본 논문에서는 사지마비 장애인이 활용할 수 있는 동작을 이용하여 마우스, 키보드, 전동휠체어 제어 등에 적용 가능한 근전도 기반 입력 인터페이스 기술을 제안하였다. 먼저 사지마비 장애인이 활용 가능하면서도 데이터 획득 및 처리가 용이한 동작으로서 이 (치아) 물기 동작을 선택하였다. 또한 좌측, 우측 및 양측 이 물기 동작 및 이 물기 시간의 조절을 통해 사지마비 장애인의 경우에도 몇 가지 명령어 수행이 가능하다. 이때, 이 물기 동작의 인식은 관자놀이 부근에 위치한 관자근에서의 근전도 (electromyogram) 신호를 이용하였다. 본 논문에서는 데이터를 획득하여 전송하고 처리하기 위한 하드웨어 및 소프트웨어, 그리고 전동휠체어 제어, 마우스 제어, 게임 제어를 위한 시범 시스템도 개발하였다. 또한 개발된 시범 시스템을 사지마비 장애인에게 적용하여 그 효용성을 평가하였다.
본 논문에서는 사지마비 장애인이 활용할 수 있는 동작을 이용하여 마우스, 키보드, 전동휠체어 제어 등에 적용 가능한 근전도 기반 입력 인터페이스 기술을 제안하였다. 먼저 사지마비 장애인이 활용 가능하면서도 데이터 획득 및 처리가 용이한 동작으로서 이 (치아) 물기 동작을 선택하였다. 또한 좌측, 우측 및 양측 이 물기 동작 및 이 물기 시간의 조절을 통해 사지마비 장애인의 경우에도 몇 가지 명령어 수행이 가능하다. 이때, 이 물기 동작의 인식은 관자놀이 부근에 위치한 관자근에서의 근전도 (electromyogram) 신호를 이용하였다. 본 논문에서는 데이터를 획득하여 전송하고 처리하기 위한 하드웨어 및 소프트웨어, 그리고 전동휠체어 제어, 마우스 제어, 게임 제어를 위한 시범 시스템도 개발하였다. 또한 개발된 시범 시스템을 사지마비 장애인에게 적용하여 그 효용성을 평가하였다.
We propose an EMG-based input interface technology for helping the tetraplegic to utilize mouse, keyboard and power wheelchair. Among possible actions for the tetraplegic utilizing these devices, teeth-clenching is chosen as an input action. By clenching left, right or both teeth, and controlling th...
We propose an EMG-based input interface technology for helping the tetraplegic to utilize mouse, keyboard and power wheelchair. Among possible actions for the tetraplegic utilizing these devices, teeth-clenching is chosen as an input action. By clenching left, right or both teeth, and controlling the clenching duration, several input commands for utilizing the devices can be conducted. EMG signals generated by teeth-clenching are acquired around one's left and right temples and they are used as control sources for utilizing the devices. We develop signal acquisition devices, signal processing algorithms, and prototype systems such as power wheelchair control, mouse control, and game control. Our experimental results with the tetraplegic show that the proposed method is useful for utilizing the devices.
We propose an EMG-based input interface technology for helping the tetraplegic to utilize mouse, keyboard and power wheelchair. Among possible actions for the tetraplegic utilizing these devices, teeth-clenching is chosen as an input action. By clenching left, right or both teeth, and controlling the clenching duration, several input commands for utilizing the devices can be conducted. EMG signals generated by teeth-clenching are acquired around one's left and right temples and they are used as control sources for utilizing the devices. We develop signal acquisition devices, signal processing algorithms, and prototype systems such as power wheelchair control, mouse control, and game control. Our experimental results with the tetraplegic show that the proposed method is useful for utilizing the devices.
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문제 정의
또한 헤드밴드나 모자는 비장애인들도 많이 사용하는 소품이기 때문에 사용자의 거부감이 최소화 된다. 따라서 본 논문에서는 사지마비 장애인의 활용할 수있는 입력 수단으로서 이 물기를 사용하였으며 이에 따른 근전도 획득 지점은 관자근이 위치한 관자놀이 부근으로 정하였다. 이때 개인차는 있으나 대부분의 경우 이 물기에 의한 근전도 신호는 양쪽 눈썹 끝에서 귀 쪽으로 1 cm, 머리 쪽으로 1cm 정도의 위치에서 잘 획득된다.
그림에서 50ms의 블록사이즈의 경우에는 역치 설정만으로 패턴을 분류하기가 어려웠으며 블록사이즈가 100ms 이상인 경우는 어느 정도 허용할 만한 수준으로 패턴 분류가 가능한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 논문에서는 특징을 구하기 위한 블록 사이즈로서 100ms를 설정하였다.
만약 표면 근전도를 얼굴에서 측정하여 이 물기를 인식할 수 있다면 치아에 스위치를 부탁하는 방법의 문제점을 해결할 수 있다. 따라서 본 논문에서도 이 물기를 인식하기 위한 방법으로서 근전도를 활용하고자 하였다.
본 논문에서는 사지마비 장애인이 활용 가능하고 직관적이며 쉽게 사용할 수 있는 근전도 기반의 HCI 기술에 대해 기술하고자 한다. 2장에서는 사지마비 장애인이 활용 가능한 근육의 결정 방법, 시스템의 개요 등의 근전도를 활용한 입력 인터페이스의 개요에 대해 다루고, 3장에서는 이 물기에 의한 입력 인터페이스의 응용 예로서 전동 휠체어 제어, 마우스 제어, 게임 제어 등의 시범 시스템을 구성하고 사용성 평가 결과 등에 대해서 기술하고자 한다.
본 논문에서는 이 물기에 의해 발생된 근전도 신호를 획득하고 이를 전송 및 처리하여 사지마비 장애인이 사용할 수 있는 입력 인터페이스 기술 및 전동 휠체어 제어를 위한 응용 시스템을 개발하였다. 또한 제한된 이 물기 동작으로 보다 편리하게 전동 휠체어, 마우스, 컴퓨터 게임 등을 조작할 수 있도록 명령 입력 방법 및 조작 방법도 제안하였다.
5초 정도 물었다가 놓는다. 본 논문에서는 이와 같은 방법에 의해 전진 중에 7단계로 방향 전환을 가능하게 하였다. 휠체어의 진행 방향은 그림 8과 같이 표시되어 사용자가 현재 어느 방향으로 이동하고 있는지 확인이 가능하다.
한편, 안정적이면서도 짧은 반응시간을 만족하는 패턴 분류를 위해서는 특징을 구하기 위한 블록 사이즈를 얼마로 할 것인가가 중요하다. 본 논문에서는 주어진 패턴에 따라 이 물기를 수행하도록 하여 블록 사이즈에 따라 특징 벡터를 구하고 역치 설정만으로 패턴을 분류할 수 있는 블록 사이즈를 결정하고자 하였다. 그림 6은 이 물기에 의해 발생된 이마 양쪽 관자근에서의 근전도 신호의 특징 벡터를 가로축은 채널 1의 DAMV값으로 세로축은 채널 2의 DAMV값으로 나타낸 것이다.
제안 방법
그리고 인터페이스 시스템만 전원을 켜고 전동휠체어의 전원은 끈 상태에서 직진, 전진 중 좌/우 회전, 멈춤 명령 수행을 훈련한다. 그 다음 전동휠체어 전원을 켜고 5회 훈련 후 종속변인을 측정하였다. 측정은 각 피험자에게 3번씩 수행이 되었다.
호흡조절 방법은 들숨을 짧고 길게 하거나 날숨을 짧고 길게 하는 4개의 조합으로 전진, 전진 중 좌회전, 전진중 좌/우 회전, 멈춤을 수행할 수 있다. 따라서 비슷한 조건 하에서의 두 방법의 비교를 위해 앞서 기술한 7단계의 방향 전환이 가능한 휠체어 제어 방법 대신 전진, 전진 중 좌우 회전, 멈춤 명령만이 반영 되도록 휠체어 작동 방법을 수정 하여 사용성 평가를 하였다.
센서부 연결단자는 미니 USB 형태이며, 센서로부터의 신호를 받고 센서부에 필요한 전기를 공급한다. 또한 리튬이온 배터리와 외부전원 입력단자를 채용하여 충전이 가능하도록 설계하였다. 근전도 센서는 최대 4개까지 연결할 수 있으며 접지를 위한 별도의 단자가 포함되어 있다.
차등증폭 방식을 이용하면 근육의 길이방향으로의 전위차만을 증폭하기 때문에 뇌파나 안전도는 각 전극에서 비슷한 전위를 가져 서로 상쇄되어 뇌파, 안전도와 같은 근전도 이외의 생체 전위와 전기잡음의 증폭을 최대한 억제한다. 또한 본 논문에서의 근전도 센서는 부착하기 위한 젤이나 테이프가 필요 없도록 건식타입으로 제작되었다.
본 논문에서는 이 물기에 의해 발생된 근전도 신호를 획득하고 이를 전송 및 처리하여 사지마비 장애인이 사용할 수 있는 입력 인터페이스 기술 및 전동 휠체어 제어를 위한 응용 시스템을 개발하였다. 또한 제한된 이 물기 동작으로 보다 편리하게 전동 휠체어, 마우스, 컴퓨터 게임 등을 조작할 수 있도록 명령 입력 방법 및 조작 방법도 제안하였다. 본 논문에서의 근전도 기반 전동 휠체어 제어 시제품과 기존의 상용 제품의 사용성 비교를 위해 실수요자인 사지마비 장애인을 대상으로 하는 평가 시험이 이루어졌으며 시험 선로를 통과하는 시간과 선로를 벗어난 회수를 고려할 때 본 논문에서의 방법이 기존의 방법에 비해 조작이 편하고 정확하다고 판단된다.
근전도 신호를 획득하기 위해서는 근전도 신호를 감지하여 증폭하는 역할을 하는 근전도 센서와 A/D 변환을 수행하고 무선으로 데이터를 전송하는 신호 전송부가 필요하다. 본 논문에서는 근전도 신호를 감지하고 증폭하기 위하여 증폭비가 930배에서 10000배, 주파수 대역이 80Hz에서 480Hz, S/N 비율이 30dB 이상인 능동형 근전도 센서를 제작하였다. 본 논문에서의 능동형 근전도 센서의 외관 및 스펙은 다음 그림 및 표와 같다.
그림 14. 본 논문에서의 방법에 의해 테트리스 게임을 조작하는 장면.
한편 그림 13은 본 논문에서의 마우스포인터 조작 방법의 비교평가를 위한 프로그램 GUI이다. 본 프로그램을 이용하여 왼쪽 화면상에 표시된 사각형으로 마우스포인터를 이동하고, 선택 (마우스 왼쪽 버튼)을 하면 임의의 위치로 사각형이 이동하며 이와 같은 동일 작업을 100번 정도 반복하여 한번 작업 수행시의 평균 시간을 비교하였다. 비교 시험은 국립재활병원의 도움을 받아 1명의 사지마비 장애인과 1명의 비장애인을 대상으로 이루어졌다.
시험 목적이 두 가지 방법 중 어떤 방법이 신속하고 정확하게 전동휠체어를 조정할 수 있는 지를 비교하는 것이어서, 전진, 전진 중 좌우 회전이 모두 이용될 수 있도록 시험 선로를 설정하고 실험의 종속변인으로서 시험 선로를 통과할 때의 시간과 충돌횟수가 측정되었다. 실험에 이용된 테스트 코스는 폭 1.
신호처리부로 전송된 근전도 신호는 각 채널 별로 신호를 블록으로 나누어 각 블록 별로 특징을 구하고 각 특징으로 부터 좌, 우 채널의 역치 값을 설정하여 패턴을 분류한다. 본 논문에서 특징으로 사용된 것은 근전도 신호 분석에 많이 이용되고 있는 절대차분 평균치 (DAMV: Difference Absolute Mean Value)이며 그 정의는 다음과 같다.
결정된 패턴에 따라 시스템을 제어하는 과정에서는 각 시스템에 따라 이전 단계에서의 명령과 분류된 현재 및 과거의 패턴을 고려하여 적절한 명령을 수행하도록 한다. 실시간으로 좌, 우, 양측 이 물기 인식이 가능하다면 적용할 대상에 따라 기본 동작을 조합하고 적절한 사용자 인터페이스를 구성하여 포인팅디바이스, 문자입력, 전동휠체어 등의 입력 인터페이스로서 본 논문에서의 방법을 사용할 수 있다. 다음에서는 각 응용 시스템에 따라 이 물기에 의한 입력 방법이 활용되는 예를 살펴보고자 한다.
실험 방법은 먼저 피험자에게 전체적인 작동 방법을 설명한 후 전동 휠체어에 앉게 한다. 그리고 인터페이스 시스템만 전원을 켜고 전동휠체어의 전원은 끈 상태에서 직진, 전진 중 좌/우 회전, 멈춤 명령 수행을 훈련한다.
이때 실험의 독립변인으로서 본 논문에서의 입력 인터페이스 기술을 적용한 전동휠체어와 기존에 상용화되어 사용되고 있는 호흡조절 (sip & puff control) 전동휠체어가 설정 하였다. 호흡조절 방법은 들숨을 짧고 길게 하거나 날숨을 짧고 길게 하는 4개의 조합으로 전진, 전진 중 좌회전, 전진중 좌/우 회전, 멈춤을 수행할 수 있다.
비교 시험은 국립재활병원의 도움을 받아 1명의 사지마비 장애인과 1명의 비장애인을 대상으로 이루어졌다. 장애인의 경우에는 1시간 미만의 인터페이스 시제품 사용 후 평가가 이루어졌다.
한편 본 논문에서 개발된 전동 휠체어 제어기 시제품을 이용하여 국립재활원과의 공동연구를 통해 실수요자인 척수손상 장애인의 사용성 평가시험을 수행하였다. 실험 대상은 일반전동휠체어 사용에 제한이 있는 척수손상 환자로서 그 선정기준은 진단이 경추 4-5번 장애로 판정되고, 발병 후 기간이 6개월 이상이고, 인지수준이 프로그램을 이해할 정도인 장애인을 대상으로 하였다.
대상 데이터
따라서 이 물기를 이용한 방법은 총 20명이, 호흡 방식의 제어 방법은 총 12명만이 참가하였다. 두 가지 휠체어 제어 방법에 모두 참가한 인원은 10명이었으며 이 중 2명은 테스트 도로를 벗어나는 경우가 3회 이상이어서 이를 제외한 나머지 8명만의 데이터를 분석하였다. 두 방법 모두 이동 속도는 중증 척수 장애인이 이동 시에도 부담을 느끼지 않으면서 가능한 빠른 속도인 약 0.
피험자가 장애 정도가 심하면 실험 후에 충분한 휴식이 필요하기도 하여 하루 동안에 두 가지 휠체어 제어 방법을 모두 평가 할 수가 없는 경우도 발생했다. 따라서 이 물기를 이용한 방법은 총 20명이, 호흡 방식의 제어 방법은 총 12명만이 참가하였다. 두 가지 휠체어 제어 방법에 모두 참가한 인원은 10명이었으며 이 중 2명은 테스트 도로를 벗어나는 경우가 3회 이상이어서 이를 제외한 나머지 8명만의 데이터를 분석하였다.
근전도 센서는 최대 4개까지 연결할 수 있으며 접지를 위한 별도의 단자가 포함되어 있다. 무선전송에는 블루투스칩 (LG이노텍의 BlueCore02)을 사용하였으며, 샘플링은 1kHz, 12bit, 데이터 전송 시의 시간지연은 50ms이내, 송수신반경은 10m 이내이다.
1)이 사용되었다. 본 논문에서 사용된 블루투스 USB 동글은 시리얼통신을 지원하며 본 논문에서도 시리얼통신을 통해 데이터를 획득하였다.
본 프로그램을 이용하여 왼쪽 화면상에 표시된 사각형으로 마우스포인터를 이동하고, 선택 (마우스 왼쪽 버튼)을 하면 임의의 위치로 사각형이 이동하며 이와 같은 동일 작업을 100번 정도 반복하여 한번 작업 수행시의 평균 시간을 비교하였다. 비교 시험은 국립재활병원의 도움을 받아 1명의 사지마비 장애인과 1명의 비장애인을 대상으로 이루어졌다. 장애인의 경우에는 1시간 미만의 인터페이스 시제품 사용 후 평가가 이루어졌다.
한편 본 논문에서 개발된 전동 휠체어 제어기 시제품을 이용하여 국립재활원과의 공동연구를 통해 실수요자인 척수손상 장애인의 사용성 평가시험을 수행하였다. 실험 대상은 일반전동휠체어 사용에 제한이 있는 척수손상 환자로서 그 선정기준은 진단이 경추 4-5번 장애로 판정되고, 발병 후 기간이 6개월 이상이고, 인지수준이 프로그램을 이해할 정도인 장애인을 대상으로 하였다.
시험 목적이 두 가지 방법 중 어떤 방법이 신속하고 정확하게 전동휠체어를 조정할 수 있는 지를 비교하는 것이어서, 전진, 전진 중 좌우 회전이 모두 이용될 수 있도록 시험 선로를 설정하고 실험의 종속변인으로서 시험 선로를 통과할 때의 시간과 충돌횟수가 측정되었다. 실험에 이용된 테스트 코스는 폭 1.5미터, 길이 10 여 미터의 굴절코스로서 구체적인 것은 다음 그림과 같다.
관자근이 활성화 되면서 획득된 근전도 신호는 블루투스 무선통신 프로토콜을 통해 컴퓨터로 전송된다. 이때의 전송된 신호를 컴퓨터에서 수신하기 위하여 블루투스 USB 동글 (Airlogic 사의 Airbridge calss 1.1)이 사용되었다. 본 논문에서 사용된 블루투스 USB 동글은 시리얼통신을 지원하며 본 논문에서도 시리얼통신을 통해 데이터를 획득하였다.
상용 임베디드 리눅스용 보드를 이용하여 구성된 신호처리 모듈은 무선으로 전송되는 근전도 신호를 수신하고 이를 처리하여 패턴 인식 결과 및 휠체어 제어 명령을 디스플레이하고, 전동 휠체어의 조정기에 전달하는 기능을 수행한다. 이용된 임베디드 리눅스 보드는 FA Linux사의 EZ-X5로서 EZ-X5 는 Intel PXA255-400을 탑재한 보드로서 그래픽환경을 위한 터치패드와 최대 1024x768을 지원할 수 있는 LCD 인터페이스를 제공한다. 또한 무선으로 전송되는 근전도 신호의 수신을 위해 이니티움 사의 RS232 시리얼 포트를 지원하는 SD202 [10]를 사용하여 케이스 내에 삽입하였다.
이론/모형
이 물기를 이용하여 마우스의 위치를 제어하는 기존의 방법에서는 ‘상하좌우 제어’ 방식 [12]이 사용되었다. 즉, 이 물기 동작의 기본 패턴을 조합으로 이용하여 마우스포인터를 상하좌우로 이동하였다.
성능/효과
그림에서와 같이 데이터 분석에 이용된 8명 중 1명만이 호흡에 의한 제어 방법이 이 물기에 의한 제어 방법 보다 통과시간이 짧았으며 나머지 피험자들은 모두 이 물기에 의한 방법이 기존의 호흡에 의한 제어 방법 보다 통과시간이 짧았다. 평균값 및 표준 편차를 비교하더라도 기존의 호흡에 의한 방법 보다는 이 물기에 의한 방법이 약 22% 정도 통과 시간이 단축되었으며 사용자간 표준편차도 40% 수준으로 줄어들었다.
따라서 기존의 호흡에 의한 방법과 이 물기에 의한 방법을 비교 했을 때 이 물기에 의한 방법이 기존의 호흡에 의한 방법보다 조작이 쉽고 정확하여 사용이 편리하다는 것을 확인할 수 있었다.
09초이었다. 또한 장애인과 비장애인의 경우, 본 논문에서의 근전도 기반 마우스 인터페이스를 사용할 때 사각형으로 포인터를 이동시키고 선택하는데 걸리는 시간은 평균 7.67초 정도이었다. 추후 보다 많은 피험자에 의한 실험이 필요하겠지만 본 논문에서의 방법이 기존의 마우스를 이용하는 방법에 비해 사용성이 약 1/7 수준인 것을 확인할 수 있었다.
또한 제한된 이 물기 동작으로 보다 편리하게 전동 휠체어, 마우스, 컴퓨터 게임 등을 조작할 수 있도록 명령 입력 방법 및 조작 방법도 제안하였다. 본 논문에서의 근전도 기반 전동 휠체어 제어 시제품과 기존의 상용 제품의 사용성 비교를 위해 실수요자인 사지마비 장애인을 대상으로 하는 평가 시험이 이루어졌으며 시험 선로를 통과하는 시간과 선로를 벗어난 회수를 고려할 때 본 논문에서의 방법이 기존의 방법에 비해 조작이 편하고 정확하다고 판단된다.
67초 정도이었다. 추후 보다 많은 피험자에 의한 실험이 필요하겠지만 본 논문에서의 방법이 기존의 마우스를 이용하는 방법에 비해 사용성이 약 1/7 수준인 것을 확인할 수 있었다.
테스트 도로를 벗어난 경우도 호흡에 의한 기존방법이 평균 1.6회인 반면 이 물기에 의한 방법은 0.7회로 절반 이상 줄어든 것을 확인할 수 있었다.
그림에서와 같이 데이터 분석에 이용된 8명 중 1명만이 호흡에 의한 제어 방법이 이 물기에 의한 제어 방법 보다 통과시간이 짧았으며 나머지 피험자들은 모두 이 물기에 의한 방법이 기존의 호흡에 의한 제어 방법 보다 통과시간이 짧았다. 평균값 및 표준 편차를 비교하더라도 기존의 호흡에 의한 방법 보다는 이 물기에 의한 방법이 약 22% 정도 통과 시간이 단축되었으며 사용자간 표준편차도 40% 수준으로 줄어들었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
근전도란 무엇인가?
한편 근전도는 신체의 움직임에 따라 근육 표면으로부터 근섬유를 따라 일어나는 전기적 신호를 의미하며, 근전도 신호의 크기는 대부분 10mV 이하이며 그 주파수 범위는 500 Hz 미만이다 [2]. 또한 근전도 신호는 근육 근처의 피부 표면에서 비교적 간단하게 측정할 수 있다.
목을 움직이는 방법이 휠체어 제어를 위한 인터페이스로서 고려된 적이 있으나 어떤 단점이 있는가?
사지마비 장애인은 척수 손상의 정도에 따라 목을 움직일 수도 있으며, 목을 움직이기 어려운 상태에서는 눈 깜빡임, 안면 찡그림, 이 물기 정도의 동작이 가능하다. 목을 움직이는 방법은 휠체어 제어를 위한 인터페이스로서 고려된 적이 있으나 [3], 이동 중에 목의 움직임이 자유롭지 않고 목 움직임이 어려운 장애인에게는 적용하기 어려운 단점이 있다. 눈 깜빡임을 이용하는 인터페이스[7]는 의도되지 않게 눈을 깜빡일 수도 있으며 눈을 깜빡이는 순간에는 전면을 주시할 수 없기 때문에 휠체어 제어를 위한 입력 수단으로 사용하기 위해서는 별도의 처리 과정이 필요하다.
이 물기 동작에 관계되는 근육인 깨물근의 근전도로 휠체어 제어를 하면 단점은 무엇인가?
이 물기 동작에 관계되는 근육은 양 턱에 위치한 깨물근 (masseter muscle), 관자놀이 부근에 위치한 관자근 (temporalis muscle)이 있다 [8]. 깨물근은 양 턱에 위치하고 있기 때문에 근전도 신호를 획득하기 위해서는 양쪽 턱에 센서를 부착하여야 하므로 센서의 부착이 용이하지 않으며, 부착이 되었다고 하더라도 사용하기에는 불편하다. 반면, 관자근은 양 이마의 관자놀이 부근에 위치하고 있기 때문에 센서를 모자나 헤드밴드에 부착하는 식으로 센서를 쉽게 위치시킬 수 있다.
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