본 논문에서는 시각장애인이 안내견과 함께 보행 중 환경적 요소와 상황에 따른 인지를 도와주기 위한 안내견 하네스 행동 알림 시스템을 구현하였다. 이를 위하여 안내견의 하네스 안장에 IMU(inertial measurement unit)모듈 및 가속도센서 다리벨트를 장착하였으며, 이로부터 출력되는 정보를 이용하여 안내견의 보폭추정과 자세판단을 수행하였다. 구현된 시스템의 성능을 평가하기 위하여 안내견이 인지하고 있는 자세를 오르막 계단 자세, 내리막 계단 자세, 오르막길, 내리막길 및 평지와 정지 상태로 나누웠으며 시각장애인의 안전을 위한 행동인 불복종명령 상태을 포함한 7가지의 행동에 대한 판별 실험을 수행하였다. 그 결과 안내견 행동 규칙 인식 성공률은 평균 92.78%로 나타났으며, 안내견 하네스 행동알림 시스템의 실제 적용 시 유용성을 확인하였다.
본 논문에서는 시각장애인이 안내견과 함께 보행 중 환경적 요소와 상황에 따른 인지를 도와주기 위한 안내견 하네스 행동 알림 시스템을 구현하였다. 이를 위하여 안내견의 하네스 안장에 IMU(inertial measurement unit)모듈 및 가속도센서 다리벨트를 장착하였으며, 이로부터 출력되는 정보를 이용하여 안내견의 보폭추정과 자세판단을 수행하였다. 구현된 시스템의 성능을 평가하기 위하여 안내견이 인지하고 있는 자세를 오르막 계단 자세, 내리막 계단 자세, 오르막길, 내리막길 및 평지와 정지 상태로 나누웠으며 시각장애인의 안전을 위한 행동인 불복종명령 상태을 포함한 7가지의 행동에 대한 판별 실험을 수행하였다. 그 결과 안내견 행동 규칙 인식 성공률은 평균 92.78%로 나타났으며, 안내견 하네스 행동알림 시스템의 실제 적용 시 유용성을 확인하였다.
In this paper, a behavior notification system of the harness of a guide dog is implemented for a blind person to get helps for environmental and situational awareness while walking with the guide dog. IMU modules is attached on the guide dog's harness saddle and the acceleration sensor belt is mount...
In this paper, a behavior notification system of the harness of a guide dog is implemented for a blind person to get helps for environmental and situational awareness while walking with the guide dog. IMU modules is attached on the guide dog's harness saddle and the acceleration sensor belt is mounted on its thigh. Gait estimation and behavior judgement are performed by recording and analyzing the outputs of the sensors. Performance analysis for seven different kinds of behaviors has been done. The seven different behaviors, which the guide dog recognizes, are descending stairs, climbing stairs, uphill, downhill, stop, flat road, and selective disobedience. Results for the performance analysis show that the average success rate of the behavior rule estimation of harness of the guide dog is 92.78% and the behavior notification system can be effectively used in real situations.
In this paper, a behavior notification system of the harness of a guide dog is implemented for a blind person to get helps for environmental and situational awareness while walking with the guide dog. IMU modules is attached on the guide dog's harness saddle and the acceleration sensor belt is mounted on its thigh. Gait estimation and behavior judgement are performed by recording and analyzing the outputs of the sensors. Performance analysis for seven different kinds of behaviors has been done. The seven different behaviors, which the guide dog recognizes, are descending stairs, climbing stairs, uphill, downhill, stop, flat road, and selective disobedience. Results for the performance analysis show that the average success rate of the behavior rule estimation of harness of the guide dog is 92.78% and the behavior notification system can be effectively used in real situations.
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문제 정의
본 연구에서는 시각장애인의 안전한 직선 속보를 도와주고, 안내견의 행동중 시각장애인이 곧 바로 인지 할 수 없는 상황과 갑작스러운 행동으로 인해 공황상태에 빠지지 않도록 안내견의 행동을 알려 줄 수 있는 시스템을 개발하고자 하였다.
본 연구에서는 시각장애인의 직선 보행을 보조하고 안전을 책임지는 안내견의 행동에 대한 알림 시스템을 구현하고자 하였다. 이를 위하여 그림 1과 같이 하네스 안장 가운데 위치에 IMU(Inertial Measurement Unit)모듈을 장착하고 허벅지부분에 가속도 센서 다리벨트를 부착하였다.
본 연구에서는 시각장애인이 안내견과 함께 보행 중 환경적 요소와 상황의 변화를 쉽게 인지할 수 있는 안내견 하네스 행동 알림 시스템을 구현하였다. 안내견의 행동 규칙 중 시각장애인이 빠르게 인지하기 힘들었던 안내견의 오르막 계단 자세, 내리막 계단 자세, 오르막길, 내리막길 및 평지와 정지 상태 등[7]의 판별이 가능하며, 갑작스런 위험상황 발생 시 안내견의 불복종명령 행동을 판단하여 음성메시지를 통해 사용자에게 즉각 전달함으로써 상황을 보다 빠르게 인지가 가능하다.
제안 방법
그림 2는 안내견 하네스 행동 알림 시스템을 설계하기 위한 하드웨어 구성으로 MCU, 3축 가속도 센서와 3축 지자기 센서가 통합된 IMU를 이용하였으며, 블루투스 모듈을 이용하여 IMU에서 측정된 가속도와 방향의 값을 MCU(Atmega128)를 통하여 처리 후 일치하는 센서의 값에 해당하는 음성정보를 시각장애인이 착용하는 블루투스 이어셋으로 전송하도록 하였다. 또한 다리벨트의 가속도 센서는 유선으로 안내견 조끼에 부착하여 다리벨트와 연결 되도록 구성하였다.
안내견은 평상시 주인의 보폭에 맞춰 보행하기 때문에 그 변화 폭이 크지 않지만 위험상황 발생 시 불복종훈련에 따라 행동함으로써 급격한 보폭의 변화가 발생하다. 따라서 본 연구에서는 다리 벨트에 부착된 가속도 센서로부터 안내견의 보폭(정지, 걷기, 달리기)을 추정하고 이를 감지함으로써 위험상황을 보다 빠르게 인지하는데 도움을 줄 수 있도록 보폭 추정 알고리즘을 구현하였다.
본 연구에서는 안내견의 행동 규칙 중 시각장애인이 빠르게 인지하기 힘들었던 안내견의 정지자세, 오르막 계단 자세, 내리막 계단 자세, 오르막, 내리막 및 정지상태와 평지 이동 상태에 대하여 회전각에 대한 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 안내견의 행동 중 인지하기 어려운 7가지 행동을 판별하기 위하여 하네스 안장에 부착된 IMU모듈에 출력되는 Roll, Pich, Yaw의 각도 값을 이용하였다.
본 연구에서는 안내견의 행동을 판단하기 위하여 안내견의 행동을 7가지로 나누어 분류하였으며, IMU에서 출력되는 Y축의 각도와 보폭 추정 알고리즘을 이용한 분류 기준은 다음과 같다. 그림 7에 안내견 행동 판단 규칙을 나타내었다.
안내견 행동 판별 규칙에 따라 분류 성능을 평가하기 위하여 IMU 센서모듈과 가속도센서를 안내견의 하네스 안장 중앙과 다리 벨트(허벅지)에 설치하였으며, 시각장애인이 인지하기 어려운 행동을 포함하는 7가지 행동을 각각 실시하고 실제 행동과 시스템에서 분류된 결과를 비교하기 위한 실험을 실시하였다. 실험결과를 표 4에 나타내었으며, 총 인식률은 평균 93.
대상 데이터
구현된 보폭 추정 알고리즘의 성능을 평가하기 위하여 40m의 경사가 없는 길을 자유롭게 직진 보행하는 실험을 수행하였다. 보행 속도는 시각장애인의 보폭에 맞추어 진행하였으며, 총 10회의 직진 보행 실험을 실시하였다.
하네스 안장 가운데 부착된 IMU모듈은 안내견의 행동을 판단 하기 위한 각도 및 가속도 값을 계측하기 위한 용도로 사용되며, EBIMU-9DOF(E2BOX Co., Korea) 모듈을 사용하였다. 일반적인 IMU는 가속도 센서와 각속도 센서만을 가지지만 EBIMU는 지자계 센서가 내장되어 있어 40mA의 저 전력으로 가속도 데이터와 지자계 데이터의 계측이 가능하다.
성능/효과
즉, 갑작스런 위험상황에서 쉽게 대처하기가 힘들다. 따라서 본 연구에서 구현된 시스템을 통해 안내견의 행동을 판단하여 사용자에게 알려줌으로써 이러한 훈련기간을 줄이고, 위험한 상황에서 한번 더 인지를 시켜줌으로써 안전하게 상황을 벗어날 수 있도록 도움을 줄 수 있다. 특히 너무 많은 상황정보를 사용자에게 전달하는 것 또한 문제가 될 수 있기 때문에, 가장 인지하기 어려운 행동에 대한 정보만을 전달하도록 구현하였다.
후속연구
64%의 인식률을 확인하였다. 부분적인 오차에 있어서는 각각의 자세에 유사성에 의한 인식으로 확인하였으며 추후 보폭과 IMU모듈, 가속도 센서의 값으로 인한 진화된 분류 알고리즘 적용을 통하여 최소 오차를 구현 할 것이다.
향후연구에서는 다수의 안내견을 대상으로 다양한 경로를 설정하고 임의의 돌발상황을 설정함으로써 구현된 시스템의 성능을 향상시키기위한 연구를 수행하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라의 점자보도의 단점은?
앞이 보이지 않는 시각장애인의 경우 가장 불편한 것은 방향에 대한 감각이 부족하여 정면이 어디인지 파악하기 힘들기 때문에 보행에 어려움을 겪는다. 물론 지팡이를 사용하여 점자보도를 이용하는 것 또한 방법이지만 우리나라의 점자보도는 매우 위험하고 정밀하지 못해 시각장애인에게 큰 도움이 되지 못한다[1],[2]. 또 다른 전통적인 방법으로는 훈련된 안내견을 활용하는 방법이 있다.
로봇 보행 보조기란 무엇인가?
최근에는 IT 기술의 발전으로 시각장애인의 안전한 보행의 도움을 주기 위하여 전자 보행 보조기기(electrical travelling aided, ETA)[3]와 로봇 시스템을 이용하는 로봇 보행 보조기(robotic travelling aided, RTA)[4]의 연구들이 수행되고 있다. ETA는 거리 센서 및 카메라를 이용하여 장애물의 유무와 위치를 파악하는 방식이며, RTA는 ETA의 센서 기술과 이동 로봇 기술을 결합한 형태의 보행 보조기기이다. 일반적으로 이와 같은 시스템은 전통적인 방식인 지팡이의 짧은 인지 범위 및 직접 접촉을 통하여 판별 이 가능한 점과 안내견의 높은 비용과 훈련 및 유지의 단점으로 보급이 어려운 점을 이유로 개발되었다.
시각장애인이 겪는 가장 큰 불편함은?
앞이 보이지 않는 시각장애인의 경우 가장 불편한 것은 방향에 대한 감각이 부족하여 정면이 어디인지 파악하기 힘들기 때문에 보행에 어려움을 겪는다. 물론 지팡이를 사용하여 점자보도를 이용하는 것 또한 방법이지만 우리나라의 점자보도는 매우 위험하고 정밀하지 못해 시각장애인에게 큰 도움이 되지 못한다[1],[2].
Kang, J., Song, B., Hwang, J., Yu, K., Yoon, M. "Walking Guide Robot with tactile display and 3D ultrasonic sensing system for the Blind", In ITC-CSCC: International Technical Conference on Circuits Systems, Computers and Communications, pp. 417-420, 2006.
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