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문제 정의
- 즉 동작 센서의 중앙부가 동작이 발생되는 관절의 중앙부에 대응되도록 의복에 결합되면 동작할 때 관절이 튀어나온 부분에 의해 직물 센서의 중앙 부분은 과도하게 신장되고 끝부분은 적게 신장되는 것과 같이 직물 센서의 일부분만 과신장될 수 있으며, 이 때 직물 센서로부터 측정되는 동작 신호는 노이즈가 많이 발생하게 된다. 그러므로 본 연구에서는 동작 직물 센서의 의복 적용 시 센서의 모양과 부착 위치를 변화시킴으로써 센서의 정확성을 향상시키기 위한 방안을 모색하고자 하였다.
- 특히 신체 사지 동작의 모니터링을 위해서는 의복의 관절 부위에 통합되어야 하고 동작에 방해를 주지 않기 위해 신축성 재료가 동작 센서에 적용되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 선행연구(Cho et al., 2015)를 통해 개발된 Single Wall Carbon Nano-Tube(SWCNT) 기반의 신축성 직물 센서를 적용한 아동복을 개발하여 이를 통한 동작 센싱 방안을 모색하고자 하였다.
- 본 연구에서는 사전 예비 실험을 통해 직물 센서가 의복에 통합되어 인체의 사지 동작을 측정하기 위해서는 센서 자체의 성능뿐만 아니라 센서의 모양과 의복상의 부착 위치 또한 중요한 요인임을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 센서의 모양과 부착 위치가 동작 센싱 성능에 미치는 영향을 분석하고, 이에 따른 인체 동작 센싱 아동복을 개발함으로써 의복을 입는 것만으로도 인체 사지 동작 모니터링이 가능한가를 규명하고자 하였다.
- 본 연구에서는 아동의 사지 동작 측정에 적합한 센서를 개발하고 동작 센싱에 적합한 센서의 모양과 의복 상 부착 위치의 조건을 분석하였으며, 의복에 통합된 유연한 직물 센서를 활용하여 인체 부위별 동작 센싱이 가능하다는 것을 규명하였다는 데에 연구의 의의가 있다.
- 본 연구에서는 웨어러블 동작 센싱 기술에 관련하여 가속도 센서 적용 및 E-Textile 기반의 신축성 동작 센싱을 중심으로 선행 연구를 고찰하였다.
제안 방법
- 5). StretchSenseTM에서는 장갑 디자인에 5개의 패브릭 스트레치 센서를 재봉하고, 10채널 SPI 감지 회로를 연결한 모션 캡쳐 장갑을 개발하였다. 장갑에 부착된 센서가 손가락 굴곡, 회전 및 구부림 깊이를 정확하게 감지할 수 있는 것으로 보고되었다(Fig.
- 11). 기준전압 5 V, 고정저항 10 ㏀으로 세팅하여 굽힘과 폄 동작에 따라 직물 센서를 통해 출력되는 데이터를 DataLogger (GT342) 계측 장비를 통해 10 ms 간격으로 샘플링하였다. 실험 변인은 두 가지 유형의 직물 센서 모양(장방형, 보트형), 의복 상 부착된 센서의 위치(팔꿈치와 무릎의 관절부, 팔꿈치와 무릎의 관절부로부터 4 ㎝ 아래 지점)였다.
- 따라서 기존의 장방형 모양의 센서뿐만 아니라 팔꿈치와 무릎의 관절 중심 부위의 과신장을 막고 전체적으로 균일하게 압력이 가해지도록 직물 센서의 중앙부가 넓은 보트형 모양의 센서를 제작하여 각각 실험복에 적용하였다. 센서의 부착 위치 또한 기존의 팔꿈치와 무릎의 관절 부위뿐만 아니라 관절 아래쪽으로 4 ㎝ 이격된 위치에 직물 센서를 적용하여 기존의 관절 부위에 부착된 직물 센서 의복과의 센싱 성능을 비교하였다.
- 따라서 본실험에서는 사전 예비실험 결과 출력 신호값이 더 안정적인 경향을 보인 40 ㎜ 길이의 센서가 부착된 의복을 최종 실험복으로 제작하였고, 아동 피험자의 팔과 다리의 동작 속도와 관절 가동 범위를 통제하기 위하여 다목적근력측정 장비(Con-Trex MJ(CMV AG Co., Switzerland))를 활용하였다(Fig. 11). 기준전압 5 V, 고정저항 10 ㏀으로 세팅하여 굽힘과 폄 동작에 따라 직물 센서를 통해 출력되는 데이터를 DataLogger (GT342) 계측 장비를 통해 10 ms 간격으로 샘플링하였다.
- 실험에 앞서 실험 대상 아동의 보호자에게 실험 동의서에 서명을 받음으로써 연구윤리 규정을 준수하였다. 또한 각 실험복에 대해 착의평가를 실시하여 아동 피험자가 이를 착용하였을 때의 센서의 모양, 의복에 부착된 위치 등을 점검하였으며(Fig. 10), 아동 피험자에게 동작 측정을 위한 실험 프로토콜에 대해 충분히 설명하고 반복하여 연습할 수 있도록 지도하였다.
- 본 연구에서는 단일 벽 탄소 나노 튜브(Single Wall Carbon Nano-Tube(SWCNT)) 기반의 스트레쳐블 직물 스트레인 게이지 센서를 개발하고, 이를 장방형과 보트형의 두 가지 모양으로 가공한 후(Fig. 7), 의복 착용 시를 기준으로 팔꿈치와 무릎의 관절부, 팔꿈치와 무릎의 관절부로부터 4 ㎝ 아래 지점에 각각 부착하였다(Fig. 8). 센서의 크기는 사전 예비 실험을 거쳐 최적의 크기를 선정하였는데, Fig.
- 본실험에 앞서 수행된 사전 예비실험에서는 실험 대상 아동에게 본 연구에서 1차 개발된 동작 센싱용 실험복을 착의시킨 후 팔과 다리의 굽힘, 폄 동작을 10회 반복하도록 하였고, 직물 센서의 신장과 수축에 따른 저항 변화를 측정하였다. 실험 변인은 두 가지 패턴의 아동복 유형과 직물 센서 사이즈(50 × 5 (㎜), 40 × 5 (㎜)), 동작 속도(1 ㎐, 2 ㎐) 였으며, 남․녀 아동 간의 차이 또한 분석하였다.
- 따라서 기존의 장방형 모양의 센서뿐만 아니라 팔꿈치와 무릎의 관절 중심 부위의 과신장을 막고 전체적으로 균일하게 압력이 가해지도록 직물 센서의 중앙부가 넓은 보트형 모양의 센서를 제작하여 각각 실험복에 적용하였다. 센서의 부착 위치 또한 기존의 팔꿈치와 무릎의 관절 부위뿐만 아니라 관절 아래쪽으로 4 ㎝ 이격된 위치에 직물 센서를 적용하여 기존의 관절 부위에 부착된 직물 센서 의복과의 센싱 성능을 비교하였다.
- 기준전압 5 V, 고정저항 10 ㏀으로 세팅하여 굽힘과 폄 동작에 따라 직물 센서를 통해 출력되는 데이터를 DataLogger (GT342) 계측 장비를 통해 10 ms 간격으로 샘플링하였다. 실험 변인은 두 가지 유형의 직물 센서 모양(장방형, 보트형), 의복 상 부착된 센서의 위치(팔꿈치와 무릎의 관절부, 팔꿈치와 무릎의 관절부로부터 4 ㎝ 아래 지점)였다. 즉, 60 deg/sec의 속도로, 60°, 90°, 120°의 동작 각도별로 팔과 다리의 굽힘, 폄 동작 10회, 3회 반복 실험을 통해 출력되는 전압을 측정하였다.
- 실험 변인은 두 가지 패턴의 아동복 유형과 직물 센서 사이즈(50 × 5 (㎜), 40 × 5 (㎜)), 동작 속도(1 ㎐, 2 ㎐) 였으며, 남․녀 아동 간의 차이 또한 분석하였다.
- 즉, 60 deg/sec의 속도로, 60°, 90°, 120°의 동작 각도별로 팔과 다리의 굽힘, 폄 동작 10회, 3회 반복 실험을 통해 출력되는 전압을 측정하였다. 이때 가속도 센서(Low-g Accelerometer)를 직물 센서의 근처에 함께 부착하여 측정함으로써 팔과 다리의 동작에 따른 직물 센서의 신뢰도를 검증하는 데에 지표로 사용하였다.
- 즉, 60 deg/sec의 속도로, 60°, 90°, 120°의 동작 각도별로 팔과 다리의 굽힘, 폄 동작 10회, 3회 반복 실험을 통해 출력되는 전압을 측정하였다.
- 직물 센서의 신뢰도 검증을 위해 만 6세 아동의 표준 사이즈에 따른 모형(팔, 다리)을 제작하여, 본 실험복을 착의시킨 후 모형 팔과 다리의 굽힘과 폄 동작 각도별 출력값을 분석하였다.
- 한편 인체의 사지 동작을 효과적으로 센싱할 수 있는 아동복 개발을 위하여 직물 센서의 모양과 의복상 부착 위치를 연구 변인으로 선정하고, 이에 따른 실험복을 제작하였다. 의복에 부착된 센서를 통해 동작을 센싱하는 경우 센서의 위치가 이동되거나 동작 시 센서가 전체적으로 균일하게 신장 및 환원하지 못하고 동작 부위에서의 골격의 형태 변화에 따라 센서의 일부분이 비균일하게 신장 및 수축함으로써 측정 정확도가 떨어질 가능성이 있다.
- 본 연구의 아동 피험자는 만 6세의 평균 체형의 남아 2명으로 선정하였다. 한편 인체의 특성 또는 개인차 등을 분석하기 위하여 사이즈 코리아 데이터를 기준으로 만 6세 남아 평균 사이즈의 팔과 다리를 모형(dummy)으로 제작(팔 길이: 41 ㎝, 팔꿈치 둘레: 19.5 ㎝, 다리 길이: 52 ㎝, 무릎 둘레: 27㎝), 동일한 실험을 수행함으로써 비교 실험군으로 사용하였다(Fig. 9).
대상 데이터
- 본 연구의 아동 피험자는 만 6세의 평균 체형의 남아 2명으로 선정하였다. 한편 인체의 특성 또는 개인차 등을 분석하기 위하여 사이즈 코리아 데이터를 기준으로 만 6세 남아 평균 사이즈의 팔과 다리를 모형(dummy)으로 제작(팔 길이: 41 ㎝, 팔꿈치 둘레: 19.
- 8). 센서의 크기는 사전 예비 실험을 거쳐 최적의 크기를 선정하였는데, Fig. 7과 같이 장방형 센서는 너비 5 ㎜, 길이 40 ㎜ 크기로, 보트형 센서는 너비의 양 끝단 5 ㎜, 중심부 10 ㎜, 길이 40 ㎜로 제작하였다.
데이터처리
- 본 연구의 모든 실험에서는 다목적근력측정 장비에 의해 동작 속도와 각도가 일정하게 통제되었으므로, 동작에 따른 센싱 전압값(Vp-p)의 평균편차가 작다는 것은 출력 신호가 균일한 값을 보임으로써 직물 센서의 히스테리시스가 작고 재현성과 신뢰성이 높음을 의미한다. 따라서 산출된 평균편차값에 대하여 센서의 모양과 위치에 따른 센싱 성능의 차이를 SPSS Win 21.0을 활용, T 검정을 통해 분석하였다.
- 본 연구에서 개발된 직물 센서의 모양과 의복 상 부착 위치가 센싱 성능에 미치는 효과에 대하여 정량적으로 분석하기 위해 동작 측정 실험 데이터에 대해 Vp-p의 최고점과 최저점을 찾아내어 각 최고점과 최저점 간의 차이값에 대한 평균편차를 산출하였다. 본 연구의 모든 실험에서는 다목적근력측정 장비에 의해 동작 속도와 각도가 일정하게 통제되었으므로, 동작에 따른 센싱 전압값(Vp-p)의 평균편차가 작다는 것은 출력 신호가 균일한 값을 보임으로써 직물 센서의 히스테리시스가 작고 재현성과 신뢰성이 높음을 의미한다.
성능/효과
- Geoberto & Dunne(2014)은 데님 직물에 밴드 형태로 스티치된 직물 기반의 센서를 개발하고, 우수한 재현성과 정확성을 검증하였다. 5가지 중량(weight)의 스트레치성이 없는 데님 직물에 스티치된 센서 샘플을 5가지 굴곡(fold) 유형의 복잡도(complexity)와 직물의 stiffness에 따른 영향을 시험한 결과 비 절연된 센서에 비해 절연된 센서가 특히 복잡한 굴곡 유형에서 응답의 선형성과 재현성을 향상시키는 것으로 나타났고, stiffness가 높은 직물일수록 높은 감도를 나타냈지만 선형성은 낮게 나타났다. 센서 응답의 진폭은 복잡도가 높은 굴곡 유형이 더 크게 나타난 것으로 분석되었다(Fig.
- 60°, 90°, 120°의 동작 각도별 10회 반복 동작 전반에 걸친 peak-to-peak voltage(Vp-p)의 크기 및 균일성, 동일 각도의 10회 동작 세트 내, 그리고 동작 세트 간의 신호의 크기 및 균일성 등을 기준으로 morphology 특성을 분석한 결과 그림에서 보듯이 센서의 모양과 부착 위치에 따라 검출된 신호가 전반적으로 균일하고 안정적인 경향을 보였다.
- 실험 변인은 두 가지 패턴의 아동복 유형과 직물 센서 사이즈(50 × 5 (㎜), 40 × 5 (㎜)), 동작 속도(1 ㎐, 2 ㎐) 였으며, 남․녀 아동 간의 차이 또한 분석하였다. 그 결과 실험복을 통해 전반적으로 인체의 사지 동작에 따른 동작 신호의 검출이 가능한 것으로 나타났다. 특히 50 × 5 (㎜) 크기의 센서보다 40 × 5 (㎜) 크기의 센서가 더 안정적인 전압값을 보였고, 굽힘, 폄 동작의 속도 측면에서 분석했을 때는 팔, 다리 모두 1 ㎐의 속도에서보다 2 ㎐ 속도로 빠르게 동작 했을 때의 전압값이 좀 더 균일하고 안정적인 경향을 보였다.
- 또한 직물 센서와 가속도 센서 간에도 95% 이상의 정확한 동작의 일치도를 보임을 확인함으로써(저항 변화와 운동량 정도와의 일치도, DRMQLT1609-0030, DT&C, 2017), 본 직물 센서를 통해 아동의 사지 동작을 효과적으로 센싱 할 수 있음을 규명하였다.
- 센서의 모양은 모형 대상 실험에서와 같이 보트형일 때 보다 장방형 센서가 더 균일한 출력값을 보이는 것으로 나타났다. 반면 모형을 통한 실험의 경우와는 달리 아동 대상 실험의 경우 센서의 부착 위치는 팔과 다리의 관절부에 위치했을 때 더 균일하고 안정적인 경향을 보였다.
- 본 연구에서는 사전 예비 실험을 통해 직물 센서가 의복에 통합되어 인체의 사지 동작을 측정하기 위해서는 센서 자체의 성능뿐만 아니라 센서의 모양과 의복상의 부착 위치 또한 중요한 요인임을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 센서의 모양과 부착 위치가 동작 센싱 성능에 미치는 영향을 분석하고, 이에 따른 인체 동작 센싱 아동복을 개발함으로써 의복을 입는 것만으로도 인체 사지 동작 모니터링이 가능한가를 규명하고자 하였다.
- 본 연구에서 개발된 직물 센서의 모양과 의복 상 부착 위치가 센싱 성능에 미치는 효과에 대하여 정량적으로 분석하기 위해 동작 측정 실험 데이터에 대해 Vp-p의 최고점과 최저점을 찾아내어 각 최고점과 최저점 간의 차이값에 대한 평균편차를 산출하였다. 본 연구의 모든 실험에서는 다목적근력측정 장비에 의해 동작 속도와 각도가 일정하게 통제되었으므로, 동작에 따른 센싱 전압값(Vp-p)의 평균편차가 작다는 것은 출력 신호가 균일한 값을 보임으로써 직물 센서의 히스테리시스가 작고 재현성과 신뢰성이 높음을 의미한다. 따라서 산출된 평균편차값에 대하여 센서의 모양과 위치에 따른 센싱 성능의 차이를 SPSS Win 21.
- 다음으로, Table 3과 4는 아동 피험자 대상 실험의 결과이다. 분석 결과 센서의 모양과 부착 위치 모두에서 통계적으로 유의미한 차이가 나타났다. 센서의 모양은 모형 대상 실험에서와 같이 보트형일 때 보다 장방형 센서가 더 균일한 출력값을 보이는 것으로 나타났다.
- 모형 대상 실험의 분석 결과는 다음의 Table 1, 2와 같다. 분석 결과 센서의 모양과 부착 위치에 따라 동작 센싱의 성능에 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다. 센서의 모양은 보트형일 때 보다 장방형 모양의 센서가 더 균일한 전압값을 보였다.
- 5가지 중량(weight)의 스트레치성이 없는 데님 직물에 스티치된 센서 샘플을 5가지 굴곡(fold) 유형의 복잡도(complexity)와 직물의 stiffness에 따른 영향을 시험한 결과 비 절연된 센서에 비해 절연된 센서가 특히 복잡한 굴곡 유형에서 응답의 선형성과 재현성을 향상시키는 것으로 나타났고, stiffness가 높은 직물일수록 높은 감도를 나타냈지만 선형성은 낮게 나타났다. 센서 응답의 진폭은 복잡도가 높은 굴곡 유형이 더 크게 나타난 것으로 분석되었다(Fig. 3).
- 분석 결과 센서의 모양과 부착 위치 모두에서 통계적으로 유의미한 차이가 나타났다. 센서의 모양은 모형 대상 실험에서와 같이 보트형일 때 보다 장방형 센서가 더 균일한 출력값을 보이는 것으로 나타났다. 반면 모형을 통한 실험의 경우와는 달리 아동 대상 실험의 경우 센서의 부착 위치는 팔과 다리의 관절부에 위치했을 때 더 균일하고 안정적인 경향을 보였다.
- 센서의 모양은 보트형일 때 보다 장방형 모양의 센서가 더 균일한 전압값을 보였다. 센서의 부착 위치는 팔꿈치와 무릎의 관절부에 부착시킨 센서에 비해 4㎝ 아래 지점에 부착된 경우 더 균일하고 안정적인 경향을 보여 재현성과 신뢰성이 더 높았다.
- 이상의 실험 결과를 종합하면, 센서의 모양에서는 모형 대상 실험과 아동 대상 실험 모두에서 보트형의 센서 보다 장방형의 센서가 성능면에서 재현성과 신뢰성이 높은 것으로 나타났으나, 센서의 부착 위치는 모형 대상 실험과 아동 대상 실험에서 다른 결과값을 나타냈다. 이는 팔과 다리 모형의 경우 만 6세 아동의 팔과 다리의 표준 사이즈로 제작되었으나 뼈와 근육 모양 등과 같은 미세한 부분의 재현은 어렵기 때문에 실제 아동의 팔과 다리와는 차이가 있었을 것으로 예측된다.
- (2015)은 SWCNT의 전도성을 이용하여 신장과 수축 시의 저항 변화를 기반으로 동작 센서를 구현하고, 센싱 성능을 평가하였다. 즉, SWCNT 코팅 소재를 다양한 형태로 가공하여 직물 센서로 구현했을 때 인체의 사지 동작을 측정할 수 있는 센서로서 적합성을 갖추기 위한 요건을 분석하였고, 직물 센서를 기반으로 관절 동작 센싱이 가능함을 규명하였다(Fig. 2). Geoberto & Dunne(2014)은 데님 직물에 밴드 형태로 스티치된 직물 기반의 센서를 개발하고, 우수한 재현성과 정확성을 검증하였다.
- 특히 50 × 5 (㎜) 크기의 센서보다 40 × 5 (㎜) 크기의 센서가 더 안정적인 전압값을 보였고, 굽힘, 폄 동작의 속도 측면에서 분석했을 때는 팔, 다리 모두 1 ㎐의 속도에서보다 2 ㎐ 속도로 빠르게 동작 했을 때의 전압값이 좀 더 균일하고 안정적인 경향을 보였다.
후속연구
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또한 본 실험을 통해 출력된 동작 신호는 전반적으로 균일하고 안정적인 경향을 보였으나, 신호의 크기가 다소 작은 값으로 나타났는데, 향후 좀 더 명확한 출력값을 얻으면서 센싱 효율을 극대화시키기 위해서는 인체의 뼈, 근육 특성 등을 면밀히 파악하고 센서의 면적과 길이, 의복 상 부착 위치가 좀 더 다양하게 조작(manipulation)된 후속 연구를 통해 센서의 성능을 분석해볼 필요성이 있을 것이다. 그리고 인체의 팔과 다리는 모양, 두께 등이 다르므
로 이를 분리하여 분석함으로써 팔과 다리 각각에 적절한 센서의 모양과 부착 위치를 규명해야 할 것으로 사료된다. -
이는 팔과 다리 모형의 경우 만 6세 아동의 팔과 다리의 표준 사이즈로 제작되었으나 뼈와 근육 모양 등과 같은 미세한 부분의 재현은 어렵기 때문에 실제 아동의 팔과 다리와는 차이가 있었을 것으로 예측된다. 또한 본 실험을 통해 출력된 동작 신호는 전반적으로 균일하고 안정적인 경향을 보였으나, 신호의 크기가 다소 작은 값으로 나타났는데, 향후 좀 더 명확한 출력값을 얻으면서 센싱 효율을 극대화시키기 위해서는 인체의 뼈, 근육 특성 등을 면밀히 파악하고 센서의 면적과 길이, 의복 상 부착 위치가 좀 더 다양하게 조작(manipulation)된 후속 연구를 통해 센서의 성능을 분석해볼 필요성이 있을 것이다. 그리고 인체의 팔과 다리는 모양, 두께 등이 다르므
- 최근 직물 기반 및 유연한 재료를 적용한 동작 센서 개발에 관한 많은 연구들이 보고되고 있으나 의복에 통합되어 의복을 통한 사지관절 동작 센싱 성능을 평가한 연구는 상대적으로 부족하다. 특히 직물 센서가 의복에 통합 적용될 경우 센서의 배치나 방향, 의복의 구조적인 특성 등에 따라 센싱 성능에 영향을 미칠 것으로 예측되며, 이에 따라 의복과 적용 센서의 통합 여건이 의복을 통한 동작 센싱의 효율에 미치는 영향 등을 연구할 필요성이 있다. 의류에 통합된 E-Textile 센서는 신체 신호 및 움직임을 감지하며 사용자의 편안함이 가장 중요한 신체 모니터링 어플리케이션에 매우 유용하다.
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