표면 근전도 신호를 이용한 인간 팔꿈치관절의 각도 추출 알고리즘

Abstract

본 논문에서는 표면 근전도 신호를 이용하여 인간 팔꿈치 및 어깨 관절 동작에 대한 각도를 실시간으로 추출하는 방법을 제안한다. 일반적으로 인간의 생체 신호는 비 정형(non-stationary) 신호로서 분석하기에 까다롭지만, 다양한 신호처리를 통해 표면 근전도 신호의 진폭 값으로부터 관절의 각도 값을 직접적으로 추출하는 방법을 제안한다. 하지만, 제안된 방법은 근전도 신호의 진폭 값에서 추출된 각도 값과 실제 팔꿈치 관절의 각도 값 사이의 최소의 오차를 보장할 수 없으므로 equality constraint기반 최적화 문제를 풀어 실제 팔꿈치 관절의 각도 값과 추출된 각도 값 사이의 오차를 최소화 한다. 또한, 힘과 각도에 따른 표면 근전도 신호의 분석을 통해 근전도-관절 각-힘 관계를 논의하고 힘에 대한 팔꿈치 관절의 각도 추출 방법을 제안한다. 다수의 피실험자를 통한 컴퓨터 시뮬레이션으로 제안된 방법의 유효성을 보인다.; This paper suggests a real-time joint angle extraction method by using sEMG(surface electromyogram) signals for imitating motions of the joint of human elbow and shoulder. Generally, since the bio-signal is a non-stationary signal, it is difficult to analyze the signal; however, in this paper, the method is proposed to extract the joint angle from the amplitude of the sEMG signal through a variety of signal processing. As a matter of fact, by the suggested method, it cannot be guaranteed that the error between the estimated angle from the amplitude of the sEMG signal and the real angle of the human elbow joint is the minimum. Therefore, the error between the estimated angle and the real angle is minimized by solving an optimal problem subject to the equality constraint. Also, it is discussed a relationship of the EMG-joint angle-force through the analysis of sEMG signal according to the force and joint angle, and the angle extraction method of the elbow joint according to the variable force is suggested in this paper. The effectiveness of the suggested method is shown by the computer simulation with several subjects.