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문제 정의
- 본 논문은 시각장애인들의 안전한 보행을 위하여 초음파를 통해 전방의 장애물을 감지하여 경고해주며, 또한 시각장애인들의 필요에 따라 물체의 색상과 주변의 밝기를 측정하여 알려줄 수 있는 기기인 SmartWand [1, 2] 개발에 관한 것이다. 이 기기는 시각장애인들이 익숙하게 사용하는 흰 지팡이에 부착하여 사용하도록 되어있어, 기존 횐 지팡이의 유용함을 살리면서 흰 지팡이로 알아낼 수 없는 허리 높이 이상의 장애물을 초음파로 탐지하여 경고해주는 특징이 있다.
- 본 연구에서는 시각장애인이 실외 보행 시 흰 지팡이만으로 감지하기 힘든 장애물을 초음파를 통해 감지하고 경고해주는 SmartWand v2를 개발하였다. 특히 기존에 개발하였던 기기에 대해 시각장애인들에게 사용성 평가를 받은 후 그 결과를 토대로 디자인 및 성능을 개선하여 실용성을 높였다.
가설 설정
- 이 초음파센서의 각도는 허리 높이 이상의 장애물을 효과적으로 측정할 수 있도록 시각장애인이 흰 지팡이를 쥐었을 때 초음파센서로부터 2m 떨어진 지점이 사용자의 머리 위치가 되도록 정하였다. 여기서 시각장애인이 흰 지팡이를 잡는 각도는 45°, 시각장애인의 키는 170cm로 가정하였다. 평가를 위해 시각장애인협회 소속 성인 9명에게 사용하게 한 후에 설문조사를 하였다.
- 버튼의 형태나 위치를 편리하게 개선하고, 외부 충격에 센서나 회로가 견디도록 견고성을 높이도록 설계할 것이다. 전지의 충전도 보다 편리하게 개선할 것이며, 지팡이에 착탈 시의 편리성도 높일 것이다.
제안 방법
- SmartWand vl을 개발한 후, 각 기능의 유용성 검증 및 편리성 및 디자인에 대한 평가를 받기위해 시각장애인을 대상으로 사용성 평가를 실시하였다[2]. 평가자로써 국립서울맹학교 소속의 성인 15명과 중고등 학생 14명이 참가하였다.
- Teletact는 레이저의 반사되는 빛을 측정하여 장애물과의 거리를 계산하고 이를 3단계의 진동 세기와 멜로디를 이용하여 알려줌으로써, 시각장애인이 주변을 스캔하여 장애물의 위치와 형태를 측정할 수 있도록 하였다. 하지만 실제로 시각장애인이 길을 걸으며 주변을 탐지하기 위해 주의를 쏟기 힘들며, 레이저는 너무 직진성이 강해 장애물을 효과적으로 탐지하지 못할 위험도 있다.
- 특히 기존에 개발하였던 기기에 대해 시각장애인들에게 사용성 평가를 받은 후 그 결과를 토대로 디자인 및 성능을 개선하여 실용성을 높였다. 가속도 센서를 이용하여 기기가 진행 방향을 향할 때만 초음파로 거리 측정을 하도록 제어하여 시각장애인에게 불필요한 정보를 주지 않도록 하였으며, 시각장애인들이 지팡이로 땅을 두드리는 충격으로 인한 오차를 보정하는 기능도 추가하였다.
- 이런 문제를 해결하기 위해 가속도 센서를 추가하여, 시각장애인이 흰 지팡이를 좌우로 흔들 때 가속도 값이 크게 변하는 지점에서 초음파 센서의 값을 무시하였다. 가속도 센서를 중앙에서 좌우로 한번 왕복하는 동안의 가속도 값 변화를 나타내고 있으며, 유효한 지점을 -n~+n의 범위로 지정하고 n의 값은 여러 차례의 실험을 통해 결정하였다(그림 6). 또한 가속도 센서의 기울어짐에 따라 값이 크게 변하는 특성을 보정하고자 moving average 기법을 사용하였다.
- 이 기기는 시각장애인들이 익숙하게 사용하는 흰 지팡이에 부착하여 사용하도록 되어있어, 기존 횐 지팡이의 유용함을 살리면서 흰 지팡이로 알아낼 수 없는 허리 높이 이상의 장애물을 초음파로 탐지하여 경고해주는 특징이 있다. 개발된 기기는 2 번의 시제품으로 개발되었는데, 첫 번째 개발된 Smait- Wand vl에 대해 시각장애인들을 대상으로 사용성 평가를 실시하여, 기능의 유용성 및 편리성, 디자인 둥에관한 항목을 평가받았다. 그 결과 가장 큰 문제로 지목되었던 것은 크기와 무게가 실용적이지 못하고 부착 위치와 방식에 대한 문제, 진동과 음성전달에 관한 문제 등을 지적받았다.
- 기존의 초음파센서인 Smart Sensor(SE-600)는 10m이내에서 감지 성능이 우수하고 안정성이 좋으나 부피가 큰 단점이 있었다. 그래서 3m 이내의 비교적 짧은 거리만 검출이 가능하지만 부피가 작고 가벼우며 측정 시간이 짧은 하기소닉의 HG-L40 센서를 사용하여 전체적인 디자인을 변경하였다. 실제 시각장애인에게 3m이상 멀리 떨어져 있는 장애물을 미리 경고해줄 경우 오히려 불안감만 증폭시킬 가능성이 있을 뿐 멀리 떨어진 장애물을 탐지할 필요성은 없으며, 여러 번 실시하였던 시각장애인들과의 회의에서 장애물과의 정확한 거리보다 일정 거리 이내의 장애물을 신속히 경고해주는 것이 더 도움이 된다는 의견이 있었다.
- 지연이 생기는 문제가 발생하였다. 그래서 일정 거리 이내에 장애물이 발견되면 즉시 진동이 울리도록 알고리즘을 단순화 시켰으며, 이 거리는 보행 시 안전거리를 감안하여 2m로 정하였다. 그리고 반응 속도가 빠른 초음파 센서로 교체됨에 따라 장애물 탐지 기능의 응답속도는 크게 개선이 되었다.
- 하였다. 그리고 컬러 센서와 조도 센서는 기존의 SmartWand vl과 같은 제품을 사용하였으나 시각장애인이 색상 인식이나 명암인식 시에 좀 더 편하게 조작할 수 있도록 센서의 위치를 변경하였다(표 2).
- 오도록 하여 착용감을 향상시켰다. 또 가벼운 리튬이온 배터리를 사용함으로써 무게를 줄였으며, 배터리를 꺼내지 않고 외부 단자를 통해 충전이 가능하도록 제작하여 전체적으로 실용성을 향상시켰다(그림 5).
- 그리고 반응 속도가 빠른 초음파 센서로 교체됨에 따라 장애물 탐지 기능의 응답속도는 크게 개선이 되었다. 또한 기존의 SmartWand vl 에서 초음파 센서의 측정 방향을 조정하는 기능이 있었으나, 사용 중에 측정 방향이 바뀌는 것이 오히려 혼란을 야기한다는 의견에 따라 초음파 센서를 고정시켰다. 이 초음파센서의 각도는 허리 높이 이상의 장애물을 효과적으로 측정할 수 있도록 시각장애인이 흰 지팡이를 쥐었을 때 초음파센서로부터 2m 떨어진 지점이 사용자의 머리 위치가 되도록 정하였다.
- 또한, 시각장애인들이 실내에 들어갔을 때 조명이 켜있는 지의 여부 등을 알고 싶은 요구 또한 충족시키기 위해, 조도 센서를 이용하여 주변의 밝기를 음성으로 알려주는 기능도 추가하였다.
- 같다. 먼저 기존 SmsrtWand의 실용성에 가장 큰 문제가 되었던 부피와 무게의 문제를 해결하기 위해 초음파센서를 교체하였다. 기존의 초음파센서인 Smart Sensor(SE-600)는 10m이내에서 감지 성능이 우수하고 안정성이 좋으나 부피가 큰 단점이 있었다.
- SmartWand는 정보통신시범사업의 대상으로 선정되었으며, 향후 사용자 검증을 통하여 실용성을 높여나갈 것이다. 버튼의 형태나 위치를 편리하게 개선하고, 외부 충격에 센서나 회로가 견디도록 견고성을 높이도록 설계할 것이다. 전지의 충전도 보다 편리하게 개선할 것이며, 지팡이에 착탈 시의 편리성도 높일 것이다.
- 사물의 색상정보와 주변 밝기 정도를 컬러 센서를 통해 RGB값으로 얻은 후 표 3과 같이 컬러 값을 구분하였다. 주변 밝기 정도도 같은 방식으로 결정하였다.
- 시각장애인이 횐 지팡이를 표준 타법에 따라 사용할 때, 보행자의 진행 방향에 있지 않은 장애물은 탐지 하지 않도록 하기 위해 가속도 센서를 추가하여 SmartWand v2의 움직임에 따라 초음파 센서를 컨트롤할 수 있도록 하였다. 그리고 컬러 센서와 조도 센서는 기존의 SmartWand vl과 같은 제품을 사용하였으나 시각장애인이 색상 인식이나 명암인식 시에 좀 더 편하게 조작할 수 있도록 센서의 위치를 변경하였다(표 2).
- . 실험은 벽과의 거리 dl을 약 1m, 1.5m, 2m로 바꿔가며 진행하였다.
- 또한 진동으로 장애물의 출현을 알림과 장애인이 정확한 거리를 알고 싶을 때는 스위치를 조작하면 스피커로 장애물과의 거리를 음성으로 알려준다. 여기서 알려주는 거리는 마이크로프로세서에서 거리를 0.5m 간격으로 반올림을 하여 메모리에 미리 저장되어 있는 0.5m ~3m의 거리를 알려주는 6개의 음성메시지를 스피커로 내보낸다.
- 또한 기존의 SmartWand vl 에서 초음파 센서의 측정 방향을 조정하는 기능이 있었으나, 사용 중에 측정 방향이 바뀌는 것이 오히려 혼란을 야기한다는 의견에 따라 초음파 센서를 고정시켰다. 이 초음파센서의 각도는 허리 높이 이상의 장애물을 효과적으로 측정할 수 있도록 시각장애인이 흰 지팡이를 쥐었을 때 초음파센서로부터 2m 떨어진 지점이 사용자의 머리 위치가 되도록 정하였다. 여기서 시각장애인이 흰 지팡이를 잡는 각도는 45°, 시각장애인의 키는 170cm로 가정하였다.
- 이 현상은 초음파센서의 측정 딜레이가 길 경우 더욱 문제가 되어, 기존의 SmartWand vl에서는 옆면의 벽을 장애물로 감지함에도 혼란을 느끼는 사용자가 많았다. 이런 문제를 해결하기 위해 가속도 센서를 추가하여, 시각장애인이 흰 지팡이를 좌우로 흔들 때 가속도 값이 크게 변하는 지점에서 초음파 센서의 값을 무시하였다. 가속도 센서를 중앙에서 좌우로 한번 왕복하는 동안의 가속도 값 변화를 나타내고 있으며, 유효한 지점을 -n~+n의 범위로 지정하고 n의 값은 여러 차례의 실험을 통해 결정하였다(그림 6).
- 이를 보정하여 주기 위해 과거 거리 측정값 5개의 평균과 현재의 거리측정 값을 비교하여 이의 차가 50 이상이 되면, 바로 이전의 거리 측정값을 현재 data로 사용하도록 프로그램 하였다.
- 발생한다. 이에 따른 오차를 보정하기 위하여 실험을 실시하여 그 결과를 제어 소프트웨어에 반영하였다..
- 장애물 인식 기능 외에, 시각장애인들이 물건을 살 때나 입을 옷을 고를 때 색상을 쉽게 알지 못해서 불편한 점이 많아 이를 해결할 수 있는 기술에 대한 요구가 큰 것에 착안하여, 컬러 센서를 이용한 색상 인식 기능을 추가하였다. 또한, 시각장애인들이 실내에 들어갔을 때 조명이 켜있는 지의 여부 등을 알고 싶은 요구 또한 충족시키기 위해, 조도 센서를 이용하여 주변의 밝기를 음성으로 알려주는 기능도 추가하였다.
대상 데이터
- 여기서 시각장애인이 흰 지팡이를 잡는 각도는 45°, 시각장애인의 키는 170cm로 가정하였다. 평가를 위해 시각장애인협회 소속 성인 9명에게 사용하게 한 후에 설문조사를 하였다. 대부분 기능에는 만족하였지만 여전히 무게와 크기에 대한 불만이 있었다.
- 평가자로써 국립서울맹학교 소속의 성인 15명과 중고등 학생 14명이 참가하였다. 평가실시는 2006년 12월 21과 22일 이틀간 이루어졌다.
- 평가자로써 국립서울맹학교 소속의 성인 15명과 중고등 학생 14명이 참가하였다. 평가실시는 2006년 12월 21과 22일 이틀간 이루어졌다.
이론/모형
- 가속도 센서를 중앙에서 좌우로 한번 왕복하는 동안의 가속도 값 변화를 나타내고 있으며, 유효한 지점을 -n~+n의 범위로 지정하고 n의 값은 여러 차례의 실험을 통해 결정하였다(그림 6). 또한 가속도 센서의 기울어짐에 따라 값이 크게 변하는 특성을 보정하고자 moving average 기법을 사용하였다.
성능/효과
- 개발된 기기는 2 번의 시제품으로 개발되었는데, 첫 번째 개발된 Smait- Wand vl에 대해 시각장애인들을 대상으로 사용성 평가를 실시하여, 기능의 유용성 및 편리성, 디자인 둥에관한 항목을 평가받았다. 그 결과 가장 큰 문제로 지목되었던 것은 크기와 무게가 실용적이지 못하고 부착 위치와 방식에 대한 문제, 진동과 음성전달에 관한 문제 등을 지적받았다.
- 그 외 디자인 개선 사항으로 시각장애인들이 혼자서도 흰 지팡이에 부착 및 탈착이 가능하도록 부착방식을 간편하게 만들었으며, 부착 시 무게중심이 횐 지팡이의 중심 선상에 오도록 하여 착용감을 향상시켰다. 또 가벼운 리튬이온 배터리를 사용함으로써 무게를 줄였으며, 배터리를 꺼내지 않고 외부 단자를 통해 충전이 가능하도록 제작하여 전체적으로 실용성을 향상시켰다(그림 5).
- 그러나 SmartWand의 가장 큰 문제로 크기가 크고 무거운 것에 대해 지적받았으며, 부착 위치가 손잡이인 것은 좋으나 무게중심이 맞지 않아 손에 잡기 불편하다는 문제도 있었다. 또한 진동과 음성으로 경고하는 방식은 선호하였으나, 실제 진동의 서)기가 너무 약하고 응답 속도가 느려 인식하기 힘들며 음성 전달도 스피커 형태로만 되어있어 시끄러운 환경에서는 사용하기 어려울 것이라는 평가를 받았다. 설문 조사의 각 항목 당 선호도를 5단계로 응답받은 후 평균하여 수치로 나타내었다(그림 3).
- 사용성 평가 결과 장애물 탐지 기능, 색상 인식 기능, 명암 인식 기능에 대한 각각의 유용성은 높은 지지를 받았으며, 3가지 기능이 통합되어 있는 형태도 각각의 기능을 분리하는 것보다 선호하는 것으로 나타났다. 그러나 SmartWand의 가장 큰 문제로 크기가 크고 무거운 것에 대해 지적받았으며, 부착 위치가 손잡이인 것은 좋으나 무게중심이 맞지 않아 손에 잡기 불편하다는 문제도 있었다.
- 그래서 3m 이내의 비교적 짧은 거리만 검출이 가능하지만 부피가 작고 가벼우며 측정 시간이 짧은 하기소닉의 HG-L40 센서를 사용하여 전체적인 디자인을 변경하였다. 실제 시각장애인에게 3m이상 멀리 떨어져 있는 장애물을 미리 경고해줄 경우 오히려 불안감만 증폭시킬 가능성이 있을 뿐 멀리 떨어진 장애물을 탐지할 필요성은 없으며, 여러 번 실시하였던 시각장애인들과의 회의에서 장애물과의 정확한 거리보다 일정 거리 이내의 장애물을 신속히 경고해주는 것이 더 도움이 된다는 의견이 있었다.
- 경고해주는 SmartWand v2를 개발하였다. 특히 기존에 개발하였던 기기에 대해 시각장애인들에게 사용성 평가를 받은 후 그 결과를 토대로 디자인 및 성능을 개선하여 실용성을 높였다. 가속도 센서를 이용하여 기기가 진행 방향을 향할 때만 초음파로 거리 측정을 하도록 제어하여 시각장애인에게 불필요한 정보를 주지 않도록 하였으며, 시각장애인들이 지팡이로 땅을 두드리는 충격으로 인한 오차를 보정하는 기능도 추가하였다.
후속연구
- SmartWand는 정보통신시범사업의 대상으로 선정되었으며, 향후 사용자 검증을 통하여 실용성을 높여나갈 것이다. 버튼의 형태나 위치를 편리하게 개선하고, 외부 충격에 센서나 회로가 견디도록 견고성을 높이도록 설계할 것이다.
- 본 논문에서 제안한 SmartWand는 장애물의 인식범위를 이동경로에 맞게 제한하여 불필요한 혼란을 줄였고, 지면과의 충돌의 의한 에러를 제거하여 보다 정확한 결과를 제공할 수 있다.
- 현재의 SmartWand는 시각장애인 지팡이의 보조적인 수단으로 가슴이상의 높이에 있는 돌발장애물을 회피하는 장치로 실용화될 것이다. 실용화 이후에도 성능 향상을 위한 지속적인 연구가 필요하며, 계단이나 웅덩이를 인식할 수 있는 기능이 개발되고, 유비쿼터스 인프라와 연계한 기능들이 개발될 것이다.
- 현재의 SmartWand는 시각장애인 지팡이의 보조적인 수단으로 가슴이상의 높이에 있는 돌발장애물을 회피하는 장치로 실용화될 것이다. 실용화 이후에도 성능 향상을 위한 지속적인 연구가 필요하며, 계단이나 웅덩이를 인식할 수 있는 기능이 개발되고, 유비쿼터스 인프라와 연계한 기능들이 개발될 것이다.
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