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문제 정의
- 구현된 시스템의 실용 가능성을 평가하기 위하여, 본 논문에서는 안구운동과 깨물기를 통한 EOG와 EMG 신호만을 이용하여 로봇의 움직임을 제어 가능하도록 구현했다. 대상 로봇으로는 휴대용 컴퓨터를 통한 인터페이스가 용이한 evolution robotics社의 ER1을 이용하였다.
- 본 논문에서는 사지를 움직이지 않고도 이마의 양 끝에 부착된 전극과 장치를 통해서 컴퓨터와 소통할 수 있는 인터페이스 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 사용자의 편의성을 고려하여 두개의 피부부착전극만으로도 안구의 움직임으로 발생하는 EOG와 이 물기에 의해 발생되는 EMG신호를 동시에 측정 가능하도록 하였다.
- 이에 본 논문에서는, 기존 인터페이스들의 한계를 극복하기 위해 안전도(electrooculogram, EOG)와 근전도(electromyogram, EMG)를 동시에 이용하여 신체적인 제약이 있는 장애인에게 도움을 줄 수 있는 인터페이스 기술을 개발하였다. 제안된 시스템은 좌·우에 대한 직관적인 표현이 가능한 안구의 수평방향 EOG와, 외부에 노출되지 않고 즉각적인 의사전달이 가능한 이 물기를 통한 EMG를 병용하여 사용자의 거부감을 최소화 하면서도 다양한 조작 패턴을 표현 가능한 인터페이스이다.
제안 방법
- 5Hz를 선정하여 1Hz 미만의 저주파 대역에서도 나타날 수 있는 EOG 신호가 크게 감쇄되어 SNR이 낮아지는 것을 방지하고, 몸의 움직임에 따라 간헐적으로 발생될 수 있는 큰 진폭의 저주파 신호에 의해 신호가 포화되어 손실되는 것을 방지했다. LPF는 전력선잡음을 제거하기 위해 통상 사용되는 60Hz 대역 제거필터(band reject filter, BRF)나 높은 차수(order)의 60Hz LPF 대신 2차의 40Hz LPF를 사용하여 회로를 단순화하면서 동시에 필터의 차수 대비 시스템의 이 물기에 의한 EMG를 감지해내는 성능을 최대한 만족하도록 하였다. 또한 신호의 증폭은 필터를 거치기 이전에 남아있는 잡음성분이 높은 이득으로 증폭되고 이로 인해 신호가 포화되어 정보가 손실되는 것을 방지하기 위해 3단계에 거쳐 다단증폭을 하였다.
- 개발된 시스템은 그림 1과 같이 생체신호 측정을 위한 하드웨어부와 디지털 신호처리 및 패턴분류 알고리즘을 포함한 소프트웨어부로 구성된다. 사용자의 신체에서 발생되는 EMG와 EOG가 포함된 생체신호는 센싱 모듈에서 감지되어 아날로그 필터와 증폭기를 통해 잡음제거 및 신호의 증폭 과정을 거친 뒤 아날로그-디지털 변환(analog to digital convert, ADC)을 통해 양자화된다.
- 본 논문에서는 사지를 움직이지 않고도 이마의 양 끝에 부착된 전극과 장치를 통해서 컴퓨터와 소통할 수 있는 인터페이스 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 사용자의 편의성을 고려하여 두개의 피부부착전극만으로도 안구의 움직임으로 발생하는 EOG와 이 물기에 의해 발생되는 EMG신호를 동시에 측정 가능하도록 하였다. 원신호에 섞여서 나타나는 이 두 가지 신호를 분리해 추출하고 병용함으로써 두 가지[5], 세 가지[1], 혹은 여섯 가지 명령패턴[2]이 가능한 기존 연구대비 보다 다양한 명령이 가능하도록 총 아홉 가지의 명령패턴을 구분하여 인식할 수 있도록 하였다.
- 이를 통해 전달된 생체신호는 1차적으로 시스템에서 필요 없는 고주파 성분을 제거하기위해 40Hz의 저역통과필터(low pass filter, LPF)를 거쳐 초단 계측증폭기로 넘어간다. 계측증폭기에서 차동증폭된 신호는 rail-to-rail 방식의 연산증폭기를 이용해 구성된 고역통과필터(high pass filter, HPF)와 LPF를 총 4 차례 더 거쳐 시스템에서 필요로 하는 정보를 가지고 있는 대역폭의 생체신호로 처리된다. 필터는 계측증폭단과 1차 HPF, 2차 LPF, 2차 HPF, 1차 LPF 순서로 구성하되 각각 LPF는 40Hz, HPF는 0.
- LPF는 전력선잡음을 제거하기 위해 통상 사용되는 60Hz 대역 제거필터(band reject filter, BRF)나 높은 차수(order)의 60Hz LPF 대신 2차의 40Hz LPF를 사용하여 회로를 단순화하면서 동시에 필터의 차수 대비 시스템의 이 물기에 의한 EMG를 감지해내는 성능을 최대한 만족하도록 하였다. 또한 신호의 증폭은 필터를 거치기 이전에 남아있는 잡음성분이 높은 이득으로 증폭되고 이로 인해 신호가 포화되어 정보가 손실되는 것을 방지하기 위해 3단계에 거쳐 다단증폭을 하였다. 즉, 그림 3과 같이 초단 증폭단에서 10배, 2차 증폭단에서 10배, 그리고 마지막으로 3차 증폭단에서 10배로 총 1000배 증폭되도록 하였다.
- 이를 통해 사용자에게 전극 부착에 따른 거부감을 낮추고 편의성을 높였다. 또한, 측정부와 전원부를 분리하여 갑작스럽게 전원으로부터 유입될 수 있는 과전류로부터 사용자를 보호할 수 있도록 구현하였다.
- 반면, 관자부근에 위치한 측두근은 깨물근 대비 신호의 크기는 작으나, 이 물기에 의한 활동 및 비활동 신호구분이 명확하고 이마 부근에서 측정이 가능하기 때문에 모자나 헤드밴드와 같은 액세서리로 가릴 수 있는 장점이 있다. 또한, 통상 다채널 생체신호 감지 시스템에서 필요로 하는 기준 전극을 제거하고 두 전극 간 차동신호를 입력으로 받아 처리하여 전극의 수를 줄였다. 따라서 수평 EOG 신호 및 측두근의 EMG 신호는 그림 2와 같이 이마에 위치한 두 개의 전극을 통해 동시에 획득되며, 이 두 가지 신호를 처리하는 자세한 방법은 ‘II.
- 본 논문에서는 이마에 부착된 두 개의 염화은(Ag/AgCl) 전극을 통해 EOG 및 EMG신호를 동시에 측정한다. EOG는 안구의 움직임에 의해 발생되는 각막-망막전위 신호다.
- 시스템을 통한 로봇 주행 성능의 평가를 위해, 본 논문에서는 그림 9 (b)와 같이 로봇이 주행해야 할 경로를 미리 지정하고 탈선하지 않고 완주가 가능한지를 실험하였다. 사용자가 로봇을 조종하기 위한 가장 직관적이고 간편한 신호를 사용할 수 있도록, 정의된 아홉 개의 패턴 중 안전도만을 이용한 PR, PL, DR, DL 의 네 가지 명령과 근전도만의 신호인 SB를 포함하여 총 5가지 명령 패턴을 각각 우회전, 좌회전, 전진, 후진, 정지 기능으로 로봇 조종에 사용하였다. ER1 로봇은 그림 9 (b)의 화살표가 시작되는 시작(start)지점부터 움직여 다시 끝(end)지점으로 도달하도록 조종된다.
- 사용자의 의사가 제대로 전달되지 않은 경우에 대한 원인 분석을 실행하였고, 그 결과는 표 3에 정리되었다. 실험에 있어 명령이 주어지지 않았으나, 잡음으로 인해 명령이 주어진 것으로 오인되는 경우는 나타나지 않았으나, 특정 패턴입력 시 다른 패턴으로 인식되거나 전달된 명령을 잡음으로 판단하여 명령을 무시한 경우가 대부분을 차지했다.
- 세 번째는 ‘작은 크기 EMG’로 이 물기를 한 세기가 임계값을 충분히 넘지 못해 생기는 경우로, 이 물기 세기 조절의 실패에 따라 PR, PL, DR, DL 등의 신호로 변질되어 패턴분류가 되었다.
- 개발된 시스템은 사용자의 편의성을 고려하여 두개의 피부부착전극만으로도 안구의 움직임으로 발생하는 EOG와 이 물기에 의해 발생되는 EMG신호를 동시에 측정 가능하도록 하였다. 원신호에 섞여서 나타나는 이 두 가지 신호를 분리해 추출하고 병용함으로써 두 가지[5], 세 가지[1], 혹은 여섯 가지 명령패턴[2]이 가능한 기존 연구대비 보다 다양한 명령이 가능하도록 총 아홉 가지의 명령패턴을 구분하여 인식할 수 있도록 하였다. 이러한 아홉 가지 명령패턴의 인식성능 평가 실험에서 평균 92.
- 통상 목 뒤에 기준 전극을 붙이고, 이마의 양 끝에서는 눈의 좌우 움직임에 대한 수평신호를 얻고 눈의 위·아래에서는 눈의 상하 움직임에 대한 수직신호를 얻는다. 이 두 가지 신호 중, 본 논문에서는 사용자의 편의성을 위해 상대적으로 전극부착의 거부감이 적은 수평신호만을 사용한다. 이 물기에 사용되는 근육은 대표적으로 깨물근(masseter muscle)과 측두근(temporalis muscle)의 2가지가 있다.
- EOG 수평신호는 그림 6 (a)에 나타난 바와 같이 눈이 우측 이동 후 제자리로 돌아오는 패턴의 운동을 하였을 때 양의 곡선과 음의 곡선이 차례로 나타나는 경향은 동일하게 나타나지만, 눈이 이동 후에 머물러 있는 지연시간에 따라 그 파형의 모양이 다양하여 일관성을 찾기 어렵다. 이에 본 논문에서는, 통상 사용자가 눈동자의 이동 후 제자리에 돌아오는 시간으로 수용할 수 있는 0.2초에서 0.8초의 지연시간을 갖는 EOG 수평신호로 인식범위를 제한했다. 또한, 패턴인식의 용이성을 위해 K차(order) 1.
- 이후 DR명령에의해 전진, SB, PL, SB, … 와 같은 순서로 ER1에 명령이 전달된다. 이와 같은 방식의 명령을 통해 출발지점에서부터 차례로 우회전, 정지, 직진, 정지, 좌회전, 정지, 직진, 정지, 좌회전, 정지, 직진, 정지, 후진, 정지, 직진, 정지, 좌회전, 직진, 정지 와 같은 순서로 로봇을 조종하여 전체 경로는 일주하였다. 그림 9 (b)에 나타난 바와 같이 ER1은 정의된 경로를 벗어남이 없이 충분히 조종가능하였으며, 개발된 사용자 인터페이스는 로봇 이외에도 다양한 기기에 적용되어 유용하게 사용될 수 있을 것으로 본다.
- 제안된 시스템은 좌·우에 대한 직관적인 표현이 가능한 안구의 수평방향 EOG와, 외부에 노출되지 않고 즉각적인 의사전달이 가능한 이 물기를 통한 EMG를 병용하여 사용자의 거부감을 최소화 하면서도 다양한 조작 패턴을 표현 가능한 인터페이스이다.
- 제안한 인터페이스기술을 응용시스템에 적용하기 전, java로 구현한 실시간 모니터링 프로그램을 통해 명령 인식 성능을 평가하였다. 평가를 위해 사용자는 정의된 아홉 가지 명령신호 중 임의의 명령신호를 비정기적으로 20여 차례 보내도록 하였다. 이를 한 회의 연속 명령으로 정의하고, 이를 10회 반복하였다.
대상 데이터
- 구현된 시스템의 실용 가능성을 평가하기 위하여, 본 논문에서는 안구운동과 깨물기를 통한 EOG와 EMG 신호만을 이용하여 로봇의 움직임을 제어 가능하도록 구현했다. 대상 로봇으로는 휴대용 컴퓨터를 통한 인터페이스가 용이한 evolution robotics社의 ER1을 이용하였다. 구현된 시스템은 telnet을 통해 ER1로봇과 무선으로 연결되어 명령신호를 전달하고, 명령신호를 전달 받은 로봇은 드라이버를 통해 모터를 제어하며 그림 8과 같은 하나의 응용시스템 구조를 이룬다.
데이터처리
- 제안한 인터페이스기술을 응용시스템에 적용하기 전, java로 구현한 실시간 모니터링 프로그램을 통해 명령 인식 성능을 평가하였다. 평가를 위해 사용자는 정의된 아홉 가지 명령신호 중 임의의 명령신호를 비정기적으로 20여 차례 보내도록 하였다.
성능/효과
- 23%의 인식률을 보여 기존 관련 연구에서 보인 82%[5], 95%[2], 95%[4] 대비 부족함 없는 성능을 보였다. 또한 응용시스템으로서 다섯 가지 패턴을 이용하여 ER1 로봇의 조종에 응용하여 실생활에서의 활용방안을 제시했으며 HRI로도 충분히 사용 가능함을 보였다. 제안된 시스템은 전동휠체어와 같은 보조기구에 응용하여 운신을 돕거나 PC 조작을 위한 리모트 컨트롤러의 역할을 수행함으로써 정보 소외계층의 접근성 향상에 이바지 하는 등 HMI 기술로서 다양하게 적용이 가능하여 거동이 불편한 장애인을 위한 새로운 인터페이스로의 발전이 기대된다.
- 이는 피실험자의 시간 감각에 의존성이 강하기 때문에 생기는 것으로 훈련에 의해 인식률을 높일 수 있을 것으로 본 다. 실제로 본 실험을 통해서도 실험의 진행도에 따라 사용자가 명령전달에 익숙해져서 인식률이 높아지는 경향을 볼 수 있었다. 세 번째는 ‘작은 크기 EMG’로 이 물기를 한 세기가 임계값을 충분히 넘지 못해 생기는 경우로, 이 물기 세기 조절의 실패에 따라 PR, PL, DR, DL 등의 신호로 변질되어 패턴분류가 되었다.
- 표 2는 정의된 9가지 명령에 대한 인식결과를 나타낸다. 실험결과 총 1842회 명령에 대한 평균 인식률은 92.52%로 일반적인 인터페이스 방식으로 사용하기에 무리가 없는 수준으로 나타났다. 각 명령 유형별 인식 거부율은 0%에서 최대 14.
- 원신호에 섞여서 나타나는 이 두 가지 신호를 분리해 추출하고 병용함으로써 두 가지[5], 세 가지[1], 혹은 여섯 가지 명령패턴[2]이 가능한 기존 연구대비 보다 다양한 명령이 가능하도록 총 아홉 가지의 명령패턴을 구분하여 인식할 수 있도록 하였다. 이러한 아홉 가지 명령패턴의 인식성능 평가 실험에서 평균 92.52%의 성능을 보였고 그 중 비교적 조작 난이도가 낮은 다섯 가지 패턴 대해에서는 평균 96.23%의 인식률을 보여 기존 관련 연구에서 보인 82%[5], 95%[2], 95%[4] 대비 부족함 없는 성능을 보였다. 또한 응용시스템으로서 다섯 가지 패턴을 이용하여 ER1 로봇의 조종에 응용하여 실생활에서의 활용방안을 제시했으며 HRI로도 충분히 사용 가능함을 보였다.
- 69%의 편차를 보인다. 인식 거부율에 대한 분석결과 EOG만을 이용한 명령보다는 EOG와 EMG를 동시에 사용한 명령이 사용되는 경우 상대적으로 낮은 명령인식률을 보이는 것으로 나타났다.
후속연구
- 이와 같은 방식의 명령을 통해 출발지점에서부터 차례로 우회전, 정지, 직진, 정지, 좌회전, 정지, 직진, 정지, 좌회전, 정지, 직진, 정지, 후진, 정지, 직진, 정지, 좌회전, 직진, 정지 와 같은 순서로 로봇을 조종하여 전체 경로는 일주하였다. 그림 9 (b)에 나타난 바와 같이 ER1은 정의된 경로를 벗어남이 없이 충분히 조종가능하였으며, 개발된 사용자 인터페이스는 로봇 이외에도 다양한 기기에 적용되어 유용하게 사용될 수 있을 것으로 본다.
- 제안된 시스템은 좌·우에 대한 직관적인 표현이 가능한 안구의 수평방향 EOG와, 외부에 노출되지 않고 즉각적인 의사전달이 가능한 이 물기를 통한 EMG를 병용하여 사용자의 거부감을 최소화 하면서도 다양한 조작 패턴을 표현 가능한 인터페이스이다. 또한 이를 로봇과 연동해 정해진 주행 경로를 완주하는데 성공함으로써 실생활에서의 활용방안을 제시하였고 향후 전동휠체어와 연동되거나 PC 조작을 위한 리모트 컨트롤러의 역할을 수행하는 등 HMI 기술로서 다양하게 적용이 가능하여 거동이 불편한 장애인을 위한 새로운 인터페이스로의 발전이 기대된다.
- 또한 응용시스템으로서 다섯 가지 패턴을 이용하여 ER1 로봇의 조종에 응용하여 실생활에서의 활용방안을 제시했으며 HRI로도 충분히 사용 가능함을 보였다. 제안된 시스템은 전동휠체어와 같은 보조기구에 응용하여 운신을 돕거나 PC 조작을 위한 리모트 컨트롤러의 역할을 수행함으로써 정보 소외계층의 접근성 향상에 이바지 하는 등 HMI 기술로서 다양하게 적용이 가능하여 거동이 불편한 장애인을 위한 새로운 인터페이스로의 발전이 기대된다.
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