실험 설계

1. 연구 

표면근전도(sEMG)에 기반한 운동 의도 인식은 XR 환경에서 손·손목 제스처를 고해상도로 디코딩하기 위한 핵심 인터페이스이다.

특히 손목 착용형 밴드의 경우 팔꿈치·손가락 제스처를 안정적으로 인식하면서도, 일상적인 팔·손목 움직임과 장시간 착용 상황에서 모션 아티팩트와 착용 불편을 최소화해야 한다. 손목 착용 환경(뼈 돌출, 피부 움직임, 땀 등)에서 어떤 전극 소재/구조가 가장 안정적인 sEMG SNR과 신호-모션 비(SMR)를 제공하는지, 어떤 접촉압(밴드 압박 수준)에서 모션 아티팩트가 허용 범위 내로 억제되면서 사용자 착용감(통증·조임감)이 유지되는지 알아보아야 한다. 

 

 SNR (신호 대 잡음비):  수신된 신호에서 진짜 정보가 잡음보다 얼마나 큰지를 나타낸다. 이 값이 높을수록 깨끗하고 정확한 정보를 얻을 수 있다. 
 SMR (기와식 자기 기록): HDD에 데이터를 쓸 때 트랙을 기와처럼 겹쳐서 저장하는 방식이다. 좁은 공간에 더 많은 데이터를 담을 수 있어 용량 확보에 유리하지만, 데이터를 수정할 때 속도가 느려질 수 있다. 
SNR은 신호의 품질, SMR은 하드디스크의 저장 방식이다.

2. 선행연구 조사

Wearable silver nanowire dry electrodes for electrophysiological sensing 연구는 Ag/AgCl 젤 전극과 성능을 비교할 수 있는 은 나노와이어(AgNW)/PDMS 기반 건식 전극을 제안하였다.
이 전극은 AgNW 네트워크를 PDMS 내부에 매립해 높은 전도도(> 5000 S/cm)와 피부 곡면에 순응하는 유연성을 동시에 확보함으로써, 피부-전극 임피던스를 낮추고 전극·피부 사이의 상대 미끄러짐을 줄여 모션 아티팩트를 감소시킨다. 

 

Wearable EMG Measurement Device Using Polyurethane Foam for Motion Artifact Suppression연구는 의류형 EMG 시스템에서 이온성 액체 젤 기반 E-textile 전극을 사용하면서, 전극과 피부 사이에 폴리우레탄 폼(pu foam)을 삽입해 압력 변동을 제어하는 구조를 제안하였다. 이 연구에서 사용된 젤형 전극은 직물 기반 활동복에 인쇄된 배선과 결합해, 장시간 착용이 가능한 장기 EMG 측정을 목표로 한다. 이 연구는 섬유 표면에 정전 플로킹 기술로 제작한 텍스타일 건식 ECG 전극에서, 피부–전극 접촉압과 모션 아티팩트의 정량적 관계 또한 분석하였다.

3. 전극 소재 및 압박 수준 실험 설계

전극소재: 
손목 착용 환경에서 AgNW/PDMS 전극과 젤-E-textile 전극을 비교하여, 동일한 접촉압 조건에서 어느 쪽이 sEMG SNR·SMR·사용자 착용감 측면에서 더 우수한지 평가한다.

접촉압/압박 수준:
선정된 전극 구조에 대해 접촉압을 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0 kPa 등으로 변화시키며, 모션 아티팩트와 착용감을 동시에 평가하여, XR 사용에 적합한 최적 압박 범위(예: 1.0–1.5 kPa)를 정량적으로 정의한다.

 

AgNW/PDMS 전극은 젤-E-textile 전극에 비해 손목 굴곡·회전 시에도 접촉 면적이 더 안정적으로 유지되어, 모션 아티팩트가 적고 SMR이 높거나 접촉압이 1 kPa 미만일 때는 피부–전극 임피던스 불안정으로 인해 SNR이 급격히 저하되고, 1–2 kPa 범위에서 임피던스와 SNR이 안정화되며, 2 kPa 이상에서는 착용 불편과 혈류 저하로 사용성이 떨어질 것이다.

4. 전극 구조 및 구성

부품 리스트업

EMG 전극 기준 비교	상용 Ag/AgCl 젤 패드 전극	젤 전극을 기준값으로 두면 건식 전극의 SNR과 모션 아티팩트를 정량 비교하기 쉽다.
건식 전극 1	AgNW/PDMS 기반 유연 전극	유연성, 낮은 임피던스, 동작 중 아티팩트 억제 측면에서 강점이 있어 손목 착용형 검증에 적합하다.
건식 전극 2	Ag/AgCl 코팅 텍스타일 전극	텍스타일 기반 전극은 장시간 착용성과 반복 사용성이 좋다.
텍스타일 배선	은도금 나일론 conductive yarn	단순 일반 도전성 실보다, 전도성·내구성·봉제 적합성이 좋아 웨어러블 배선용으로 더 적합하다.
기판/착용 구조	PU foam 또는 실리콘 폼 인서트	접촉압을 1–2 kPa 범위로 안정화하고 모션 아티팩트를 줄이는 데 유리하다.
접촉압 조절	벨크로 스트랩 + 탄성 밴드	압박 수준을 단계적으로 바꾸기 쉽고, 손목 둘레 변화에 대응할 수 있다.
증폭/수집	분리형 EMG 프런트엔드 보드	전극 소재 실험과 신호 품질 평가를 분리해야 하므로, 전극부와 센서부를 독립시키는 게 좋다.
MCU/통신	ESP32 계열 보드	저전력 무선 전송과 실시간 수집에 유리하며, XR 프로토타입으로 확장하기 쉽다.

5. 밴드 및 압력 제어 구조

• 밴드 메인 구조
  • 신축성 직물(나일론/스판 혼방)을 사용하여 벨크로 또는 버클로 길이를 조절할 수 있게 한다.
• 압력 제어 요소
  • 전극 뒤쪽에 두께 5–30 mm 범위에서 교체 가능한 폴리우레탄 폼 인서트를 삽입한다.
  • 플래토 영역을 가진 폼을 사용해 팔 둘레 변화에 따른 압력 변화를 완화하도록 한다.
• 접촉압 측정
  •  공기팩 기반 접촉압 센서 또는 박형 압력 필름을 전극 인근에 삽입하여, 실제 착용 시 접촉압이 0.5–3 kPa 범위에서 정량적으로 측정되도록 한다.

6. 전극 소재 비교 실험

• 피험자: 건강한 성인 10–15명, 양측 손목 측정(총 20–30 손목).
• 전극 위치: 손목에서 손가락 굴곡/신전과 관련된 근육(flexor carpi radialis, extensor digitorum) 방향에 따라 두 채널을 좌우에 배치한다.

각 피험자에 대해 다음 세 가지 전극 조건을 동일한 접촉압에서 순서 랜덤화하여 측정한다.

1. 젤 Ag/AgCl 전극 + 비탄성 밴드 고정
2. AgNW/PDMS 건식 전극 + 폴리우레탄 폼 + 신축성 밴드
3. 젤-E-textile 전극 + 폴리우레탄 폼 + 신축성 밴드

 팔을 책상 위에 올리고, 손을 이완한 상태에서 30초간 정적 EMG 측정한다. 손목 굴곡/신전, 손가락 집기 제스처를 5초 수축–5초 이완으로 10회 반복한다. XR에서 빈번한 동작(팔을 올리고 내리기, 손목 좌우 회전, 손가락 쥐었다 펴기)을 연속으로 수행하면서 EMG 측정한다. 

7. 접촉압/압박 수준 실험

전극 소재 비교에서 후보를 선정해 해당 전극 구조에 대해 압박 수준을 체계적으로 조정하며 모션 아티팩트를 평가한다.

• 폴리우레탄 폼 두께 및 밴드 장력을 조합하여, 실제 접촉압을 약 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0 kPa로 맞춘 조건을 구성한다.
• 접촉압은 압력 센서 또는 공기팩 센서를 통해 각 조건마다 정확히 측정·기록한다.
• 정적/등척성 수축/동적 과제는 전극 소재 비교 실험과 동일하게 수행한다.
• 각 조건에서 SNR, SMR, 베이스라인 드리프트량(저주파 RMS), 피부–전극 임피던스, 주관적 착용감 점수, 통증/저림 유무를 측정한다.

8. 요약

1. 선행연구 기반 요구사항 정의: 전극 후보(AgNW/PDMS, 젤-E-textile), 목표 접촉압(1–2 kPa), 모션 아티팩트 허용 기준 설정.
2. 전극 샘플 제작: 세 종류 전극(Ag/AgCl 젤, AgNW/PDMS, 젤-E-textile)과 압력 조절 가능한 밴드/폼 구조 제작.
3. 전극 소재 비교 실험: 동일 접촉압에서 sEMG SNR·SMR·착용감·간이 제스처 분류 정확도 비교 → 최종 전극 구조 선택.
4. 접촉압 스윕 실험: 선택된 전극 구조에서 0.5–3.0 kPa 범위 접촉압에 대해 노이즈·아티팩트·착용감 평가 → 최적 압박 범위 도출.
5. 최종 하드웨어 스펙 정의: 전극 소재·패턴, 폼 재질·두께, 밴드 탄성·길이, 권장 착용압 범위를 XR 제품 스펙으로 문서화한다.

9. 참고문헌 

• Wearable Silver Nanowire Dry Electrodes for Electrophysiological Sensing
  https://mae.ncsu.edu/wp-content/uploads/sites/13/2016/08/RSCadv2015.pdfmae.ncsu
• 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
• Wearable EMG Measurement Device Using Polyurethane Foam for Motion Artifact Suppression
  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC11124951/pmc.ncbi.nlm.nih