예전 한때 허리춤에 차고 다니는 만보계가 유행했던 적이 있었다. 만보계는 기기를 허리에 차고 한 걸음 내딛을 때마다 1보(步)씩 카운트되어 휴대하고 있는 동안 이동한 거리(또는 운동량)를 알려주는 역할을 한다. 시간이 흘러 2000년대에 들어서며 MEMS 기술을 통해 초소형화된 가속도센서가 보급되며 과거의 기계적인 방식에서 벗어나 정밀하고 다양한 방법으로 디지털 만보계를 구현할 수 있게 되었고, 2010년대 들어서는 별도의 만보계를 가지고 다닐 필요없이 평소에 휴대하고 다니는 고성능 스마트폰을 활용하여 이동거리와 평균 이동속도, 체력소모량(Calories)을 측정할 수 있게 되었다.
i) 기계식 만보계 기계식 만보계는 사람이 걷거나 달릴 때 수직방향(Pitch 요소)의 가속도 성분이 크게 요동치는 것에서 착안하여 고안되었다. 수직방향의 움직임이 생길 때마다 기기 내부에 매달려있는 무거운 추가 진자(Pendulum)처럼 흔들리며 접점에 닿게 되어 카운트가 올라가게 되는 방식으로 중력과 관성을 이용한 기계장치라고 볼 수 있다.
가격이나 내부에 사용된 알고리즘에 따라 그 방식이 몇 가지로 나뉘는데, 평균적인 보폭이 미리 입력되어 있는 상태에서 사용자의 움직임을 측정하여 곱하는 방법이 있고, 사용자가 직접 자신의 보폭을 입력하여 카운트된 숫자와 곱해 이동거리를 구하는 방법이 있다.
걷기 운동과 같이 보폭이 일정한 경우에는 후자가 정확도면에서 더 낫겠지만, 달리기 운동시에는 체력문제나 이동속도 변화로 인해 다소 부정확한 결과를 나타낸다. 체력소모가 심한 달리기는 몸 상태가 좋을 때는 보폭이 컸다가 지쳐 피로해졌을 때는 보폭이 작아지는 경향이 있다. 그로 인해 발생하는 오차도 무시할 수 없으므로 어느 방식이 더 낫다고 잘라 말하기 힘들다.
ii) 디지털 만보계 MEMS 방식의 3축 가속도센서가 휴대기기(Portable Device)에 널리 보급되며 약간의 알고리즘 추가와 신호처리를 통해 기계식 만보계에 비해 더 정확하고 다양한 일을 할 수 있게 되었다. 기술의 발전으로 과거에 비해 더 많은 정보를 얻어 체계적인 방법으로 가공, 궁극적으로 더 많은 일을 할 수 있게 된 것이다.
우선 키나 몸무게와 같이 미리 입력된 사용자의 정보로 기본적인 운동특성의 범위를 규정하고, 가속도센서로부터 측정된 자세정보를 CPU로 전달, 여러가지 알고리즘을 이용해 공간에서의 운동량과 이동거리를 추정한다. 이제부터 디지털 만보계에 이용되는 대표적 알고리즘과 가속도센서의 역할을 일련의 과정을 통해 알아보자.
이동 중인 사람에 대한 각 축을 아래와 같이 정의하자. x축은 전진하는 방향이자 roll 회전축이다. y축은 측면방향이자 pitch 회전축이고, z축은 수직방향으로 yaw 회전축을 의미한다.
 <3축의 정의>
이제 한 걸음이 발생할 때 3축에서 일어나는 가속도 패턴을 살펴보자. 우선 전진방향(Forward Direction, x축)으로 발생하는 (동적)가속도는 걸음을 옮겨 딛는 발이 디딜 위치로 옮겨지기 직전에 가장 작은 값을 가지고, 걸음을 내딛어 몸을 끌어당길 때 가장 큰 값을 갖는다.
수직방향(Vertical Direction, z축)으로 발생하는(동적)가속도는 발을 옮겨 딛으며 두 다리가 평행한 순간에 정점을 찍고 다시 걸음을 옮기며 비교적 키가 작아졌을 때 저점을 통과한다. 반면 측면방향(Side Direction, y축)은 직선운동에서는 변화가 거의 없으므로 무시할 수준의 정보라고 볼 수 있다. 다만 달리기 운동에서 트랙을 돌며 몸이 기울어질 때 발생하는 가속도의 변화는 약간이나마 생각해볼 만하다.
 <걸음의 단계별 가속도 패턴>
달리기 운동은 다소 격렬한 걷기운동으로 간주할 수 있다. 아래는 달리기 운동시3축 가속도센서에서 출력되는 신호의 패턴을 나타낸다. z축(녹색)에서 발생하는 가속도가 유난히 두드러지는 것은 pitch 성분, 즉 수직방향으로 작용하는 힘이 강하기 때문이다. 실제로 달리기 운동시 전진방향에 대한 가·감속의 느낌보다는 아래·위로 진동하는 요소가 더 크게 느껴지는 것도 그와 같은 이유다. 기계식 만보계가 추를 이용해 수직방향의 움직임을 측정하는 것도 그 방향의 가속도 요소가 가장 뚜렷하기 때문이다.
이러한 성질로 인해 3축 가속도센서를 사용한 만보계도 기본적으로 x, y, z 각 축에서 발생하는 가속도 중 가장 크게 발생하는 축의 가속도 변화(Peak Detection)에 의존해 발걸음을 계산한다. 만약 가속도 변화가 매우 적으면 해당 축의 가속도 변화는 발걸음에 대한 정보로 사용하지 않는다.
3축 중 가장 큰 변화를 갖는 어느 한 축이 선정되면(대개 수직방향인 z축), 그 축에서 최근에 발생한 수십 개의 신호샘플을 추출하여 평균값((최대치+최소치)/2)을 구한다. 이러한 방법을 통하면 추출된 가속도 값의 평균치는 시간에 대해 동적(Dynamic)이고 적응적인(Adaptive) 특성을 갖게 되어 보폭이나 체력소모를 고려한 만보계 설계가 가능해진다.
아래 그림(우측)에서 붉은색과 검은색 점선이 각각 최대·최소치를 의미하고 주황색 점선은 동적한계치(Dynamic Threshold Level)를 의미한다. 이 기준선을 토대로 일정범위 외의 요소인 진동이나 잡음을 배제하여 보다 정확한 측정을 가능하게 한다.
 <달리기 운동시 나타나는 가속도패턴(좌)과 필터링된 신호(우)>
앞서 동적한계치와 같은 기준선을 두는 것은 센서로 들어오는 진동, 소음 신호가 무시할 수 없는 수준이기 때문이다. 걷기나 달리기 외에 아주 빠르거나 느린 진동 요소, 이를테면 스마트폰을 손으로 흔드는 행위는 걸음으로 보기에 무리가 있다. 이러한 요소를 감안하기 위해 몇 가지를 추가적으로 고려한다.
우선 신호추출부터 생각해보자. 발걸음으로 인해 발생하는 가속도는 보폭이나 이동 속도에 따라 변화된다. 일반적인 성인이 아주 빨리 달릴 때 초당 다섯 걸음, 아주 느리게 걸을 때 2초에 한 걸음이라고 가정하면 한 걸음에 각각 0.2초와 2.0초가 소요된다. 이러한 평균값을 고려하여 시간 범위(Time Window)를 지정, 이 측정치를 벗어나는 신호는 걸음으로 인정하지 않는 방법이 있다.
두 번째로는 걸음을 일종의 장단(Rhythmic Pattern)으로 보고 그것을 감안한 계산 규칙(Count Regulation)을 삽입한다. 비슷한 패턴을 하나의 묶음으로 보는 것이다. 네 발걸음을 하나의 묶음으로 본다고 가정하면, 연속적인 네 발걸음이 하나의 장단으로 묶이면 그 묶음은 발걸음 패턴으로 인정되고, 그 다음 묶음으로 새롭게 갱신되어 나간다. 만약 인식 불가능한 패턴의 신호가 들어오면 그 신호는 흘려보내고 새롭게 발생하는 연속적 패턴을 찾아나간다.
이렇게 얻어진 정보는 걸음을 세는데 이용될 수 있지만, 이와 더불어 이동거리, 평균 이동속도, 체력소모량과 같은 부수적인 정보로도 변환된다. 간단하게 위(우측) 그림에서 z축 파형의 크기(수직방향의 가속도)가 시간이 지날수록 줄어드는 형태를 가진다면 그것은 운동자가 조금씩 지쳐가거나, 속도를 줄이고 있다는 의미로도 해석이 가능하다. 산출된 정보를 통해 잠깐 동안 휴식을 취할 것을 제안한다든지, 몸 상태에 대한 예비경고를 주는 등 추가적인 조치가 가능해진다. 동작인식과 위치추정에 여러가지 센서를 섞어 사용하듯이 맥박이나 호흡과 같은 생체신호를 측정하는 센서를 함께 사용하면 보다 정밀한 상태추정이 가능해질 것이다.
이동거리, 속도, 체력소모량은 사용자의 체격조건을 별도로 입력하여 주어진 범위 내에서 예측할 수 있다. 먼저 이동거리를 살펴보자. 이동거리는 보폭과 관련이 있는데, 보폭은 키(Height)와 속도에 직접적인 영향을 받는다. 키가 큰 사람의 걸음 또는 빠른 속도의 걸음은 큰 보폭을 가지고, 반대의 경우 작은 보폭을 가지므로 단위시간당 걸음의 수와 키의 함수로 범위를 나눌 수 있다. 보폭은 사용자가 직접 입력하는 방법과 키에 대한 평균적인 보폭을 이용하는 방법이 있다. 그리고 산출된 이동거리는 시간으로 나누어 평균 이동속도로 가공된다.
안녕하세요. 삼성 헬스 서비스 운영 담당자입니다. 현재 문의 주신 내용만으로 보았을 때 좀 더 자세하게 확인이 필요할 것으로 보입니다. 모바일 삼성 헬스의 걸음 수는 단말에 탑재된 센서에 의해 측정되고 있습니다. 걸음 수가 정상적으로 측정되지 않는 경우, 아래와 같이 삼성 멤버스 앱을 통하여 센서에 이상이 없는지 확인하실 수 있습니다.
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센서에 문제가 없음에도 불구하고 지속적으로 문의 주신 내용과 같이 걸음 수 측정에 문제가 발생한다면 삼성 헬스 앱 내 문의하기를 통해 센서 확인 결과와 함께 동일한 내용을 남겨 주시면 담당 팀에서 확인하여 답변 드릴 수 있도록 하겠습니다. 감사합니다.
