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문제 정의
- 본 논문에서는 중증 장애인을 위한 생활 보조 장치를 개발 하고 시험 평가하였다. 음성 인식 시스템을 구현하고 중증 장 애인을 대상으로 실험 하였고 장애인의 이동성을 증가시키기 위한 이동형 휠체어 리프트 제어장치를 개발하고 성능 평가를 하였다.
- 본 논문의 목적은 음성 기반의 제어로 사지마비 장애인이 간단한 동작을 장애인 스스로 할 수 있도록 돕는 한국형 생활 환경 제어 장치를 개발하는데 있으며 테스트를 통해 제작한 시스템의 성능을 평가하고 사지마비 장애인에게 직접 적용하여 설문지를 통해 제작한 생활환경 제어장치가 장애인 및 가족에 게 미치는 신체적 정신적 영향을 분석하여 만족도 및 활용상 의 문제점을 고찰하며 평가하는데 있다.
가설 설정
- a3: 휠체어의 안전고리를 연결하십시요.
제안 방법
- 그리고 이동형 휠체어 리프트의 전동기 구동 제어 장치를 개발하고 구조 역학 해석을 통해 기계적 안정성을 평가하며 시제품을 제작하고 성능을 시험하였다. 실험 결과는 구조와 안 정석 해석에서 우수한 성능을 보였고 구동 실험을 통하여 부 하시와 무부하시의 동작을 확인하였다.
- 행동 변화 척도는 Rehabilitation Indicator Project에서 개발한 Activity Pattern Indicator(API)를 이용하여 이 중 장애인에게 해당하는 항목인 수동적 오락과 사회적 관계 항목을 선택하여 비도와 기간 신 체적 도움이 요구되는 정도에 대해 평가하였다[7, 10]. 독립적인 기능 정도를 파악하기 위해 각 활동을 보호자에 의존하여 시행한 경우와 독립적으로 시행한 경우를 각각 조사하였고 보호 자의 경우 환자에게서 자유로운 최대시간을 조사하였다. 심리 적 변화 척도는 Beck 우울 척도를 이용하여 조사하였다[8].
- 연구 대상 장애인한 명의 경우 시스템의 제어의 필요성 과 환자 학습의 필요성 때문에 명령 어휘를 10개로 제한하였다. 명령 어휘는 장애인의 편의를 위해 비표준어를 사용하였다. 그 내용은 다음과 같다.
- 연구의 평가를 위하여 설문조사를 통하여 사용자의 만족도 를 평가하였다. 설문 조사의 내용은 장치의 만족도, 행동 변화 척도, 심리적 변화 척도를 조사하였다. 행동 변화 척도는 Rehabilitation Indicator Project에서 개발한 Activity Pattern Indicator(API)를 이용하여 이 중 장애인에게 해당하는 항목인 수동적 오락과 사회적 관계 항목을 선택하여 비도와 기간 신 체적 도움이 요구되는 정도에 대해 평가하였다[7, 10].
- 연구의 평가를 위하여 설문조사를 통하여 사용자의 만족도 를 평가하였다. 설문 조사의 내용은 장치의 만족도, 행동 변화 척도, 심리적 변화 척도를 조사하였다.
- 본 논문에서는 중증 장애인을 위한 생활 보조 장치를 개발 하고 시험 평가하였다. 음성 인식 시스템을 구현하고 중증 장 애인을 대상으로 실험 하였고 장애인의 이동성을 증가시키기 위한 이동형 휠체어 리프트 제어장치를 개발하고 성능 평가를 하였다.
- 이동식 휠체어 리프트의 구조적 타당성과 장기간 사용에 따른 구조적 안전성을 결정하기 위하여 시제품의 설계도면을 바탕으로 유한요소법을 이용한 구조/피로해석을 수행하였다. 또한 평지 및 계단 위에 있을 때의 Simulation을 실시함으로써 실제 리프트의 안정성을 확인할 수 있었다.
- 음성인식에서는 시간영역의 음성신호는 화자의 발성환경 차 이에 따라 변화가 심하여 주파수 영역의 신호가 주로 사용된다. 전처리에서는 주로 LPC 계수, 켑스트럼 계수, PLP 계수 등이 많이 쓰고 있으며 본 논문에서는 잡음 환경과 HMM인식 기를 이용한 음성인식에 있어서 높은 인식률을 나타내는 멜 켑스트럼 계수를 사용하였다[4]. 음성의 특징 추출은 13차 멜- 켑스트럼 계수로 하였으며 그림 3와 같은 20개의 임계 대역통 과 필터를 사용하여 식 3에 의해 구해진다.
- 해석을 위한 Geometry 생성은 AutoCad2000과 Pro/Engi- neer를 이용하여 2D/3D 작업을 수행하였다. 세부 실험 결과는 부록에 기재하였다.
대상 데이터
- 음성인식 시스템의 실험은 PC상에서 정상인인 네 명의 화 자에게 우선적으로 시험되었다. 가전 제품 제어에 필요한 어휘 20개를 대상으로 각 어휘당 20번씩의 인식 실험을 수행하였다. 평균 인식율은 95%로 화자나 어휘별 오류 발생 특이성은 없었다.
- 임상 적용은 완전 제 4 경수 손상으로 인한 사지마비 장애 인을 대상으로 하였다. 본 연구 대상 장애인은 54세 남자로 수 상 후 기간은 6년이었으며 의식이 명료하고 기관절제 상태였 으나 24시간 폐쇄가 가능하였고, 발음 부전은 없었다. 연구 대상 장애인의은 근력 검사상 상지 견관절의 굴곡근과 외전근이 Poor/Poor, 주관절 굴곡근이 Poor/Poor이고 주관절 신전근과 수부근 및 하지의 근력이 전혀 없는 상태였다.
- 본 연구 대상 장애인은 54세 남자로 수 상 후 기간은 6년이었으며 의식이 명료하고 기관절제 상태였 으나 24시간 폐쇄가 가능하였고, 발음 부전은 없었다. 연구 대상 장애인의은 근력 검사상 상지 견관절의 굴곡근과 외전근이 Poor/Poor, 주관절 굴곡근이 Poor/Poor이고 주관절 신전근과 수부근 및 하지의 근력이 전혀 없는 상태였다. 본 연구 대상 장애인은 모든 일상생활을 타인에게 의존해야 하는 상태로 생 활환경 제어장치의 필요성에 대한 인식이 있었다.
- 임상 적용은 완전 제 4 경수 손상으로 인한 사지마비 장애 인을 대상으로 하였다. 본 연구 대상 장애인은 54세 남자로 수 상 후 기간은 6년이었으며 의식이 명료하고 기관절제 상태였 으나 24시간 폐쇄가 가능하였고, 발음 부전은 없었다.
- 릴레이 출력단에는 프리휠 다이오우드를 연결하여 급격한 전압상승을 방지한다. 프리휠 다이오우드로 최대전류가 25[A] 인 PBYR2545 Schottky Diode를 사용한다. 보드에는 릴레이 가 4개 있으며 한 개任C)는 키 스위치가 온되면 제어보드에 전 원을 공급하는데 사용하며 두 개(F, R)은 모터에 가해지는 전압 방향을 전환하여 전진/후진제어에 사용한다.
이론/모형
- 끝점 검출은 특히 고립단어 인식시스템에서 중요한 요소로서 인식률에 커다란 영향을 미친다. 끝점 검출에 사용된 파라메터는 단구간 에너지 와 단구간 영교차률(ZCR)을 이용하였다. 무성음의 경우 거의 잡음 수준의 에너지를 가지고 있기 때문에 에너지만으로는 구 분이 불가능하다.
- 사후 확률을 계산하기 위하여 전향-후향 알고리듬을 이용하여 인식을 할 경우 인식률이 다소 우수한 반면 주어진 모든 상태에서의 출력 심볼의 확률을 모두 추정하므로 계산량과 복 잡도가 증가하게 되므로 실시간 음성인식에 있어서는 적합하지 않다. 따라서 최적원리(principle of optimality)에 입각한 동적 프로그래밍 기법 중 하나인 비터비 알고리듬을 이용하여 최적 모델을 찾아 인식하게 된다. 학습을 위하여 관측계열의 출력확 률을 최대로 하는, HMM의 파라미터 세트 M=(A,B,π)를 해석적으로 구하는 방법은 알려지지 않았다.
- 본 논문에서 사용된 음성 인식 시스템은 인식 성능의 향상을 위하여 HMM을 이용하였고 특징 계수는 멜 켑스트럼을 사용하였다.
- 그러나, EM(ex- pectation maximization)법이라고도 불리우는 Baum-Welch법 이나, 경사법(gradient method)과 같은 반복적인 방법을 사용 하면, F(이 M)을 국소적으로 최대화하는 것으로서 M=(A, B, x)를 선택할 수 있다. 본 논문에서는 left-right형 HMM을 사용하였다. 이 모델은 시간에 따른 상태 변화가 비가역적인 데이터를 모델링하는데 적합한 특성을 가지고 있으므로 음성과 같은 데이터에 적합하다.
- 본 논문에서는 군집화 방법으로 K-means 알고리듬을 사용 하였다[5]. 이산 HMM을 사용할 경우 모델의 입력 패턴은 유 한개의 클러스터 중 하나의 값을 가져야 한다.
- 독립적인 기능 정도를 파악하기 위해 각 활동을 보호자에 의존하여 시행한 경우와 독립적으로 시행한 경우를 각각 조사하였고 보호 자의 경우 환자에게서 자유로운 최대시간을 조사하였다. 심리 적 변화 척도는 Beck 우울 척도를 이용하여 조사하였다[8].
- 설문 조사의 내용은 장치의 만족도, 행동 변화 척도, 심리적 변화 척도를 조사하였다. 행동 변화 척도는 Rehabilitation Indicator Project에서 개발한 Activity Pattern Indicator(API)를 이용하여 이 중 장애인에게 해당하는 항목인 수동적 오락과 사회적 관계 항목을 선택하여 비도와 기간 신 체적 도움이 요구되는 정도에 대해 평가하였다[7, 10]. 독립적인 기능 정도를 파악하기 위해 각 활동을 보호자에 의존하여 시행한 경우와 독립적으로 시행한 경우를 각각 조사하였고 보호 자의 경우 환자에게서 자유로운 최대시간을 조사하였다.
성능/효과
- 이동식 휠체어 리프트의 구조적 타당성과 장기간 사용에 따른 구조적 안전성을 결정하기 위하여 시제품의 설계도면을 바탕으로 유한요소법을 이용한 구조/피로해석을 수행하였다. 또한 평지 및 계단 위에 있을 때의 Simulation을 실시함으로써 실제 리프트의 안정성을 확인할 수 있었다.
- 먼저 평지에서는 휠체어 장착 후 상판이 기울어 질 때 무게 중심이 안정적으로 이동하는 것을 확인하였다. 35°경사진 계단 위에 있을 때에도 모든 하중은 무게중심 뒤쪽에서 작용하는 것으로 나타났다.
- 연구 대상 장애인의은 근력 검사상 상지 견관절의 굴곡근과 외전근이 Poor/Poor, 주관절 굴곡근이 Poor/Poor이고 주관절 신전근과 수부근 및 하지의 근력이 전혀 없는 상태였다. 본 연구 대상 장애인은 모든 일상생활을 타인에게 의존해야 하는 상태로 생 활환경 제어장치의 필요성에 대한 인식이 있었다.
- 상단 프레임의 휠체어 바퀴 지지대에서 최대 Von Mises Stress 71[MPa]이 발생하는 것을 확인하였다. 알루미늄 합금 의 항복 응력이 275[MPa]임을 감안할 때 안전성이 충분하다 고 판단된다.
- 생활환경 제어장치의 실험 결과 장애인과 간병인의 정신적, 육체적 스트레스를 줄이고 사회적 관계성을 향상시키며 오락에 의 접근성이 증가되는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 심리적 으로 우울 척도의 감소를 가져오고 자신이 환경을 제어할 수 있다는 느낌을 주어 자기 발전적 행동 양식의 변화를 가져올 것으로 사료된다[9].
- 그리고 이동형 휠체어 리프트의 전동기 구동 제어 장치를 개발하고 구조 역학 해석을 통해 기계적 안정성을 평가하며 시제품을 제작하고 성능을 시험하였다. 실험 결과는 구조와 안 정석 해석에서 우수한 성능을 보였고 구동 실험을 통하여 부 하시와 무부하시의 동작을 확인하였다.
- '텔레비', '올려', '내려', '크게', '작게', '브이티알', '오디오', '여기요', '전화', '전등' 이다. 장애인은 시스템을 하루 평균 45회 정도 사용하였고 제시된 어휘에 대한 장애인의 인식률은 97.5%를 나타냈다. 이동형 휠체어 리프트 제어 장치의 경우, 음성인식을 통하여 제어를 하면 장애인의 활동에 도움을 줄 수 있으나 오인식으로 인한 오작동의 위험 성으로 아직 실제 적용에 어려움이 있다.
- 이는 가래 제거나 체위 변동등의 간 호가 필요하기 때문이다. 장치 사용 전후의 Beck 우울 척도의 비교 결과, 우울 정도가 감소하였으나 환자와 보호자 모두 우 울 경향안의 점수를 나타냈다.
- 알루미늄 합금 의 항복 응력이 275[MPa]임을 감안할 때 안전성이 충분하다 고 판단된다. 피로해석 결과 최소수명(Number of cycle)은 1.59x106번으로 계산되었다. 동하중을 고려하면 이보다는 수명 이 짧아질 것이다.
- 연구 대상 장애인은 장치에 대해 대체적으로 만족하고 자신의 생활에 도움이 되는 것으로 대답하였다. 행동 변화 척도를 살펴볼 때 장치 사용 이후 시청 시간이 7시간에서 14 시간으 로 증가하였고 채널 전환 횟수도 30회 이상으로 늘었다. 사회적 관계를 나타내는 전화 걸기 회수는 회수와 시간이 5배씩 증가하였다.
후속연구
- 본 연구를 통하여 사지마비 장애인의 자주적 환경 제어를 위한 음성기반 생활 보조 장치는 환자의 접근성이 뛰어나고 신체적 피로가 적으며 장애인의 사회적 관계 증진에 도움을 줄 수 있는 좋은 수단이 될 것으로 생각된다. 앞으로의 연구과 제는 음성인식기의 적용 시 장애인의 학습의 편이성을 증대시 키는 것과 99.
- 본 연구를 통하여 사지마비 장애인의 자주적 환경 제어를 위한 음성기반 생활 보조 장치는 환자의 접근성이 뛰어나고 신체적 피로가 적으며 장애인의 사회적 관계 증진에 도움을 줄 수 있는 좋은 수단이 될 것으로 생각된다. 앞으로의 연구과 제는 음성인식기의 적용 시 장애인의 학습의 편이성을 증대시 키는 것과 99.9% 이상의 음성 인식률을 가지는 인공 지능화된 음성 기반의 인터페이스의 개발이 필요하다.
- 제안한 음성기반 생활환경 제어 시스템은 장치로서의 접근 이 가장 쉽고 다양한 제어가 가능하며 이후 문서 작성, 통신, 컴퓨터, 기계 제어 등의 이용과의 접목에 있어 훨씬 유리하여 이에 대한 연구 가치가 높다[2]. 또한 국내에서는 생활환경 제어 장치로 상품화된 모델이 없으며 현재 장애인의 사회 경제 적 여건상 고가의 외국 상품을 수입하여 사용하기에도 곤란한 실정이다.
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