[논문]모션센서를 기반으로 하는 보행주기 측정 방법

현훈범; 송수호; 홍지헌; 이현

모션센서를 기반으로 하는 보행주기 측정 방법
A method of measurement for gait cycle based on motion sensors 원문보기

현훈범 (선문대학교 컴퓨터공학과) , 송수호 (선문대학교 컴퓨터공학과) , 홍지헌 (선문대학교 물리치료학과) , 이현 (선문대학교 컴퓨터공학과)

근래 물리치료에서 외관이 아닌 내부의 움직임을 볼 수 있는 장비를 요구하고 있다. 즉, 관절과 같은 눈에 보이지 않는 움직임을 살펴보고자 한다. 지금까지 나온 장비로는 카메라를 이용한 장비로 움직임에 따른 관절의 움직임을 비롯하여 높은 성능으로 정확한 정보를 제공한다. 하지만 장비의 주체가 카메라이기 때문에 많은 제약사항이 따른다. 일정한 공간이 필요하고, 암막상태이며 단순 보행주기를 실험하는 것에도 많은 준비가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 위와 같은 제약을 모두 없애고 센서를 착용하기만 하면 관절의 움직임을 측정할 수 있는 간편한 측정방법을 제공하고자 한다. 그 중 압력센서를 동반하여 보행주기를 정확히 측정하고 관절의 움직임을 볼 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 본 논문에서 제시하는 방법은 모션센서의 회전각을 이용하여 관절의 움직임을 유추하고 그 값을 그래프로 출력하는 방식이다. 또한 연구 실험 결과, 보행주기를 측정하기 위해 압력센서를 이용하여 보행 1주기의 4포인트를 정확히 측정할 수 있고자 한다.

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문제 정의

또한 암막상태여야하며 제약조건이 까다로워 한 번의 실험에 많은 수고가 따른다. 따라서 본 논문에서는 카메라를 사용하는 것에 대한 제약을 없애기 위해, 모션센서를 사용하여 회전각을 이용한 관절의 측정을 하고자 한다[5][6].

제안 방법

그림 3는 전체 시스템의 흐름도로 우선 아두이노 포트를 일일이 지정할 수 없기 때문에 자동으로 프로그램에서 포트를 찾아주고 현재 센서 값을 받을 수신 포트를 지정해준다. 그 후 원하는 측정시간에 따라 10, 100, 1000ms 단위를 선택하여 원하는 측정 시간을 조정한다. 조정이 끝나고 ‘go’버튼을 이용하여 센서값을 실시간으로 받는데 받아온 데이터는 그래프로 보여 지고 ‘stop’을 누른 후 저장하면 해당 값들이 엑셀로 저장돼 전체 그래프를 뽑아 볼 수 있고 보행 사이클을 한눈에 볼 수 있다.
측정 후 정상적인 보행과 비정상적인 보행을 보기위해 정상일 제대로 된 걸음걸이를 걷고 비정상적인 걸음에는 까치발을 들고 실험하였다. 또한 관절의 움직임을 보기위해 발등과 발목의 움직임을 임의로 바꾸어 그 데이터를 분석하였다. 실험 후 분석은 전문가가 판단하여 실험에 대한 결과를 분석하였다.
본 논문에서 제안하는 보행주기의 측정을 위해 발등과 발목에 센서를 부착하고 보행 주기에 따른 발목관절의 움직임을 측정하였다. 측정 후 정상적인 보행과 비정상적인 보행을 보기위해 정상일 제대로 된 걸음걸이를 걷고 비정상적인 걸음에는 까치발을 들고 실험하였다.
또한 관절의 움직임을 보기위해 발등과 발목의 움직임을 임의로 바꾸어 그 데이터를 분석하였다. 실험 후 분석은 전문가가 판단하여 실험에 대한 결과를 분석하였다.
우선 그림 1과 같이, 센서의 회전각을 이용하여 관절의 움직임을 측정하는 방법으로 관절의 회전각에 대한 움직임을 추측하여 측정한다. 회전각은 기본적으로 roll, yaw,pitch의 3축 값을 각각 비교한다.
우선 본 논문에서 소개하는 회전각을 활용해 관절의 움직임을 측정하는 방법은 두 센서의 차이를 이용한 방법으로, 이전에 연구된 내용을 바탕으로 필요한 부분을 재구성하여 개발하였다[5][6].
위의 관련연구를 토대로 관절의 움직임을 측정하고 이를 가시적으로 그래프를 통해 보여주며 보행상태를 보여주기 위해 보행 사이클을 지정할 수 있는 포인트 스위치를 구성하여 실험한다.
본 논문에서 제안하는 보행주기의 측정을 위해 발등과 발목에 센서를 부착하고 보행 주기에 따른 발목관절의 움직임을 측정하였다. 측정 후 정상적인 보행과 비정상적인 보행을 보기위해 정상일 제대로 된 걸음걸이를 걷고 비정상적인 걸음에는 까치발을 들고 실험하였다. 또한 관절의 움직임을 보기위해 발등과 발목의 움직임을 임의로 바꾸어 그 데이터를 분석하였다.

이론/모형

위와 같은 조건들을 만족하며 수행할 수 있는 장치 및 프로그램을 위해 본 논문에서는 무선 모션센서(IMU)와 무선 송·수신기, 아두이노, 압력센서, XBee등을 사용하였다.

성능/효과

또한 센서를 부착하고 무선으로 이루어지기 때문에 장소 및 실험에 제약이 없고 빠른 결과 값을 얻을 수 있었다. 또한 회전각의 전반적인 지식만 있다면 그래프와 수치를 통해 현재 보행의 모양이나 이루는 각 혹은 잘못되고 비대칭적인 움직임을 잡아내는데 좋은 성능을 보였다. 하지만 수치와 그래프를 통해 유추를 하는 것으로 관절의 움직임에 해당하는 것을 직관적으로 볼 수는 없어 다소 불평함과 아쉬움은 남아있었다.
본 논문에서 제안하는 보행주기의 측정은 실험을 통해 관절의 움직임을 보는데 문제가 없음을 확인하였다. 또한 센서를 부착하고 무선으로 이루어지기 때문에 장소 및 실험에 제약이 없고 빠른 결과 값을 얻을 수 있었다.
분석결과 전문가가 회전각에 대한 기본지식을 갖고 데이터를 볼 때 보행 시 발목과 발등이 이루는 각과 정상보행과 비정상 보행의 차이를 금방 알아낼 수 있었다. 또한 발목의 움직임에 따른 관절의 움직임을 직관적으로 알 수는 없지만 추측하여 그 움직임을 따라가는데 문제가 되지는 않았다.

후속연구

따라서 본 논문에서는 수치와 2차원적 그래프만을 보여주었지만 추후 연구를 통해 3D그래픽과 연동하여 현제 모형을 직관적으로 볼 수 있게 발전시킨다면 카메라를 사용하는 측정 장비보다 모든 면에서 우수한 기능과 편리성을 보장할 수 있을 것이다.

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