KR101322485B1 - 무선 센서 네트워크 기반의 팔 운동 측정 시스템 - Google Patents

무선 센서 네트워크 기반의 팔 운동 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실내 웨이트 팔 운동 측정 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 팔 운동 측정 시스템은 사용자의 팔에 부착되어 팔의 움직임을 측정하고, 측정된 움직임 데이터를 수집하기 위한 움직임 측정기(Motion measurer), 상기 움직임 측정기와 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)를 통해 통신하며, 상기 움직임 측정기와 타 장치와의 정보 교환이 가능하도록 신호를 중계하는 중계기(Gateway) 및 사용자가 휴대하는 단말기로서, 상기 중계기로부터 상기 움직임 데이터를 무선통신을 통해 수신하고, 상기 움직임 데이터를 처리하여 팔 운동 수행 여부와 에너지 소비량을 측정하는 휴대용 서버 단말기(Mobile server device)를 포함한다. 본 발명에 의하면 실내 웨이트 팔 운동인 덤벨 컬에 특화된 보조 서비스를 제공함으로써, 개인의 신체적 특징에 맞춰 운동 횟수를 측정하여 사용자에게 정확한 덤벨 컬 동작을 유도할 수 있다는 효과가 있다.

Description

무선 센서 네트워크 기반의 팔 운동 측정 시스템 {System for analyzing arm exercise based on wireless sensor network}
본 발명은 실내 웨이트 팔 운동 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선 센서 네트워크 기반의 팔 운동 측정 시스템에 관한 것이다.
근래의 현대인들은 산업, 과학, 의료 기술의 발전을 통해 부족할 것 없는 풍족한 생활환경을 보장받고 있다. 이를 기반으로 우리나라의 남녀 평균 기대 수명은 2000년 75.95세에서 2009년 80.3세로 꾸준히 상승하고 있으며 2050년에는 65세 이상의 인구 비율이 38.2%에 이를 것이라고 예측되고 있다.
하지만 한편으로는 전반적인 활동량 감소와 육류 위주의 서구적인 식습관이 자리 잡음에 따라 당뇨, 고지혈증 등의 성인병을 유발하는 비만 환자의 인구 비율이 1998년 26%에서 2007년 31.7%로 급격하게 증가하고 있다.
이러한 사회적 변화는 의료보건복지 서비스의 수요를 증가시키는 결과를 낳고 있으며, 이로 인한 인적 자원의 부족과 의료비 지출의 증가, 서비스 질의 하락 문제 등이 표면화되고 있다.
정부는 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로서 정보통신 기술과 의료보건복지 서비스를 융합한 새로운 형태의 의료 서비스인 u-Healthcare에 주목하고 있다. u-Healthcare는 특정한 시간과 장소의 제한 없이 사용자의 생체 정보를 지속적으로 측정할 수 있는 기술로서, 주기적인 관리가 필요한 환자의 치료와 거동이 불편한 노인의 원격 모니터링, 위급상황 판단 등 다양하게 활용되고 있다.
최근에는 전 세계적인 웰빙(Well-Being) 팬덤의 확산과 함께 건강한 삶의 대한 사회 전반적인 관심이 높아짐에 따라 기존의 의료적 활용 이외에도 일반인의 건강관리를 목적으로 하는 u-Wellness 분야의 연구 개발이 이루어지고 있다.
특히 인터넷과 TV 기타 매체를 통해 다이어트 및 체형 관리를 위한 다양한 운동 솔루션이 제시되면서, 이에 부합한 운동 보조 형태의 u-Wellness 시스템들이 상용화 되고 있다.
u-Healthcare 환경을 구축하기 위해서는 사용자의 생체정보를 획득하고 외부의 관리 기관으로 이를 송·수신 할 수 있는 통신 환경을 동시에 갖춘 기반 기술이 필요하다. 또한 사용자의 신체에서 운용되는 만큼 작고 가벼운 기기가 사용되어야 한다. MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)로 제작된 소형의 센서 노드로 구성되는 무선 센서 네트워크(WSN, Wireless Sensor Networks)는 정보통신 기술로서 상기의 요구 사항을 모두 만족하고 있다. 또한 무선 센서 네트워크에서 각각의 노드는 바이오 센서와 가속도 센서, 조도 센서, 압력 센서 등 다양한 센서를 장착할 수 있기 때문에 측정하려는 생체 정보의 종류와 특성 및 사용 환경에 따라 광범위하고 융통성 있는 활용이 가능하다.
u-Healthcare는 정보통신 기술과 보건복지 서비스의 융합으로 탄생된 의료 보건복지 패러다임으로서 다양한 연구가 진행되고 있다. u-Healthcare의 정의를 살펴보면 특정한 장소와 시간에 관계없이 특정한 시간과 장소에 관계없이 사용자의 심박수, 혈압, 체온, 움직임과 같은 다양한 생체 정보를 지속적으로 측정하고 이러한 정보를 원격으로 모니터링하여 적극적인 치료와 건강관리를 가능하게 하는 시스템이라고 할 수 있다.
u-Healthcare 시스템의 구현을 위해서는 여러 분야의 기술 융합이 요구된다. 현재 인간의 생체정보 측정 기술로는 무구속적 측정 기술과 전도성 직물이 연구 중이다. 데이터 전달을 위한 통신 기술에는 스마트 폰과 PDA 같은 고성능 모바일 기기들이 발달로 수집된 정보의 즉각적인 가공과 저장 관리가 가능해졌다.
u-Healthcare는 적용 대상과 제공하는 서비스의 세부적인 성격에 따라 각각 질병의 치료와 요양 중심의 u-Medical, 노년층의 집중 관리를 목적으로 하는 u-Silver, 일반인의 건강 유지와 개선을 목적으로 하는 u-Wellness로 분류할 수 있다. 이중에서도 특히 u-Wellness 분야는 삶의 질 향상을 위한 소비자의 니즈가 다양해짐에 따라 시장 규모가 급속히 증가하여 현재 세계 u-Healthcare 시장의 60% 이상을 차지하고 있다.
현재 연구 개발되고 있는 u-Wellness 시스템들의 대부분은 운동 중인 사용자를 보조하는 역할에 집중하고 있다. 대표적으로 NIKE와 Adidas, Polar는 달리기를 대상으로 운동 중 경과된 시간과 거리, 소모 칼로리 등의 관련 정보를 제공하여 다이어트를 위한 체계적인 계획 설정과 운동 페이스를 조절할 수 있는 종합적인 시스템을 상용화 하였다. 하지만 이와 같은 시스템들은 아직까지 달리기와 사이클링 같은 야외 운동에만 집중되어 있어 실내 웨이트 트레이닝에 관한 연구는 전무한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 무선 센서 네트워크를 기반으로 실내 웨이트 트레이닝 중 팔 운동의 횟수와 에너지 소비량을 측정할 수 있는 팔 운동 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 팔 운동 측정 시스템은 사용자의 팔에 부착되어 팔의 움직임을 측정하고, 측정된 움직임 데이터를 수집하기 위한 움직임 측정기(Motion measurer), 상기 움직임 측정기와 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)를 통해 통신하며, 상기 움직임 측정기와 타 장치와의 정보 교환이 가능하도록 신호를 중계하는 중계기(Gateway) 및 사용자가 휴대하는 단말기로서, 상기 중계기로부터 상기 움직임 데이터를 무선통신을 통해 수신하고, 상기 움직임 데이터를 처리하여 팔 운동 수행 여부와 에너지 소비량을 측정하는 휴대용 서버 단말기(Mobile server device)를 포함한다.
상기 움직임 측정기는, 상기 팔의 가속도를 측정하기 위한 가속도 센서 모듈 및 측정된 가속도 데이터를 외부로 송신하기 위한 메인 센서 모듈을 포함할 수 있다.
상기 중계기는, 상기 무선 센서 네트워크를 통해 상기 움직임 측정기에서 송신한 움직임 데이터를 수신하는 중계 센서 모듈 및 상기 중계 센서 모듈에서 수신한 움직임 데이터를 블루투스(Bluetooth) 통신 방식으로 외부로 송신하는 제1 블루투스 모듈을 포함할 수 있다.
상기 중계 센서 모듈은 상기 움직임 측정기에서 누락된 메시지 패킷을 보상하기 위하여 환형 큐를 통한 버퍼링 기법(circular queue buffering)을 이용할 수 있다.
상기 휴대용 서버 단말기는, 상기 제1 블루투스 모듈로부터 송신된 움직임 데이터를 수신하는 제2 블루투스 모듈 및 상기 제2 블루투스 모듈에서 수신한 움직임 데이터를 처리하여 팔 운동 수행 여부와 에너지 소비량을 측정하는 서버 애플리케이션(Server application)을 포함할 수 있다.
상기 서버 애플리케이션은 수신한 움직임 데이터의 패킷 손상 유무를 검사하고, 이상이 없으면 해당 프로토콜에 따라 상기 움직임 데이터의 패킷을 분해하여 필요한 가속도 데이터만을 추출하고, 추출된 가속도 데이터를 이용하여 팔 운동 수행 여부와 에너지 소비량을 측정할 수 있다.
상기 무선 센서 네트워크는 지그비(Zigbee) 통신 방식을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 실내 웨이트 팔 운동인 덤벨 컬에 특화된 보조 서비스를 제공함으로써, 개인의 신체적 특징에 맞춰 운동 횟수를 측정하여 사용자에게 정확한 덤벨 컬 동작을 유도할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 가속도 센서를 이용하여 하박의 회전 각도를 파악하고, 이를 기반으로 신뢰성 있는 에너지 소비량 정보를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 무선 센서 네트워크와 스마트 폰을 이용한 시스템을 구성함으로써, 사용자의 편의성을 극대화시켰다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 기반 팔 운동 측정 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 덤벨 컬 운동의 동작 형태를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 서버 애플리케이션의 인터페이스 화면예이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 운동 측정 시스템의 세부 사양을 보여주는 도표이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 운동 측정 시스템의 실험 결과를 보여주는 도표이다.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 기반 팔 운동 측정 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 팔 운동 측정 시스템은 움직임 측정기(Motion measurer)(100), 중계기(Gateway)(200), 휴대용 서버 단말기(Mobile server device)(300)를 포함한다.
움직임 측정기(100)는 사용자의 팔에 부착되어 팔의 움직임을 측정하고, 측정된 움직임 데이터를 수집하는 역할을 한다.
본 발명의 일 실시예에서 움직임 측정기(100)는 센서 착용에 의한 불편함을 최소화하기 위하여 별도의 유선 연결이 필요 없는 무선 센서 노드를 사용하는 것이 바람직하다.
중계기(200)는 움직임 측정기(100)와 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)를 통해 통신하며, 움직임 측정기(100)와 타 장치와의 정보 교환이 가능하도록 신호를 중계하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 무선 센서 네트워크는 지그비(Zigbee) 통신 방식을 포함할 수 있다.
휴대용 서버 단말기(300)는 사용자가 휴대하는 단말기로서, 중계기(200)로부터 움직임 데이터를 무선통신을 통해 수신하고, 움직임 데이터를 처리하여 팔 운동 수행 여부와 에너지 소비량을 측정한다.
본 발명에서 움직임 측정기(100)는 팔의 가속도를 측정하기 위한 가속도 센서 모듈(110) 및 측정된 가속도 데이터를 외부로 송신하기 위한 메인 센서 모듈(120)을 포함하여 이루어진다.
예를 들어, 덤벨 컬 동작에 의해 발생한 움직임 정보는 가속도 센서 모듈(110)을 통해 가속도 신호로 변환된다. 그리고, 변환된 가속도 신호는 UART 인터페이스를 통해 메인 센서 모듈(120)로 전송된다. 메인 센서 모듈(120)에서는 가속도 신호를 A/D 변환(Analog/Digital Converter)하고, 잡음 제거를 위한 전처리(Preprocessing) 과정을 수행한다. 그리고, 메인 센서 모듈(120)은 전처리 과정이 끝난 데이터를 안정적인 전송을 위해 메시지 패킷으로 캡슐화한 뒤 중계기(200)로 전송한다(Packet transmission).
본 발명에서 중계기(200)는 무선 센서 네트워크(WSN)를 통해 움직임 측정기에서 송신한 움직임 데이터를 수신하는 중계 센서 모듈(220) 및 중계 센서 모듈(220)에서 수신한 움직임 데이터를 블루투스(Bluetooth) 통신 방식으로 외부로 송신하는 제1 블루투스 모듈(210)을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에서 중계 센서 모듈(220)은 움직임 측정기(100)에서 누락된 메시지 패킷을 보상하기 위하여 환형 큐를 통한 버퍼링 기법(circular queue buffering)을 이용할 수 있다.
휴대용 서버 단말기(300)는 제1 블루투스 모듈(210)로부터 송신된 움직임 데이터를 수신하는 제2 블루투스 모듈(310) 및 제2 블루투스 모듈(310)에서 수신한 움직임 데이터를 처리하여 팔 운동 수행 여부와 에너지 소비량을 측정하는 서버 애플리케이션(Server application)(320)을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에서 서버 애플리케이션(320)은 수신한 움직임 데이터의 패킷 손상 유무를 검사하고(Packet parsing), 이상이 없으면 해당 프로토콜에 따라 움직임 데이터의 패킷을 분해하여 필요한 가속도 데이터만을 추출하고(Data extraction and analysis), 추출된 가속도 데이터를 이용하여 팔 운동 수행 여부와 에너지 소비량을 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 움직임 데이터의 처리를 담당하는 서버 애플리케이션(320)은 일반 PC, 랩탑, PDA 등 동작 환경에 관계없이 구현할 수 있으나, 본 발명에서는 시스템 운용의 편의성을 위하여 이동이 간편한 휴대용 서버 단말기를 예시한다.
본 발명의 일 실시예에서 중계기(200)는 IEEE 802.15.4 기반의 지그비(ZigBee) 통신 프로토콜을 사용하는 움직임 측정기(100)와, 휴대용 서버 단말기(300)와의 데이터 전송을 위하여 IEEE 802.15.1 기반의 블루투스(Bluetooth) 통신 모듈을 사용한 실시예이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 덤벨 컬 운동의 동작 형태를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 덤벨 컬 동작에서 전체적인 운동수행 과정 동안 하박을 제외한 다른 신체 부위의 움직임은 반드시 최대한 고정되어 있어야 한다. 만약 어깨를 들어 반동을 이용하거나 상박에 과도한 움직임이 발생하면 어깨의 삼각근이나 여타 다른 근육으로 자극이 분산되어 운동 효과가 줄어들게 된다.
도 2는 이러한 덤벨 컬의 동작 형태를 나타내며, 덤벨 컬 동작을 수행하는 동안 하박의 움직임은 팔꿈치를 축으로 하는 회전 궤적을 그리게 된다. 이것을 다시 2차원 평면에서 표현하면 하박의 길이 ‘r'을 반지름으로 갖는 부채꼴로 나타낼 수 있으며 팔꿈치와 2차원 평면의 원점을 동일한 위치라고 가정했을 때 부채꼴의 중심각의 크기와 하박의 회전 각도가 동일하다는 것을 알 수 있다. 즉 변화하는 하박의 각도를 측정할 수 있으면 이를 통해 덤벨 컬의 동작 상태를 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 서버 애플리케이션의 인터페이스 화면예이다.
도 3 (a)는 스마트 폰에서 서버 애플리케이션(320)을 실행할 때의 초기 화면예이고, 도 3 (b)는 사용자의 정보를 입력하는 화면예이고, 도 3 (c)는 결과치를 보여주는 화면예이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 운동 측정 시스템의 세부 사양을 보여주는 도표이다.
도 4를 참조하면, 움직임 측정기(100)와 중계기(200)에는 한백전자의 ZigBeX-1을 사용하였으며, 휴대용 무선 단말기(300)는 HTC의 스마트 폰인 Desire를 사용하였다. 움직임 측정기(100)와 중계기(200)에 구현된 애플리케이션은 Cygwin 환경에서 nesC 언어를 사용하여 구현하였다. 움직임 측정기(100)의 가속도 센서 모듈(MMA7260qt)에서는 초당 100개의 가속도 신호를 수집하여 30ms 주기마다 중계기로 전송한다. 덤벨 컬 동작 이외에 외부적 요인으로 발생하는 신호의 임펄스 잡음을 제거하기 위하여 미디언 필터(median filter)를 사용하였다. 휴대용 무선 단말기(300)의 서버 애플리케이션(320)은 Android 2.2 환경에서 구동되며 Java를 이용하여 개발하였다.
이제 이러한 팔 운동 측정 시스템을 이용하여 실제 팔 운동을 측정한 실험 결과는 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 운동 측정 시스템의 실험 결과를 보여주는 도표이다.
덤벨 컬 횟수 측정 알고리즘과 이를 바탕으로 구현된 시스템의 성능 평가를 위하여 나이 25±3세의 남자 대학생 및 대학원생 10명을 대상으로 실험을 진행하였다. 올바른 동작 측정을 위해 실험을 시작하기 전에 앞서 대상자들에게 덤벨 컬의 정확한 동작 과정과 주의 사항을 알려주었다. 또한 에너지 소비량의 측정을 위하여 각 대상자들의 하박 길이를 측정하였다. 각 대상자들은 5Kg의 덤벨을 사용하여 10회씩 3 세트의 덤벨 컬 운동을 수행하게 하였다. 이 중에서 첫 번째 세트는 문턱치 결정 과정에 할애했으며 직접 지켜보면서 실험자들에게 정확한 동작을 지시하였다. 그리고 나머지 두 세트를 통해 덤벨 컬 횟수와 에너지 소비량을 측정하였다.
이러한 실험 결과가 도 5에 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 20회의 컬 동작 중 평균적으로 19.3회가 측정되었고 미 측정된 동작은 0.7회로서 96.5%의 높은 인식률을 보였다는 것을 확인할 수 있다.
에너지 소비량의 경우 실험자 6이 20회 모두가 측정된 다른 실험자 2, 8, 10과 비교하여 가장 큰 값이 산출되었다. 이는 실험자 6의 하박의 길이가 다른 실험자들에 비하여 상대적으로 길고, 최대·최소 문턱치가 높아 평균적인 회전 동작의 범위가 넓기 때문이라고 해석할 수 있다. 전체적인 실험 결과를 통해 본 발명에서 구현한 팔 운동 분석 시스템이 사용자의 운동 수행 보조에 도움이 될 것이라고 예상할 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
100 움직임 측정기 200 중계기
300 휴대용 서버 단말기 110 가속도 센서 모듈
120 메인 센서 모듈 210 제1 블루투스 모듈
220 중계 센서 모듈 310 제2 블루투스 모듈
320 서버 애플리케이션

Claims (7)

  1. 사용자의 팔에 부착되어 팔의 움직임을 측정하고, 측정된 움직임 데이터를 수집하며, 무선 센서 노드를 이용하여 상기 움직임 데이터를 송신하는 움직임 측정기(Motion measurer);
    상기 움직임 측정기와 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)를 통해 통신하며, 상기 움직임 측정기와 타 장치와의 정보 교환이 가능하도록 신호를 중계하는 중계기(Gateway); 및
    사용자가 휴대하는 단말기로서, 상기 중계기로부터 상기 움직임 데이터를 무선통신을 통해 수신하고, 상기 움직임 데이터를 처리하여 팔 운동 수행 여부와 에너지 소비량을 측정하는 휴대용 서버 단말기(Mobile server device)를 포함하되,
    상기 움직임 측정기는 상기 팔의 가속도를 측정하기 위한 가속도 센서 모듈 및 측정된 가속도 데이터를 외부로 송신하기 위한 메인 센서 모듈을 포함하여 이루어지고,
    상기 메인 센서 모듈에서는 가속도 신호를 A/D 변환(Analog/Digital Converter)하고, 잡음 제거를 위한 전처리(Preprocessing) 과정을 수행하고, 전처리 과정이 끝난 데이터를 메시지 패킷으로 캡슐화한 뒤 상기 중계기로 전송하고,
    상기 중계기는 상기 무선 센서 네트워크를 통해 상기 움직임 측정기에서 송신한 움직임 데이터를 수신하는 중계 센서 모듈 및 상기 중계 센서 모듈에서 수신한 움직임 데이터를 블루투스(Bluetooth) 통신 방식으로 외부로 송신하는 제1 블루투스 모듈을 포함하여 이루어지고,
    상기 중계 센서 모듈은 상기 움직임 측정기에서 누락된 메시지 패킷을 보상하기 위하여 환형 큐를 통한 버퍼링 기법(circular queue buffering)을 이용하고,
    상기 휴대용 서버 단말기는 상기 제1 블루투스 모듈로부터 송신된 움직임 데이터를 수신하는 제2 블루투스 모듈 및 상기 제2 블루투스 모듈에서 수신한 움직임 데이터를 처리하여 팔 운동 수행 여부와 에너지 소비량을 측정하는 서버 애플리케이션(Server application)을 포함하며,
    상기 서버 애플리케이션은 수신한 움직임 데이터의 패킷 손상 유무를 검사하고, 이상이 없으면 해당 프로토콜에 따라 상기 움직임 데이터의 패킷을 분해하여 필요한 가속도 데이터만을 추출하고, 추출된 가속도 데이터를 이용하여 팔 운동 수행 여부와 에너지 소비량을 측정하고,
    상기 무선 센서 네트워크는 지그비(Zigbee) 통신 방식을 포함하는 것임을 특징으로 하는 팔 운동 측정 시스템.
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