2조-졸업시켜조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 낙상감지와 복약보조를 위한 실버 케어 홈 IoT시스템
영문 : Silver generation care home IoT system for fall detection and medication assistance
과제 팀명
졸업시켜조
지도교수
김태현 교수님
개발기간
2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 박**(팀장)
서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 김**
서울시립대학교 기계정보공학과 20164300** 안**
서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 이**
서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 한**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
사용자(노인)가 정해진 시간에 약을 먹을 수 있도록 하고 사용자의 낙상을 감지하는 실버 케어 홈 IoT 시스템을 개발한다. 보호자용 어플리케이션을 통해 보호자는 사용자가 언제 어떤 약을 먹을지 정할 수 있고 사용자의 낙상이 감지될 때 알림을 받을 수 있도록 한다. 사용자는 음성을 통해 오늘 어떤 예약이 있고 보호자의 메시지를 받는 등 홈 IoT 시스템과 간단한 상호작용을 할 수 있도록 하며 알약 디스펜서를 제작하여 직접 알약을 배출할 수 있도록 한다.
개발 과제의 배경
고령화 사회에서 독거노인과 디지털 취약 계층이 늘어나고 의료적인 부분에서 이들을 돌봐 주는 사람이나 시설 또한 부족해짐에 따라 이들을 케어 해주는 홈 IoT 시스템이 필요하다. 또한 독거노인 수는 해마다 증가하지만 정부의 복지서비스인 돌봄 기본서비스 대상자 수에는 차이를 보이지 않고 있어서 돌봄이 필요한 독거노인의 절반 이상이 도움을 받지 못하고 있는 상황이다.
[[파일:2020년_환자안전_통계연보.png|가운데] 노인에게 발생하는 의료안전사고의 1위가 낙상으로 49.6%이고, 2위가 투약으로 31.1%이므로 낙상과 투약으로 인한 문제를 해소해야 한다.
또한, 대부분의 노인 낙상은 집에서 일어난다. 따라서 홈 IoT 시스템을 집 내부에 배치하여 노인의 낙상을 감지하고 낙상 발생시 신속한 케어를 해주어 늦은 치료로 인해 발생되는 추가적인 부상을 예방하도록 한다.
전체 노인의 10.26%는 약물을 10 종류 이상 처방 받는 다제복용자이다. 하지만 노인 환자 247명 중 83명(34%)가 제대로 약물을 복용하지 않는다. 기존의 돌봄 로봇의 경우 약을 복용하라는 메시지를 출력하지만 약물 복용 시간 알림 뿐만 아니라 약물을 직접 배분해 줄 필요성이 있다. 또한 돌봄 로봇 중 일부는 어플리케이션을 이용해야 하거나 복잡한 절차를 갖는 등 노인이 사용하기에 어려운 작동방식을 갖고 있다. 노인의 경우 디지털 소외가 심화가 되어 IT 취약계층이다. 따라서 사용하기 편한, 단순한 UI와 음성 안내를 통해 상호작용을 구현하고자 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
개발 목표
사용자(노인)의 낙상을 감지하고 복약을 보조하는 실버 케어 홈 IoT 시스템을 개발한다.
- 낙상 감지를 위한 카메라 촬영 및 알약 배분 가능한 하드웨어를 제작한다
- YOLO를 이용해 낙상 감지 알고리즘을 개발하고 이를 통해 사용자의 낙상 여부를 판단한다.
- 보호자가 설정한 시간에 맞추어 약을 제공하는 알고리즘을 제작한다.
- 복약 시간 예약 등 보호자와의 상호작용을 위해 보호자용 휴대폰 어플리케이션을 제작한다.
- 사용자가 쉽게 사용할 수 있도록 음성 안내를 위한 음성 인식 기능을 개발한다.
개발 내용
1) 카메라촬영 및 약물배분이 가능한 하드웨어 제작
사용자를 추적하여 촬영하기 위해 회전 가능한 카메라를 설치한다. 사용자가 감시 받는 느낌을 최소화하고자 카메라 케이스를 반투명 유리로 제작하거나 눈에 띄지 않는 부분에 설치하고자 한다. 디스플레이를 통해 사용자에게 알림을 제공하거나 웃는 얼굴을 보여주어 친숙함을 주는 등 상호작용이 가능하도록 한다. 하드웨어 후면부에 알약 공급을 위한 알약 디스펜서를 제작하여 설치한다. 디스펜서는 알약 공급을 위한 투입구와 배출구, 알약 저장공간으로 구성되어 있으며 디스펜서의 배출구는 하드웨어의 배출구와 이어져 있다. 알약 저장공간은 아침, 점심, 저녁 전용의 3개로 나뉘어서 각각 모터와 연결되어 있다. 배출구는 경사지게 만들어서 알약이 배출되기 용이하게 하고 사용자가 알약을 잡기 편하게 설계한다.
2) YOLO 알고리즘을 통한 낙상 여부 판단 알고리즘 개발
사용자의 낙상을 감지하기 위해서는 사용자를 실시간으로 추적할 필요가 있다. 회전이 가능한 카메라를 제작하고 추적 알고리즘을 개발하여 사용자를 계속해서 추적한다. 실시간으로 사용자를 추적하여 촬영한 후 YOLO 알고리즘을 이용해 낙상을 감지하는 시스템을 개발한다. 낙상과 일반적인 누운 자세를 구별해 내고 빠르게 판단할 수 있도록 한다.
3) 설정된 시간에 맞추어 약을 제공하는 알고리즘 개발
사용자의 보호자가 어플리케이션을 통해 복약 시간을 설정한다. 설정한 복약 시간에 맞추어 하드웨어에서 자동으로 알약을 배분하고 음성 안내를 통해 사용자가 복약을 하도록 한다. 복약이 끝난 후 음성을 통해 간단한 확인 절차를 하고 복용 여부를 보호자용 어플리케이션에 전달해 확인할 수 있도록 한다.
4) 보호자용 휴대폰 어플리케이션 개발
홈 IoT가 낙상을 감지할 시 보호자의 어플리케이션에 낙상 알림을 보낸다. 어플리케이션을 통해 복약 시간을 설정할 수 있고 병원 예약 정보를 어플리케이션에 기입하면 홈 IoT에 전송되어 디스플레이에 표시해준다.
5) 음성 인식 기능 개발
정해진 시간에 맞추어 홈 IoT에서 약이 배분된 후, 일정 시간이 지나면 음성 안내를 통해 사용자의 복약 여부를 확인한다. 만약 사용자가 “먹었어” 라는 음성을 말하면 기기에서 이 음성을 받아 분석한 후 복약을 완료했다는 알림을 보호자용 어플리케이션에 보낸다. 사용자와 음성으로 상호작용을 하는 이유는 서비스 사용자층이 주로 독거 노인이고 이분들은 디지털 소외계층으로, 기기와 상호작용시에 음성이 가장 조작하기 쉽고 정서적으로도 외로움을 해소시킬 수 있기 때문이다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
전 세계적인 기술현황
- 1. 노인 보조 홈 IoT 서비스
현재 실제 시장에 출시되어 있는 노인 보조 홈 IoT 서비스 제품들은 대부분 돌봄 로봇의 형태를 띄고 있다. 돌봄 로봇은 거치형과 휴머노이드형으로 나뉜다. 돌봄 로봇은 주요 기능으로 약 복용 시간 알림, 음성 인식, 건강정보제공, 활동 모니터링, 시니어 콘텐츠 제공 등 사용자에게 다양한 기능들이 제공한다. 전용 어플리케이션을 통해 보호자가 사용자에게 음성 메시지 전송, 화상 통화 등 상호작용이 가능하다.
노인과 대화를 하는 등, 음성인식 기술을 이용해서 정서적 상호작용을 수행할 수 있다. 말 걸어주기, 생활패턴 분석, 복약 알림, 노인 커뮤니티 형성 등 다양한 기능을 제공한다. 보호자용 어플리케이션을 통해 환자, 사용자의 건강 상태를 파악할 수 있고, 어플리케이션으로 영상통화를 걸면 돌봄 로봇의 카메라가 작동되어 현재 사용자의 상태를 모니터링 가능하게 하는 기능도 있다.
한 곳에 고정해서 사용하는 거치형과 달리, 휴머노이드형 돌봄 로봇이다. 기존의 거치형 돌봄 로봇이 하는 기능은 기본으로 탑재되며, 관절 부분에 서보 모터가 장착되어 있기 때문에 스스로 춤을 출 수 있고, 이를 통해 노인과 레크레이션을 하며 신체 활동을 유도하는 등 활동을 자극하는 다양한 신체 운동 기능을 함께 수행하도록 돕는다. 또한, 사람 추적 기능이 있어 카메라 내 시야에서 사라질 경우 얼굴 인식으로 대상을 추적하며 이동할 수 있어서 더욱더 밀접한 케어가 가능하다.
- 2. 낙상감지
- 착용형 시스템
착용형 시스템은 보통 목걸이, 시계 형태의 웨어러블 기기로 가속도, 자이로, 자력계, 경사계, 기압계 센서 등을 채용한다. 착용형 시스템은 항상 휴대하고 다니기 때문에 사용자(관찰 대상자)의 상태를 가장 시기 적절하게 파악할 수 있다. 하지만 노인들의 경우 기기 착용을 불편해하거나 번거롭게 느끼는 경우가 있으며, 기기의 착용을 잊어버리거나 기기 자체를 분실하는 경우가 종종 발생한다.
- 비착용형 시스템
비착용형 시스템은 환경(ambient) 시스템과 영상(vision) 시스템으로 세분화된다. 환경 시스템은 사용자의 생활공간에 센서를 설치하는 형태로 진동, 소리, 압력, PIR(Passive Infrared Sensor) 동작감지 센서 등을 사용한다. 환경 기반 시스템은 각종 센서를 이용한 비시각적 데이터의 분석을 통해 사용자의 상태를 파악할 수 있다. 영상 시스템은 일반 카메라, 열화상(thermal) 카메라, 3D 깊이(depth) 카메라 등을 사용한다.
- 3. 복약보조 시스템
복약 보조 시스템인 자동화 알약 디스펜서는 시장에 출시된 대부분이 알약을 종류별로 분류해서 하나씩 분배하거나, 순서대로 보관해둔 알약을 분배하는 방식이다.
- 종류별로 분류하는 방식
각각의 투입구를 갖는 다수의 수납함을 이용하여 알약을 종류별로 수납하고 정해진 시간에 맞추어 수납함에서 정해진 개수의 알약이 배출되는 방식이다. 장점은 알약을 무엇을 얼마나 복용했는지 자동으로 기록하기 용이하다. 단점은 수동 분류 시 약이 잘못 수납되는 문제가 발생할 수 있고 다수의 수납함을 보유해야 하기 때문에 부피가 커질 수 있다.
- 순서대로 알약을 분배하는 방식
원의 대칭성과 회전해도 모양이 바뀌지 않는 점을 이용하여 알약을 순서대로 배출하는 방식이다. 순서대로 처방받은 알약을 수납해 놓으면 정해진 시간이 지나면 회전하여 수납해 놓은 알약이 보관함으로 추락한다. 장점은 순서대로 처방받은 알약을 수납하면 되므로 간단하고, 정해진 각도로 일정시간마다 회전하면 되므로 간단하다. 단점은 원형이고 수납공간은 원을 n등분한 넓이이므로 알약이 충분히 들어가기 위해서는 지름이 커져야 하므로 크기가 커져야 한다. 또한 순서대로 분류할 시 약이 잘못 수납되는 문제가 발생할 수 있다.
- 4. 보호자용 어플리케이션
돌봄 로봇이 노인에 대한 다양한 건강 및 생활 정보를 수집한 후 보호자용 어플리케이션에 제공된다. 식사, 수면, 복약 등 다양한 분석 결과를 제공뿐만 아니라 인공지능이 분석한 추천 대화도 제공해준다.
- 5. 음성 인식
최근 자연어 음성인식은 딥러닝 모델의 최적화, 비지도 학습방식 개발, 멀티모달(Multi-Modal) 융합으로 기술적 성능 개선이 급격히 이루어지고 있다. 자연어 음성인식은 글로벌 업체간 기술 확보 경쟁이 가속화되고 있으며, 말로 맨-머신 커뮤니케이션이 가능함에 따라 일상생활에 미치는 파급효과가 커서 기술의 산업적, 경제적, 사회적 중요성은 점점 커지고 있다
- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
