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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 전도성 직물을 기반으로 직물 센서를 구현하여 인체 내 관심 부위의 스포츠 동작을 측정하기 위한 가능성을 탐색하고자 한다. 이를 위한 본 연구의 세부 목표는 직물 동작 센서를 개발 하여 암 밴드(arm band) 형태로 구현하고, 인체 모형팔(dummy arm)을 이용해 직물 동작 센서의 성능을 평가함으로써 관절 동작을 효과적으로 측정할 수 있는 직물 센서의 요건을 탐색하는 것이다.
- 따라서 본 연구에서는 전도성 직물을 기반으로 직물 센서를 구현하여 인체 내 관심 부위의 스포츠 동작을 측정하기 위한 가능성을 탐색하고자 한다. 이를 위한 본 연구의 세부 목표는 직물 동작 센서를 개발 하여 암 밴드(arm band) 형태로 구현하고, 인체 모형팔(dummy arm)을 이용해 직물 동작 센서의 성능을 평가함으로써 관절 동작을 효과적으로 측정할 수 있는 직물 센서의 요건을 탐색하는 것이다.
제안 방법
- Bio-mechanical test and training systems인 ConTrex MJ (CMV AG Co., Switzerland)에 48개의 암 밴드를 입힌 인체 모형 팔을 고정시킨 후, 팔꿈치의 ROM(range of motion) 및 frequency를 자동으로 일정하게 유지하도록 세팅하고, 이때의 전압을 기록하였다(Figure 7). 즉 센서의 형태에 따라 인체 모형 팔에 입혀진 총 48개의 암 밴드 각각에 대해서 frequency: 0.
- 관절 동작을 효과적으로 센싱 할 수 있는 직물 센서의 요건을 규명하기 위하여 직물 동작 센서의 센싱 성능에 영향을 미칠 수 있는 요건들을 연구 변인으로 선정하였다. 즉, 전도성 재료(Single Wall Carbon NanoTube (SWCNT) : 싱글 월 카본 나노튜브 용액)가 코팅되는 바탕 직물, 센서의 부착 방식, 센서의 layer 수, 센서의 길이, 센서의 너비가 실험 변인으로, 이들의 조합에 따른 총 48가지 직물 센서 유형이 선정되었다(Figure 6).
- 5Hz, ROM: 20°～120°에서 굽힘과 폄 동작을 반복하도록 조정하였고, 48개 각 사례 당 세 세트(set)씩 반복측정 하였다. 굽힘과 폄의 10회 연속 동작 후 1분 동안 휴지기를 두었고, 이어서 다시 10회 연속 동작 후 1분 동안 휴지기를 두는 방식으로 세트를 반복하여 총 세 세트의 전압값을 기록하였다. 실험은 무선으로 진행하였다.
- 또한 동일 세트 내에서 균일한 Vp-p값과 세 세트간 Vp-p값의 균일성은 센서 기능의 재현성과 신뢰성이 높음을 나타낸다. 따라서 double peak형 신호, Vp-p값과 base line이 불규칙적인 경우는 센서 성능 평가에서 부적합함으로 평가하였다. 다음의 Figure 8은 SWCNT 코팅된 ’W'직물을 두 겹으로 열고정한 50×10㎜ 크기의 직물 센서에 대한 동작 실험 결과로, Vp-p와 base line이 균일한 결과 그래프 중 하나의 예를 제시한 것이다.
- 따라서 본 연구에서는 두 가지 편직물인 ‘L’직물(74% NYLON / 26% SPANDEX)과 ‘W’직물(77% POLYESTER / 23% SPANDEX) 양면에 싱글 월 나노튜브(Single Wall Carbon Nano-Tube: SWCNT) 코팅을 한 후 이를 다양한 형태로 후가공하여 직물 센서를 개발하였다.
- 본 연구에서 측정된 관절 동작의 전압값을 통해 동작 각도를 추정하기 위하여 전 단계에서 적합한 것으로 평가된 4가지 직물 센서의 동작 실험 데이터에 대한 회귀분석(추세선 분석)을 수행하였다. 데이터 분석 자료는 Savits-golay 필터링을 수행한 실험데이터를 MATLAB을 이용하여 Peak값과 Valley값을 찾아내어, 10회 연속 반복 동작한 팔의 굽힘과 폄에 대한 값의 평균을 취하여 획득하였다.
- 인체 모형 팔 대상 실험의 결과 데이터를 다음의 3가지 기준을 적용하여 각 직물 센서 유형에 따른 센싱 성능을 평가하였다. 세 세트의 동작 전반에 걸친 peak-to-peak voltage (Vp-p)의 base line의 균일성, 동일 세트 내에서 Vp-p의 균일성, 세 세트 간에 Vp-p의 균일성을 기준으로 평가하고 분석하였다. 대부분의 직물 동작 센서는 hysteresis 현상이 나타나는 한계점을 보이는데, base line이 균일하다는 것은 굽힘과 폄의 동작 시 직물 센서의 회복력이 양호함을 의미한다.
- 4(㎝))를 기반으로 제작된 인체 모형 팔(dummy arm)(Figure 4)에 맞추어 암 밴드(arm band)를 제작하고, 48개 사례의 센서를 각각 부착한 후 암 밴드를 마감처리 하였다. 이때 인체 모형 팔의 팔꿈치 선을 기준으로 세로 방향으로 센서를 배치(센서의 중심을 팔꿈치 선에 맞춰 봉제(sewing) 또는 열고정(welding)) 하였다. 암밴드에 부착된 직물 센서는 ‘L’ 직물에 SWCNT를 코팅한 경우, ‘L’직물의 암밴드에 부착하였고, ‘W’직물에 코팅된 것은‘W’직물로 제작된 암밴드에 부착하였다.
- 인체 모형 팔 대상 실험의 결과 데이터를 다음의 3가지 기준을 적용하여 각 직물 센서 유형에 따른 센싱 성능을 평가하였다. 세 세트의 동작 전반에 걸친 peak-to-peak voltage (Vp-p)의 base line의 균일성, 동일 세트 내에서 Vp-p의 균일성, 세 세트 간에 Vp-p의 균일성을 기준으로 평가하고 분석하였다.
- 즉 센서의 형태에 따라 인체 모형 팔에 입혀진 총 48개의 암 밴드 각각에 대해서 frequency: 0.5Hz, ROM: 20°～120°에서 굽힘과 폄 동작을 반복하도록 조정하였고, 48개 각 사례 당 세 세트(set)씩 반복측정 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 두 가지 편직물인 ‘L’직물(74% NYLON / 26% SPANDEX)과 ‘W’직물(77% POLYESTER / 23% SPANDEX) 양면에 싱글 월 나노튜브(Single Wall Carbon Nano-Tube: SWCNT) 코팅을 한 후 이를 다양한 형태로 후가공하여 직물 센서를 개발하였다. 특히 센서의 성능 최적화를 위해 SWCNT 코팅 직물을 one layer 구조와 두 겹의 layer를 접착(bonding)한 two layers 구조로 센서의 신축 비율을 다르게 제작하였으며, 다양한 길이와 너비로 구현하였다.
대상 데이터
- 국가기술표준원에서 2010년에 발표한 대한민국 표준 20대 남성 기준 사이즈(팔길이: 58.8(㎝) / 겨드랑 둘레: 42.9(㎝) / 위팔둘레: 30.1(㎝) / 팔꿈치둘레:28.6(㎝) / 손목둘레: 16.4(㎝))를 기반으로 제작된 인체 모형 팔(dummy arm)(Figure 4)에 맞추어 암 밴드(arm band)를 제작하고, 48개 사례의 센서를 각각 부착한 후 암 밴드를 마감처리 하였다. 이때 인체 모형 팔의 팔꿈치 선을 기준으로 세로 방향으로 센서를 배치(센서의 중심을 팔꿈치 선에 맞춰 봉제(sewing) 또는 열고정(welding)) 하였다.
- 굽힘과 폄의 10회 연속 동작 후 1분 동안 휴지기를 두었고, 이어서 다시 10회 연속 동작 후 1분 동안 휴지기를 두는 방식으로 세트를 반복하여 총 세 세트의 전압값을 기록하였다. 실험은 무선으로 진행하였다.
- 관절 동작을 효과적으로 센싱 할 수 있는 직물 센서의 요건을 규명하기 위하여 직물 동작 센서의 센싱 성능에 영향을 미칠 수 있는 요건들을 연구 변인으로 선정하였다. 즉, 전도성 재료(Single Wall Carbon NanoTube (SWCNT) : 싱글 월 카본 나노튜브 용액)가 코팅되는 바탕 직물, 센서의 부착 방식, 센서의 layer 수, 센서의 길이, 센서의 너비가 실험 변인으로, 이들의 조합에 따른 총 48가지 직물 센서 유형이 선정되었다(Figure 6).
데이터처리
- 데이터 분석 자료는 Savits-golay 필터링을 수행한 실험데이터를 MATLAB을 이용하여 Peak값과 Valley값을 찾아내어, 10회 연속 반복 동작한 팔의 굽힘과 폄에 대한 값의 평균을 취하여 획득하였다. 관절 동작을 통한 비선형적인 측정 전압(Voltage)값을 선형적인 각도값으로 변환하기 위해서 두 상관 데이터를 2차 회귀분석법으로 통계분석 하였다. 분석 결과 회귀선에 대한 2차 방정식과 이를 대변하는 추세선에 대한 결정계수(R2 )가0.
- 본 연구에서 측정된 관절 동작의 전압값을 통해 동작 각도를 추정하기 위하여 전 단계에서 적합한 것으로 평가된 4가지 직물 센서의 동작 실험 데이터에 대한 회귀분석(추세선 분석)을 수행하였다. 데이터 분석 자료는 Savits-golay 필터링을 수행한 실험데이터를 MATLAB을 이용하여 Peak값과 Valley값을 찾아내어, 10회 연속 반복 동작한 팔의 굽힘과 폄에 대한 값의 평균을 취하여 획득하였다. 관절 동작을 통한 비선형적인 측정 전압(Voltage)값을 선형적인 각도값으로 변환하기 위해서 두 상관 데이터를 2차 회귀분석법으로 통계분석 하였다.
성능/효과
- 관절 동작을 통한 비선형적인 측정 전압(Voltage)값을 선형적인 각도값으로 변환하기 위해서 두 상관 데이터를 2차 회귀분석법으로 통계분석 하였다. 분석 결과 회귀선에 대한 2차 방정식과 이를 대변하는 추세선에 대한 결정계수(R2 )가0.99 이상으로 산출되어, 추론한 회귀방정식에 의해 비선형 데이터인 측정값을 동작 각도값으로 변환하는 것이 가능한 것으로 나타났다(Figure 11).
- 상기한 세 가지 기준에 따른 정성적 평가를 통해 동작 측정에 상대적으로 적합한 것으로 평가된 직물 센서 유형은 12개로, ① SWCNT 코팅된 ‘L’직물을 두 겹의 레이어로 구성하고 봉제(sewing) 방식으로 부착한 50×10㎜ 크기의 직물 센서, ② SWCNT 코팅된 ‘L’직물 / 한 겹의 레이어 / 열고정(welding) / 50×10㎜, ③ SWCNT 코팅된 ‘L’직물 / 한 겹의 레이어 / 열고정 / 100×10㎜, ④ SWCNT 코팅된 ‘L’직물 / 두 겹의 레이어 / 열고정 / 50×5㎜, ⑤ SWCNT 코팅된 ‘L’직물 / 두 겹의 레이어 / 열고정 / 50×10㎜, ⑥ SWCNT 코팅된 ‘L’직물 / 두 겹의 레이어 / 열고정 / 100×10㎜, ⑦ SWCNT 코팅된 ‘L’직물 / 두 겹의 레이어 / 열고정/ 150×10㎜, ⑧ SWCNT 코팅된 ‘W’직물 / 한 겹의 레이어 / 봉제 / 50×10㎜, ⑨ SWCNT 코팅된 ‘W’직물 / 두 겹의 레이어 / 열고정 / 50×10㎜, ⑩ SWCNT 코팅된 ‘W’직물 / 두 겹의 레이어 / 열고정 / 100×10㎜, ⑪ SWCNT 코팅된 ‘W’직물 / 두 겹의 레이어 / 열고정 /150×5㎜, ⑫ SWCNT 코팅된 ‘W’직물을 두 겹의 레이어로 구성하고 열고정(welding) 방식으로 부착한 150×10㎜ 크기의 센서인 것으로 나타났다(Table 1).
- 이상의 4가지 직물 센서의 베이스 라인 변화량을 정량적으로 분석하고 검증해보기 위해 동작 측정 실험 데이터 세트(set)의 Vp-p의 최고점과 최저점을 Savits-golay 필터링 방식으로 찾아내어 베이스 라인 변화량의 평균을 분석하였으며, 그 결과 변화율 5%이내로 매우 안정적임을 검증하였다(Table 2).
- 이상의 연구 결과를 통해 SWCNT 코팅 소재를 다양한 형태로 가공해 직물 센서로 구현했을 때 인체의 사지 동작을 측정할 수 있는 센서로서 적합성을 갖추기 위한 요건을 분석하였고, 직물 센서를 기반으로 관절 동작 센싱이 가능함을 규명하였다. 특히 기존의 대형 장비를 이용하거나 무겁고 딱딱한 형태가 아닌 의복 재료의 일부로 통합된 유연한 직물 센서를 활용하여 일상생활에 방해받지 않고 인체 부위별 동작 측정이 가능하다는 것을 밝힌 데에 본 연구의 의의가 있다.
- 전반적으로 볼 때, SWCNT 코팅된 ‘L’직물과 ‘W’직물 모두에 있어 센서 부착 방식은 봉제 방식보다는 열고정 방식이, 센서의 레이어 수는 한 겹보다는 두 겹일 때, 센서 너비는 5㎜보다 10㎜인 경우에 동작 센싱 성능의 재현성과 신뢰도가 높은 것으로 나타났다.
후속연구
- 본 연구에서는 팔의 굽힘과 폄 동작 시 발생하는 근기능의 영향 등 개인차를 통제하기 위하여 인체 모형 팔을 대상으로 실험을 수행하였으나, 이는 실제 인체의 팔 동작 실험과는 차이를 보일 수 있으므로 후속 연구에서는 인체에 적용하여 본 연구 결과와 비교함으로써 검증해볼 필요가 있다. 향후 이러한 직물 동작 센서를 일상복이나 운동복 등에 통합하여 적용함으로써 인체의 사지 운동을 포함한 전신 운동량을 효과적으로 모니터링할 수 있을 뿐 아니라 이를 통해 대형 장비 없이 유산소 운동과 근력 운동 측정 모두에 적용되는 스마트 의류 및 웨어러블 시스템 구현이 가능할 것으로 기대된다.
- 센서는 봉제 방식보다 열고정 방식으로 부착한 경우가 전체적으로 더 잘 밀착되어서 안정적인 전압값이 나타나는 것으로 보이며, 센서의 레이어 수는 두 겹의 경우에 한 겹일 때 보다 신축률이 적어져서 hysteresis 값이 상대적으로 줄어듦에 따라 보다 안정적인 값을 보이는 것으로 예측해 볼 수 있다. 한편, 센서의 길이와 너비에 대해서는 실제 인체의 어느 부위(팔, 다리 등)의 동작을 측정할 것인가에 따라 달라질 수 있을 것으로 판단되어 향후 이에 대한 더욱 심도 있는 실험 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 팔의 굽힘과 폄 동작 시 발생하는 근기능의 영향 등 개인차를 통제하기 위하여 인체 모형 팔을 대상으로 실험을 수행하였으나, 이는 실제 인체의 팔 동작 실험과는 차이를 보일 수 있으므로 후속 연구에서는 인체에 적용하여 본 연구 결과와 비교함으로써 검증해볼 필요가 있다. 향후 이러한 직물 동작 센서를 일상복이나 운동복 등에 통합하여 적용함으로써 인체의 사지 운동을 포함한 전신 운동량을 효과적으로 모니터링할 수 있을 뿐 아니라 이를 통해 대형 장비 없이 유산소 운동과 근력 운동 측정 모두에 적용되는 스마트 의류 및 웨어러블 시스템 구현이 가능할 것으로 기대된다.
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