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이기혁(K. H. Lee),강신일(S. I. Kang),조재성(J. S. Cho),임도형(D. H. Lim),이종실(J. S. Lee),김인영(I. Y. Kim) 한국재활복지공학회 2015 재활복지공학회논문지 Vol.9 No.2
본 논문은 자체 개발한 관성측정장치의 가속도, 각속도, 지자기계 데이터를 이용하여 보행거리를 측정하는 시스템 개발에 관한 것이다. 관성센서들의 오프셋 및 이득 오차를 최소화하기 위하여 9축의 자유도를 갖는 지그를 제작하였으며, 이를 이용하여 캘리브레이션을 수행하였다. 보행거리의 정확한 측정을 위하여, 기울기 하강법을 이용하여 가속도계의 중력성분 제거 및 보행패턴 분석을 통한 드리프트 성분을 제거하였다. 최종적으로 보정된 가속도 데이터의 이중적분을 통하여 보행거리를 측정하였다. 시스템의 성능 평가를 위하여, 실내 직선 10m 직선 보행에 대하여 캘리브레이션 전, 후 오차 개선 비율를 비교하였으며, 간단한 보행에 대해 Vicon과의 비교 실험을 수행하였다. 직선 보행에 대해서는 x, y, z축 각각에 대하여 31.4±14.38%(mean±S.D.), 78.64±10.84% 및 69.71±26.25% 개선이 되었음을 확인하였으며, Vicon과의 비교 실험 결과 x, y, z축 각각에 대하여 0.1m, 0.16m, 0.12m의 오차를 얻을 수 있었다. In this paper, we present an inertial sensor-based gait distance measurement system using accelerometer, gyroscope, and magnetometer. To minimize offset and gain error of inertial sensors, we performed the calibration using the self-made calibration jig with 9 degrees of freedom. For measuring accurate gait distance, we used gradient descent algorithm to remove gravity error and used analysis of gait pattern to remove drift error. Finally, we measured a gait distance by double-integration of the error-removed acceleration data. To evaluate the performance of our system, we walked 10m in a straight line indoors to observe the improvement of removing error which compared un-calibrated to calibrated data. Also, the gait distance measured by the system was compared to the measurement of the Vicon motion capture system. The evaluation resulted in the improvement of 31.40±14.38%(mean±S.D.), 78.64±10.84% and 69.71±26.25% for x, y and z axis, respectively when walked in a straight line, and a root mean square error of 0.10m, 0.16m, and 0.12m for x, y and z axis, respectively when compared to the Vicon motion capture system.
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조재성(J. S. Cho),강신일(S. I. Kang),이기혁(K. H. Lee),장성호(S. H. Jang),김인영(I. Y. Kim),이종실(J. S. Lee) 한국재활복지공학회 2015 재활복지공학회논문지 Vol.9 No.2
본 논문은 하지의 움직임을 측정하고 분석할 수 있는 관성센서 기반 보행분석 시스템에 관한 것이다. 본 시스템 구현을 위해 자이로스코프, 가속도계 및 지자계 신호를 이용한 자세·방위 측정장치 모듈을 일체형으로 개발하였으며, 다수의 모듈을 환자의 분절에 부착하여 공간상에서 각 분절의 방위각을 제공할 수 있도록 하였다. 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, yaw와 pitch에서 1.08, 1.72도의 평균 제곱근 오차를 얻을 수 있었다. 보행 분석 시스템의 성능 검증을 위하여 7개의 AHRS 모듈을 하지에 부착하고 고관절, 무릎, 발목에 대한 관절각을 계산하여, Vicon과의 비교 실험을 수행하였다. 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 gait analysis system to measure and analyze lower-limb movements. We developed an integral AHRS(Attitude Heading Reference System) 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. 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(Root Mean Square Error) of 1.08 and 1.72 degree in yaw and pitch angle. In order to evaluate the performance of our the gait analysis system, we compared the joint angle for the hip, knee and ankle with those provided by Vicon system. The result shows 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 limb or gait analysis during the post-stroke recovery.
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