[논문]Implementation of Real-time Sedentary Posture Correction Cushion Using Capacitive Pressure Sensor Based on Conductive Textile

Kim, HoonKi; Park, HyungSoo; Oh, JiWon

doi:10.9708/jksci.2022.27.02.153

초록
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일상생활의 전반에 걸쳐 필요한 생활용품들이 자동화, 스마트화, 지능화됨으로 인해 물리적인 활동이 줄고 앉아 있는 시간이 늘어가는 추세이다. 최근 헬스케어 연구에서는 앉아 있는 시간에 비례해서 비만, 당뇨병, 심장혈관질환, 그리고 조기사망의 가능성이 높아진다고 보고되었다. 본 논문에서는 전도성 섬유 기반 전기용량성 압력 센서를 이용한 실시간 앉은 자세 교정 방석을 개발한다. 자세 교정 방석의 핵심 부품인 전도성 섬유를 이용한 압력 센서를 개발하고, 저전력 기반의 압력 측정 회로를 개발한다. 자세 교정 방석에서 BLE(Bluetooth Low Energy) 근거리 무선통신을 이용하여 실시간으로 측정된 센서값을 스마트 폰으로 전송할 수 있는 기능을 제공하고, 이 센서값을 통해 앉은 자세의 상태를 확인할 수 있도록 모바일 앱을 개발한다. 모바일 앱에서는 앉은 자세를 시각화하여 실시간으로 확인할 수 있고 잘못된 자세로 일정시간 유지할 경우 알람으로 알릴 수 있다. 또한, 앉아 있는 시간 및 자세 정확도를 그래프로 시각화할 수 있도록 한다. 본 논문의 교정 방석을 통해 사용자의 앉아 있는 자세 상태를 인지하여 실제적으로 사용자 자세 교정에 얼마나 효과적인지를 실험해 보고 타제품과 비교하여 차별성과 우수성을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Physical activities are decreasing and sitting time is increasing due to the automation, smartization, and intelligence of necessary household items throughout daily life. Recent healthcare studies have reported that the likelihood of obesity, diabetes, cardiovascular disease, and early death increa...

Physical activities are decreasing and sitting time is increasing due to the automation, smartization, and intelligence of necessary household items throughout daily life. Recent healthcare studies have reported that the likelihood of obesity, diabetes, cardiovascular disease, and early death increases in proportion to sitting time. In this paper, we develop a sitting posture correction cushion in real time using capacitive pressure sensor based on conductive textile. It develops a pressure sensor using conductive textile, a key component of the posture correction cushion, and develops a low power-based pressure measurement circuit. It provides a function to transmit sensor values measured in real time to smartphones using BLE short-range wireless communication on the posture correction cushion, and develops a mobile application to check the condition of the sitting posture through these sensor values. In the mobile app, you can visualize your sitting posture and check it in real time, and if you keep it in the wrong posture for a certain period of time, you can notify it through an alarm. In addition, it is possible to visualize the sitting time and posture accuracy in a graph. Through the correction cushion in this paper, we experiment with how effective it is to correct the user's posture by recognizing the user's sitting posture, and present differentiation and excellence compared to other product.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Statistics on the usual posture of people with spinal diseases.
그림 Fig. 2. The number of patients with lumbar disc and medical care benefit expenses
그림 Fig. 3. Time statistics for sitting down by age
그림 Fig. 4. System Architecture
표 Table 1. Development Environment
그림 Fig. 5. Capacitive Pressure Sensor
그림 Fig. 6. Capacitance Plane
그림 Fig. 7. Pressure Measurement Circuit
그림 Fig. 8. Cushion layout drawing
그림 Fig. 9. Digital IIR Filter Graph
그림 Fig. 10. Procedure for the Center of Gravity
표 Table 2. Normalization of Sensor
그림 Fig. 11. Posture Recognition using K-menas
그림 Fig. 12. Equipment
그림 Fig. 13. GUI of Mobile App
그림 Fig. 14. Posture Recognition Test
그림 Fig. 15. Cushion Status
그림 Fig. 16. Graph of Sedentary Posture
표 Table 3. Technical Comparison of Health Care Cushion
표 Table 4. Patent Comparison

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전도성 섬유 기반 전기용량성 압력 센서를 이용한 실시간 앉은 자세 교정 방석을 개발하고자 한다. II 장에서는 앉아 지내는 시간이 길어짐에 따라 허리 척추 건강에 대한 다양한 기사들을 살펴보고 실시간 앉은 자세 교정 방석의 연구 개발 필요성을 제안한다.
본 논문에서는 전도성 섬유 기반 전기용량성 압력 센서를 이용한 실시간 앉은 자세 교정 방석을 개발하였다. 개발제품을 기반으로 실험을 통해 세밀한 절차 과정을 통해 정확한 자세 인지 및 사용자에게 더 많은 자세 정보를 제공할 수 있었다.
본 연구의 목적은, 방석에 전도성 천을 이용한 압력 센서를 부착하여 센서값을 통해 앉은 자세의 상태를 파악하고 모바일 앱을 통해 백그라운드 서비스와 GUI를 구성하고 스마트폰의 화면을 통해 현재 자세를 이미지 화면(Fig. 14 참조)으로 보여 주고 일정 시간 나쁜 자세를 유지하면 알람을 통해 자세를 교정하도록 한다.

제안 방법

III 장에서는 제안된 방석에 대해 상세히 소개하고 주요 모듈들을 제시한다. 또한, 제안된 방석의 실험 결과를 설명하고 시스템의 특징 및 장점, 그리고 타사 제품과의 비교 분석 결과를 제시한다. 향후 실시간 앉은 자세 교정 방석이 앉아서 일하는 직업군에 적용되어 허리 척추 건강에 좋은 영향을 끼칠 것으로 기대하면서 IV 장에서 결론을 맺는다.
본 논문에서는 인체의 움직임에 의해 지면에 가해지는 압력을 측정하기 위하여 Capacitive Pressure Sensor를 구현했다. Capacitive Pressure Sensor의 원리는 외부압력에 의한 양 플레이트의 거리 변화(d)가 전체 커패시턴스의 용량 변화를 가져오게 되는 물리적인 동작에 기반을 두고 있다.
이에 정자세를 유지하고 허리 및 척추 건강을 위해 실시간 앉은 자세를 교정할 수 있는 기술을 연구 개발하는 것이 절실히 필요한 실정이다. 이에 본 논문에서는 방석에 전도성 천을 이용한 압력센서를 부착하여 센서값을 통해 앉은 자세의 상태를 파악하고 올바르지 않은 자세에 대해 실시간으로 경고를 해 주는 자세 교정 방석을 연구 개발하려고 한다.
C에 따라 변하는 V를 ADC하여 인체의 움직임에 의해 지면에 가해지는 압력(P)을 측정하였다. 제작된 센서의 성능평가를 위해 국제법정계량기구에서 규정한 분동을 이용하여 0kg에서 100kg까지 무게를 10kg씩 증가시켜 무게에 따른 캐패시턴스 값을 측정하였다. Fig.

대상 데이터

본 프로젝트에서는 Fig. 5와 같은 Capacitive Pressure Sensor를 구현하기 위해 양 플레이트에는 전도성 섬유, 그사이에는 비전도성 섬유(부직포)를 사용하였다. C에 따라 변하는 V를 ADC하여 인체의 움직임에 의해 지면에 가해지는 압력(P)을 측정하였다.
저 전력 구동 및 소형화를 위하여 저 전력 기반의 STM32F103RB 코어 및 Capacitive Sensor, Acceleration Sensor와 BLE, Lipo Battery (3.7V/100mAh)를 사용하였다. Fig.

성능/효과

본 논문에서는 전도성 섬유 기반 전기용량성 압력 센서를 이용한 실시간 앉은 자세 교정 방석을 개발하였다. 개발제품을 기반으로 실험을 통해 세밀한 절차 과정을 통해 정확한 자세 인지 및 사용자에게 더 많은 자세 정보를 제공할 수 있었다. 논문에서 개발된 시스템은 기 출시된 제품에 비해 보다 다양한 자세 정보를 제공하고 또한 장시간 데이터를 DB에 저장하여 사용자에게 1개월 동안 얼마나 앉아서 시간을 보냈는지 얼마나 올바른 정자세로 앉았는지를 확인할 수 있도록 그래프로 시각화 기능을 제공하였다.
개발제품을 기반으로 실험을 통해 세밀한 절차 과정을 통해 정확한 자세 인지 및 사용자에게 더 많은 자세 정보를 제공할 수 있었다. 논문에서 개발된 시스템은 기 출시된 제품에 비해 보다 다양한 자세 정보를 제공하고 또한 장시간 데이터를 DB에 저장하여 사용자에게 1개월 동안 얼마나 앉아서 시간을 보냈는지 얼마나 올바른 정자세로 앉았는지를 확인할 수 있도록 그래프로 시각화 기능을 제공하였다.

후속연구

본 논문의 실시간 앉은 자세 교정 방석을 통해 앉아서 일하는 직업인들(운전기사, 컴퓨터 프로그래머, 연구원, 등)에게 보다 건강한 허리를 유지할 수 있는 매개체가 되고 본 논문에서 개발된 센싱 기술을 활용하여 헬스케어와 관련된 다양한 제품들이 연구 개발될 것으로 기대한다.

참고문헌 (16)

HyungSoo Park, HoonKi Kim, Jaekyung Kwak, "Design and Implementation of User Standing Posture Recognition-Based Interaction System Using Multi-Channel Large Area Pressure Sensors,"Journal of The Korea Society of Computer and Information, Vol. 25, No. 3, March 2020, 155-162
Changwon Wang, "Development of the Textile Pressure Sensor based Gait Analysis System," Soonchunhyang University Graduate School, Dept. of Medical IT Engineering, Aug. 2020
Dong Hun Shin, Tae Yeon Hwang, Kyung-min Lee, Development of the Sitting Position Estimation Algorithm and Sitting Position Correction Chair Using Pressure Sensors," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 45, No. 8, pp. 709~714, 2021

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Myung-Ho Cho, "Posture Sensing Apparatus," Kipris, 1020040088515, 2004
Sungun Kim, "Apparatus for Attitude Correction and Method Thereof," Kipris, 1020110008611, 2011
In Shik Park, "sitting pad for measuring sitting posture and exercise and chair adopting the same," Kipris, 1011883880000, 2012
Myung-Ho Cho, "Sensing Device for Sitting Means," Kipris, 1020050117597, 2005
Jun Park, Hyeri Kim, Kyuhyun Lee, "Method for Postural Correction Using Skeleton Tracking," Kipris, 1014984980000, 2015
KICKSTARTER, https://www.kickstarter.com/projects/junhao/darma-sit-smart-for-a-healthy-body-and-mind
Sports World, http://m.sportsworldi.com/view/20160516003908
Kyunghyang newspaper, https://www.khan.co.kr/life/health/article/201606201556452
Chosunilbo, https://health.chosun.com/site/data/html_dir/2017/07/10/2017071001076.html
Electronic newspaper, http://www.press9.kr/news/articleView.html?idxno34055
Segyeilbo, http://m.segye.com/view/20190628509951
Jingyuan ChengOliver AmftPaul Lukowicz, "Active Capacitive Sensing: Exploring a New Wearable Sensing Modality for Activity Recognition," International Conference on Pervasive Computin,pp 319-336, 2010
BoZhou, MathiasSundholm, JingyuanCheng, HeberCruz, PaulLukowicz, "Measuring muscle activities during gym exercises with textile pressure mapping sensors," Pervasive and Mobile Computing, Volume 38, Part 2, Pages 331-345, July 2017

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