[Bio-technology] 생체신호를 본격적으로 활용해 보자!!

안녕하세요.
세강의 @joonghoonlee입니다.
본격적인 포스팅부터 무겁고 머리아픈 내용을 하기보다.
생체신호활용에 관한 간단한 워밍업 포스팅을 하려고 합니다.
대표적으로 생체신호하면 떠올릴수 있는 의학용어는
근전도 EMG [electromyography]
심전도 ECG [electrocardiogram]
뇌파도 EEG [eletroencephalogram]
3가지로 분류되며, 의학드라마 혹은 영화등에서 이와 같은 말을 들어보셨을 겁니다.
아!
우선 저는 이러한 신호들을 활용한 로봇제어와 로봇교육을 하고자 하며, 활동하기 때문에
의료 관련직업에 종사하시는 분들의 정확하고 깊이 있는 설명에 비해 부족할수 있겠지만
일반인이 살아가는데 적당한 의료지식?!은 포스팅하며 알려드릴수 있을 것 같습니다. ^^

현재 각 전문분야별 융합을 통하여 언제, 어디서나, 누구와도 대화가 가능한 하이테크 시대가 되어가고 있다는 것은 공공연히 다 아는 사실입니다. 이러한 시대의 패러다임이 요구되는 환경에서 보다 자연스러운 인간과 기계의 상호작용 기술인 ‘바이오 컴퓨팅(biocomputing)’인터페이스 개발이 필요하다고 저는 느끼고 있습니다. 물론 이러한 요구에도 불구하고 현재의 HCI(Human Computer Interaction)인터페이스는 마우스와 터치를 이용한 터치패드, 터치스크린 등 2차원적인 포인팅 디바이스(pointing device)에 머물러 있습니다.
손 근전도(EMG) 모션에 따른 데이터로 제어 하는 장갑형태의 웨어러블 디바이스 장치를 개발하여 기술적 편의성을 개선하여 새로운 개념의 웨어러블 디바이스개발에 관해 개발이 필요하다고 절실히 느낍니다.
그래서
열심히 연구를 하고 있지요!
누가?
제가! ㅎㅎㅎㅎㅎㅎㅎ
아무튼

최근 선진국에서 개발 중 인 근력증강 로봇에 HCI 장치를 적용 할 경우 몸의 일부가 절단 / 마비
된 환자들의 보조기구로 사용이 가능하며 군사용 장비로도 개발이 가능 할 것으로 판단되며, 미국에서는 1994년부터 UC버클리 대학에서 근력증강 로봇을 개발해 왔으며, 미군은 이를 2020년까지 실전배치를 목표로 하고 있다고 합니다.

입는 로봇(Exoskeleton)
아....너무 멋집니다...

아무튼!

연구에 앞서 생체신호는

일반적인 생체측정 장비들처럼 측정대상과 센서부, 신호처리부와 출력부로 구성하였으며 외부 전원 노이즈를 제거하기 위해 노치필터를 구성하였으며, 생체신호 측정모듈에서 측정된 근전도 신호는 DSP를통해 AD변환을 하였고, 변환된 신호중 근전도 특징이 잘 나타나는 100~500[Hz] 대역의 신호만 대역통과필터로 필터링 하고, 필터링된 신호는 PCA기법을 이용하여 4가지 신호로 분류됩니다.

4채널의 근전도 측정모듈로 획득된 근전도 신호를 16bit AD컨버터가 탑재된모듈을 이용하여 신호를 입력받게되며, 근전도신호의 전체 주파수범위 0.1 ~ 10[kHz] 범위 중 실제 근전도가 가장 잘 나타나는 200 ~ 300[Hz] 대역대의 신호를 측정하게됩니다. 이를 위해 측정범위 최대주파수 300[Hz]의 2배 주파수 범위인 600[Hz]의 5배를 적용하여 3[kHz], 즉 초당 300번 데이터를 샘플링 하도록 AD변환을 설정했습니다.

· 패턴인식 및 포인팅 포지셔닝 기술
주성분분석법(PAC)을 통해 동작에따른 EMG패턴을 곱셈연산으로 측정값의 평균화된 신호 값을 구하고 구간내의 안정된 크기 값을 구하는 방식이며, 또한 자이로 센서는 시간에 따른 각도의 변이값을 출력하게 되며 시간에 대해 적분함으로써 이동 각을 구할 수 있습니다. 이를 바탕으로 손목에 대해 회전운동을 하게 되는 손의 회전각을 측정 할 수 있으니 여기에 3축 가속도센서를 이용하여 기준축이 변하여도 그 기울기를 알 수 있게 됩니다. 따라서 기울기에 따라 자이로 센서의 기준 축에 대한 보정을 해줌으로서 좀 더 자연스러운 자세에서 포인팅구연이 가능해지는 것입니다.

영화 ‘마이너리티 리포트’ 의 톰 크루즈도 조만간 현실이 될지도 모를일이지요~~!!

본격적으로
HID 마우스 구조부터 간단하게 설명해 드리겠습니다.
· HID클래스는 Human Interface Device(HID)라고 하여, Host에서 인간이 인터페이스(상호작용)할 수 있도록 도와주는 장치는 HID로 분류됩니다. 대표적으로 마우스, 키보드, 조이스틱 등이 HID장치로 분류됩니다. HID 클래스 디바이스는 리포트(report: 보고서)를 구조체 형식으로 지정하여, 실제 본래 목적으로 교환할 데이터를 보고서 형태로 구성되어 있습니다. 또한 호스트로 보낼 데이터 IN엔드 포인트는 '인터럽트'형식으로 구동되게 되어있습니다.

사진은 *Google의 HID 클래스 기본구조에서 발췌

이러한 밑바탕을 가지고 본격적인 디바이스 설계를 했습니다.

이렇게 설계된 보드를 현실로 소환!!

아....사진이 엄청 크게 나오네요 ;;ㅎㅎㅎ

작동이 잘되는지 심전도 부터 시험해 보겠습니다.

깔끔하게 잘 나오는 모습을 보여드릴수 있어 기분이 좋습니다 ^^

그렇다면 이번엔

근전도!!

약간의 노이즈가 섞여나오는 모습이지만
근육동작에 맞추어 잘 검출되는 모습입니다.

자~!

이제 이것을 가지고 톰크루즈가 되기위한 첫step
원격 조종!!을 해보도록 하겠습니다.

^^약간의 딜레이가 있지만 그래도 뭐
첫술에 배부르랴!!
열심히 연구해서 차차 더 나아지는 모습 올려드리겠습니다.
여러분들이 느끼는 생체신호라는 분야가 그렇게 막 어디다 적용하지? 그게 그냥 무슨소리지?
라는 막연함에서 그래도
조금이나마

아 이런걸 할수 있구나 이게 되는구나 그러면 이렇게도되나? 이거도 ? 하는 방향으로
조금은 변화되었길 기대해 봅니다.

긴 글 읽어 주셔서 감사합니다.

모두의 하루에 낭만이 가득하길 바래봅니다.