Robotic power assistive devices that employ SEMG signals can provide mechanical power to supplement human physical strength according to the estimated torque of users. While the device is expected to be useful solution for individuals who have deficits in motor functions, the use of the devices may be limited depending on assist conditions. The noisy nature of SEMG signals can cause fluctuation of assistive torque, which can result in mechanical perturbations. With respect to stability represents the reproducibility of movements and robustness to perturbations, this characteristic of SEMG-based power assistance can deteriorate the stability of assisted movements. How to affect the movement stability by power assistance is one of the main concerns in the fields of robotic assistance. However, there has been a paucity of studies that have quantified the influence of this type of assistance and the stability of the assisted movements while SEMG-based assistive power is transferred. This thesis mainly investigates the influence of SEMG-based power assistance on human movement stability. Firstly the upper limit of the amount of torque assistance was investigated using a computational model. Elbow flexion movements were simulated under twelve sets of conditions, each having different proportion of torque assistance. The results imply that the model could describe the expected movements of flexion torque assistance using SEMG and the movements could become unstable while the amount of assist ratio was out of proportion to SEMG noise level. Secondly, the stability of the assisted elbow flexion was quantitatively assessed by employing the kinematic variability and the averaged divergence rate of the movement trajectory referred to as a maximum finite time Lyapunov exponent. Twelve subjects performed self-paced elbow flexion tests under five sets of conditions, each having different proportion of torque assistance. Experimental results indicated that the user was able to reduce the physical effort for his movements but that the assisted movements became relatively more unstable while the proportion of assistance was increased. My investigation highlights the fact that ensuring the amount of SEMG-based assistive torque is less than the amount of human joint torque can hold the movements natural. The effectiveness of an SEMG assistive device for stroke survivors was also evaluated using SEMG amplitude change and stability measures. The participated patients could move flex their elbow voluntarily with the power assistance and showed relatively stable movements, even though it was difficult for controlling the voluntary muscle contraction level. This result implies that the assistive device can be useful for the patients with severe disability. The outcome of this study can be used as a cornerstone to determine the optimal amount of SEMG-based assistive torque, through providing an evaluation of the stability of assisted movements, and can be helpful for the physical therapists who have to tune such devices based on quantitative standards and their own experience.
최근 급격히 증가하고 있는 고령/장애 인구의 약화되거나 상실된 근력과 운동능력을 보조하고 일상생활 활동능력을 보완하기 위한 수단으로 로봇 보조기 연구가 주목 받고 있다. 로봇 보조기를 동작시키는 데 있어 활용될 수 있는 여러 신호들 중, 사용자의 표면 근전도 신호는 근수축을 위해 발생된 근활동 전위를 피부표면에서 측정하는 방법으로 비침습적으로 측정할 수 있으며 근력과 상관관계를 가지고 있어 표면 근전도 신호로부터 추정한 인간 근력에 비례하는 보조 동력을 보조해주는 연구가 다수 진행되어 왔다. 사용하는 사람의 의지대로 보조기를 조작할 수 있도록 하는데 있어, 장애 인구라도 자의적 근수축 능력이 미약하게나마 남아있다면 근전도 신호를 활용할 수 있다. 그러나 근력 보조시의 신호 잡음 등으로 인한 불안정성 사례의 보고에도 불구하고 보조 동력의 크기가 인간 동작의 안정성에 어떠한 영향을 미치는 지 연구된 바는 없다.
본 연구는 표면 근전도 신호로부터 가공된 근력 보조 동력이 인간 동작에 미치는 영향을 해석할 수 있는 모델과 정량화 방법을 제안하고, 실제로 안정성의 변화 정도를 정량화하는 것을 목표로 하였다. 첫째로 근력보조 상호작용 및 인간 운동을 모사하는 시뮬레이션 모델을 이용해 인간이 최대로 받을 수 있는 보조량을 추정하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 근전도 신호의 노이즈 크기와 보조 비율에 따라 최대 보조량이 결정될 수 있음을 유추할 수 있다. 둘째, 근력 보조시의 동작 궤적에 대해 운동학적 가변성과 최대 유한시간 리아푸노프 지수를 통해 근력 보조량에 따른 상대적 안정성을 정량적으로 계산하였다. 비장애인의 팔꿈치 굽힘 동작을 보조하는 과정에서 운동학적 가변성은 근력 보조량 증가에 비례해 증가한 데 비해 최대 유한시간 리아푸노프 지수는 1:1 이상의 비율에서 더 이상 증가하지 않았다. 따라서 표면 근전도 신호 기반의 비장애인 근력 보조시 인간 근력 대 보조기 동력 비율을 1:1 이하로 유지하는 것이 바람직 할 것이다. 마지막으로, 뇌졸중 환자의 운동능력 보완을 위한 표면 근전도 신호를 이용한 근력보조 사례를 제시하였다. 뇌졸중 환자는 운동능력이 제한적이었으나 근력 보조기 사용에 따라 능동적 운동 범위가 증가하고 동작 안정성이 상대적으로 증가하였다. 본 연구에서 도출한 결과는 향후 표면 근전도 신호 기반의 근력보조기가 안정적으로 사용될 수 있는 작동 범위를 설정하는 데 초석으로 자리할 것이다. 또한 제안한 방법은 관련 연구의 보조기 성능 개선 그리고 물리치료사의 경험에 의존하던 보조기 기능 조율에 정량적인 지표로 활용할 수 있다.
