[논문]태권도 전자호구 개발을 위한 충격감지 센서 연구

기재석; 정동화; 이현준

doi:10.5762/kais.2019.20.4.648

태권도 전자호구 개발을 위한 충격감지 센서 연구
Research on Impact Sensors for Developing the Electronic Body Protector of Taekwondo 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.4, 2019년, pp.648 - 655

기재석 (상명대학교 스포츠ICT융합학과) , 정동화 (상명대학교 스포츠융합학부) , 이현준 (상명대학교 스포츠융합학부)

초록
AI-Helper

본 연구는 현재의 복잡하며 부정확한 기존의 태권도 전자호구 시스템과 차별화 되는 전자호구 개발을 제안한다. 이를 위해 전자호구에 적용이 가능한 다양한 센서(마그네틱 센서, 전기용량 센서, 접촉식 스위치 방식, 압전필름 센서) 방식에 대하여 시험을 통해 분석하여 차별화된 성능을 가질 수 있는 센서 방식을 제안한다. 제안하는 전자호구의 타격에 대한 정도를 높이기 위해 기존의 몸통호구에만 집약된 광범위한 센서 및 무선 통신 제어 장치를 호구와 손, 발 보호대로 분산하였다. 또한 몸통호구에는 초경량 필름형 압전센서를 통해 몸통호구에 가해지는 충격량을 측정하도록 하여 무게를 경량화 하였다. 기존의 전자호구의 경우 몸통호구에 집약된 센서 및 통신 제어 장치를 개별 장비로 분리하여 사용자가 개별 구입할 수 있도록 스마트 앱을 활용하여 스코어를 확인할 수 있도록 하였다. 개발하는 전자호구의 무게는 약 1kg 이하로 기존 대비 20% 정도 감소되는 효과를 얻었다. 완벽한 시험 환경을 갖추지 못하여 충격량에 대한 효과를 정확하게 분석하지 못한 부분은 본 연구의 보안 사항을 본다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the differential development of a Taekwondo electronic body protector. For this development, the most suitable sensor system was selected after analyzing and testing various sensor methods (magnetic sensors, electric capacity sensors, contact switch sensors, and piezo-film sensors) that could be applied in the electronic body protector, the selected sensors were distributed to the body and feet to make a more precise hit score, unlike the existing system in which all sensors are centralized on the body. Furthermore, it aims to illuminate using a lightweight film-type piezoelectric sensor on the body protector. In the case of an existing electronic body protector, all sensors and network device were concentrated on the body protector, so users need to purchase a set if they want it. On the other hand, the proposed system cloud can be used individually using a smart scoring WEP program. The effects of decreasing weight by up to 20% were compared with those of the existing system. Setting up a test facility is very difficult, so more study will be needed to analyze the effects of a hit.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Internal structure of existing body protector
그림 Fig. 2. System composition of existing body protectors
그림 Fig. 3. Operating principle of electroic capacity sensors
그림 Fig. 4. Operating principle of contact switch
그림 Fig. 5. Device setting to measure cantilever sensor output
그림 Fig. 6. Oscilloscope results for large impact
그림 Fig. 7. Oscilloscope results for medium impact
그림 Fig. 8. Oscilloscope results for small impact
표 Table 1. Peculiarities per sensor method
그림 Fig. 9. Block diagram to measure body piezo-electric film output
그림 Fig. 10. Oscilloscope results for large impact
그림 Fig. 11. Oscilloscope results for medium impact
그림 Fig. 12. Oscilloscope results for small impact
표 Table 2. Zigbee module communication test results
그림 Fig. 13. Zigbee communication test settings
그림 Fig. 14. Zigbee communication radiation(dBm) pattern
그림 Fig. 15. Electronic body protector system diagram
그림 Fig. 16. Mobile scoring APP
그림 Fig. 17. Developed electronic body protector system test
표 Table 3. MCU specifications

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 기존 전자호구의 복잡성(개인 보호대및 무선 송수신기, 점수 표시 전광판 및 각종 스캐닝 기구 등 공동의 장비도 필요)을 벗어나서, 기존의 개인 장비만의 대체(호구 및 손·발 보호대) 구매를 통해서 전자호구 경기의 방식을 익힐 수 있는 실질적인 장비를 제공하기 위해 적용이 가능한 다양한 센서 방식을 시험을 통해 분석한다. 또한 기존의 몸통호구에 집약된 광범위한 센서 및 무선 통신 제어부를 발 보호대와 몸통으로 분산하고, 몸통호구에는 초경량 필름형 압전센서를 통해 몸통에 가해지는 충격량을 측정하도록 하여 구조 경량화 및 단순화로 기존 대비 저렴한 연습용 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 연구에서는 4가지 유형의 충격감지 센서를 분석하여 충격량 감지에 대한 정확도, 배터리 수명, 무게 등을비교 항목으로 적용 가능한 센서에 대해 분석한 후 비교센서 중 최적의 센서를 이용하여 태권도 전자호구 개발방안을 제시한다. 몸통호구와 발 보호대에 센서신호를 처리하는 배터리 수명을 24시간 이상 사용할 수 있도록지그비(zigbee) 통신을 채택하였으며[11], 리튬폴리머 박막 전지의 충전이 가능하도록 충전모듈을 개발하여 사용성을 높이도록 제안한다.
본 연구에서는 Fig. 15와 같이 몸통호구 센서와 발목보호대 센서를 통해 동기화된 충격데이터를 분석하여 보다 가볍고, 신뢰도가 높은 전자호구 시스템 개발을 목표로 한다.
본 연구에서는 기존 전자호구의 복잡성(개인 보호대및 무선 송수신기, 점수 표시 전광판 및 각종 스캐닝 기구 등 공동의 장비도 필요)을 벗어나서, 기존의 개인 장비만의 대체(호구 및 손·발 보호대) 구매를 통해서 전자호구 경기의 방식을 익힐 수 있는 실질적인 장비를 제공하기 위해 적용이 가능한 다양한 센서 방식을 시험을 통해 분석한다.

제안 방법

개발하는 전자호구 시스템은 몸통호구에 압전필름을 내장하고, 충격량 센싱 후 마스터에 지그비 통신을 통해 신호를 처리하며, 발목보호대에 캔틸레버 센서를 장착하고 충격량을 센싱 후 마스터에 지그비 통신을 통해 신호를 처리하고 몸통 및 발목보호대 지그비 무선 통신장치를 장착하여 신호 처리된 충격량을 마스터모듈로 전송한다.
개발한 전자호구 시스템 테스트를 위해 Fig. 17과 같이 충격 강도를 강, 중, 약 세 가지로 나누어 실험을 하였다. 각 강도에서 충격을 10회 가한 결과 모두 오차 범위내에서 동일한 결과를 보였으며, 타격의 강도변화에 따른 표출 값이 정비례로 표출되는 것을 확인하였다.
이 방식은 우수한 민감도를 나타내나 충격량이 아닌 접촉정도를 감지하는 방식으로 스코어링의 신뢰도를 기대하기 어려우며, 센서의 구동회로는 많은 전력을 소모할것으로 예측된다. 또한 자기저항이나 광섬유 센서는 발목보호대에서 부담을 줄 수 있는 상당 부피를 차지하기때문에 자기장을 발생하는 몸통호구의 복잡성 증대되어태권도 전자호구에 적용하기에는 적합하지 않은 것으로평가한다.
마스터모듈은 데이터를 블루투스로 변환하여 모바일또는 PC 채점 처리장치로 전송하여 동기화된 몸통호구와 발목보호대 충격 신호 값을 찾아 채점 장치에 표시하며, 파워모듈은 충전이 가능한 리튬폴리머 박막 건전지와 충전모듈로 구성하였다.
본 연구에서는 4가지 유형의 충격감지 센서를 분석하여 충격량 감지에 대한 정확도, 배터리 수명, 무게 등을비교 항목으로 적용 가능한 센서에 대해 분석한 후 비교센서 중 최적의 센서를 이용하여 태권도 전자호구 개발방안을 제시한다. 몸통호구와 발 보호대에 센서신호를 처리하는 배터리 수명을 24시간 이상 사용할 수 있도록지그비(zigbee) 통신을 채택하였으며[11], 리튬폴리머 박막 전지의 충전이 가능하도록 충전모듈을 개발하여 사용성을 높이도록 제안한다.
발목보호대에 사용되는 충격센서의 출력 크기와 길이를 오실로스코프를(oscilloscope, 독일) 사용하여 Fig. 5와 같이 실험환경을 구성하여 측정하였다.
본 연구에서는 태권도 전자호구에 적합한 센서 채택을 위해 기존 공인 전자호구를 분석한 후 마그네틱 방식과 전자명함 방식, 비 접촉식 스위치 방식 그리고 압전필름 방식, 총 네 가지 방식에 대해 분석하였다. 분석한 결과 압전필름 방식이 민감도와 신뢰도 측면에서에서 가장 우수하였고, 전력소모와 무게 측면에서도 유사 또는 우수한 결과를 보였다.

대상 데이터

MCU 선정과 개발 시 고려되어야 할 사항으로는 100mA/h 안팎의 배터리로 운영되는 시스템으로 적은 전력을 소모하는 MCU를 선정하였다. 개발하는 MCU는 임베드 시스템으로 개발된 피에조 센서의 아날로그 출력을 읽어 들이는 목적이며, 초소형 패키지 안착의 용이성을 고안한 작은 모듈로 설계되어 MCU가 장착되는 영역을최소화 시키고 외부의 지그비와 연결될 수 있는 충분한디지털 I/O를 확보해야 한다.

성능/효과

또한 타 방식에비해 전력소모가 적기 때문에 충전 후 사용시간이 타 방식에 비해 2~3배 길 것으로 예측 된다. 4가지 적용 가능한 센서 방식을 분석한 결과는 Table 1과 같으며, 신뢰도와 전력사용 등을 비교한 결과 압전필름 방식이 가장 적합한 것으로 분석 되었다.
17과 같이 충격 강도를 강, 중, 약 세 가지로 나누어 실험을 하였다. 각 강도에서 충격을 10회 가한 결과 모두 오차 범위내에서 동일한 결과를 보였으며, 타격의 강도변화에 따른 표출 값이 정비례로 표출되는 것을 확인하였다. 발과 몸통의 동기화 알고리즘을 통해 정확한 유효타와 손·발의 단순 진동을 구분할 수 있었으며, 초당 최대 5회 이상득점이 가능한 결과를 보였다.
테스트 환경이 완전하지 못해 다양한 강도 및 초당 타격 가능 횟수를 보다 정밀하게 측정할 수 없어서 아쉬움이 있으나, 추가 연구를 통해 공인 기관을 통해 시험인증을 받을 수 있을 것으로 예상한다. 또한 몸통호구는 가벼운 압전필름을 채택하여 기존(약 1.3kg) 대비 20% 이상의 중량이 감소(약 1kg 이하)되는 효과를 얻을 수 있었다.
태권도 전자호구 몸통의 충격량의 정확도를 보다 높일 수 있도록 발목에 캔틸레버 센서를 장착하여 시제품을 개발하였고, 개발한 시제품을 테스트한 결과 충격량에 비례하여 결과 값을 얻을 수 있었다. 또한 몸통호구의중량도 기존 대비 약 20% 정도의 가벼워 지는 효과를 얻을 수 있었다.
발과 몸통의 동기화 알고리즘을 통해 정확한 유효타와 손·발의 단순 진동을 구분할 수 있었으며, 초당 최대 5회 이상득점이 가능한 결과를 보였다.
본 연구에서는 태권도 전자호구에 적합한 센서 채택을 위해 기존 공인 전자호구를 분석한 후 마그네틱 방식과 전자명함 방식, 비 접촉식 스위치 방식 그리고 압전필름 방식, 총 네 가지 방식에 대해 분석하였다. 분석한 결과 압전필름 방식이 민감도와 신뢰도 측면에서에서 가장 우수하였고, 전력소모와 무게 측면에서도 유사 또는 우수한 결과를 보였다.
이상의 실험에서 압전필름 센서는 충격의 크기와 비례한 결과를 보이나 캔틸레버 센서와 비교하여 한 주기가 길며, 크기와 파형의 길이가 짧게 나타났다. 실험 결과 나타난 출력 패턴을 분석하여 발목보호대 충격센서와 몸통 압전필름 센서 출력 값과 시간의 동기성 여부를 통해 타격에 대한 여부 및 세기를 측정할 수 있음을 확인하였다.
이상의 실험에서 압전필름 센서는 충격의 크기와 비례한 결과를 보이나 캔틸레버 센서와 비교하여 한 주기가 길며, 크기와 파형의 길이가 짧게 나타났다. 실험 결과 나타난 출력 패턴을 분석하여 발목보호대 충격센서와 몸통 압전필름 센서 출력 값과 시간의 동기성 여부를 통해 타격에 대한 여부 및 세기를 측정할 수 있음을 확인하였다.
이상의 실험에서 캔틸레버 센서의 출력은 충격의 크기에 비례하여 전압이 출력되는 것을 확인하였다. 그리고 충격에 대한 임계치가 최대 5 Vpp/80 ms, 최소 1Vpp/50 ms로 관찰되었다.
지그비 통신에 대한 시험은 Fig. 13과 같은 환경을 통해 수행하였으며, 실험을 통해 나타난 방사패턴이 Fig.14와 같이 전 방향으로 방사되는 패턴이 나타나 지그비통신이 센서 출력을 통신하는데 적합한 것으로 분석되었다.
태권도 전자호구 몸통의 충격량의 정확도를 보다 높일 수 있도록 발목에 캔틸레버 센서를 장착하여 시제품을 개발하였고, 개발한 시제품을 테스트한 결과 충격량에 비례하여 결과 값을 얻을 수 있었다. 또한 몸통호구의중량도 기존 대비 약 20% 정도의 가벼워 지는 효과를 얻을 수 있었다.

후속연구

압전필름은 가볍고, 측정치가 정확한 반면 가격이 타센서에 비해 고가이나 그물망 형태로 제작을 한다면 일반 대련용 및 선수 수련용으로 사용하기에 성능과 가격면에서 타 제품 대부 우수한 성능을 보일 것으로 예상하며, 이를 위해 몸통 압전필름의 그물망 형태 설계에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
발과 몸통의 동기화 알고리즘을 통해 정확한 유효타와 손·발의 단순 진동을 구분할 수 있었으며, 초당 최대 5회 이상득점이 가능한 결과를 보였다. 테스트 환경이 완전하지 못해 다양한 강도 및 초당 타격 가능 횟수를 보다 정밀하게 측정할 수 없어서 아쉬움이 있으나, 추가 연구를 통해 공인 기관을 통해 시험인증을 받을 수 있을 것으로 예상한다. 또한 몸통호구는 가벼운 압전필름을 채택하여 기존(약 1.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자호구는 어떤 상황이 발생하여 개발되었는가?	태권도 경기에서 순식간에 이루어지는 선수들의 타격기술들을 심판이 정확하게 판정하는 것은 불가능하며 많은 판정 불복 사태들이 속출하고 있다[1]. 이러한 문제는향후 태권도가 올림픽 정식종목에 지속적으로 포함되기위하여 반드시 넘어야 할 장벽이다.
	태권도 경기에서 사용하는 전자식 몸통 채점기의 구성은 어떻게 되어있는가?	전자식 몸통 채점기는 개인득점표시 및 입력단자가있는 전파송신기와 선수의 척추 및 장기보호가 가능한등판으로 구성되어 있고, 호구의 중앙과 좌우에 손·발 구분이 가능한 센서가 부착되고 내부에는 충격과 강도를측정하는 센서를 통해 채점이 이루어진다[8-9].심판기는 전자호구의 충격과 강도를 실시간으로 전광판에 송신하며 동시에 수십 명이 경기를 하여도 혼선이되지 않도록 부심기와 연결할 수 있는 송수신기, 호스트컨트롤 박스(host control box), 운영 소프트웨어 등으로구성되어 있다.
	태권도 경기에서 심판기는 어떤 구성을 이루고 있는가?	전자식 몸통 채점기는 개인득점표시 및 입력단자가있는 전파송신기와 선수의 척추 및 장기보호가 가능한등판으로 구성되어 있고, 호구의 중앙과 좌우에 손·발 구분이 가능한 센서가 부착되고 내부에는 충격과 강도를측정하는 센서를 통해 채점이 이루어진다[8-9].심판기는 전자호구의 충격과 강도를 실시간으로 전광판에 송신하며 동시에 수십 명이 경기를 하여도 혼선이되지 않도록 부심기와 연결할 수 있는 송수신기, 호스트컨트롤 박스(host control box), 운영 소프트웨어 등으로구성되어 있다. 마지막으로 손·발 보호대의 경우도 센서를 적용해 선수의 부상방지와 함께, 득점 순간을 확인 할수 있도록 기능을 제공한다[8-10].

참고문헌 (11)

Youngsang, Bae. "Relationship between the Impact Value of Electronic Body Protector and the Impact Force of Force Platform in Taekwondo", Korean Journal of Sport Biomechanics, Vol. 23, No. 2, pp. 125-130, 2013.

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Youngsang, Bae., Willy. P. "Kick Force of Male Taekwondo Athletes: Comparison of the Chest Protector with the Force Platform" Science Paper, Vol. 41, pp. 15-24, 2015.
Dongki, Shin. "An Examination on Satisfaction of Collegiate Athletes for Using Electronic Body Protector", Journal of World Society Of Taekwndo Culture, No.4, pp. 1-48, 2012.
Kyonghwa, Yi., Hyesoo Kim. "Actual Wearing Conditionof Taekwondo Uniform & Protector", Journal of Human Ecology, Vol. 28, No.1, pp. 89-107, 2008.
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Jong-hak, Hwang. et al. "2014 Report: Study on Developing Standard of Electronic Body Protector in Taekwondo", Korea Institute of Sport Science, pp. 107-125, Dec. 2014.
World Taekwondo Federation, "Taekwondo Electronic Body Protector WTF 0000:2014", 2014.
S. R. Ahuja, K. D. Hong, K. S. Hong, "The Rapport Multimedia Conferencing System: A Software Overviews", Proc. of 2nd IEEE Conference on Computer Workstations, Vol. 5, No.1, pp. 52-58, March, 1988.
Link labs. A bluetooth & zigbee comparison for IOT applications, https://www.link-labs.com/blog/bluetoothzigbee-comparison, October, 2015

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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