실험 설계 2

1. 연구 

 손목 착용형 sEMG 밴드를 이용해 손·손목 운동 의도를 안정적으로 인식하고, 이를 XR 입력으로 연결한다. 특히 손목은 움직임이 많고 피부와 전극 사이의 미세한 미끄러짐이 쉽게 생기므로, 전극 소재와 접촉압이 신호 품질에 직접 영향을 준다. 그렇기 때문에 설계는 “어떤 전극이 더 좋나”와 “얼마나 조여야 하냐” 이 2가지 요소가 중요하다고 생각했다.

2. 설계 원리

건식 전극은 젤 전극보다 착용성과 재사용성이 좋지만, 피부에 잘 밀착되지 않으면 신호 품질이 급격히 떨어진다. 그렇기에 폼이나 탄성 밴드로 접촉압을 안정화하면 팔 움직임이 있어도 전극-피부 접촉이 덜 흔들려 모션 아티팩트를 줄일 수 있다.

따라서 손목 밴드는 전극 재료만 바꾸는 것이 아니라, 전극 + 완충재 + 스트랩 압박 구조를 같이 설계해야 한다. 굳이 복잡하지 않게 상용 부품과 쉽게 재단 가능한 재료로 구조를 만드는 것 또한 가능한 형태이다. 

3. 실험 흐름

1. 전극 구조 후보 3종을 비교한다.
2. 가장 성능이 좋은 구조를 골라 접촉압을 바꿔 본다.
3. 최종적으로 XR 입력에 필요한 최소 제스처 분류 성능을 확인한다.

전극 소재와 압박 수준이 동시에 바뀌면 결과 해석이 어려워지기 때문에,  먼저 구조를 고정한 뒤 압박만 바꾸면 왜 좋아졌는지를 설명하고, 알아내기 쉽다. 

4. 부품

4-1. 리스트업

• 액티브 근전도 센서 / 55,000원/

https://laxtha-eshop.kr/goods/view?no=76

• MyoWare 2.0 / 225,000원 /

https://vctec.co.kr/product/myoware-20-근육-센서-무선-키트-emgmyoware-20-muscle-sensor-wireless-kit/23585/category/145/display/1/

• 은도금 전도성 실 / 5,700원 ~ 11,700원 /

https://www.11st.co.kr/products/8838906231?&trTypeCd=05&trCtgrNo=585021&checkCtlgPrd=true

• 전도성 직조 패브릭 / 8,998원 /

 https://www.icbanq.com/P007557970

• PU foam / 5,700원 /

https://www.coupang.com/vp/products/8854143976?itemId=26003234590&vendorItemId=92985347220&sourceType=srp_product_ads&clickEventId=6e611200-4afe-11f1-905c-00e4e82c6894&korePlacement=15&koreSubPlacement=1&clickEventId=6e611200-4afe-11f1-905c-00e4e82c6894&korePlacement=15&koreSubPlacement=1&traceId=mox5mp0i

• ESP32 보드 / 16,150원 /

https://www.coupang.com/vp/products/8757170787?itemId=25460981664&vendorItemId=92529413015&q=ESP32+보드&searchId=e19b8cd39551695&sourceType=search&itemsCount=60&searchRank=1&rank=1&traceId=mox5o3az

 

4-2. 부품 필요성 

 

근전도센서, MyoWare 2.0는 손목 밴드에서 가장 핵심이 되는 신호 측정 부품이다. 이 부품은 피부 표면에서 감지한 미세한 근전도 신호를 증폭 시킨다. 

은도금 전도성 실은 전극과 센서 보드를 연결하는 웨어러블 배선 재료다. 

전도성 직조 패브릭은 피부에 닿는 전극 면이나 접촉부를 만들 때 쓰는 재료다. 금속 전극처럼 딱딱하지 않아서 착용감이 좋고, 넓은 면적으로 피부에 닿게 만들 수 있어 장시간 착용에 유리하다.

PU foam은 접촉압을 완만하게 만들어 움직일 때 압력 변동을 줄이는 역할을 한다. 각각 피부와의 밀착 향상과 압력 안정화에 효과가 있다. 텍스타일 전극은 비교군으로 넣기 좋고, 손목 밴드 제작이 쉬워 실험에 적합하다. 

ESP32 보드는 센서에서 나온 신호를 무선으로 보내거나 실시간으로 처리하는 제어부다. ESP32는 저렴하고 블루투스나 Wi-Fi 연결이 쉽다.

 

이러한 부품 요소들들 각각 고려해 촉압 변동을 줄이는 구조로 만들고자한다. 

5. 실험

5-1. 전극 비교

 

피험자는 건강한 성인 10명. 손목 전극은 전완의 굴곡/신전 근육 방향에 맞춰 2채널 또는 4채널로 배치한다. 비교 조건으로 Ag/AgCl 젤 전극, AgNW/PDMS 전극, 젤형 텍스타일 전극.

 

• Ag/AgCl 젤 전극: 가장 전통적인 습식/젤 타입 표면전극이다. 피부와 전극 사이에 젤이 있어 임피던스를 낮추고 신호 품질이 좋지만, 일회용이고 장시간 착용에 불리하다.
• AgNW/PDMS 전극: 은 나노와이어(AgNW)를 PDMS 같은 신축성 기판에 결합한 건식·신축성 전극이다. 젤이 없고 늘어나는 특성이 있어 웨어러블에 유리하다.
• 젤형 텍스타일 전극: 직물(텍스타일) 구조에 젤 또는 전도성 젤층을 적용한 섬유/의류 기반 전극이다. 일반 젤 전극보다 착용형 통합성이 높고, 스마트 의류나 장시간 모니터링에 맞춘 형태다.

기준 성능 확보를 위한 Ag/AgCl 젤 전극, 착용 중 신축성과 유연성을 높이기 위한 AgNW/PDMS 전극, 그리고 장시간 착용성과 의류 통합 가능성을 검토하기 위한 젤형 텍스타일 전극을 비교 대상으로 선정했다. 세 전극은 각각 신호 안정성, 기계적 적합성, 실사용성이라는 서로 다른 설계 가치를 대표하므로, 손목 밴드형 sEMG 인터페이스의 전극 선택 기준을 다각도로 검토하는 데 적절하다고 생각한다.

 

정적 휴식 30초, 손목 굴곡/신전 5초 수축-5초 이완 10회, 손가락 쥐기/펴기 동작을 넣는다. 이 구성은 EMG 신호가 언제 안정적이고 언제 깨지는지 보기 쉽다. 움직임이 있을 때도 신호가 유지되는지 확인해야 XR 입력에서 실제로 쓸 수 있다.

 

5-2. 압박 실험

 

전극 구조를 하나로 고른 뒤 접촉압을 대략 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0 kPa로 바꾼다. 1.0–2.0 kPa 범위가 EMG 안정성과 착용감의 균형점으로 제시되는 경우가 많고, 2.0 kPa를 넘으면 불편감이 커질 수 있다. 그래서 이 범위를 중심으로 촘촘히 보아야 한다.

 

5-3. 측정 지표

• SNR
• 휴식 구간과 수축 구간의 분리 정도
• 전극-피부 임피던스
• 간단한 주관평가(통증, 조임감, 착용감)
• 제스처 분류 정확도

데이터가 얼마나 깨끗하게 보이는지를 우선 보고, 분류는 2~3개 제스처로 해서 XR 입력은 처음부터 다수 동작을 노리기보다, 잘 되는 몇 가지 입력을 파악한다. 

6. 참고문헌

• Relationship between Contact Pressure and Motion Artifacts in ECG Measurement with Electrostatic Flocked Electrodes Fabricated on Textile 

https://www.nature.com/articles/s41598-019-42027-xnature

• 표면 근전도를 이용한 손동작 인식

 http://journal.ksnve.or.kr/xml/17486/17486.pdfjournal.ksnve

• 재활운동 보조를 위한 다채널 무선 근전도 측정 시스템

 https://www.e-jfpe.org/archive/view_article?doi=10.56767%2Fjfpe.2024.3.2.231e-jfpe