휴먼 증강, 위험 상황 예측, 감각 치환, Human enhancement, Prediction of hidden danger, Sensory substitution
Funding Org.
과학기술정보통신부
Research Org.
한국전자통신연구원
Project Code
21HS3900, Development of Human Enhancement Technology for auditory and muscle,
Shin Hyung Cheol
Abstract
연구개발 목표 및 내용 최종 목표 o 노화, 질환 및 장애 등으로 저하된 청각 능력과 운동 능력을 증강하는 원천기술 개발 - 주변소리, 사용자 행동정보 등 복합 정보(음향, 액티비티, 위치)를 기반으로, 위험상황을 인지/예측해 알려주는 웨어러블 위험상황 예측엔진 개발 - 음향-촉각 변환 장치를 통한 정보 전달 기술 개발 - 변형량 센서 일체형 유연 소프트 액추에이터 개발 - 복합 모델 기반의 소프트 근력보조 시스템 개발 전체 내용 o 실내외 환경 음향 특성(음원 종류/방향 등) 인식 및 추적 기술 - 실내외 생활환경 음향신호 특징 추출 기술 - 사용자 움직임/이동에도 강인한 음향신호 특성 인식 및 추적 기술 - 실내외 환경 음향정보 기반 장소/상황 인식 기술 o 사용자 주변상황(위치, 음향정보)과 행동을 고려한 위험상황 예측 기술 - 웨어러블 기반 사용자 위치 및 행동(움직임, 이동) 분석 기술 - 사용자의 행동과 주변 음향 인식정보 기반 위험상황 예측 기술 o 음향정보의 타감각 표현 기술 - 실시간 음향-타감각(시각/촉각 등) 변환 알고리즘 - 타감각을 이용한 청각 정보 표현 기술 - 착용성 및 신체 감각 구조를 고려한 음향-촉각 치환을 위한 착용형 시스템 개발 o 유연 소재 기반 변형량 센서 일체형 소프트 액추에이터 기술 - 대변형, 고정밀 제어 및 변화량 센서 일체형 소프트 액추에이터 - 의복형 근력증강 소자화 기술 o 근육 제어를 이용한 근력 증강 기술 - 근육 제어 변수에 따른 근력 변화 모델링 - 사용자 맞춤형 근육 활성 패턴 최적화 연구 o 웨어러블 근력 증강 시스템 기술 - 최적화된 동력 전달을 위한 직물형 웨어러블 시스템 구조 연구 - 동적부하보상 알고리즘 및 능동제어 기술 - 소프트 액추에이터와 근육제어 연동 근력 증강 시스템 - 근육 보조 효과 검증 방법론 개발
1단계 목표 노화, 질환 및 장애 등으로 저하된 운동 능력과 청각 능력을 증강하는 원천기술 개발 내용 o 핵심 기술 - 웨어러블 이동환경에서의 고정/이동음향 분석 기술 - 복합정보(음향, 액티비티, 위치) 기반의 위험상황 인지/예측 기술 - 음향-촉각 변환 및 전달을 통한 감각치환 기술 - 동적 부하보상이 가능한 복합 모델 기반의 소프트 근력보조 시스템 기술 o 주요 기능(또는 규격) - 실내외 환경의 음향에서 음원의 방향과 위치(방향/위치: ≤ 5〫 ,0.5m)를 인식하는 음향 분석 기술 - 음향신호 기반 종합 상황(장면/이벤트) 인식(장면 인식률 ≥ 90% @ 10종, 이벤트 인식률 ≥ 60% @ 10종) - 멀티모달 모델 기반 위험상황 예측(정확도 ≥ 85% @ 10종) - 음향-촉각 변환 및 전달기술(≥ 3,900bps) - 변형량 ≤ 20%, 수축력 ≤ 10N을 유지하는 소프트 액추에이터 기술 - 동적부하보상 제어 정확도가 90%이상인 복합 모델 기반의 소프트 근력보조 기술 o 최종결과물 - 착용형 위험상황 예측시스템(SYS) . 다채널 초소형 음향모듈 시작품 (HW) . 위험음원 방향/거리 인식 알고리즘 (SW) . 음향신호 기반 종합 상황(장면/이벤트) 인식 알고리즘(SW) . 실생활 음향신호 데이터베이스(DB) . 복합정보 기반 위험상황 예측엔진(SW) . 착용형 위험상황 예측시스템 장치 시작품(HW+SW) - 착용형 음향-촉각 변환재생장치 시스템(SYS) . 착용형 촉각 재생 장치 시작품(HW) . 실시간 음향-촉각 변환 엔진(SW) . 청각장애인을 위한 음향 학습 보조 프로그램(SW) - 복합 모델 기반 소프트 근력보조 시스템(SYS) . 의복형 근력증강 소자(HW) . 근육제어 근력보조 시작품(HW) . 복합 모델 동적 부하보상 알고리즘(SW)
연구개발성과 o 음원추적 방향 인식 및 거리 해상도 - 넥밴드 6채널 마이크 어레이를 이용하여 결맞음성 지수를 이용한 고정밀 음원위치 탐지 알고리즘을 적용하여 무향실 및 소강당에서 시험하여 음원추적 방향 및 거리 인식 해상도의 성능 목표 달성: 한국건설생활환경시험연구원 공인시험 완료 (CT21-088331K) - 음원추적 방향 인식 해상도 (5°, 정확도 100%) 및 거리 인식 해상도 (0.5m, 정확도 98%) o 음향 이벤트/장면 인식 기술 - AI 기반 음향 이벤트/장면 인식 기술 관련, 국내외 총 25건(18건/7건)의 특허를 출원 및 3건의 국제특허 등록을 통해 핵심기술에 대한 지재권을 확보 - 세계 음향 인식 경연장인 DCASE 2020 Challenge 음향 장면 인식 과제에서 1위를 차지함은 물론 음향 이벤트 인식과 음향 장면 인식 분야 각각에 대해 SCIE 저널(Applied Science, IF:2.679) 논문을 게재함으로써 연구개발 내용에 대한 우수성을 검증함 - 음향 인식 모델의 성능을 좌우하는 핵심 요소 중 하나인 실생활 음향 이벤트/장면 DB는 데이터 수집 기간 및 규모를 고려하여 총 2회(3차년도/5차년도)로 나누어 기술이전 진행 o 촉각 정보 전달량 - 촉각 정보 전달량의 개발 목표 3,900bps 수준인 4000bps를 달성 - 촉각 단어/촉각 음정 인지 테스트 . 촉각 기반 단어 인지 (신규 단어 정답률 75% 이상) . 음정 인지/멜로디 인지/멜로디 시창 능력 개선 확인 (음정 정확도가 학습 전 대비 각각 2.5배/1.9배/6.1배 증가) o 신진대사소비 감소율 - 고령자 대상 임상시험을 통해서 근육제어 방식의 근력보조 시스템의 적용 전/후의 에너지 대사 비교를 통해서 7.78%의 에너지 대사 소비 감소율을 확인하였음. 뿐만아니라 근효율성, 보행속도, 관절 모멘트 등이 개선되는 것을 확인함 o 소프트 액추에이터 수축력 및 변형량 - Nylon-6 코일구조 최적화 및 자가조립 단분자막 (SAMs)과 전극 입자 간 화학적 결합으로 확보한 고내구성 전극기술을 적용한 다중 코일형 소프트 액추에이터를 개발하고, 본 액추에이터가 1023.7gf의 하중 조건에서도 20.63%의 수축변형을 반복적으로 발생시킬 수 있음을 확인하였으며, JCR 상위 20% SCIE 논문 2건 게재
연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 o 활용계획 - (청각장애인 및 고령자 Assistive Device) 이동 중 음악 청취자, 고령자, 난청환자, 청각 장애인 등 광범위한 사용자를 대상으로, 주변 환경의 잠재적 위험상황 인지/예측할 수 있도록 하는 웨어러블 장치에 적용 - (청각장애인을 위한 음향-촉각 인식 장치(언어/음악 인식)) 청각장애인의 청각을 촉각으로 대체(치환)하여 발음 교육 및 일상생활에서 보조 감각으로 활용 - (소프트 근력보조 시스템) 가볍고 착용이 편리한 구조가 장점으로 근력이 약한 일반인, 노약자, 특수직 종사자의 근력보조 장치에 활용 o 기대효과 - 음향 데이터 분석 기반 상황 판단 솔루션 기술을 개발함으로써, 일상생활 사고/범죄 자동인식 및 신고 시스템에 필요한 원천 기술 확보 - 실제 환경에 대한 DB 부족 등의 제약 사항으로 인해, 실제 상황에서 종래 기술의 급격한 인식 성능 저하를 획기적으로 개선함으로써 국내외 기술 경쟁력 확보 가능 - 스마트기기를 활용하여 음향 정보를 실시간 모니터링/분석하여 재난, 사고, 범죄 상황을 자동으로 인식하고 신고하여 긴급 상황을 신속 대응하여 한 차원 높은 국민의 삶의 질 향상에 기여 - 음향 인식 분야는 음성 인식 분야와는 달리 시장 형성 초기 단계에 있으며, 따라서 경쟁력 있는 원천 핵심기술 확보를 기반으로 관련 기기 및 서비스 시장을 주도할 수 있음 - 고령자 및 사회소외계층을 위한 따뜻한 ICT 기술/제품 공유 확산으로 사고나 노화로 인해 신체의 움직임에 장애를 갖는 노인 및 장애인들의 일상생활 및 사회복귀를 도움으로서 이들의 삶의 질을 향상시킬 뿐만 아니라 경제활동 인구 유지로 국가 경제에도 이바지
(출처 : 요약문 4p)
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J. Kim et. al, "Trends in Lightweight Kernel for Many core Based High-Performance Computing", Electronics and Telecommunications Trends. Vol. 32, No. 4, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
J. Sim et.al, “the Fourth Industrial Revolution and ICT – IDX Strategy for leading the Fourth Industrial Revolution”, ETRI Insight, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
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