다중 무선 컨트롤러를 이용한 VR 노인 재활 근력 운동 (VR Rehabilitation Exercise development for Elderly people’s muscle using multiple wireless controllers)
[1] 가상현실을 교육 및 훈련, 운동에 접목하였을 경우 높은 몰입감과 개별화된 상호작용을 통한 학습 효과 향상을 기대할 수 있고, 텍스트와 2D 자료로 설명하기에는 어렵거나 부족한 학습 내용, 고위험·고가 장비 교육 등의 영역에 매우 효과적이다.
[2] 장애 인구 중 65세 이상 노인이 절반 가까운 46.6%로, 2000년(30.3%)에 비해 고령화 추세가 뚜렷하게 드러났다. 또 장애인 가구의 26.4%는 1인 가구로 조사됐다.
[3] 근력 운동은 노인들의 근육량, 근력, 뼈 무기질 밀도, 뼈 강도, 신체조성 및 일상생활 수행 능력을 향상시키고, … 규칙적으로 근력 운동에 참여할 수 있는 환경을 조성하는 것이 필요하다고 생각된다.
다중 무선 컨트롤러를 통해 신체 움직임을 측정 후, 이를 VR 콘텐츠와 연동하여 노인들의 재활 근력 운동을 돕는 시스템 개발
사용자의 운동동작에 따른 움직임을 측정할 수 있는 IMU센서와 전원공급을 위한 리튬 폴리머 배터리가 부착된 디바이스를 사용자의 신체에 부착 가능한 형태로 설계한다.
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| 메인 화면 | 썰매 게임 - 상체 운동 |
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| 외줄타기 게임 - 척추 운동 | 로켓 게임 - 무릎 운동 |
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| 메뉴 – 게임 선택 가능 | 운동 방법 알아보기 – 영상과 음성 출력 |
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| 게임메뉴 – 게임 내에서 메뉴 띄우기 | 게임 종료 시 메뉴 |
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| 게임 UI 설명 화면 | 컨트롤러 초기화 화면 |
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| 컨트롤러 인식 화면 |
사용자가 착용한 ‘다중 무선 컨트롤러’와 HMD(Head Mounted Display)로부터 받아들인 값으로 진행된다. 총 3가지의 게임과 관련 메뉴들로 구성된다.
아두이노와 IMU 센서, 블루투스를 이용하여 사용자로부터 운동에 대한 결과 값을 판단한다. 이 판단에서 올바르게 운동을 하고 있다면 소프트웨어에 정상적으로 운동을 하고 있다는 결과를 전송한다.
VR HMD 의 화면을 통해 사용자가 원하는 운동을 선택하게 한다. 선택한 운동에 따라 사용자가 확인 할 수 있는 매뉴얼을 제공하고 운동을 시작할 수 있게 한다. 팔 운동은 사격, 허리 운동은 외줄타기, 다리 운동은 야바위 투호에 대응된다. 사용자는 운동에 맞게 컨트롤러를 지정된 위치에 장착하고 운동과 함께 게임을 시행, VR HMD 에 즉각적인 화면이 나오고 피드백을 제시한다.
간편한 컨트롤러 사용법과 VR HMD를 통한 게임을 통해 노인 재활 근력 운동을 하는 데에 흥미를 유발시켜 운동에 대한 거부감을 줄이고, 노인의 건강에 도움이 되게 할 수 있다.
같은 기능을 가진 컨트롤러를 여러 개 만듦으로서 한 가지의 운동뿐만 아니라 여러 개의 운동에도 대응 할 수 있게 되어 콘텐츠나 컨트롤러에 제약을 받지 않고, 운동을 추가만 함으로서 간단하게 운동을 즐길 수 있다.
운동 중 움직임으로 인한 센서의 정확한 값을 측정할 필요는 없으나, 일상적인 움직임에 대해 견딜 수 있는 내구성이 요구된다.
사용되는 MCU의 크기가 작을수록 컨트롤러의 무게가 가벼워지고 크기가 작아질 수 있으나, MCU가 크기가 작아지면 연결할 수 있는 센서의 수가 줄어들어 하드웨어 구성에 어려움이 있다.
사용자들의 운동 방법에 대한 움직임이 동일하지 않기 때문에, 정확한 값을 요구하는 알고리즘을 적용하기에는 기술적으로 한계가 있다.
움직임에 대한 고정을 할 수 있게 벨크로와 같은 고정 장비를 사용한다.
컨트롤러에 부착할 MCU로 아두이노 나노를 사용하여, 컨트롤러 전체의 크기와 무게를 줄일 수 있도록 한다.
운동 값을 판단할 알고리즘을 적용하기 전, 충분한 실험을 통해 운동 값에 대한 범위를 정확히 제시한다.
IMU를 통해 신체에 부착한 센서의 위치 값(X, Y, Z)을 측정
리튬 폴리머 배터리를 이용하여 센서에 전원공급
센서를 이용한 측정 값을 블루투스 센서를 통해 PC로 전송
AutoCAD를 이용한 외형 설계 및 3D 프린터를 이용하여 출력(총 4개 제작)
Oculus DK2를 사용하여 VR 몰입 환경 제공
블루투스 통신을 통해 하드웨어로부터 측정값을 받음
측정값으로 게임을 진행(썰매로 상체 운동하기 게임, 외줄타기로 척추 운동하기 게임, 로켓으로 무릎 운동하기 게임)
이외에도‘운동 방법 알아보기’을 통해 게임 방법들을 확인할 수 있고, 목숨/운동시간/음성/배경음/게임 UI 설명/게임메뉴 등의 콘텐츠를 이용할 수 있다.
| 순번 | 제품명 | 사진 | 사용내용 |
|---|---|---|---|
| 1 | 아두이노 나노(Arduino Nano) |  |
MCU |
| 2 | IMU 센서(MPU-9250) |  |
컨트롤러의 움직임에 따라 센서 값들을 입력받아 움직임을 감지 |
| 3 | 블루투스 모듈(HC-06) |  |
블루투스 통신을 하여 값들을 통신 |
| 4 | 리튬 폴리머 배터리(3.7V) |  |
아두이노에 전력을 공급 |
| 5 | 배터리 충전기(TP4056) |  |
리튬 폴리머 배터리를 충전 |
| 6 | USB to UART 컨버터 모듈(FT232RL) |  |
아두이노와 PC 간 데이터 신호를 교환 |
[1] 임다미, 김상연, “가상현실 기반 토탈스테이션 훈련 콘텐츠 개발“, 한국디지털콘텐츠학회논문지 제18권 제4호, pp. 631-639, 2017.
[2] 중앙일보 ”국내 장애인 267만명...“절반은 노인, 넷 중 하나는 혼자 산다”,
http://news.joins.com/article/22550173
[3] 박인성, “노인의 행복한 삶을 위한 건강 증진과 근력 운동”, 한국엔터테인먼트산업학회논문지 제11권 제3호, pp. 111-119, 2017.
[4] 국민건강보험공단지정 노인장기요양보험 지정센터의 노인 운동 소개,
[5] 강남세란의원의 노인 하체 근력 강화 운동 소개,
https://www.youtube.com/watch?v=Dg_wPkeGkUw
[6] 자생한방병원의 노인 척추 운동 소개,
https://www.youtube.com/watch?v=3o8to5H-iwk
[7] 임희철, 이창영, 임도형, 전경진, 정덕영, 전성철, “고령자 대상 하지 균형증진 운동시스템의 사용성 평가 연구”, 재활복지공학회논문지 제9권 제4호, pp. 293-299, 2015.
[8] 김성호, 신동희, “전신 움직임을 요구하는 컨트롤러가 가상현실 디바이스에서 시지각과 가상현실 멀미에 끼치는 영향”, 한국디지털콘텐츠학회논문지 제18권 제2호, pp. 283-291, 2017.
[9] 라파엘 스마트 글러브 안내 사이트, http://www.neofect.com/ko/solution/
[10] 닌텐도 라보 공식 사이트, https://labo.nintendo.com/