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2024년 6월 19일 (수) 00:26 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 센서를 통한 운동 횟수 측정 기능이 탑재된 근력운동 보조기구

영문 : Fitness Assistant Device with a Sensor-Based Exercise Repetition Counting Feature

과제 팀명

밤양갱

지도교수

김현식 교수님

개발기간

2024년 3월 ~ 2024년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 박*언(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 이*혁

서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 박*태

서울시립대학교 신소재공학과 20214500** 김*진

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

운동을 할 때마다 횟수를 기록하는 것은 번거로운 작업이며, 특히 무거운 중량을 이용한 근력 운동을 할 때 이를 기억하거나 기록하는 것은 더욱 어려운 과제이다. 이에 자동으로 횟수를 기록해주는 운동 보조 기구가 있다면 사용자는 더욱 근력운동에 집중할 수 있을 것이다. 따라서 본 과제에서는 아두이노의 다양한 센서를 활용하여 운동을 시행하는 과정을 실시간으로 감지하고, 이를 모바일 어플리케이션으로 전달하여 사용자에게 운동 횟수를 알려주고 기록하는 기능을 갖춘 근력운동 보조기구를 만들고자 하였다.

개발 과제의 배경

운동을 하는 사람들에게 각 세트 별 운동 횟수를 기록하고 하루의 운동 횟수를 정리하는 것은 중요한 작업으로 여겨지지만, 운동을 할 때 마다 운동 횟수를 기록하는 것은 번거로운 작업이며 또한 무거운 중량으로 운동을 하다보면 진행한 운동의 횟수를 잊어버리는 경우도 빈번하다. 이는 운동 능력과 집중도를 저하시킬 수 있으며, 체계적인 운동을 진행하는데도 지장이 갈 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 과제의 목표는 아두이노의 다양한 센서를 활용하여 운동을 시행하는 과정을 실시간으로 감지하고, 이를 모바일 어플리케이션으로 전달하여 사용자에게 운동 횟수를 알려주고 기록하는 것이다. 이를 통해 운동 시행횟수를 일일이 기록하는 번거로움을 해소하고, 운동 능력을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 사용자가 운동한 횟수와 시간 간격을 시각적으로 확인할 수 있는 기능을 제공하여 운동 모니터링을 가능하게 한다. 최종적으로 개인의 운동 기록을 정량적으로 분석하고, 개인의 운동 수준을 파악하며, 건강한 라이프 스타일을 유지하는 데 도움을 줄 수 있다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

◇ 헬스케어 산업의 증대

 전세계적 추세가 된 고령화와 다소 오래 지속되었던 팬데믹을 기점으로 시작된 건강에 대한 관심이 첨단 ICT 기술을 만나 디지털 헬스케어 산업 활황을 부르고 있는 것이 현황이다. 또한 길어진 평균수명 때문에 긴 노년기를 건강하고 활기차게 보내려는 수요로 인해 많은 기업들이 헬스케어 산업에 너도나도 뛰어들고 있는 것이 현황이다. 예로써, 삼성전자는 새로운 웨어러블 기기 ‘갤럭시 링’ 실물을 공개하여 반지 안쪽에 생체신호를 감지하는 센서를 탑재해 사용자의 건강지표를 측정하고 운동, 수면 보조를 돕는 웨어러블 기기를 발표하였으며, 카카오는 의료기기인 연속혈당측정기(CGM) 센서와 애플리케이션 ‘파스타’를 한 세트로 출시하여 헬스케어 산업에 뛰어 들고 있는 것이 현황이다.
 위와 같이 많은 사람들이 건강에 대한 관심도를 높이고 있으며, 이에 따라 많은 사람들이 근력운동을 하고 있음과 동시에 그에 대한 보조기기로 '헬스 스트랩'을 사용하고 있다.

◇ 헬스 스트랩

 헬스 스트랩이란 웨이트 운동을 할 때 부족한 악력을 보조해주는 장비로, 풀업 바벨로우, 데드리프트 등과 같이 타겟으로 하는 부위의 힘은 남아있음에도 불구하고 전완근에 힘이 들어가지 않아 운동을 하지 못하는 경우 사용하는 근력운동보조기기 중 하나이다. 이러한 헬스 스트랩은 다양한 형태로 존재한다.

1) 후크 스트랩

후크 스트랩의 경우 스트랩이 고리형식으로 되어있어 간편하게 사용이 가능한 스트랩으로, 다른 스트랩과 다르게 당기는 운동 외에도 벤치 프레스, 오버 헤드 프레스 등과 같이 미는 운동에도 사용할 수 있다는 장점이 있지만, 고중량의 운동을 진행하게 되면 끊어질 수 있다는 단점이 존재한다.

2) 8자 스트랩

8자 스트랩은 많이 대중화 되어 있지 않은 스트랩이지만, 두 개의 고리 중 하나는 손목에 다른 고리 하나는 운동기기에 끼워 사용하기 때문에 스트랩 종류 중 가장 뛰어난 그립감을 가지고 있는 것이 특징이다. 하지만 스트랩이 고정되어 있기 때문에 부상을 초래할 수 있는 위험성이 있다.

3) 줄 스트랩

줄 스트랩의 경우 스트랩을 말아서 쥐게되는 방식의 스트랩으로 가장 보편적인 스트랩이다. 중량을 많이 사용하여 운동하는 경우에 유리하지만, 운동을 할 때 마다 줄을 감아야한다는 불편한 점이 존재한다.

◇ 헬스 케어 어플리케이션

많은 헬스인들이 본인의 운동 일지를 기록하기 위해 수첩에 기록을 하거나 다양한 운동 일지 기록 어플리케이션을 사용하고 있다. 하지만 이러한 운동 기록 어플의 단점은 본인이 운동한 횟수를 기억한 후 바로 기입해야한다는 단점이 존재한다.

특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 손 보호용 스트랩

- 등록번호 : 10-0086158

- 등록 일자 : 2023.07.04.

- 기술 내용 : 손 보호용 스트랩에 관한 것으로, 손을 보호하는 것과 동시에 손바닥 보호 패드가 탈부착 가능하게 연결됨.

- 한계점 : 탈부착 기능이 추가되었긴 하나 기존에 존재하는 스트랩과 기능은 변화가 없음.

◇ 마그네틱 파지 보조수단을 구비한 헬스 스트랩

- 등록번호 : 10-0139643

- 등록일자 : 2023.10.18.

- 기술 내용 : 마그네틱 파지 보조수단을 구비한 헬스 스트랩. 웨이트 운동기구의 봉을 감아 쥐는 것을 보조

- 한계점 : 기존 헬스 스트랩의 기능을 더욱 향상시키기 위한 시도이지만, 스트랩 본래의 기능 이상의 역할을 수행하도록 발전하지는 못하였음.

◇ 아두이노 압력센서가 내장된 헬스용 스트랩 장갑

- 등록번호 : 10-0068816

- 등록일자 : 2021.05.28.

- 기술 내용 : 기존 헬스 스트랩 장갑의 메커니즘에 아두이노 압력센서를 합하여 운동 시 양손의 악력을 실시간 체크 가능

- 한계점 : 부상을 사전에 방지하는 것은 가능하나, 측정한 데이터를 정리하여 모바일로 전송하지 않고 운동 당시의 불균형을 알려주는데 그쳤으며 운동 횟수를 세는 기능은 존재하지 않음.

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

1) 후크 스트랩 (VERSA GRIPPS)

특징/성능
후크 스트랩의 경우 스트랩이 고리형식으로 되어있어 간편하게 사용이 가능한 스트랩으로, 다른 스트랩과 다르게 당기는 운동 외에도 벤치 프레스, 오버 헤드 프레스 등과 같이 미는 운동에도 사용할 수 있다는 장점이 있지만, 고중량의 운동을 진행하게 되면 끊어질 수 있다는 단점이 존재한다.

본 제품과의 비교
가장 단순한 형태의 스트랩으로 시중에서 실제로 판매가 되고 있는 스트랩이다. 본 제품은 운동을 보조 하는 기능을 가질 뿐 다른 추가적인 기능은 없다. 따라서 제작하고자 하는 제품과 비교시 운동 횟수를 직접 세야 한다는 단점이 있다.

2) 아두이노 압력센서가 내장된 헬스용 스트랩 장갑 (특허 10-0068816호)

특징/성능
기존 헬스 스트랩 장갑의 메커니즘에 아두이노 압력센서를 합하여 운동 시 양손의 악력을 실시간 체크하는 기능을 가지고 있다. 따라서 압력센서를 통해 양손의 압력이 다르게 되면 추가적으로 부착된 손등 면의 전등을 통해 확인 할 수 있는 기능이 있다.

본 제품과의 비교
본 제품과 제작하고자하는 제품은 모두 압력센서를 사용하지만, 해당 제품은 단순 압력차이가 존재하면 손등 면의 전등이 점등 된다는 기능만 존재한다. 하지만 설계하고자 하는 제품은 압력 값을 블루투스로 실시간으로 확인 할 수 있으며 추가적으로 이 압력센서 값을 추가 처리하여 운동 횟수를 자동으로 세어준다는 차이 점이 존재한다.

3) 마그네틱 파지 보조수단을 구비한 헬스 스트랩 (특허 10-0139643호)

특징/성능
본 발명은 마그네틱 파지 보조수단을 구비한 헬스 스트랩에 관한 것으로, 상세하게는 웨이트 운동기구의 봉을 감아 쥐는 것을 용이하게 도와줌과 더불어 안정적인 접지력을 제공하는 마그네틱 파지 보조수단을 구비한 헬스 스트랩에 관한 것이다.

본 제품과의 비교
해당 제품은 기존의 존재하는 스트랩에 마그네틱을 달아 봉에 감는 동작을 편하게 해주는 제품이다. 하지만 본 제품은 설계하고자 하는 제품과 달리 운동 횟수를 직접 세주는 기능은 탑재하고 있지 않다.

마케팅 전략 제시

◇ 코로나 팬데믹이 지나간 후, 많은 사람들이 건강에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 헬스케어산업도 증가하고 있는 것이 현황이다. 따라서 많은 사람들에게 접근성이 좋은 근력운동에 대한 관심도 같이 증가하고 있다. 또한, 많은 사람들이 운동을 기록하고 하루의 운동을 정리하는 어플리케이션을 많이 사용하고 있다.

◇ 본 제품은 이러한 근력운동을 하는 운동인을 대상으로 하루의 운동 정리와 운동 횟수를 지속적으로 기록하는 사람에게 필요하다고 생각한다. 실제로 헬스장에서도 심심치 않게 본인의 운동 횟수를 수첩이나 어플리케이션에 직접 수기로 기록하는 사람들을 찾아 볼 수 있다. 본 제품은 스트랩을 사용하여 운동을 하게 되면 자동으로 운동 횟수를 기록하는 기능을 탑재하고 있고, 이에 따라 수기로 작성하던 번거로움을 제거 할 수 있는 장점이 존재한다.

◇ 또한, 최근에는 많은 사람들이 항상 모바일 기기를 소유하고 다닌다. 따라서 제품에 블루투스 기능을 탑재하여 소유자가 원하는 기기에 운동 횟수를 기록할 수 있는 장점 또한 존재한다.

SWOT 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 사용자가 운동 횟수를 일일이 세야하는 불편함을 해소하고 더욱 운동에 집중 할 수 있다.

◇ 블루투스 기능을 통해 운동 수행 횟수를 실시간으로 확인 할 수 있으며, 모든 운동 종료 후 금일 운동에 대한 기록을 한 눈에 확인 할 수 있다.

◇ 기존에 존재하던 어플리케이션과 연동을 통해 운동 횟수 및 운동 동작 시간 간격 등의 데이터를 이용하여 추가적인 분석을 진행할 수 있는 발판을 제공한다.

◇ 사용자들이 쉽게 목표를 설정하고 달성여부를 확인 할 수 있는 시스템을 통해 사용자들의 운동 동기부여를 강화할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 자기관리를 위한 운동에 대한 관심과 헬스케어 산업이 증가하고 있는 시점에서 이러한 스마트 운동 보조기기는 건강한 운동 라이프를 만드는데 기여할 수 있음.

◇ 스마트 워치 등 IOT 제품들이 많이 등장하고 있는 가운데, 해당 제품은 모바일 뿐만 아니라 다양한 IOT 제품들과 연동을 통해 더 넓은 사용성을 확보 할 수 있음.

◇ 해당 제품의 개발로 인해, 비슷한 운동 보조기기의 성능을 개선하기 위한 지속적인 기술 개발이 이루어 질 수 있으며, 이는 헬스케어 산업에서의 새로운 산업을 만들 수 있음.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

박*언 (팀장) - 재료 구매 및 회로 코드 설계, 실험 데이터 분석 (Arduino 총괄)

이*혁 - 산학협력 관련 업체 컨택, 회로 및 코드 설계

박*태 - 선행 기술 조사 및 자재 구매 총괄, 활동비 및 재료비 증빙 서류 작성, 회로 제작

김*진 - 회로 설계 및 제작 총괄

설계

설계사양

제품의 요구사항

개념설계안

본 과제물은 신체 부위 또는 근력 운동 기구에 부착되어 운동 과정 중 발생할 수 있는 여러 변화를 감지하여 전기적 신호로 변화시키는 것을 목표로 한다. 그림 1에 나타낸 것과 같이, 본 과제물을 통해 근력 운동을 통한 움직임이 발생 되면 센서가 이를 감지하며 발생한 전기적 신호의 횟수를 세어 스마트폰, 스마트 워치 등의 기타 전자기기에 전달한다. 이러한 목표를 달성하기 위해 운동에 따른 변화를 잘 감지할 수 있으며, 평상시와 운동 중인 상태를 잘 구분할 수 있는 최적의 센서와 구조를 선택하여야 한다. 개념설계 단계에서 고려 중인 센서와 그 작동 메커니즘은 다음과 같다.

* 압력 센서 활용
운동 횟수 측정을 위한 첫 번째 방안으로, 압력 센서를 이용한 작동 방식을 고려하였다. 기존에 들어올리거나 당기는 종류의 운동을 할 때 사용하는 스트랩 등의 보조 기구는 무거운 무게의 기구를 움직이는 과정에서 스트랩에 압력이 가해지는 부위가 발생한다. 이러한 부위에 압력 센서를 부착하여, 운동 시 발생할 수 있는 충분한 압력이 감지되면 운동 횟수를 감지하는 메커니즘을 고안하였다.

* Strain Gauge 활용
운동을 보조해주는 대부분 종류의 보조 기구는 근육의 움직임을 보조하기 때문에 인장 및 수축이 반복된다. 이러한 점에서 착안하여, 근육의 팽창 및 수축에 따른 보조 기구 자체의 인장 및 수축을 전기적 신호로 변환하는 방식을 고려해보았다. Strain gauge는 인장 및 수축으로 인한 길이의 변화가 금속 저항의 변화로 이어지는 원리를 이용한 센서이다. 따라서 특정 기준 이상의 길이 변화가 있을 때 운동 횟수 측정 신호를 발생시키는 메커니즘을 고안하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 압력 센서 (Force Sensing Resistor)

압력 센서는 물체의 표면에 부착시켜 해당 부위에 압력이 가해졌을 때 변화하는 저항값을 통하여 가해진 load를 detect 혹은 계산하기 위해 사용하는 전기 회로 부품 중 하나이다.

압력 센서는 물리적 힘이 더 크게 가해질수록 저항이 감소하는 소자이다. 압력 센서는 크게 Conductor substrate, Spacer, 그리고 Carbon과 같은 Conductive ink가 print된 층으로 구성된다. 제일 아래의 Conductor substrate는 Conductor가 서로 연결되어있지 않도록 구성되어 있어 전류가 흐를 수 없다. 즉 압력이 가해지지 않은 상태에서는 센서가 open circuit으로 작용하여 무한대의 저항값을 나타낸다. 하지만 센서에 압력이 가해지게 되면, Spacer를 통해 이격되어 있던 Conductive ink layer가 Conductive substrate와 접촉하며 전류가 흐를 수 있도록 한다. 이때 무한대였던 저항은 점점 감소하고, 가해지는 압력이 클수록 두 층이 접촉하는 면적이 넓어져 저항값이 작아진다.

◇ Strain gauge

Strain gauge는 물체의 표면에 부착시켜 어떤 물체에 인장 또는 압축 응력등의 응력이 가해졌을 때 변화하는 저항값을 통하여 해당 물체 표면의 strain 또는 load를 계산하기 위해 사용하는 전기 회로 부품 중 하나이다.

Strain gauge는 중앙부에 conductive foil grid와 양쪽에 매우 얇은 insulating plastic film이 부착된 형태로 구성되어있다. 이에 따라 중앙부에 존재하는 conductor는 응력에 따라 length와 cross sectional area가 변하게 된다.

(ε = ΔL / L, Normal Strain)

R = ρ·L/A
(L : length of the conductor, A=cross sectional area of the conductor)

위 식에 의하여, 응력에 따라 변하는 length와 cross sectional area에 따라 저항이 바뀌게 되고 이것을 회로를 통해 이용한다.

◇ 휘트스톤 브릿지 (Wheatstone Bridge)

휘트스톤 브릿지는 4개의 저항이 정사각형을 이루는 회로형태이며, 일반적으로 미지의 저항값을 구하기 위해서 사용하는 회로이다.

미지의 저항을 구하는 방법은 아래와 같이 구할 수 있다.

Node A, Node B 사이에 걸리는 전압, Node A, Node D 사이에 걸리는 전압은 전압 분배에 의해 다음과 같이 나타 낼 수 있다.

따라서 출력 전압 E 를 계산하면,

이다. 이때, 브릿지 가운데의 전류가 흐르지 않는 평형상태라면,

를 만족하고, 위 식에 따라 3개의 저항 값을 알고 평형상태라면 미지의 저항 값을 구할 수 있다.

위에서 구한 관계들을 이용하여, 4개의 저항 중 하나 대신 strain gauge 혹은 압력 센서 등을 연결하여 가변저항의 역할을 하도록 하면 strain gauge와 나머지 3개의 저항 사이 존재하는 node에서 전압 차이가 발생하게 되고 이를 초기 전압 V_i 라고 설정할 수 있다. 이후 strain gauge에 응력이 발생하여 저항 값이 변하게 되었을 때 나타나는 전압을 V_f 라고 설정하면, strain gauge에 응력이 걸릴 때, 걸리지 않았을 때의 전압차이는 다음과 같다.

이 전압 차이를 증폭기를 통해 증폭시킨 후, 어느 일정한 임계값을 넘었을 때 운동 시행횟수를 확인 할 수 있는 원리를 갖는다.

상세설계 내용

조립도

부품도

1) 저항 : 10Ω, 10MΩ, 330Ω
2) 압력센서 : 아두이노 아날로그 압력센서 FSR402 (감지범위 : 100g ~10kg)
3) 증폭기 : HX711 amplifier
4) 블루투스 송수신기 : Sparkfun ESP32 Board

제어부 및 회로 설계

1) 압력센서를 통해 인장 응력이 감지되면 전기적 신호 발생
2) 발생한 신호가 Amplifier를 지나며 증폭
3) ESP32 블루투스 센서에 내장된 운동 횟수 알고리즘을 통해 횟수 카운팅
4) ESP32 블루투스 센서로 결과 전달
5) 송신된 신호를 모바일 어플리케이션으로 수신받아 결과 확인

소프트웨어 설계

여기서는 운동 횟수를 카운팅하고 이를 전송 및 출력하기 위한 코딩 알고리즘에 대해 다룬다.

◇ 운동 횟수 카운팅 알고리즘
압력에 반응하는 센서를 통해 운동 횟수를 세는 것이 목표인 만큼, 운동 기구를 손으로 잡았을 때 발생한 압력을 운동으로 인식하거나 미세한 떨림으로 인해 한 번의 운동을 중복해서 세는 등의 상황을 방지하기 위한 알고리즘을 필요로 한다. 이에 센서에서 발생하는 전기적 신호에 대한 Threshold를 설정하여 이 기준을 넘겼을 때만을 운동 횟수로 카운팅하고자 한다. 또한 Threshold를 넘긴 신호에 대해서는 ‘True’, 그렇지 못한 신호에 대해서는 ‘False’ 값을 저장하는 변수를 두어‘False’에서‘True’로 바뀌는 순간만을 운동 횟수로 카운팅한다. 이러한 알고리즘을 통해 정확한 운동 동작을 실행하였을 때 중복없이 1회의 운동 횟수만을 증가시킬 수 있을 것으로 예상된다.

◇ Count, Set
보통의 운동 루틴에서, 운동은 일정 횟수를 정해두고 이를 1 Set로 하여 4~5 Set를 반복하는 식으로 진행한다. 이러한 점을 반영하여 운동 횟수를 단순히 누적해서 세는 것이 아닌, 어느 정도 시간 간격을 두고 운동 신호가 발생하였을 때는 다음 set 운동을 하는 것으로 처리하도록 코드를 작성하고자 한다. 운동에 의한 신호가 발생하였을 때 그때의 시각을 저장해두었다가, 이 시각이 현재 시각과 정해진 시간만큼 차이가 나면 다음 Set가 시작되었음을 알리는 문구를 출력하며 Set count를 1 증가시키도록 한다. Set 사이의 간격은 사람마다 40초, 1분, 1분 30초 등 원하는 시간이 다르기때문에 별도의 입력을 통해 수정할 수 있도록 한다. 마지막으로 3분 이상의 긴 시간동안 운동 신호가 발생하지 않았을 때는 해당 운동을 종료한 것으로 판단하여, 이 시점까지 한 운동의 Set와 Set 마다의 Count를 정리하여 출력하도록 한다. 이를 통해 본 제품의 사용자는 운동을 진행한 과정을 한 눈에 파악할 수 있다.

◇ Threshold의 재설정
운동에 사용하는 덤벨, 바벨 등의 무게는 운동하는 사람에 따라 크게 달라질 수 있으며, 운동마다의 자세 또한 모두 동일한 것이 아니다. 즉 사람과 운동 종목에 따라 센서를 자극하는 정도가 달라질 수 있으며, 앞선 Threshold 값을 고정해둔다면 누군가는 운동 기구를 잡기만 해도 운동 횟수가 카운팅될 것이고 또 다른 누군가는 아무리 운동을 하여도 알고리즘이 운동하지 않은 것으로 판단할 수 있다. 따라서 상황에 따라 이 Threshold를 조정할 수 있는 코드를 필요로 한다. 이는 센서에 의해 발생하는 신호의 range를 아두이노 IDE 프로그램의 시리얼 모니터로 확인한 후, 이 range 내의 값을 입력받아 새로운 Threshold로 설정할 수 있도록 함으로써 해결할 수 있다. 또한 Threshold가 변경되면 새로운 운동을 시작한 것으로 간주하여 이전의 운동을 종료하는 코드를 수행하도록 한다.

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 ====포스터====
-내용
+[[파일:240613 밤양갱 최종 포스터-1.png]]
 ===관련사업비 내역서===