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문제 정의
- 감성평가 항목에서는 본 결과물에 대한 사용자들의 생각과 느낀 점을 살펴보기 위한 질문으로 구성하였다. 먼저 줄넘기와 스마트폰을 함께 사용하는 것에 대한 생각을 묻는 질문에서 ‘별다른 기기가 아닌 누구나 가지고 있는 스마트폰을 사용하여 운동에 도움을 받을 수 있다는 점에서 편리함을 느꼈다’는 의견과 ‘스마트폰을 이용하여 함께 운동을 할 수 있다는 면에서 신선함을 느꼈다’는 의견이 있었다.
- 이에 본 연구에서는 음악 줄넘기와 스마트폰 리듬 게임을 실시간으로 결합한 스마트 줄넘기를 개발하고, 이를 통해 고강도의 줄넘기 운동에 흥미를 부여하고자 하였다. 더욱이 사용자의 동작을 스마트폰과 연동하기 위해 필요한 센서 및 임베디드 무선통신 모듈을 줄넘기 활동에서 얻는 자가발전 전력으로 구동함으로써 줄넘기 운동을 통한 에너지 생산이라는 지속 가능한 사용자 경험을 구현하는 것을 목표로 하였다.
- 스마트폰 앱에서 측정한 점프 횟수의 정확도를 확인하기 위해 테스트를 시행하였다. 사용자가 20초 줄넘기 운동을 실시한 후 가속도 데이터파형과 스마트폰 앱에서 측정된 점프 횟수를 그림 11에 표시하였다.
- 이에 본 연구에서는 음악 줄넘기와 스마트폰 리듬 게임을 실시간으로 결합한 스마트 줄넘기를 개발하고, 이를 통해 고강도의 줄넘기 운동에 흥미를 부여하고자 하였다. 더욱이 사용자의 동작을 스마트폰과 연동하기 위해 필요한 센서 및 임베디드 무선통신 모듈을 줄넘기 활동에서 얻는 자가발전 전력으로 구동함으로써 줄넘기 운동을 통한 에너지 생산이라는 지속 가능한 사용자 경험을 구현하는 것을 목표로 하였다.
제안 방법
- 또한 가속도 센서로부터 점프 중의 가속도 데이터를 효과적으로 측정할 수 있도록 그림 12의 (b)와 같은 방향으로 임베디드 회로보드를 고정하였다. 현재는 Y-축 방향의 가속도를 주로 사용하여 사용자의 점프를 감지하도록 되어 있기 때문에 사용자가 손잡이를 쥐는 위치와 방향을 적절히 유도하기 위해 그림 12 (c) 와 같이 의도적인 디자인을 통해 손이 움켜지는 부위를 다른 윗부분과 다른 좀 더 거친 재질로 제작하여 줄넘기가 미끄러지지 않고 자연스럽게 사용자가 적절한 위치에서 손잡이를 쥐도록 제작하고, 엄지손가락이 위치하는 곳에 시각적인 표시를 추가하였다.
- 20~30대의 남녀 13명을 대상으로 각자의 스마트폰에 본 연구를 통해 개발된 앱 프로토타입을 설치하고 제작된 줄넘기를 이용하여 하루 10분씩 5일 동안 평가자의 아무런 지시 없이 자율 줄넘기 운동을 실시한 후 설문조사를 통하여 평가를 진행하였다. 설문지는 사용성(Usability), 유용성(Usefulness), 감성(Affect)의 요소로 이루어진 HCI 이론을 바탕으로 하였다.
- 모터는 감속기가 내장된 DC 기어드 모터를 사용함으로써 발전기로 사용되었을 때 추가적인 정류 회로가 필요하지 않고, 감속비만큼 증폭되어 더욱 큰 출력을 생성 해 낼 수 있도록 하였다. 다양한 소형 DC 기어드 모터의 출력과 운동에 미치는 부하, 줄넘기 손잡이에 장착되기 위한 크기와 무게 등을 고려하여 GM24-KTX(Yellow)소형 감속기 방식의 모터를 선택하였다.
- 사용자의 신장과 체중을 환경설정 창에서 입력하여 저장 할 수 있도록 하여 줄넘기 운동으로 인해 변하는 신체 정보를 확인하여 운동 효과를 확인 할 수 있도록 하였다. 또한 대표적인 쇼설 네트워크 서비스(Social Network Service SNS)인 카카오톡((주)카카오, South Korea)와의 연동을 통해, 기록된 운동정보를 다른 사람들과 공유하여 함께 운동하고 공감 하는 즐거 움을 경험함으로써 줄넘기 운동의 효과를 극대화 할 수 있도록 하였다.
- A)의 전원으로 사용된다. 또한 줄넘기 운동 중에 사용자가 잠시 멈추었을 때 임베디드 시스템의 전원 공급이 중단되는 것을 방지하기 위해 그림 6의 (c)와 같이 출력부에 소형(100mAh) 리튬배터리(H401230-PCM, Power Source Energy Co., Taiwan)를 장착하여 일종의 버퍼 역할을 하도록 하였다.
- 현재 개발된 스마트폰 앱 프로토타입은 사용자의 점프 횟수를 측정할 뿐만 아니라, 운동 시행과 관련된 정보를 데이터베이스에 날짜 별로 구분하여 저장하며, 그래프 형식으로도 볼 수 있도록 하여 운동 관리를 효과적으로 할 수 있도록 하였다. 리듬 게임 앱과는 별도로, 운동 중 지루하지 않도록 배경 음악을 재생하는 기능도 추가하여 운동의 지루함을 덜 수 있도록 하였고, 음악은 자신의 스마트폰에 저장된 음악을 재생하도록 하였다. 사용자의 신장과 체중을 환경설정 창에서 입력하여 저장 할 수 있도록 하여 줄넘기 운동으로 인해 변하는 신체 정보를 확인하여 운동 효과를 확인 할 수 있도록 하였다.
- 본 연구의 에너지 자립형 줄넘기는 운동 시 줄넘기 손잡이와 줄 사이에 모터를 장착하여 줄의 회전력을 이용해 모터를 구동시킴으로써 운동에너지를 전기에너지로 변화시켜 전력을 생산 하였다. 모터는 감속기가 내장된 DC 기어드 모터를 사용함으로써 발전기로 사용되었을 때 추가적인 정류 회로가 필요하지 않고, 감속비만큼 증폭되어 더욱 큰 출력을 생성 해 낼 수 있도록 하였다. 다양한 소형 DC 기어드 모터의 출력과 운동에 미치는 부하, 줄넘기 손잡이에 장착되기 위한 크기와 무게 등을 고려하여 GM24-KTX(Yellow)소형 감속기 방식의 모터를 선택하였다.
- 무엇보다 운동 중에 사용한다는 특성을 고려하여, 블루투스 페어링(pairing) 및 연결(connection)을 위한 조작을 최대한 간소화하기 위해 임베디드 시스템이 내장된 줄넘기의 모델명을 등록하고 한 번의 버튼 클릭으로 바로 연결 할 수 있도록 하였다.
- 발전기와 배터리를 포함한 스마트 줄넘기의 부품들은 줄넘기 손잡이 내부에 그림 12 (a)와 같이 배치되었으며 장치의 전원 및 작동 상태를 사용자에게 알리기 위한 LED를 추가하였다.
- 이 과정에서 블루투스 통신 모듈과 임베디드 시스템은 지속적인 전원 공급이 필요하며 이에 따라 배터리를 소모하고 교체해야 하는 번거로움이 발생하게 된다. 본 연구의 에너지 자립형 줄넘기는 운동 시 줄넘기 손잡이와 줄 사이에 모터를 장착하여 줄의 회전력을 이용해 모터를 구동시킴으로써 운동에너지를 전기에너지로 변화시켜 전력을 생산 하였다. 모터는 감속기가 내장된 DC 기어드 모터를 사용함으로써 발전기로 사용되었을 때 추가적인 정류 회로가 필요하지 않고, 감속비만큼 증폭되어 더욱 큰 출력을 생성 해 낼 수 있도록 하였다.
- 리듬 게임 앱과는 별도로, 운동 중 지루하지 않도록 배경 음악을 재생하는 기능도 추가하여 운동의 지루함을 덜 수 있도록 하였고, 음악은 자신의 스마트폰에 저장된 음악을 재생하도록 하였다. 사용자의 신장과 체중을 환경설정 창에서 입력하여 저장 할 수 있도록 하여 줄넘기 운동으로 인해 변하는 신체 정보를 확인하여 운동 효과를 확인 할 수 있도록 하였다. 또한 대표적인 쇼설 네트워크 서비스(Social Network Service SNS)인 카카오톡((주)카카오, South Korea)와의 연동을 통해, 기록된 운동정보를 다른 사람들과 공유하여 함께 운동하고 공감 하는 즐거 움을 경험함으로써 줄넘기 운동의 효과를 극대화 할 수 있도록 하였다.
- 20~30대의 남녀 13명을 대상으로 각자의 스마트폰에 본 연구를 통해 개발된 앱 프로토타입을 설치하고 제작된 줄넘기를 이용하여 하루 10분씩 5일 동안 평가자의 아무런 지시 없이 자율 줄넘기 운동을 실시한 후 설문조사를 통하여 평가를 진행하였다. 설문지는 사용성(Usability), 유용성(Usefulness), 감성(Affect)의 요소로 이루어진 HCI 이론을 바탕으로 하였다.
- 설문지의 세부 구성은 참가자의 줄넘기 운동에 대한 경험과 생각에 대해 알아보기 위한 사전 기초선 조사 5문항과 개발된 줄넘기의 사용성 11문항 및 유용성에 대한 질문 8문항, 마지막으로 본 시제품에 대한 사용자의 감성적 생각을 묻는 질문 4문항으로 구성 하였다.[7][8][9]
- 실제 줄넘기 운동에서 활용되어 그 효과가 입증된 음악줄넘기의 개념을 접목하여, 사용자가 줄넘기 운동을 즐거운 경험으로써 더욱 흥미를 갖고 유익하게 사용할 수 있는 스마트폰 앱 콘텐츠를 개발하였다. 그림 7은 리듬게임으로 개발된 앱 콘텐츠 이다.
- 앱 콘텐츠는 자바 이클립스(JAVA Eclipse), JDK(JAVA Developers'kit)와 안드로이드 SDK(Android Software Development Kit)를 이용하여 개발되었으며 개발된 앱은 Samsung Galaxy Tab 10.1을 이용하여 프로그램 호환성을 테스트 하였다.
- 어댑터는 내구성을 고려하여 알루미늄 재질로 제작하는 한편 원통형 구조를 이용해 줄이 어댑터 뒷부분까지 통과하도록 하여 줄과의 연결을 용이하게 할 뿐 아니라, 줄 길이의 조절도 가능하도록 하였다.
- 그림 16. 자가발전 줄넘기를 이용하여 LED를 발광시켜 손전등의 형태로 개발한 프로토타입.
- 1을 이용하여 프로그램 호환성을 테스트 하였다. 전달된 가속도 데이터는 앱 내부에서 분석을 통해 줄넘기 횟수를 자동으로 측정하여 사용자에게 보여주도록 하였다.
- 줄넘기 운동 시 사용자의 움직임을 인식하기 위해 가속도 데이터를 임베디드 시스템과 블루투스를 통해 무선으로 전송한 후 스마트폰에서 인식하여 다양한 피드백을 사용자에게 제공하도록 하였다. 이 과정에서 블루투스 통신 모듈과 임베디드 시스템은 지속적인 전원 공급이 필요하며 이에 따라 배터리를 소모하고 교체해야 하는 번거로움이 발생하게 된다.
대상 데이터
- 모터에서 생성된 전력은 불안정 하고 출력이 일정하지 않기 때문에 그대로 임베디드 시스템의 전원으로 사용하기에는 적합하지 않다. 에너지 하베스팅 IC회로인 CBC5300 (cymbet corporation, U.S.A)을 이용하여 그림 6의 (a)와 같이 DC-DC 변환, regulation 등 일련의 파워 컨디셔닝 과정을 거친 후 저전력 임베디드 시스템 EZ430-RF256x (Texas Instruments, U.S.A)의 전원으로 사용된다. 또한 줄넘기 운동 중에 사용자가 잠시 멈추었을 때 임베디드 시스템의 전원 공급이 중단되는 것을 방지하기 위해 그림 6의 (c)와 같이 출력부에 소형(100mAh) 리튬배터리(H401230-PCM, Power Source Energy Co.
성능/효과
- 개발된 줄넘기와 일반줄넘기를 비교 하였을 때 사용자의 생각을 묻는 질문에서 사용자들은 개발된 줄넘기가 일반 줄넘기보다 무겁다는 면에서 불편함을 느꼈지만 개발된 줄넘기가 운동정보가 가능하다는 면에서 일반 줄넘기보다 유익함을 높게 평가하였다.
- 33W의 전력을 생산하는 것으로 확인되었으며 생산된 전력은 power conditioning과정을 통해 임베디스 시스템의 전원으로써 사용가능함을 확인 할 수 있었다. 또한 블루투스 통신을 통해 임베디드 시스템으로부터 스마트폰으로 전송된 가속도 데이터를 이용하여 사용자의 점프 시점과 횟수를 자동으로 감지 할 수 있었다. 또한 스마트폰 앱 콘텐츠 프로토 타입 과 제작된 자가 발전 줄넘기를 이용하여 사용자 테스트를 시험 평가에서 본 연구가 줄넘이 운동의 동기부여방법으로써 가능함을 확인 할 수 있었다.
- 또한 블루투스 통신을 통해 임베디드 시스템으로부터 스마트폰으로 전송된 가속도 데이터를 이용하여 사용자의 점프 시점과 횟수를 자동으로 감지 할 수 있었다. 또한 스마트폰 앱 콘텐츠 프로토 타입 과 제작된 자가 발전 줄넘기를 이용하여 사용자 테스트를 시험 평가에서 본 연구가 줄넘이 운동의 동기부여방법으로써 가능함을 확인 할 수 있었다.
- 평가 결과 본 연구가 줄넘기 운동에 동기부여방법으로써 가능함을 확인 할 수 있었고, 스마트폰 앱 콘텐츠는 운동을 이어감에 있어 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있었다. 또한 자가 발전 기능 역시 사용자에게 편리함을 줄 수 있으며 긍정적으로 작용 하는 것으로 알 수 있었다.
- 본 연구의 결과 사용된 DC기어드 모터와 기어드 어댑터를 이용한 자가발전의 에너지 자립형 줄넘기는 평균 4.2V와 0.33W의 전력을 생산하는 것으로 확인되었으며 생산된 전력은 power conditioning과정을 통해 임베디스 시스템의 전원으로써 사용가능함을 확인 할 수 있었다. 또한 블루투스 통신을 통해 임베디드 시스템으로부터 스마트폰으로 전송된 가속도 데이터를 이용하여 사용자의 점프 시점과 횟수를 자동으로 감지 할 수 있었다.
- 사용자가 20초 줄넘기 운동을 실시한 후 가속도 데이터파형과 스마트폰 앱에서 측정된 점프 횟수를 그림 11에 표시하였다. 실제 줄넘기 회수와 비교한 결과 다음 표 1과 같은 결과를 얻을 수 있었으며 4회 평균 98.5%의 정확도를 확인 할 수 있었다.
- 유용성 평가 항목에서 스마트폰으로 부터의 운동정보가 유익하였는지에 대한 질문에서는 13명 모든 사용자가 유익하였다는 반응을 보였다.
- 줄넘기의 출력은 그림 12-(a)와 같이 CBC5300 IC회로를 거쳐 파워컨디셔닝되며, 임베디드 시스템의 전원을 충분히 공급할 수 있음을 확인하였다.
- 33W의 전력을 생산하는 것으로 확인되다. 특히 줄을 돌릴 때 발전기 모터로 인해 생기는 부하는 줄넘기 운동에 별다른 방해를 주지 않는 것으로 확인되었다.
- 평가 결과 본 연구가 줄넘기 운동에 동기부여방법으로써 가능함을 확인 할 수 있었고, 스마트폰 앱 콘텐츠는 운동을 이어감에 있어 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있었다. 또한 자가 발전 기능 역시 사용자에게 편리함을 줄 수 있으며 긍정적으로 작용 하는 것으로 알 수 있었다.
후속연구
- 개발된 임베디드 블루투스 통신이 가능한 자가 발전 줄넘기는 줄넘기 운동을 하는 사용자가 더욱 편리하게 줄넘기 운동의 피드백을 얻을 수 있으며 리듬게임 앱 콘텐츠는 사용자가 음악에 맞추어 게임을 하여 흥미를 잃지 않고 지속적인 운동을 진행하여 줄넘기 운동의 효과를 극대화할 수 있을 것으로 기대한다. 향후 연구에서는 더욱 안정적인 블루투스 연결과 스마트폰 앱의 기술적 보안과 더불어 UI를 개선하며, 특히 화면을 보면서 운동할 때 발생 할 수 있는 시야분산이나 흔들림 문제를 해결하기 위해 음악과 소리 중심으로 진행 할 수 있는 콘텐츠를 현재 개발 중에 있다.
- 또한 자가발전기능을 이용한 추가적인 응용 방안을 구체화하여 사용자가 줄넘기 운동을 즐겁게 하며 유용하게 사용할 수 있는 줄넘기 어플리케이션을 개발할 계획이다.
- 현재 개발된 에너지 자립형 줄넘기는 자체 생산된 전력으로 내부의 소형 배터리를 충전하여 전원으로 사용하고 있다. 생성된 전력량과 다른 기능이 추가 되었으면 좋겠다는 사용자 평가 결과를 고려할 때 0.33W의 출력을 이용하여 임베디드 시스템의 전원 공급뿐만 아니라 따라 여분의 전력을 활용하여 그림 13과 같은 LED 점등이나 다른 전자기기의 충전도 가능하므로 자가발전 랜턴이나 야외에서의 스마트폰 충전 등 추가적인 응용 방안을 구체화할 계획이다. 특히 즐겁게 운동을 하면서 자가발전을 할 수 있다는 점에서 전기 인프라가 부족한 개발도상국에 적정 기술로 활용하는 방안도 고려하고 있다.
- 특히 즐겁게 운동을 하면서 자가발전을 할 수 있다는 점에서 전기 인프라가 부족한 개발도상국에 적정 기술로 활용하는 방안도 고려하고 있다. 아이들이 즐겁게 줄넘기 운동을 하며 생산된 전기에너지로 핸드폰의 배터리도 충전하고, 해가 진 공부방에는 스탠드 불빛도 되어 주는 지속 가능한 해결 방안이 될 수 있을 것으로 기대한다.
- 하지만 줄넘기 계수가 사용자에 따라 정확하지 않고, 스마트폰과의 블루투스 연결이 불안정하다는 의견이 있었기 때문에 기술적인 보안이 필요 할 것으로 보이며, 사용자가 더욱 편리하게 사용할 수 있도록 배려하는 앱 시스템의 설계가 필요할 것으로 보인다.
- 개발된 임베디드 블루투스 통신이 가능한 자가 발전 줄넘기는 줄넘기 운동을 하는 사용자가 더욱 편리하게 줄넘기 운동의 피드백을 얻을 수 있으며 리듬게임 앱 콘텐츠는 사용자가 음악에 맞추어 게임을 하여 흥미를 잃지 않고 지속적인 운동을 진행하여 줄넘기 운동의 효과를 극대화할 수 있을 것으로 기대한다. 향후 연구에서는 더욱 안정적인 블루투스 연결과 스마트폰 앱의 기술적 보안과 더불어 UI를 개선하며, 특히 화면을 보면서 운동할 때 발생 할 수 있는 시야분산이나 흔들림 문제를 해결하기 위해 음악과 소리 중심으로 진행 할 수 있는 콘텐츠를 현재 개발 중에 있다.
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