[논문]압력센서를 이용한 자세 판별에 대한 연구

김경현; 남현도; 김경호

doi:10.5370/kiee.2018.67.7.940

압력센서를 이용한 자세 판별에 대한 연구
A Study on the Sittring Posture Identification Using Pressure Sensors 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.7, 2018년, pp.940 - 945

김경현 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Dankook University) , 남현도 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Dankook University) , 김경호 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Dankook University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we make a study on a system to determine a person's sitting posture by measuring the distribution of pressure in the floor of a chair or in a cushion using pressure sensors. If the wrong sitting posture is detected, a warning message is given through the vibration motor in real time t...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 4개의 압력 센서를 이용하여 좌식 자세의 압력분포를 측정하고 이를 통해 바르지 않은 자세를 판별하여 실시간으로 경고를 주는 시스템이다.
본 연구에서는 MCU의 펌웨어 구현 및 알고리즘 코드를 구현하였다.
본 연구에서는 압력센서를 사용하여 압력분포를 측정하고 좌식자세 판별을 위한 하드웨어와 펌웨어 알고리즘을 구현하는 연구를 진행하였다. 각 센서간 특성차이로 인해 미세하게 같은 압력에 대한 출력 센서값에 차이가 난다.
본 연구에서는 좌식 자세의 압력 분포를 실시간으로 측정하기 위한 센서 시스템을 개발하였다. 디바이스는 단전원 구동이며, 3.

제안 방법

본 연구의 MCU는 ST사의 Cortex-M3를 사용하였으며 ADC, UART, GPIO에 대한 펌웨어를 구현하였다. ADC는 10.7 MHz, 4채널로 동작하도록 설정하였고 UART는 8비트, 115200 Baudrate로 Baudrate로 동작하도록 하였다. 또한 ADC, UART 모두 DMA (Direct Memory Access)를 이용하여 CPU를 거치지 않고 메모리에서 직접 접근하고 부하를 줄이도록 하였다.
본 연구에 사용한 센서는 FSR (Force-sensing resistor)라는 가변저항성 센서로서 비선형적인 특성을 가지고 있다. 가변 저항성인 센서를 가변저항으로 두고 전압분배와 버퍼의 형태로 회로를 설계하였다. 단전원 구동이고 압력센서로서 음의 출력은 없으므로 출력전압 수위조정없이 GND를 주었다.
각 실험자들은 그림 9와 같이 방석에 앉아서 허리를 곧게 피고 앉는 올바른 자세, 우로 허리를 기울인 자세, 앞으로 기댄 자세, 오른쪽 다리를 꼰 자세를 측정하였다.
각 센서간 특성차이로 인해 미세하게 같은 압력에 대한 출력 센서값에 차이가 난다. 때문에 센서값들을 비교하여 자세를 판별하지 않고 Thresh hold를 사용하여 압력의 수준을 정의하고 알고리즘을 구현하였으며 올바르지 않은 자세에는 진동모터가 울려서 실시간으로 경고를 주도록 하였다.
7 MHz, 4채널로 동작하도록 설정하였고 UART는 8비트, 115200 Baudrate로 Baudrate로 동작하도록 하였다. 또한 ADC, UART 모두 DMA (Direct Memory Access)를 이용하여 CPU를 거치지 않고 메모리에서 직접 접근하고 부하를 줄이도록 하였다.
알고리즘과 관련하여 진동모터를 구동 시킬때는 HAL_GPIO_WritePin 함수를 이용하여 MCU로부터 on 신호를 받아 진동모터가 동작하도록 구현하였다. 또한 통신의 안전을 위해 delay 함수를 구현하였다.
7V 리튬 이온 베터리를 사용한다. 방석의 형식으로 구성되었으며, 방석을 의자에 얹고 데이터를 기록하기 위해 PC로 연결하여 실시간 압력분포 데이터를 기록한다.
본 연구는 좌식 자세 판별 알고리즘 S/W 이외에도 OP-Amp를 이용한 센서 증폭부와 하드웨어 통신회로 등 하드웨어 설계도 진행하였다.
본 연구에는 ST사의 Cortex-M3 MCU를 사용하여 진행하였고 ST에서 제공하는 H/W reference를 지키면서 그림 8과 같이 설계하였다.
본 연구에서 구현한 센서 시스템의 계측을 위하여 그림 5와 같이 방석의 각 모서리에 총 4개의 압력센서를 부착하였다. 올바른 좌식 자세와 올바르지 않은 좌식 자세의 데이터 비교를 위하여 성인 남성 5명을 대상으로 실험을 진행하였다.
본 연구에서 진행된 실험은 정확한 압력분포 데이터를 얻기 위하여 4가지 자세를 각각 3번씩 10초간 데이터를 수집하고 총평균값을 구하며 진행되었다.
이는 염증이나 신경을 누르는 등 그림 2와 같은 추간판 탈출증과 디스크 팽륜의 원인이 된다[5]. 본 연구에서는 의자의 바닥부분이나 방석의 압력센서를 통해 사람의 좌식 자세를 판별하고 실시간으로 진동모터나 블루투스를 통해 경고 문구를 주어 잘못된 좌식습관과 자세의 불균형을 교정할 수 있도록 하였다.
코딩은 ST 사에서 제공하는 HAL 드라이버를 사용하여 펌웨어를 구현하였으며 HAL_UART_Transmit_DMA 함수를 이용하여 PC로 UART 통신을 하여 발신하였고, HAL_ADC_Start_DMA 함수를 이용하여 4 chennel ADC를 읽어오도록 하였다. 알고리즘과 관련하여 진동모터를 구동 시킬때는 HAL_GPIO_WritePin 함수를 이용하여 MCU로부터 on 신호를 받아 진동모터가 동작하도록 구현하였다. 또한 통신의 안전을 위해 delay 함수를 구현하였다.
외부로부터 받는 전원을 Regulator를 통해 3.3V로 DC DC Conversion하고 Tantalum Capacitor를 사용하여 전원부를 안정화하였다.
전원이 들어오면 LED가 켜지도록 하는 Indicator 회로와 MCU의 하드웨어 통신을 위한 Bus 및 MCU 리셋 회로를 설계하였다.
코딩은 ST 사에서 제공하는 HAL 드라이버를 사용하여 펌웨어를 구현하였으며 HAL_UART_Transmit_DMA 함수를 이용하여 PC로 UART 통신을 하여 발신하였고, HAL_ADC_Start_DMA 함수를 이용하여 4 chennel ADC를 읽어오도록 하였다. 알고리즘과 관련하여 진동모터를 구동 시킬때는 HAL_GPIO_WritePin 함수를 이용하여 MCU로부터 on 신호를 받아 진동모터가 동작하도록 구현하였다.
영상을 이용할 경우 판별율이 높으나 알고리즘이 복잡하여 임베디드 시스템으로 활용하기 어렵고, 다수의 센서를 통한 연구는 많은 압력센서로 매트릭스 구조를 형성하는 방식을 사용함으로써 센서의 비용이 크다[7-9]. 하지만 본 연구에서는 4개의 적은 개수의 압력센서를 통해 좌식자세를 판별하고 실시간으로 자세교정에 대한 경고를 블루투스로 보내도록 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 좌식 자세의 압력 분포를 실시간으로 측정하기 위한 센서 시스템을 개발하였다. 디바이스는 단전원 구동이며, 3.7V 리튬 이온 베터리를 사용한다. 방석의 형식으로 구성되었으며, 방석을 의자에 얹고 데이터를 기록하기 위해 PC로 연결하여 실시간 압력분포 데이터를 기록한다.
본 연구에 사용한 센서는 FSR (Force-sensing resistor)라는 가변저항성 센서로서 비선형적인 특성을 가지고 있다. 가변 저항성인 센서를 가변저항으로 두고 전압분배와 버퍼의 형태로 회로를 설계하였다.
본 연구의 MCU는 ST사의 Cortex-M3를 사용하였으며 ADC, UART, GPIO에 대한 펌웨어를 구현하였다. ADC는 10.
압력센서의 출력이 선형적이지 않아 Thresh hold의 선정을 위해 실험 데이터를 수집하였다. 각 실험자의 평균 데이터를 보면 엉덩이의 경우 큰 압력을 주면 2600 이상의 데이터를 갖는것을 볼 수 있다.
본 연구에서 구현한 센서 시스템의 계측을 위하여 그림 5와 같이 방석의 각 모서리에 총 4개의 압력센서를 부착하였다. 올바른 좌식 자세와 올바르지 않은 좌식 자세의 데이터 비교를 위하여 성인 남성 5명을 대상으로 실험을 진행하였다.

성능/효과

3V에서 0부터 4096의 스케일로 변경되어진다. 실험을 통하여 압력으로 인한 데이터가 최소 0에서 최대 3250임을 확인하였고, Thresh hold는 다리의 경우 2500으로 엉덩이의 경우 2600으로 설정되었다.

후속연구

향후 본 연구를 바탕으로 졸음 운전과 좌식 압력 분포의 상관성을 규명하고 외부와의 통신을 위해 Wifi나 Bluetooth를 구현하여 MQTT 서버 혹은 안드로이드 앱으로 데이터를 전송시키고 진동모터 이외의 방법으로 외부에 경고를 줄 수 있는 시스템을 개발할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바른 좌식 자세란 어떠한 자세인가?	본 연구는 추간판 돌출증이나 척추 측만증을 대비하는 연구로서 올바른 자세를 정의하기 위해 압력센서의 위치와 그에 따른 압력 분포가 중요하다. 바른 좌식 자세란 머리와 목이 옆에서 볼 때 일직선을 이루고, 허리는 허벅지와 수직이거나 의자에 약간 기댄 자세이다. 그림 3과 같이 사람이 올바르게 앉게 될 경우, 무게를 더 지지하는 엉덩이 부분은 다리 부분보다 압력이 더 크지만 좌우간 압력분포는 같다.
	바르지 않은 자세로 오래 앉아있게 되면 무슨 문제가 발생하는가?	바르지 않은 자세로 오래 앉아있게 되면 추간판에 스트레스가 가해지고[4] 척추간판의 변형을 유발하며 기능장애를 초래할 수 있다. 이는 염증이나 신경을 누르는 등 그림 2와 같은 추간판 탈출증과 디스크 팽륜의 원인이 된다[5]. 본 연구에서는 의자의 바닥부분이나 방석의 압력센서를 통해 사람의 좌식 자세를 판별하고 실시간으로 진동모터나 블루투스를 통해 경고 문구를 주어 잘못된 좌식습관과 자세의 불균형을 교정할 수 있도록 하였다.
	좌식 자세를 측정하는 방법에는 무엇이 있는가?	좌식 자세를 측정하는 기존의 연구들은 주로 2가지의 방법을 가지고 있었다. 영상을 통한 판별과 다수의 압력센서를 통한 판별이다. 영상을 이용할 경우 판별율이 높으나 알고리즘이 복잡하여 임베디드 시스템으로 활용하기 어렵고, 다수의 센서를 통한 연구는 많은 압력센서로 매트릭스 구조를 형성하는 방식을 사용함으로써 센서의 비용이 크다[7-9].

참고문헌 (12)

Won-Jun Juns, "Telehealth and Home Health Technologies are Becoming Increasingly Attractive for the Healthcare Industry", Tractica, 2015.
Shang Hyuk Yim, Yun Geun Lee, Jung Jin Cho, Jeong Il Son, Jae Cheol Song., "Sympton Prevalence of Work-Related Musculoskeletal Disorders and Related Factors among Bank Workers by Visual Dispaly Terminal Use", Annals of Occupational And Environmental Medicine, vol. 9, no. 1, pp. 85-98, 1997.
Min-Seok Ko, Joon-Young Choi. "Related Factors to Visual Display Terminal Syndrome of Hospital Employees Using Lalonde Health Field Model", Health and Welfare, vol. 14, pp. 7-22, 2012.
Andersson GB, "Epidemiological features of chronic low-back pain". Lancet, 354(9178), 581-585, 1999

상세보기
Sun-hee Lee, The effect of exercise therapy in the treatment of patients idiopathic scoliosis, 2013. 08. p.6-p.10
Jan Modric, "Bulging and Herniated Disc in the neck and lower back", ehealthStar, 2015
Sang-Pil Byun, In-hyuk Jang, Gi-hyuk Park, Sun-hee Son, Won-gu Lee, "Study on a method for correcting unbalanced sitting posture by force-sensing resistors", Journal of The Korean Society of Industry Convergence, vol. 17, no. 4, pp. 203-210, 2014.
Dong-Hyeon Kim, Jeong-geun Jang, Sun-taek Choi, HoI-duk Cho, "A Study on the Pressure for Gluteal Region and the Movement of the Spine Measure System in Accordance with Sitting Posture on the Chair," IEIE summer conference, pp. 1547-1549, 2013.
Moo-rim Kim, Hyeon-woo Kim, Seung-hwan Lee, Yuk Cho, "Posture Helper Using Gaussian Mixture Background Modeling," KICS winter conference, pp. 25-26, 2010.
Marksonchiropratic, http://www.marksonchiropractic.com/
Kathy Norris, "Are you sitting comfortably", Essex Stationary, 2013.
Gyeong-hyeon Kim, Seo-jin Yoon, Hyeon-do Nam, Kyeong-ho Kim, "A Basic Study for Posture Measurement System of seating Using Pressure Sensor", CICS'17, pp. 227-228, 2017.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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