헬스 자세 불균형 감지 및 알림

올해의캡스톤디자인 최우수상

운동 중 좌우 불균형을 완벽하게 잡을 수 없을까?

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대부분의 사람들은 근육이 더 발달된 우세측 팔의 근육을 운동할 때 더 많이 사용

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헬스 초보자의 경우 자신의 운동 자세와 근육 사용을 정확히 인지하면서 근력 운동을 하는데 어려움이 있음

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비대칭적인 운동 자세로 인해 근육이 아닌 관절·인대·힘줄 등에 과도한 하중이 전달되어 부상을 당할 수 있음

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좌우 근육 사용량의 차이로 인해 근육의 비대칭적인 성장이 이루어질 수 있음

기존 방식의 문제점

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기존 선행연구에서는 IMU 센서를 이용하여 신체 움직임이나 자세 변화를 측정하는 연구가 주로 이루어졌으나, 운동 중 실제 근육 사용량까지 함께 분석하는 데에는 한계가 있었다.

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기존 선행연구에서는 특정 동작의 자세나 움직임을 측정하는 데 초점이 맞추어져 있어, 헬스 운동처럼 반복적으로 수행되는 동작에서 회차별 좌우 차이를 직관적으로 확인하기 어려웠다.

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기존 방식은 센서 데이터를 측정하더라도 연구 목적의 분석에 그치는 경우가 많아, 일반 운동자가 자신의 운동 불균형을 쉽게 이해하고 활용하기에는 어려움이 있었다.

핵심 아이디어

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IMU와 EMG 센서를 활용하여 운동 중 좌우 팔의 움직임과 근육 사용량을 동시에 측정한다

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측정된 Roll, Pitch 각도와 EMG 전압값을 좌우 차이값으로 변환하여 반복 운동 중 발생하는 불균형을 정량적으로 분석한다.

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반복 횟수별 데이터를 그래프로 시각화하여 사용자가 좌우 움직임 및 근육 사용량 차이를 직관적으로 확인할 수 있도록 한다.

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운동 기록 데이터를 앱에 저장하여 세트별 좌우 비대칭 정도를 비교하고, 운동 자세 개선에 활용할 수 있도록 한다.

활용된 핵심 기술 또는 이론

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IMU 센서를 이용한 자세 및 운동 각도 측정 기술을 활용(전진 기구학)

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Roll, Pitch 각도와 EMG 전압값을 좌우 차이값으로 변환하여 반복 운동 중 발생하는 불균형을 정량적으로 분석

기존 방식과의 차별성

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본 과제에서는 IMU 센서를 통해 상완과 전완의 움직임 차이를 측정하고, EMG 센서를 통해 좌우 이두근의 근활성 차이를 함께 분석하였다. 이를 통해 단순한 자세 변화뿐만 아니라 실제 근육 사용 불균형까지 확인할 수 있도록 하였다.

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본 과제에서는 바벨 컬 10회 1세트를 기준으로 반복 운동 데이터를 수집하고, 각 반복에서 발생하는 상완/전완 Roll, Pitch 차이와 이두근 Volt 차이를 그래프로 시각화하였다. 이를 통해 운동 반복 과정에서 좌우 움직임 및 근육 사용량이 어떻게 달라지는지 확인할 수 있도록 하였다.

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본 과제에서는 측정된 데이터를 Roll/Diff, Volt/Diff 형태로 시각화하여 사용자가 좌우 차이를 쉽게 확인할 수 있도록 하였다. 또한, 어플화를 통해 센서 데이터가 낯선 초보자들이 바로 이해할 수 있는 직관적인 결과 해석을 추가로 도출하도록 만들었다.

문제 해결 과정

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헬스 운동 중 좌우 불균형이 발생하는 원인을 분석하고, 이를 측정하기 위한 센서로 IMU와 EMG를 선정하였다. IMU는 팔의 움직임 각도 변화, 위치 변화를 확인하기 위해 사용하였고, EMG는 근육 사용량의 차이를 확인하기 위해 사용하였다.

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센서 데이터를 수집한 뒤, 상완과 전완의 Roll 값을 기준으로 횟수 카운팅을 진행해 각 횟수별로 좌우 차이를 계산하였다. 또한 EMG 전압 신호를 이용하여 운동 반복 중 이두근의 활성 차이를 비교하였다.

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바벨 컬 10회 1세트를 기준으로 시연을 진행하였으며, 반복 운동 중 상완/전완의 Roll, Pitch 변화와 전진 기구학 기반으로 계산한 팔꿈치와 손목의 위치 변화, 이두근 Volt 변화를 그래프로 나타내어 좌우 차이를 분석하였다. 이를 통해 사용자가 일정한 힘을 주고 있다고 느끼더라도 실제 센서 데이터에서는 좌우 근육 사용과 움직임 차이가 발생할 수 있음을 확인하였다.

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사람마다 신체 개인차가 심해 비대칭 임계 기준 설정에 어려움을 겪음. 이후 논문을 근거로 10-15% 범위의 임계 기준 설정