[논문]다중압력센서를 이용한 족저압 측정에 관한 연구

최대영; 홍주희; 김경호

다중압력센서를 이용한 족저압 측정에 관한 연구
A study of foot pressure measurement using multi-pressure sensor 원문보기

최대영 (단국대) , 홍주희 (단국대) , 김경호 (단국대)

본 연구에서는 다중압력센서를 이용하여 발바닥에 가해지는 압력을 이용하여 보행패턴 추정에 관한 기초연구를 진행하였다. 실험은 압력센서가 3개일 때와 4개일 때 두 번에 걸쳐서 실험을 진행하였다. 이때 압력센서는 flexible하며 0~5V에서 구동하는 압력센서를 사용하였으며 발 특정부위에서 측정된 압력값들을 MCU를 이용하여 처리하였으며, 처리된 데이터를 컴퓨터에서 확인이 가능하도록 하였다.

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문제 정의

본 연구에서는 Piezo-resistive effect 기반의 다중 압력센서를 신발 밑창에 부착하여 이 센서들을 통해 발 여러 부분에 가해지는 압력을 이용 하여 보행패턴 분석에 관한 기초 연구를 진행하였다. 다중 압력센서를 이용하여 하나의 압력센서를 사용한 연구보다 다양한 발의 압력을 얻을 수 있었다.
기존의 연구들은 보행패턴을 측정하기 위해서 하나의 압력센서를 이용하거나 깔창형태의 압력센서 등을 이용하여 족저압을 측정하는 방식을 사용하였다. 본 연구에서는 다중압력센서를 이용하여 발바닥의 각 부분의 족저압을 측정하는 방식에 관하여 연구하였다.

제안 방법

그림1은 본 연구에서 설계된 다중압력 센서를 이용한 족저압 측정 구성도이다.[1] 신발에 세 개 혹은 네 개의 압력센서를 부착하여 실험을 진행했다. 실험에서 사용된 압력센서는 peizo-resistive effect 기반의 압력센서를 사용하여 발에 가해지는 압력을 측정하였다.
바른 보행은 중립입각기-진출기-유각기-발뒤축접지기 순으로 보행이 진행된다.[3] 신발 안에 압력센서를 부착하여 실험을 진행하였다. 신발을 신고 바른 보행을 진행하였다.
단순히 압력센서만 사용하게 되면 출력값이 미미하여 Op-amp를 사용하여 출력값을 증폭시켰다. 또한 잡음을 제거하기 위하여 능동필터를 사용하였다. 본 연구에서 결과값을 지속적으로 확인 및 분석이 가능하도록 디지털화가 되어야 한다.
[3] 신발 안에 압력센서를 부착하여 실험을 진행하였다. 신발을 신고 바른 보행을 진행하였다.
LPC1768에는 ADC가 내장되어있어 아날로그 신호인 압력값을 디지털 신호로 변화시켜서 사용할 수 있다. 압력값이 제대로 나오는지 확인하기 위해서 PC와 Serial통신을 사용하여 Teraterm으로 확인하도록 설계하였다.

대상 데이터

NXP사의 마이크로컨트롤러로 ARM Cortex M3을 탑재하였다. 이 모듈은 96MHz의 Clock과 32bit의 연산을 기본으로 한다.
첫 번째는 앞꿈치에 압력센서 2개 뒷꿈치에 압력센서를 2개 사용하였다. 두 번째는 앞꿈치에는 마찬가지로 2개 뒷꿈치에는 압력센서 1개만 사용하였다. 두 번의 실험 모두 동일한 보행패턴으로 실험을 진행하였다.
[1] 신발에 세 개 혹은 네 개의 압력센서를 부착하여 실험을 진행했다. 실험에서 사용된 압력센서는 peizo-resistive effect 기반의 압력센서를 사용하여 발에 가해지는 압력을 측정하였다. 단순히 압력센서만 사용하게 되면 출력값이 미미하여 Op-amp를 사용하여 출력값을 증폭시켰다.
본 연구에서 결과값을 지속적으로 확인 및 분석이 가능하도록 디지털화가 되어야 한다. 이 조건에 부합되는 Mbed LPC1768를 MCU로 사용하였다. LPC1768에는 ADC가 내장되어있어 아날로그 신호인 압력값을 디지털 신호로 변화시켜서 사용할 수 있다.
실험은 2가지 조건에서 진행되었다. 첫 번째는 앞꿈치에 압력센서 2개 뒷꿈치에 압력센서를 2개 사용하였다. 두 번째는 앞꿈치에는 마찬가지로 2개 뒷꿈치에는 압력센서 1개만 사용하였다.

이론/모형

Flxiforce 압력센서는 piezo-resistive방식을 사용한다. 이는 압력을 가했을 때 저항값이 바뀌는 방식이다.

성능/효과

본 연구에서는 Piezo-resistive effect 기반의 다중 압력센서를 신발 밑창에 부착하여 이 센서들을 통해 발 여러 부분에 가해지는 압력을 이용 하여 보행패턴 분석에 관한 기초 연구를 진행하였다. 다중 압력센서를 이용하여 하나의 압력센서를 사용한 연구보다 다양한 발의 압력을 얻을 수 있었다. 추후 걸음걸이 형태에 대한 연구와 보행과 뜀걸음의 구별에 대한 연구를 통해 보행분석에 관하여 연구하고자 한다.
두 번의 실험의 결과에서 사용된 압력센서에서 압력을 가했을 때 압력값이 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 두 번의 실험에서 동일하게 진행된 앞꿈치의 좌우 2개의 압력센서는 발이 지면에 닿는 약간의 시간차이가 나오는 것을 확인 할 수 있었다. 뒷꿈치는 좌우의 결과가 매우 유사하게 나오는 것을 확인할 수 있었다.
그림7은 압력센서를 3개 사용하였을 때 나왔던 족저압 측정 데이터를 teraterm으로 확인한 것이며, 그림8은 마찬가지로 가독성을 향상시키기 위해 그래프로 표시하였다. 두 번의 실험의 결과에서 사용된 압력센서에서 압력을 가했을 때 압력값이 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 두 번의 실험에서 동일하게 진행된 앞꿈치의 좌우 2개의 압력센서는 발이 지면에 닿는 약간의 시간차이가 나오는 것을 확인 할 수 있었다.

후속연구

다중 압력센서를 이용하여 하나의 압력센서를 사용한 연구보다 다양한 발의 압력을 얻을 수 있었다. 추후 걸음걸이 형태에 대한 연구와 보행과 뜀걸음의 구별에 대한 연구를 통해 보행분석에 관하여 연구하고자 한다.

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