컬링스위핑 동작은 컬링 스톤의 위치를 조절하는 중요한 동작 중 하나이며, 스위핑 속도와 브룸 패드에 가해지는 힘이 중요한 연구 대상이다. 본 연구에서는 컬링 스위핑 동작에서 컬링 브룸 패드에 가해지는 힘을 측정할 수 있는 장비를 개발하였으며, 두 개의 로드셀을 브룸 패드와 패드 홀더 사이에 장착하는 구조를 이용하였다. 로드셀에서 발생되는 아날로그 신호는 마이크로 제어기를 이용하여 초당 약 300회의 속도로 샘플링을 수행한 후 10 bit 디지털 신호로 변환하였다. 3개의 M1 급 분동을 이용하여 로드셀의 교정과 측정된 전기 신호를 질량(힘)으로 환산하는 회귀 방정식을 추출하였으며, 브룸의 무게 증가를 최소화하기 위해서 웨어러블 장비로 구성하였다. 스포츠 분야에서 힘 측정 시 기준 장비로 사용하는 지면 반력기와 개발된 장비에 동일한 힘을 가하면서 측정된 측정값 차이는 약 $0.909{\pm}1.375N$ (평균과 표준 편차)로 측정되었다. 개발된 장비는 스위핑 동작과 유사한 힘 측정을 필요로 하는 다른 종류의 연구에도 적용이 가능할 것으로 판단된다.
컬링 스위핑 동작은 컬링 스톤의 위치를 조절하는 중요한 동작 중 하나이며, 스위핑 속도와 브룸 패드에 가해지는 힘이 중요한 연구 대상이다. 본 연구에서는 컬링 스위핑 동작에서 컬링 브룸 패드에 가해지는 힘을 측정할 수 있는 장비를 개발하였으며, 두 개의 로드셀을 브룸 패드와 패드 홀더 사이에 장착하는 구조를 이용하였다. 로드셀에서 발생되는 아날로그 신호는 마이크로 제어기를 이용하여 초당 약 300회의 속도로 샘플링을 수행한 후 10 bit 디지털 신호로 변환하였다. 3개의 M1 급 분동을 이용하여 로드셀의 교정과 측정된 전기 신호를 질량(힘)으로 환산하는 회귀 방정식을 추출하였으며, 브룸의 무게 증가를 최소화하기 위해서 웨어러블 장비로 구성하였다. 스포츠 분야에서 힘 측정 시 기준 장비로 사용하는 지면 반력기와 개발된 장비에 동일한 힘을 가하면서 측정된 측정값 차이는 약 $0.909{\pm}1.375N$ (평균과 표준 편차)로 측정되었다. 개발된 장비는 스위핑 동작과 유사한 힘 측정을 필요로 하는 다른 종류의 연구에도 적용이 가능할 것으로 판단된다.
Curling sweeping is one of important motion to control the position of the curling stone, and sweeping speed and applied force to the broom pad are major research subjects. In this study, a device was developed to measure the force applied to the curling broom pad in curling sweeping motion, and two...
Curling sweeping is one of important motion to control the position of the curling stone, and sweeping speed and applied force to the broom pad are major research subjects. In this study, a device was developed to measure the force applied to the curling broom pad in curling sweeping motion, and two load cells were mounted between the broom pad and pad holder. Analog signals generated from the load cells were sampled about 300 times per second using a micro controller, and then converted to 10-bit digital signals. Calibration of the load cell and set up of regression equations to convert the measured electrical signals into mass (force) was done by three M1 class weights, and the developed system was designed as wearable device to minimize increasing of total weight of the broom. Same force was applied to the developed system and a force plate that was using as a reference force measurement system in field of sports, and the difference between the measured values were showed about $0.909{\pm}1.375N$(mean and standard deviation). The developed system could be applied other kinds of study which required force measurement function similar to sweeping motion.
Curling sweeping is one of important motion to control the position of the curling stone, and sweeping speed and applied force to the broom pad are major research subjects. In this study, a device was developed to measure the force applied to the curling broom pad in curling sweeping motion, and two load cells were mounted between the broom pad and pad holder. Analog signals generated from the load cells were sampled about 300 times per second using a micro controller, and then converted to 10-bit digital signals. Calibration of the load cell and set up of regression equations to convert the measured electrical signals into mass (force) was done by three M1 class weights, and the developed system was designed as wearable device to minimize increasing of total weight of the broom. Same force was applied to the developed system and a force plate that was using as a reference force measurement system in field of sports, and the difference between the measured values were showed about $0.909{\pm}1.375N$(mean and standard deviation). The developed system could be applied other kinds of study which required force measurement function similar to sweeping motion.
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문제 정의
따라서 현장 운영이 편리하면서 이동시 스위핑 관련된 데이터를 수집할 수 있도록 기 개발된 장비의 소형화가 요구되었으며, 실제 얼음 위에서 컬링선수들이 스위핑 시 휴대가 가능한 스위핑 힘 측정 장비의 개발이 필요하였다. 따라서 본 연구에서는 기 개발한 장비의 일부 기능을 제거하고, 현장에서 휴대가 가능한 스위핑 브러쉬의 수직 방향 힘을 측정할 수 있는 장비를 개발 하였다.
본 연구에서는 컬링 스위핑 동작의 힘 데이터 수집에 필요한 측정 장치의 개발을 위해서 상용 부품들을 이용한 하드웨어를 구성하고, 측정된 신호의 수집 및 처리에 필요한 소프트웨어를 구성하였다. 개발된 장비의 측정데이터 검증을 위하여 측정된 데이터를 지면 반력기와 비교한 결과 힘 측정에서 약 0.
제안 방법
2개의 로드셀을 브룸 패드와 브룸 패드 홀더 사이에 배치하여 스위핑시 발생하는 힘을 측정할 수 있도록 하였으며, 인치-밀리(inch-mm) 이중 볼트를 가공하여 패드와 결합하였다. [Fig.
본 연구에서는 장비의 소형화를 위하여 컴퓨터 대신 소형 마이크로 컨트롤러(micro controller)를 이용하였으며, 피험자가 움직이면서 측정이 가능하도록 시스템을 제작하였다. 개발된 장비 향후 데이터 무선 전송 등의 확장을 고려하여 주변 기기와 응용 소프트웨어가 풍부한 아두이노 계열의 메가 2560(arduino mega 2560)을 마이크로 컨트롤러로 사용하였으며, 소형화를 위해서 측정된 데이터를 SD 카드에 csv 파일(comma separated values formate file) 형태로 저장하는 방식을 이용하였다. 브러쉬와 얼음표면이 접촉하면서 발생하는 힘(브러쉬에 가해지는 힘)과 측정 시간이 SD 카드에 저장 되며, 스위핑에서 일반적으로 사용되는 스위핑 횟수(단위 시간당 브룸의 왕복 횟수, Hz)는 측정된 힘 데이터와 시간 데이터를 이용하여 계산이 가능하다.
개발된 장비의 힘 측정값 검증에는 지면 반력기, 인장 압축 시험기 및 표준 분동 등의 다양한 방법이 적용될 수 있으나, 본 연구에서는 향후 개발된 장비를 이용한 측정한 데이터를 지면 반력기와 연동하여 사용하기 위해서 Yanagi 등[20]이 사용한 방법을 적용하였다. Yanagi 등[20]은 개발 장비 검증을 위하여, 개발 장비를 스포츠 분야에서 힘 등을 측정할 때 기준 측정 장비로 사용하고 있는 지면 반력기 위에 놓은 상태에서 개발 장비에 힘을 가하면서 개발 장비 측정값과 지면 반력기 측정값을 비교하였다.
375 N의 측정 오차를 보여 개발된 장비의 측정 유효성을 확인할 수 있었다. 그러나 개발된 장비는 측정 성능을 위주로 개발되어 부피와 무게의 최적화 문제를 해결하지 못하여, 측정 기기의 일부분을 사용자에서 착용시키는 형태로 제작하였다. 이는 개발에 소요되는 비용을 최소화 하고자 상용화된 부품들을 조합하여 제작한 결과이며, 향후 전용 장비의 설계 및 무선 데이터 전송 등의 기법을 적용하여 장비의 부피와 무게를 최적화하는 작업이 필요하다 판단된다.
4]. 또한 개발된 장비에서는 필터링이 되지 않은 원 데이터(raw data)와 필터링을 거친 데이터 모두를 기록하여 데이터 분석에 사용할 수 있도록 하였다.
브러쉬와 얼음표면이 접촉하면서 발생하는 힘(브러쉬에 가해지는 힘)과 측정 시간이 SD 카드에 저장 되며, 스위핑에서 일반적으로 사용되는 스위핑 횟수(단위 시간당 브룸의 왕복 횟수, Hz)는 측정된 힘 데이터와 시간 데이터를 이용하여 계산이 가능하다. 또한 브룸의 무게를 최소화 하고자 로드셀 만을 브룸에 장착하고 신호 수집과 처리에 필요한 장비를 분리하여 실제 사용되는 브룸과의 무게 차이를 최소화 하였다. 그리고 1회 측정이 종료된 후에는 소형 LCD에 힘 측정값 중 최대값을 표시하여 현장에서 간단히 피험자간의 비교가 가능하게 하였다.
컬링 브룸은 BalancePlusⓇ의 탄소 스틱 제품을 사용하였고, 패드는 동사의 Equalizer를 사용 하였다. 또한 웨어러블 케이스는 기성품에 LCD 고정 부분을 개발원에서 보유하고 있는 3D 프린터(objet30, USA)를 이용하여 결합하는 방식으로 제작하였으며, 3D 프린터의 재료는 duruswhite를 이용하였다. 개발 장비의 전체 무게는 559.
본 연구에서는 장비의 소형화를 위하여 컴퓨터 대신 소형 마이크로 컨트롤러(micro controller)를 이용하였으며, 피험자가 움직이면서 측정이 가능하도록 시스템을 제작하였다. 개발된 장비 향후 데이터 무선 전송 등의 확장을 고려하여 주변 기기와 응용 소프트웨어가 풍부한 아두이노 계열의 메가 2560(arduino mega 2560)을 마이크로 컨트롤러로 사용하였으며, 소형화를 위해서 측정된 데이터를 SD 카드에 csv 파일(comma separated values formate file) 형태로 저장하는 방식을 이용하였다.
이 중 데이터수집과 데이터 저장은 단순한 명령어 호출로 처리되고 있으므로, 본 논문에서는 수집된 신호를 처리하는 과정을 위주로 정리하였다. 연구에서 적용된 신호 처리 과정은 일반적인 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정을 이용하였으며, 저역통과 필터의 통과 주파수 대역만을 스포츠 분야에서 주로 사용하는 8 Hz로 설정하여 사용하였다.
회귀식을 통해 추출된 힘 값은 측정 시 포함된 고주파노이즈(noise) 성분을 포함하고 있기 때문에 저주파 신호만을 통과시키는 저역 통과 필터를 이용해야 한다. 연구에서는 디지털 방식의 저역 통과 필터를 프로그램으로 구현하여 사용자가 원하는 통과 대역 주파수(cutoff frequency, fc)를 지정 할 수 있도록 하였다. 아래 식은 연구에서 사용한 디지털 저역 통과 필터의 수식을 보여주고 있다.
완성된 장비는 벨트를 이용하여 측정기기 부분을 피험자 허리에 착용하는 방식으로 제작 하였으며, 측정기기는 무게를 분산하기 위해서 마이크로 컨트롤러 모듈, 로드셀 앰프 모듈 및 배터리 모듈로 분리하여 제작하였다[Fig. 2].
개발 장비의 프로그램은 데이터 수집, 신호 처리 및 데이터 저장의 크게 3 부분으로 나누어진다. 이 중 데이터수집과 데이터 저장은 단순한 명령어 호출로 처리되고 있으므로, 본 논문에서는 수집된 신호를 처리하는 과정을 위주로 정리하였다. 연구에서 적용된 신호 처리 과정은 일반적인 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정을 이용하였으며, 저역통과 필터의 통과 주파수 대역만을 스포츠 분야에서 주로 사용하는 8 Hz로 설정하여 사용하였다.
장비 개발에 사용된 마이크로 컨트롤러인 아두이노의 프로그램 작성을 위하여 아두이노 공식 사이트에서 제공하는 최신 버전의 개발 프로그램(arduino 1.6.8)을 이용하였으며, 마이크로 컨트롤러와 주변기기인 LCD(liquid crystal display), SD card module은 기성품을 이용하여 구성하였다. 로드셀은 1축 제품을 2개 이용하였으며 국로드셀을 이용한 컬링 스위핑 힘 측정 장치 개발 51산 제품인 봉신 로드셀(CDFSA 100, KOR)을 사용하였다.
디지털 저역 통과 필터는 프로그램으로 구성되어 있어사용자의 편의에 따라서 통과 주파수 대역을 조절할 수 있다. 전압-힘 변환 회귀식 유도를 위해서 M1급 표준분동 3개(5 kg, 10 kg, 20 kg)를 이용하여 총 6개의 조합을 만든 뒤(5 kg, 10 kg, 15 kg, 20 kg, 25 kg, 30 kg) 이를 2로 나누어 사용하였다. 앰프 출력-분동 질량 사이의 선형 회귀식은 엑셀 프로그램에서 제공하는 데이터분석회귀분석 함수를 사용하였으며, 신뢰수준 95%에서 R2=0.
Yanagi 등[20]은 개발 장비 검증을 위하여, 개발 장비를 스포츠 분야에서 힘 등을 측정할 때 기준 측정 장비로 사용하고 있는 지면 반력기 위에 놓은 상태에서 개발 장비에 힘을 가하면서 개발 장비 측정값과 지면 반력기 측정값을 비교하였다. 정확한 측정을 위해서 개발된 장비의 브룸 회전축을 고정한 상태에서 브룸 손잡이를 통하여 지면 반력기에 힘을 가하였으며, 이 경우 지면 반력기에서 측정되는 힘은 [Fig 6]과 같다.
로드셀 앰프에서 마이크로 컨트롤러로 전송된 신호는 마이크로컨트롤러 내부의 A/D 변환기(analog-digital converter)를 통하여 10 bit 디지털 신호(0-1023)로 변환 후 전압-힘 변환 회귀식(voltage-force linearregression equation)을 이용하여 힘 값으로 환산하였다. 환산된 값은 디지털 저역 통과 필터(digital low pass filter)를 사용하여 측정 시 포함된 고주파 노이즈 성분을 제거 하였다.
대상 데이터
또한 웨어러블 케이스는 기성품에 LCD 고정 부분을 개발원에서 보유하고 있는 3D 프린터(objet30, USA)를 이용하여 결합하는 방식으로 제작하였으며, 3D 프린터의 재료는 duruswhite를 이용하였다. 개발 장비의 전체 무게는 559.3g(로드셀 129 g, 마이크로 컨트롤러 보드 37 g, LCD 77.8 g, SD 카드 모듈 14.8 g, 배터리 164 g, 배선 및 케이스 등 136.7 g)으로, 이 중 로드셀(129 g)만 브룸에 장착되고, 나머지 부분은 웨어러블 타입으로 제작하여 피험자의 허리 부분에 장착하는 형태로 제작하였다. 개발된 시스템의 구성은 [Fig.
8)을 이용하였으며, 마이크로 컨트롤러와 주변기기인 LCD(liquid crystal display), SD card module은 기성품을 이용하여 구성하였다. 로드셀은 1축 제품을 2개 이용하였으며 국로드셀을 이용한 컬링 스위핑 힘 측정 장치 개발 51산 제품인 봉신 로드셀(CDFSA 100, KOR)을 사용하였다. 사용된 제품은 최대 100kg 까지 측정 할 수 있으며,로드셀 앰프는 개발원에서 보유하고 있는 제품을 이용하였다(Futek CSG110, USA).
로드셀은 1축 제품을 2개 이용하였으며 국로드셀을 이용한 컬링 스위핑 힘 측정 장치 개발 51산 제품인 봉신 로드셀(CDFSA 100, KOR)을 사용하였다. 사용된 제품은 최대 100kg 까지 측정 할 수 있으며,로드셀 앰프는 개발원에서 보유하고 있는 제품을 이용하였다(Futek CSG110, USA).
측정 실험에서는 개발원에 설치된 지면 반력기(Kistler, type 9287BA)를 이용하였으며, 지면 반력기의 샘플링 주파수를 개발 장비의 샘플링 주파수의 5배인 1500 Hz로 설정하였다. [Fig.
컬링 브룸은 BalancePlusⓇ의 탄소 스틱 제품을 사용하였고, 패드는 동사의 Equalizer를 사용 하였다. 또한 웨어러블 케이스는 기성품에 LCD 고정 부분을 개발원에서 보유하고 있는 3D 프린터(objet30, USA)를 이용하여 결합하는 방식으로 제작하였으며, 3D 프린터의 재료는 duruswhite를 이용하였다.
데이터처리
전압-힘 변환 회귀식 유도를 위해서 M1급 표준분동 3개(5 kg, 10 kg, 20 kg)를 이용하여 총 6개의 조합을 만든 뒤(5 kg, 10 kg, 15 kg, 20 kg, 25 kg, 30 kg) 이를 2로 나누어 사용하였다. 앰프 출력-분동 질량 사이의 선형 회귀식은 엑셀 프로그램에서 제공하는 데이터분석회귀분석 함수를 사용하였으며, 신뢰수준 95%에서 R2=0.9998을 보여 주었다[Fig. 4]. 또한 개발된 장비에서는 필터링이 되지 않은 원 데이터(raw data)와 필터링을 거친 데이터 모두를 기록하여 데이터 분석에 사용할 수 있도록 하였다.
이론/모형
로드셀 앰프에서 마이크로 컨트롤러로 전송된 신호는 마이크로컨트롤러 내부의 A/D 변환기(analog-digital converter)를 통하여 10 bit 디지털 신호(0-1023)로 변환 후 전압-힘 변환 회귀식(voltage-force linearregression equation)을 이용하여 힘 값으로 환산하였다. 환산된 값은 디지털 저역 통과 필터(digital low pass filter)를 사용하여 측정 시 포함된 고주파 노이즈 성분을 제거 하였다.
성능/효과
개발된 장비의 측정데이터 검증을 위하여 측정된 데이터를 지면 반력기와 비교한 결과 힘 측정에서 약 0.909±1.375 N의 측정 오차를 보여 개발된 장비의 측정 유효성을 확인할 수 있었다.
완성된 장비는 약 300 Hz(± 10 Hz)의 데이터 샘플링속도를 보여 주었으며, 디지털 필터를 제거하는 경우 최대 1000 Hz 까지 샘플링 속도의 증가가 가능하였다.
측정 결과를 보면 측정값의 차이가 0.909±1.375 N의 평균과 표준편차를 보여주고 있어 개발 장비로 측정된 값이 지면 반력기 측정값과 거의 동일함을 확인할 수 있다.
후속연구
특히 최근 마이크로 컨트롤러 분야에서 다양한 분야의 학문간 융합에 대한 선구자 역할을 하고 있는 아두이노 계열의 제어기들은, 일부 성능에서는 전문 제어기와 비교하기 어렵지만, 저렴한 가격과 손쉬운 사용 및 풍부한 확장성으로 인하여 여러 연구 분야에서 측정 및 제어 기기로 소개 및 사용되고 있다[22,23]. 이 같은 연구 장비개발 환경 변화는, 동계 경기 종목에서 주요 변수로 작용하는 얼음의 마찰 계수와 같이 아직까지 미지의 영역으로 남아 있는 연구에 필요한 다양한 측정 및 연구 장비개발을 좀 더 쉽고 빠르게 할 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 개발된 장비는 측정 성능을 위주로 개발되어 부피와 무게의 최적화 문제를 해결하지 못하여, 측정 기기의 일부분을 사용자에서 착용시키는 형태로 제작하였다. 이는 개발에 소요되는 비용을 최소화 하고자 상용화된 부품들을 조합하여 제작한 결과이며, 향후 전용 장비의 설계 및 무선 데이터 전송 등의 기법을 적용하여 장비의 부피와 무게를 최적화하는 작업이 필요하다 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
컬링은 어떤 스포츠인가?
컬링(curling)은 소치 동계올림픽을 계기로 국내에 널리 알려지기 시작한 동계 스포츠 종목의 하나이며, 얼음과 스톤(stone) 및 브러쉬(brush)사이의 복잡한 물리적인 현상을 이용하는 경기이다. 물리적인 현상 이외에 인적 요소인 선수의 경기력과 관련하여 컬링 경기의 승패에 영향을 주는 요인으로, 얼음의 상태를 파악하는 능력, 스톤의 웨이트(속도)를 조절하는 능력, 스위핑 능력 및 작전구사능력 등이 있는 것으로 알려져 있다[1].
컬링 경기의 승패에 영향을 주는 요인은 무엇인가?
컬링(curling)은 소치 동계올림픽을 계기로 국내에 널리 알려지기 시작한 동계 스포츠 종목의 하나이며, 얼음과 스톤(stone) 및 브러쉬(brush)사이의 복잡한 물리적인 현상을 이용하는 경기이다. 물리적인 현상 이외에 인적 요소인 선수의 경기력과 관련하여 컬링 경기의 승패에 영향을 주는 요인으로, 얼음의 상태를 파악하는 능력, 스톤의 웨이트(속도)를 조절하는 능력, 스위핑 능력 및 작전구사능력 등이 있는 것으로 알려져 있다[1].
실제 얼음 위에서 컬링선수들이 스위핑 시 휴대가 가능한 스위핑 힘 측정 장비의 개발이 필요한 이유는 무엇인가?
국내에서도 스위핑 속도, 스위핑 거리, 패드에 가해지는 힘 및 얼음표면 온도를 동시에 측정 할 수 있는 장비를 개발하였으나[19], 개발된 장비는 고정식으로 제작되어 선수들이 직접 이동하면서 얻어지는 스위핑 데이터는 수집할 수 없었다. 또한 열화상 카메라, 선형 엔코더(wire encoder)와 컴퓨터 등으로 시스템을 구성하여, 정밀한 측정은 가능하나 현장 운영이 쉽지 않은 문제점 등이 있었다. 따라서 현장 운영이 편리하면서 이동시 스위핑 관련된 데이터를 수집할 수 있도록 기 개발된 장비의 소형화가 요구되었으며, 실제 얼음 위에서 컬링선수들이 스위핑 시 휴대가 가능한 스위핑 힘 측정 장비의 개발이 필요하였다.
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