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문제 정의
- 본 연구의 목적은 압력센서, 3 축 가속도센서, 2축 각속도센서로 구성된 보행분석 시스템을 구축한 후, 가속도 및 각속도 센서로부터 획득한 각자료들을 하나의 자료로 통합하고, 구간 선형분할을 이용하여 하나의 자료에서 특징들을 추출한 후, k-평균 알고리즘을 이용하여 추출된 특징들을 여러 개의 집단(cluster)으로 분류하고, 이러한 집단을 바탕으로 나타낸 히스토그램으로부터 계산된 대칭 지수(symmetry index)를 이용하여 정상인과 비정상인의 보행 판단에 중대한 영향을 미치는 가속도및 각속도센서의 각 성분들의 특징을 분석하여 로봇 근력증강기술 개발에 활용하는 것이다.
제안 방법
- 1 과 같다. ATMEL 사의 ATmega2561 CPU 칩으로 구성된 마이크로 컨트롤러 보드 M2561VBoard V2.2 14 가 압력센서, 3 축 가속도센서 및 2 축 각속도 센서로부터 획득한 정보를 비동기 RS232 케이블을 이용하여 컴퓨터에 전송하면, 컴퓨터는 전송된 정보를 이용하여 보행 대칭지수 연산 알고리즘으로 대칭지수를 계산한다.
- 보행분석에 필요한 신호를 획득하기 위한 실험에서 피실험자의 신발에 압력센서, 3 축 가속도센서, 2 축 각속도센서를 부착하고 바닥에 45 cm 간격으로 표시된 보행 안내판을 따라 정상보행과 비정상보행을 하였다. 정상보행은 왼발이 보행 안내판을 따라 걸어가면서 왼발의 TO 동작을 보행 초기시점으로 하여 왼발, 오른발의 신호를 획득하였고, 비정상보행은 오른발을 끌면서 왼발의 TO 동작을 보행 초기시점으로 하여 왼발, 오른발의 신호를 획득하였다.
- 여러 가지 보행분석 중에서 보행주기시간, 디딤 시간 등 보행주기내의 특정 사건에 관계된 항목을 이용하여 인간의 보행을 분석할 수 있다. 본 연구에 서는 발가락 떼기(TO: toe off)와 뒷굽 닿기(HS: heel strike)6 사이에서 발생하는 보행의 동작을 분석하였고, 이러한 보행 동작의 분석에 필요한 자료를 획득 하기 위한 국내 연구 중에서 강동원7 등은 3 축 가속도센서 및 각속도센서를 사용하면서 TO 및 HS 가 이루는 축에서의 가속도센서 신호의 특징을 추출하여 장시간 보행 패턴을 측정하였고, 허지운8등은 2 축 가속도센서를 사용하여 보행 이벤트 검출하였고, 안승찬9 등은 저항센서와 각속도센서를 사용하여 보행주기 검출시스템을 개발하였다. 국외에서도 3 축 가속도센서와 각속도센서 등 다양한 센서들을 사용하여 보행분석 연구가 활발히 진행되고 있다.
- 본 연구에서는 보행분석 시스템으로부터 획득한 3 축 가속도센서의 가속도 성분 ax, ay, az 및 2축 각속도센서의 각속도 성분 ωx, ωy 의 원신호를 20 Hz 의 저주파통과필터를 이용하여 고주파 성분의 잡음을 제거 한 원신호를 식 (1)과 같이 하나의 값으로 계산한다.
- 본 연구의 보행분석 시스템은 압력센서, 3 축 가속도센서, 2 축 각속도센서, 마이크로 컨트롤러 보드 및 컴퓨터로 구성된다. 이러한 시스템을 이용하여 정상보행과 비정상보행 분석에 필요한 자료를 압력센서, 가속도센서 및 각속도센서로부터 획득하였고 획득한 자료를 이용하여 보행 대칭지수 연산 알고리즘을 수행하여 구한 대칭지수 값을분석한 결과로부터 다음과 같은 내용을 알 수 있었다.
- 이용하여 여러 개의 집단으로 분류를 할수 있다. 이러한 알고리즘은 주어진 정보들을 이용하여 각 집단의 중심점을 찾아내고 그 점들이 가능한 서로 멀리 떨어져 있도록 하는 것으로 본 연구에서는 k-평균 알고리즘을 이용하여 5 개에서 11 개의 집단을 구하였다. 이렇게 구한 집단의 배열 순서의 특성을 이용하여 히스토그램으로 나타낼 수 있었고 이 그래프를 바탕으로 계산되는 대칭지수 SI 19 는 양 발 각각의 히스토그램을 누적하여 나타낸 히스토그램의 도수의 차와 도수의 합의 절대값 비를 백분율로 나타낸 것으로 식 (3)와 같으며, 히스토그램으로 표현된 보행 특성을 비교하여 보행 대칭성을 판단하는 대칭지수를 의미한다.
- 이러한 특징을 이용하여 각 선분마다 정규화한 R 의 분산, 각 축의 가속도 평균, 각 축의 각속도 평균, 정규화한 R 의 기울기, 표본개수 등 8 개의 정보를 추출할 수 있으며 정규화는 가속도와 각속도의 크기를 0∼1 사이의 값으로 하였다.
- 인간의 보행은 각 하지의 관절과 근육들이 조화롭게 움직여 몸의 이동에 따른 연속적인 다리의 움직임을 말하는 것인데, 인간의 보행동작을 분석하여 정상인의 보행과 환자의 비정상적인 보행을 비교 분석하여 진단에 활용하였다. 고재훈3 등은 정상보행과 무릎 통증으로 인한 비정상보행의 차이를 3 차원 운동측정장치를 이용하여 획득한 자료를 카오스 이론을 적용하여 정상보행여부를 판별할 수 있는 기준을 제시하였다.
- 보행분석에 필요한 신호를 획득하기 위한 실험에서 피실험자의 신발에 압력센서, 3 축 가속도센서, 2 축 각속도센서를 부착하고 바닥에 45 cm 간격으로 표시된 보행 안내판을 따라 정상보행과 비정상보행을 하였다. 정상보행은 왼발이 보행 안내판을 따라 걸어가면서 왼발의 TO 동작을 보행 초기시점으로 하여 왼발, 오른발의 신호를 획득하였고, 비정상보행은 오른발을 끌면서 왼발의 TO 동작을 보행 초기시점으로 하여 왼발, 오른발의 신호를 획득하였다.
대상 데이터
- 3 축의 가속도성분을 측정할 수 있는 Freescale사의 MMA7260Q 가속도계의 출력신호에 외부 저주파통과필터회로가 구현된 3 축 가속도센서 AM-3AXIS ver.216 를 사용하였다. 이러한 센서의 제원은 Table 2 와 같다.
- 각속도센서는 2 축 회전속도성분을 측정할 수있는 Invensens 사의 IDG-300 각속도센서의 출력신호에 외부 저주파통과필터회로가 구현된 2 축 각속도센서 AM-GYRO16 를 사용하였다. 이러한 센서의 제원은 Table 3 와 같다.
- 본 연구의 보행분석 시스템은 압력센서, 3 축 가속도센서, 2 축 각속도센서, 마이크로 컨트롤러 보드 및 컴퓨터로 구성된다. 이러한 시스템을 이용하여 정상보행과 비정상보행 분석에 필요한 자료를 압력센서, 가속도센서 및 각속도센서로부터 획득하였고 획득한 자료를 이용하여 보행 대칭지수 연산 알고리즘을 수행하여 구한 대칭지수 값을분석한 결과로부터 다음과 같은 내용을 알 수 있었다.
- 압력센서는 보행할 때 보행동작의 신호를 검출 하는 기준이 되는 발의 TO 와 HS 를 결정하는 것으로 FSR(Force Sensing Resistor) 40215 를 사용하였다. 이러한 센서는 PTF(Polymer Thick Film) 소재로 만들어졌고 활성 영역에 힘이 증가되면 전기적 저항이 감소하는 센서로 제원은 Table 1 과 같다.
- 피실험자는 특히 신체의 하지와 관련된 과거 및현재 병력이 없는 신체 건강한 정상인 남자 2 명을 대상으로 하였고 각각의 피실험자가 정상보행과 비정상보행 실험을 모두 하였다. 피실험자 1 은 남자 27 세(173 cm, 76 kg), 피실험자 2 는 남자 29 세(178 cm, 80 kg)이며 실험하기 전에 피실험자들에게 실험 목적 및 내용 등을 충분히 설명하여 동의를 받았다.
- 피실험자는 특히 신체의 하지와 관련된 과거 및현재 병력이 없는 신체 건강한 정상인 남자 2 명을 대상으로 하였고 각각의 피실험자가 정상보행과 비정상보행 실험을 모두 하였다. 피실험자 1 은 남자 27 세(173 cm, 76 kg), 피실험자 2 는 남자 29 세(178 cm, 80 kg)이며 실험하기 전에 피실험자들에게 실험 목적 및 내용 등을 충분히 설명하여 동의를 받았다.
이론/모형
- 식 (1)은 가속도센서 및 각속도센서의 각 축의 성분들을 모두 포함하고 있다. 이 식에 포함되어 있는 특징들을 추출하기 위하여 구간선형분할 (piecewise linear segmentation)17 법을 이용한다. 본 연구에서는 다음과 같이 제안한 식 (2)를 이용하여 구간선형분할을 하였다.
- 추출된 정보들을 바탕으로 선분들은 k-평균 알고리즘18 이용하여 여러 개의 집단으로 분류를 할수 있다. 이러한 알고리즘은 주어진 정보들을 이용하여 각 집단의 중심점을 찾아내고 그 점들이 가능한 서로 멀리 떨어져 있도록 하는 것으로 본 연구에서는 k-평균 알고리즘을 이용하여 5 개에서 11 개의 집단을 구하였다.
성능/효과
- 의 대칭지수 값을 기준치로 할때 각속도센서를 융합함으로써 구한 대칭지수 값들의 변화량을 백분율로 나타낸다. LNRN 경우에 피실험자 모두 각각의 각속도 성분이 추가되면 대칭 지수 값은 증가하지만 각속도 성분 모두 추가되면 대칭지수 값은 감소하고, LARA 경우에 피실험자 모두 각속도센서가 융합됨으로써 대칭지수 값이 감소하고 각속도 성분 모두 추가되면 대칭지수 값의 감소율이 떨어진다.
- 피실험자 1 을 대상으로 가속도 및 각속도 센서들의 각 성분의 특성을 나타낸 그래프는 양 발의 정상보행 및 왼발의 비정상보행이 거의 주기(TO 동작에서 다음 TO 동작)적 특성을 보여주며 정상보행의 주기가 비정상보행의 주기보다 짧다는 것을 보여준다.
후속연구
- 한쪽 발을 끌면서 걷는 것은 사고나 질병으로 인한 마비환자의 전형적인 보행방법이다. 이 외에 환자들의 다양한 보행 방법에 대한 실험을 통하여 보행평가방법과 적용데이터가 유효한지 검토하여 볼 계획이며, 그 결과를 통해 마비환자들이 정상적으로 걸을수 있도록 하는 능동형 보행 장비의 개발에 도움이 되는 결과를 얻을 수 있을 것이라 기대한다.
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