KR101086762B1 - Ｆｓｒ 센서를 이용한 근육활성도 측정방법 및 근육활성도 측정장치 - Google Patents

Ｆｓｒ 센서를 이용한 근육활성도 측정방법 및 근육활성도 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법에 관한 것으로서, FSR 센서를 이용하여 신체 근육의 움직임에 따른 신호를 수신하는 단계; 상기 수신된 신호를 미리 결정된 각도값에 매핑하는 단계; 및 매핑된 값에 따라 상기 신체 근육이 움직인 각도를 추정하여 근육활성도를 계산하는 단계;를 포함하며, 이를 통해 보다 정확하고 간편하게 근육활성도를 측정할 수 있다.

Description

ＦＳＲ 센서를 이용한 근육활성도 측정방법 및 근육활성도 측정장치{METHOD FOR MEASURING MUSCLE ACTIVITY USING FSR SENSORS AND MUSCLE ACTIVITY SENSING DEVICE THEREFOR}
본 발명은 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 간단한 신호처리 알고리즘을 이용하여 간편하고 정확하게 근육활성도를 측정할 수 있는 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법 및 근육활성도 측정시스템에 관한 것이다.
최근에는 컴퓨터 및 제어 기술의 발달에 따라 각종 의료장치 및 로봇의 입력장치 등 각종 제어가 필요한 장치들에 사람을 제어 시스템의 일 구성요소로 적용하여 상기 장치들이 더욱 안정적이고 신뢰성 있는 동작을 가능하게 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 최근에는 생체신호를 이용하여 사람과 기계간의 상호 정보를 변환하여 송수신 할 수 있는 기술이 개발되고 있는데, 이러한 생체신호를 이용하는 방식은 근육의 활성도를 측정하여 근육의 활성 상태에 따라 소정의 장치를 제어할 수 있는 방식이 주로 이용되고 있다.
근육의 활성상태를 측정할 수 있는 근육활성도 측정센서는 일반적으로 근전도 신호(EMG, Electromyogram data)를 검출할 수 있는 근전위센서가 주로 이용되고 있는데, 근육활성도 측정센서의 근육활성상태 측정방식은 근전위센서를 사람의 팔이나 다리 등의 신체 부위에 부착하고 근육의 수축 정도에 따라 다르게 발생하는 근전도 신호를 검출하는 방식으로 진행된다. 이 때, 근전도 신호란 신체의 움직임에 따라 근육 표면으로부터 근섬유를 따라 일어나는 전기적 신호로서, 뇌전도(EEG)나 안전도(EOG) 등의 다른 생체신호들보다 상대적으로 검출이 용이하여 널리 이용되고 있다.
그러나, 이러한 근전위센서는 전기적 신호가 미약하여 각종 노이즈에 매우 민감하므로, 노이즈에 의한 오류가 발생하기 쉬우며, 또한 실제 장치에 적용하기 위해서는 미약한 전기적 신호를 증폭하기 위한 별도의 증폭장치가 필요하다는 문제점이 있었다. 또한, 인체의 특성상 장시간 운동 시에는 특히 근전도 신호의 발생이 저하되기 때문에 동일한 조건에서 동일한 신호값을 얻기 힘들며, 피부를 통한 전기적 신호의 검출이므로 피부 상태에 따라 신호값이 많은 영향을 받게 되는 문제점이 있었다. 따라서, 근전위센서를 이용한 근육활성도 측정센서는 이와 같은 근전위센서의 문제점에 따라 정확한 근육활성도를 측정할 수 없는 문제점이 있었다.
한편, 이러한 근전위센서에 의한 근육활성도 측정의 문제점을 보완하기 위해 최근에는 근육의 경도를 측정하는 방식으로 근육활성도를 측정하려고 하는 시도가 있으나, 일반적으로 사용되는 경도측정센서는 그 구조상 연질 재료의 경도를 정확하게 측정하기 어려우며 신체부위에 부착하기 적합하지 못한 문제점이 있었다. 특 히, 경도측정센서는 근육의 경도를 측정하는 센서이므로 돌출부가 존재해 신체에 부착 시 피부의 통증을 유발하는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 노이즈에 강한 FSR(Force Sensing Resistors) 센서를 이용하여 보다 간편하고 정확하게 근육활성도를 측정할 수 있는 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 센서 부착의 편의성을 높이고 간단한 신호처리 알고리즘을 이용하여 간편하고 정확하게 근육활성도를 측정할 수 있는 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여,
(a) FSR(Force Sensing Resistors) 센서를 이용하여 신체 근육의 움직임에 따른 신호를 수신하는 단계;
(b) 상기 수신된 신호를 미리 결정된 각도값에 매핑하는 단계; 및
(c) 매핑된 값에 따라 상기 신체 근육이 움직인 각도를 추정하여 근육활성도를 계산하는 단계;를 포함하는 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법를 제공한다.
여기서, 상기 (b) 단계는, 상기 수신된 신호의 최대값 및 최소값을 상기 미리 결정된 각도의 최대값 및 최소값에 각각 매핑하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계에서, 상기 매핑된 최대값 및 최소값을 직선으로 연결하여 상기 수신된 신호로부터 상기 각도를 추정할 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계 이전에, 상기 FSR 센서를 상기 신체에 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상술한 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공할 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여,
하나 이상의 FSR 센서와 상기 FSR 센서가 장착되는 패드를 포함하는 근육활성도 센서; 및
상기 FSR 센서에서 신호를 수신하여 신체 근육이 움직인 각도를 계산하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정시스템를 제공한다.
여기서, 상기 연산부는 상술한 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법을 실행하는 알고리즘이 내장된 것이 바람직하다.
또한, 상기 패드에는, 신체 근육에 탈장착 가능하게 부착하도록 상기 패드에 연결된 부착수단이 구비될 수 있다.
또한, 상기 패드는 압축탄성재로 제조된 것이 바람직하다.
또한, 상기 근육활성도 센서는 상기 FSR 센서 상에 보호층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법은 노이즈에 둔감한 FSR 센서를 사용하고 간단한 신호처리 알고리즘을 이용하므로 보다 간편하고 정확하게 근육활성도를 측정할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정시스템은 손쉽게 신체에 착용이 가능하고, 모듈화된 센서를 사용할 수 있으며, 사람의 동작 의지를 파악하여 움직임의 각도 및 토크를 예측할 수 있는 착용형 로봇에 응용이 가능하다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법에 사용되는 FSR 센서가 구비된 근육활성도 센서(10)에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 사용되는 근육활성도 센서(10)의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 근육활성도 센서(10)는, 하나 이상의 FSR 센서(1)와 상기 FSR 센서가 장착되는 패드(2)를 포함한다.
FSR(Force Sensing Resistors)는 센서 표면에 힘을 증가시킬 때 감소하는 저항이 발생하는 중합체 필름(polymer film)으로서, 전도성의 고무와 비교할 때 전기적 이력 현상이 거의 없고, 피에조 필름(piezo film)과 비교할 때 진동 및 열의 영향이 거의 없으면서 가격이 저렴한 장점이 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 복수개의 FSR 센서가 사용될 경우, 센서 간의 간섭을 피하기 위해 경사진 방향으로 센서가 배치될 수 있다.
FSR 센서(1)는 패드(2)에 하나 이상이 부착되어 근육활성도 센서(10)로 사용될 수 있으며, 상기 패드(2)는 변형량이 적으면서 신체의 형상에 맞게 휘어질 수 있는 압축탄성재(예를 들면 압축고무 등)로 제조되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 패드(2)에는 신체 근육에 탈장착이 용이하도록 부착수단(예를 들면 벨크로 테잎)(4, 도 2에 도시됨)이 구비될 수 있다.
또한, 상기 FSR 센서(1) 상에는 상술한 압축탄성재로 제조된 보호층(3)이 더 구비될 수 있다. 이 보호층(3)은 FSR 센서의 입력부와 대응되는 형상을 가지며, 신체 근육의 움직임 시 신체로부터 FSR 센서를 보호하는 역할을 하면서 동시에 FSR 센서의 수신 감도를 높여준다.
이와 같이 구성되는 근육활성도 센서(10)를 신체의 일부(예를 들면 다리 또는 무릎 관절)에 부착하고, 상기 근육활성도 센서(10)로부터 얻어지는 신호를 측정하는 과정을 도 2에 도시하였다.
본 발명의 일 실시에에 따른 근육활성도 센서(10)를 이용하여 근육활성도를 측정하는 방법은, FSR 센서를 이용하여 신체 근육의 움직임에 따른 신호를 수신하는 단계(S10); 상기 수신된 신호를 미리 결정된 각도값에 매핑하는 단계(S20); 및 매핑된 값에 따라 상기 신체 근육이 움직인 각도를 추정하여 근육활성도를 계산하는 단계(S30)를 포함한다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 FSR 센서를 이용하여 근육활성도를 측 정하는 방법의 흐름도가 도시되어 있다.
먼저, 신호수신단계(S10)는 FSR 센서를 이용하여 신체 근육의 움직임에 따른 신호를 수신하는 단계이다. 이 단계는, 하나 이상의 FSR 센서를 포함하는 근육활성도 센서로부터 전기적 신호를 얻는 단계이다. 이 단계에서 얻어지는 전기적 신호는 상기 FSR 센서가 복수개 일 경우, 각 FSR 센서로부터 얻어지는 전기적 신호의 산술 평균값을 사용할 수 있다.
이 신호수신단계(S10) 이전에, 신체 근육의 움직임으로부터 FSR 센서의 전기적 신호를 얻기 위해, 상기 FSR 센서를 신체에 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
각도매핑단계(S20)는 상기 단계에서 FSR 센서에서 수신된 신호를 미리 결정된 각도값에 매핑하는 단계이다. 그리고, 이 각도매핑단계(S20)는, 구체적으로 미리 결정된 각도값의 최대값 및 최소값을 FSR 센서에서 수신된 전기적 신호의 최대값 및 최소값에 각각 매핑함으로써 이루어진다.
여기서, 미리 결정된 각도값이란, 예를 들면 고니오미터(goniometer) 등과 같은 장치를 이용하여 신체 근육이 움직였을 때, 그 움직인 각도를 측정한 값을 의미한다. 즉, 본 발명에 따른 근육활성도의 측정은, 신체 근육이 움직인 각도를 미리 다른 각도 측정장치를 활용하여 측정하고, 이 근육이 움직인 각도가 FSR 센서의 전기적 신호값과 일정한 관계가 있음을 고려하여, FSR 센서의 전기적 신호를 이용하여 근육이 움직인 각도를 추정함으로써 이루어진다.
도 4에서, 상부 그래프는 본 발명에 따른 FSR 센서를 이용한 근육활성도 센 서(10)로부터 얻어진, 시간에 따른 전기적 신호를 도시한 것이고, 하부 그래프는 고니오미터를 이용하여 실제 근육이 움직인 각도를 측정한 값이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 근육이 움직인 각도와 FSR 센서의 전기적 신호와는 비례 관계와 같은 특정한 경향성이 있음을 알 수 있으며, 특히 FSR 센서가 부착된 신체 근육을 움직였을 경우, 그에 따라 FSR 센서의 전기적 신호가 달라짐을 알 수 있다. 이는, 센서의 입력부에 가해지는 압력의 변화를 측정할 수 있는 FSR 센서를 이용하면 복잡한 신호처리 과정을 거치지 않고서도 근육의 활성도를 측정하는 데에 응용될 수 있음을 나타낸다.
상술한 각도매핑단계(S20)를 도 4를 참조하여 설명하면, FSR 센서로부터 수신된 신호의 최대값(약 175) 및 최소값(약 0)을 고니오미터를 통해 측정된 실제 근육이 움직인 각도의 최대값(50도, 여기서 부호는 근육 움직임의 방향성을 나타내는 것이므로 무시될 수 있음) 및 최소값(약 0도)에 각각 매핑시킬 수 있다.
근육활성도계산단계(S30)는, 각도값에 매핑된 상기 FSR 센서의 전기적 신호값을 이용하여 근육이 움직인 각도를 추정하는 단계이다. 근육이 움직인 각도는, 매핑된 최대값과 최소값을 직선으로 연결하여 FSR 센서의 전기적 신호로부터 계산될 수 있다.
도 4에 도시된 값을 예로 들어 설명하면, 상기 각도매핑단계(S20)로부터 FSR 센서로부터 수신된 신호(x)와 실제 근육이 움직인 각도(y) 사이에는 x=3.5y 와 같은 관계식을 얻어낼 수 있다. 따라서, 별도의 근육 움직임 측정장치 없이도, 동일한 조건 하에 근육이 움직일 때 FSR 센서로부터 "100"의 값이 수신되면, 근육이 약 28.6도 움직인 것으로 추정할 수 있다.
이와 같이 FSR 센서의 전기적 신호에 대해 근육이 움직인 각도를 일대일 매핑시킴으로써, FSR 센서의 각 전기적 신호에 대응되는 근육의 움직임 각도를 추정할 수 있으며, 이를 통해 근육의 활성도를 측정할 수 있다.
따라서, 근육 움직임(또는 근육 활성도)의 측정이 필요한 곳에 FSR 센서 및 고니오미터와 같은 근육 움직임 측정장치로부터 신호를 받아 이들의 관계를 미리 결정해 놓으면, 향후 FSR 센서로부터 수신된 신호만으로 근육의 활성도를 측정할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.
상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정시스템(30)의 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정시스템(30)은, 하나 이상의 FSR 센서(1)와 상기 FSR 센서가 장착되는 패드(2)를 포함하는 근 육활성도 센서(10); 및 상기 FSR 센서에서 신호를 수신하여 신체 근육이 움직인 각도를 계산하는 연산부(20)를 포함한다.
여기서, 상기 연산부(20)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법을 실행하는 구성요소로서, 근육의 움직임을 FSR 센서를 이용한 근육활성도 센서로부터 입력받아 상술한 근육활성도 측정방법에 따라 근육이 움직인 각도를 포함하는 근육활성도를 출력한다.
또한, 연산부(20)는 근육활성도 센서(10)로부터 데이터를 수신할 수 있는 수신부 및 화상표시장치와 같은 출력수단에 계산 결과를 출력할 수 있는 출력부를 포함할 수 있으며, 상기 근육활성도 센서 및 상기 출력수단과 유선 또는 무선으로 연결되어 상호 간의 데이터 교환이 가능하도록 구성될 수 있다.
이와 같은 근육활성도 측정시스템(30)에 사용되는 근육활성도 센서는 CAN(controller area network) 통신을 이용하여 모듈화가 가능하도록 제작될 수 있다.
또한, 근육활성도 측정시스템에서 얻어지는 근육활성도 값은 일정한 패턴으로 분류된 인체의 근육 움직임과 함께 사용되어, 착용형 로봇(wearable robot)의 동작신호를 생성하는 데에 활용될 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 근육활성도 센서의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 근육활성도 센서를 신체에 부착한 상태도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 근육활성도 센서의 신호와 미리 결정된 각도값을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정시스템의 구성도이다.

Claims (10)

  1. (a) FSR(Force Sensing Resistors) 센서를 이용하여 신체 근육의 움직임에 따른 신호를 수신하는 단계;
    (b) 상기 수신된 신호를 미리 결정된 각도값에 매핑하는 단계; 및
    (c) 매핑된 값에 따라 상기 신체 근육이 움직인 각도를 추정하여 근육활성도를 계산하는 단계;를 포함하는 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 수신된 신호의 최대값 및 최소값을 상기 미리 결정된 각도값의 최대값 및 최소값에 각각 매핑하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 수신된 신호와 상기 미리 결정된 각도값 사이에 선형 관계식을 얻어낸 후, 상기 선형 관계식을 이용하여 상기 수신된 신호로부터 상기 신체 근육이 움직인 각도를 추정하는 것을 특징으로 하는 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계 이전에, 상기 FSR 센서를 상기 신체에 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  6. 하나 이상의 FSR 센서와 상기 FSR 센서가 장착되는 패드를 포함하는 근육활성도 센서; 및
    상기 FSR 센서에서 신호를 수신하여 신체 근육이 움직인 각도를 계산하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연산부는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하는 알고리즘이 내장된 것을 특징으로 하는 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 근육활성도 센서는, 신체 근육에 탈장착 가능하게 부착하도록 상기 패드에 연결된 부착수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 패드는 압축탄성재로 제조된 것을 특징으로 하는 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 근육활성도 센서는, 상기 FSR 센서 상에 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 FSR 센서를 이용한 근육활성도 측정장치.
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