허리가 아프다는 분들 재활치료 때 바른 자세로 걷는 게 개선의 지름길이라고 합니다.

올바른 걸음걸이는 발뒤꿈치부터 시작해 발의 중앙과 앞부분이 차례대로 닿아야 한다는 데요. 하지만 오랜 습관은 이를 어렵게 하지요.

한국표준과학연구원(KRISS) 질량힘센터 김종호 박사팀이 촉각센서와 LED를 이용해 올바른 걸음걸이를 확인할 수 있는 스마트 신발을 개발했습니다.

이 신발은 힘 또는 압력의 세기를 측정할 수 있는 촉각센서와 빛을 발하는 LED로 구성되는데요. 압력에 반응하는 촉각센서는 신발의 앞, 중간, 뒷부분에 각각 배치됐고, 이는 빨강, 초록, 파랑의 색 조합이 가능한 LED 6개와 연결돼 있습니다.
 

촉각센서와 LED가 융합된 모듈로 시범 제작된 신발촉각센서와 LED가 융합된 모듈로 시범 제작된 신발


이 신발을 신고 바르게 걸으면 3가지 색이 모두 나타나고요. 그렇지 않을 경우, 일부만 색이 나오기 때문에 잘못된 보행습관을 알고 개선할 수 있는 것입니다.

특히, 이 신발이 기존 제품에 비해 갖는 가장 큰 차이점은 신발 위치에 따라 가해지는 압력을 구분하고, 이를 빨강, 초록, 파랑의 색 조합이 가능한 RGB LED로 가시화하는 것입니다. 

기존 유사 제품의 경우 단일 LED와 가속도센서로 연결돼 걸음걸이에 따른 다양한 색상 및 패턴을 구현하지 못했습니다.

또 이 신발에 사용된 촉각센서는 0.2mm 이내 두께를 갖는 필름형태로 깔창에 삽입돼 있고요. 사용자는 LED 모드를 변경해 자신만의 색과 패턴을 개성으로 표현할 수도 있습니다.
 

촉각센서와 LED가 융합된 모듈촉각센서와 LED가 융합된 모듈


이 신발은 스마트폰 어플이나 블루투스 기능을 이용해 신발의 각 위치별 촉각센서 반응을 실시간으로 확인할 수 있는데요.

스마트 신발과 연결된 스마트폰 어플스마트 신발과 연결된 스마트폰 어플 캡쳐 사진. 걸음걸이에 따른 발의 압력 위치가 그림으로 표현되고 이에 따른 정상걸음수를 확인 가능하다


이를 통해 보다 쉽게 자신의 보행 자세를 교정할 수 있고, 보행 모니터링으로 정상걸음의 횟수도 확인할 수 있습니다.

24시간 동안 지속되는 밧데리는 케이블로 충전할 수 있고요. 전력 소모를 줄이기 위해 촉각 센서만 작동시킬 수도 있습니다.

연구팀은 이번 연구와 관련해 7개 특허를 출원 및 등록 완료했고요. 추후 상용화를 위한 기술이전도 가능한 상태입니다.

 

 연 구 개 요


최근 웨어러블 기기 개발이 대두됨에 따라 스마트 신발을 통하여 걸음 수와 자세교정을 통하여 신체활동을 모니터링 하는 노력을 하고 있다. 기존 스마트 신발은 힘/압력을 측정하는 센서만을 사용하거나 단일 LED만을 사용하여 다양한 색상 구현이 되지 않았다.

그러나 본 연구에서 개발한 LED 스마트 신발은 촉각센서와 빨강, 초록, 파랑 색 조합이 가능한 RGB LED를 융합하여 발의 압력에 따라 빛의 세기 및 다양한 패턴을 만들어 낼 수 있다. 따라서 보행 모니터링을 통한 정확한 걸음 수 측정뿐만 아니라 LED 시각 피드백을 통한 걸음걸이 교정을 할 수 있다. 그리고 야간에 횡단보도, 도로 갓길 보행 시 안전을 제공할 수 있다. 또한 최근 자기만의 개성을 살리고자 패션에 신경을 쓰고 있는 세대에게는 다양한 색 표현이 가능한 LED 신발은 패션 아이템으로 활용될 수 있다.

올바른 걸음걸이를 위한 발의 착지 및 무게중심 이동을 체크하기 위하여 LED 스마트 신발에 사용된 촉각센서 수는 신발마다 3개로 뒤꿈치, 중간, 엄지발가락 부근에 각 각 배치하였다. 올바른 걸음 수는 뒤꿈치, 중간, 엄지발가락 부근에 위치한 촉각센서가 각 각 힘의 최대치가 나타날 때만을 고려하였다. 개발된 스마트 신발은 충전이 가능한 밧데리 방식을 채택하였고 LED 사용으로 인한 밧데리 소모를 줄이기 위해 촉각센서만을 작동시킬 수 있는 제어 기능을 부여 하였다.

사용된 촉각센서는 충격과 마모에 강하며 0.2 mm 이내 두께를 갖는 필름형태이기 때문에 신발 깔창에 삽입이 가능하여 발의 압력을 정확히 측정할 수 있는 장점이 있다. 스마트폰을 통한 스마트 신발의 LED 제어 및 촉각센서 데이터 획득을 위해 블루투스기반 모듈을 개발하여 사용 편의성을 제공하였다. 또한 스마트폰이 없을 경우 스마트 신발만으로 촉각센서를 통하여 LED 제어할 수 있는 기능을 부여하였다.

연구팀은 본 기술과 관련하여 국내/외 7개 특허를 출원 및 등록했으며, 앞으로는 신발, 안전 관련 업체와 협력해 상용화를 추진할 계획이라고 밝혔다. 또한 향후에 수십 개로 이루어진 다채널 촉각센서를 신발에 적용하여 더 정확한 발의 힘/압력 분포를 측정하여 치매, 낙상 등 조기예측 및 중풍, 당뇨병 등 재활 모니터링을 계획하고 있다. 그리고 밧데리 방식이 아닌 에너지 자가발전 기술 역시 관련기관과 공동으로 개발하여 남녀노소 언제든 사용 가능한 건강 모니터링 LED 스마트 신발 개발 계획을 밝혔다.

한편, 촉각센서와 LED 융합기술은 힘, 압력의 세기에 따라 다양한 색 및 패턴이 가능하기 때문에 스마트폰/태블릿 PC, 자동차 그리고 가전제품용 스위치 및 버튼에 적용되어 사용자에게 감성을 제공할 수 있다. 또한 향후에는 스마트 TV 리모콘, 키보드, 게임기 그리고 감성로봇 등 다양한 분야에 적용될 것이다.

 

 김 종 호 박사 프로필


김종호 박사김종호 박사

1. 인적사항
○ 성 명 : 김 종 호
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 기반표준본부 질량힘센터
○ e-mail : jhk@kriss.re.kr

2. 학력
○ 1992 경북대학교, 기계공학과 학사
○ 1994 KAIST, 기계공학과 공학석사
○ 2001 KAIST, 기계공학과 공학박사

3. 경력사항
○ 2002.1 – 2002. 3, Wisconsin-Madison, 의공학과, 방문연구원
○ 2001 – 2010, 한국표준과학연구원 선임연구원
○ 2012 – 2013, 감성터치협의회, 기술이사
○ 2011 – 현재 한국표준과학연구원 책임연구원

4. 전문 분야 정보
○ 촉각센서/액츄에이터 분야

5. 발표논문 및 특허
○ "Tactile sensor for curved surfaces and manufacturing method thereof“, No. 8049591, 미국특허등록, 2011
○ "접촉힘 세기 또는 압력 세기를 감지하는 촉각센서가 구비된 조도 조절 가능한 전계 발광소자, 이를 포함하는 평판표시장치, 이를 포함하는 휴대기기 키패드 및 이의 작동방법“, No. 1071672, 국내특허등록, 2011
○ "곡면형 촉각센서 및 그 제조방법“, No. 1258897, 국내특허등록, 2013
○ "촉각센서의 곡면 부착구조 및 촉각센서의 곡면부착방법“, No. 1312553, 국내특허등록, 2013
○ "Structure and method for attaching tactile sensor to curved surface“, No. 8564397, 미국특허등록, 2013
○ "스마트 엘이디 신발“, No. 10-0104438, 국내특허출원, 2014
○ "촉각센서와 발광소자를 융합한 스마트 스위치 및 그 제어방법“, No. 10-0033225, 국내특허출원, 2015

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posted by 이재형 과학이야기