KR20140143922A - 착용형 근전도 센서 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 착용형 근전도 센서 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 근전도 센서 시스템은, 신축가능하며, 표면을 관통하는 다수의 전극이 설치된 밴드; 상기 밴드의 전극에 접속하는 전극을 구비하는 근전도 센서; 및 상기 근전도 센서를 상기 밴드에 고정하기 위한 고정 수단을 포함하며, 상기 근전도 센서의 전극은 상기 밴드의 임의의 위치의 전극과 접속가능하다.

Description

착용형 근전도 센서 시스템 {WEARABLE ELECTROMYOGRAM SENSOR SYSTEM}
본 발명은 착용형 근전도 센서 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는, 신축성 밴드와 근전도 센서를 이용하여 다양한 신체 특성을 갖는 사용자에게 적용할 수 있으며, 인체의 동작이 이루어지기 전에 근전도 센서로부터 측정된 생체신호로부터 동작을 예측하여 사용자가 의도하는 동작을 수행할 수 있도록 하는 착용형 근전도 센서 시스템에 관한 것이다.
근전도 센서는 근육의 움직임에 따라 발생하는 전류의 변화를 감지하는 센서로, 근래에 근전도 센서를 활용하는 다양한 연구가 진행되고 있다.
이와 관련하여, 공개특허 2005-0065197호는 팔과 손 부분에 착용하여 소프트웨어 컨텐츠에 관련된 입출력 명령을 수행할 수 있는 인터페이스 장치에 관련된 것으로, 팔과 손의 움직임을 추적하는 센서로부터 얻은 입력 값을 일정한 명령으로 처리하는 수단과, 소프트웨어 컨텐츠의 출력 값을 일정한 시각, 청각, 촉각 자극으로 출력하는 수단, 그리고, 활동적 신체 부분에 대한 착용성을 고려한 인터페이스 설계를 제시한다. 또한, 공개특허 2010-0078089호는 무선 근전도 측정 시스템에 관한 것으로, 근전도 감지모듈에 무선송신모듈을 구비하고, 근전도 단말기에 무선수신모듈을 구비한다. 여기서, 근전도 감지모듈은 근전도 단말기로 근전도 신호를 무선송신할 수 있으므로, 잦은 사용으로 인한 케이블 손상이 방지되고 피시험자의 불편함이 최소화될 수 있다.
종래 기술들의 경우, 근전도 센서의 특정 활용 방안에 대해 제안할 뿐, 다양한 신체 특성을 갖는 사용자들에게 근전도 센서를 용이하게 적용할 수 있는 방안을 제시하지 않고 있다.
또한, 근전도 센서에서 감지한 측정 신호를 바탕으로 사용자의 의도된 동작을 예측하고, 이를 활용할 수 있는 방안에 대한 연구도 미흡하다.
그리고, 근전도 센서를 실질적으로 적용함에 있어 발생될 수 있는 착용자의 자세, 움직임 및 피로도 등에 의한 오차를 반영하지 못하여 정확한 동작의 인식이 어려운 문제점이 있었다.
공개특허 2005-0065197호 (한국전자통신연구원) 2005.06.29. 공개특허 2010-0078089호 (주식회사 비솔) 2010.07.08.
본 발명의 목적은 신축성 밴드와 근전도 센서를 이용하여 다양한 신체 특성을 갖는 사용자에게 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 동일한 사용자의 손목 또는 발목 등과 같이 상이한 굵기를 갖는 신체 부위에도 별다른 조절 수단 없이 용이하게 근전도 센서를 적용할 수 있는 착용형 근전도 센서 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 인체의 동작이 이루어진 후에 동작을 인식하거나, 동작이 이루어지기 전에 근전도 센서로부터 측정된 생체신호로부터 동작을 예측하여 사용자가 의도하는 동작을 수행할 수 있도록 하는 착용형 근전도 센서 시스템을 제공하는 것이다.
그리고, 본 발명의 또 다른 목적은 움직임과 자세를 반영하여 보다 정밀하고 정확한 동작의 인식이 가능한 착용형 근전도 센서 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 착용자의 피로도에 의해 발생할 수 있는 오차를 줄여, 정확하고 신뢰도 높은 착용형 근전도 센서 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 근전도 센서 시스템은 신축가능하며, 표면을 관통하는 다수의 전극이 설치된 밴드; 상기 밴드의 전극에 접속하여 근육의 수축에 관한 생체 신호를 수신하는 전극을 구비하고, 상기 생체 신호를 통하여 사용자의 동작, 힘의 방향, 힘의 크기 및 에너지 분포 중 하나 이상을 포함하는 동작 정보의 변화를 감지 또는 상기 동작 정보의 변화가 있기 전에 미리 감지하는 근전도 센서; 및 상기 근전도 센서를 상기 밴드에 고정하기 위한 고정 수단을 포함하며, 상기 근전도 센서의 전극은 상기 밴드의 임의의 위치의 전극과 접속가능하다.
상기 고정 수단은, 상기 밴드와 상기 근전도 센서에 부착되는 자석, 벨크로 및 탈착식 테이프 중 하나일 수 있다.
상기 근전도 센서는, 상기 생체 신호를 증폭 및 필터링 하는 증폭 및 필터링 모듈; 상기 근전도 센서가 밴드에 결합한 상태에서, 측정하는 부위의 움직임과 자세를 측정하는 움직임 측정 센서; 상기 근육에 누적되는 피로를 기계적 또는 광학적으로 측정하는 근육의 피로도 측정 모듈; 및 상기 밴드의 전극과 상기 근전도 센서의 전극의 접촉 상태를 감지하는 전극 접촉 감지 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자에게 착용되어 근육의 수축에 관한 생체 신호를 감지하는 착용형 근전도 센서 시스템은 상기 생체 신호를 수신하는 전극을 구비하고, 상기 생체 신호를 통하여 사용자의 동작, 힘의 방향, 힘의 크기 및 에너지 분포 중 하나 이상을 포함하는 동작 정보의 변화를 감지 또는 상기 동작 정보의 변화가 있기 전에 미리 감지하는 근전도 센서를 포함한다.
상기 근전도 센서는, 상기 생체 신호를 증폭 및 필터링 하는 증폭 및 필터링 모듈; 측정하는 부위의 움직임과 자세를 측정하는 움직임 측정 센서; 및 상기 근육에 누적되는 피로를 기계적 또는 광학적으로 측정하는 근육의 피로도 측정 모듈을 포함할 수 있다.
상기 생체 신호에 관한 패턴을 분석하여, 상기 동작 정보의 변화를 감지 또는 미리 감지하는 제어부; 및 상기 동작 정보에 관한 패턴 분석을 기반으로 동작, 에너지, 힘, 음성, 영상, 촉감 및 데이터 중 하나 이상으로 변환하는 변환 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 근전도 센서로부터 전달되는 상기 생체 신호들 각각을 개별적 또는 통합적으로 증폭 또는 감쇄시키는 근수축 신호 처리 모듈; 상기 사용자의 기 설정된 동작 전에 발생하는 사용자의 움직임, 자세 및 근육 수축에 관한 정보가 미리 입력되는 트레이닝 모듈; 상기 근전도 센서에서 측정된 생체 신호들과 상기 트레이닝 모듈에서 입력되는 정보를 바탕으로 사용자의 동작에 관한 패턴을 분석하는 패턴 분석 모듈; 및 상기 근전도 센서에서 측정된 상기 생체 신호들이 실시간으로 입력되어 저장되는 신호 입력 저장 모듈을 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 패턴 분석 모듈의 패턴 분석을 위하여, 상기 생체 신호에 대한 증폭 및 감쇄를 조절하는 근수축 신호 조절 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 근육의 피로도가 미리 설정한 임계치를 초과하는 경우, 비정상적인 근수축 신호로 판단하고 사용자의 생체 신호를 기반으로 한 명령이 상기 변환 모듈로 전달되는 것을 차단하는 명령 차단 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 변환 모듈은, 상기 근전도 센서를 착용한 사용자의 동작에 대한 패턴 분석을 기반으로 하여 수화를 음성으로 변환하는 장치일 수 있다.
상기 변환 모듈은, 상기 근전도 센서에서 감지한 동작 정보와 동일하거나 이에 대응하는 동작으로 전환하는 액추에이터를 포함할 수 있다.
상기 변환 모듈은, 사용자로부터 떨어져 있으면서, 상기 근전도 센서에서 감지한 동작 정보와 동일한 동작 또는 이에 대응하는 동작 또는 에너지로 전환하는 원격 제어 장치 또는 의수를 포함할 수 있다.
상기 근전도 센서는, 감지된 상기 동작 정보에 대응하는 음성 신호, 영상 신호 및 촉감 신호 중 하나 이상을 나타내는 디스플레이 모듈을 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 근전도 센서 시스템은, 밴드가 신축성을 지닐 뿐만 아니라 다수의 전극이 표면이 형성되어 있으므로, 상이한 굵기 내지 크기를 갖는 신체의 다양한 부위에 밴드를 착용한 후, 밴드 내 원하는 위치에 근전도 센서를 결합시킴으로써, 측정하고자 하는 신체 부위의 생체신호를 용이하게 획득할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 근전도 센서 시스템은, 근전도 센서로부터 측정된 생체신호로부터 동작이 이루어지기 전에 동작을 예측하거나 동작이 이루어진 후에 동작을 인식할 수 있으므로, 예측되거나 인식된 동작으로부터 사용자가 의도하는 다양한 명령 내지 동작을 보조할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 근전도 센서 시스템의 근전도 신호는 착용자의 움직임 및 자세에 영향을 받을 수 있다. 따라서, 착용자의 움직임과 자세를 반영하기 위한 움직임 측정 센서를 결합하여 보다 정밀하고 정확하게 동작을 인식할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 근전도 센서 시스템에 따르면 착용자의 피로도에 의해 발생할 수 있는 오차 값을 보정할 수 있는 근육 피로도 측정 모듈을 포함하고 이를 반영함으로써 보다 신뢰도 높고 정확한 근전도 센서 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 근전도 센서 시스템을 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 신축성 밴드를 도시하는 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 근전도 센서를 도시하는 사시도이며, 도 3a는 근전도 센서를 상부에서 바라본 사시도이고, 도 3b는 근전도 센서를 하부에서 바라본 사시도이다.
도 4는 도 1의 착용형 근전도 센서 시스템을 A-A선을 따라 절취한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 근전도 센서 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6a는 움직임 전후의 표면 근전도 신호를 변화를 나타내는 도면이고, 도 6b는 실질적으로 측정된 움직임 전후의 표면 근전도 신호 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 5의 변환 모듈의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 5의 변환 모듈의 다른 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 5의 변환 모듈의 또 다른 기능을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 착용형 근전도 센서 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 근전도 센서 시스템을 도시하는 사시도이며, 도 2는 도 1의 신축성 밴드를 도시하는 사시도이다. 또한, 도 3a 및 도 3b는 도 1의 근전도 센서를 도시하는 사시도이며, 도 3a는 근전도 센서를 상부에서 바라본 사시도이고, 도 3b는 근전도 센서를 하부에서 바라본 사시도이다. 도 4는 도 1의 착용형 근전도 센서 시스템을 A-A선을 따라 절취한 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 근전도 센서 시스템(10)은 근전도 센서(200)를 포함하여, 근전도 센서(200)는 밴드(100)를 통하여 사용자에게 장착될 수 있다.
도 2에서, 밴드(100)는 신축가능하며, 표면을 관통하는 다수의 전극(110)이 설치된다. 밴드(100)는 신축가능하므로, 상이한 신체 특성을 갖는 다양한 사용자들이 착용할 수 있으며, 동일한 사용자가 손목 또는 발목 등과 같이 상이한 굵기를 갖는 신체 부위에도 용이하게 착용할 수 있다.
본 발명의 착용형 근전도 센서 시스템(10)은 밴드(100)와 근전도 센서(200)를 분리가능하게 구성함으로써, 사용자가 용이하게 밴드(100)를 착용한 후, 밴드(100) 내 원하는 위치에 근전도 센서(200)를 결합시킬 수 있으므로, 사용자의 활동성을 보장할 수 있다.
또한, 밴드(100)는 신축가능하므로, 일단 사용자가 밴드(100)를 착용하면, 사용자의 피부에 밴드(100)가 밀착하여 접할 수 있다. 따라서, 밴드(100)의 전극(110)을 통한 사용자의 근전도 신호 전달이 확실히 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 근전도 신호를 수신하는 전극(210)을 구비하고, 상기 생체 신호를 통하여 사용자의 동작, 힘의 방향, 힘의 크기 및 에너지 분포 중 하나 이상을 포함하는 동작 정보의 변화를 감지 또는 상기 동작 정보의 변화가 있기 전에 미리 감지하는 근전도 센서(200)를 포함한다.
본 명세서에서 '동작 정보'는 사용자가 의도하는 동작에 관한 정보로서, 동작, 힘의 크기, 힘의 방향 및 에너지 분포 중 하나 이상에 관한 정보를 의미한다.
본 명세서에서 동작을 '예측'한다는 것은 동작 정보의 변화가 있기 전에 착용자의 동작 정보를 미리 감지하는 것을 의미하고, 동작을 '인식'한다는 것은 착용자의 동작 정보의 변화가 시작된 후에 착용자의 동작 정보의 변화를 감지하는 것을 의미한다.
근전도 신호와 같은 생체 신호를 사용하여 동작 정보를 인식 또는 예측하는 구체적인 방법에 대하여는 후술하기로 한다.
도 1의 실시예의 경우 근전도 센서(200)의 전극(210)은 밴드(100)의 전극(110)에 접속하며, 사용자의 생체 신호, 즉 근전도 신호, 일 예로 표면 근전도(SEMG; surface electromyogram) 신호를 감지한다.
근전도 신호와 같은 생체 신호를 수신하기 위하여, 근전도 센서(200)가 사용자의 피부에 부착되거나, 보조 수단을 사용하여 사용자의 피부에 부착될 수 있다.
도 1의 경우, 근전도 센서(200)는 밴드(100)에 고정되어 사용자의 피부에 부착되도록 형성된다. 근전도 센서(200)의 전극(210)과 밴드(100)의 전극(110)이 접속함으로써, 높은 전도성 솔루션(high conductivity solution)으로 전도성을 보장할 수 있다. 도 3b에서 근전도 센서(200)의 전극(210)은 3개로 도시되었으나, 전극(210)의 개수는 이에 한정되지 않으며, 3개 이하 또는 3개 이상으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 착용형 근전도 시스템(10)은 근전도 센서(200)를 고정 장치를 이용하여 밴드(100)에 고정할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 고정 장치로 자석, 벨크로 및 탈착식 테이프 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 다양한 고정 수단이 이에 적용될 수 있다.
일 예로, 도 3a를 참조하면, 본 발명의 착용형 근전도 센서 시스템(10)은 근전도 센서(200)를 밴드(100)에 고정하기 위한 고정 수단을 포함하며, 이를 위해, 근전도 센서(200)의 전극(210) 주위에 자석(212)을 설치하고, 밴드(100)의 표면에 근전도 센서(200)의 자석(212)과 극이 다른 자석(112)을 설치함으로써, 자력에 의해 근전도 센서(200)를 밴드(100)에 고정하도록 구성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 도 3a와 같이, 근전도 센서(200)는 감지된 상기 동작 정보에 대응하는 음성 신호, 영상 신호 및 촉감 신호 중 하나 이상을 나타내는 디스플레이 모듈(214)을 포함할 수 있다.
본 발명의 착용형 근전도 센서 시스템(10)은 밴드(100)의 표면에 다수의 전극(110)이 설치되며, 밴드(100) 내 원하는 위치에 근전도 센서(200)를 결합시킬 수 있으므로, 측정하고자 하는 신체 부위의 생체신호를 용이하게 획득할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 근전도 센서 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 근전도 센서 시스템(10)은 밴드(100), 근전도 센서(200), 제어부(300) 및 변환 모듈(400)을 포함한다.
근전도 센서(200)는 전술한 바와 같이 밴드(100)의 전극(110)에 접속하는 전극(210)을 포함하며, 증폭 및 필터링 모듈(220), 움직임 측정 센서(230), 근육의 피로도 측정 모듈(240) 및 전극 접촉 감지 모듈(250)을 더 포함할 수 있다.
증폭 및 필터링 모듈(220)은 사용자 근육의 수축 또는 이완으로 인한 생체신호를 증폭 및 필터링 한다. 생체신호를 증폭 및 필터링 함으로써, 불필요한 노이즈를 제거하고 후처리를 위한 측정신호를 추출할 수 있다.
움직임 측정 센서(230)는 근전도 센서(200)가 밴드(100)에 결합한 상태에서, 측정하는 부위의 움직임과 자세를 측정한다. 근전도 센서(200)가 사용자의 동일한 신체 부위의 소정 동작에 따른 생체신호 획득 시, 사용자의 움직임과 자세에 따라 획득되는 생체신호의 미묘한 변화가 있을 수 있다. 예를 들어, 사용자가 팔을 움직이지 않은 상태에서 주먹을 쥐었다 폈다 할 때 감지되는 생체신호와 팔을 위아래로 흔들면서 주먹을 쥐었다 폈다 할 때 감지되는 생체신호는, 같은 주먹을 쥐었다 폈다 하는 동작이라도 중력 등의 영향에 의해 다른 생체신호로 감지될 수 있다. 움직임 측정 센서(230)는 측정하는 부위의 움직임과 자세를 측정함으로써, 측정된 움직임과 자세에 관한 정보를 생체신호의 처리 시 반영할 수 있도록 한다. 움직임 측정 센서(230)의 종류는 특별히 제한적이지 않으며, 예를 들어, 자이로센서(Gyrosensor), 관성 센서(IMU sensor; Inertial Measurement Unit sensor) 또는 가속도계(Accelerometer) 등이 사용될 수 있다.
근육의 피로도 측정 모듈(240)은 사용자의 근육에 누적되는 피로를 기계적 또는 광학적으로 측정하는 장치이다. 사용자가 동일한 동작을 반복할 때 근육에 누적되는 피로로 인해 근전도 센서(200)에서 감지되는 생체신호에 오차가 발생할 수 있다. 근육의 피로도 측정 모듈(240)은 근육의 피로도를 측정하여, 정상적인 근육 동작임을 감지함으로써, 이후 사용자가 의도하는 동작이 무엇인지 예측하는데 필요한 정보를 제공한다. 근육의 피로도 측정 모듈(240)의 종류는 특별히 제한적이지 않으며, 예를 들어, 근육의 떨림을 측정하는 가속도계 또는 산소 포화도를 측정하는 적외선 센서(Infrared sensor) 등이 사용될 수 있다.
전극 접촉 감지 모듈(250)은 밴드(100)의 전극(110)과 근전도 센서(200)의 전극(210)의 접촉 상태를 감지한다. 생체신호의 원활한 획득을 위해서는 밴드(100)의 전극(110)과 근전도 센서(200)의 전극(210)의 접속이 확실히 보장되어야 하며, 전극 접촉 감지 모듈(250)은 전극들의 접속 상태를 감지함으로써, 오신호가 측정되는 것을 방지한다. 전극 접촉 감지 모듈(250)의 종류는 특별히 제한적이지 않으며, 예를 들어, 온도 센서 또는 적외선 센서, 전기적 접지(ground) 신호 등이 사용될 수 있다.
제어부(300)는 근전도 센서(200)로부터 전달되는 생체신호의 패턴을 분석하여, 상기 동작 정보의 변화를 감지 또는 미리 감지하여, 사용자가 의도하는 동작을 감지 또는 예측하고, 감지 또는 예측되는 동작 정보를 변환 모듈(400)로 전달한다.
구체적으로, 제어부(300)는 근수축 신호 처리 모듈(310), 신호 입력 저장 모듈(320), 트레이닝 모듈(330), 근수축 신호 조절 모듈(340), 패턴 분석 모듈(350) 및 명령 차단 모듈(360)을 포함할 수 있다.
근수축 신호 처리 모듈(310)은 근전도 센서(200)의 증폭 및 필터링 모듈(220)로부터 전달되는 근수축 신호들 각각을 개별적 또는 통합적으로 증폭 또는 감쇄시킨다. 이는 인접하는 근수축 신호들 간의 간섭, 노이즈 개입, 측정하는 부위와 근전도가 발생되는 근육과의 거리 또는 측정하는 동작의 자세로 인한 신호 처리의 부정확함을 보정하기 위한 과정이다.
신호 입력 저장 모듈(320)은 근전도 센서(200)에서 감지되는 측정 신호들이 실시간으로 입력되어 저장되는 장치이다. 구체적으로, 신호 입력 저장 모듈(320)에는 증폭 및 필터링 모듈(220), 움직임 측정 센서(230), 근육의 피로도 측정 모듈(240) 및 전극 접촉 감지 모듈(250)에서 감지한 측정 신호들이 입력되어 저장될 수 있다.
트레이닝 모듈(330)은 사용자의 기 설정된 동작 전에 발생하는 사용자의 움직임, 자세 및 근육 수축 등에 관한 정보가 미리 입력되는 장치이다. 트레이닝 모듈(330)은 각각의 사용자의 신체 특성에 따라 미묘한 차이가 있는 사용자의 움직임, 자세 및 근육 수축 등에 관한 정보가 입력될 수 있다. 근전도 센서(200)에서 감지된 특정 사용자의 움직임, 자세 및 근육 수축 등의 정보가 입력되면, 트레이닝 모듈(330)에 입력된 사용자에 관한 정보를 바탕으로, 사용자가 의도하는 동작을 예측할 수 있다.
근수축 신호 조절 모듈(340)은 패턴 분석 모듈(350)에서의 패턴 분석을 최적화하도록 근수축 신호에 대한 증폭 및 감쇄를 조절하는 모듈이다. 이는 사용자가 사용하는 근육의 분포에 따른 패턴 분석을 최적화 하는 과정과 근육의 피로도에 따른 신호 변화에 대응하는 과정을 포함할 수 있다. 근수축 신호 조절 모듈(340)에서 처리된 신호는 근수축 신호 처리 모듈(310)로 피드백 되어 재처리될 수 있다.
패턴 분석 모듈(350)은 신호 입력 저장 모듈(320)로부터 실시간으로 전달되는 근전도 센서(200)의 측정 신호들과 트레이닝 모듈(330)에서 입력되는 정보를 바탕으로 사용자의 제스처, 힘 또는 에너지 분포 등의 패턴을 분석한다. 패턴 분석 모듈(350)은 움직임 측정 센서(230)와 트레이닝 모듈(330)의 정보를 바탕으로 측정 신호들을 보정할 수 있다.
예를 들어, 사용자가 팔을 들어올리고 내리는 동작 시, 중력의 작용에 의해 측정되는 근육 신호의 패턴이 달라지는 경우를 고려한다.
우선, 사용자가 미리 의도한 동작이 움직임 측정 센서(230)의 측정 신호만으로 구분가능할 때, 움직임 측정 센서(230)의 측정 신호와 트레이닝 모듈(330)의 정보를 바탕으로 사용자의 의도된 동작을 감지 또는 예측한다.
만약, 사용자가 미리 의도한 동작이 움직임 측정 센서(230)의 측정 신호만으로 구분이 어려운 경우, 증폭 및 필터링 모듈(220)과 움직임 측정 센서(230)의 신호 패턴을 트레이닝 모듈(330)의 정보와 비교 분석하여, 사용자의 의도된 동작을 감지 또는 예측한다.
만약 움직임 측정 센서(230)에서 감지한 동일한 측정 신호에 대해 증폭 및 필터링 모듈(220)에서 여러 종류의 신호가 발생하는 경우에는 증폭 및 필터링 모듈(220)의 신호와 트레이닝 모듈(330)의 정보를 비교 분석하여 사용자의 의도된 동작을 예측할 수 있다. 일 예로, 사용자가 손으로 물건을 잡았을 때, 손가락의 움직임이 없으므로 움직임 측정 센서(230)의 신호는 동일하나, 손가락에 힘을 주는 방식에 따라 증폭 및 필터링 모듈(220)에서는 상이한 신호가 발생한다. 이러한 경우에는 손가락에 힘을 주는 방식에 따라 상이한 근육에서 발생하는 근수축 신호를 증폭 및 필터링 모듈(220)에서 처리한 후, 처리된 신호를 트레이닝 모듈(330)의 정보와 대비하여 사용자의 의도된 동작을 감지 또는 예측할 수 있다.
한편, 제어부(300)는 근육의 피로도 정도에 따라 근전도 신호를 이용한 명령을 차단시키는 명령 차단 모듈(360)을 더 포함할 수 있다. 명령 차단 모듈(360)은 근육의 피로도 측정 모듈(240)로부터 전달되는 신호를 바탕으로 근육의 피로도가 미리 설정한 임계치를 초과하는 경우, 정상적인 근수축 신호가 아니라고 판단하여 사용자의 근수축 신호를 기반으로 한 명령이 변환 모듈(400)로 전달되는 것을 차단한다.
변환 모듈(400)은 사용자의 동작에 관한 패턴 분석을 기반으로 동작, 에너지, 힘, 음성, 영상, 촉감 및 데이터 중 하나 이상으로 변환하는 모듈이다. 변환 모듈(400)은, 예를 들어, 사용자가 엄지 손가락을 치켜드는 동작을 취했을 때 감지되는 근육에 대한 측정 신호를 기반으로, 이를 로봇의 손가락이 동작을 흉내 내도록 하거나, 오디오를 통해 최고라는 음성으로 변환하도록 하거나, 디스플레이에 최고라는 글자가 표시되도록 정보를 변환할 수 있다.
또한, 상기 변환 모듈(400)을 데이터 입력 장치로 하여, 컴퓨터와 같은 데이터 처리 장치에 연결함으로써 인간-컴퓨터 인터페이스(HCI; Human-computer interface)를 구축할 수 있다. 그에 따라, 인간의 모션을 데이터로 인식하여 컴퓨터와 같은 데이터 처리 장치에 입력하게 함으로써, 키보드나 마우스와 같은 데이터 입력 장치를 사용하는 대신 인간의 동작에 따라 컴퓨터와 같은 데이터 처리 장치가 반응하게 할 수 있다.
도 6a는 움직임 전후의 표면 근전도 신호를 변화를 나타내는 도면이고, 도 6b는 실질적으로 측정된 움직임 전후의 표면 근전도 신호 변화를 나타내는 도면이다.
도 6a를 참조하면, 움직임 전후에 근전도 신호는 도면에서와 같이 변화하게 된다.
단위 운동 전후의 근전도 신호의 변화에 있어서, 단위 운동이 발생함에 따라 운동단위 활동전위(motor unit action potential, MUAP)가 변화하게 된다. 도 6a를 참조하면, 점선을 기준으로 좌측은 움직임이 발생하기 전의 근전도 신호의 변화를 나타내는 것으로, 움직임 전의 초기 과도(transient) 상태(구간 A)에서는 전위가 급격하게 증가하였다가 감소하는 것을 알 수 있다. 점선을 기준으로 우측은 움직임이 발생한 후의 근전도 신호의 변화를 나타내며, 움직임 후의 정상 상태(steady state)(구간 B)에서는 근전도 신호가 일정한 값을 갖게 되는 것을 알 수 있다.
즉, 움직임 전후의 근전도 신호는 다른 패턴을 갖게 되며, 이러한 패턴의 분석으로 (초기 상태(구간 A)의 근전도 신호 분석으로) 움직임을 예측하거나, (정상 상태(구간 B)의 근전도 신호 분석으로) 움직임을 인식할 수 있다.
도 6b는 실질적으로 측정된 움직임 전후의 표면 근전도 신호 변화를 나타내는 도면으로서, 점선을 기준으로 좌측은 움직임이 발생하기 전의 초기 상태(구간 A)를 나타내고, 우측은 움직임이 발생한 후의 정상 상태(구간 B)를 나타낸다.
도 6b를 참조하면, 동작, 힘의 크기, 힘의 방향 또는 에너지 분포에 따라 근전도 신호의 크기 또는 형태가 다소 변화하는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 근전도 센서 시스템은 초기 상태(구간 A)의 근전도 신호를 분석하여 착용자의 동작 정보를 예측하거나, 정상 상태(구간 B)의 근전도 신호를 분석하여 착용자의 동작 정보를 인식할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면 착용자의 움직임이 없더라도 초기 상태(구간 A)의 생체 신호를 분석함으로써 동작, 힘의 크기, 힘의 방향 또는 에너지 분포와 같은 동작 정보의 예측이 가능해진다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면 시각 센서 및 자이로센서 등으로 손과 같은 말단 부위의 움직임이 발생한 후에도 동작 정보를 감지할 수 있을 뿐 아니라, 손과 같은 말단 부위의 움직임이 없더라도 생체 신호의 분석을 통하여 동작 정보의 예측이 가능해진다.
변환 모듈(400)의 기능에 대해서는 도 7 내지 도 9을 참조하여 보다 상세히 살펴보기로 한다.
도 7은 도 5의 변환 모듈의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 변환 모듈(400)은 근전도 센서(200)를 착용한 사용자의 제스처에 대한 패턴 분석을 기반으로 하여 수화를 음성으로 변환하는 장치가 될 수 있다. 근전도 센서(200)는 사용자의 의미 있는 동작 또는 제스쳐를 감지하고, 변환 모듈(400)은 이를 바탕으로 음성뿐만 아니라, 시각, 명령 정보로 변환하여 외부로 표시할 수 있다.
도 8은 도 5의 변환 모듈의 다른 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 사용자의 손상된 팔에 표면 근전도(sEMG; surface electromygraphy) 센서 시스템(202)을 부착하고, 신경 신호에 자극을 가하여 신경 신호가 제대로 연결되었는지 확인하는 것을 나타낸다. 신경의 자극에 반응하여 표면 근전도 센서 시스템(202)에서 근육의 온도 변화 또는 떨림 등을 감지하면, 변환 모듈(400)에서 음성 또는 시각 정보로 변화하여 외부로 표시함으로써, 신경손상 유무를 실시간으로 확인할 수 있다.
도 9는 도 5의 변환 모듈의 또 다른 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 상기 변환 모듈은, 상기 근전도 센서(200)에서 감지한 동작 정보와 동일하거나 대응하는 동작으로 전환하는 액추에이터(410)를 포함할 수 있다.
근전도 센서(200)가 인체 내부의 생체 신호를 감지하고, 제어부(300)는 생체 신호의 패턴 분석을 바탕으로 사용자의 의도된 동작을 예측한다. 제어부(300)에서 예측한 동작 정보는 변환 모듈(400)로 전달되며, 변환 모듈(400)은 액추에이터(410)를 통해 인체 내부의 생체신호를 인체의 운동으로 전환한다. 이와 같은 변환 모듈(400)은 특히 신체의 일부가 손상된 환자의 재활 치료에 유용하게 적용될 수 있다.
예를 들어, 다리의 근육 또는 신경의 일부가 손상된 환자에게 근전도 센서(200)를 부착하여, 다리의 움직임에 관련된 근육들에 대한 측정 신호가 감지되면, 변환 모듈(400)은 액추에이터(410)를 구동함으로써 근육들의 힘이 미약하여 걷는 동작이 어려운 환자의 걷는 동작을 보조하는 동력을 제공할 수 있다. 이에 따라 다리가 손상된 환자의 다리 재활 훈련이 수행될 수 있다.
또한, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 변환 모듈은 상기 변환 모듈은, 사용자로부터 떨어져 있으면서, 상기 근전도 센서에서 감지한 동작 정보를 상기 동작 정보에 대응하는 동작으로 전환하는 원격 제어 장치 또는 (예를 들면, 절단 환자에게 적용될 수 있는 인공 팔, 손 및 다리(prosthetic arm, hand and leg) 등과 같은) 의수를 포함할 수 있다.
즉, 사용자로부터 떨어져 있으면서, 상기 근전도 센서에서 감지한 동작 정보와 동일한 동작 또는 이에 대응하는 동작 또는 에너지로 전환하는 원격 제어 장치 또는 의수일 수 있다. 예를 들면, 로봇 또는 인공 손(prosthetic hand)과 같은 원격 제어 장치를 근전도 센서 시스템을 적용하여 사용자가 원격으로 제어하게 할 수 있다.
예를 들면, 근전도 센서 시스템으로 사용자가 예를 들면 물건을 쥐거나 밀고 있는 구속된 동작을 통하여 힘의 크기를 예측 또는 인식하여 원격 제어 장치에서 전달하여 사용자의 힘의 크기와 같거나 이에 비례하는 힘 또는 에너지로 변환하여 작업을 수행하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 변환 모듈은 상술한 예들에 한정되지 않음 다양한 착용자의 동작, 힘의 크기 또는 힘의 분포를 예측 또는 인식하여 다양한 형태로 변형되도록 적용될 수 있다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 착용형 근전도 센서 시스템
20: 피부
100: 밴드
110, 210: 전극
112, 212: 자석
200: 근전도 센서
202: 표면 근전도 센서 시스템
214: 디스플레이 모듈
220: 증폭 및 필터링 모듈
230: 움직임 측정 센서
240: 근육의 피로도 측정 모듈
250: 전극 접촉 감지 모듈
300: 제어부
310: 근수축 신호 처리 모듈
320: 신호 입력 저장 모듈
330: 트레이닝 모듈
340: 근수축 신호 조절 모듈
350: 패턴 분석 모듈
360: 명령 차단 모듈
400: 변환 모듈
410: 액추에이터

Claims (13)

  1. 신축가능하며, 표면을 관통하는 다수의 전극이 설치된 밴드;
    상기 밴드의 전극에 접속하여 근육의 수축에 관한 생체 신호를 수신하는 전극을 구비하고, 상기 생체 신호를 통하여 사용자의 동작, 힘의 방향, 힘의 크기 및 에너지 분포 중 하나 이상을 포함하는 동작 정보의 변화를 감지 또는 상기 동작 정보의 변화가 있기 전에 미리 감지하는 근전도 센서; 및
    상기 근전도 센서를 상기 밴드에 고정하기 위한 고정 수단을 포함하며,
    상기 근전도 센서의 전극은 상기 밴드의 임의의 위치의 전극과 접속가능한 것을 특징으로 하는 착용형 근전도 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정 수단은, 상기 밴드와 상기 근전도 센서에 부착되는 자석, 벨크로 및 탈착식 테이프 중 하나인 것을 특징으로 하는 착용형 근전도 센서 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 근전도 센서는,
    상기 생체 신호를 증폭 및 필터링 하는 증폭 및 필터링 모듈;
    상기 근전도 센서가 밴드에 결합한 상태에서, 측정하는 부위의 움직임과 자세를 측정하는 움직임 측정 센서;
    상기 근육에 누적되는 피로를 기계적 또는 광학적으로 측정하는 근육의 피로도 측정 모듈; 및
    상기 밴드의 전극과 상기 근전도 센서의 전극의 접촉 상태를 감지하는 전극 접촉 감지 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 근전도 센서 시스템.
  4. 사용자에게 착용되어 근육의 수축에 관한 생체 신호를 감지하는 착용형 근전도 센서 시스템으로서,
    상기 생체 신호를 수신하는 전극을 구비하고, 상기 생체 신호를 통하여 사용자의 동작, 힘의 방향, 힘의 크기 및 에너지 분포 중 하나 이상을 포함하는 동작 정보의 변화를 감지 또는 상기 동작 정보의 변화가 있기 전에 미리 감지하는 근전도 센서를 포함하는 착용형 근전도 센서 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 근전도 센서는,
    상기 생체 신호를 증폭 및 필터링 하는 증폭 및 필터링 모듈;
    측정하는 부위의 움직임과 자세를 측정하는 움직임 측정 센서; 및
    상기 근육에 누적되는 피로를 기계적 또는 광학적으로 측정하는 근육의 피로도 측정 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 근전도 센서 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 생체 신호에 관한 패턴을 분석하여, 상기 동작 정보의 변화를 감지 또는 미리 감지하는 제어부; 및
    상기 동작 정보에 관한 패턴 분석을 기반으로 동작, 에너지, 힘, 음성, 영상, 촉감 및 데이터 중 하나 이상으로 변환하는 변환 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 근전도 센서 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 근전도 센서로부터 전달되는 상기 생체 신호들 각각을 개별적 또는 통합적으로 증폭 또는 감쇄시키는 근수축 신호 처리 모듈;
    상기 사용자의 기 설정된 동작 전에 발생하는 사용자의 움직임, 자세 및 근육 수축에 관한 정보가 미리 입력되는 트레이닝 모듈;
    상기 근전도 센서에서 측정된 생체 신호들과 상기 트레이닝 모듈에서 입력되는 정보를 바탕으로 사용자의 동작에 관한 패턴을 분석하는 패턴 분석 모듈; 및
    상기 근전도 센서에서 측정된 상기 생체 신호들이 실시간으로 입력되어 저장되는 신호 입력 저장 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 근전도 센서 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 패턴 분석 모듈의 패턴 분석을 위하여, 상기 생체 신호에 대한 증폭 및 감쇄를 조절하는 근수축 신호 조절 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 근전도 센서 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 상기 제어부는,
    근육의 피로도가 미리 설정한 임계치를 초과하는 경우,
    비정상적인 근수축 신호로 판단하고 사용자의 생체 신호를 기반으로 한 명령이 상기 변환 모듈로 전달되는 것을 차단하는 명령 차단 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 근전도 센서 시스템.
  10. 제6항에 있어서, 상기 변환 모듈은,
    상기 근전도 센서를 착용한 사용자의 동작에 대한 패턴 분석을 기반으로 하여 수화를 음성으로 변환하는 장치인 것을 특징으로 하는 착용형 근전도 센서 시스템.
  11. 제6항에 있어서, 상기 변환 모듈은,
    상기 근전도 센서에서 감지한 동작 정보와 동일하거나 이에 대응하는 동작으로 전환하는 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 근전도 센서 시스템.
  12. 제6항에 있어서, 상기 변환 모듈은,
    사용자로부터 떨어져 있으면서, 상기 근전도 센서에서 감지한 동작 정보와 동일한 동작 또는 이에 대응하는 동작 또는 에너지로 전환하는 원격 제어 장치 또는 의수를 포함하는 것을 특징으로 하는 근전도 센서 시스템.
  13. 제4항에 있어서, 상기 근전도 센서는,
    감지된 상기 동작 정보에 대응하는 음성 신호, 영상 신호 및 촉감 신호 중 하나 이상을 나타내는 디스플레이 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 착용형 근전도 센서 시스템.
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