 산출하는 모션인지부; 및 상기 운동정보데이터를 기반으로 운동 동작, 자세를 분석하는 모션분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절센서를 이용한 센서 오차보정장치가 적용된 트레이닝 시스템으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 관절센서를 이용한 센서 오차 보정장치, 보정방법에 따르면, 신체의 관절에 부착되어 관절각도를 실시간으로 측정할 수 있는 관절센서에서 측정된 값을 기반으로, 신체에 부착된 각속도센서, 가속도센서 등의 오차를 보정할 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예예 따른 센서오차 보정장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1측정값과 제2측정값 및 제3측정값의 관계를 모식적으로 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 관절센서의 평면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서유닛과 FPCB 연결부의 평면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 유연기판에 다수의 U자형 센서부가 패터닝된 단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 유연기판에 다수의 U자형 센서부가 패터닝된 평면도,
도 7은 도 5에서 센서유닛의 끝단부에 FPCB를 부착한 상태의 단면도,
도 8은 도 6에서 센서유닛의 끝단부에 FPCB를 부착한 상태의 평면도,
도 9는 도 7에서 커넥터에 통신보드를 연결한 상태의 단면도,
도 10은 도 8에서 커넥터에 통신보드를 연결한 상태의 단면도,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다축 관절센서의 평면도,
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 상부팔에 제1자이로센서, 하부팔에 제2자이로센서, 팔꿈치에 관절센서가 부착된 상태의 팔,
도 13은 다리에 제1자이로센서와 제2자이로센서 무릎에 관절센서가 설치된 다리
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 관절센서를 이용한 센서 오차보정방법의 흐름도
도 15은 본 발명의 실시예에 따른 센서오차 보정장치가 적용된 트레이닝 시스템의 구성도,
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 센서오차 보정장치가 적용된 트레이닝 시스템을 이용한 트레이닝 정보 제공방법의 흐름도,
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 트레이닝 시스템의 활용예를 도시한 것이다.
본 발명은 센서들 간의 오차를 보정하기 위한 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 관절센서(30)를 이용하여 자이로센서 등과 같은 각속도센서와 가속도센서를 보정하기 위한 장치 및 방법에 대한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예예 따른 센서오차 보정장치(1)의 구성도를 도시한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 센서 오차 보정장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1관성센서부(10), 제2관성센서부(20), 보정부(40), 관절센서(30) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 보정장치(1)는 조인트부(4)를 기준으로 회동이 가능한 제1지지부(2)와 제2지지부(3)에서, 제1관성센서부(10)는 제1지지부(2) 일측에 구비되어 제1지지부(2)의 각도인 제1측정값을 실시간으로 측정하도록 구성된다.
또한, 제2관성센서부(20)는 일측 끝단이 제1지지부(2)의 타측 끝단과 조인트부(4)를 통해 연결되는 제2지지부(3) 일측에 구비되어 제2지지부(3)의 각도인 제2측정값을 실시간으로 측정하도록 구성된다.
또한, 관절센서(30)는 조인트부(4)에 장착되어 제1지지부(2)와 제2지지부(3) 사이의 관절각도인 제3측정값을 실시간으로 측정하게 된다.
그리고 보정부(40)는 관절센서(30)에서 측정된 제3측정값을 기반으로 제1관성센서부(10)와 제2관성센서부(20) 중 적어도 어느 하나의 오차를 보정하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 제1관성센서부(10)와 제2관성센서부(20)는 각속도 센서, 가속도 센서 및 자이로센서 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1측정값과 제2측정값 및 제3측정값의 관계를 모식적으로 나타낸 것이다.
보정부(40) 제1관성센서부(10)에서 측정된 제1측정값과 제2관성센서부(20)에서 측정된 제2측정값을 기반으로 산출된 관절각도와, 제3측정값을 대비하여 제1관성센서부(10)와 상기 제2관성센서부(20) 중 적어도 어느 하나의 오차를 보정하게 된다
도 2는 본 발명에 따른 제1측정값과, 제2측정값 및 제3측정값의 관계를 모식적으로 나타낸 도면을 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1관성센서부(10)는 제1지지부(2)의 각도인 제1측정값을 (θ1)을 측정하게 된다. 그리고, 제2관성센서부(20)는 제2지지부(3)의 각도인 제2측정(θ2)값을 측정하게 된다. 관절센서(30)는 제1지지부(2)와 제2지지부(3)의 사이각도인 관절각(θ3, 제3측정값)을 측정하게 된다.
제1측정값과 제2측정값을 기반으로 한 관절각도는 이하의 수학식 1로 정의될 수 있다.
[수학식 1]
관절각 = 180 - θ1 +θ 2
또한, 제1측정값과 제2측정값 및 제3측정값 간에는 이하의 수학식 2로 정의된다.
[수학식 2]
θ3 = 180°- θ1 +θ 2
따라서 제2관성센서부(20)를 보정하고자 할 때, 제1관성센서부(10)를 종래 기술에 따른 보정방법에 의해 보정한 후, 상기의 수학식 2로부터, 즉 관절센서(30)에서 측정된 제3측정값을 기반으로 제2관성센서부(20)를 보정할 수 있다.
또한, 제2관성센서부(20)를 보정하고자 할 때, 제1관성센서부(10)를 종래 기술에 따른 보정방법에 의해 보정한 후, 상기의 수학식 2로부터 즉 관절센서(30)에서 측정된 제3측정값을 기반으로 제2관성센서부(20)를 보정할 수 있다.
또한, 제1관성센서부(10)와 제2관성센서부(20) 및 관절센서(30)는 관절센서(30)는 3축 센서로 구성될 수 있다. 즉, 제1관성센서부(10)는 제1지지부(2)의 X, Y, Z방향의 각도를 실시간으로 측정하며, 제2관성센서부(20)는 X, Y, Z방향의 각도를 실시간으로 측정하도록 구성될 수 있고, 관절센서(30) 역시 X, Y, Z방향의 관절각도를 측정하도록 구성될 수 있다.
그리고 이러한 관절센서(30)의 X방향 관절각도 측정값을 기반으로 제1관성센서부(10) 또는 제2관성센서부(20)의 X방향 각도를 보정할 수 있고, 이러한 관절센서(30)의 Y방향 관절각도 측정값을 기반으로 제1관성센서부(10) 또는 제2관성센서부(20)의 Y방향 각도를 보정할 수 있으며, 이러한 관절센서(30)의 Z방향 관절각도 측정값을 기반으로 제1관성센서부(10) 또는 제2관성센서부(20)의 Z방향 각도를 보정할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 관절센서(30)의 구성에 대해 설명하도록 한다. 먼저 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 관절센서(30)의 평면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서유닛(32)과 FPCB(35) 연결부의 평면도를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 관절센서(30)는 신축성 관절센서로 구성되며, 유연기판(31)과, 센서유닛(32)과, 전극부(36)를 갖는 FPCB(35)와, 유연필름(37) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 센서유닛(32)은 유연기판(31) 상에 구비되며 신축성을 갖고 있다. 이러한 센서유닛(32)은 다수의 센서부(33)로 구성될 수 있으며, 센서부(33) 각각은 U자형태를 갖는다. 즉 끝단부(34)는 동일한 일측방향을 향하게 되며 타측은 절곡된 형태를 갖는다.
그리고, FPCB(35)는 내부에 다수의 전극부(36)가 구비되며, 도 4에 도시된 바와 같이 FPCB(35)의 일측은 일측이 센서유닛(32)의 끝단부(34)와 면접촉되도록 부착되며, 부착된 상태에서 내부에 구비된 전극부(36)는 센서유닛(32)의 끝단과 연결되게 된다. 그리고 유연필름(37)은 센서유닛(32)과 상기 FPCB(35)를 감싸도록 접착되게 된다.
앞서 언급한 바와 같이, 센서유닛(32)은, 복수의 U자형 센서부(33)로 구성될 수 있고, U자형 센서부(33) 끝단 각각은 FPCB(35)의 전극부(36)와 각각 연결되며, U자형 센서부(33)의 끝단부(34) 각각은 FPCB(35) 일측과 면접촉되어 지게 된다.
그리고, 복수의 전극부(36) 타측 끝단에는 커넥터(38)가 구비되어 통신보드(39)와 탈부착 연결이 가능하게 된다.
따라서 FPCB(35)가 센서유닛(32)의 끝단부(34)와 면접촉하게 부착되므로 장력에 대한 내구성을 향상시킬 수 있고, U자형 센서부(33)를 적용하므로 전극의 위치를 사용자가 원하는 방향에 배치할 수 있어 한방향으로 통신보드(39)를 연결할 수 있어 소형화가 가능하게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 관절센서(30)의 제작방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 신축성을 갖는 유연기판(31)을 준비하고, 이러한 유연기판(31) 상에 U자형 패턴을 갖는 센서부(33)를 다수 패터닝하여 센서유닛(32)을 유연기판(31)상에 제작하게 된다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 유연기판(31)에 다수의 U자형 센서부(33)가 패터닝된 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 유연기판(31)에 다수의 U자형 센서부(33)가 패터닝된 평면도를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 유연기판(31)상에 다수의 U자형 센서부(33)가 패터닝되어지며, U자형 센서부(33)의 모든 끝단부(34)는 한 방향을 향하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 센서부(33)의 끝단 각각이 전극부(36)와 연결되고, 센서유닛(32)의 끝단부(34)와 면접촉되도록 FPCB(35)를 부착시키게 된다. 도 7은 도 5에서 센서유닛(32)의 끝단부(34)에 FPCB(35)를 부착한 상태의 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 8은 도 6에서 센서유닛(32)의 끝단부(34)에 FPCB(35)를 부착한 상태의 평면도를 도시한 것이다.
이러한 FPCB(35) 내에는 다수의 전극부(36)가 구성되며, 이러한 전극부(36)가 센서부(33)와 연결되며 FPCB(35)가 센서유닛(32)과 교차되어 면접촉되도록 FPCB(35)를 부착시키게 된다. 또한, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, FPCB(35)의 전극부(36) 타측끝단은 커넥터(38)와 결합되게 됨을 알 수 있다. 그리고 FPCB(35)와 센서유닛(32)을 감싸도록 유연필름(37)을 부착시키게 된다.
그리고 커넥터(38)에 통신보드(39)를 연결하게 된다(S4). 도 9는 도 7에서 커넥터(38)에 통신보드(39)를 연결한 상태의 단면도를 도시한 것이다. 또한, 도 10은 도 8에서 커넥터(38)에 통신보드(39)를 연결한 상태의 단면도를 도시한 것이다.
제작된 신축성 관절센서(30)는 인체의 팔꿈치, 무릎, 손목, 발목 등 관절에 부착되게 되며 실시간으로 저항 변화값을 측정하여 관절각도를 산출하게 된다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신축성 다축 관절센서의 평면도를 도시한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 센서유닛(32)은, 제1열센서부(33-1)와 제2열센서부(33-2)를 포함하여 구성될 수도 있다. 제1열센서부(33-1)는 제1방향으로의 관절각도를 측정하기 위한 것이고, 제2열센서부(33-2)는 제2방향으로의 관절각도를 측정하기 위한 것이다. 따라서 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 다축방향에 대한 관절각도를 산출할 수 있게 된다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제1열센서부(33-1)는 길이방향이 제1방향으로 배열된 다수의 U자형 센서부로 구성되며, 제2열센서부(33-2)는 제1방향과 교차되는 제2방향으로 배열된 다수의 U자형 센서부로 구성될 수 있다. 또한, 제1열센서부(33-1)와 제2열센서부(33-2)의 끝단부(34) 각각은 FPCB(35)와 면접촉되게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 팔 끝단(손목) 부분의 위치(궤적)을 측정하기 위해서 앞서 언급한 제1관성센서부(10)는 3축제1자이로센서, 제2관성센서부(20)는 3축제2자이로센서로 구성되며 3축제1자이로센서(10)는 상부팔(2)에, 3축제2자이로센서(20)는 하부팔(3)에 부착하여 적용될 수 있다. 또 다른 실시예에　따르면, 3축제1자이로센서(10)는 상부다리(2), 3축제2자이로센서(20)는 하부다리(3)에 부착되어질 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 상부팔(2)에 제1자이로센서(10), 하부팔(3)에 제2자이로센서(20), 팔꿈치(4)에 관절센서(30)가 부착된 상태의 팔을 도시한 것이다. 또한, 도 13은 상부다리(2)에 제1자이로센서(10), 하부다리(3)에 제2자이로센서(20), 무릎(4)에 관절센서(30)가 설치된 다리를 도시한 것이다.
이론적으로 자이로센서(10, 20) 값이 정확하다면 팔 길이를 알고 있다는 가정하에서 손목의 위치를 계산할 수 있다.
하지만 실제적으로 자이로센서(10, 20)는 오차가 크고 시간이 지남에 따라 drift도 발생해서 믿을 수 있는 정보를 얻기 힘들다. 따라서 실시간으로 제1,제2자이로센서(10, 20)에서 나오는 각도값을 calibration 시켜야 하는 문제가 발생한다. 이를 위해서 각도값에 contraint를 부과하는 방법이 있다.
팔의 경우에는 상부 팔과 하부 팔이 팔꿈치 부분에서 서로 만나야 하는 제약조건을 가하면 상부 팔에 있는 제1자이로센서(10) 값을 기준으로 하부 팔에 있는 제2자이로센서(20) 값을 앞서 언급한 constraint를 만족하도록 보정부(40)를 통해 보정하면 보다 정확한 손목 위치 부분을 계산할 수 있게 된다.
여기에 팔꿈치의 실제 각도를 constraint로 더하면 하부 팔에 장착된 제2자이로센서(20) 각도값을 더 정확하게 계산할 수 있게 된다. 여기서 팔꿈치의 실제 각도는 관절센서(30)를 통해 측정할 수 있다. 즉 관절센서(30)를 팔꿈치 또는 무릎에 부착하여 제2자이로센서(20) 각도값을 더 정확하게 보정할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 관절센서(30)를 이용한 센서 오차보정방법에 대해 설명하도록 한다. 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 관절센서(30)를 이용한 센서 오차보정방법의 흐름도를 도시한 것이다.
먼저, 상부팔(2) 일측에 제1자이로센서(10)를 장착하고, 하부팔(3) 일측에 제2자이로센서(20)를 장착하고, 팔꿈치(4)에 관절센서(30)를 장착하게 된다(S1).
그리고, 제1자이로센서(10)에서 상부팔(2)의 각도를 실시간으로 측정하고, 제2자이로센서(20)에서 하부팔(3)의 각도를 실시간으로 측정하며, 관절센서(30)가 관절각도를 실시간으로 측정하게 된다(S2). 그리고 이러한 측정값을 기반으로 손목의 위치, 궤적 등을 계산하여 모션데이터를 분석하게 된다(S3).
그리고 자이로센서에 보정이 필요한 경우(S4), 보정부(40)가 제1자이로센서(10)에서 측정된 값과 제2자이로센서(20)에서 측정된 값을 기반으로 산출된 관절각도와, 관절센서(30)에서 측정된 값을 대비하여 제1자이로센서(10)와 제2자이로센서(20) 중 적어도 어느 하나를 보정하게 된다. 즉 앞서 언급한 수학식 2의 관계를 통해 관절센서(30)에서 측정된 관절각도인 제3측정값을 기반으로 제1자이로센서(10) 또는 제2자이로센서(20)를 보정하게 된다.
즉, 제2자이로센서(20)를 보정하고자 하는 경우, 먼저, 종래 공개된 방법에 의해 제1자이로센서(10)를 선보정하게 된다(S5). 예를 들어, 어깨를 고정한 상태에서 상부팔(2)을 어깨를 기준으로 천천히 각도를 변화시키면서 제1자이로센서(10)에서 측정된 값과 실제의 각도값 예를 들어 데이터베이스(50)에 저장된 제1표준각도데이터와 제1자이로센서(10)에서 측정된 값을 대비하면서 제1자이로센서(10)를 보정하게 된다.
그리고, 보정된 제1자이로센서(10)에서 측정된 값과, 관절센서(30)에서 측정된 값을 기반으로 제2자이로센서(20)를 보정하게 된다(S6).
보정이 완료된 후, 모션데이터 분석이 계속 필요할 경우(S7), 제1자이로센서(10)와 제2자이로센서(20)와 관절센서(30)에서 측정된 값을 통해 모션데이터 분석을 계속하게 된다.
이하에서는 앞서 언급한 오차보정장치가 적용한 트레이닝 시스템(100)에 대해 설명하도록 한다. 도 15은 본 발명의 실시예에 따른 센서오차 보정장치가 적용된 트레이닝 시스템의 구성도를 도시한 것이다. 또한, 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 센서오차 보정장치가 적용된 트레이닝 시스템을 이용한 트레이닝 정보 제공방법의 흐름도를 도시한 것이고, 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 트레이닝 시스템의 활용예를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 관절센서(30)를 이용한 센서 오차보정장치가 적용된 트레이닝 시스템(100)은 신체의 관절에 부착되는 앞서 언급한 제1관성센서부(10)와 제2관성센서부(20) 및 관절센서(30)에서 측정된 측정데이터를 수신받는 수신유닛(110)과, 수신유닛(110)에서 수신받은 측정데이터를 기반으로 관절각도, 및 운동량에 따른 운동정보데이터를 산출하는 모션인지부(120)와, 운동정보데이터를 기반으로 운동 동작, 자세를 분석하는 모션분석부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 관절센서(30)는 신체의 관절에 부착되고, 제1관성센서부(10)와 제2관성센서부(20)는 관절(4)을 매개로 하는 제1지지부(2)와 제2지지부(3) 각각에 부착되게 된다. 그리고 제1관성센서부(10)는 제1지지부(2)의 각도, 위치를 실시간으로 측정하고, 제2관성센서부(20)는 제2지지부(3)의 각도, 위치를 실시간으로 측정하며, 관절센서(30)는 관절(4)의 움직임에 따른 관절각도를 실시간으로 측정하게 된다. 그리고 그리고 수신유닛(110)은 실시간으로 측정데이터를 수신받게 된다(S10). 그리고 앞서 언급한 바와 같이, 제1관성센서부(10)와 제2관성센서부(20)의 보정이 필요한 경우 앞서 언급한 방법에 의해 보정하게 된다.
그리고 모션인지부(120)는 통신보드(39)를 통해 수신유닛으로 수신된 측정데이터를 기반으로 관절각도, 관절가동범위, 각속도에 대한 운동정보데이터를 산출하게 된다(S20). 즉 모션인지부(120)는 관절센서(30)(10)와, 가속도센서, 각속도센서, 자이로센서 등으로 구성된 제1, 제2관성센서부(10, 20)에서 측정된 값들을 전송받아 신체 움직임에 관한 운동정보를 수집할 수 있게 된다.
그리고 모션분석부(130)는 모션인지부(120)에서 생성한 운동정보데이터를 기반으로 운동 동작, 자세를 분석하게 된다(S30). 데이터베이스(50)에는 운동종류에 따른 표준 관절각도, 운동량, 운동자세에 대한 표준 운동정보데이터를 DB화하여 저장하고 있다.
따라서 모션분석부(130)는 이러한 표준 운동정보데이터와, 측정된 운동정보데이터를 비교분석하여 트레이닝 정보를 생성하게 된다. 그리고 정보 알림부(131)는 모션분석부(130)에서 분석된 비교분석데이터인 트레이닝 정보를 사용자에게 가이드하게 된다(S40)
또한, 수신유닛(110)과, 모션인지부(120)와, 모션분석부(130)와, 데이터베이스(50)와, 보정부(40)와, 상기 정보알림부(131)는 사용자 단말기 내에 구비되어 질 수 있다. 그리고 디스플레이부(132)를 포함하여 측정된 운동정보데이터와 표준운동정보데이터, 및 비교분석데이터를 지시에 따라 화면상에 표시하여 사용자에게 디스플레이할 수 있도록 구성될 수 있다.

Claims (10)

  1. 센서 오차 보정장치에 있어서,
    제1지지부 일측에 구비되어 상기 제1지지부의 각도인 제1측정값을 실시간으로 측정하는 제1관성센서부;
    일측 끝단이 상기 제1지지부의 타측 끝단과 조인트부를 통해 연결되는 제2지지부 일측에 구비되어 제2지지부의 각도인 제2측정값을 실시간으로 측정하는 제2관성센서부;
    상기 조인트부에 장착되어 상기 제1지지부와 상기 제2지지부 사이의 관절각도인 제3측정값을 실시간으로 측정하는 관절센서; 및
    상기 관절센서에서 측정된 제3측정값을 기반으로 상기 제1관성센서부와 상기 제2관성센서부 중 적어도 어느 하나를 보정하는 보정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절센서를 이용한 센서 오차 보정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 보정부는,
    상기 제1관성센서부에서 측정된 제1측정값과 상기 제2관성센서부에서 측정된 제2측정값을 기반으로 산출된 관절각도와, 상기 제3측정값을 대비하여 상기 제1관성센서부와 상기 제2관성센서부 중 적어도 어느 하나를 보정하는 것을 특징으로 하는 관절센서를 이용한 센서 오차 보정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1관성센서부와 상기 제2관성센서부는 각속도 센서 및 가속도 센서 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 관절센서를 이용한 센서 오차 보정장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 각속도 센서, 상기 가속도 센서 및 상기 관절센서는 3축 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 관절센서를 이용한 센서 오차 보정장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1지지부의 각도에 대해 기 설정된 제1표준각도데이터와, 상기 제2지지부의 각도에 대해 기 설정된 제2표준각도데이터, 상기 관절각도에 대해 기 설정된 표준관절각도데이터가 저장되는 데이터베이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관절센서를 이용한 센서 오차 보정장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1지지부는 인체의 상부팔이고, 상기 제2지지부는 인체의 하부팔이며, 상기 조인트부는 팔꿈치이거나, 또는
    상기 제1지지부는 인체의 상부다리이고, 상기 제2지지부는 인체의 하부다리이며, 상기 조인트부는 무릎인 것을 특징으로 하는 관절센서를 이용한 센서 오차 보정장치.
  7. 센서 오차 보정방법에 있어서,
    제1지지부 일측에 제1관성센서부를 장착하고, 일측 끝단이 상기 제1지지부의 타측 끝단과 조인트부를 통해 연결되는 제2지지부 일측에 제2관센서부를 장착하고, 상기 조인트부에 관절센서를 장착하는 단계;
    상기 제1관성센서부에서 상기 제1지지부의 각도인 제1측정값을 실시간으로 측정하고, 상기 제2관성센서부에서 제2지지부의 각도인 제2측정값을 실시간으로 측정하며, 상기 관절센서가 상기 제1지지부와 상기 제2지지부 사이의 관절각도인 제3측정값을 실시간으로 측정하는 단계; 및
    보정부가 상기 제1관성센서부에서 측정된 제1측정값과 상기 제2관성센서부에서 측정된 제2측정값을 기반으로 산출된 관절각도와, 상기 제3측정값을 대비하여 상기 제1관성센서부와 상기 제2관성센서부 중 적어도 어느 하나를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절센서를 이용한 센서 오차 보정방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 보정하는 단계는
    상기 제1지지부를 상기 제1지지부의 일측 끝단을 기준으로 각도를 변화시키면서 데이터 베이스에 저장된 제1표준각도데이터와 상기 제1측정값을 대비하면서 제1관성센서부를 보정하는 단계;
    상기 제1지지부 또는 제2지지부를 상기 조인트부를 기준으로 관절각도를 변화시키면서 데이터 베이스에 저장된 표준관절각도데이터와 상기 제3측정값을 대비하면서 관절센서를 보정하는 단계; 및
    보정된 제1관성센서부에서 측정된 제1측정값과, 보정된 관절센서에서 측정된 제3측정값을 기반으로 상기 제2관성센서부를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절센서를 이용한 센서 오차 보정방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 보정하는 단계는
    상기 제2지지부를 상기 조인트부를 기준으로 각도를 변화시키면서 데이터 베이스에 저장된 제2표준각도데이터와 상기 제2측정값을 대비하면서 제2관성센서부를 보정하는 단계;
    상기 제1지지부 또는 제2지지부를 상기 조인트부를 기준으로 관절각도를 변화시키면서 데이터 베이스에 저장된 표준관절각도데이터와 상기 제3측정값을 대비하면서 관절센서를 보정하는 단계; 및
    보정된 제2관성센서부에서 측정된 제2측정값과, 보정된 관절센서에서 측정된 제3측정값을 기반으로 상기 제1관성센서부를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절센서를 이용한 센서 오차 보정방법.
  10. 트레이닝 시스템에 있어서,
    제1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 관절센서를 이용한 센서 오차보정장치;
    상기 오차보정장치의 제1관성센서부와 제2관성센서부와 관절센서에서 측정된 측정데이터를 수신받는 수신유닛;
    상기 수신유닛에서 수신받은 측정데이터를 기반으로 관절각도, 및 운동량에 따른 운동정보데이터를 산출하는 모션인지부; 및
    상기 운동정보데이터를 기반으로 운동 동작, 자세를 분석하는 모션분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절센서를 이용한 센서 오차보정장치가 적용된 트레이닝 시스템.
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