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뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface; BCI) 연구는 최근 발전된 비침습 뇌전도(Electroencephalography; EEG) 센서기술과 고성능 신호처리 알고리즘을 바탕으로 사용자의 의도를 높은 정확도로 인식하여 생활 속 다양한 주변기기들을 제어하고 있다. 또한, 하지-외골격로봇(Lower-limb Exoskeleton) 기술이 최근 고도화되고 상용화되어, 보행 약자와 장애인의 하지 동작을 보조하거나 재활을 위한 기구로써 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 하지-외골격로봇 착용자의 동작 상상 시 뇌전도를 해석하고 분류하여 로봇을 제어하기 위한 BCI 시스템을 개발하고자 한다. 그리고 개발한 BCI 시스템과 기존의 로봇 제어기를 비교하여 시스템 정확도와 보행 시나리오 수행시간 효율의 지표로 평가하였다.
본 연구에서 개발한 BCI 시스템은 사용자가 시스템에 종속되지 않는 비동기식(Asynchronous) 방식이다. 그러므로 시스템은 사용자의 자발적인 동작 상상에 의한 일차 운동 피질의 감각 운동 리듬(Sensory Motor Rhythm; ...

뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface; BCI) 연구는 최근 발전된 비침습 뇌전도(Electroencephalography; EEG) 센서기술과 고성능 신호처리 알고리즘을 바탕으로 사용자의 의도를 높은 정확도로 인식하여 생활 속 다양한 주변기기들을 제어하고 있다. 또한, 하지-외골격로봇(Lower-limb Exoskeleton) 기술이 최근 고도화되고 상용화되어, 보행 약자와 장애인의 하지 동작을 보조하거나 재활을 위한 기구로써 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 하지-외골격로봇 착용자의 동작 상상 시 뇌전도를 해석하고 분류하여 로봇을 제어하기 위한 BCI 시스템을 개발하고자 한다. 그리고 개발한 BCI 시스템과 기존의 로봇 제어기를 비교하여 시스템 정확도와 보행 시나리오 수행시간 효율의 지표로 평가하였다.
본 연구에서 개발한 BCI 시스템은 사용자가 시스템에 종속되지 않는 비동기식(Asynchronous) 방식이다. 그러므로 시스템은 사용자의 자발적인 동작 상상에 의한 일차 운동 피질의 감각 운동 리듬(Sensory Motor Rhythm; SMR)의 사건관련 비동기화(Event-Related Desynchronization; ERD)를 측정한다. 따라서 Mu(8~12 Hz) ~ Beta(12~30 Hz) 주파수 대역의 뇌전도에서 필터 뱅크 공통 공간 패턴(Filter Bank Common Spatial Pattern; FBCSP) 필터를 통해 공간-주파수 특징을 추출하고, 상호 정보량 기반 최적 개별 특징(Mutual Information-based Best Individual Feature; MIBIF) 알고리즘을 통한 특징 선별 및 선형 서포트 벡터 머신(Linear Support Vector Machine; LSVM)으로 분류하는 실시간 디코더(Decoder)를 설계하였다. 이를 통해 사용자의 보행 상상, 착석 상상, 휴식의 세 가지 과업을 조합한 ‘보행 상상 vs. 휴식’, ‘보행 상상 vs. 착석 상상’ 두 종류의 이진 분류기를 구성하여, 하지-외골격로봇을 착용하고 기립, 보행, 착석 동작이 가능한 BCI 제어 시스템을 구현하였다. 비장애인 10명의 뇌전도 반복측정 데이터로부터 두 종류 디코더 모두 80% 이상의 정확도를 달성하였다. 추가적으로, 비동기 방식의 실시간 BCI 제어 시스템의 오작동률을 보완하고 즉각적인 로봇의 보행 정지를 위해 사용된 눈깜박임 스위치로 시스템의 안정성을 확보하였다. 피험자는 하지-외골격로봇 착용 후 최종적으로 설계된 BCI 제어기로 정해진 직선 보행 시나리오(기립-보행-정지-보행-정지-착석)를 수행하여 기존 스마트워치 제어기 대비 평균 143%의 수행시간 효율을 달성하였다.
본 연구에서 개발된 동작 상상 기반 뇌전도 측정 및 피드백과 하지-외골격로봇 제어 시스템은 폐 루프(Closed-loop)이다. 이는 운동기능을 상실했거나 손상당한 환자와 장애인에게 적용할 경우 불완전한 신경근 회로를 우회하여 새로운 동작 명령 전달 경로를 제공한다는 점에서 의의가 있다. 한편, 본 연구에서 설계한 하지-외골격로봇을 위한 BCI 제어기는 로봇의 동작과 관련된 직관적이고 자연스러운 상상 프로토콜을 기반으로 하므로 인터페이스의 사용성과 활용도가 높다고 할 수 있다.