보고서 정보
주관연구기관 |
듀오백 |
연구책임자 |
배준상
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참여연구자 |
차길환
,
윤명환
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2019-12 |
과제시작연도 |
2019 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
과제관리전문기관 |
한국산업기술평가관리원 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology |
등록번호 |
TRKO202200006682 |
과제고유번호 |
1415162522 |
사업명 |
창의산업전문기술개발(R&D) |
DB 구축일자 |
2022-08-27
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키워드 |
인간공학.앉은 자세.필름형 압력분포 센서.기계학습.스마트 홈.스마트 오피스.사물인터넷.스마트 헬스케어.
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초록
▼
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
• 필름형 압력분포 센서 및 회로 설계
소음과 착좌감을 고려한 저항식 필름형 압력분포 센서 및 WiFi/Bluetooth 기반 데이터 수집 및 전송 회로 개발(2550mAh Li -ion 배터리 기준 연속사용시간 12시간 이상)
• 기계학습 기반 앉은 자세 분류 알고리즘
Convolution Neural Network (CNN) 기계학습(딥러닝) 기반 착좌자세 분류 알고리즘 개발 (기학습자 자세분류 오차율 5% 이내, 자세구분 개수 11개, 신규사용자 자세구분 오차 개
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
• 필름형 압력분포 센서 및 회로 설계
소음과 착좌감을 고려한 저항식 필름형 압력분포 센서 및 WiFi/Bluetooth 기반 데이터 수집 및 전송 회로 개발(2550mAh Li -ion 배터리 기준 연속사용시간 12시간 이상)
• 기계학습 기반 앉은 자세 분류 알고리즘
Convolution Neural Network (CNN) 기계학습(딥러닝) 기반 착좌자세 분류 알고리즘 개발 (기학습자 자세분류 오차율 5% 이내, 자세구분 개수 11개, 신규사용자 자세구분 오차 개선율 50% 이상)
• 센서 시스템이 내재된 인간공학 의자/방석 설계
인간공학의자 특성을 유지, 센서 및 전자회로를 내재한 좌판부 설계 및 제작 (KS G 4215, BIFMAX5.1 회전의자 신뢰성 평가기준 충족)
• 건강한 습관을 유도할 수 있는 UX/UI 및 모바일 앱 개발
모바일 앱을 통해 앉은 습관 정보를 제공하고, 행동변화를 유도할 수 있는 UX/UI 디자인 및 알람, 건강정보 등 피드백 시스템 개발(바른자세 유도 콘텐츠 10개 이상 등)
• 스마트의자와 자세 변화 상관관계 연구 및 피드백 콘텐츠 개발
주의/집중도, 과업 난이도(정신적 부하도) 및 인지적 능력과 자세변화의 상관관계 연구 및 피드백 방안 도출
□ 개발내용 및 결과
■ 필름형 압력분포 센서 및 회로 개발
• 저항식 필름형 압력분포 센서
╺ FSR (force sensing resistor) 기반 센서 array
╺ 100~150um PET Film 기판 사용으로 유연성 확보
╺ 필름센서 가공 및 무정전 PVC 패키징 기술 개발
╺ 기계학습기반 센서 최적화 설계 : Accuracy, Precision, Recall, F -1 Score 등의 지표를 바탕으로 최적 성능의 센서 배치 선정(아동용 8x8 정방형 → 성인용 4x4 비정형 배치)
• 데이터 수집 및 전송 회로
╺ 저전력 Bluetooth (CC2541) 및 WiFi (ESP8266)회로 개발
╺ 동작 시나리오 및 펌웨어 최적화를 통한 저전력 시스템 구현(블루투스 회로 연속 사용시간 100시간 이상 확보, 2550mAh Li -ion 배터리 기준, 전파인증 완료)
■ 기계학습 기반 앉은 자세 분류 알고리즘
• 데이터 수집 및 전처리
╺ 자세 종류별 기준 정립 (인간공학적 관점) 및 체형별/성별 피실험자 35명(학습자 29명, 신규 사용자 6명) 대상 12개 자세 데이터 수집
╺ Class Weight, SMOTE(Synthetic Minority Over -sampling Technique) 등의 기술을 이용한 데이터 전처리
• 기계학습(딥러닝)기반 독자 알고리즘 개발 및 고도화
╺ 인공신경망(CNN) Ensemble 구성: 다수의 인공신경망 소형 분류기를 앙상블 기법으로 통합, 메타 분류기 생성 및 자세 예측
╺ 자세 예측 정확도 향상을 위한 독자 후처리(post processing) 기술 개발 (Support Vector Machine 등을 이용한 후처리 과정을 통해 분석 정확도 제고)
■ 센서 시스템이 내재된 인간공학 의자/포터블 방석 설계
• 좌판 내 필름형 센서 위치 지정
- 의자의 착석감, 작동 버튼, 배터리 삽입부의 위치선정, 봉제와의 결착 등을 고려하여 센서, 버튼부, 배터리, 회로 등의 위치선정
- 성인용 및 세미나 모델의 경우 센서 개수 축소와 무게 측정 및 자세변화 감지를 위하여 사무용 의자 표준을 참고, 앉은 자리 기준점(W점)을 재산출 → 좌판깊이조절을 고려하여 등판쪽 좌판 끝에서 130 ~ 180mm을 기준점으로 설정
• 버튼부 디자인 및 보조배터리 결착
- 좌판 스펀지내 회로의 위치, 의자의 조작성, 팔걸이의 위치등을 고려하여, 아동용과 세미나 모델의 경우 의자 왼쪽 측면에, 성인용 모델의 경우 오른쪽 측면에 버튼부 위치선정
- 아동용, 성인용, 세미나용 모델의 경우, IOT 센서체어 제품군의 통일성을 위하여 동일한 디자인의 버튼부 모듈 사용
- 타사 제품분석 및 기존 제품의 사용성 평가를 통해 충전주기 단축 및 운용시간 연장을 위한 방안으로 네오티늄 자석을 이용하여 보조 배터리를 좌판 하단부에 결착하는 구조 개발.
• 포터블 방석 디자인 및 설계과정
- 시장성 확장을 위한 방석타입의 스마트쿠션 모델개발, 시중의 스마트 방석 및 기능성 방석 군과의 차별화를 위해 새로운 디자인으로 진행.
- 스펀지, 센서의 봉제 및 하드웨어 결착부에 대한 설계구조 고안
- 좌면에 따른 센서 및 PCB 및 배터리부 위치를 고려한 좌점 검토
- 사출부 형합구조 및 원단체 결부를 통해 양산화 효율성 고려
■ 건강한 습관을 유도할 수 있는 UX/UI
• 앉은 습관 점수화 : 앉은 습관의 3대 주요 지표 (앉은 시간, 앉은 자세, 움직임)을 바탕으로 앉은 습관 점수화
• 일간/주간/월간 통계 분석 : 각 지표별 시계열 추이 시각화, 상세 통계정보 제공
• 푸시알림 및 일간브리핑 : 앉은 시간, 자세 등 각 지표의 정도에 따라 푸시 알림 및 건강정보 제공, 매일 아침 전날 앉은 습관을 요약하여 날씨, 건강 Tip 등과 함께 제공하여 바른 습관 형성을 위한 동기부여
■ 스마트의자와 자세 변화 상관관계 연구 및 피드백 콘텐츠 개발
• 주의/집중도와 자세 간 관계 연구 수행
╺ 주의/집중도가 저하됨에 따라 머리의 위치가 앞쪽으로 쏠리며 지루함이 유발되어 무게 중심 이동이 빈번해짐
• 과업 난이도 (정신적 부하도)와 자세 간 관계 연구 수행
╺ 과업 난이도가 높은 경우 무게 중심이 뒤쪽으로 쏠리며 slouching 자세를 유발함
• 인지적 능력과 자세 간 관계 연구 수행
╺ 인지적 능력이 높은 그룹은 비교적 낮은 난이도 과업에서 무게 중심이 뒤쪽으로 쏠림
╺ 인지적 능력이 높은 그룹은 과업 난이도가 높을 때 시간이 지남에 따라 횡, 종 방향으로의 흔들거림이 증가함
• 바른 자세 유도를 위한 피드백 콘텐츠 개발
╺ 바른 자세 동기부여 촉진을 위해 피드백 제공 시나리오를 개발하고, 피드백 제공 대상, 주제 및 어조에 따라 코멘트 피드백을 확장함
╺ 피드백 제공 효과성 향상을 위해 피드백 제공 방식과 피드백 시스템을 구성하는 사용맥락을 구체화함
□ 기술개발 배경
■ 바른자세의 중요성
• 대한민국 성인(19~49세) 51%가 하루 8시간 이상, 19%는 12시간이상 앉아서 생활하며 이는 척추질환, 근골격계 질환, 심혈관계 질환 등 다양한 질병과 연관
• 척추질환자의 관절 건강지수 조사 (2009년 내원 환자 218명 대상, 자생한방병원)결과, 대다수가 척추 및 관절에 악영향을 끼치는 생활습관 보유 ( 앉을 때 옆으로 눕거나 한쪽으로 기대어 앉는다 (71.6%), 다리꼬기(25%) 등)
• 앉은자세는 직장인의 건강 및 업무 효율과 밀접한 관련이 있으며, 청소년은 공부효율을 높이는데 매우 중요하며, 성장기 어린이는 바르게 앉는 습관을 통해 척추의 바른 성장과 집중력 향상 효과도 기대할 수 있음
• 그러나 공부 및 업무 중 본인의 자세를 스스로 인지하기는 매우 어려워 앉은 자세 및 시간 등의 정량적 측정 및 분석을 통해 사용자에게 잘못된 자세를 알려주고, 바른 자세 습관 형성을 위한 가이드 제공이 필요함
※ 스마트 의자 : 인간공학 사무용/학습용 의자에 IoT 및 기계학습기술을 융합하여, 사용자의 앉은 습관을 모니터링하고 개인화된 피드백을 제공하여 바른 습관 형성을 유도하는 제품과 서비스
■ 기존 자세 분석 IT 기기의 한계
• 다양한 형태의 웨어러블 자세 모니터링 기기들이 출시되었으나, 측정데이터 정확도와 분석 신뢰도의 한계가 있으며, ‘착용’해야한다는 불편함
• 방석과 의자의 형태로도 다양한 제품들이 출시되었으나, 수집되는 측정데이터의 정밀도와 분석 신뢰도, 제품 내구성 등의 한계가 있음
• 출시된 대부분의 제품 및 서비스가 성장 한계 겪음
→ 앉은 자세 모니터링 기기가 사용자의 행동변화를 유도하고, 지속 사용성 확보를 위해서는 데이터의 분석 신뢰도가 우수해야하며, 착용의 불편함이 없어야 하고, 인간공학의자 본연의 기능에도 충실해야 함.
□ 핵심개발 기술의 의의
■ 필름형 압력분포 센서 및 기계학습 기반 자세 분석 기술
• 신규성 및 진보성 :
╺ 압력분포 센서를 이용한 자세분석관련 대부분의 선행기술들은 rule based의 자세 분석 알고리즘을 이용 (기준치와 실측값의 비교를 통해 자세를 분류하거나 이상 자세를 판별하는 방식)
╺ 본 과제를 통해 개발된 기계학습(딥러닝) 기반 자세 분석 기술은 우수한 자세분석의 정밀도와 정확도 확보를 통해 기술의 신뢰도를 확보하였음
╺ 기술의 신규성과 진보성을 인정받아 기계학습(딥러닝) 알고리즘을 이용한 자세분석 관련 특허 4건 등록
• 국산화율 및 기술수출 가능성 :
╺ 필름형 압력분포 측정 시스템 및 자세분석 기술은 100% 국산화 하였으며, 관련기술을 포함한 IoT (Internet of things)플랫폼 또한 100% 국산화 하였음
╺ 본 기술과 서비스 플랫폼은 전세계에서 서비스 가능하며 본 과제 기간 동안 미국, 브라질, 독일, 중국에서 서비스 실증 완료
• 개발 난이도 :
╺ 기존 국내 필름형 압력분포 측정 시스템은 대부분 연구개발용으로 사용되었으나, Consumer Product로 개발하는 부분은 많은 고도의 양산기술이 요구됨
╺ 센서 시스템, 기계학습 알고리즘, 모바일 앱 하드웨어와 소프트웨어 전체를 포괄하는 개발물로서 높은 개발 난이도가 매우 높음
■ 센서 시스템이 내재된 인간공학 의자/방석 설계
• 신규성 및 진보성 :
- task chair의 인간공학적 설계기술과 iot기술의 융합으로 소비자에게 능동적인 피드백을 주는 착석모니터링 시스템의 구축
• 국산화율 및 기술수출 가능성 :
- 국내 의자 제조기반으로 100% 국내 생산으로 제품생산
- 의자의 좌판 방석부의 교체만으로 스마트 체어로의 전환이 가능토록 설계하여, 해외의자 제조업체와 CKD 방식의 부품공유를 통한 수출가능
• 개발 난이도 :
- TASK CHAIR의 인간공학적 디자인 및 설계와 제조,유통의 업력이 30년이 된 업체로써, 규모와 수준이 국내 가구업계 상위 업체임
- 기존의 의자개발경험에 국내최초로 스마트 체어의 개념을 더함으로써, 기술융합 측면에서 개발 난이도가 매우 높음.
■ 스마트의자와 자세 변화 상관관계 연구
• 신규성 및 진보성 :
╺ 일반적으로 사용자의 주의 집중 정도를 측정하기 위해 뇌파를 측정하나 이는 실제 과업 환경에서 실용적으로 활용하기 어려우며 사용자의 자연스러운 움직임을 방해할 수 있음.
╺ 본 연구에 적용한 비침습적 인지 부하 과업은 자세 변화 파악에 적용할 수 있는 실험 방법으로 검증됨.
• 기대효과 :
╺ 본 연구 결과, 사용자의 주의/집중도 수준과 앉은 자세 행태와의 상관성이 있음을 밝힘.
╺ 스마트의자에 본 연구 결과를 알고리즘으로 적용하여 사용자의 앉은 행태를 통해 사용자의 주의/집중 상태를 파악하고 이에 대한 효과적인 피드백을 제공함으로써 스마트 의자의 활용도가 확장될 것으로 기대함.
• 연구 난이도 :
╺ 사용자의 주의/집중도와 자세 변화 양상을 동시에 측정하고 평가하기 위해 여러 측정 장비 (모션 캡쳐 시스템, 좌압 센서, 근전도 센서)를 활용하였으며 이를 위해서는 정교한 실험 설계가 요구됨.
□ 적용 분야
■ 스마트 홈 (smart home)
• 온/습도 등 타 스마트 기기와 연동하여 다양한 고객 서비스 제공 가능. 예를 들면, 공부방에 있는 스마트의자에 자녀가 착석할 경우 공부방 조도 및 온습도가 공부하기에 가장 적합하게 자동 조절
■ 스마트 오피스 (smart office)
• 장시간 앉아서 근무하는 직장인의 건강관리 및 업무 효율 향상
• 개인별 맞춤형 건강관리 복지 서비스
• 전사적 자원관리, 스마트 근태관리, 회의관리 등에 활용 가능
■ 스마트 에듀 (smart edu)
• 학교: 학년/학급/과목 및 시간대/요일별 학업 집중도 및 성취도를 분석하여 커리큘럼 및 교수법 최적화
• 자기주도 학습관리(독서실): 공부 시간, 집중도 관리
• 학원 : 과목별/학급별 수업 집중도 관리 자습 관리(공부시간, 집중도), 성적 상관성 분석, 맞춤형 수업 추천 및 학습전략 제안
(출처 : 최종보고서 초록 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 최종보고서 초록 ... 3
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 22
- 목차 ... 28
- 제 1 장 서론 ... 29
- 제 1 절 과제의 개요 ... 29
- 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 30
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 30
- 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 37
- 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 40
- 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 91
- 제 5 절 유형적 발생품 (연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 91
- 제 3 장 결과 ... 92
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 92
- 1. 연구개발 추진 일정 ... 92
- 2. 연구개발 추진 실적 ... 95
- 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 전체를 기재 ... 102
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 107
- 1. 각 기관/기업별 역할 및 추진 내역 ... 107
- 제 3 절 고용 창출 효과 ... 109
- 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 112
- 제 5 절 안전관리 이행 현황 ... 114
- 1. 듀오백 ... 114
- 2. 알고리고 ... 114
- 3. 서울대학교 ... 114
- 제 4 장 사업화 계획 ... 115
- 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 115
- 제 2 절 사업화 계획 ... 120
- 1. 사업화 소요기간 ... 120
- 2. 예상 매출 규모 및 시장 점유율 ... 121
- 3. 마케팅 계획 ... 121
- 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 124
- 끝페이지 ... 128
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