STEAM R&E 연구결과보고서
(전동형 보행보조기의 경사로 극복방안 연구)
2017. 11. 30.
인천과학예술영재학교
< 연구 결과요약서 >
과 제 명 전동형 보행보조기의 경사로 극복방안 연구
연구목표
FSR 센서를 통해 발바닥 압력중심 값을 계산하고, 경사면에서 사용자의 의지를 반영할 수 있는 보정 값을 적용하여 보다 안전하고 편리하게 고령자들이 전동형 보행보조기를 활용할 수 있도록 하고자 한다.
연구개요 및 내용
□ 이론적 배경 및 선행연구 ○ 1) 보행보조기 만족도 조사
보행보조기의 만족도 조사에 대한 연구의 연구대상은 74세에서 89까지의 남녀 고령자 22명을 대 상으로 하였다. 보행보조기 사용에 대한 이들의 만족도 및 요구내용에서 본 연구가 시사하는 부 분을 요약하면 제품의 브레이크 부분에 대해 브레이크 작동오류, 경사로 및 고르지 못한 노면, 등 에 대한 불만을 상당히 제기하는 것을 볼 수 있었다. 연구 참여자들이 제시한 의견을 보면“기운 이 없는데 밀기도 힘들지, 브레이크는 잘 안 써요.”, “내리막길은 조심해야지 브레이크를 놔버 리면 속도가 너무 나서 끌려간다니까요. 브레이크를 잡고 내려오면 팔목이 욱신거려서 힘들어 요”등이 있었다. 이와 같은 진술은 경사면이 있는 곳에서 사용자의 의지를 반영하는 전동형 보 행보조기의 필요성을 대변해주고 있다.
2) 보행보조로봇의 속도 제어를 위한 보행주기 검출 방법연구(정순준 외, 2011)
사용자의 보행속도에 따라 보행보조로봇의 속도를 능동적으로 가변하기 위한 사용자의 보행주기 검출 방안 및 로봇과의 속도 동기화 방안을 제안한 연구로 사용자의 보행시 나타나는 족압 패턴 을 이용하여 보행주기와 시간을 검출하는 센서 모듈을 통해 모듈에서 검출된 값으로 보행보조로 봇이 능동적으로 속도를 가변하도록 하였다. 센서 모듈은 FSR센서를 사용하였으며, 실험결과 센 서 모듈의 보행검출 정확도는 평균 95%이고, 사용자의 보행속도와 보행보조로봇의 속도 동기율 을 평균 93%를 보인 것으로 나타났다.
3) 전동형 보행보조기의 경사로 극복 방안 연구(이원형, 2011)
보행보조기가 경사면을 보행할 때 오르막 경사로에서 뒤로 밀리고 내리막 경사로에서 앞으로 밀 리는 증상을 극복하기 위해 힘 센서와 전동기를 이용하여 연구하였다. 고령자들의 보행보조기 사 용에서의 불편함을 개선하기 위해 진행하였으나 힘 센서를 이용하여 사용자의 보행의지를 파악하 는 장치를 구성한 점은 반응 속도가 상대적으로 느린 고령자들이 사용하는데 제한점으로 나타날 것으로 판단된다.
□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)
○ 우리나라는 현재 고령화 사회로 2026년에는 초고령 사회로 진입할 것으로 예상된다. 따라서 다양한 노인 문제들이 야기되며, 가장 두드러지는 것이‘거동성’이다. 고령자는 신체기능과 체력의 저하로 낙상사고가 많이 발생한다. 또한 퇴행성 질환으로 인한 거동 장애는 활동성을 저하시켜 삶의 질을 떨어뜨려 독립적 생활을 제한한다. 보행능력이 퇴화된 노인 중, 안정성이 검증되지 않은 유모차를 사용하는 경우가 많은데 이는 사고의 위험성이 높다. 그 외에 수동 보행보 조기 또한 경사로에서 보행자와의 걸음 보조가 맞지 않아 안정성이 떨어진다. 따라서 현재 전동 보행로봇의 연구가 활발하다.
기존의 보행의지 파악 기술은 보행보조기에 FSR(force sensing resistor)센서를 이용하여 발바닥 압력중심 값을 계산하는 경우와 힘 센서를 이용한 기술이 대부분이다. 그러나 힘 센서의 경우 단순한 브레이크 조작마저도 어려움을 느낀다는 설문결과에서 보행보조기의
조작이 위험하다는 것을 알 수 있다. FSR센서의 경우에도 내리막 보행 시에 안전을 위해 속도를 줄여 내려가야 하지만 현재의 기술을 그에 못 미친다. 따라서 아직 전동형 보행보조기가 사용자들에게 적극적으로 활용되지 못하는 실정이다.
본 연구는 FSR 센서를 통해 발바닥 압력중심 값을 계산하고, 경사면에서 사용자의 의지를 반영할 수 있는 보정 값을 적용하여 보다 안전하고 편리하게 고령자들이 전동형 보행보조기를 활용할 수 있도록 하고자 한다.
□ 연구방법
FSR를 통한 CoP 분석 장치 제작
FSR 센서 4개를 이용해 발의 CoP(Center of Pressure)를 분석할 수 있는 장치를 제작하였다.
장치에 부착되는 FSR 센서의 위치는 압력이 직접적으로 가해지는 발 골격(중골, 척골, 지골과 바닥의 접점)을 분석하여 Fig.1. 과 같이 장치하였다.
Fig.1. FSR 센서를 부착한 CoP 분석 장치 및 프로그램
위 장치에서 나오는 신호는 Labview를 이용하여 CoP의 위치와 압력의 크기를 분석할 수 있도 록 프로그램을 설계했다.
2. 각도에 따른 CoP 이동 측정 실험
경사에 따른 보행 시CoP 위치의 변화를 제작한 장치와 Motion Capture, Pressure Plate를 통해 측정하였다.
Fig. 2. 제작한 장치와 Pressure Plate 실험장면 & 평지와 경사로에서의 CoP 이동 사진
연구성과
□ 연구 결과
○ CoP 분석 장치를 이용하여 CoP 이동 측정
- 순서대로 평지, 오르막길, 내리막길에서의 CoP 이동
○Motion Capture 과 Pressure Plate를 통한 CoP 이동 측정 실험
- 순서대로 평지, 오르막길, 내리막길에서의 CoP 이동
○ FSR 장치의 정확도 확인하기
위 두 실험에서 얻은 데이터를 비교해보았을 때, 보행 주기 및 의 값은 94%의 정확도 를 보였다. 또한 순간마다 비교해 보았을 때, CoP 좌표는 38mm 미만의 차이를 보였다.
○
와 사람의 속력 사이의 관계를 통한 사람의 속력 예측 알고리즘 제작
평지: Motion Capture 데이터를 통해
값을 계산한다. 이 값과 속력 사이의 비례관계 를 데이터 40개에 대해 계산해본 결과 1차 관계를 만족함을 찾아낼 수 있었다.
× - (식 1)
평지: 오르막길: 내리막길:
○ FSR 데이터를 통한 경사 예측 알고리즘 제작
- 내리막길에서는 평지와 오르막길에 비해 FSR 센서에 측정되는 발을 처음 디딜 때 힘이 1.2배 이상이 나타났다. 이를 이용하여 보행자가 걷고 있는 경사의 종류를 식 2와같이 결정할 수 있다.
내리막길 - (식 2)
오르막길
식 2를 통해 식1에서 사용할 값(평지오르막길 ≈ , 내리막길 ≈ )을 결정할 수 있 다. 결론적으로 식 1과 식 2를 이용하여 보행자의 속도를 예측할 수 있었다.
○ 모터의 RPM 제어 알고리즘의 제작
본 연구에서는 보행자와 보행보조기의 속력을 동기화 시킬 때, (미소 속력변화 상수)를 적분 해 보행보조기의 속력을 제어하는 적분제어법을 사용하였다.
- 적분제어법 (식 3)
: 적분 계수(실험을 통해 결정), : (식 1), (식 2) 와 제작된 속력 계산 알고리즘을 통해 계산 된 사용자의 속도, : 보행보조기의 현재 속도
○ Mock up 제작 및 검증
알고리즘과 FSR을 이용한장치를 통해 보행보조기를 Mock up 한 결과 오르막과 내리막에서 사 람들의 보행패턴이 다양하여 조금씩 속도가 느리거나 빠른 문제점이 나타났다. 이를 해결하기 위 해 손잡이 부분에 힘 센서를 추가 설치하였다. 힘 센서에서 나오는 신호는 오르막길과 평지에 경 우에는 당기는 경우 속도를 감속, 미는 경우 속도를 가속하도록 하였다.또한 내리막길의 경우, 기 준 값을 설정하여 그보다 큰 경우에만 가속하여 보행보조기와 사람의 간격을 크게 하고, 기준 값 보다 작은 경우 사용자의 안전을 고려하여 속도 변화를 주지 않았다.
□ 시사점
○ 본 연구에서는 FSR 센서를 이용하여 값싼 CoP 분석 장치를 제작하고, 이를 기반으로 기존의 보행보조기와 다르게 경사에 구애받지 않고 사용자의 의도를 파악해 구동되는 발전된 전동형 보행보 조기를 제작하고, 이를 구동시킬 수 있는 알고리즘을 설계하였다.
□ 향후 계획
○ 논문집 게재를 통한 성과확산 및 인공지능과 연계한 후속연구 추진 주요어
(Key words) Key words : Foot Structure, FSR, CoP, Walking Aids, Overcome of Slope
< 연구 결과보고서 >
전동형 보행보조기를 통한 경사로 극복 방안의 연구
고령자가 보행보조기를 사용하는 경우 오르막길과 내리막길에서 보행보조기가 장애물로 작용된다는 문 제점을 인식하여 연구를 시작하였다. 현재 우리나라는 급속한 고령화로 인해 노인의 거동성에 관한 문 제가 대두되고 있으나 전동형 보행보조기의 개발 연구는 아직 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구는 전동 형 보행보조기를 이용하여 사용자가 경사로를 보행할 때 발생하는 문제를 해결하고자 하는 목적으로 진 행되었다. 이와 같은 목적을 달성하기 위해 첫째, FSR 센서를 이용하여 저렴한 CoP(Center of Pressure)의 변화를 측정할 수 있는 장치를 개발하였다. 둘째, CoP의 변화를 이용하여 평지와 경사면 에서 보행속도를 파악할 수 이는 알고리즘을 개발하고 이를 보행보조기에 적용하였다. 셋째, Load Cell 을 이용하여 보행보조기와 사용자 간의 간격을 조절할 수 있는 방안을 개발하였다. 이를 통하여 전동형 보행보조기 시작품을 개발하였고, 이를 테스트 하였다. 그 결과 CoP 분석장치는 94%의 신뢰수준으로 전동형 보행보조기 제어에 사용이 가능하다는 결론을 얻었다. 또한 Pressure Plate와 Motion Capture 장치로 알고리즘을 검증한 결과 평지와 내리막길에서 보행속도를 예측하는데 적합하다는 결론을 얻었 다. 이를 이용하여 제작한 전동 보행보조기는 경사면에서 발생하는 문제점을 극복하여 실제 전동형 보 행보조기를 제작할 때 시사점을 줄 것으로 기대된다.
주제어 : 보행보조기, CoP, FSR센서, 경사로 극복, 보행속도
1. 서론
1.연구의 필요성
노인의 보행을 돕기 위한 보행보조기는 오르막길과 내리막길에서 오히려 노인의 보행을 불편하게 하 고 있다. 고령자는 신체기능이 저하되고 체력이 약해지기 때문에 중심을 잃고 넘어지는 낙상사고가 많 이 발생한다. 이와 같은 낙상사고를 예방하기 위해 보행 시 보행보조기를 이용하는 노령자들이 많이 증 가하는 추세이다. 노인들의 보행보조기를 사용 모습을 선행연구[9]를 통해 보면 보행보조기를 누르는 식으로 사용하지 않고 살짝 잡는 형태로 의지하는 것으로 나타났다. 그러나 보행보조기를 의지하고 보 행을 하던 중 오르막길을 만나게 되면 고령의 사용자는 보행보조기를 중력에 반해서 밀어주어야 한다.
또한 내리막길을 만나게 되면 보행보조기가 빨리 내려가는 것을 막기 위해 보행 보조기를 중력의 반대 로 당기면서 내려가야 한다. 이와 같은 동작은 고령의 보행보조기 사용자를 보행과정에서 오히려 위험 하게 만들고 있다.
우리나라는 2000년도에 65세 이상의 노인이 전체인구에 7%를 차지하였고 2019년에는 14%, 2026년 에는 20%를 넘어 초고령 사회로 진입할 것으로 예상되고 있다. 2050년에는 어린이(0세∼14세) 1명당 65세 노인이 4.3명에 이를 것으로 전망되어 세계평균 0.8명에 비해 5배 이상에 이를 것으로 예상되고 있다. 또한 고령사회로의 진입 기간 역시 일본 36년, 미국 94년, 프랑스 154년에 비해 더욱 빠른 24년 으로 나타나 세계 최고수준의 고령화 속도를 보이고 있어 대책이 시급한 실정이다.
이에 따라 다양한 형태의 노인 문제들이 야기되고 있으며, 가장 두드러지게 나타나는 것 중 하나가 신 체기능 저하에 따른 거동성의 문제이다. 신체기능의 저하와 퇴행성 질환으로 인한 거동 장애는 노인 삶 의 질을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 사회적 고독, 자존감 저하, 활동의 제한 등 고령자의
독립적 생활을 제한한다. 보행 능력은 고령자의 일상생활 유지와 사회참여를 위해 필수적인 요소이며, 유산소적이고 신체의 부담이 적어 노인에게 권장되고 있는 운동으로 알려져 있다. 신체적 자립이 어려 운 고령자들이 사회적 고립에서 벗어나 적절한 여가생활을 통해 건강한 생활을 하기 위해서는 독립적 보행이 우선되어야 한다. 그러나 보행의 어려움으로 활동에 제약을 받는 노인들 중에는 낡은 유모차나 쇼핑 카트를 사용하는 경우가 많이 있는데 이와 같이 검증되지 않은 보행보조기는 안정성이 확보되지 못하여 사고 위험에 노출될 수 있고, 장시간 사용 시 통증이나 신체 기형을 유발할 수 있다. 또한 수동
보행보조기의 경우 평지 구간에서 이동 시 보행에 도움을 주지만 오르막과 내리막에서 오히려 보행자의 안정성을 떨어뜨리는 것으로 나타났다. 이에 따라 현재 전동형 보행 로봇의 연구가 국내에서도 진행되 고 있는 추세이다.
현재 진행된 전동형 보행보조기에 관한 연구는 크게 힘 센서를 이용한 조이스틱으로 운전하는 보행보조 기와 FSR(Force Sensitive Resistor)센서를 이용하여 압력중심을 찾아 운전하도록 하는 기술이 대부분 이다.
힘 센서를 사용한 선행연구의 경우 고령자의 잘못된 조작으로 인한 오작동으로 사용자의 안전에 문제 가 있을 수 있다. 보행보조기를 활용하는 고령자의 경우 단순한 브레이크 조작마저도 어려움을 느낀다 는 설문결과가 있을 정도이기 때문에 보행보조기를 조작하는 것은 고령자에게 어려움 일임을 쉽게 유추 할 수 있다. FSR 센서를 이용한 선행연구는 평지 보행 시 큰 문제가 없지만 경사가 있는 장소를 이동 할 때 보행보조기를 제어하지 못하는 문제점을 지니고 있다. 따라서 서두에 제기한 오르막과 내리막 경 사의 안전사고 문제를 그대로 가지고 있는 상황이다.
이와 같은 문제점 때문에 아직까지 전동형 보행보조기는 사용자들이 적극적으로 활용될 수 있는 수준에 못 미치는 실정이다.
2. 연구목표
고령화 사회의 문제점과 선행연구를 바탕으로 본 연구에서는 고령의 사용자가 평지 및 경사로에서 안 전하게 사용할 수 있는 전동형 보행보조기를 개발하고자 한다. 이을 위해 도출된 세부 연구목표는 다음 과 같다.
2.1 FSR센서 구성으로 CoP(center of pressure) 변화를 측정할 수 있는 저렴한 장치를 개발하고 동 작분석 장비와의 비교를 통해 개발된 장치의 신뢰도를 확보한다.
2.2. 압력중심(CoP)변화를 이용하여 평지와 경사면에서 보행 속도를 파악할 수 있도록 하는 알고리즘 의 개발하고 이를 보행보조기에 적용한다.
2.3. Load Cell을 이용하여 보행보조기와 사용자 간의 간격을 조절할 수 있는 방법을 개발한다.
2.4. 알고리즘을 이용하여 시작품을 제작하고 테스트한다.
3. 보행보조기 사용실태 및 선행연구 분석 3.1 보행보조기의 정의 및 분류
우리나라에서는 보장구라 명칭하고 있으며 아직 이에 따른 법적인 개념이 정립되어 있지 않아, 연구자 에 따라 다르게 정의하고 있다. 현재 우리나라에서는 보행보조기 또는 실버카로 명칭되고 있는 보행보 조기는 보행에 부자유를 느끼거나 간단한 짐을 운반하고자 하는 고령자의 보행 보조 도구로 옥외의 외 출에 사용한다. 수동의 4륜 바퀴 방식으로 쇼핑바구니나 의자가 장착되어 있기도 하다. 일본에서는 30 년 전 유모차 메이커가 고령자용 상품으로서 만들기 시작한 것을 시작으로 현재는 연간 약 30만대가 제조되고 있다.
본 연구에서 보행보조기는 경량 휴대용, 표준형, 운동형 세 가지로 구분되며 유형별 특징은 다음과 같 다. 경량 휴대용은 4kg 이하의 콤팩트 한 형태로 휴대가 용이하다는 장점이 있으며, 표준형 보행보조기 는 유모차 형태로 수납이 다른 유형에 비해 여유가 있어 다용도로 사용할 수 있는 중량 5~6kg 에 해당 하는 유형이다. 마지막으로 운동용 보행보조기는 7~9kg 중량으로 세 유형 중 가장 무게감이 있으며 대 형 휠이 장착되어 운행시 안정감이 있는 롤레이트 형이다. 본 연구에서는 고령의 사용자를 대상으로 보 행시 안정성을 확보하는 목적을 가지고 있기 때문에 운동형 보행보조기를 연구대상으로 하였다.
Figure 1 다양한 보행보조기의 형태
3.2. 보행보조기의 사용자(지체 장애노인) 특성
지체 장애노인은 선천적 및 후천적 원인에 의한 장애로 신체 조직 및 기능에 결함이 있어 일반 노인 계 층과 비교하여 건강, 이동, 생활 등 전반적인 기초 생활에 곤란함을 가지고 있는 이들을 의미한다. 노인 을 대상으로 한 연구에 의하면 75세 이상의 약 1/3이 보행 장애를 가지는 것으로 알려져 있다. 질병에 따른 가장 상위의 보행 장애는 보행하는 동안 지나치게 시간을 소모하는 과보호보행과 혼자서 시작을 못하는 경우이며, 이는 심리적으로 정서적 불안과 보호자에 대한 의존성이 높다. 반신마비, 소뇌운동 실 조증, 파킨슨병의 보행 형태는 중간단계에 속하는 반면 심한 관절염, 감각 소실, 시력장애 등은 가장 하 위의 질환에 속한다. 보행을 향상시키는 방법은 문제의 본질에 따라서 다르나 보조기 사용 등 간단한 방법이 항상 고려되어야 한다.
3.3 선행연구 분석
(가) 보행보조기 만족도 조사(문철웅외, 2016)
보행보조기에 대한 만족도 조사를 실시한 선행연구는 74~89세까지의 남녀 고령자 22명을 대상으로 하 였고, 경량 휴대용 보행보조기 사용자 4명, 운동형 보행보조기 9명, 표준형 보행보조기 9명을 대상으로 하였다. 이들의 요구내용 중 본 연구에 시사하는 부분은 보행보조기 사용자가 제품의 브레이크 부분에 불만족을 느끼고 있다는 점과 경사로 및 고르지 못한 노면, 등에 대한 불만을 제기 했다는 점이다. 연구 참여자들이 제시한 의견을 보면 “기운이 없는데 밀기도 힘들지, 브레이크는 잘 안 써요.”, “내리막길은 조심해야지 브레이크를 놔버리면 속도가 너무 나서 끌려간다니까요. 브레이크를 잡고 내려오면 팔목이 욱신거려서 힘들어요” 등이 있었다. 이와 같은 진술은 경사면이 있는 곳에서 사용자에 의지를 반영하는 전동형 보행보조기의 필요성을 대변해주고 있다.
(나) 보행보조로봇의 속도 제어를 위한 보행 주기 검출 방법 연구(정순준 외, 2011)
사용자의 보행 속도에 따라 보행보조로봇의 속도를 능동적으로 가변하기 위한 사용자의 보행 주기 검출 방안 및 로봇과의 속도 동기화 방안을 제안한 연구로 사용자의 보행 시 나타나는 족압 패턴을 이용하여 보행 주기와 시간을 검출하는 센서 모듈을 통해 모듈에서 검출된 값으로 보행보조로봇이 능동적으로 속 도를 가변하도록 하였다. 이와 같은 방법은 특정한 알고리즘을 이용한 것이 아니기 때문에 개개인의 특 성에 따라 오차가 많이 발생할 수 있는 단점을 가지고 있다. 또한 경사면을 오르내리는 이슈에 대해서 는 연구를 진행하지 않아 보행보조기가 갖는 한계점을 극복하는데는 부족한 부분이 많이 있다.
(다) 전동형 보행보조기의 경사로 극복 방안 연구(이원형 외, 2011)
보행보조기가 경사면을 보행할 때 오르막 경사로에서 뒤로 밀리고 내리막 경사로에서 앞으로 밀리는 증 상을 극복하기 위해 힘 센서와 전동기를 이용하여 연구하였다. 고령자들이 보행보조기의 사용 시 불편 한 점을 개선하는 문제를 선정하였으나 고령자가 조정을 해야 하는 형태여서 고령자의 조절 능력을 고 려했을 때 제한점이 있다.
이와 같은 선행연구의 제한점을 극복하기 위해 본 연구에서는 사람들의 보행주기에 나타나는 특성을 파 악하여 알고리즘을 제작하고 이를 이용하여 FSR 센서를 통해 얻은 정보로 보행보조기를 구동시키고자 한다.
2. 연구 내용
1. CoP 분석 장치의 개발
1. 1.1 FSR센서를 통한 CoP 분석 장치 제작
연령대와 보행 패턴에 따른 발의 압력분포 변화를 분석하기 위해 보행보조기 사용자 연령 자료와 인체 의 발 구조를 분석하여 FSR 센서의 위치를 Figure 2와 같이 선정하였다. 이 위치는 보행 시 압력이 직 접적으로 가해지는 중골, 척골, 지골과 바닥의 접점이다.
Figure 2 압력센서의 위치 선정
선정된 위치에 FSR 센서를 배치하여 Figure 3과 같은 과정을 통해 Figure 4와 같은 CoP 분석 장치 신발 깔창을 제작하였다.
2. 1.2 Labview를 통한 FSR 센서의 칼리브레이션
제작한CoP 분석 장치 신발깔창 FSR센서에 가해지는 압력 값은 LabView를 통해 제어하였다. 가해준 무게에 따라 센서에서 출력되는 전압 값을 측정하는 프로그램을 코딩 하였고, 계산을 통해서 4개의 FSR 센서를 각각 캘리브레이션 하였다.
Figure 5 칼리브레이션 과정 Figure 6 칼리브레이션 결과
칼리브레이션 결과, Figure 6과 같이 센서에 가한 무게에 따라 센서에서 출력되는 전압은 비례 관계임 을 확인하였다.
1.3 CoP 분석 장치를 이용한 CoP 이동의 분석
CoP 분석 장치를 이용하여 사람의 보행에 따른 CoP 의 변화를 연속적으로 측정하고, 데이터화 하는 코 드를 Labview를 이용하여 Figure 7과 같이 제작하였다.
Figure 7 CoP 변화 분석 코딩
Figure 7 의 코드를 이용해 시간에 따른 CoP의 위치변화와 압력의 크기변화를 분석했다. 원점을 임의 로 설정하고, CoP 분석 장치에 부착한 4개의 FSR에 가해진 압력을 실시간으로 측정하여 각각의 압력 값을 x 좌표와 y좌표에 각각 곱한 후 압력의 총합으로 나누어 줌으로서 CoP의 x 좌표와 y 좌표를 도 출했다. 또한 Figure 8의 코드를 이용하여 압력 센서에 압력이 가해지지 않았는데도 불구하고 압력이 작은 값으로 측정이 되는 경우에 대해서 보정을 하였다.
Figure 8 압력 값 보정 코딩
1.4 CoP 분석 장치의 신뢰도 검증 가. CoP 분석 장치를 이용한 CoP 변화량 측정
제작한 CoP 분석 장치를 Figure 9와 같이 보행자의 발 밑에 부착하고, 시간에 따른 CoP 변화량을 측 정 하였다. 러닝머신을 이용해 보행자가 걷는 면의 경사를 0~7도까지 1도 간격으로 변화시키면서 시간 에 따른 CoP 변화량을 측정하였다. 측정 결과는 Graph 1~3에 제시하였다.
Figure 9 CoP 이동 분석 Graph 1 분석 장치를 이용한 CoP 변화량(평지)
Graph 2 분석 장치를 이용한 CoP 변화량(오르막 경사)
Graph 3 분석 장치를 이용한 CoP 변화량(내리막 경사)
Graph 1~3의 가로축은 한쪽 발을 디딜 때부터 땔 때까지 시간을 나타낸다. 세로축은 mm 단위로 그래 프의 기울기는 시간에 따른 CoP의 위치 변화를 나타낸다.
나. Pressure Plate 와 Motion Capture 장치를 통한 CoP 변화량 측정 실험
Marker를 보행자의 다리에 부착 후, Motion Capture 장치를 이용해 사람의 보행(보행속도, 보폭 등)을 정밀하게 분석했다. 또한 바닥에 설치된 Pressure Plate를 이용해 보행자의 CoP 변화도 정밀하게 측정 하였다.
Figure 10 Pressure Plate의 CoP 분석(평지) Figure 11 Pressure Plate의 CoP 분석(오르막경사)
Figure 12 Pressure Plate의 CoP 분석(내리막 경사) Graph 4 Pressure Plate 측정결과 (평지)
Graph 5 Pressure Plate 측정결과(오르막 경사) Graph 6 Pressure Plate 측정결과(내리막 경사)
Graph 4~6의 가로축은 한쪽 발을 디딜 때부터 땔 때까지 시간을 나타낸다. 세로축은 mm 단위로 그래 프의 기울기는 시간에 따른 CoP의 위치 변화를 나타낸다.
다. 제작한 CoP 분석 장치의 신뢰도 검증
본 연구를 위해 제작한 CoP 분석 장치로 얻은 데이터와 Pressure Plate로 측정하여 얻은 데이터를 비 교해보았을 때, 보행 주기는 94%의 정확도를 보였고, CoP 좌표는 2.8mm 미만의 차이를 보였다. 전문 가의 자문을 통해 제작한 CoP 분석 장치가 CoP 이동 분석에 있어서 충분한 신뢰도를 가졌다는 판단을 하게 되어 연구를 진행하였다.
2. 보행 속도 예측 알고리즘의 제작
2.1 평지에서 보행보조기 사용자의 보행속도 예측 알고리즘 제작
보행보조기 사용자의 보행의지를 파악하기 위한 알고리즘은 보행주기를 분석하는 과정으로 제작하였 다. 보행주기는 크게 ‘입각기(stance phase)’와 ‘유각기(swing phase)’의 두 단계로 나누어진다.
입각기는 Figure 13과 같이 뒤꿈치가 땅에 닿는 시기부터 발이 땅에 완전히 붙는 시기, 체중이 가해지 는 시기를 거쳐 발가락이 떨어지는 시기까지를 이른다. 이와 같은 입각기는 보행주기의 60%의 시간을 차지하고 있다.
Figure 13 입각기
유각기는 Figure 14와 같이 입각기가 끝나 발끝이 떨어진 후부터 다시 뒤꿈치가 땅에 닿기 직전 까 지를 나타내는 시기이다. 전체 보행주기의 40%를 차지하는 구간으로 발이 공중에 있는 시기를 이른다.
Figure 17 유각기
본 연구에서 개발한 평지 보행 알고리즘은 입각기와 유각기의 개념을 통해 제작되었다. 40명의 보행패 턴을 Pressure Plate 와 Motion Capture 장치로 관찰한 결과 입각기의 주기는 보행주기를 대표할 수 있는 값으로 볼 수 있었다. 그 이유는 입각기가 보행의 60%를 차지하고 있으며, 입각기가 짧은 경우 관 성에 의해 유각기 역시 짧아지기 때문이다.
보행주기가 짧은 경우 사람의 보행속도는 빨라진다. 이를 식(1)과 같이 표현할 수 있다.
보폭 / 보행주기 = 보행속도---식(1)
또한 입각기의 주기는 보행주기를 대표할 수 있는 값으로 관찰되었기 때문에 식(1)은 식(2)와 같이 표 현될 수 있다.
보폭 / 입각기 주기 ∝ 보행속도---식(2)
식(2)의 입각기의 주기는 CoP의 시간 변화량을 통해서 나타낼 수 있다. 입각기는 발 뒤꿈치가 바닥에 닿는 순간부터 발이 떨어지는 순간을 나타내는데 이 과정에서 CoP가 발의 뒤쪽에서 발의 앞쪽으로 이 동하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 입각기의 주기를 ∆∆로 나타내었고 보행속도와의 관계 를 식(3)과 같이 제시하였다.
∆∆=× --- 식(3)
식(3)에서 제시한 사람의 보폭과 관련된 비(Ratio)이다. 알고리즘에서 입각기의 주기를 시간에 대한 CoP 변화량으로 바꾸는 과정을 통해 k는 차원이 없는 보폭과 관련된 Ratio로 나타낼 수 있었다.
보폭의 Ratio는 평상시, 평지를 기준으로 값을 설정하였으며, 경사면이나 사람의 보행의지 등에 따라 값 이 커지거나 작아진다.
2.2 내리막 경사면에서 보행보조기 사용자의 보행속도 예측 알고리즘 제작
내리막 경사면에서 보행보조기 사용자의 보행속도를 예측하기 위해 사람의 보행을 Pressure Plate 와 Motion Capture 장치로 관찰하고 분석하였다.
사람의 보행을 관찰해 보면 무게 중심이 앞쪽으로 쏠리게 되어 불안정한 상태를 만든다. 이후 발을 내 딛어 불안정한 상태를 해소하게 된다. 이와 같은 과정은 평지에서 보다 내리막을 내려오게 될 때 더 관 찰이 쉽다.
내리막을 내려오는 사람들의 보행패턴을 분석한 결과 보폭이 그대로인 사람과 보폭이 줄어드는 사람이 나타났다. 보폭이 그대로인 사람은 내리막 길에서도 평지와 같이 거침없이 걷는 모습을 보였다. 이런 유 형의 사람들은 불안정한 상태가 평지보다 더 커지는 상황에서도 안정한 상태로 만들려는 과정을 지연하 는 경우였다. 남학생, 운동을 꽤 좋아하는 경우가 많이 해당 되었다.
보폭이 줄어드는 사람은 내리막길에서 평지보다 불안정성이 빠르게 증가하기 때문에 안정성을 확보하 기 위해 다음 발을 빨리 내딛어 보폭이 줄이는 것으로 관찰되었다. 본 연구의 연구대상을 보행보조기를 사용하는 고령자로 한정하였기 때문에 내리막길에서 보폭을 줄이는 사람을 대상으로 한 알고리즘을 개 발하였다.
Figure 18 경사면에서 사람의 보행 분석
앞서 평지 보행속도 알고리즘인 식(3)에서 k의 값은 보폭의 Ratio로 표현하였다.
∆∆=× --- 식(3)
k 값은 평소 평지에서 걷는 보폭을 기준으로 하여 커지거나 작아지게 되는데 주기가 동일한 상황에서 보폭이 줄어들게 되면 보행속도가 느려지고, 보폭이 커지면 보행속도가 빨라진다.
이와 같은 관계를 이용하여 개발한 내리막 경사면에서 보행보조기 사용자의 보행의지 예측 알고리즘은 식(4), 식(5)와 같다.
∆
∆
=(상수)평지시보폭 경사시보폭
---식(4)
상수 평지시보폭 경사시보폭
---식(5)
식 (4), (5)를 검증하기 위해 이론적으로 k를 도출하고, 이를 실험적으로 검증하는 과정을 거쳤다.
k값을 이론적으로 도출하는 과정은 평지에서의 사람의 보행과 내리막에서 사람의 보행을 기하학적인 패 턴으로 분석하는 것으로 시작하였다.
Figure 19 사람의 보행 도식화
사람의 보행을 보면 Figure 19와 같이 몸의 무게중심을 이동시키며 불안정 상태와 안정 상태를 반복하 며 진행하는 것을 알 수 있다. 불안정 상태에서 안정하게 만든 시점의 모습을 도식화한 그림에서 지면 에 법선과 다리가 이루는 각을 라고 하면 사람의 보폭이 이루는 각의 절반도 각 로 표현할 수 있다.
이 각 를 사람이 보행 시 불안정한 상태를 안정하게 바꾸는 심리적인 각도로 가정하였다. 개인차가 존 재할 수 있으나, 키와 다리길이, 보폭의 비율을 이용한 기하학적인 분석을 통해 각 를 27.23로 도출하 였다.
경사면에서도 보행자가 허용할 수 있는 각도가 유지된다는 가정을 하면 경사각 가 커질수록 보행자의 양발이 이루는 각은 Figure 20과 같이 각 가 된다.
Figure 20 경사면에서의 보행 분석
경사면에 따른 사람의 양 다리 사이의 각 와 각 발에 작용하는 수직항력를 토크 평형식으로 평지 와 경사면에 대해 계산한 결과 식(5)의 k는 식(6)과 같이 표현하였다.
sin
× ---식(6)
식(6)은 내리막 경사에서 각도에 따라 k의 Ratio변화를 제시한 것이다. 이론적으로 도출된 식(6)에 대 한 검증결과는 결과분석에서 논의하겠다.
2.3 오르막 경사면에서 보행보조기 사용자의 보행속도 예측 알고리즘 제작
오르막 경사면에서 보행보조기 사용자의 보행속도를 예측하기 위해 사람의 보행을 Pressure Plate 와 Motion Capture 장치로 관찰하고 분석하였다.
오르막을 오르는 경우 평지를 보행하는 것과 비교하여 무게중심의 변화에 의한 불안정 정도가 줄어들 게 된다. 오르막에서의 보폭과 주기는 보행자에 따라 편차가 심하여 예측이 어려웠으나 각도가 크지 않 은 경우 평지의 보행 알고리즘인 식(3)으로 보행보조기를 통제할 수 있는 수준으로 관찰되었다. 이는 선 행연구들에서 제시한 결과와도 일치한다. 다만 경사각이 있는 오르막길을 오를 때 전동형 보행보조기가 뒤쪽으로 밀리는 현상을 방지하기 위하여 모터의 출력을 추가로 주어야 한다. 이를 보정하기 위해 FSR 센서의 압력분포에 따라 기울기를 예측하고 이를 통해 모터의 출력을 조절하도록 하였다.
3. 연구 결과
3.1 실험을 통한 와 사람의 속력과의 간의 관계
평지와 내리막 경사면, 오르막 경사면에서 보행을 Pressure Plate 와 Motion Capture 장치로 분석한 실험 데이터 각40개를 이용하여 와 사람의 속력() 사이의 관계를 확인해본 결과, 이론적으로 제시한 알고리즘 식(3)이 실제 적용에 적합하다는 결론을 얻었다.
Pressure Plate 와 Motion Capture를 이용하여 얻은 실험결과는 Table 1~4와 같다.
Table 1 평지
∆∆(cm/s) (cm/s) K(Ratio)
440.5 143.9 3.1
Table 2 오르막길 7도
∆∆(cm/s) (cm/s) K(Ratio)
381.7 124.9 3.05
Table 3 내리막길 4도
∆∆(cm/s) (cm/s) K(Ratio)
447.3 128.5 3.48
Table 4 내리막길 7도
∆∆(cm/s) (cm/s) K(Ratio)
450.2 119.5 3.8
알고리즘 식(4)과 식(6)을 이용하여 경사각에 대한 k를 예측한 결과는 Graph 7과 같다.
Graph 7 경사각에 따른 비례 상수의 이론값
알고리즘 식(4)과 식(6)을 이용하여 경사각에 대한 k를 예측한 결과는 Graph 7과 같다.
또한 Pressure Plate 와 Motion Capture를 이용하여 얻은 실험결과인 Table 1~4를 통한 결과는 Graph 8과 같다.
Graph 8 경사각에 따른 비례 상수의 실험적 결과
Graph 7과 Graph 8을 비교해보면 제시한 알고리즘의 결과가 실제 보행에 대한 k를 잘 예측하고 있는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과를 통해 본 연구에서 제시한 알고리즘을 이용하여 보행보조기를 제작 하였다.
3.2 보행자와 보행보조기의 간격 제어(Load Cell 이용)
CoP 분석 장치만을 이용하여 보행보조기의 속력을 제어하는 경우, 평지와 경사면의 경계면 및 보행자 의 심리적 요인에 의한 보행변화 등의 돌발적인 상황이 생겼을 때 보행자와 보행보조기 간의 간격이 좁 아지거나 멀어지는 현상이 발생하였다. 이와 같은 문제점을 보완하기 위해 보행보조기 손잡이에 Load Cell을 추가로 장치하였다. 추가된 Load Cell은 보행보조기의 손잡이에 부착하여 보행자가 밀거나 당기 게 될 경우 손잡이에 가해지는 힘의 변화를 전압으로 측정하여 제어하는 방식이다. 이와 같은 방식은 보행자가 별도로 조작해야 하는 과정이 없기 때문에 보행보조기 운전에 서툰 고령의 사용자에게 적합할 것으로 판단하였다.
Load Cell을 이용하여 보행자와 보행보조기의 간격을 제어하기 위한 방법은 다음과 같이 설정하였다. F 는 사람이 Load Cell에 가하는 힘을 의미한다.
Table 5 평지, 경사면에서 속력 보조 제어
평지와 경사면에서 Load Cell에 가해지는 힘이 양수로 나타나는 경우 미는 힘으로 보행자와 보행보조 기의 거리를 유지하기 위해 한 바퀴를 가속하도록 프로그램을 설정하였고, 반대의 경우 한 바퀴를 감속 하도록 설정하였다.
3.3 시작품의 제작 및 테스트
연구를 통해 제작된 알고리즘을 이용하여 Mock-up한 시작품은 Figure 21과 같다. 시작품의 규격은 운 동형 보행보조기의 규격과 같다. 시작품은 구동바퀴를 제어할 수 있는 모터 및 보드와 연구를 통해 제 작된 CoP분석장치가 있으며, 추가로 보행자와 보행보조기의 간격을 제어할 수 있는 Load Cell과 보행 보조기의 전원을 통제하는 전원부, 배터리 등으로 구성되어 있다
Figure 21 제작된 시작품
Figure 25 시작품의 성능 검사
시작품의 성능을 평지와 7경사면에서 테스트 하였다. 테스트 결과 평지와 7의 내리막 경사, 오르막 경 사에서 제작된 알고리즘을 통해 보행보조기가 보행자의 속도를 잘 인지하여 동기화 시켰으며, 평지와 경사면의 경계부분, 운동의 시작과 종료는 Load Cell에 의하여 통제가 하였다. 또한 보행자가 순간적으 로 가속하는 경우와 감속하는 경우 Load Cell과 CoP분석장치를 이용하여 만족할 수준의 결과를 내는 것으로 나타났다.
4. 결론 및 제언 4.1 결론
고령자의 보행보조기 이용간에 오르막길과 내리막길에 나타나는 제한점을 극복하기 위한 전동형 보행 보조기 개발연구의 결론은 다음과 같다.
1. FRS 센서를 이용한 CoP 분석장치는 94%의 신뢰수준으로 전동형 보행보조기의 제어에 사용하는 것 이 가능하다.
2. Pressure Plate 와 Motion Capture 장치로 검증한 결과 본 연구에서 개발한 알고리즘은 평지와 내 리막길에서 사람의 보행속도를 예측하는 데 적합하여 전동형 보행보조기 제어에 사용하는 것이 가능하 다.
3. 제작된 시작품을 통해 고령자가 보행보조기를 사용할 때 경사면에서 발생하는 제한점을 해소할 수 있을 것으로 기대된다.
4.2 제언
연구는 고령자의 보행보조기 이용간에 오르막길과 내리막길에 나타나는 제한점을 극복하기 위함을 목표 로 하였다. 따라서 보행보조기의 방향전환과 앞바퀴가 턱에 걸렸을 때의 문제는 연구에서 논외로 하였
다. 그러나 실제로 고령자가 전동형 보행보조기를 사용할 경우 방향전환과 앞바퀴가 장애물을 극복하는 것은 중요한 문제로 차후 연구에서 개선되어야 할 것이다.
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