KR100759056B1 - 초음파 센서를 포함하는 장애물 회피 방향 안내 시스템 - Google Patents

초음파 센서를 포함하는 장애물 회피 방향 안내 시스템 Download PDF

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KR100759056B1 KR1020070042881A KR20070042881A KR100759056B1 KR 100759056 B1 KR100759056 B1 KR 100759056B1 KR 1020070042881 A KR1020070042881 A KR 1020070042881A KR 20070042881 A KR20070042881 A KR 20070042881A KR 100759056 B1 KR100759056 B1 KR 100759056B1
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신병석
안호남
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 초음파 센서를 포함하는 장애물 회피 방향 안내 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 장애물 회피 방향 안내 시스템은, (1) 초음파를 이용하여 장애물까지의 거리를 측정할 수 있는 초음파 센서를 적어도 한 개 이상 포함하는 초음파 센서 어레이와, (2) 진행 방향을 추적할 수 있는 방향 추적기(orientation tracker)와, (3) 상기 초음파 센서 어레이 및 상기 방향 추적기로부터 각각 거리 데이터 및 방향 데이터를 수신하고, 수신한 상기 거리 데이터 및 상기 방향 데이터를 이용하여 회피 방향을 결정하는 제어부와, (4) 상기 제어부의 제어에 따라 결정된 상기 회피 방향을 안내하는 회피 방향 안내부를 포함하되, (5) 상기 제어부는, 소정 수의 이전 프레임에 대한 거리 데이터를 저장해 두었다가, 특정 제1 프레임의 거리 데이터가 잡음으로 판단되는 경우 상기 특정 제1 프레임의 전후 거리 데이터(들)의 평균값으로 상기 특정 제1 프레임의 거리 데이터를 대체하며, (6) 상기 제어부는, 상기 방향 추적기로부터의 상기 방향 데이터를 이용하여 특정 제2 프레임에 대한 방향 변화량을 구하고, 구해진 상기 방향 변화량이 소정의 임계값보다 크면 상기 특정 제2 프레임의 거리 데이터를 잡음으로 간주하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명의 장애물 회피 방향 안내 시스템에 따르면, 잡음으로 판단된 프레임의 거리 데이터를 해당 프레임의 전후 프레임(들)의 거리 데이터의 평균값으로 대체함으로써, 초음파 센서에 기인한 잡음 문제를 해결할 수 있고, 또한 방향 추적 기(orientation tracker)를 사용하여 방향 변화량을 구하여 그 값이 소정의 임계값보다 크면 해당 프레임의 거리 데이터를 잡음으로 간주하도록 시스템을 구성함으로써, 보행자의 흔들림을 고려하지 못하는 문제점을 해결할 수 있다.
장애물 회피 방향 안내 시스템, 초음파 센서, 초음파 센서 어레이, 방향 추적기, 잡음, 보행자의 흔들림, 제어부, 회피 방향 안내부, 평균값, 방향 변화량

Description

초음파 센서를 포함하는 장애물 회피 방향 안내 시스템{A SYSTEM FOR GUIDING AN OBSTACLE AVOIDANCE DIRECTION INCLUDING SENSES FOR SUPERSONIC WAVES}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서를 포함하는 장애물 회피 방향 안내 시스템의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 어레이 배열 방법을 나타내는 도면으로서, 도 2a는 수평 방향 단면을 나타내는 도면이고, 도 2b는 수직 방향 단면을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 방향 추적기를 이용하여 보행자의 움직임에 의한 흔들림을 고려하는 방법을 나타내는 도면으로서, 도 3a는 방향 변화량이 작아서 보행자의 움직임에 의한 흔들림을 무시될 수 있는 경우를 나타내는 도면이고, 도 3b는 방향 변화량이 소정의 임계값보다 커서 보행자의 움직임에 의한 흔들림을 고려해야 하는 경우를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 초음파 센서에서 기인하는 잡음 문제를 처리하는 방법을 나타내는 도면으로서, 도 4a는 잡음이 포함된 거리 데이터를 나타내는 도면이고, 도 4b는 본 발명의 방법에 따라 잡음을 제거한 거리 데이터를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 장애물 회피 방향 안내 시스템의 실제 구현 모습을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따라 구현된 시스템의 성능 실험 결과를 나타내는 도면으로서, 도 6a 및 6b는 실험이 수행된 장소를 나타내는 도면이고, 도 6c는 본 발명에 따라 구현된 시스템을 착용한 실험자가 실제 지나간 경로를 나타내는 도면.
<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : (본 발명의 일 실시예에 따른) 장애물 회피 방향 안내 시스템
110 : 초음파 센서 어레이
115 : 거리 데이터
120 : 방향 추적기(orientation tracker)
125 : 방향 데이터
130 : 제어부
140 : 회피 방향 안내부
500 : (본 발명의 일 실시예에 따른) 장애물 회피 방향 안내 구현 시스템
510 : 초음파 센서 어레이
520 : 제어부
530 : 음성 안내 수단
540 : 진동 재킷
545 : 진동부
550 : 전원
본 발명은 초음파 센서를 포함하는 장애물 회피 방향 안내 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 잡음으로 판단된 프레임의 거리 데이터를 해당 프레임의 전후 프레임의 거리 데이터의 평균값으로 대체하고, 또한 방향 추적기(orientation tracker)를 사용하여 방향 변화량을 구하여 그 값이 소정의 임계값보다 크면 해당 프레임의 거리 데이터를 잡음으로 간주하도록 시스템을 구성함으로써, 초음파 센서에서 기인하는 문제점들을 해결한 장애물 회피 방향 안내 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 시각장애인들은 흰지팡이(white cane) 또는 안내견을 이용하여 보행한다. 그러나 흰지팡이는 제한적인 범위의 지형 변화만을 감지할 수 있기 때문에 상대적으로 이동속도가 느려진다는 문제점이 있고, 안내견을 이용하는 것은 안전하게 보행하는 좋은 방법이나 안내견을 훈련하는데 많은 비용이 들고, 또한 동물의 출입이 제한되는 곳이 많다는 문제점이 있다. 이에 따라, 이러한 문제점을 해결하기 위한 다양한 시스템과 방법이 고안되었다.
시각장애인을 위해 개발된 시스템은 전자 보행 기구(Electronic Travel Aids; ETA)와 로봇 보행 기구(Robotic Travel Aids; RTA)로 구분된다. 먼저, RTA는 로봇이 장애물을 감지하고 시각 장애인을 안내하는 방법으로서, 로봇의 성능과 이동성에 의존적이기 때문에 시스템의 무게가 제한되지 않으므로 더욱 좋은 성능의 컴퓨터를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 일반적으로 로봇은 수평적인 이동만 가능하므로 ETA보다 이동성이 제한적이라는 문제점이 있다. 이에 비해, ETA는 전자제어장치를 이용하여 시각장애인의 보행을 돕는 방법으로서, 일반적으로 착용형 단말기로 구현된다. 착용형 단말기로서는, CCD 카메라를 이용하여 정면의 영상을 얻고, 영상처리기법을 이용하여 이동할 경로를 계산하는 방법이 사용될 수 있는데, 이 방법은 계산량이 많이 요구되어 원하는 정보를 얻는데 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있다. 착용형 단말기를 구현하는 다른 방법으로는, 초음파 센서를 사용하여 장애물을 감지하는 방법이 있다. 초음파 센서는 레이저 거리 측정기보다 저렴하고 인체에 무해하지만 반사나 신호 감쇄로 인한 잡음이 심하다는 문제점이 있으며, 특히 기존의 초음파 센서를 이용한 방법들은 보행자의 움직임에 의한 흔들림을 고려하지 않아서 회피 방향이 자주 바뀌게 된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 잡음으로 판단된 프레임의 거리 데이터를 해당 프레임의 전후 프레임의 거리 데이터의 평균값으로 대체함으로써, 초음파 센서에 기인한 잡음 문제를 해결하고, 또한 방향 추적기(orientation tracker)를 사용하여 방향 변화량을 구하여 그 값이 소정의 임계값보다 크면 해당 프레임의 거리 데이터를 잡음으로 간주하도록 시스템을 구성함으로써, 보행자의 흔들림을 고려하지 못하는 문제점을 해결한, 초음파 센서를 포함하는 장애물 회피 방향 안내 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 시각장애인용 장애물 회피 방향 안내 시스템을 개선하기 위해서 처음 제안되었으나, 본 발명이 적용될 수 있는 대상은 초음파 센서를 포함하는 장애물 회피 방향 안내 시스템은 모두 포함하는 것으로서, 시각장애인용 장애물 회피 방향 안내 시스템으로 제한되는 것은 아니다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 초음파 센서를 포함하는 장애물 회피 방향 안내 시스템은,
(1) 초음파를 이용하여 장애물까지의 거리를 측정할 수 있는 초음파 센서를 적어도 한 개 이상 포함하는 초음파 센서 어레이;
(2) 진행 방향을 추적할 수 있는 방향 추적기(orientation tracker);
(3) 상기 초음파 센서 어레이 및 상기 방향 추적기로부터 각각 거리 데이터 및 방향 데이터를 수신하고, 수신한 상기 거리 데이터 및 상기 방향 데이터를 이용하여 회피 방향을 결정하는 제어부; 및
(4) 상기 제어부의 제어에 따라 결정된 상기 회피 방향을 안내하는 회피 방향 안내부를 포함하되,
(5) 상기 제어부는, 소정 수의 이전 프레임에 대한 거리 데이터를 저장해 두었다가, 특정 제1 프레임의 거리 데이터가 잡음으로 판단되는 경우 상기 특정 제1 프레임의 전후 거리 데이터(들)의 평균값으로 상기 특정 제1 프레임의 거리 데이터를 대체하며,
(6) 상기 제어부는, 상기 방향 추적기로부터의 상기 방향 데이터를 이용하여 특정 제2 프레임에 대한 방향 변화량을 구하고, 구해진 상기 방향 변화량이 소정의 임계값보다 크면 상기 특정 제2 프레임의 거리 데이터를 잡음으로 간주하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 특정 제1 프레임의 거리 데이터가 변화하는 기울기의 절대값이 소정의 기준 값 이상일 경우, 상기 특정 제1 프레임의 상기 거리 데이터를 잡음으로 판단할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 회피 방향 안내부는, 음성 또는 진동을 이용하여 회피 방향을 안내할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 실시예에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서를 포함하는 장애물 회피 방향 안내 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 장애물 회피 안내 시스템(100)은, 초음파를 이용하여 장애물까지의 거리를 측정할 수 있는 초음파 센서 어레이(110), 진행 방향을 추적할 수 있는 방향 추적기(orientation tracker; 120), 초음파 센서 어레이(110) 및 방향 추적기(120)로부터 각각 거리 데이터(115) 및 방향 데이터(125)를 수신하고, 수신한 거리 데이터(115) 및 방향 데이터(125)를 이용하여 회피 방향을 결정하는 제어부(130), 및 제어부(130)의 제어에 따라 결정된 회피 방향을 안내하는 회피 방향 안내부(140)를 포함한다.
초음파 센서 어레이(110)는 초음파를 이용하여 장애물까지의 거리를 측정하는 역할을 하며, 초음파 센서를 적어도 하나 이상 포함한다. 초음파 센서는 TOF(time-of-fly) 방식으로 센서와 장애물 사이의 거리를 구하는데, 이동하는 동안 거리 데이터의 값이 작아지면 현재 이동 경로에 장애물이 있다고 판단하는 것이 초음파 센서를 이용하여 장애물을 회피하는 기본적인 아이디어이다. 초음파 센서를 배열하는 방법으로는 여러 가지가 가능하다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 어레이 배열 방법을 나타내는 도면으로서, 도 2a는 수평 방향 단면을 나타내는 도면이고, 도 2b는 수직 방향 단면을 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 각각의 센서의 센싱 범위가 겹치지 않는 반구 형태로 각각의 초음파 센서들을 배열하고 있다. 특히, 도 2b에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 어레이는 3개의 열로 구성될 수 있는데, 상부의 열은 보행자의 머리와 부딪칠 수 있는 장애물을 감지하는 역할을 하고, 가운데 열은 회피 방향을 계산하는 역할을 하며, 하부의 열은 바닥에 놓인 작은 장애물을 감지하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 어레이(110)는 넓은 범위를 감지하지만 빠르게 거리 데이터(115)를 얻을 수 있으며, 거리 데이터(115)는 USB 포트를 이용하여 착용형 컴퓨터, 즉 제어부(130)로 전송될 수 있다.
방향 추적기(120)는 진행 방향을 추적하는 역할을 한다. 앞서 언급한 바와 같이, 초음파 센서를 포함하는 종래의 시각장애인용 회피 방향 안내 방법들은, 보행자의 움직임에 의한 흔들림을 고려하지 않아서 회피 방향이 자주 바뀌게 된다는 문제점이 있었다. 방향 추적기(120)는 이러한 문제를 해결하기 위해 도입된 구성요소이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 방향 추적기를 이용하여 보행자의 움직임에 의한 흔들림을 고려하는 방법을 나타내는 도면으로서, 도 3a는 방향 변화량이 작아서 보행자의 움직임에 의한 흔들림을 무시될 수 있는 경우를 나타내는 도면이고, 도 3b는 방향 변화량이 소정의 임계값보다 커서 보행자의 움직임에 의한 흔들림을 고려해야 하는 경우를 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 방향 추적기(120)를 사용하면 매 프레임 동안 얼마나 방향이 바뀌었는지를 계산할 수 있다. 즉, 이전 프레임의 방향과의 피치 각(pitch angle)을 통해 이전 프레임과 비교하여 방향이 얼마나 변화하였는지를 확인할 수 있다. 이와 같이, 방향 추적기(120)에 의해 구해진 방향 변화량은 제어부(130)를 통해 소정의 임계값과 비교가 되며, 도 3a와 같이 방향 변화량이 작은 경우, 즉 방향 변화량이 임계값보다 작은 경우에는 보행자의 움직임에 의한 흔들림을 무시하고, 도 3b와 같이 방향 변화량이 큰 경우, 즉 방향 변화량이 임계값보다 큰 경우에는 보행자의 움직임에 의한 흔들림을 고려하여, 해당 프레임의 거리 데이터를 잡음으로 간주한다.
제어부(130)는 초음파 센서 어레이(110) 및 방향 추적기(120)와 접속하여, 각각 거리 데이터(115)와 방향 데이터(125)를 수신한 후, 이들 데이터를 이용하여 회피 방향을 결정하는 역할을 한다. 또한, 제어부(130)는 회피 방향 안내부(140)와도 접속하여 회피 방향 안내부(140)가 제어부(130)에서 결정된 회피 방향을 안내하도록 제어하는 역할도 한다. 특히, 제어부(130)는 초음파 센서의 특성에서 기인하는 잡음 문제를 해결하도록 구성될 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따 라 초음파 센서에서 기인하는 잡음 문제를 처리하는 방법을 나타내는 도면으로서, 도 4a는 잡음이 포함된 거리 데이터를 나타내는 도면이고, 도 4b는 본 발명의 방법에 따라 잡음을 제거한 거리 데이터를 나타내는 도면이다. 앞서 언급한 바와 같이, 초음파 센서는 반사나 신호 감쇄로 인한 잡음이 심하다는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 잡음으로 판단되는 프레임의 거리 데이터를 해당 프레임의 전후 거리 데이터(들)의 평균값으로 대체하는 방법을 제안하고 있다. 도 4b는, 도 4a에서 보이는 잡음 데이터를 제안된 방법을 이용하여 제거한 모습을 나타낸다. 여기서, 잡음의 발생 유무는, 잡음이 발생하면 거리 데이터가 급격히 커지거나 작아지는 특성을 이용하여 판단할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 제어부(130)로 하여금, 특정 프레임의 거리 데이터가 변화하는 기울기의 절대값이 소정의 기준 값 이상인지 비교하게 함으로써, 해당 프레임의 거리 데이터가 잡음인지 여부를 결정할 수 있다.
회피 방향 안내부(140)는 제어부(130)에서 결정된 회피 방향을 안내하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예의 회피 방향 안내부(140)는, 회피 방향을 안내하기 위하여 음성 명령과 진동 재킷을 이용할 수 있다. 회피 방향은, 예를 들어, "제자리 왼쪽", "왼쪽", "오른쪽", "제자리 오른쪽"과 같이 4가지로 나누어질 수 있으며, 각각에 해당하는 음성 명령과 진동 패턴 형태로 보행자에게 안내될 수 있다. 진동 재킷은 음성 안내에 비해 회피 방향을 직관적으로 빠르게 인지시킬 수 있다는 장점이 있는데 비하여, 음성 안내는 진동 패턴으로는 전달하기 힘든 "시작", "정지" 등의 추가적인 명령을 안내하는데 유용하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 장애물 회피 방향 안내 시스템의 실제 구현 모습을 나타내는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 구현 시스템(500)은, 초음파 센서 어레이(510), 제어부(520), 음성 안내 수단(530), 진동 재킷(540), 전원(550)을 포함한다. 초음파 센서 어레이(510)에 포함되는 센서의 개수가 많으면 정확도가 향상되지만 가격은 비싸지므로, 본 발명에 따른 구현 시스템(500)에서는 8개의 센서를 사용하고 있다. 또한, 제어부(520)는 ARM9 기반 임베디드 시스템(ARM9 based Embedded System)으로 구현되었으며, 전원(550)으로는 리튬-이온(Li-ion) 배터리를 사용하였다. 진동 재킷(540)에는 진동부(vibrator; 545)가 포함되는데, 본 발명의 구현 시스템의 진동 재킷(540)은 8개의 진동부(545)를 사용하고 있다. 도 5에는 방향 추적기가 도시되어 있지는 않지만, 방향 추적기는 초음파 센서 어레이(510) 또는 제어부(520)와 함께 구현될 수 있다.
본 발명에 따라 구현된 시스템(500)을 실험을 통해 그 성능을 평가하였다. 본 발명에 따라 구현된 시스템(500)을 착용한 실험자가 장애물이 놓인 통로를 얼마나 효과적으로 통과할 수 있는지를 실험하였다. 도 6은 본 발명에 따라 구현된 시스템의 성능 실험 결과를 나타내는 도면으로서, 도 6a 및 6b는 실험이 수행된 장소를 나타내는 도면이고, 도 6c는 본 발명에 따라 구현된 시스템을 착용한 실험자가 실제 지나간 경로를 나타내는 도면이다. 도 6c에서, 회색은 초음파 센서 어레이에 의해 감지된 영역을 뜻하고 빨간 선은 보행자가 지나간 경로를 나타낸다. 도 6으로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 구현된 시스템을 착용한 실험자가 장애물과 충돌하지 않고 통로를 이동할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 특히, 실험자의 이동속도는 약 1km/h로 나타나 실생활에 직접 사용하기에도 무리가 없는 것으로 확인되었다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
본 발명의 장애물 회피 방향 안내 시스템에 따르면, 잡음으로 판단된 프레임의 거리 데이터를 해당 프레임의 전후 프레임(들)의 거리 데이터의 평균값으로 대체함으로써, 초음파 센서에 기인한 잡음 문제를 해결할 수 있고, 또한 방향 추적기(orientation tracker)를 사용하여 방향 변화량을 구하여 그 값이 소정의 임계값보다 크면 해당 프레임의 거리 데이터를 잡음으로 간주하도록 시스템을 구성함으로써, 보행자의 흔들림을 고려하지 못하는 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명은 시각장애인용 장애물 회피 방향 안내 시스템을 개선하기 위해서 처음 제안되었으나, 본 발명은 초음파 센서를 포함하는 장애물 회피 방향 안내 시스템이면 어떤 시스템에도 적용될 수 있으며, 시각장애인용 장애물 회피 방향 안내 시스템으로 제한되는 것은 아니다.

Claims (3)

  1. (1) 초음파를 이용하여 장애물까지의 거리를 측정할 수 있는 초음파 센서를 적어도 한 개 이상 포함하는 초음파 센서 어레이;
    (2) 진행 방향을 추적할 수 있는 방향 추적기(orientation tracker);
    (3) 상기 초음파 센서 어레이 및 상기 방향 추적기로부터 각각 거리 데이터 및 방향 데이터를 수신하고, 수신한 상기 거리 데이터 및 상기 방향 데이터를 이용하여 회피 방향을 결정하는 제어부; 및
    (4) 상기 제어부의 제어에 따라 결정된 상기 회피 방향을 안내하는 회피 방향 안내부를 포함하되,
    (5) 상기 제어부는, 소정 수의 이전 프레임에 대한 거리 데이터를 저장해 두었다가, 특정 제1 프레임의 거리 데이터가 잡음으로 판단되는 경우 상기 특정 제1 프레임의 전후 거리 데이터(들)의 평균값으로 상기 특정 제1 프레임의 거리 데이터를 대체하며,
    (6) 상기 제어부는, 상기 방향 추적기로부터의 상기 방향 데이터를 이용하여 특정 제2 프레임에 대한 방향 변화량을 구하고, 구해진 상기 방향 변화량이 소정의 임계값보다 크면 상기 특정 제2 프레임의 거리 데이터를 잡음으로 간주하는, 초음파 센서를 포함하는 장애물 회피 방향 안내 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 특정 제1 프레임의 거리 데이터가 변화하는 기울기의 절대값이 소정의 기준 값 이상일 경우, 상기 특정 제1 프레임의 상기 거리 데이터를 잡음으로 판단하는 장애물 회피 방향 안내 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회피 방향 안내부는, 음성 또는 진동을 이용하여 회피 방향을 안내하는 장애물 회피 방향 안내 시스템.
KR1020070042881A 2007-05-03 2007-05-03 초음파 센서를 포함하는 장애물 회피 방향 안내 시스템 KR100759056B1 (ko)

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