연속적 데이터 획득을 위한 착용형 무선 지면 반력 측정 시스템
Wireless Wearable GRF Sensing System for Continuous Measurements
이동관1, 정용록1, 구광민1, 김정1,
Dongkwan Lee1, Yongrok Jeong1, Gwang Min Gu1, and Jung Kim1,
1 한국과학기술원 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, KAIST)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-42-350-3231
Manuscript received: 2014.8.7 / Revised: 2015.2.6 / Accepted: 2015.2.11This paper presents a wireless ground reaction force (GRF) sensing system for ambulatory GRF recording. The system is largely divided into three parts: force sensing modules based on optical sensor, outsole type frame, and embedded system for wireless communication. The force sensing module has advantages of the low height, robustness to the moment interference, and stable response in long term use. In simulation study, the strain and stress properties were examined to satisfy the requirements of the GRF sensing system. Four sensing modules were mounted on the toe, ball, and heel of foot shaped frame, respectively. The GRF signals were extracted using Micrpcontroller unit and transferred to the smart phone via Bluetooth communication. We measured the GRF during the normal walking for the validation of the continuous recording capability. The recorded GRF was comparable to the off the shelf stationary force plate.
Key Words: Ground reaction force (지면 반력), Gait analysis (보행 분석), Optical sensor (광센서), Wearable system (착 용형 시스템), Wireless (무선)
1. 서론
사람의 보행을 분석하는 연구는 재활 치료,
1보 행 보조 로봇,
4질병 진단
17등의 목적으로 다양하 게 활용되고 있다. 최근에는 신경, 근육 손상으로 인한 보행 이상을 체크하거나 뇌성마비 등의 질환 에 있어서 수술 여부를 결정하는 과정에도 활용되 고 있다.
3이런 보행 분석을 위해 힘판(force plate) 을 이용한 지면반력 측정방법이 일반적으로 적용 되고 있다. 힘판은 측정할 수 있는 영역이 제한되 고, 힘판 위의 한정된 걸음에 대해서만 지면반력
을 측정할 수 있기 때문에 연속적인 걸음을 측정 하기 위해서는 복수의 힘판을 보폭에 맞게 배치 해야 한다. 또한 힘판은 고가의 장비이기 때문에 복수의 힘판을 사용하는 것은 비용적인 부담이 크 며 운용 가능 대상은 연구기관 등으로 한정된다.
이러한 단점을 보완하기 위해 다양한 착용형 지면반력 측정 시스템이 제안되었다. 착용형 시스 템은 공간적인 제약없이 경사, 계단 등의 다양한 환경에서도 사용할 수 있을 뿐만 아니라 발바닥 전체가 아닌 발뒤꿈치, 중족관절, 엄지발가락 부위 등 센서가 배치되는 곳에 대해 부분적인 힘을 측 __________
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정할 수 있기 때문에 보행주기를 분류하는데 유용 하게 사용되고 있다.
11-13,15,16,18이러한 착용형 시스 템은 보행 분석 정보를 실험실 환경뿐 아니라 일 상생활에서도 활용할 수 있기 때문에 앞서 언급된 기존의 보행 분석 응용분야에 확장시켜 적용할 수 있다. 현재까지 제안된 착용형 지면반력 시스템에 는 저항방식(Force Sensing Resistor),
2압력 측정방 식,
9스트레인 게이지 방식
14등이 있다. 저항방식 은 얇은 필름형태로 유연하여 신발내부에 배치할 수 있지만 용량이 작고, 내구성이 떨어지며, 반응 시간이 느리기 때문에 크기정보를 사용하기보다 활성화/비활성화 정도의 정보획득을 위한 스위치 정도로 활용되고 있다. 압력센서는 측정 범위 내 에서 선형적이고 오차율이 크게 변하지 않지만, 부하되는 힘의 위치에 따라 반응 시간(response time) 이 불규칙하며 압력을 힘으로 환산할 수 있지 만 정확한 측정값을 얻기에는 한계가 있다. 정확 한 지면반력 측정을 위해 가장 널리 사용되고 있 는 스트레인게이지 방식의 센서는 노이즈에 민감 하고, 출력 전압이 낮아 추가적인 전압증폭기 (Amplifier) 를 사용해야 하는 단점이 있다. 힘센서 의 무선화를 위해서는 힘센서의 출력전압이 임베 디드 시스템에서 사용되는 ADC (Analog to digital converter) 의 분해능 이상이 되어야 하는데 스트레 인게이지의 자체 출력만으로는 ADC에서 신호 검 출이 불가능하다. 또한 기존의 센서 시스템은 지 면반력이 직접적으로 센싱유닛(스트레인게이지, FSR(force sensing resistor) 등)에 전달되어 반복적인 하중이 부하될 경우 출력특성이 크게 떨어져 장시 간 측정에서는 정확한 측정값을 얻을 수 없는 것 으로 보고되었다.
10이러한 기존 착용형 지면반력 센서의 단점을 보완하기 위하여 광센서기반의 힘 센서가 제안되었다.
5-8제안된 광센서 기반 힘센서 는 ‘ㄷ’자 모양의 광센서를 사용하여 광센서의 수 광부와 발광부 사이에 가림막(interrupter)을 설치하 여 모듈의 변형에 따른 출력전압의 차이를 이용하 여 힘을 측정하는 방식으로 가림막의 가공과 조립 을 수십 마이크로미터 스케일로 해야한다는 어려 움이 있다.
16광센서는 수광부에 전달되는 빛의 강 도에 따라 출력전압이 달라지는 센서특성을 활용 한 것으로, 탄성체에서 발생한 변형량에 따라 달 라지는 빛의 강도차이를 이용해 힘을 추정하는 방 법으로 반응시간이 빠르고 반복성이 우수하며 별 도의 증폭기없이 TTL 레벨의 출력전압을 갖기 때 문에 무선화를 위한 착용형 센서 시스템에 적합하
다. 하지만 센서의 배치와 부착등에 어려움이 있 어, 본 연구에서는 기존 착용형 시스템의 제한점 을 보완하고 가공성 및 조립성이 우수한 센서 모 듈을 제안하고자 한다. 반사형 광센서를 이용한 힘센서 모듈을 이용해 시스템의 높이를 10 mm 이 하로 낮추었으며, 무선 통신방식을 적용해 휴대성 이 향상되었다. 개발된 센서 모듈에 대해서 선형 성과 반복성을 확인하는 실험이 진행되었고(2장) 센서 시스템에 대해서는 힘판과의 비교를 통해 지 면 반력 측정의 신뢰성을 평가했다(3장).
2. 센서 설계 및 평가 2.1 설계
센서 모듈은 Fig. 1과 같이 힘이 가해지는 부분 인 안루미늄 탄성체와 광센서가 부착되는 PCB로 구성되어 있다. 탄성체의 중앙 부분에 1 mm의 돌 출된 부분이 힘의 작용점에 해당하며 작용점에 하 중이 가해지면, 광센서와 반사판 사이의 거리가 달라져 출력 전압이 달라지기 때문에 센서에 가해 진 힘의 추정이 가능하게 된다. 탄성체는 가해진 힘에 따라 선형적인 변형을 해야 하며, 수직방향 힘 만을 측정하는 것을 목표로 했기 떄문에 수평방향 힘에 의한 모멘트 등에 대한 영향이 최소화 되어야 한다. Fig. 2(a)의 응력해석 시뮬레이션 (Solidworks 2013) 결과에서 600 N의 힘이 수직방향으로만 가 해질 때 중심 부분에서 발생하는 결과 변위는 약 0.4387 mm 이며 600 N의 수직방향 힘과 100 N의 수평방향 힘이 동시에 가해질 때 중심부분에서 발 생하는 결과 변위는 약 0.4388 mm로 0.1 um의 차 이로 결과에 유의미한 영향을 주지 않는 것을 확 인했다. 즉, 원통 형태의 탄성체는 수직방향의 힘 에 의해서는 변형이 발생하나 수평방향으로 인한
Fig. 1 Assembly diagram of proposed FMU
모멘트에 의한 변형률이 매우 작다. 수직방향의 힘을 변화시켜가면서 시뮬레이션 해본결과 가해진 힘에 선형적으로 결과변위가 발생함을 확인했다.
시뮬레이션이 결과변위를 측정하기 위해 Fairchild 사의 반사형 광센서인 QRE1113GR 모델 이 사용되었다. 광센서는 발광부와 수광부로 구성 되어 있으며 반사판과의 거리에 따라서 수광부에 들어오는 빛의 양이 달라지고 이에 따라 출력 전
압이 달라진다. 광센서의 작동에 필요한 회로와 출력 전압 단자를 PCB로 제작해 알루미늄 탄성체 에 조립할 수 있도록 했다. Fig. 3은 반사판과 광센 서 사이의 거리에 따른 광센서의 출력 전류를 나 타 낸다. 0.5 mm 이하의 거리에서 거리가 증가함에 따라 출력전압이 선형적으로 증가하는 것과 1 mm 에서 2 mm 사이에서 출력전압이 선형적으로 감소 하는 것을 볼 수 있다. 이 중 0.5 mm 이하의 구간 을 이용할 경우 모듈의 변형량 대비 출력전압 변 화율이 커 탄성체의 변형량과 크기를 줄일 수 있 다. 그러나 광센서의 가공오차는 0. 1 mm이며 광센 서마다 거리/전압 특성도 완벽하게 일치하지는 않 기 때문에 수작업으로 50 um 수준의 간격을 두고 광센서를 배치하면서 출력전압을 확인해야 한다.
이러한 광센서 배치의 어려움으로 센서 조립이 용 이하지 않을 뿐만 아니라 제작된 센서 마다의 개 별적인 특성차이가 커지는 문제가 발생한다. 따라 서 1 mm에서 2 mm 사이의 선형적인 구간을 이용 하여 모듈과 센서의 가공오차에 민감하지 않으며 조립이 편리한 센서를 제작했다. 1 mm에서 2 mm사 이의 구간에서 탄성체의 변형이 이루어지도록 하 기 위해서 재질(Al 2024-T4)과 높이, 직경 등의 변 수를 Solidworks 시뮬레이션을 이용해 선정했다.
2.2 교정(Calibration)
제작된 센서의 힘에 따른 출력 전압 관계를 확 인하기 위해 Fig. 4와 같이 상용센서와 제작된 센 서를 직렬로 배치하고 동시에 힘을 가할 수 있도 록 수동 테스트베드를 제작했다. 상용센서는 KTOYO 사의 247S-200 소형 로드셀을 이용했다.
(a) 600 N normal force applied only
(b) 600 N normal force and 100 N shear force applied simultaneously
Fig. 2 Comparison of the displacement plot
Fig. 3 Output current of QRE1113GR photo sensor in accordance with the distance between the sensor and an object
Fig. 4 Manual testbed for the linearity test and
motorized testbed for the repeatability test
Fig. 5 에는 센서에 0 N에서 600 N까지의 힘을 연속 적으로 가했을 때의 출력전압과 선형 근사 후의 오차가 나타나 있다. 발생하는 오차의 RMS 평균 은 14.2 N이며 오차의 최대값은 최대 측정 용량(60 N) 대비 약 5.5%이다.
센서의 탄성체는 안전계수를 고려하여 1200 N 까지 선형성을 갖지만, 광센서의 출력전압 특성이 완벽한 선형이 아니기 때문에 600 N에 한하여 위 와 같은 정확성을 보장한다. 일반적인 성인 남성 의 무게는 75 kg으로 센서 한 개의 용량을 벗어나 지만, 정상 보행시 무게가 각각의 센서에 분산되 어 가해지기 때문에 각각의 센서에 가해지는 힘은 600 N 을 넘어서지 않는다. 하나의 센서에 가장 큰힘 이 가해질 수 있는 초기 접지기(Heel strike)는 짧은 시간 안에 이루어지기 때문에 전체 보행주기에 대 한 지면반력 측정 값에는 큰 영향을 주지 않는다.
2.3 반복성 평가
지면반력은 정상 보행 중에 보행 주기에 따라 반복적으로 나타나며, 하중이 오랜 시간 동안 주 기적으로 나타나는데, Fig. 10에서 발의 앞부분에 장착된 세 개의 센서에 대해 각각 250 N에서 300
N 까지의 힘이 반복적으로 작용하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 반복적인 가해지는 힘에 대한 센 서의 출력 전압 특성을 알아보기 위해 센서에 약 3.5 초 마다 약 300 N의 힘을 1초 동안 유지하는 실 험을 진행했다. 반복성은 센서 출력이 같은 외력 에 대해 얼마나 일관된 출력을 내는지 확인할 수 있는 지표이며, 지면반력 측정에서는 주기적인 힘 이 가해지기 때문에 정역학(static) 조건이 아닌 주 기적인 외력에 대한 센서의 출력전압을 확인했다.
동일한 힘을 반복적으로 가하기 위해 모터와 리니 어 가이드를 이용하여 균일한 힘이 반복적으로 부 하되도록 부하조건을 제어했다. Fig. 6은 반복 하중 을 가한 초기 1분과 120분 경과 후의 측정값을 나 타낸다. 120분 경과 후 반복하중의 피크값에 대해 3.4 % 감소하여 시간당 1.7 %의 감소율을 나타냈다.
시간에 따른 센서 출력 전압의 감소는 모터의 반복적인 움직임에 의해 센서모듈과 부하부분에 반복적인 접촉이 일어났고, 이로 인해 내부의 온 도가 소폭 상승하여 광센서의 출력 전압이 저하된 것으로 판단된다. 광센서의 출력 전압은 주변환경 의 온도가 증가함에 따라 선형적으로 감소한다.
이 현상은 기존의 저항타입도 유사하게 발생하며 저항타입의 출력 전압 시간특성은 시간 당 약 40 % 감소율을 보이는 것에 비해 매우 작은 수준 이다.
0 100 200 300 400 500 600
0.8 1 1.2 1.4 1.6
Applied force(N)
Sensor output(V)
(a)
2 4 6 8 10
0 200 400 600
Time(s)
Force(N)
Force sensor Proposed Eerror
(b)
Fig. 5 (a) Linearity relation between output voltage and applied force, (b) calibration result: estimated force using measured sensor output voltage applied force from force sensor
0.8 0.85 0.9 0.95 1
0 100 200 300
Fo rc e(N)
Time(Min.)
(a) Initial response for 1 minute
119.8 119.85 119.9 119.95
0 100 200 300
Fo rc e(N)
Time(Min.)
(b) After two hours (120 min.) reapeated loading
Fig. 6 Measured force sensor signal
3. 센서 시스템 3.1 센서 프레임
센서 시스템은 Fig. 7과 같이 신발 밑창 모양의 프레임에 제작된 센서 4개가 엄지발가락, 중족골, 발뒤꿈치에 위치한다. 센서 프레임에는 네 개의 홈이 있어 센서가 안착될 수 있도록 했으며, 프레 임 중앙에는 신호의 측정 및 전달을 맡는 회로 기 판이 배치되었고, 임베디드 시스템에 전원을 공급 하기 위해 리튬이온 배터리가 배치 되었다. 전체 크기는 가로 76 mm, 세로 270 mm, 높이 9 mm로 신발 안쪽에 들어가기에 적합하고 높이가 낮아 정 상 보행에 영향을 주지 않도록 설계했다. 센서 프 레임은 세 개의 판으로 분리되어 있으며 윗면 전 체는 신축성 있는 고무판에 부착되는데 보행시 발 의 굴에 맞게 구부러져서 자연스러운 보행에 방해 를 주지 않도록 하기 위함이다.
3.2 통신 및 임베디드 시스템
센서 시스템의 중앙 부분에 위치한 임베디드 시스템은 (Arduino Mini 기반) 각각의 센서에 전원 을 공급하고 센서전압을 측정 한다. 또한 측정된 정보를 일상생활에서 스마트폰 등의 장비에서 무 선으로 모니터링 할 수 있도록 블루투스 통신을 통해 전달한다.
스마트폰으로 전달된 데이터를 사용자가 간편 하게 확인할 수 있도록 Fig. 8과 같이 안드로이드 어플리케이션을 구현했다. 지면반력 정보는 연속 적인 그래프 형태로 나타내며, 압력중심의 분포를 통해서 착용자의 균형능력을 확인할 수 있다. Fig.
8 은 착용자가 한 발로 서있을 경우와 두 발로 서
있을 경우 압력중심의 분포를 비교한 것으로, 한 발로 서있을 때의 분포가 넓은 것을 볼 수 있다.
이 결과로부터 사용자의 균형능력의 정도를 확인 할 수 있음을 알 수 있다.
3.3 지면반력 측정
Fig. 9 는 착용 후 지면반력을 측정하고 힘판 데 이터와 비교 실험을 하기 위해 센서 프레임을 발 목 보조기 안쪽에 부착하여 착용한 모습이다. 센 서의 작용점이 작기 때문에 센서 프레임을 신발 안창(insole)처럼 보조기 안쪽에서 발과 직접 접촉 하도록 배치했다. 발 뒤꿈치가 지면과 각도를 가 지고 충돌할 때에도 보조기를 거쳐 센서에 힘이 전달된다. 보조기의 소재는 열경화 플라스틱으로 유연하여 센서간의 간섭이 최소화되도록 했다. 부
Fig. 7 Sensor system with four sensor modules and embedded system
(a) (b) Fig. 8 Application screen showing CoP trajectory when
the user is in (a) single stance, (b) double stance
Fig. 9 Sensor system combined with ankle foot orthosis
가적으로 센서에서 적용점 외의 부분에 힘이 가해 져 측정에 손실이 일어나는 것을 막고, 보행시 충 격을 줄이고 착용감 향상을 위해 작용점에 고무판 을 덧붙였다.
Fig. 10 은 70 kg의 피실험자가 10초 동안 평소 걸음보다 천천히 보행했을 때의 지면반력을 연속 적으로 측정한 것이다. 발 뒤꿈치가 가장 먼저 닿 아 최고점을 달성한 다음 감소하는 중에 앞의 센 서 세 개가 거의 동시에 닿아 전체 지면반력은 M 자 형태를 나타낸다. 앞쪽 세 개의 센서에서 걸리 는 힘의 대소관계가 각 걸음마다 달라지지만 전체 합력은 유사한 것을 통해 각각의 센서가 독립적으
로 잘 작동하여 지면반력을 측정하고 있음을 확인 할 수 있다.
3.4 힘판 검증
제안된 시스템을 통해 측정한 지면반력의 정확 성을 테스트하기 위해서 힘판(AMTI, USA)과의 비 교실험을 진행했다. Fig. 9와 같이 시스템을 착용하 고 두번 째 걸음에 힘판 위를 내딛는 것으로 한 개의 힘판을 이용하여 비교할 수 있도록 실험을 설계했다. Fig. 11은 힘판의 측정값과 제작된 시스 템의 측정값을 동시에 나타낸 것이다. 발뒤꿈치, 중족관절, 엄지엄지발가락에 위치한 센서에서 순
Fig. 10 Continuous measurments of the GRF for 10 seconds
Fig. 11 Simultaneous Measurements of GRF by force plate and proposed system
차적으로 힘이 측정되었으며 각 센서의 합은 힘판 으로 측정한 수직방향 지면반력의 크기와 평균 5.3 (±3.7 %) 의 오차를 보이며 유사하게 측정되었다.
힘판과의 오차요인으로는, 센서가 장착된 발목 보 조기가 발목 상단에 고정되는데 하중의 일부가 이 고정부에서 지면으로 전달되기 때문인 것으로 판 단된다. 일차적으로 지면과 접촉하는 부분이 보조 기 하단부이기 때문에 일부 힘의 유실이 발생할 수 있다. 제안된 시스템과 힘판에서 공통적으로 M 자 커브가 나타나지 않았는데, 고정된 힘판의 위 치에 맞게 밟아야 하는 공간적 제약 때문에 보행 이 부자연스럽기 때문인 것으로 판단된다.
4. 결론
반사형 광센서를 이용하여 힘 센서 모듈을 제 작하였으며 이를 이용하여 반복성, 내구성, 휴대성 이 개선된 지면반력 측정 시스템을 개발했다. 제 안된 시스템은 기존의 힘판을 이용한 시스템과 달 리 공간의 제약 없이 측정할 수 있으며 블루투스 통신을 통해 스마트폰으로 실시간 관찰할 수 있다.
측정된 지면반력은 기존에 문헌에서 알려진 바와 같이 M자 형태를 가지며, 힘판과의 비교 결과 힘 의 크기면에서도 약 5 %의 오차를 보이며 정확한 지면반력을 측정할 수 있음을 확인했다. 이를 기 존에 제안된 착용형 지면 반력용 센서들과 성능을 비교하여 요약하면 표 1과 같다.
제안된 센서는 무선 통신방식을 이용하여 측정 된 지면반력 정보로부터 사용자의 균형능력, 보행 특성을 모니터링 하기 위한 용도로 활용될 수 있 으며, 향후 스마트 신발 등 스마트폰과 연동되어
정보를 제공하기 위한 수단으로 활용될 수 있을 것으로 보인다.
후 기
이 논문은 2014년 겨울/봄학기KAIST 학부생연 구프로그램(URP)의 지원과 2014년도 정부(미래창 조과학부)의 재원으로 한국연구재단-공공복지안전 사업의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2010- 0020449).
REFERENCES
