1. 연구 목적
이 설계는 손목 착용형 sEMG 밴드로 손·손목 운동 의도를 안정적으로 인식해 XR 입력으로 연결하려는 것이다. 손목은 움직임이 많고 전극이 쉽게 흔들리므로, 신호 품질을 확보하려면 전극 소재와 접촉압을 함께 고려해야 한다.
2. 개념&용어 정리
- sEMG(표면근전도): 피부 위 전극으로 근육의 전기 신호를 측정하는 방식이다. 손목 밴드형 입력에서는 손가락 굴곡/신전과 관련된 전완 근육 신호를 이용해 제스처 의도를 추정한다.
- 운동 의도 인식: 실제 동작이 일어나기 전후의 근육 활성 패턴을 이용해 무슨 동작을 하려는지 분류하는 것이다.
- SNR: 신호 대 잡음비로, 진짜 근전도 신호가 잡음보다 얼마나 큰지 나타낸다. 값이 클수록 분류에 유리하다.
- 모션 아티팩트: 움직임 때문에 전극-피부 접촉이 흔들리며 생기는 잡음이다. 손목 착용형에서는 가장 큰 문제 중 하나다.
- 접촉압: 전극이 피부를 누르는 압력이다. 너무 낮으면 접촉이 불안정하고, 너무 높으면 불편해진다.
- 전극-피부 임피던스: 전극과 피부 사이의 전기 저항으로, 건식 전극에서 특히 중요하다. 임피던스가 높으면 신호 손실이 커지므로, 접촉압과 밀착성을 높여 낮춰야 한다.
- SMR: 근전도 신호 파워와 움직임 아티팩트 파워의 비율. 모션 아티팩트가 많은 착용형에서 신호 순도를 평가하는 지표이다.
- 건식 전극: 젤 없이 피부에 직접 붙이는 전극으로, AgNW/PDMS나 전도성 패브릭이 대표적이다. 젤 전극보다 재사용성과 장시간 착용에 좋지만, 접촉 안정성이 떨어질 수 있다.
- 텍스타일 전극: 직물이나 패브릭에 전도성 물질을 코팅한 전극으로, 부드럽고 세탁 가능한 장점이 있다. 손목 밴드처럼 의류형 웨어러블에 적합하다.
- RMS: 신호의 평균 에너지를 나타내는 값으로, sEMG에서 근육 활성 강도를 정량화할 때 자주 쓴다. 휴식 구간 RMS와 수축 구간 RMS를 비교해 신호 강도를 평가한다.
- 다채널: 여러 전극을 써서 동시에 여러 근육 신호를 읽는 방식이다. 손목 밴드에서는 2~8채널로 배치해 크로스토크를 줄이고 정확한 제스처 인식을 한다.
- 크로스토크: 인접 근육의 신호가 원하는 근육 신호에 섞이는 현상이다. 손목처럼 근육이 밀집된 부위에서 발생하기 쉽고, 다채널 전극 배치로 줄일 수 있다.
- 제스처 분류 정확도 : 추출된 sEMG 특징을 기계학습 (k-NN, SVM)으로 분류해 맞히는 비율이다. 손동작 인식에서 최종 성능 지표로, 80% 이상이면 실용적이다.
3. 설계 원리
건식 전극은 젤 전극보다 착용성과 재사용성이 좋지만, 밀착이 약하면 신호가 불안정해질 수 있다. 반대로 PU foam이나 탄성 밴드로 압박을 안정화하면 전극-피부 접촉이 덜 흔들려 모션 아티팩트를 줄일 수 있다. 따라서 손목 밴드는 전극만 바꾸는 것이 아니라 전극, 완충재, 스트랩 압박 구조를 함께 설계해야 한다.
표면근전도는 피부 위 전극으로 근육 활성 패턴을 읽는 방식이라, 전극이 피부에 얼마나 안정적으로 닿는지가 성능에 직접 영향을 준다. 접촉이 불안정하면 모션 아티팩트가 커지고, 움직이는 환경에서 신호가 쉽게 깨진다. 그래서 “어떤 전극이 더 좋은가”와 “얼마나 조여야 하는가”를 동시에 보는 것이 설계의 핵심이다.
4. 전극 재료 후보
AgNW/PDMS 전극 - 은 나노와이어의 높은 전도성과 PDMS의 유연성을 결합한 건식 전극이다. 피부에 잘 맞게 붙고 휘어질 수 있어서 움직임이 많은 손목에 적합하며, 젤 전극과 비교해도 충분한 신호 품질을 노릴 수 있다.
비교 기준 전극 - Ag/AgCl 젤 전극은 비교 기준으로 두기 좋다. 젤 전극은 피부-전극 접촉이 안정적이라, 건식 전극이나 텍스타일 전극이 어느 정도 성능을 내는지 판단하는 기준점이 된다.
텍스타일 전극과 배선 - 전도성 직조 패브릭은 피부에 닿는 접촉면이나 텍스타일 전극을 만들 때 쓰는 재료다. 금속보다 부드럽고 넓게 접촉할 수 있어 장시간 착용에 유리하다. 은도금 전도성 실은 전극과 센서 보드를 연결하는 배선 재료로, 밴드 내부에서 신호를 전달하는 역할을 한다.
5. 구조
완충재와 압박 구조 - PU foam은 접촉압 변화를 완만하게 만들어 모션 아티팩트를 줄이는 완충재다. 선행연구에서도 폼의 두께를 조절해 전극-피부 접촉압을 1.0~2.0 kPa 범위로 조절할 수 있었고, 이 범위에서 신호 안정성이 좋아졌다. 벨크로와 탄성밴드는 이 압박을 손목에 맞게 유지하는 고정 구조다.
센서와 제어부 - 액티브 근전도 센서나 MyoWare 2.0 같은 모듈은 피부에서 얻은 미세한 근전도 신호를 증폭해서 읽기 쉬운 형태로 바꿔준다. ESP32는 이 신호를 무선으로 보내거나 실시간으로 처리하는 제어부라서, XR 시스템과 연결되는 입력 장치로 확장할 수 있다. 즉, 센서는 신호를 읽고, ESP32는 그 신호를 외부로 보내는 역할이다.
6. 실험 흐름
먼저 전극 구조 3종을 비교해 기본적으로 안정적인 구조를 찾고, 그다음 그 구조에서 접촉압만 바꿔 최적 범위를 본다. 이렇게 해야 전극 소재의 효과와 압박 조건의 효과를 분리해서 설명할 수 있다. 마지막으로 2~3개 제스처 분류 정확도를 확인해 XR 입력으로 사용할 수 있는지 본다.
SNR, 휴식과 수축 구간의 분리 정도, 전극-피부 임피던스, 착용감, 제스처 분류 정확도를 본다. 표면근전도 기반 손동작 인식 연구들은 신호 특징과 분류 성능을 중요하게 다루고, 착용형 연구는 여기에 압력 안정성과 편안함까지 함께 본다. 그래서 이 설계는 성능과 착용성을 같이 평가하는 구조이다.
이 연구는 손목 착용형 sEMG 밴드에서 전극 재료, 접촉압, 착용 구조가 신호 품질에 어떤 영향을 주는지 확인하는 설계다. 핵심은 복잡한 기능을 늘리는 것이 아니라, 잘 붙고 덜 흔들리는 구조를 만드는 데 있다. 전극 선택 → 압박 안정화 → 신호 측정 → 제스처 인식의 순서이다.
7. 참고문헌
- Wearable silver nanowire dry electrodes for electrophysiological sensing
https://mae.ncsu.edu/wp-content/uploads/sites/13/2016/08/RSCadv2015.pdfmae.ncsu
- Wearable EMG Measurement Device Using Polyurethane Foam for Motion Artifact Suppression
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11124951/researchconnect.suny
- 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