본 논문은 몸 전체의 움직임을 측정하고 분석할 수 있는 관성센서 기반 모션 캡처링 시스템에 관한 것이다. 본 시스템 구현을 위해 자이로스코프, 가속도계 및 지자계 신호를 이용한 자세 방위 측정장치 모듈을 개발하였으며, 다수의 모듈을 환자의 분절에 부착하고 공간상에서 각 분절의 방위각을 계산하여 3차원 모션캡처를 수행하였다. 또한 재활과 관련된 많은 응용에 있어 중요한 생체역학 측정값인 신체 분절간의 관절각을 추출하는 알고리즘을 제안하였다. 개발한 자세 방위 측정장치 모듈의 성능을 평가하기 위하여 3차원 공간상의 변위 및 방위를 밀리미터 해상도로 제공할 수 있는 Vicon을 참조 측정 시스템으로 이용하였으며, 2.56도의 평균 제곱근 오차를 얻을 수 있었다. 실험 결과 본 연구에서 개발한 시스템은 뇌졸중 후 회복단계 동안 사지 및 보행 동작을 실시간으로 분석, 제공함으로서 재활의 효과, 난이도 조절 및 피드백 요소를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문은 몸 전체의 움직임을 측정하고 분석할 수 있는 관성센서 기반 모션 캡처링 시스템에 관한 것이다. 본 시스템 구현을 위해 자이로스코프, 가속도계 및 지자계 신호를 이용한 자세 방위 측정장치 모듈을 개발하였으며, 다수의 모듈을 환자의 분절에 부착하고 공간상에서 각 분절의 방위각을 계산하여 3차원 모션캡처를 수행하였다. 또한 재활과 관련된 많은 응용에 있어 중요한 생체역학 측정값인 신체 분절간의 관절각을 추출하는 알고리즘을 제안하였다. 개발한 자세 방위 측정장치 모듈의 성능을 평가하기 위하여 3차원 공간상의 변위 및 방위를 밀리미터 해상도로 제공할 수 있는 Vicon을 참조 측정 시스템으로 이용하였으며, 2.56도의 평균 제곱근 오차를 얻을 수 있었다. 실험 결과 본 연구에서 개발한 시스템은 뇌졸중 후 회복단계 동안 사지 및 보행 동작을 실시간으로 분석, 제공함으로서 재활의 효과, 난이도 조절 및 피드백 요소를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
In this paper, we present an inertial sensor-based motion capturing system to measure and analyze whole body movements. This system implements a wireless AHRS(attitude heading reference system) we developed using a combination of rate gyroscope, accelerometer and magnetometer sensor signals. Several...
In this paper, we present an inertial sensor-based motion capturing system to measure and analyze whole body movements. This system implements a wireless AHRS(attitude heading reference system) we developed using a combination of rate gyroscope, accelerometer and magnetometer sensor signals. Several AHRS modules mounted on segments of the patient's body provide the quaternions representing the patient segments's orientation in space. We performed 3D motion capture using the quaternion data calculated. And a method is also proposed for calculating three-dimensional inter-segment joint angle which is an important bio-mechanical measure for a variety of applications related to rehabilitation. To evaluate the performance of our AHRS module, the Vicon motion capture system, which offers millimeter resolution of 3D spatial displacements and orientations, is used as a reference. The evaluation resulted in a RMSE of 2.56 degree. The results suggest that our system will provide an in-depth insight into the effectiveness, appropriate level of care, and feedback of the rehabilitation process by performing real-time limbs or gait analysis during the post-stroke recovery process.
In this paper, we present an inertial sensor-based motion capturing system to measure and analyze whole body movements. This system implements a wireless AHRS(attitude heading reference system) we developed using a combination of rate gyroscope, accelerometer and magnetometer sensor signals. Several AHRS modules mounted on segments of the patient's body provide the quaternions representing the patient segments's orientation in space. We performed 3D motion capture using the quaternion data calculated. And a method is also proposed for calculating three-dimensional inter-segment joint angle which is an important bio-mechanical measure for a variety of applications related to rehabilitation. To evaluate the performance of our AHRS module, the Vicon motion capture system, which offers millimeter resolution of 3D spatial displacements and orientations, is used as a reference. The evaluation resulted in a RMSE of 2.56 degree. The results suggest that our system will provide an in-depth insight into the effectiveness, appropriate level of care, and feedback of the rehabilitation process by performing real-time limbs or gait analysis during the post-stroke recovery process.
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문제 정의
본 논문은 재활과 관련된 많은 응용에 있어 중요한 생체역학 측정값인 신체 분절간의 관절각을 추출하기 위해서 개발한 AHRS에서 전송된 오일러 각의 신뢰성을 평가하고자 제작한 강체 모델(rigid body model)에 카메라 인식용 마커와 AHRS 모듈을 셋팅하고, Vicon(T-Series, Vicon Motion System, UK)과 결과 값을 비교하였다.
본 연구는 뇌졸중 후 회복단계 동안 사지 및 보행 분석을 실시간으로 제공하기 위하여 관성센서 기반 전신 모션 캡처 시스템을 개발하였다. 특히, 각 분절의 회전각을 구하기 위하여 자세·방위 측정 장치 모듈을 개발하였으며, 다수의 모듈을 환자의 분절에 부착하고 공간상에서 각 분절의 방위각을 계산하여 3차원 모션 캡처가 가능하도록 하였다.
본 연구에서는 관성센서를 이용하여 재활 시 해당 신체 부위의 동역학 정보를 정량적으로 분석, 제공하기 위한 모션 캡처 시스템을 개발하였다. 특히, 소형화된 AHRS(Attitude Heading Reference System) 모듈을 개발하였으며, 이들 모듈을 신체의 각 분절에 부착하여 각 분절의 방위 정보를 블루투스 무선통신을 통해 PC로 전송하고 3D 인간 모델에 적용하여 3D 모션 캡처를 수행할 수 있는 소프트웨어를 개발하였다.
본 연구에서는 신체의 각 분절에 부착하여 각 분절의 동역학적 움직임을 객관적으로 측정할 수 있는 관성센서 기반 자세·방위 측정장치 모듈을 설계 제작하였다.
본 연구에서는 인체 각 분절에 부착한 AHRS 모듈로부터 전송된 각 분절의 방위각인 오일러각을 기반으로 하여 그림 4와 같은 모션 캡처 시스템 소프트웨어를 제작하였으며, 본절에서는 각 분절의 오일러각을 이용한 모션 캡처 방법에 대해 기술하였다.
제안 방법
AHRS와 Vicon 시스템의 샘플링 주파수는 100Hz로 동일하게 설정하였으며, 실험은 3분 동안 강체 모델의 회전에 대한 오일러 각을 각각 측정하였다.
각 관절에 대한 모션을 캡처 및 관절각 계산을 위하여 총 12개의 분절로 나누어 구성 하였으며, 3DS 확장자 파일로 각각 저장하여 오일러 각을 제공 할 수 있도록 하였다. Visual studio 2008 MFC(Visual studio 2008, Microsoft, USA)로 포트 설정을 하고 3DS MAX로 작업한 객체를 OpenGL (OpenGL, Silicon Graphics, USA) 라이브러리를 사용하여 각 분절의 실시간 동작 분석을 수행하였다.
그림 4에서 보여주는 소프트웨어는 사지 및 보행 동작을 실시간으로 분석하기 위하여 3DS MAX(3DS MAX 2010, Autodesk, USA)에서 지원하는 바이페드(Biped) 모델을 수정하여 사용하였다. 각 관절에 대한 모션을 캡처 및 관절각 계산을 위하여 총 12개의 분절로 나누어 구성 하였으며, 3DS 확장자 파일로 각각 저장하여 오일러 각을 제공 할 수 있도록 하였다. Visual studio 2008 MFC(Visual studio 2008, Microsoft, USA)로 포트 설정을 하고 3DS MAX로 작업한 객체를 OpenGL (OpenGL, Silicon Graphics, USA) 라이브러리를 사용하여 각 분절의 실시간 동작 분석을 수행하였다.
또한 재활에 있어 중요한 요소인 신체 각 분절(segment)간의 관절각(joint angle)을 추출하는 알고리즘을 제안하였다. 개발한 시스템을 재활 및 운동 능력 평가에 객관적인 지표로 적용하기 위해 기존에 상용화 된 제품을 이용하여 검증 및 평가하였다.
관절각 45, 90, 135, 180도 회전에 대해 오차에 대한 성능 검증을 위하여 각도계를 놓고 10회 반복 실험을 수행하였으며, 실험 결과는 표 1과 같다. 실험 결과 최대 1.
그림 4에서 보여주는 소프트웨어는 사지 및 보행 동작을 실시간으로 분석하기 위하여 3DS MAX(3DS MAX 2010, Autodesk, USA)에서 지원하는 바이페드(Biped) 모델을 수정하여 사용하였다. 각 관절에 대한 모션을 캡처 및 관절각 계산을 위하여 총 12개의 분절로 나누어 구성 하였으며, 3DS 확장자 파일로 각각 저장하여 오일러 각을 제공 할 수 있도록 하였다.
그림 6은 강체 모델을 이용하여 AHRS에서 전송된 오일러 각을 평가하기 위한 실험으로서, 1개의 AHRS 모듈과 Vicon 모션 캡처 시스템(10대의 적외선 카메라와 12개 마커를 이용)과의 비교함으로서 성능 평가를 수행하였다.
두 시스템 간의 동기화를 맞추기 위해 실험 시작 시 트리거(trigger)를 준 시점부터 데이터를 비교하였으며, 동일한 프로토콜로 10회 실험을 반복하였다. 실험 결과 평균 제곱근 오차는 2.
그림 9는 재활 시 신체 분절 간의 관절각을 측정하기 위한 알고리즘을 검증하기 위해서 제작한 지그이다. 두개의 분절에 부착한 AHRS 모듈을 부착하여 각 모듈에서 전송되는 오일러 각을 이용하여 3.2절에서 기술한 관절각을 계산하였다.
특히, 각 분절의 회전각을 구하기 위하여 자세·방위 측정 장치 모듈을 개발하였으며, 다수의 모듈을 환자의 분절에 부착하고 공간상에서 각 분절의 방위각을 계산하여 3차원 모션 캡처가 가능하도록 하였다. 또한 재활과 관련된 많은 응용에 있어 중요한 생체역학 측정값인 신체 분절간의 관절각을 추출하는 알고리즘을 제안하였다.
특히, 소형화된 AHRS(Attitude Heading Reference System) 모듈을 개발하였으며, 이들 모듈을 신체의 각 분절에 부착하여 각 분절의 방위 정보를 블루투스 무선통신을 통해 PC로 전송하고 3D 인간 모델에 적용하여 3D 모션 캡처를 수행할 수 있는 소프트웨어를 개발하였다. 또한 재활에 있어 중요한 요소인 신체 각 분절(segment)간의 관절각(joint angle)을 추출하는 알고리즘을 제안하였다. 개발한 시스템을 재활 및 운동 능력 평가에 객관적인 지표로 적용하기 위해 기존에 상용화 된 제품을 이용하여 검증 및 평가하였다.
본 모듈에서 관성센서는 자이로스코프(L3G4200D, STMicroelectronics, Switzerland)와 가속도계/지자계(LSM303DLM, STMicroelectronics, Switzerland) 일체형 센서를 이용하였으며, 이들 신호는 각각 100Hz로 SPI, I2C 통신을 통해 마이크로컨트롤러로 전송되도록 프로그래밍하였다.
본 연구에서는 그림 3에서 보여주는 바와 같이 가속도계 및 지자계 센서의 정보를 이용하고 기울기 하강법[8]을 적용하여 신뢰할 수 있는 방위각을 측정할 수 있도록 하였다.
신체 분절에 부착한 AHRS 모듈들로부터 전송된 오일러 각들을 이용하여 그림 4의 프로그램을 이용하여 인체 3D 모델에 적용함으로 실시간 모션 캡처가 잘 이루어짐을 주관적으로 판단하였으며, 관절각 추출 알고리즘의 성능을 평가하기 위해 지그(jig)를 제작하여 두 개의 AHRS 모듈을 부착해 굴곡/신전 각도를 객관적으로 평가하였다.
신체에 다수의 AHRS 모듈을 부착하고 모션 캡처 프로그램(그림 4)을 이용하여 전신 모션 캡처를 수행하였다. 그림 8은 신체의 분절에 10개의 AHRS 모듈을 부착하고 다양한 동작을 수행하면서 모션캡처를 수행한 결과 그림이다.
즉, 총 16개까지의 확장이 가능하도록 하였다. 오일러각은 yaw, pitch, roll 각각에 대하여 3바이트를 할당하여, 소숫점 3자리까지 제공할 수 있도록 하였다.
재활과 관련된 많은 응용에 있어 중요한 생체역학 측정값인 신체 분절간의 관절각을 추출하는 알고리즘을 제안하였다. 그림 5는 인접한 분절(segment)간의 관절각(joint angle)을 구하는 알고리즘에 대한 개념도로서 경골(tibia) 및 대퇴골(femur) 사이의 관절각을 예시로 한 것이다.
AHRS 모듈들을 신체의 각 분절에 부착하여 모션을 캡처, 분석하기 위해서는 모듈간에 구분이 되어야 하므로 그림 2에서와 같이 헤더(header)에 모듈 아이디로 0x80∼0x8F를 부여할 수 있도록 하였다. 즉, 총 16개까지의 확장이 가능하도록 하였다. 오일러각은 yaw, pitch, roll 각각에 대하여 3바이트를 할당하여, 소숫점 3자리까지 제공할 수 있도록 하였다.
신체의 각 분절에 부착하여 위치가 지정되면 그림 4와 같은 자세를 취하고 캘리브레이션을 실행하여 가상의 3차원 공간을 인식시킨다. 캘리브레이션이 완료 되면 소프트웨어에서는 신체의 움직임을 인식하여 공간상에서 각 분절의 오일러각 정보를 추출하여 모션캡처가 가능하도록 프로그래밍하였다.
특히, 각 분절의 회전각을 구하기 위하여 자세·방위 측정 장치 모듈을 개발하였으며, 다수의 모듈을 환자의 분절에 부착하고 공간상에서 각 분절의 방위각을 계산하여 3차원 모션 캡처가 가능하도록 하였다.
본 연구에서는 관성센서를 이용하여 재활 시 해당 신체 부위의 동역학 정보를 정량적으로 분석, 제공하기 위한 모션 캡처 시스템을 개발하였다. 특히, 소형화된 AHRS(Attitude Heading Reference System) 모듈을 개발하였으며, 이들 모듈을 신체의 각 분절에 부착하여 각 분절의 방위 정보를 블루투스 무선통신을 통해 PC로 전송하고 3D 인간 모델에 적용하여 3D 모션 캡처를 수행할 수 있는 소프트웨어를 개발하였다. 또한 재활에 있어 중요한 요소인 신체 각 분절(segment)간의 관절각(joint angle)을 추출하는 알고리즘을 제안하였다.
획득된 각속도, 가속도, 지자계 값들을 조합하여 2.2절에서 설명할 기울기 하강법(gradient descent algorithm)을 이용하여 AHRS 모듈의 방위 값인 오일러각(Euler angle) yaw, pitch, roll 값을 구하고, 이들 값들을 블루투스 모듈(EZ430-RF2560, TI, USA)을 통해 무선으로 PC로 전송하도록 하였다.
대상 데이터
본 모듈은 무선시스템으로 효율적인 소모 전력 관리를 위하여 저전력을 지원하는 마이크로컨트롤러(MSP430F5338, TI, USA)를 사용하였으며, 배터리는 마이크로컨트롤러의 적정 구동 전압 및 장시간의 데이터 측정을 위하여 충전 가능한 리튬폴리머 배터리(240mAh, 3.7V, DTP, China)를 사용하였다.
성능/효과
개발한 시스템 검증을 위하여 Vicon을 참조 측정 시스템으로 이용하였으며, 2.56도의 평균 제곱근 오차를 얻을 수 있었으며, 오차 범위가 0.8% 이내로 발생함을 확인하였다. 또한 12개의 분절로 이루어진 전신(하지) 모델을 만들어 실시간 모션 캡처링이 가능함을 확인하였고, 관절각 추출 알고리즘 성능 평가 결과는 회전 운동에 대한 분석된 관절각의 표준 편차 범위가 1.
8% 이내로 발생함을 확인하였다. 또한 12개의 분절로 이루어진 전신(하지) 모델을 만들어 실시간 모션 캡처링이 가능함을 확인하였고, 관절각 추출 알고리즘 성능 평가 결과는 회전 운동에 대한 분석된 관절각의 표준 편차 범위가 1.32도 이내로 추정되는 것을 확인하였다. 결과에서 얻은 관절각 오차는 사지 및 보행 분석에 있어 허용오차 범위라고 판단되며, 제작한 AHRS에서 사용하는 자이로스코프와 가속도계/지자계 센서를 일체형으로 교체함으로서 센서간의 정합상의 어긋남에서 발생하는 오차를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
그림 8은 신체의 분절에 10개의 AHRS 모듈을 부착하고 다양한 동작을 수행하면서 모션캡처를 수행한 결과 그림이다. 실험 결과 실시간 움직임에 대해 데이터의 손실 없이 실시간 모션 캡처가 가능함을 확인하였다.
관절각 45, 90, 135, 180도 회전에 대해 오차에 대한 성능 검증을 위하여 각도계를 놓고 10회 반복 실험을 수행하였으며, 실험 결과는 표 1과 같다. 실험 결과 최대 1.32도의 오차를 보였다.
두 시스템 간의 동기화를 맞추기 위해 실험 시작 시 트리거(trigger)를 준 시점부터 데이터를 비교하였으며, 동일한 프로토콜로 10회 실험을 반복하였다. 실험 결과 평균 제곱근 오차는 2.56도이고, 표준 편차는 0.61도로서 평균 오차는 0.71%로 동작함을 확인할 수 있었다.
후속연구
32도 이내로 추정되는 것을 확인하였다. 결과에서 얻은 관절각 오차는 사지 및 보행 분석에 있어 허용오차 범위라고 판단되며, 제작한 AHRS에서 사용하는 자이로스코프와 가속도계/지자계 센서를 일체형으로 교체함으로서 센서간의 정합상의 어긋남에서 발생하는 오차를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 개발 된 모션 캡처 시스템을 활용한다면 착용의 불편함과 제한된 환경 조건이 없고, 저가의 비용으로 사지 및 보행 동작에 대해 실시간으로 객관적인 데이터를 제공함으로서 재활의 효과, 난이도 조절 및 피드백 요소를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
뇌졸중은 무엇을 초래하는가?
뇌졸중(stroke)은 지속적인 신경학적 후유증 뿐만 아니라 신체적인 상태 악화 장애를 야기시킨다. 일반적으로 뇌졸중 환자는 유산소 능력이 감소되는데 이로 인해 심한 근육위축, 근육 내 지방 증가와 비만은 물론이고, 안정(resting) 상태에서 혈류량이 정상인에 비해 줄어들어 뇌혈관이 좁아져 막히면서 결국 뇌손상을 일으킨다.
뇌졸중 환자에게 발목, 무릎, 고관절 굴곡/신전 각도가 줄어드는 현상이고 느린 보행속도 및 줄어든 보폭과 보행주기가 증가된 유각기 등의 특성이 나타나는데 그 원인은 무엇인가?
또한 느린 보행속도 및 줄어든 보폭과 보행주기가 증가된 유각기(swing period) 등의 특성들을 보인다. 이러한 변화의 주요한 요인은 뇌성마비 혹은 근 긴장상태와 무릎과 고관절 신근(extensor muscle)의 악화로 인한 변화로 알려져 오고 있다[3].
일반적으로 뇌졸중 환자들이 가지고 있는 특징은 무엇인가?
뇌졸중(stroke)은 지속적인 신경학적 후유증 뿐만 아니라 신체적인 상태 악화 장애를 야기시킨다. 일반적으로 뇌졸중 환자는 유산소 능력이 감소되는데 이로 인해 심한 근육위축, 근육 내 지방 증가와 비만은 물론이고, 안정(resting) 상태에서 혈류량이 정상인에 비해 줄어들어 뇌혈관이 좁아져 막히면서 결국 뇌손상을 일으킨다. 이러한 증상들은 심혈관 질환의 악화와 뇌졸중을 일으키는 원인이 되며, 발병 후 한쪽 상지 혹은 하지의 운동 기능을 손상시켜 균형 감각을 상실하게 된다[1].
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