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근전도 생체 신호를 이용한 지능형 외골격 로봇팔의 구현
The Implementation of the Intelligent Exoskeleton Robot Arm Using ElectroMiogram(EMG) vital Signal 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.22 no.5, 2012년, pp.533 - 539  

전부일 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학부) ,  조현찬 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학부) ,  전홍태 (중앙대학교 전자전기공학부)

초록
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본 연구는 사람 팔의 움직임에 따른 신체 발생 신호인 근육의 근전도 데이터를 실시간으로 추출하여 신호 발생에 따른 외골격 로봇 팔의 동작을 통해 제어신호의 유효성을 평가하는데 그 목적이 있다. 지능형 알고리즘에 의해 인간의 인지와 판단의 결과가 팔의 근육을 통해서 제어 가능한 지를 실제 시스템을 구성하여 확인해 보는 것이다. 근육의 수축과 이완에 따른 근전도 센서 데이터는 외골격 로봇 팔을 구동하는 원신호로 사용되며 로봇 구동을 위한 힘을 전달하는 엑츄에이터가 인간의 팔의 동작을 모사한다. 이를 위해 아날로그 필터회로와 관련 회로를 설계하여 신호를 추출하였고 시스템의 동작을 위해 DSP컨트롤러를 통한 신호처리과정을 거친 후 지능 알고리즘을 통한 부하의 정확한 예측을 위한 퍼지 논리 알고리즘의 동작을 표현할 수 있는 외골격 로봇 팔을 제작하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The purpose of this study is to estimate a validity of control signal through a design of Exoskeleton Robot Arm's capable of intelligent recognition as a human arm's motion by using realtime processed data of generated EMG signals. By an intelligent algorithm, the EMG output value of human biceps an...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 근전도 신호를 이용해 외골격 로봇팔을 효율적으로 제어할 수 있는 지능형 알고리즘과 이를 이용한 외골격 로봇팔의 구현 방법에 대해 제안한다. 이를 위해 우선적으로 아날로그 필터링 기법을 이용한 근전도(EMG: Electromyogram)[2][4] 신호 추출을 실행하였다.
  • 근전도 신호를 이용한 외골격 로봇 시스템을 구성한 뒤 실험을 시행하였다. 부하에 따라 어느 정도의 정확성을 가지고 근전도 신호의 퍼지 제어 효율을 얻을 수 있는가에 대해 확인하는 것이다. 부하를 무게별로 실험군을 1kg에서 10kg까지 1kg 단위로 구분하여 10가지로 구성한 뒤, 각각의 부하를 순서에 따라 10회 반복하여 외골격 로봇팔이 어느 정도의 정확성을 가지고 부하를 들어 올리고 내리는지 확인하고 부하의 오류 확률 및 횟수(출력 근전도 데이터가 측정 부하의 오차범위 ±1KG을 벗어나는 횟수와 빈도)를 측정한다.
  • 또한 근육의 부하에 따른 변화와 팔의 움직임에 따른 신호의 추출 및 아날로그 필터링 된 신호의 디지털 처리와 제어기 컨트롤을 위해 고속의 데이터 처리가 가능한 DSP(Digital Signal Processing)컨트롤러[3]를 사용하였다. 일련의 과정을 통해 매우 안정적인 제어 효율성을 가진 외골격 로봇팔의 기능을 구현하는데 1차 적인 목적이 있으며 다양한 상황을 예측 가능한 알고리즘으로 구현하여 사용자가 원하는 행동 양식과 요구에 가장 부합할 수 있는 지능적인 제어의 가능성을 확인하고 효율성을 검증하는데 그 궁극적인 목적이 있다. 본 논문은 아날로그 회로설계에 이은 구동 보드의 설계에 이어서 DSP컨트롤러를 이용한 신호 처리 과정과 외골격 로봇 하드웨어 설계, 퍼지 알고리즘에 의한 로봇 컨트롤 부분을 거쳐 실제 제어기의 흐름도에 입각한 실험 결과를 기준으로 결과를 검증 및 효용성을 입증하고 향후 연구의 진행 방향을 모색하는 순으로 구성되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
근전도의 장점은 무엇인가? 이러한 근전도는 근육의 양이나 사용자의 상황, 근섬유의 조직이나 특정 동작 여부에 따라 다양한 인체의 정보를 내포하고 있으며 그 신호의 유형을 분석하여 사람의 인지 능력을 가늠할 수 있는 신호로 활용될 수 있다. 특히 인체의 자연 발생 신호라는 점에서 가장 획득이 용이하고 복잡한 과정이 필요 없이 가장 정확한 인간의 심리적·정신적인 상태를 예측할 수 있다는 장점을 가진다[1]. 근전도는 Electromyogram의 약어로써 EMG로 명명하고 사람의 동작이 일어나는 동안의 근육의 움직임을 보여주는 것으로써 근전도 장비를 통해서 근육에서 발생되는 전기신호를 통해 그 출력 값을 확인할 수 있다.
근전도 신호의 사용은 어떤 가능성을 가지는가? 최근 근전도와 뇌전도, 심전도 등 다양한 생체발생 신호 들에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 근전도 신호의 사용은 인체 공학적 성격이 강하며 장애인이나 노약자들을 위한 보조기구로 사용된다면 의학적 측면이나 스포츠 과학 분야의 스포츠 재활 영역에 기능적으로 활용될 가능성을 가지고 있다. 이러한 근전도는 근육의 양이나 사용자의 상황, 근섬유의 조직이나 특정 동작 여부에 따라 다양한 인체의 정보를 내포하고 있으며 그 신호의 유형을 분석하여 사람의 인지 능력을 가늠할 수 있는 신호로 활용될 수 있다.
근전도는 무엇인가? 특히 인체의 자연 발생 신호라는 점에서 가장 획득이 용이하고 복잡한 과정이 필요 없이 가장 정확한 인간의 심리적·정신적인 상태를 예측할 수 있다는 장점을 가진다[1]. 근전도는 Electromyogram의 약어로써 EMG로 명명하고 사람의 동작이 일어나는 동안의 근육의 움직임을 보여주는 것으로써 근전도 장비를 통해서 근육에서 발생되는 전기신호를 통해 그 출력 값을 확인할 수 있다. 근전도 신호는 측정은 표면 근전도(SEMG: Surface EMG)측정 방법을 사용하고 무통증 , 비침습적인 방식에 의해 표면에 전극을 부착하여 근육의 운동 단위의 총체적 활동을 정량적으로 분석할 수있고 신호 추출이 용이한 장점을 가지는 표면 근전도 측정 방법이 연구자들에게 선호되고 있다[1].
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참고문헌 (11)

  1. http://www.seedtech.co.kr, "SEED Technology" 

  2. Bok-Hee Jin, Electromyography, Korea Medical Science, 2007. 

  3. A.M. Trzynadlowski, DSP controllers-An emerging tool forelectric motor drives, IEEE Ind. Electron. Soc. Newslett, pp. 2-13, 2006. 

  4. K. Ooe and T. Fukuda, "Development of the artificial larynx with neck EMG signal control," Int. Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science, 2010. 

  5. http://www.laxtha.com, "LAXTHA" 

  6. Artemiadis, "An EMG-Based Robot Control Scheme Robust to Time-Varying EMG Signal Features," IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, vol. 14, Issue 3, pp. 582-588, 2010. 

  7. R. M. Tong, "The Evaluation of Fuzzy Models Derived from Experimental Data," Fuzzy Sets and Systems, vol. 4, pp. 1-12, 1980. 

  8. Witold Pedrycz and Fernando Gomide, Fuzzy Systems Engineering, Wiley Interscience, 2007. 

  9. Heng Cao, "Design frame of a leg exoskeleton for load-carrying augmentation," IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), pp. 426-431, 2009. 

  10. A. Zoss, H. Kazerooni, A. Chu. "On the mechanical design of theBerkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX)," in Proc. IEEE Int.Conf. Intell. Robots Syst., Edmonton, pp. 3465-3472, 2005. 

  11. A. B. Ajiboye, and R. F. Weir, "A heuristic fuzzy logic approach to EMG pattern recognition for multifunctional prosthesis control," IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 13, no. 3, pp. 280-291, 2005. 

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