KR100994408B1 - Method and device for deducting pinch force, method and device for discriminating muscle to deduct pinch force - Google Patents
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Abstract
본 발명은 손가락 힘 추정 방법 및 추정 장치, 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법 및 근육 판별 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a finger force estimating method and estimating apparatus, a muscle discriminating method for finger force estimating, and a muscle discriminating apparatus.
본 발명에 따른 손가락 힘 추정 방법은, 피측정인의 아래팔의 피부에 밀착되도록 장착된 복수 개의 근전도 센서로부터 엄지와 검지의 근육을 관장하는 7개의 근육의 근전도 신호를 획득하는 근전도 신호 획득단계, 소정의 판별식에 의하여 7개의 근육의 근전도 신호 중 힘의 측정을 위한 정보를 가지는 4개의 근육의 근전도 신호를 선정하는 근전도 신호 선정단계, 선정된 4개의 근전도 신호를 타임 윈도우 내의 근전도 신호로 각각 변환하여, 소정의 분산 알고리즘에 의하여 변환된 타임 윈도우 내의 근전도 신호의 각각에 대한 베어리언스를 산출하는 베어리언스 산출단계, 산출된 베어리언스를 인공신경망 알고리즘에 의하여 힘 신호로 추정하는 힘 신호 추정단계, 추정된 힘 신호를 디스플레이하는 단계를 포함한다.Finger force estimation method according to the present invention, the EMG signal acquisition step of acquiring the EMG signals of the seven muscles that govern the muscles of the thumb and index finger from a plurality of EMG sensors mounted to be in close contact with the skin of the underarm of the subject, EMG signal selection step of selecting EMG signals of four muscles having information for measuring the force among the EMG signals of the seven muscles by a predetermined discriminant, and converts the four selected EMG signals into EMG signals in the time window, respectively In order to calculate the bearance for each of the EMG signals in the time window converted by the predetermined variance algorithm, a force signal estimation for estimating the calculated bearance as a force signal by the artificial neural network algorithm And displaying the estimated force signal.
근전도 신호, 판별식, 분산 알고리즘, 타임 윈도우 EMG signal, discriminant, variance algorithm, time window
Description
본 발명은 손가락 힘 추정 방법 및 추정 장치, 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법 및 근육 판별 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a finger force estimating method and estimating apparatus, a muscle discriminating method for finger force estimating, and a muscle discriminating apparatus.
사람의 다재다능한 손기술은 신체의 수의운동을 관장하는 뇌와 척수의 중추신경시스템에 의해 조절된다. 물건을 잡을 때 과도한 힘을 발생하게 되면 물건을 망가뜨리게 될 것이고 미약한 힘으로 물건을 잡고자 하면 물체를 들어올리지 못하게 된다 된다. 사람은 물건을 잡을 때 과도하지도 미약하지도 않은 최적의 힘을 발생시키게 되며, 힘의 크기는 물체의 모양, 무게, 감촉에 따라 각기 다르게 조절된다. 즉, 물건을 손으로 다루는데 있어서 힘을 적절히 조절하는 것은 매우 중요하며, 이러한 힘의 크기는 근육이 수축하는 정도에 따라 변하는데 근육의 수축되는 정도는 근전도 (electromyogram)을 사용하여 관측할 수 있다.Man's versatile hand technology is controlled by the central nervous system of the brain and spinal cord, which govern the voluntary movements of the body. Excessive force when catching an object will destroy it and attempting to hold it with a weak force will not lift the object. When a person catches an object, he or she generates an optimal force that is neither excessive nor weak, and the magnitude of the force is adjusted differently according to the shape, weight, and texture of the object. That is, it is very important to properly control the force in handling the object by hand, and the magnitude of this force varies according to the degree of contraction of the muscle, which can be observed using electromyogram.
근전도는 근육의 수축 정도를 측정할 수 있는 전기생리학적 신호로써 의수로 봇 (robotic prosthesis), 외골격로봇 (exoskeleton), 원격조종 (telemanipulation)과 같은 인간-기계 상호작용 (human-machine interaction, HMI)분야에서 인간의 움직임 의도를 추출하기 위해 많이 사용되는 대표적인 생체 신호 중 하나이다. 근전도는 비침습적으로 취득할 수 있어 다른 신경신호 (electroneurogram, cortical signals)에 비해 사용이 비교적 간편하며, 실제 신체의 움직임이 일어나기 이전에 신호가 선행함으로 힘 센서나 모션카메라를 이용하여 사용자의 움직임의도를 예측하는 것 보다 앞서 의도를 해석할 수 있다는 장점이 있다. 최근 Tenore et al. 과 Nagata et al. 연구팀은 근전도 신호로부터 사람의 5개 손가락의 굽힘 및 폄 등의 10가지 이상 움직임 의도를 분석하는데 성공하였으며, 이 연구결과는 사용자가 근전도 신호를 이용하여 손 로봇 제어하는데 있어서 로봇의 손가락을 개별적으로 제어할 수 있는 가능성을 보였다 할 수 있다. 하지만 이 연구는 손가락 굽힘 및 폄과 같은 "ON", "OFF" 상태의 의도만 추출하였으며, 어느 정도의 힘으로 손가락 굽힘 및 폄을 일으킬 것인지에 관한 힘 정보는 추출하지 않았다. 최근 근전도 신호로부터 근육 힘을 추정하려는 시도가 있었지만 주로 손목, 팔꿈치 관절의 토크를 추출한 것이었으며, 손가락 힘을 추정한 연구는 본 연구팀의 조사에 의하면 존재하지 않는다. 사람이 물건을 다재다능하게 다루는데 있어서 손가락 힘 조절 기능이 매우 중요하다는 것을 상기해보면, 손 로봇을 제어하려는 목적에서 사용자의 제어 힘 추출은 매우 중요하다 할 수 있다. EMG is an electrophysiological signal that can measure muscle contraction. Human-machine interaction (HMI) such as robotic prosthesis, exoskeleton, and telemanipulation It is one of the representative bio signals widely used to extract human movement intention in the field. EMG can be acquired in a non-invasive way, so it is relatively simple to use compared to other nerve signals (electroneurogram, cortical signals), and the signal precedes before actual body movement occurs. The advantage is that the intention can be interpreted before the figure is predicted. Recently, Tenore et al. And Nagata et al. The team succeeded in analyzing more than ten movement intentions, such as bending and squeezing of five fingers from human EMG signals, and the results of the study indicate that users individually control the fingers of the robot to control the hand robot using EMG signals. It can be shown that it can be done. However, this study only extracted the intentions of "ON" and "OFF" states, such as finger bending and shaping, and did not extract force information on how much force to cause finger bending and shaping. Recently, there have been attempts to estimate muscle force from EMG signals, but mainly extracting torques of wrist and elbow joints, and the study of finger force does not exist according to our research. Recalling that the finger force adjustment function is very important for the versatility of the object, it is very important for the user to extract the control force for the purpose of controlling the hand robot.
Utah/MIT dexterous hand, Shadow dexterous hand, Cyberhand 등 현재 개발된 손 로봇들은 사람 손과 같이 5개의 손가락을 가지고 있으며, 16-자유도 이상의 움직임을 제공한다. 일본의 Okada hand는 손가락 사이에 막대를 끼고 돌리는 행동을 시연해 보이면서 손 로봇도 복잡한 동작을 수행하는 것이 기술적으로도 가능한 일이라는 것을 보여주었다. 이와 같이 사람의 섬세하고 정교한 손 움직임을 모방할 수 있는 로봇들은 활발히 개발됐음에도 불구하고, 섬세하고 정교하게 물체를 다루기 위하여 사용자의 힘 의도를 추출하는 연구는 상대적으로 미흡하였다.Currently developed hand robots, such as the Utah / MIT dexterous hand, the shadow dexterous hand, and the Cyberhand, have five fingers like the human hand and provide more than 16 degrees of freedom. Japan's Okada hand demonstrated the ability to spin a rod between fingers, demonstrating that it is technically possible for hand robots to perform complex movements as well. Although robots that can mimic human's delicate and precise hand movements have been actively developed, researches on extracting user's power intention to deal with delicate and delicate objects have been relatively insufficient.
근전도 신호로부터 손가락 힘을 예측하는 데는 다음과 같은 어려움이 존재한다. 39개의 많은 근육들이 손가락 힘을 발생하는데 기여하며, 대부분의 외근(extrinsic muscle)은 팔 깊숙이 위치해 있어 표면 전극으로 신호획득이 불가능하며, 대부분의 내근(intrinsic muscle)은 관측하기에 크기가 너무 작다. 손가락 움직임을 관장하는 근육들은 하지, 어깨 근육에 비해 부피가 작아 상대적으로 크로스토크(crosstalk)문제가 심각하게 발생한다. 사람의 신경시스템은 손가락 힘을 발생하는데 있어서 각각의 근육들을 개별적으로 제어하는 것이 아니라 여러 개의 근육을 여러 개의 그룹으로 묶어서 제어하며 힘을 발생시키는데, 다양한 패턴들이 존재한다는 연구결과가 있었지만 정확한 메커니즘에 관해서는 아직 밝혀진바 없다. 재활, 운동생리학 분야에서 근전도로부터 힘을 추정한 연구들이 있지만 이들은 off-line해석으로 수행한 연구결과들이거나 바늘전극을 사용하여 침습적인 방법으로 수행한 것으로 HMI 응용으로 사용되기 부적절하다.The following difficulties exist in estimating finger force from EMG signals. Many of the 39 muscles contribute to finger force, most extrinsic muscles are located deep in the arm, making it impossible to acquire signals with surface electrodes, and most intrinsic muscles are too small to be observed. The muscles that govern finger movement are less bulky than the lower extremity and shoulder muscles, and crosstalk is a serious problem. The human nervous system does not control each muscle individually in generating finger force, but rather generates a force by controlling several muscles into several groups. Is not yet known. In rehabilitation and motor physiology, there are studies that estimate the force from EMG, but these are results of off-line analysis or invasive methods using needle electrodes, which are not suitable for HMI applications.
한편, 표면 근전도는 개별적인 근육의 수축을 보는데는 한계가 있다고 알려져 있다. 왜냐하면, 관찰하고 싶은 근육부위의 피부에 전극을 붙이더라도 옆이나, 속에 있는 근육의 수축 역시 전극에 영향을 미치기 때문이다. 또한 사람마다 근육 의 해부학적 구조가 다르고, 피부의 두께도 큰 영향을 미칩니다. 또한 보고자 하는 근육이 너무 피부 깊숙히 위치해있다면 근전도 신호의 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)가 현격히 떨어지게 되는 문제점이 있다. Surface EMG, on the other hand, is known to have limitations in viewing individual muscle contractions. Because, even if you attach the electrode to the skin of the muscle area that you want to observe because the contraction of the muscles in the side or inside also affect the electrode. In addition, different muscles have different anatomical structures, and the thickness of the skin also has a big impact. In addition, there is a problem that the signal-to-noise ratio of the EMG signal drops significantly if the muscle to be viewed is located too deep in the skin.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 표면전극으로 관측했을 때 가장 힘을 예측하기 좋은 근육들만 선별할 수 있는 소정의 판별식을 사용하는 것에 의하여, 손가락의 핀치(pinch)힘을 추정하는데 효과적으로 표면전극의 위치를 결정할 수 있는 손가락 힘 추정 방법 및 추정 장치, 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법 및 근육 판별 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.Therefore, in order to solve the above problems, the present invention uses pinch force of the finger by using a predetermined discriminant that can select only the muscles that are most likely to predict the force when observed with the surface electrode. An object of the present invention is to provide a finger force estimating method and estimating apparatus capable of effectively determining the position of a surface electrode, an muscle discriminating method for finger force estimating, and a muscle discriminating apparatus.
또한, 본 발명은, 신경망 구조를 결정하기 위해 다양한 은닉노드의 개수를 사용하는 인공신경망 알고리즘을 사용하는 것에 의하여, 학습시간이 매우 짧음에도 불구하고 핀치(pinch)힘을 추정할 수 있는 손가락 힘 추정 방법 및 추정 장치, 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법 및 근육 판별 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, the present invention, by using an artificial neural network algorithm using the number of various hidden nodes to determine the neural network structure, finger force estimation that can estimate the pinch force despite the very short learning time An object of the present invention is to provide a method and estimating apparatus, a muscle discriminating method for finger force estimation, and a muscle discriminating apparatus.
또한, 본 발명은, 엄지, 검지 손가락이 절단된 사람들이 의수를 사용하는데 있어서 정교하게 물체를 다루는데 사용될 수 있으며, 사람이 직접 수행하기 힘은 위험한 작업을 원격조종 로봇을 사용하여 수행할 때 제어하기 위한 방법으로 사용될 수 있는 손가락 힘 추정 방법 및 추정 장치, 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법 및 근육 판별 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention can be used to handle the object elaborately in the use of the prosthesis by people whose thumb and index finger are cut, and the force to perform directly by the person to control dangerous operations when performing the remote control robot An object of the present invention is to provide a finger force estimating method and estimating apparatus, a muscle discriminating method for finger force estimating, and a muscle discriminating apparatus.
청구항 1에 관한 발명인 손가락 힘 추정 방법은, 피측정인의 아래팔의 피부에 밀착되도록 장착된 복수 개의 근전도 센서로부터 엄지와 검지의 근육을 관장하는 7개의 근육의 근전도 신호를 획득하는 근전도 신호 획득단계, 소정의 판별식에 의하여 7개의 근육의 근전도 신호 중 힘의 측정을 위한 정보를 가지는 4개의 근육의 근전도 신호를 선정하는 근전도 신호 선정단계, 선정된 4개의 근전도 신호를 타임 윈도우 내의 근전도 신호로 각각 변환하여, 소정의 분산 알고리즘에 의하여 변환된 타임 윈도우 내의 근전도 신호의 각각에 대한 베어리언스를 산출하는 베어리언스 산출단계, 산출된 베어리언스를 인공신경망 알고리즘에 의하여 힘 신호로 추정하는 힘 신호 추정단계, 추정된 힘 신호를 디스플레이하는 단계를 포함한다.The finger force estimating method according to
청구항 2에 관한 발명인 손가락 힘 추정 방법은, 청구항 1에 관한 발명인 손가락 힘 추정 방법에 있어서, 근전도 신호 획득단계에서, 근전도 신호는 평균이 0인 가우시안 프로세스이다.The finger force estimation method of the invention according to
청구항 3에 관한 발명인 손가락 힘 추정 방법은, 청구항 1에 관한 발명인 손가락 힘 추정 방법에 있어서, 힘 신호 추정단계에서, 인공신경망 알고리즘은 근전도 신호의 베어리언스에 대응되는 힘 신호를 미리 설정하고, 미리 설정된 힘 신호를 변환된 타임 윈도우 내의 근전도 신호의 각각에 대한 베어리언스에 해당하는 힘 신호로 추정한다.The finger force estimation method of the invention according to
청구항 4에 관한 발명인 손가락 힘 추정 장치는, 피측정인의 아래팔의 피부에 밀착되도록 장착되어 엄지와 검지의 근육을 관장하는 7개의 근육의 근전도 신호를 획득하는 복수 개의 근전도 센서부, 소정의 판별식에 의하여 획득된 7개의 근육의 근전도 신호 중 힘의 측정을 위한 정보를 가지는 4개의 근육의 근전도 신호를 선정하는 근전도 신호 선정부, 선정된 4개의 근전도 신호를 타임 윈도우 내의 근전도 신호로 각각 변환하여, 소정의 분산 알고리즘에 의하여 변환된 타임 윈도우 내의 근전도 신호의 각각에 대한 베어리언스를 산출하는 베어리언스 산출부, 산출된 베어리언스를 인공신경망 알고리즘에 의하여 힘 신호로 추정하는 힘 신호 추정부, 추정된 힘 신호를 디스플레이하는 표시부를 포함한다.The finger force estimating apparatus of the invention according to
청구항 5에 관한 발명인 손가락 힘 추정 장치는, 청구항 4에 관한 발명인 손가락 힘 추정 장치에 있어서, 근전도 신호는 평균이 0인 가우시안 프로세스이다.The finger force estimating apparatus of the invention according to
청구항 6에 관한 발명인 손가락 힘 추정 장치는, 청구항 4에 관한 발명인 손가락 힘 추정 장치에 있어서, 인공신경망 알고리즘은 근전도 신호의 베어리언스에 대응되는 힘 신호를 미리 설정하고, 미리 설정된 힘 신호를 변환된 타임 윈도우 내의 근전도 신호의 각각에 대한 베어리언스에 해당하는 힘 신호로 추정한다.The finger force estimating apparatus according to
청구항 7에 관한 발명인 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법은, 피측정인의 아래팔의 피부에 밀착되도록 장착되어 엄지와 검지를 관장하는 7개의 근육에 대한 근전도 신호를 복수 회에 걸쳐 획득하는 근전도 신호 획득단계, 복수 회에 걸쳐 획득된 근전도 신호를 기준함수에 입력하여 각각의 기준함수 결과값을 산출하는 기준함수 결과값 산출단계, 산출된 각각의 기준함수 결과값이 큰 순서대로 4개의 근육을 판별하는 근육 판별단계를 포함한다. The muscle discrimination method for finger force estimation according to the invention according to
청구항 8에 관한 발명인 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법은, 청구항 7에 관한 발명인 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법에 있어서, 근전도 신호는 평균이 0인 가우시안 프로세스이다.The muscle discrimination method for finger force estimation according to the invention of
청구항 9에 관한 발명인 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 장치는, 피측정인의 아래팔의 피부에 밀착되도록 장착되어 엄지와 검지를 관장하는 7개의 근육에 대한 근전도 신호를 복수 회에 걸쳐 획득하는 근전도 신호 획득부, 복수 회에 걸쳐 획득된 근전도 신호를 기준함수에 입력하여 각각의 기준함수 결과값을 산출하는 기준함수 결과값 산출부, 산출된 각각의 기준함수 결과값이 큰 순서대로 4개의 근육을 판별하는 근육 판별부를 포함한다. The muscle discrimination apparatus for finger force estimation according to the present invention is an EMG signal, which is mounted to be in close contact with the skin of the underarm of the subject under test and obtains EMG signals for seven muscles that govern the thumb and the index finger in a plurality of times. Acquisition unit, the reference function result calculation unit for inputting the EMG signal obtained in a plurality of times to the reference function to calculate the respective reference function result value, the four muscles in order to determine the four muscles in order It includes a muscle discriminating unit.
청구항 10에 관한 발명인 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 장치는, 청구항 9에 관한 발명인 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 장치는, 근전도 신호는 평균이 0인 가우시안 프로세스이다.The muscle discrimination apparatus for finger force estimation of the invention according to
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 손가락 힘 추정 방법 및 추정 장치, 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법 및 근육 판별 장치에 의하면, 소정의 판별식을 사용하는 것에 의하여, 손가락의 핀치(pinch)힘을 추정하는데 효과적으로 표면전극의 위치를 결정할 수 있다.As described above, according to the finger force estimating method and estimating apparatus, the muscle discriminating method for estimating finger force, and the muscle discriminating apparatus according to the present invention, the pinch force of the finger is increased by using a predetermined discrimination equation. The position of the surface electrode can be effectively determined for estimation.
또한, 본 발명에 따르면, 신경망 구조를 결정하기 위해 다양한 은닉노드의 개수를 사용하는 인공신경망 알고리즘을 사용하는 것에 의하여, 학습시간이 매우 짧음에도 불구하고 핀치(pinch)힘을 추정할 수 있다. In addition, according to the present invention, by using an artificial neural network algorithm using the number of various hidden nodes to determine the neural network structure, the pinch force can be estimated even though the learning time is very short.
또한, 본 발명에 따르면, 엄지, 검지 손가락이 절단된 사람들이 의수를 사용하는데 있어서 정교하게 물체를 다루는데 사용될 수 있으며, 사람이 직접 수행하기 힘은 위험한 작업을 원격조종 로봇을 사용하여 수행할 때 제어하기 위한 방법으로 사용될 수 있다.In addition, according to the present invention, a person whose thumb and index finger are cut can be used to precisely handle an object in using the prosthesis, and the force to be directly performed by a person is controlled when performing a dangerous operation using a remote control robot. It can be used as a way to.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과 외의 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Specific matters other than the problem to be solved, the problem solving means, and the effects of the present invention as described above are included in the following embodiments and the drawings. Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. Like reference numerals refer to like elements throughout.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the accompanying drawings are only described in order to more easily disclose the contents of the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the scope of the accompanying drawings that will be readily available to those of ordinary skill in the art. You will know.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 손가락 힘 추정 장치의 주변구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 손가락 힘 추정 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 손가락 힘 추정 장치에서 근전도 센서가 장착된 피 측정인의 팔을 도시한 도면이다. 1 is a view for explaining the peripheral structure of the finger force estimation apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a view for explaining the structure of the finger force estimation apparatus according to an embodiment of the present invention, 3 is a diagram illustrating an arm of a person to be measured equipped with an EMG sensor in a finger force estimating apparatus according to an embodiment of the present invention.
한편, 본 발명의 일 실시예는, 사람이 손으로 물건을 잡는 형태 중 가장 섬세하고 많이 쓰이는 형태를 선정하였으며, 이는 엄지와 검지를 이용하여 손끝으로 물건을 잡는 형태로써 핀치(pinch)라 명명된다. 즉, 이하, 본 발명의 실시예에서는 손가락 힘을 핀치 힘이라 하기로 한다.On the other hand, in one embodiment of the present invention, the most delicate and widely used form of the form of holding a person by hand is selected, which is called a pinch (pinch) as a form of holding the object with the fingertips using the thumb and index finger. . That is, in the embodiment of the present invention, the finger force will be referred to as pinch force.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 손가락 힘 추정 장치의 주변구조를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the peripheral structure of the finger force estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 손가락 힘 추정 장치에 사용되는 환경으로서는, 등척성 실험환경을 구현하기 위하여 피측정인의 팔과 손목(40)을 팔 고정기 (arm brace)(미도시)와 손목 고정기 (wrist brace)(미도시)를 사용하여 고정한다. 손가락은 고정기를 사용하여 고정하기 힘들기 때문에 모션카메라 (Micron Tracker S60, Claron Technology Inc., Canada)(10)를 사용하여 손가락 움직임을 관측한다. 피시험자는 엄지와 검지를 알루미늄 봉에 달려있는 힘 센서 (NANO 17, ATI Industrial Automation, USA)를 잡고 핀치(pinch)힘을 가한다. 근전도 신호는 표면전극 (DE-2.1, Delsys, USA)(20)을 사용하여 측정하고, 신호수집장치 (PCI 6034e, National InstrumentsTM, USA)(미도시)와 연결되어 컴퓨터(30)에 1kHz로 신호를 전송할 수 있도록 한다.As shown in FIG. 1, the environment used in the finger force estimating apparatus includes the arm and the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 손가락 힘 추정 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 2 is a view for explaining the structure of the finger force estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 손가락 힘 추정 장치는, 근전도 센서부(100), 근전도 신호 선정부(200), 베어리언스 산출부(300), 힘 신호 추정부(300), 표시부(400)를 포함하다. As shown in FIG. 2, the finger force estimating apparatus according to an embodiment of the present invention includes an
근전도 센서부(100)는, 복수개로 구성되어 피측정인의 아래팔의 피부에 밀착되도록 장착되어 엄지와 검지의 근육을 관장하는 7개의 근육의 근전도 신호를 획득한다. 근전도 신호는 평균이 0인 가우시안 프로세스(Gaussian process)로 간주된다. 여기서, 엄지와 검지의 움직임을 관장하는 근육은 총 15개이다. 이중 오직 7개의 근육만이 피부표면 가까이 위치하고 있다는 것을 ADAM Interactive Anatomy (A.D.A.M. Inc., USA) 소프트웨어를 사용하여 확인한다. 선정된 7가지 근육은 Extensor Digitorium (ED), Abductor Pollicis Longus (APL), Flexor Digitorum Superficialis (FDS), Dorsal Interosseous (DI), Abductor Pollicis Brevis (APB), Flexor Pollicis Brevis (FPB), Adductor Pollicis (AP) 이며, 이들 근육들은 표면전극을 통해 근 수축을 확인할 수 있다. 따라서, 피시험자의 아래팔에 도 3에 도시된 바와 같이 선정근육의 근전도를 획득하기 위하여 7개의 표면전극을 부착한다. 여기서, 각 표면전극간의 와이어(wire)에 대하여는 표면전극간의 위치관계의 정확한 설명을 위하여 도시되지 않는다.The
근전도 신호 선정부(200)는, 소정의 판별식에 의하여 획득된 7개의 근육의 근전도 신호 중 힘의 측정을 위한 정보를 가지는 4개의 근육의 근전도 신호를 선정한다. The EMG
베어리언스 산출부(300)는, 근전도 신호 선정부(200)에서 선정된 4개의 근전 도 신호를 타임 윈도우 내의 근전도 신호로 각각 변환하여, 소정의 분산 알고리즘에 의하여 변환된 타임 윈도우 내의 근전도 신호의 각각에 대한 베어리언스를 산출한다. 즉, 신호의 특징을 추출하기 위해서 이동윈도우 (moving window)를 사용하여 신호의 분산을 구하였으며, 이동윈도우의 길이 (window length)는 200msec이고 윈도우의 이동 증가분 (window increment)는 50msec로 설정하였다.The
힘 신호 추정부(400)는, 베어리언스 산출부(300)에서 산출된 베어리언스를 인공신경망 알고리즘에 의하여 힘 신호로 추정한다. 인공신경망 알고리즘은 근전도 신호의 베어리언스에 대응되는 힘 신호를 미리 설정하고, 미리 설정된 힘 신호를 변환된 타임 윈도우 내의 근전도 신호의 각각에 대한 베어리언스에 해당하는 힘 신호로 추정한다.The
표시부(500)는, 힘 신호 추정부(400)에서 추정된 힘 신호를 표시한다. 표시부는 예를 들어, 디스플레이이다.The
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 손가락 힘 추정 장치를 이용하여 피측정자의 손가락 힘을 추정하는 방법에 대하여 도 4 내지 도 8을 참조로 하여 설명하기로 한다.A method of estimating a finger force of a subject using a finger force estimating apparatus according to an embodiment of the present invention configured as described above will be described with reference to FIGS. 4 to 8.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정 방법의 순서를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정 방법의 분산 알고리즘을 설명하기 위한 도면이며, 도 6a 내지 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정 방법의 인공 신경망 알고리즘을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정 방법에서 힘 센서로부터 측 정된 핀치 힘과 신경망을 통하여 추정된 핀치 힘을 나타낸 도면이다.4 is a view for explaining the order of the finger force estimation method according to another embodiment of the present invention, Figure 5 is a view for explaining a dispersion algorithm of the finger force estimation method according to another embodiment of the present invention, 6a to 6c are diagrams for explaining an artificial neural network algorithm of the finger force estimation method according to another embodiment of the present invention, Figure 7 is a pinch force measured from the force sensor in the finger force estimation method according to another embodiment of the present invention And the pinch force estimated through the neural network.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정 방법은, 근전도 신호 획득단계(S100), 근전도 신호 선정단계(S200), 베어리언스 산출단계(S300), 힘 신호 추정단계(S400), 표시 단계(S500)를 포함한다.As shown in Figure 4, the finger force estimation method according to another embodiment of the present invention, the EMG signal acquisition step (S100), EMG signal selection step (S200), bearance calculation step (S300), force signal estimation A step S400 and a display step S500 are included.
근전도 신호 획득단계(S100)는, 피측정인의 아래팔의 피부에 밀착되도록 장착된 복수 개의 근전도 센서로부터 엄지와 검지의 근육을 관장하는 7개의 근육의 근전도 신호를 획득한다.EMG signal acquisition step (S100), and obtains the EMG signal of the seven muscles that govern the muscles of the thumb and index finger from a plurality of EMG sensors mounted to be in close contact with the skin of the lower arm of the subject to be measured.
근전도 신호 선정단계(S200)는, 소정의 판별식에 의하여 7개의 근육의 근전도 신호 중 힘의 측정을 위한 정보를 가지는 4개의 근육의 근전도 신호를 선정한다. In the EMG signal selection step (S200), the EMG signals of the four muscles having information for measuring the force among the EMG signals of the seven muscles are selected by a predetermined discriminant.
베어리언스 산출단계(S300)는, 근전도 신호 선정단계(S200)에서 선정된 4개의 근전도 신호를 타임 윈도우 내의 근전도 신호로 각각 변환하여, 소정의 분산 알고리즘에 의하여 변환된 타임 윈도우 내의 근전도 신호의 각각에 대한 베어리언스를 산출한다. 여기서, 분산 알고리즘은, 도 5에 도시된 바와 같이, 첫번째 채널에서 획득한 근전도 신호를 볼 수 있다. 근전도 신호의 특성상 신호가 너무 노이지(noisy)하기 때문에, 타임 윈도우(time window)를 사용하여 신호를 부드럽게 만들어준다. 근전도 신호가 가우시안 프로세스(Gaussian process)로 알려져 있으므로, 타임 윈도우내의 근전도신호의 베어리언스(variance)를 계산하여 이를 신호 특징으로 사용한다. 이때, 노이지(noisy)한 로우(raw) 근전도 신호(도 5의 위쪽 그래프)를 부드러운 신호(도 5의 아래쪽 그래프)를 얻게 된다. 즉, 이 방법은 로우 패 스 필터(low-pass filter)의 한 종류라 할 수 있다. 이를 이용하여, 베어리언스를 구하는 방법은 아래의 [수학식 1]과 같다. In the bearance calculation step S300, the four EMG signals selected in the EMG signal selection step S200 are converted into EMG signals in the time window, and each of the EMG signals in the time window converted by the predetermined dispersion algorithm. Calculate the bearance for. Here, the dispersion algorithm, as shown in Figure 5, can see the EMG signal obtained in the first channel. Due to the nature of the EMG signal, the signal is too noisy, so the time window is used to soften the signal. Since the EMG signal is known as a Gaussian process, the variance of the EMG signal in the time window is calculated and used as a signal feature. At this time, a noisy raw EMG signal (upper graph in FIG. 5) is obtained as a smooth signal (lower graph in FIG. 5). In other words, this method is a kind of low-pass filter. Using this, a method of obtaining the bearance is as shown in
여기서, 는 표준편차이고, 는 분산이며, N은 시간이고, Mi는 시간i에서의 근전도 신호의 크기이며, 는 타임윈도우 내에서의 근전도 신호들의 평균값이다.here, Is the standard deviation, Is the variance, N is the time, M i is the magnitude of the EMG signal at time i, Is the average value of the EMG signals in the time window.
분산 알고리즘에서는 N=200(time window의 길이)이다. 근전도신호는 1kHz로 획득되고, 타임윈도우는 매 20msec마다 이동하게 된다. 즉, 힘을 추정하는 프로세스는 매 20msec마다 불려지게 된다는 의미이다.In the distributed algorithm, N = 200 (the length of the time window). The EMG signal is acquired at 1 kHz, and the time window is moved every 20 msec. In other words, the process of estimating the force is called every 20 msec.
힘 신호 추정단계(S400)는, 베어리언스 산출단계(S300)에서 산출된 베어리언스를 인공신경망 알고리즘에 의하여 힘 신호로 추정한다. 여기서, 인공신경망(artificial neural network)은, 어떠한 입력(input)과 출력(output)의 관계를 명확히 알 수 없을 때, 이를 단순히 블랙박스(black box)로 취급하여 매핑(mapping)할 때 매우 유용하게 사용된다. In the force signal estimating step S400, the bearance calculated in the bearance calculation step S300 is estimated as a force signal by an artificial neural network algorithm. In this case, the artificial neural network is very useful when mapping a certain input and output when it is not clearly known and simply treating it as a black box. Used.
끝으로, 표시 단계(S500)는, 힘 신호 추정단계(S400)에서 추정된 힘 신호를 컴퓨터의 모니터 등의 디스플레이 수단을 통해 디스플레이한다.Finally, the display step S500 displays the force signal estimated in the force signal estimation step S400 through display means such as a monitor of a computer.
도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 인공신경망의 명확한 구조에 대하여 히든 레이어(hidden layer)의 뉴런(neuron) 개수는 10개로 정하여 설명하기로 한다. 여기서, 이 블랙 박스 모델을 만들기 위해서는 학습이란 과정이 필요한데, 이 학습은 근전도와 힘 신호를 미리 구해두고 근전도 신호를 입력하면 자동적으로 원하는 힘이 나오도록 모델링(modeling)을 하는 것이다. 이렇게 학습이 적절하게 끝나게 되면, 실시간으로 근전도 신호를 획득하여 인공신경망 알고리즘을 거치게 되면 인공신경망이 추정한 힘 값을 출력하도록 되어있다. As shown in FIG. 6A, the number of neurons of the hidden layer is set to 10 for the clear structure of the artificial neural network according to another embodiment of the present invention. In order to create this black box model, learning is required. This learning is to obtain EMG and force signals in advance, and to model the desired force automatically when inputting EMG signals. When the learning is properly completed, the EMG signal is acquired in real time and the neural network algorithm outputs the force value estimated by the neural network.
한편, 다층인식신경망(즉, 인공신경망)의 성능은 다양한 요소에 의해 결정되는데, 가장 중요한 것은 신경망의 구조의 복잡도이며 이는 입력신호와 출력신호 관계의 복잡성에 따라 최적의 구조가 결정될 수 있다. 신경망의 구조가 커지게 되면 아무리 복잡한 비선형성 관계의 신호들도 잘 추정할 수 있게 되지만, 오버피팅(overfitting) 문제가 발생할 수 있으며, 학습하는데 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다. 신경망의 구조가 작아지면 학습하는데 짧은 시간이 소요되지만, 입력 및 출력 신호간의 관계가 매우 복잡하다면 이들의 관계를 잘 추정할 수 없게 되고, 이는 언더피팅(underfitting) 문제에 직면하게 된다. 하지만, 근전도와 근육 힘의 정량적인 비선형정도를 알기 힘듦으로, 도 6b에 도시된 바와 같이, 은닉노드의 개수를 1~20개로 다양하게 사용하며 시뮬레이션을 수행하여, 대략 10개정도의 은닉노드의 개수에서 최적화된 결과가 나타난다. 여기서, 두 가지 기준, 즉 NRMSE(Normalized Root Mean Squared Error)과 CORR(CORRelation)에 의하여 수행된 다.On the other hand, the performance of the multi-layer neural network (ie, artificial neural network) is determined by various factors, the most important is the complexity of the structure of the neural network, which can be determined depending on the complexity of the input signal and the output signal relationship. As the structure of the neural network grows, it is possible to estimate signals even in complex nonlinear relations, but there is a disadvantage in that an overfitting problem may occur and it takes a long time to learn. If the structure of the neural network is small, it takes a short time to learn, but if the relationship between the input and output signals is very complicated, they cannot be estimated well, which leads to the problem of underfitting. However, since it is difficult to know the quantitative nonlinearity of EMG and muscle force, as shown in FIG. 6B, the simulation is performed using various numbers of hidden nodes from 1 to 20 as shown in FIG. 6B. Optimized results are shown in the count. Here, two criteria, namely, NRMSE (Normalized Root Mean Squared Error) and CORR (CORRelation) are performed.
예를 들어, 평균연령이 26.4 ± 2.3세인 5명의 남성을 대상으로 수행한 실험결과를 설명하기로 한다. 각 한 세트는 두 가지 파트 (훈련파트, 테스트파트)로 나뉘며, 한 세트는 10회에 걸쳐 모두 실시간으로 수행된다. 훈련파트는 다층신경망에 근전도 신호를 입력했을 때 핀치(pinch)힘을 적절히 추정할 수 있도록 하는 일종의 학습과정을 위해 수행하는 것으로 컴퓨터 모니터에 도 6c와 같은 그래프를 출력하여 사용자가 정적인 핀치 힘 (2, 4, 6, 8 N)과 동적인 핀치 힘(sine wave)를 발생시킬 수 있다. 훈련파트 중에 수집된 핀치 힘과 근전도 신호들은 백 프로퍼게이션(backpropagation) 알고리즘을 사용하여 다층신경망을 학습시킨다. 훈련의 과정이 끝나면, 1분 동안 피시험자는 자신이 원하는 대로 핀치 힘을 가하게 되고, 근전도 신호를 입력으로 하여 다층인식신경망을 통해 추정된 핀치 힘과 힘 센서를 통해 측정된 핀치 힘을 비교분석한다. 이하, 비교분석된 근전도 신호를 입력으로 하여 다층인식신경망을 통해 추정된 핀치 힘과 힘 센서를 통해 측정된 핀치 힘의 실험결과를 도 7을 참조로 하여 설명하기로 한다.For example, we describe the results of an experiment conducted on five males with an average age of 26.4 ± 2.3 years. Each set is divided into two parts (training part, test part), and one set is performed in real time over 10 times. The training part is to perform a kind of learning process to properly estimate the pinch force when the EMG signal is input to the multilayer neural network. The training part outputs a graph as shown in FIG. 2, 4, 6, 8 N) and dynamic sine wave. The pinch force and EMG signals collected during the training part train the multilayer neural network using a backpropagation algorithm. At the end of the training session, the subject applies the pinch force as he wishes for 1 minute and compares the pinch force estimated by the EMG signal with the pinch force measured by the force sensor. . Hereinafter, the experimental results of the pinch force measured by the force sensor and the pinch force estimated by the multilayer recognition neural network as the input of the comparative analysis EMG signal will be described with reference to FIG.
도 7에 도시된 바와 같이, 실험결과에서는, 회색 선은 힘 센서로부터 측정된 실제 핀치 힘이며, 검정색 선은 다층신경망을 통해 추정된 핀치 힘이다. 결과를 정량적으로 분석하기 위해 다음과 같은 [수학식 2] 및 [수학식 3]을 사용하였다.As shown in FIG. 7, in the experimental results, the gray line is the actual pinch force measured from the force sensor, and the black line is the pinch force estimated through the multilayer neural network. In order to quantitatively analyze the results, the following [Equation 2] and [Equation 3] were used.
아래 [표 1]은 피 시험자 5명의 실험결과이며, 평균적으로 NRMSE = 0.112 ±0.082, CORR = 0.932 ± 0.058의 결과로 핀치 힘을 추정할 수 있음을 알 수 있다. [Table 1] below shows the test results of five test subjects, and it can be seen that the pinch force can be estimated on the average of NRMSE = 0.112 ± 0.082 and CORR = 0.932 ± 0.058.
실시간으로 실험을 하기에 앞서 다층인식신경망을 학습시키기 위해 근전도 신호를 수집하는데 소요된 시간은 85초이다. 다층인식신경망 학습시키는 이터레이션(iteration) 횟수는 100회로 제한하였으며, 실험을 위해 사용된 컴퓨터 (Pentium 4, 2.93 GHz processor)로는 학습계산시간이 64초 소요되었다. 따라서, 근전도 신호 수집과 학습을 위해 소요된 시간은 총 2분 29초로 매우 짧은 시간 내에 특정사용자의 근전도로 신호로부터 핀치 힘을 추출해 낼 수 있음을 알 수 있다. 학습시간이 매우 짧아진 원인으로는 피셔 판별식(Fisher discriminant analysis)를 사용하여 학습을 효율적으로 수행할 수 있는 채널들을 선별하였을 뿐 아니라 입력노드의 개수를 줄였기 때문이다.Prior to experimenting in real time, the time taken to collect EMG signals to learn multilayered neural networks is 85 seconds. The number of iterations to train multilayer recognition neural networks was limited to 100 times, and the computation time required for the experiment (
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.8 is a view for explaining the structure of the muscle determination device for finger force estimation according to another embodiment of the present invention.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 장치는, 근전도 신호 획득부(210), 기준함수 결과값 산출부(220), 근육 판별부(230)를 포함한다.As shown in FIG. 8, the muscle discrimination apparatus for finger force estimation according to another embodiment of the present invention includes an EMG signal acquisition unit 210, a reference function result calculation unit 220, and a muscle determination unit 230. ).
근전도 신호 획득부(210)는, 피측정인의 아래팔의 피부에 밀착되도록 장착되어 엄지와 검지를 관장하는 7개의 근육에 대한 근전도 신호를 복수 회에 걸쳐 획득한다.The EMG signal acquisition unit 210 is mounted to be in close contact with the skin of the underarm of the subject to be acquired multiple times of EMG signals for the seven muscles that govern the thumb and the index finger.
기준함수 결과값 산출부(220)는, 복수 회에 걸쳐 획득된 근전도 신호를 기준함수에 입력하여 각각의 기준함수 결과값을 산출한다.The reference function result calculator 220 inputs the EMG signal obtained a plurality of times to the reference function to calculate the respective reference function result values.
근육 판별부(230)는, 산출된 각각의 기준함수 결과값이 큰 순서대로 4 개의 근육을 판별하여 준다. The muscle discriminating unit 230 discriminates four muscles in order of the calculated respective reference function results.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 장치를 사용한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법에 대하여 도 9 내지 도 10a 및 10b를 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a muscle discrimination method for finger force estimation according to another embodiment of the present invention using a muscle discrimination apparatus for finger force estimation according to another embodiment of the present invention configured as described above will be described with reference to FIGS. This will be described with reference to 10b.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법의 순서를 도시한 순서도이고, 도 10a 및 10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법의 분산 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.9 is a flowchart illustrating a procedure of a muscle discrimination method for finger force estimation according to another embodiment of the present invention, and FIGS. 10A and 10B illustrate a muscle discrimination method for finger force estimation according to another embodiment of the present invention. A diagram for explaining a distributed algorithm.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법은, 근전도 신호 획득단계(S210), 기준함수 결과값 산출단계(S220), 근육 판별단계(S230)를 포함한다.As shown in FIG. 9, in the muscle determination method for finger force estimation according to another embodiment of the present invention, an EMG signal acquisition step S210, a reference function result calculation step S220, and a muscle determination step S230 are performed. ).
근전도 신호 획득단계(S210)는, 피측정인의 아래팔의 피부에 밀착되도록 장착되어 엄지와 검지를 관장하는 7개의 근육에 대한 근전도 신호를 복수 회에 걸쳐 획득한다. EMG signal acquisition step (S210) is mounted so as to be in close contact with the skin of the underarm of the subject to be acquired multiple times the EMG signal for the seven muscles that govern the thumb and index finger.
기준함수 결과값 산출단계(S220)는, 복수 회에 걸쳐 획득된 근전도 신호를 기준함수에 입력하여 각각의 기준함수 결과값을 산출한다. 여기서, 상술한 바와 같이, 근전도 신호는 평균이 0인 가우시안 프로세스(Gaussian process)로 간주된다. 본 발명의 실시예에서는, 신호의 특징을 추출하기 위해서 이동윈도우(moving window)를 사용하여 신호의 분산을 구하고, 이동윈도우의 길이 (window length)는 200msec이고 윈도우의 이동 증가분 (window increment)는 50msec로 설정한다.In the reference function result calculation step (S220), the EMG signal obtained a plurality of times is input to the reference function to calculate the respective reference function result values. Here, as described above, the EMG signal is regarded as a Gaussian process with an average of zero. In the embodiment of the present invention, in order to extract the characteristics of the signal, the dispersion of the signal is obtained by using a moving window, the window length of the window is 200 msec, and the window increment is 50 msec. Set to.
엄지와 검지의 움직임을 관장하는 근육은 총 15개이다. 이중 오직 7개의 근육만이 피부표면 가까이 위치하고 있다는 것을 ADAM Interactive Anatomy (A.D.A.M. Inc., USA) 소프트웨어를 사용하여 확인할 수 있다. 선정된 7가지 근육은 손가락 폄근(Extensor Digitorium, ED), 장무지 외전근(Abductor Pollicis Longus, APL), 손가락 굽힘근(Flexor Digitorum Superficialis, FDS), 등쪽 뼈사이근(Dorsal Interosseous, DI), 짧은 엄지 벌림근(Abductor Pollicis Brevis, APB), 짧은 엄지 굽힘근(Flexor Pollicis Brevis, FPB), 엄지 모음근(Adductor Pollicis, AP) 이며, 이들 근육들은 표면전극을 통해 근 수축을 확인할 수 있다. 한 명의 피시험자의 아래팔에 도 2와 같이 선정근육의 근전도를 획득하기 위하여 7개의 표면전극을 부착하였고, 도 10a와 같이 핀치 힘을 발생하는 동시에 근전도 신호를 총 5회에 걸쳐 획득하였다. 채널 6번의 전극은 FPB 근전도 획득을 위해 사용되었으나, 도 10a에서 보면 핀치 힘이 발생할 때 근육의 힘이 줄어든다는 점과 채널 5번의 신호와 유사하다는 점을 고려할 때, 채널 6번에서 측정된 신호는 FPB 근육이 아닌 APB근육에서 측정된 신호임을 알 수 있다. 이는 해부학적으로 FPB 근육이 APB 근육에 의해 상당부분 가려져 있어서 근전도 신호가 획득되지 않았으리라 추정된다. 비록, 5번과 6번 채널에서 획득된 신호는 APB한 개의 근육으로부터 측정된 것이지만, 한 개의 근육의 많은 수의 모터 유닛(motor unit)에 의해 활성화 되고, 각각의 unit은 근 수축의 속도, 힘에 따라 다른 특성을 갖기 때문에 측정된 신호가 정확히 일치하지는 않는다. 핀치 힘을 추정하는데 7개의 측정된 신호 중 가장 효과적인 정보를 가지고 있는 채널들을 선별하기 위해 피셔 판별식(Fisher discriminant analysis)를 사용하였다. 즉, 피셔 판별식은 [수학식 4]의 기준함수로서, 이를 사용하여 평가를 하게 된다.A total of 15 muscles govern the movement of the thumb and index finger. Only seven muscles are located close to the skin surface using ADAM Interactive Anatomy (A.D.A.M. Inc., USA) software. The seven muscles selected were Extenensor Digitorium (ED), Abductor Pollicis Longus (APL), Flexor Digitorum Superficialis (FDS), Dorsal Interosseous (DI), Short Abdominor Pollicis Brevis (APB), Short Flexor Pollicis Brevis (FPB), and Adductor Pollicis (AP). These muscles can be identified through surface electrodes. As shown in FIG. 2, seven surface electrodes were attached to the underarm of one test subject, and as shown in FIG. 10A, pinch force was generated and EMG signals were acquired five times in total. The electrode of
이 함수는 2개의 패턴인식문제를 해결하는데 유용하게 사용되며, 식 왼편의 k와 오른편의 숫자 1, 2는 각각 측정된 채널번호와 패턴 클래스를 의미한다. 와 는 각각 i번째 클래스 특징신호의 평균과 분산을 의미한다. 기준함수에서 분자는 클래스간의 특징신호 차이가 클수록 커지게 되며, 분모는 각 클래스간의 특징신호 편차가 작을수록 작아져서 전반적으로 클래스간의 분리도가 크게 되면 기준함수의 결과가 크게 된다. 따라서, k번째 기준함수 결과가 가장 크게 나왔다면 k번째 채널에서 측정된 신호는 핀치 힘을 추정하는데 가장 효과적인 정보를 제공한다고 생각할 수 있다.This function is useful for solving two pattern recognition problems. The k on the left side of the equation and the
이 방법을 이용하여 도 10a에서 측정된 신호를 이용하여 수학식 [4]의 기준함수에 적용하였으며, 클래스 1을 핀치 힘이 0 N일 때, 클래스 2를 핀치 힘이 8 N일 때로 분류하여 테스트한다. 근전도 신호는 근육 힘에 비례적인 특징을 보임으로 핀치 힘이 작을 때와 클 때의 신호들이 잘 분류 가능한 채널들은 0~8 N 사이의 연속적인 힘을 추정하는데 역시 효과적인 정보를 제공할 것으로 판단된다. 도 10b는 5회에 걸쳐 획득된 신호를 이용하여 피셔 판별식(Fisher discriminant analysis)를 한 결과이며, 채널 4~7번의 신호들이 핀치 힘을 추정하는데 가장 효과적인 정보를 제공하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 4~7번 채널의 전극만 사용하여 다수의 피시험자로부터 실시간으로 핀치 힘을 측정한다.Using this method, the signal measured in FIG. 10A was applied to the reference function of Equation [4],
그런 다음, 근육 판별단계(S230)는, 산출된 각각의 기준함수 결과값이 큰 순서대로 4 개의 근육을 판별한다. Then, the muscle determination step (S230), the four muscles are discriminated in order of the calculated respective reference function results.
따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에서는, 실시간으로 손가락 힘을 근전도로부터 추정한 것이고, 핀치 힘을 근전도 신호로부터 추정하기 위하여 엄지와 검지 움직임을 관장하는 근육을 선정하고 표면전극으로 관찰할 수 있는 7개의 근육으로부터 신호를 얻어내어, 이 중 피셔 선형 판별식(Fisher linear discriminant analysis)를 통하여 힘을 추정하는데 가장 효율적인 4가지 전극을 선정하고, 다층신경망 (multilayer perceptron)을 사용하여 손가락 힘을 추정할 수 있다.Therefore, in the embodiment of the present invention configured as described above, the finger force is estimated from the EMG in real time, and the muscles governing the thumb and the index motion can be selected and observed by the surface electrode in order to estimate the pinch force from the EMG signal. Signals are obtained from seven muscles, four of which are most efficient for estimating forces through Fisher linear discriminant analysis, and finger force estimates using multilayer perceptrons. can do.
이로 인하여, 본 발명에 따른 손가락 힘 추정 방법 및 추정 장치, 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법 및 근육 판별 장치는, 피셔 판별식 (Fisher discriminant analysis)을 사용하여 핀치 힘을 추정하는데 효과적인 전극위치를 결정하고, 신경망 구조를 결정하기 위해 다양한 은닉노드의 개수를 사용하여 힘을 추정하여주는 것에 의하여, 학습시간이 매우 짧음에도 불구하고 핀치 힘을 추정할 수 있다. For this reason, the finger force estimation method and the estimation device according to the present invention, the muscle determination method and the muscle determination device for finger force estimation determine the electrode position effective for estimating the pinch force using Fisher discriminant analysis. By estimating the force using the number of various hidden nodes to determine the neural network structure, the pinch force can be estimated even though the learning time is very short.
이 연구결과는 엄지, 검지 손가락이 절단된 사람들이 의수를 사용하는데 있어서 정교하게 물체를 다루는데 사용될 수 있으며, 사람이 직접 수행하기 힘은 위 험한 작업을 원격조종 로봇을 사용하여 수행할 때 제어하기 위한 방법으로 사용될 수도 있다.The results of this study can be used to manipulate objects in the use of prostheses by those whose thumb and index finger are cut, and the power of human beings to directly control dangerous tasks when performing remote control robots. It may also be used in a manner.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.As such, the technical configuration of the present invention described above can be understood by those skilled in the art that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the exemplary embodiments described above are to be understood as illustrative and not restrictive in all respects, and the scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description, and the meaning and scope of the claims and their All changes or modifications derived from equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 손가락 힘 추정 장치의 주변구조를 설명하기 위한 도면.1 is a view for explaining the peripheral structure of the finger force estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 손가락 힘 추정 장치의 구조를 설명하기 위한 도면.2 is a view for explaining the structure of the finger force estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 손가락 힘 추정 장치에서 근전도 센서가 장착된 피 측정인의 팔을 도시한 도면.3 is a diagram illustrating an arm of a person to be measured equipped with an EMG sensor in a finger force estimating apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정 방법의 순서를 설명하기 위한 도면.4 is a view for explaining the procedure of the finger force estimation method according to another embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정 방법의 분산 알고리즘을 설명하기 위한 도면.5 is a view for explaining a dispersion algorithm of the finger force estimation method according to another embodiment of the present invention.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정 방법의 인공 신경망 알고리즘을 설명하기 위한 도면.6A to 6C are diagrams for explaining an artificial neural network algorithm of a finger force estimation method according to another embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정 방법에서 힘 센서로부터 측정된 핀치 힘과 신경망을 통하여 추정된 핀치 힘을 나타낸 도면.7 is a view showing the pinch force measured from the force sensor and the pinch force estimated through the neural network in the finger force estimation method according to another embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 장치의 구조를 설명하기 위한 도면.8 is a view for explaining the structure of the muscle discriminating device for finger force estimation according to another embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법의 순서를 도시한 순서도.9 is a flowchart illustrating a procedure of a muscle discrimination method for finger force estimation according to another embodiment of the present invention.
도 10a 및 10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 손가락 힘 추정을 위한 근육 판별 방법의 분산 알고리즘을 설명하기 위한 도면.10A and 10B illustrate a dispersion algorithm of a muscle discrimination method for finger force estimation according to another embodiment of the present invention.
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