Spine Fairy(팀장:허준영), Cervical Fairy(팀장:김지환)

2023년 전국 ICT 창의융합 캡스톤 디자인 경진대회에 출품된 작품으로, 국제대학교 컴퓨터공학과 소속학생 6명(SF:허준영, 신국환, 김소정 / CF:김지환, 전설, 한차희)이 참여한 작품으로 SP팀 동상, CF팀 은상을 수상.

프로젝트 초기 SF, CF팀은 한 팀 이였으나, ICT 대회 규정 변경(팀 인원 제한)으로 인해 두 팀으로 나누어 참가함.

라즈베리파이/C++, ESP32/C++, Android APP./Java, Backend/php, Database, Bluetooth(BLE), RF(Radio Frequency), 3D Modeling, 3D Printer 등을 이용하여 경추/척추의 압력 배분율을 측정하여 바른 자세로 유지할 수 있도록 알람, RGB LED 등의 변화등을 통해 사용자에 즉각 알릴 수 있도록 하는 시스템이다.

프로젝트 요약

현대 사회의 건강을 위협하는 앉은 자세

대부분의 사무환경 직장인과 학생들은 장시간의 의자에 앉아 업무 또는 학업을 수행하고 있다. 장시간의 의자 생활은 시간이 길어 짐에 따라 자세의 흐트러짐이 일반적이고, 이에 따르는 척추, 경추와 관련된 질환을 경험하고 있다. 이러한 상황에서 본인이 앉은 자세를 정확하게 판단하고, 이를 교정하려는 노력은 상대적으로 적어 허리 디스크, 목 디스크 등의 질환이 함께 동반되는 경우가 매우 높다.

올바른 앉은 자세를 유지하기 위한 노력

따라서, 국내외의 기업체 등에서 올바른 앉은 자세를 유지하기 위한 제품이 출시 되었지만 구매하여 사용하기에는 높은 제품의 가격 사용시에 겪는 불편함으로 인해 사용율(구매율)은 매우 낮아 제품의 단종 주기가 매우 짧은 편이다. 또한, 올바른 자세에 대한 건강상의 문제는 인지하고 있으나 그 정도의 차이는 일상생활을 함에 있어 큰 불편함이 없는 것으로 판단하여 소홀히 하는 경향이 매우 큰 것으로 사료된다.

보다 저렴한 자세 알림 의자

많은 기술이 포함된 자세 알림 의자는 그 효과성 여부과 상관없이 가격 측면에서 이용자가 쉽게 접할 수 없는 가격대를 형성하고 있다면 결국 사장되고 만다. 경쟁사 A사의 경우에서도 효과성 여부와 상관없이 높은 가격대를 형상하고 있으나 아직 시장에 큰 경쟁력을 갖추지 못하고 있는 것으로 판단한다.

따라서 본 아이템은 가격 경쟁력을 높이기 위해 앞서 기술된 모든 내용이 포함하여도 상대적으로 낮은 가격(약 40만원)으로 접근 할 수 있도록하며, 구매 금액의 일부(확정 아님)를 포인트로 페이백하여 실질적인 체감 가격은 더욱 낮고 이와 더불어 자세 교정의 의지를 높일 수 있도록 하는 것이 주요 요지이다.

1. 과제의 개요

사회적 이슈

질병관리청의 2021 국민건강통계 자료에 따르면 대한민국 국민이 앉아서 지내는 평균 시간은 무려 8시간 50분에 달한다. 하루 평균 수면 시간보다는 앉아서 지내는 시간이 많은 것으로 나타났다. 좋지 않은 자세를 오랜 시간 유지하며 책상에 앉아 생활하는 학생들부터 직장인, 노년층까지 척추/경추 통증을 호소하는 사람들이 늘어나고 있다.

경추/척추와 관절질환의 의료이용 분석 결과로 [그림 1]의 좌와 같이 21년 척추질환 환자 수는 1,131만 명으로 전체 인구수 대비 척추질환 환자의 비율이 22%로 나타나 2011년 대비 2.7%p 상승했으며, 전체 인구의 5명 중 1명은 척추질환으로 진료를 받았다.

또한, [그림 1]의 우와 같이 최근 10년간 척추/관절 질환 의료이용 분석 결과 척추/관절질환 진단 연령은 낮아지고 수술 연령은 높아지는 것으로 나타났다. 또한 건강심사평가원의 거북목 증후군 환자별 추이(2017~2021)」에 따르면 거북목 증후군을 호소하는 환자가 2017년 2,050,633명, 2019년 2,241,679명, 2021년 2,387,401명으로 해마다 증가하고 있다. 장시간 디스플레이 화면을 보며 장시간 앉아있거나, 구부정한 자세 등이 이러한 거북목 증후군과 목 디스크, 허리 디스크의 발병원인이 된다.

[그림 1] 좌[1] : 전체 인구수 대비 척추 질환 환자 비 / 우[2] : 척추 질환 진단, 평균 수술 연령

2021년 척추수술은 12만 8천 건이 시행됐고, 평균 수술 연령은 60.5세로 12년보다 5.4세 높아졌다.

또한, 척추건강은 앉아있는 자세와 연관이 깊다. 질병관리청의 2021년도 국민건강통계자료[그림 2]에 따르면 대한민국 국민의 하루 평균 앉아서 지내는 시간은 8시간 50분으로 하루 평균 수면시간인 6시간 40분보다 약 2시간 10분 가량 많은 것으로 나타났다.

[그림 2] 2021년 국민 건강 통계자료 : 수면시간/앉아서 지내는 시간

불량한 자세가 건강에 미치는 영향

학생부터 직장인, 노년층 까지 앉아있는 시간이 많지만 잘못된 자세로 인하여 허리와 목에 무리를 주고 다양한 척추/경추 질환을 얻고 있다. 다리를 꼬고 앉거나 구부정하게 앉거나 한쪽으로 쏠려 앉는 자세 등으로 척추가 한쪽으로 휘거나, 오히려 너무 반듯한 자세를 유지하려고 하며 척추의 만곡이 굴곡 없이 펴지며 일자 척추에 의한 척추 통증을 겪을 수 있다. 또한 목을 앞으로 숙이게 되어 일정 각도 이상 기울어지면 거북목 증후군을 유발하고 이로 인한 경추 통증을 겪을 수 있다. 이러한 불량한 자세들이 척추 측만증과 허리 디스크, 거북목 증후군과 목 디스크의 원인이다.

개인 노력의 한계

척추/경추질환에 의한 수술은 약 1000만 원 이상으로 비용과 위험성이 매우 높다. 현대 사회의 직장인 또는 학생들의 대부분은 장시간 의자에 앉아 업무 또는 학업을 수행하고 있다. 장시간 의자 생활은 시간이 길어짐에 따라 자세의 흐트러짐이 필연적이고 이에 따라 척추/경추와 관련된 질환을 경험하고 있다. 허리 디스크, 거북목 증후군, 목 디스크와 같은 각종 척추/경추질환으로 드는 시술 또는 수술적 치료의 경제적/사회적 비용은 [그림 3]의 환자 수 증가와 비례하여 상승할 수밖에 없다.

올바른 자세에 대한 건강상의 문제는 인지하고 있으나 그 정도의 차이는 일상생활을 함에 있어 큰 불편함이 없는 것으로 판단하여 소홀히 하는 경향이 매우 클 것이고, 이러한 상황에서 본인이 앉은 자세를 객관적으로 판단하여 이를 교정하는 것은 개인의 노력으로 매우 힘든 것이 현실이다.

거북목 증후군과 목 디스크와 같은 각종 경추질환으로 시술 또는 수술적 치료에 드는 경제적/사회적 비용은 [그림 3]의 환자 수 증가와 비례하여 상승할 수밖에 없다. 이러한 사실을 인지하고 있더라도 단시간 내에 자세를 바르게 유지하려는 노력은 예전부터 습관이 되어 있지 않는 한 개인의 노력으로 이를 교정하는 건 매우 힘든 것이 현실이다.

[그림 3] 건강보험심사평가원 2018 ~ 2022년 거북목(일자목) 증후군 연도별 환자 수 추이

해결 방안 고안

이러한 문제를 해결하기 위해 ‘자세의 중요성과 경각심을 일깨워주고 바른 자세를 유지할 수 있도록 생활 습관을 바꿔줄 수 있으면 좋겠다.’ 는 생각을 하여 현대인들을 위해 어디서나 쓸 수 있고, 경제적이며, 건강도 챙길 수 있는 자세교정 의자와 머리띠로 Smart Chair와 Smart Hairband를 고안하게 되었다.

[그림 4] 개발 모티브

2. 과제개발 주요과정

2-1. 기존 기술의 한계점

앉은 자세 측정의 방법

일반적인 올바른 앉은 자세는 의자 바닥(엉덩이 접촉면)에 엉덩이와 허벅지가 모두 접촉되어야 하고, 등받이는 90도 유지시 올바른 앉은 자세라고 할 수 있다. 하지만 올바른 앉은 자세를 장시간 유지하는 것은 매우 불편하며, 시간이 지남에 따라 뒤로 기대는 자세가 되며 이러한 자세에서 머리가 앞으로 숙여지면서 거북목 자세로 변화한다.

따라서, 올바른 앉은 자세는 아날로그적 방법으로 주변의 다른 사람이 자세를 코치하여 올바른 자세를 유지할 수 있도록 하는 헬퍼가 있어야 하지만 현실적이지 않아 센서를 이용하여 자세를 측정하는 방법을 사용한다.

기존(경쟁) 기술의 자세 측정

기존의 센서 측정 방법은 국내 유일의 경쟁사 A사에서 도입하여 의자 바닥에 센서를 삽입하여 체중의 쏠림 강도를 측정하고 이를 바탕으로 자세의 판단을 시도한다. 자세의 판단은 스마트폰에서 확인하며 자세 유지의 상황을 직관적으로 표현하지만, 실시간 피드백하지 않는 문제가 발생한다. 이는 오랫동안 불량한 자세를 유지하더라도 사용자의 의지따라 스마트폰 화면을 보지 않는 이상 확인할 수 없으며, 올바른 자세로 고칠 수 있는 시간이 없어지는 것을 의미한다.

[그림 5] 기존 자세 측정 및 교정 방법

또한 경쟁사 A의 자세 알람 의자는 바닥만 측정하므로 이용자의 정확한 자세를 측정하기에는 다소 부족하다. 올바른 앉은 자세는 앞서 기술한 바와 같이 등받이(허리)의 측정도 동시에 이뤄져야 상대적으로 정확한 측정이 가능하며, 이와 동시에 경추의 상태 모니터링 할 수 없는 단점이 존재한다. 이럼에도 불과하고 약 60만원 대의 고가의 의자로 회사, 학교 등에서 개인이 구매하여 사용하기에는 다소 부담스러운 가격대를 형성하고 있다.

2-2. 아이템의 기술적 방법

보다 정확한 앉은 자세 측정의 방법

기존의 의자 바닥면만 측정하는 방법은 동일하나 측정 면적을 확장하여 바닥면을 8개(좌:상/중/하, 우:상/중/하, 센터:상/하)의 구획으로 구분하게 되며, 등의 가압력 비율을 측정하기 위해 등판에도 동일한 센서를 4개 구획(좌:상/하, 우:상/하)으로 장착하여 앉은 자세를 보다 정밀하게 측정할 수 있도록 구성하였다. 보다 정확한 경추의 이상 유무를 판단하기 위해 머리에 위치할 수 있는 IMU센서를 장착하여 머리의 숙여짐과 허리의 각도를 측정하도록 구성하였다.

[그림 6] 아이템의 기술적 요소

또한 어깨의 굽힘 강도를 함께 측정하여 불량한 자세를 측정할 수 있으며, 어깨의 굽힘과 의자 바닥면, 의자 등판의 측정된 값을 통해 자세에 따른 이벤트 알람 등을 설정하면 연속적인 경고 메시지 출력으로 인한 업무 또는 학업에 지장을 줄 수 있다.

보다 빠른 직관적인 자세 알림 피드백과 유효성

자세에 대한 피드백은 기존 기술의 경우 스마트폰을 통해 로그기록을 확인하는 등의 결과적으로 사용자의 의지 유무에 따라 달라진다. 또한 알람 설정을 통해 불량한 자세가 측정됨과 동시에 메시지가 표출되면 업무 또는 학업에 불편함이 있다. 결과적으로는 이용자의 의지가 중요하지만, 상시 알람 이벤트는 반대로 거부감을 느낄 수 밖에 없다.

이에, 본 아이템은 스마트폰과 더불어 의자와 연동되어 책상 어디에나 둘 수 있는 인테리어 소품에 프로세서, 통신모듈, RGB LED를 내장하여 자세에 따른 피드백을 색상으로 구분하여 직관적으로 받아 이용자는 현재 자세의 상황을 인지하여 스스로 올바른 자세로 앉을 수 있도록 유도할 수 있으며, 이와 동시에 의자 내부에 장착된 진동 모터로도 피드백을 수행한다.

[그림 7] 스마트 체어 + 자세 알리미 + 스마트 밴드

결국 올바른 자세의 유지는 이용자 스스로 개선하고자하는 노력이 필요하며, 본 아이템은 자세에 대한 정보만 제공하므로 의지가 없다면 결국 센서가 달린 불편한 의자로 인지하게 된다.

따라서, 스마트폰을 이용하여 하루 동안의 자세를 확인할 수 있지만 여기에 그치지 않고 사용자의 자세 교정 의지를 높이기 위해 자세에 따라 점수로 환산하여 본 아이템을 사용하는 다른 사용자와의 경쟁 방법 또는 포인트 지급 등의 방법으로 교정 의지를 높일 수 있도록 할 예정이다.

2-3. Smart Chair 시스템 개념 설계

사실 모든 사람의 앉은 자세가 같을 수는 없다. 그래서 우리는 사용자를 정자세로 유도하고 각 사용자마다 다른 기준치를 측정해 이후의 자세에 대한 피드백을 주는 방식을 채택했다.

먼저 사용자는 어플리케이션 첫 실행 시 정자세로 앉아 기준치를 측정한다. 이 기준측정모드는 이후 타 사용자 사용 혹은 재측정을 하고 싶을 때 어플리케이션으로 변경이 가능하다. 라즈베리 파이는 매 5초 마다 데이터베이스에 저장된 상태값을 가져오고 기준측정모드로의 변경이 인식되면 STM보드에게 무선통신모듈을 통해 측정을 시작하라는 명령을 내리고 측정된 값은 라즈베리의 내부 DB에 저장되어 기준치로 설정된다.

측정이 완료되면 일반 모드로 변경되며 기준치와 오차범위에서 벗어난 값이 측정되어 불량한 자세로 판단되었을 때, 어플리케이션 및 의자의 진동모터, 인테리어 제품의 LED를 이용해 사용자에게 경고를 보내어 올바른 자세로 앉을 수 있도록 할 것이다. 위와 같은 기능들을 구현하기 위해 기본적인 개념 설계를 [그림 8]과 같다.

[그림 8] Smart Chair 개념 설계

하드웨어는 앞서 기술한 바와 같이 의자(stm32보드, loadcell센서, 진동모터, RF모듈)와 자세알리미(RGB LED, G/W Processor 모듈, RF모듈)로 구성되어 있으며, 기준치로 저장된 값과 편차가 발생하면 자세 알리미는 LED의 색을 변경해 사용자에게 자세가 틀어졌음을 알리고 다시 무선통신 모듈로 의자의 진동모터를 작동시켜 사용자가 물리적으로 인지할 수 있도록 한다.

STM 보드에서 RF, 블루투스와 같은 정보 교환을 위한 무선통신을 담당하는 코드와, 진동 모터를 작동시키는 코드를 작성했고 라즈베리파이에서는 무선통신 모듈을 이용하기 위한 코드와 DB의 값을 직접 바꾸는 코드, 내부 DB에 저장된 기준치와 현 자세의 데이터를 비교해 자세의 올바름을 판단하고 점수로 바꾸는 코드, LED를 점수에 맞게 실행시키는 코드를 작성했다.

의자의 기준 자세 측정을 위한 측정 모드로 변경하기 위해서 애플리케이션(스마트폰 앱)을 간단하게 구현했다. 우선, 사용자 개인의 자세 정보 입력을 위해 회원가입과 로그인 기능, 하드웨어를 제어하기 위한 기능이 필요했다. 기준 자세 측정 버튼을 누르면 외부 DB의 의자 상태 값을 측정 모드로 바꾸는 코드를 작성했다.

3. 과제의 기술내용

3-1. 하드웨어 설계/구현

로드셀의 출력 측정값은 매우 낮은 전압에서 측정되며 이를 증폭하기 위한 도구가 필요하다. 이때 HX711 칩셋이 낮은 단가에서 측정할 수 있으며, 로드셀의 구성에 따라서, 하프 브리지, 풀 브리지, 쿼드 브리지 형태로 구성할 수 있다. HX711의 외부 MCU 출력은 2개의 아날로그 핀을 요구하므로 측정 포인트와 수집 MCU의 선택이 필수이다.

[그림 9] Smart Chair 하드웨어 구조

의자 하부/의자 등 받침에 가해지는 변형률을 측정하기 위해 [그림10]과 같이 측정 포인트를 의자 등받이에 4포인트, 의자 방석(하판)에 8포인트로 배치하여, 보다 상세한 자세를 측정할 수 있도록 설계하였다.

[그림 10] 의자 하부 변형률 측정 센서 배치 및 STM32 메인 PCB

또한 등 부분의 변형률 측정을 위해 등받이에도 로드셀 센서를 부착했는데, 이는 많은 센서가 필요하지 않아 좌우/좌하/우상/우하 방향에 [그림 11]과 같이 4개씩 배치하여 등받이에 가해지는 무게를 골고루 측정하도록 하였다. 이후 하판과 보드를 결합하고 등받이를 결합하여 의자의 제작하였다.

[그림 11] 의자 등 받침 변형률 측정 센서 배치 및 조립완료

Smart Chair Main board

[그림 12] Smart Chair PCB

Smart Chair Main board는 의자에 설치되는 모듈로 통신을 위한 WiFi / RF 모듈과 기본 Bluetooth Module(BLE V5.0)이 탑재되어 있고, 의자에 설치된 압력 센서를 수집하여 신호 증폭을 위한 OP Amp. 그리고, 메인 프로세서인 STM32 F407x 시리즈가 실장되어 있다. 또한 의자에 전원을 공급하기 위한 배터리 충전 모듈, 좌/우 진동 모터 컨트롤러, 등받이용 센서 커넥터 등을 보드에 모두 실장하였다.

Smart Band

[그림 13] Smart Band PCB

Smart Band는 경추의 기울기를 측정하여 거북목 상태를 예방하기 위해 군사 등급의 IMU 센서, 서브 프로세서, 배터리 충/방전 모듈, 통신 모듈, 배터리가 모두 내장 시키기 위한 PCB를 구성하였다.

자세 알리미

자세 알리미 램프에서는 라즈베리파이로 STM 보드, 데이터베이스와 주기적으로 통신하여 데이터를 무선으로 송·수신할 수 있어야 하고 자세 판단 결과에 따른 가시적 피드백을 위한 링 LED가 필요하다.

자세 알리미 램프의 하단부에는 [그림 14]와 같이 설계하여 라즈베리파이, 통신을 위한 RF 모듈, 평소 조명의 역할과 착석 자세를 빛의 색깔을 통해 직관적으로 피드백하기 위한 링 LED, 외부 전원을 위한 DC POWER JACK으로 구성되어있다.

[그림 14] 자세 알리미 하단 부분 구성

또한 자세 알리미 램프의 몸통부에 무선충전 모듈을, 남은 공간은 연필꽂이로 활용할 수 있는 공간을 설계해 램프의 실용성과 편의성의 확장을 시도하였다.

[그림 15] 자세 알리미 충전 모듈 부분

3-2. 소프트웨어 설계 및 실험

기본적으로 사용자가 앱으로 의자의 기준값을 측정함으로써 의자가 기능하기 시작한다. 조건에 의한 정자세 기준값 측정이 완료되면 데이터를 DB에 저장하고 이후 자세 데이터를 지속적으로 수집해 저장된 기준값과 비교하며 외부 DB에 저장한다.

[그림 16] 각 장치 별 정자세 측정 및 피드백

만약 측정된 자세 데이터가 기준값에서 기준 이상 벗어난다면 자세 판단 알고리즘에 의해 LED와 진동모터를 작동시켜 사용자에게 직접적인 피드백을 줄 수 있도록 한다.

[그림 17] 자세 측정 및 시스템 활용 시나리오

따라서, 구현된 시스템의 구성도와 시나리오는 위와 같으며, 자세 피드백 점수 변환의 알고리즘은 다음과 같다.

[그림 18] 자세 피드백 점수 변환 알고리즘

동작 시나리오,

#1 의자

##1-1 STM32보드에서 로드셀 센서값을 RF모듈을 통해 라즈베리파이에 전송하여 자세값 기준 측정 시작(10회)

##1-2 기준값 측정 기준을 통과 못했을 경우 재측정

##1-3 기준값 측정이 완료되면 이후 평상시 자세 측정 시작 및 DB에 저장

#2 바른 자세로 앉아있을 경우

##3-1 점수가 85점 이상일시 LED의 색을 파랑색으로 변경

##3-2 점수가 70점 이상일시 LED의 색을 초록색으로 변경

#3 나쁜 자세로 앉아있을 경우

##3-1 점수가 70점 미만일시 LED의 색을 주황색으로 변경

##3-2 점수가 50점 미만일시 LED의 색을 빨간색으로 변경

#4 자세가 한쪽으로 쏠려있을 경우

##4-1 왼쪽으로 쏠려있을 경우 왼쪽 진동모터가 켜지고 오른쪽으로 쏠려있을 경우 오른쪽 진동모터가 켜짐

#5 의자에 앉지 않았을 경우

##5-1 LED의 색을 노란색으로 변경

3-3. 스마트폰 앱 : 내 자세기록 UI

개인화된 경험, 데이터 수집 및 분석, 보안을 위해 Smart Chair App의 push 알람 설정, 회원 정보 변경, 자동 로그인 설정, 자세 기록 조회, 자세 측정 시작 기능은 기본적으로 로그인을 선행해야 하고 자세 측정 시작은 기준값 측정을 선행하여야 그 기준값을 바탕으로 자세를 판단하도록 [그림 19]와 같이 설계하였으며 앱 화면은 다음과 같이 구현하였다

[그림 19] 스마트폰 앱 자세 기록

구현된 시스템은 Smart Chair App에서 측정을 시작 버튼을 누른다면 데이터베이스 측정 상태 테이블의 값을 바꾸고 자세 알리미에서 데이터베이스의 상태를 주기적으로 조회하다 상태 값의 변경을 감지해 라즈베리파이에서 RF모듈로 머리띠에 신호를 보내 머리띠 자세 측정을 시작한다.

그 후 머리띠에서 측정한 값을 라즈베리파이로 보내 현재의 자세를 0~100점으로 환산해 100~85점은 파란색, 84~70점은 초록색 69~50점은 주황색, 50점 미만은 빨간색 LED로 사용자에게 피드백을 주며 데이터베이스에 저장한다. 사용자는 일과가 끝나거나 자신의 자세 기록을 보고 싶을 때 Smart Chair App에서 차트로 변환된 데이터를 쉽게 확인할 수 있다.

[그림 20] 스마트 체어 시스템 하스웨어 / 소프트웨어 개념

Smart Chair App 자세 기록 메뉴의 하루, 일주일 한 달로 표시된 버튼을 각각 누르면 그 기간의 테이터를 가져와 라인 차트와 원형 차트로 나타낸다. 라인 차트의 세로축은 자세를 0~100점으로 보여주며 가로축은 데이터의 개수를 보여준다. 원형 차트는 자세 점수를 GOOD(80점 이상), NOMAL(60점 이상), BAD(59점 이하)로 분류하여 분류한 데이터 수를 계산한 후 이를 백분율로 환산하여 나온 퍼센트 값을 그래프로 나타낸다.

[그림 21] Smart Chair App의 기록 데이터 UI

스마트폰 앱 동작 시나리오,

  • 기준값 측정 성공의 경우
  1. 사용자가 기준자세 측정 버튼을 누름
  2. Smart Chair App 화면에 “기준 자세 측정을 시작합니다. 10초동안 바른 자세로 앉아 주세요.” Toast 메시지 출력
  3. 사용자의 기준 자세 측정이 완료될 때까지 대기
  4. 자세 측정 도중 사용자가 바른 자세로 앉음
  5. Smart Chair App 화면에 “측정을 완료했습니다.” Toast 메시지 출력

[그림 22] 기준 자세 측정 : 정상

  • 기준 자세 측정 실패의 경우
  1. 사용자가 기준자세 측정 버튼을 누름
  2. Smart Chair App 화면에 “기준 자세 측정을 시작합니다. 10초동안 바른 자세로 앉아 주세요.” Toast 메시지 출력
  3. 사용자의 기준 자세 측정 완료까지 대기
  4. 자세 측정 도중 사용자가 불량한 자세로 앉음
  5. Smart Chair App 화면에 “잘못된 자세입니다. 바른 제사로 앉아 측정을 다시 시작하세요.” Toast 메시지를 출력하여 다시 측정할 수 있도록 사용자를 유도
  6. 사용자는 다시 기준자세 측정 버튼을 눌러 기준자세 측정 시작
[그림 23] 기준 자세 측정 : 비정상

  • 자세 측정 시작 후 좋은 자세인 경우
  1. 사용자가 기준 자세 측정을 완료 후 자세 측정 메뉴의 경추 선택 후 확인
  2. 올바른 자세로 앉음
  3. 머리띠에서 측정한 센서 값으로 자세알리미가 판단했을 때 올바른 자세를 LED에 파랑(100~85점), 초록색(84점~70점) 순으로 나타내 사용자에게 즉각적인 피드백
[그림 24] 바른 앉은 자세

  • 자세 측정 시작 후 불량한 자세인 경우
  1. 사용자가 기준 자세 측정을 완료 후 자세 측정 메뉴의 경추 선택후 확인
  2. 불량한 자세로 앉음
  3. 머리띠에서 측정한 센서 값으로 자세 알리미가 판단 했을 때 불량한 자세를 LED의 주황(69 ~ 50점), 빨강(50점 미만) 수순으로 나타내 사용자에게 즉각적인 피드백
[그림 25] 바르지 못한 앉은 자세

4. 연구결과

4-1. Smart Chair

사용자가 본인의 의지로 앉은 자세를 개선하려고 한다면 우리는 적극적으로 도울 수 있는 방안으로 불량한 자세에서 직접적인 피드백을 주는 방식을 선택했고, LED와 진동모터를 이용해 구현에 성공했다.

구현된 시스템은 크게 자세 측정을 담당하는 의자에 물리적 피드백을 줄 수 있도록 진동모터를 달았고, 데이터 전송과 판단을 위한 라즈베리파이는 시각적 피드백을 줄 수 있도록 LED를 달아 자세알리미로 구성하여 자세교정의자의 시스템을 구현하였다.

4-2. Smart Band

사용자의 정자세 값을 얻기 위해 머리띠를 쓰고 앱에서 자세 측정 시작 버튼을 눌러 정자세 측정을 하도록 하였고 정자세 측정이 원활하게 이루어지지 않았을 경우, 정자세 측정을 다시 하도록 유도해 알맞은 데이터를 활용하여 머리띠와 앱을 사용할 수 있도록 구현하였다. 초기 정자세 측정이 끝나면 이후 자세 측정을 할 때 정자세 기준값에서 벗어나는 경우 앱에서 자세 권고 알람을 보내고, 자세 알리미 램프의 불빛을 주황색 혹은 빨간색으로 표시하여 시각적인 자세 피드백을 전송한다. 정자세로 앉았을 경우 자세 알리미 램프의 불빛은 초록색을 띠도록 하였다. 앱 UI는 1일, 1주, 1개월 동안 앉은 자세에 대한 정보를 그래프로 확인 가능한 자세 기록 메뉴를 중심으로 초기 정자세 값을 얻기 위한 자세 측정 기능, 경추 자세 측정을 위한 자이로센서 및 자세 알리미의 LED를 제어할 수 있는 센서 제어 메뉴 등으로 구성하여 본 시스템 및 아이템을 구현하였다.

5. 활용방안 및 효과

본 아이템의 초기 개발 목적과 동일하게 사용자의 척추질환을 예방하고 바른 자세로 인해 경추, 어깨 등에도 긍정적인 효과를 가져다 줄 것으로 보이며, 장시간 앉아 생활함으로 발생하는 집중력 장애, 당뇨, 비만, 폐색전증, 골다공증과 같은 질병들을 해소할 수 있을 것으로 판단한다.

또한, 개발 비용 대비 저렴한 가격으로 소비자들의 접근성 측면에서 경쟁력이 있을 것이며, 휴대폰 무선충전이라는 실용적 측면을 고려한 설계로 거추장스럽지 않고 디자인까지 챙길 수 있다. 뿐만 아니라 지속적으로 사용하여 스스로 자세 교정에 성공한다면 개인에 따라 의지 개선으로 인한 정신력 강화라는 부가적인 효과까지 노려볼 수 있다. 궁극적으로 국적, 성별과 나이를 막론한 모든 사람의 건강관리에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.

[그림 26] 개발 목적에 따른 기대 효과

  • 사회적
    • 본 아이템을 사용하여 경추 질환을 사전 예방한다면, 향후 야기될 수 있는 사회적인 문제를 방지할 수 있다. 경추 건강은 노동 생산성에 직접적인 영향을 끼치는데, 만일 이와 관련된 질병으로 고통을 호소하는 사람들이 지속적으로 증가할 뿐만 아니라, 그 연령층이 점점 낮아진다면 초고령화 시대에 진입한 국내에 막대한 사회적/경제적인 손실을 초래할 수 있다. 이렇게 경추 질환으로 발생할 수 있는 문제를 본 아이템을 활용하여 바른 자세로 앉는 습관을 유지하도록 도모하고, 현대인들이 경추 질환에서 더욱 자유로워짐으로써 원활한 일상생활과 생산 활동 및 여가생활을 건강하게 유지해 나갈 수 있도록 하는 효과가 있다.
  • 경제적
    • 경추 손상의 치료는 그 경도에 따라 다르나 치료가 불가피한 노년층과는 달리 상대적으로 젊은 층에서는 간단한 목 운동과 바른 자세로 앉는 것만으로도 예방이 가능하다. 그럼에도 불구하고 해마다 경추 질환 환자의 수는 늘어나고 있는데, 본 제품을 통하여 올바른 자세 유지를 할 수 있도록 자세 교정을 돕는다면, 치료 유지에 드는 비용으로 인한 경제적 손실을 상쇄시킬 수 있다. 더불어 바르지 않은 자세로 오래 앉아있는 경우 발병할 수 있는 질환인 척추 질환, 비만, 각종 체형 질환 등도 함께 예방 가능하다. 즉, 경추 질환 및 경추 질환으로 인해 발병 가능한 질환을 예방함으로써 치료에 필요한 비용을 크게 절감하는 효과가 있다.
[그림 27] 사회 경제적 효과

캡스톤 디자인 결과물

SF Team

발표영상
시연영상

CF Team

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카테고리: Capstone Design