생체신호를 이용한 최적운동부하제어시스템에 관한 연구

Abstract

최근 주 5일제 근무가 확산되면서 여가시간이 증가되었고 이와 더불어 비례적으로 운동에 투자하는 시간과 비용 그리고 운동에 대한 관심 또한 같이 증가하고 있다. 또 건강의 유지와 증진 및 질병의 예방과 치료 목적으로 사용자에게 최적의 운동부하를 제공하는 것은 반드시 필요 사항이다. 최적 운동부하 제공시스템을 위해서 본 연구에서는 사용자가 운동 중 실시간적으로 Heart Rate 및 Hear Rate Variability(LF, HF)를 측정하여 자율신경계 영향으로 인해 발생할 수 있는 요소를 검출하였다. 그리고 이러한 요소들을 바탕으로 사용자의 생리학적 상태를 즉각적으로 파악하여 운동부하(속도제어)로 제시함으로써 사용자에게 최적의 운동부하를 주도록 설계하였다. 최적의 운동부하제어시스템을 통해 본 연구에서는 실시간적인 바이오피드백 운동부하 제어를 할 경우, 최적제어의 필요성과 파라미터들의 당위성을 검증해 보고자 하였다.일반적으로 운동이 시작되면 인체에서는 근육과 대사량의 증가로 인하여 Heart Rate의 증가와 더불어 심박출량 증가가 요구된다. 이러한 증가는 부교감신경의 활성은 약화되고 교감신경이 활성화된다. 이러한 자율신경계의 변화로 인해 Heart Rate Variability를 운동부하의 한 파라미터로 사용하여 운동 시 발생할 수 있는 여러 가지 생리학적 변화를 실시간적으로 검출하여 사용자에게 피드백해 주었다. 그리고 운동부하 제공에 영향을 주는 파라미터는 단일입력이 아닌 다중입력으로 설계함으로써 사용자에게 보다 효율적인 운동부하가 제공이 되도록 하였다.건강한 남성 12명(26.9±3.2)을 대상으로 실험하였을 경우 최적 운동부하 제어시스템이라고 할 수 있는 PID & Fuzzy System은 Heart Rate의 차이가 클수록 단일 입출력 PID System과 다중입력 단일출력 PID System 비교해서 기울기가 3배(단일 입출력 & 다중입력 단일출력 PID System : 1.10, PID & Fuzzy System : 3.00)정도 큼을 알 수 있으며 차이가 적을수록 이러한 관계는 반비례관계를 보임을 알 수 있다. 그리고 PID&Fuzzy System이 두 가지 생체신호(HR, HRV)의 차이에 따른 Gain을 실시간으로 운동부하제어에 사용함으로써 높은 운동부하 반응(단일 입출력 PID System : 0.67±0.18, 다중입력 단일출력 PID System : 0.56±0.18, PID & Fuzzy System : 0.71±0.22)과 더불어 운동부하에 안정적이었다(Damping parameter값 단일 입출력 PID System : -0.15±0.06, 다중입력 단일출력 PID System : -0.11±0.03, PID & Fuzzy System : -0.09±0.02).이러한 결과를 토대로 각 시스템별 운동부하량을 확인해 보면 PID & Fuzzy 시스템이 4개의 시스템 중 가장 넓은 면적을 차지하고 있다는 것을 확인해 볼 수 있다. 즉, 동일한 시간동안 같은 형태의 운동을 피실험자가 수행했을 경우 최적제어시스템이 Target Zone을 유지하면서 가장 많은 운동을 실시했다는 것을 결과적으로 보여준다. 또한 운동부하 변화의 폭이 가장 적기에(단일 입출력 PID System : ±6.20, 다중입력 단일출력 PID System : ±5.15, PID & Fuzzy System : ±3.61) 피실험자에게 최소한의 심부담을 주면서 운동을 시행했다는 것을 알 수 있다.본 연구에서 설계한 최적제어시스템은 다중입력 PID 시스템에 Fuzzy모델을 통합함으로써 여러 가지 환경에 대해서 유기적으로 대처가 가능하였다. 각 파라미터의 차이에 따라 Gain의 값이 실시간으로 변화하면서 Targer Zone에 도달하는 시간을 감소시켰으며 안정성 또한 향상되었다. 이는 비선형적인 모델의 장점과 제어성능이 우수한 선형모델의 장점의 통합으로 인해 운동제어를 보다 효율적으로 수행하게 되었다.