Raspberry Pi를 활용한 거북목 증후군, 척추측만증 예방 프로젝트:
너 자세가 왜그래? 🤷

🧑‍🤝‍🧑 팀원

박인수: Ninesoo-shot

정상윤: JSangYun2t

정찬호: chanho0908

한소희: haansohee

한우빈: Hanwoobin

☑️ 프로젝트 목적

현대 사회에서는 컴퓨터와 핸드폰과 같은 전자기기가 더 이상 떼어낼 수 없는 필수품으로 자리 잡았습니다. 이들 전자기기는 우리의 삶을 풍요롭게 만들어주지만, 그 반면에 척추와 관련된 질병을 유발할 수 있습니다. '척추 측만증', '거북목 증후군', '허리 디스크' 등이 그 예시입니다. VDT(비주얼 디스플레이 터미널) 증후군으로 인해 몸에 부담이 가면서도, 우리는 이러한 전자기기를 계속 사용하고 있습니다.

이러한 질환을 예방하고 사용자의 목, 등, 허리를 보호하기 위해서는 바른 자세 유지가 필수적입니다. 컴퓨터 및 휴대폰 사용자들에게 바른 자세 유지의 중요성을 알리며, 건강한 습관을 통해 척추와 관련된 문제를 예방하고 개선하는 것이 중요합니다.

☑️ 필요 물품

Raspberry Pi 4

Arduino Uno

Arduino Uno 브레드보드

Web Cam: ENTUS WC33 Full HD 360

압력센서 FSR 406 Solder Tabs 8개 -> 6개: 구매처

☑️ 사용 파이썬 프레임워크&라이브러리

Telegram APIs

MediaPipe

OpenCV

☑️ "너 자세가 왜그래?"에는 무슨 기능이 있을까요? 🧐

1. 척추측만증 예방 모드와 거북목 증후군 예방 모드 중 선택하기

사용자가 원하는 모드를 선택할 수 있습니다.

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2. 척추측만증 예방 모드

압력센서를 이용하여 척추측만증 유발 자세인 다리 꼬는 습관을 예방합니다.

출처: 2023년도 대한전기학회 하계학술대회 - 압력센서를 활용한 앉은 자세 별 압력 분포에 대한 기초연구

(1) 압력 센서 2개를 이용하여 의자에 왼쪽 둔근, 오른쪽 둔근 위치에 하나씩 부착합니다. 다리를 꼬는 자세를 하면, 다리를 올린 쪽의 압력 센서의 값이 상대적으로 낮아질 것입니다. 양쪽 압력 센서의 입력값의 차이가 200이상 될 경우, 라즈베리파이와 아두이노의 시리얼 통신으로 라즈베리파이에서 값을 읽어와 사용자에게 다리를 꼬는 자세를 했다는 메시지를 텔레그램을 통해 보내줍니다.

추가로 양 발밑에도 압력센서를 부착하여 일정 비율 이상 압력이 발에 가해지게 되면, 자리에서 일어나는 것으로 판단하여 둔근 사이에 압력 차이가 생겨도 라즈베리파이에서 메시지를 보내지 않습니다.

🔵압력 센서 2개는 척추 양쪽 기립근(해당 그림) 쪽에 부착하여 허리가 굽어지는 것을 감지해 메시지를 전달 하는 것으로 변경 되었습니다.

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출처: 허리편한병원

(2) 팔거치대를 한쪽 방향으로만 과도하게 장시간 이용했을 시 한쪽 어깨만 올라가게 되어 척추측만증의 발생 가능성이 높아집니다. 이러한 비정상적인 자세를 감지하였을시 사용자에게 텔레그램을 통해 알림을 보내줍니다.

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3. 거북목 증후군 예방모드

출처: 질병관리청 국가건강정보포털

거북목 상태는 외이도에서 내린 수직선이 어깨의 중심에서 내린 수직선보다 앞에 놓인 상태입니다. Python 기반으로 MediaPipe프레임워크를 활용하여 거북목 상태인지 아닌지를 구별합니다. 어깨를 중심으로 그어진 수평선과 귀-어깨를 잇는 선의 각도를 구해 거북목 여부를 판별합니다.

<카메라가 왼쪽에 있을 경우>

<카메라가 오른쪽에 있을 경우>

거북목 자세를 하면 각도가 70도 이하로 확연하게 낮아지는 것을 알 수 있습니다. 70도 이하로 내려가면 사용자에게 거북목 의심 메시지를 텔레그램을 통해 보내줍니다.

<카메라가 정면에 있을 경우>

정면을 바라보고 있을 경우에는 사용자의 어깨 중심과 턱 좌표의 거리를 재서 거리가 짧아지면 거북목으로 구분하여 사용자에게 거북목 의심 메시지를 텔레그램을 통해 보내줍니다.

<정면 측정 기준>
바르게 앉아있는것 기준으로 합니다. 1. 의자에 앉을때 엉덩이를 최대한 뒤로 붙입니다. 2. 어깨를 펴고 등을 곧게 합니다. 3. 의자 높이를 몸에 맞게 조절합니다. 4. 기댔을 때 각도가 100°-110° 정도로 등받이를 조절합니다. 5. 팔걸이는 어깨에 무리가 가지 않고, 타이핑 할 때 손목이 키보드의 높이와 맞는 상태가 가장 이상적입니다.
위 처럼 앉았을때 거리를 기준으로 사용자의 턱과 어깨 중심의 거리가 상대적으로 짧아지면 거북목으로 구분합니다.
출처 : 바르게 앉는법 미국 스포츠 의학 아카데미(NASM)

🔵 거북목 측정은 카메라가 측면에 있는 경우에만 진행하게 되었습니다.

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🧑‍🤝‍🧑 역할 분담

한소희: 카메라가 측면에 있을 경우의 거북목 증후군 여부 판별

박인수: 카메라가 정면에 있을 경우의 거북목 증후군 여부 판별

한우빈: 어깨의 기울기로 척추측만증 유발 자세인 허리가 휘어진 자세 판별

정상윤, 정찬호: 압력센서를 이용하여 척추측만증 유발 자세인 다리 꼬는 자세 판별

정찬호: 텔레그램 API 연동

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시스템 흐름도

거북목 모드 흐름도

척추측만증 모드 흐름도

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진행 사항

Raspberry Pi

(1) 파이썬 프레임워크&라이브러리 설치

✅ Python 3.9

✅ OepnCV 4.8.1 (opencv_contrib 4.8.1)

✅ Mediapipe 0.8.10

(2) 카메라 속 사람의 머리 방향과 외이도에서 내린 수직선과 어깨 사이의 각도 측정

삼각대 위에 웹캠을 설치한 후 진행하였습니다.

정상 자세	거북목 자세

거북목 자세의 경우 각도가 70도 이하로 떨어지는 것을 확인할 수 있습니다.

Arduino

(1) 척추측만증 모드의 압력 센서: 팅커 패드를 활용하여 임시 연결도 작성

<아두이노 연결도>

☑️ 시리얼 모니터 출력확인

※ 센서 부착 위치

임시 테스트 결과 (추후 텔레그램 메시지 전송으로 변경 예정)

(1) 정상 자세

(2) 다리 꼰 상태

(3) 다리 꼬기 && 허리 굽어진 상태

프로젝트 진행 결과

거북목 증후군 모드에서는 카메라가 정면에 있을 경우, 바른 자세의 기준을 잡기 어려운 문제가 있어 해당 기능은 프로젝트에서 구현하지 않았습니다.
척추측만증 모드에서는 라즈베리파이에서 웹캠을 열고 있는 동시에 아두이노와 시리얼 통신을 하는 것이 까다로워 어깨의 기울기로 척추축만증 판별 기능은 프로젝트에 추가하지 않았습니다.

"너 자세가 왜그래?" 프로젝트의 전반적인 흐름입니다. 라즈베리파이에서 파이썬 프로그램을 실행하면, 텔레그램 봇 서버와 통신을 시작합니다. 거북목 증후군 모드를 선택하면 웹캠을 열어 카메라 속 사람의 어깨와 어깨-귀를 잇는 선의 각도를 구합니다. 해당 각도의 값이 70미만일 경우에만 라즈베리파이에서 텔레그램에 안내 메시지 전송 요청을 하고, 텔레그램은 그 메시지를 유저에게 전달합니다. 척추측만증 모드에서도 비슷합니다. 라즈베리파이와 아두이노가 시리얼 통신을 하여 아두이노에서 읽은 압력 센서 값 2개(다리 꼬은 자세 측정 값, 허리 굽어진 자세 측정 값)를 가져옵니다. 해당 값들이 일정 수치 이상이거나 미만일 경우 거북목증후군 모드와 똑같이 텔레그램을 통해 유저에게 안내 메시지를 전송합니다.