JP2007125380A - 歯噛みを用いた移動機器制御装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】頭の下の動きが不自由な障害者および手と腕を使いにくい場合に、歯噛み動作から発生する筋電図信号の分析を通じて、左、右、両方歯噛み動作及び歯噛みの持続時間などを区分し車椅子を制御歯噛みを用いた移動機器制御装置を提供する。
【解決手段】口腔内の歯牙を噛みしめる歯噛み動作時、活性化される筋肉の筋電図信号を両側筋電図センサで感知し、移動機器以前の動作を基準演算値として、感知された筋電図信号に対して歯噛み位置、歯噛み持続時間、歯噛み連続動作を含んだ歯噛み動作に対応して移動機器制御のためのコマンドを制御命令生成部から生成し、生成されたコマンドに対して制御命令インターフェース部で入力電圧に変換して移動機器駆動部で起動機器の起動を制御することで、制限された個数の歯噛みパターンから以前段階での認識パターン及び以前段階での車椅子の移動コマンドを活用し、より自然に車椅子の制御ができる。
【選択図】図３

Description

本発明は移動機器を制御する装置及び方法に関するものであって、さらに詳細には四肢麻痺の障害者の歯噛みを通じて発生された筋電図を基にして、電動車椅子のような移動機器を制御する歯噛みを用いた移動機器制御装置および方法に関するものである。

障害は様々な形態で存在し、四肢麻痺の障害の場合には、脊髄損傷による体の首下、特に手と足が全く使えない場合がほとんどである。このような四肢麻痺の障害者の活動を保障するために、多様な方法で電動車椅子のような移動機器を制御する方法について提案されている。

既存の四肢麻痺の障害者のための電動車椅子の制御方法には、あごの下に設けられたジョイスティックを用いる方法、呼吸（sip＆puff）による方法などが提案されている。このとき、あごの下に設けられたジョイスティックを用いる方法は、作動中には持続的に首に力を加えなければならないので、首の疲れがひどくなることもある。また、作動中には視線が不自由であるので、安全上の問題が発生することもある。一方、呼吸による作動方法は、ストロー形の呼吸調節装置に空気を吸収したり排出して（息を吸ったり吐いたりして）これを車椅子の制御機が認識することで車椅子を駆動する方法であって、車椅子の動作のためには、ストローに口を当てていなければならないので、外観上の見た目がよくないこともあるし、衛生上の問題が発生することもある。特に、車椅子の制御のためには、呼吸の長さ及び吸い込む息と吐き出す息の調節が必要であって、その方法が直観的でなく熟練されるには多くの時間がかかることもある。

既存に提案された障害者のための移動機器の制御装置及び方法と、これらの問題点について説明する。

発明の名称を「肩の動きを用いた脊椎損傷障害者用の電動車椅子操縦センサおよびこれを用いた車椅子駆動制御装置」（韓国出願番号第10−2003−00118856）とする発明では、手を動くことができない脊椎損傷障害者の衣服の上着に駆動制御装置が取り付けられ、障害者の肩が動く方と、その程度を測定して電動車椅子の動きを操縦する方法を提案しているが、肩を動き難い障害者には適用されるのは困難であるだけでなく、直進をするためには、肩を上げ続けていなければならないので、長時間使用時疲れが重なることもある。

又、発明の名称を「筋電図信号を用いた電動車椅子インターフェース装置及び方法、これを採用した電動車椅子」（韓国出願番号第10−2003−0005471）とする発明では、首の動きにより活性化される胸鎖乳突筋（Sternocleidomastoid muscle）僧帽筋（Trapezious ｍuscle）からの筋電図信号を獲得してこれを処理することで、車椅子を駆動する方法を提案しているが、筋電図獲得のためのセンサを首に付けなければならないので、センサ装着により使用者が不便を感じることもあるし、首を続けて動かなければならないので、疲れがちである。

そして、発明の名称を「ヘッドバンド形勾配センサとバイトスイッチを用いた障害者用駆動装置」（韓国出願番号第10−2003−0088730）とする発明では、使用者の頭に取り付けられて頭の傾く方向とその角度を測定する勾配センサと使用者の歯噛み如可を測定するバイトスイッチを用いて、車椅子などを駆動する装置を提案しているが、口の中にセンサが装着されることによる異物感のため使用上の不便があった。

したがって、本発明は、前記の従来技術の問題点を解決するためなされたもので、本発明の目的は、頭の下の動きが不自由な障害者および障害者ではなくでも、手と腕を使いにくい場合に、歯噛み動作から発生する筋電図信号の分析を通じて、左、右、両方歯噛み動作及び歯噛みの持続時間などを区分し車椅子を制御することで、車椅子操作時に直観的な制御ができるようにし、歯噛み動作によって活性化される筋肉中の筋電図信号のセンシングの容易な側頭筋（temporalis muscle）の筋電図信号をセンシングすることができるように帽子やヘッドバンドの形態に製作することで、障害者の体に着用する時、使用者の拒否感を最小化しながら脱着が容易にした歯噛みを用いた移動機器制御装置を提供するにある。

一方、本発明の他の目的は、歯噛み動作と関連される筋肉活性化による筋電図信号センサから獲得して送信する信号獲得及び送信段階、獲得された筋電図信号を受信して歯噛みパターンを区分し、車椅子の動作に関する命令を生成する信号受信及び処理段階、認識された歯噛みパターン及び車椅子動作状態に対応するように分類された動作を表示するディスプレー段階、信号受信及び処理段階からの車椅子駆動命令を車椅子駆動部に伝達するための車椅子制御インターフェース段階及び車椅子駆動のための車椅子制御段階へ進行される歯噛みを利用した移動機器制御方法を提供するにある。

前記のような目的を達成するためには、本発明の歯噛みを利用した移動機器制御装置は、両側にそれぞれ備えられて口腔内の歯牙を噛みしめる歯噛み動作時の筋肉の活性化によって筋電図信号を発生させる筋電図センサと、前記体に接触されて基準電圧を提供する接地電極からなった筋電図信号獲得部とおよび移動機器以前の動作を基準演算値として前記筋電図信号獲得部から伝達された筋電図信号に対して歯噛みの位置、歯噛みの持続時間、歯噛みの連続動作を含む歯噛み動作に対応して、移動機器制御のためのコマンドを生成する制御命令生成部と、前記コマンドに対応して入力電圧に変換する制御命令インターフェース部と、前記入力電圧に対応して移動機器の駆動がなされる移動機器駆動部でなる筋電図信号処理部を含んでなることを特徴とする。

一方、本発明の歯噛みを用いた移動機器制御方法は、口腔内の歯牙を噛みしめる歯噛み動作時活性化される筋肉の筋電図信号を両側筋電図センサで感知する段階と、移動機器以前の動作を基準演算値として、前記感知された筋電図信号に対して歯噛みの位置、歯噛みの持続時間、歯噛みの連続動作を含む歯噛み動作に対応して移動機器制御のためのコマンドを制御命令生成部で生成する段階と、前記生成されたコマンドに対して制御命令インターフェース部で入力電圧に変換する段階と、及び前記入力電圧に対応して移動機器駆動部で移動機器の駆動が行なわれる段階と、を含んでなることを特徴とする。

先ず、本発明は、移動機器を用いる使用者の歯（歯牙）噛みにより移動機器の制御が可能になるが、歯噛み動作は障害がひどい使用者の場合には、左、右、両方等を区分して遂行することができる。一方、使用者の歯噛み動作により活性化される筋肉は、両顎に位置した咬筋（masseter muscle）、側頭窩付近に位置した側頭筋（temporalis muscle）などがある。しかし、咬筋は、両顎に位置しているため筋電図信号を獲得するためには、両顎にセンサを取り付けなければならないので、センサの付着が容易ではなく、とり付けられたとしても使用には不便である。それで、本発明では、側頭筋から筋電図信号を獲得するために額の両側頭窩付近にセンサを位置させ、前記センサを通常使っている小品の帽子やヘッドバンドに取り付けて使用上の拒否感を最小化するだけではなく、便利さを提供する。

上述したように、本発明にかかる歯噛みを用いた移動機器制御装置及び方法は、手、足の使いに不便な障害者が車椅子を制御する移動機器制御装置をヘッドバンド、帽子等に取り付けて筋電図信号をセンシングすることで、使用者に便利さ及び気楽な感をを提供することができるだけではなく、制限された個数の歯噛みパターンから以前段階での認識パターン及び以前段階での車椅子の移動コマンドを活用することでより自然に車椅子を制御することができる。

以下、本発明の歯噛みを用いた移動機器制御装置および方法について添付された図面を参照にし詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る移動機器制御装置を含んだ全体システムを示す概念図である。移動機器制御装置をヘッドバンドに適用した一例を示す。

図１に図示したように、本発明の移動機器制御装置は、筋電図信号を獲得する筋電図信号獲得及び送信部１０と筋電図信号を処理する筋電図信号処理部２０と、からなっている。

前記筋電図信号獲得及び送信部１０は、歯噛み遂行時作用する側頭筋からの筋電図信号を感知するための２個の筋電図センサ１００と、基準電圧を測定するための１個の接地電極１１０と、感知された筋電図信号を増幅してデジタルに変換して無線で伝送する増幅及び送信部１２０と、からなっている。

前記筋電図センサ１００、接地電極１１０、増幅および送信部１２０は、ヘアーバンド１３０に取り付けられ、使用者の体の条件に適用できるように、その着脱が容易な構造を有するのが望ましい。即ち、ベルクロをヘアーバンド１３０の内側または内側全体に適用することで、使用者の身体条件に対応して筋電図センサ１００からのセンシングが容易になる。本実施の形態では、ヘアーバンド１３０に筋電図信号獲得及び送信部１０を適用した場合を説明しているが、人の頭に付着・着用される多様な形態（帽子など）で筋電図信号獲得及び送信部１０が適用できるのは周知である。

そして、前記筋電図センサ１００は、まばたきによる安全度、頭脳から伝達される脳波の影響を最小化し、噛みしめる動作による筋電図のみを主に獲得するために２対の電極の電圧差を利用する差等方式の増幅が利用される。また、本実施の形態に筋電図センサ１００を両側適用した場合について説明しているがその個数が限定されない。

一方、前記筋電図信号処理部２０は、制御命令生成部２００、制御命令インターフェース部２１０および車椅子駆動部２２０でなっている。

前記制御命令生成部２００は、無線で送信された筋電図信号を受信し、受信されたデジタル信号を処理して、車椅子を操作するための命令を生成する。前記制御命令インターフェース部２１０は、制御命令生成部２００で生成された車椅子操作命令をインターフェーシングさせる。前記車椅子駆動部２２０は、前記車椅子操作命令に対応して左側モータ及び右側モータなどの駆動装置を制御する。

本実施の形態では、前記筋電図信号獲得及び送信部１０及び筋電図信号処理部２０間、無線送受信を提示しているが、これを有線で連結させることもできる。

また、前記車椅子操作命令生成時、これに対応する画面をディスプレーさせるディスプレー部２３０をさらに形成させることもできる。

図２は、本発明の一実施の形態に係る移動機器制御装置の使用状態図である。

図２を参照すると、筋電図センサ１００は、ヘッドバンド１３０の方向と平行になるように位置させ、接地電極１１０は、額の真ん中に位置するようにする。また、歯噛みによる筋電図信号は、側頭筋の位置した眉尻から上方へ１ｃｍほど離れた地点で容易に感知されるので、筋電図センサ１００の位置をこれに合わせて調整する。

それでは、前記のような構成を有する本発明の歯噛みを用いた移動機器制御方法について図面を参照にして説明する。

図３は、本発明の一実施の形態に係る歯噛みを用いた移動機器制御方法の全体概念図である。

図３を参照すると、使用者が歯噛みを遂行すると、側頭筋の活性化によって筋電図センサ１００からセンシングがなされる。次いで、前記センシング、つまり感知された筋電図信号を増幅及び送信部１２０で増幅及びデジタルに変換して無線伝送がなされる。

筋電図信号獲得及び送信部１０から伝送された筋電図信号を制御命令生成部２００で受信してデジタル信号に処理し、車椅子を操作するための命令を生成する。このとき、生成された車椅子制御命令は、ディスプレー部２３０に表示する課程を経て、制御命令インターフェース部２１０を通じて前記車椅子制御命令が車椅子駆動部２２０へ伝達される。これに車椅子駆動部２２０は、左側モータ及び／または右側モータなどを駆動させ車椅子の動きを発生させる。

図４は、本発明の移動機器制御装置から伝送された信号を処理する過程を示すフローチャートである。これは図３の制御命令生成部２００でなされるＳ２０を具体的に説明したものである。

図４を参照すると、筋電図信号獲得及び送信部１０から伝送された筋電図信号を受信するＳ２０１。このとき、前記筋電図信号獲得および送信部１０と筋電図信号処理部２０間無線送受信方法は、近距離内で無線通信が行われるので、電力消耗が相対的に少ないブルートゥース（Bluetooth）プロトコルが適する。

受信された信号は、先ず前処理段階を経る。前処理段階では、入力された２チャンネル（両側左右チャンネル）の筋電図信号を１００ｍｓ程度の長さでブロック化するＳ２０２。この際、ブロックの長さは、１００ｍｓ以上での筋電図信号は大部分「安定的」（stationary）と仮定することができるので、１００ｍｓに設定するが、勿論状況によってブロックの長さは多少調整することはできる。デジタル変換過程でのサンプリング周波数は１ｋＨｚ程度で、これによって各ブロックでの各チャンネル当りサンプル個数は１００個になる。

前処理段階では、ブロック化された筋電図信号から筋電図センサ１００や接地電極１１０が接触不良の状態を感知し、これをコマンドの生成段階に反映する過程が含まれている。筋電図センサ１００や接地電極１１０が接触不良の場合には、獲得された信号が最大振幅で四角波状に振動するようになる。このように、最大振幅が設定値以上連続発生するかを判別してＳ２０３最大振幅が設定値以上連続発生した場合には、使用者にエラーメッセージを伝達するか警報するＳ２０４。これに使用者は、ヘアーバンドを再着用するか移動機器制御装置を点検する過程でなされるＳ２０５。

一方、前記Ｓ２０３の次に各ブロックで筋電図信号の最小値と最大値がそれぞれデジタル変換による最小、最大限界値と同一な値を有する頻度を確認してＳ２０６、特定頻度以上の場合には、特定抽出段階を経ずに、すぐ車椅子命令生成段階Ｓ２０９へ進行して「車椅子止め」命令を生成する。それから、車椅子停止状態を維持するか車椅子駆動が停止される。

このように、前記前処理段階を完了すると、次に特徴抽出段階を進行するようになるＳ２０７。前記筋電図信号の特徴抽出には、ブロック化された２個のチャンネルの筋電図信号から次のような式により各チャンネルのＤＡＭＶ（Different of Absolute Mean Value）値を求める。

ここで、Ｎは、ブロック内のサンプル個数であって、ｘ（ｉ）は、インデックスｉでデジタルに変換された筋電図信号値をそれぞれ意味する。ＤＡＭＶは、急激に変化する筋電図信号の特性をよく反映することができるだけではなく、直流成分は無視するため直流成分を除去するための別の過程が要らなくなる。

次いでに、ＤＡＭＶ値を用いてパターン分類段階を進行するようになるＳ２０８。前記パターン分類は、２つのチャネルから獲得された筋電図信号の特徴値の大きさと特定した閾値を比較して閾値以上であると「Ｏｎ」、以下であると「Ｏｆｆ」に区分する。即ち、２つのチャネルから次のような４つの状態を区分することができる。１）２つのチャネル全てが「Ｏｆｆ」の状態、２）一番目のチャネル（左側の側頭窩に付着）が「Ｏｎ」であって、残りが「Ｏｆｆ」の状態、３）二番目のチャネル（右側の側頭窩に付着）が「Ｏｎ」であって、残りが「Ｏｆｆ」の状態、４）２つのチャネル全てが「Ｏｎ」の状態。このとき、基本認識パターンをそれぞれ「休み」、「左側」、「右側」、「両側」と定義する。これで、２つの筋電図チャネルから４つの基本命令具現が可能である。

次に、前記パターン分類段階で定義されたパターンを用いて車椅子を駆動するためのコマンドを生成するコマンド生成段階を進行する。このとき、前記予め定義された４つの基本認識パターンをそのまま車椅子制御のためのコマンドに適用できるが、４つのコマンドだけでは後進、直進途中、左または右回転などの命令を処理することができないので、車椅子の動いた状態、基本認識パターンの過程（ｈｉｓｔｏｒｙ）によって多様に車椅子の駆動なされるようにする過程が必要である。これに対する具体的な過程を図５で説明する。

図５ａ乃至図５ｂは、本発明の歯噛みによる車椅子制御の過程を示すフローチャートである。

図５には、「休み」、「左側」、「右側」、「両側」基本認識パターンから多様に車椅子を駆動できるようにする過程を示している。ここで、図面に示した車椅子制御コマンドに対する定義を説明する。
＊ Ｐａｔ:現在認識された基本歯噛みまたはスイッチを示す変数であって、休み（ＲＥＳＴ）、左側（Ｌ）、右側（Ｒ）、両側（ＢＯＴＨ）の中一つの値を有する。
＊ ＰｒｅＰａｔ［ｉ］：ｉ番目過去の基本認識パターン（ｉ＝０、１、２、…ｎ１、ｎ１は、特定自然数であって最大に覚えるべきの過去パターンのブロック番号を意味する）。
＊ Ａｃｔ：車椅子移動を定義する変数である。次のように総１３個の車椅子移動動作がある。
１．ＳＴＯＰ：停止
２．ＧＦ（Ｇｏ Ｆｏｒｗａｒｄ）：前進、前方向に移動
３．ＧＢ（Ｇｏ Ｂａｃｋｗａｒｄ）：後進、後ろ方向に移動
４．ＴＬ（Ｔｕｒｎ Ｌｅｆｔ）：左側方向に回転
５．ＴＲ（Ｔｕｒｎ Ｒｉｇｈｔ）：右側方向に回転
６．ＧＦＬ１：「左弱旋回及び前進」前方向へ移動しながら左側方向（反時計方向）へ少し回転
７．ＧＦＬ２：「左中旋回及び前進」ＦＬ１と類似であるが左側回転の程度が大きくなる
８．ＧＦＬ３：「左急旋回及び前進」ＦＬ１及びＦＬ２と類似であるが左側へ急激に回転することを意味（左側に急旋回時利用：これは９０度に曲った狭い道で移動するとき車椅子を止めないで移動することができるようにする命令である）
９．ＧＦＲ１：「右弱旋回及び前進」先の方向へ移動しながら右側方向（時計方向）へ少し回転
１０．ＧＦＲ２：「右中旋回および前進」ＦＲ１と類似であるが右側回転の程度が大きくなる
１１．ＧＦＲ３：「右急旋回及び前進」ＦＲ１およびＦＲ２と類似するが右側へ急激に回転することを意味（右側に急旋回時利用）
１２．ＧＢＬ１：後ろ方向へ移動しながら左側方向（反時計方向）へ少し回転
１３．ＧＢＲ２：後ろ方向へ移動しながら右側方向（時計方向）へ少し回転
ＰｒｅＡｃｔ：ずぐ以前段階での車椅子移動を定義する変数
＊ Ｄｉｒ：車椅子を移動させる方向が前か後ろかを決定する変数。前の場合Ｆｏｒｗａｒｄ，後ろの場合Ｂａｃｋｗａｒｄ値を有する
＊ ｂＣｈｅｃｋ：両側歯噛みが一回遂行されたかを確認するための変数であって、一回遂行された場合にＴＲＵＥ値を有し、その外の場合には、ＦＡＬＳＥ値を有する。ｂＣｈｅｃｋは、特定時間の間に両側の歯を噛みしめてからやめることを２回繰り返して移動する方向（Ｄｉｒ）を転換するに用いられる。このとき、特定時間の間、噛みしめてからやめることを２回以上繰り返さないとｂＣｈｅｃｋ値はＦＡＬＳＥに転換される。したかって、車椅子をちょっとだけ止めることによって車椅子の移動する方向が転換されることが抑制される。

このように、車椅子制御コマンドが定義された状態で車椅子の駆動初期状態になると、初期にはＰｒｅＰａｔおよびＰｒｅＡｃｔがそれぞれ「ＲＥＳＴ」および「ＳＴＯＰ」に設定される。そして、歯噛みにより筋電図信号が獲得されて伝送されると前記のような特徴を求めてパターンを区分する。

図５ａは、区分されたパターン（Ｐａｔ）が左側Ｌである場合の車椅子制御アルゴリズムを示す。入力されたパターンが「Ｌ」の場合Ｓ３０１、既存の車椅子動作（ＰｒｅＰａｔ）が「ＴＬ」または「ＴＲ」または「ＳＴＯＰ」である場合には、車椅子動作コマンドは「ＴＬ」に設定されるＳ３０２〜Ｓ３０３。もしそうではない場合には、車椅子動作（Ａｃｔ）は、既存の車椅子動作（ＰｒｅＡｃｔ）に設定されるＳ３０４。

図５ｂは、区分されたパターン（Ｐａｔ）が右側Ｒである場合の車椅子制御アルゴリズムを示す。入力されたパターンが「Ｒ」の場合Ｓ３１１、既存の車椅子動作（ＰｒｅＰａｔ）が「ＴＬ」または「ＴＲ」または「ＳＴＯＰ」である場合には、車椅子動作コマンドは「ＴＲ」に設定されるＳ３１２〜Ｓ３１３。もしそうではない場合には、車椅子動作（Ａｃｔ）は、既存の車椅子動作（ＰｒｅＡｃｔ）に設定されるＳ３１４。

図５ｃは、区分されたパターン（Ｐａｔ）が両側（ＢＯＴＨ）のときの過程を示すものであって、入力されたパターンが「ＢＯＴＨ」の場合Ｓ３２１、過去０番目からｎ１番目ブロックでのＰｒｅＰａｔ値がＢＯＴＨの場合Ｓ３２２、ＤｉｒがＦｏｒｗａｒｄであるとＡｃｔは前進（ＧＦ）に設定されるＳ３２３〜Ｓ３２４。もしＤｉｒがＢａｃｋｗａｒｄであるとＡｃｔは後進（ＧＢ）に設定されるＳ３２５。即ち、再び説明すると、特定時間の間、両側の歯を持続的に噛み続けているのみ、車椅子を前または後ろ方向に動くことができる。これで、偶発的に両側歯を噛みしめたとき、車椅子が動くことを防止することができる。一方。前記Ｓ３２２で過去０番目からｎ１番目ブロックでのＰｒｅＰａｔ値がＢＯＴＨではない場合に、動作（ＡＣＴ）は停止状態に設定されるＳ３２６。

図５ｄは、区分されたパターン（Ｐａｔ）が休み（ＲＥＳＴ）のときの過程を示すものである。

先ず、ＰｒｅＡｃｔがＧＦ、ＧＦＬ１、ＧＦＬ２、ＧＦＲ１、ＧＦＲ２の場合は、車椅子が前方に移動している状態を意味するものである。このとき、左側または右側に旋回する程度を転換させるため、左、右側の歯噛みを遂行するようになるが、左側または右側をしばらくの間噛みしめてからやめる場合に該当方向へ車椅子移動方向が一段階ずつ転換される。すなわち、直進（ＧＦ）の場合、特定時間の間、右側の歯噛みを遂行してからやめると、やめる瞬間に車椅子の移動方向が右側に少し転換される。この過程を繰り返すと移動方向をもう少し右側に転換させることができる。反対に、左側歯噛みを特定時間の間遂行してからやめると車椅子は左側へ方向が転換される。即ち、前方へ車椅子が移動しているとき、左、右側の歯を特定時間の間（略０．２〜１秒）噛みしめてからやめると移動方向を該当方向へ転換することができる。即ち、方向Ｓの転換は、ＧＦＬ２→ＧＦＬ１→ＧＦ→ＧＦＲ１→ＧＦＲ２、または、ＧＦＲ２→ＧＦＲ１→ＧＦ→ＧＦＬ１→ＧＦＬ２方式で順次的になされる。この際、もし前記の特定時間（１秒）以上左または右側の歯を噛みしめてからやめると過去の移動命令であるＧＦ、ＧＦＬ１、ＧＦＲ１、ＧＦＬ２、ＧＦＲ２に構わずに該当方向へ急旋回（ＧＦＬ３、ＧＦＲ３）をするようになる。緩慢な方向転換と急旋回を区分するための時間調節はブロックサイズの個数を調節してなされる。

図５ｄの図面説明においてＬ／ＲまたはＲ／Ｌの表現は、同一な位置にある命令が順次図により反映されることを意味する。そして、説明の便宜のためＬ／Ｒの中、いずれかの一方向に対してのみ説明することにする。

図５ｄを参照すると、入力されたパターンが「ＲＥＳＴ」の場合Ｓ３３１、車椅子の以前動作が「ＰｒｅＡｃｔ＝ＧＦ」の状態Ｓ３３２で、入力されたパターンが「ＰｒｅＰａｔ［０］＝Ｌ」であると次に「ＰｒｅＰａｔ［１〜ｎ０］＝Ｌ」であるかを確認してＳ３３３〜Ｓ３３４設定時間以上は噛みがなされた場合に車椅子動作はＡｃｔ＝ＧＦＬ３に設定されＳ３３５，そうではない場合には、車椅子移動動作の中「左弱旋回及び前進」のＡｃｔ＝ＧＦＬ１に設定されるＳ３３６。一方、前記Ｓ３３３において「ＰｒｅＰａｔ［０］＝Ｌ」ではない場合には、以前車椅子動作Ａｃｔ＝ＰｒｅＡｃｔに設定されるＳ３３７。

一方、車椅子の以前動作が「ＰｒｅＡｃｔ＝ＧＦＬ１」の状態である場合Ｓ３３８に、入力されたパターンが「ＰｒｅＰａｔ［０］＝Ｌ」であると、次に「ＰｒｅＰａｔ［１〜ｎ０］＝Ｌ」であるかを確認してＳ３３９〜Ｓ３４０、設定時間以上歯噛みがなされた場合の車椅子動作はＡｃｔ＝ＧＦＬ３に設定されＳ３４１、そうではない場合には、車椅子移動動作の中「左中旋回及び前進」であるＡｃｔ＝ＧＦＬ２に設定されるＳ３４２。一方、Ｓ３３９で「ＰｒｅＰａｔ［０］＝Ｌ」ではない場合には、入力されたパターンが「ＰｒｅＰａｔ［０］＝Ｒ」であると、次に「ＰｒｅＰａｔ［１〜ｎ０］＝Ｒ」であるかを確認してＳ３４３〜Ｓ３４４、設定時間以上歯噛みがなされた場合の車椅子動作はＡｃｔ＝ＧＦＬ３に設定されＳ３４５、そうではない場合には、車椅子移動動作の中「前進」であるＡｃｔ＝ＧＦに設定されるＳ３４６。一方。前記Ｓ３４３で「ＰｒｅＰａｔ［０］＝Ｒ」ではない場合には、以前車椅子動作Ａｃｔ＝ＰｒｅＡｃｔに設定されるＳ３４７。

車椅子の以前動作が「ＰｒｅＡｃｔ＝ＧＦＬ２」の状態の場合にＳ３４８，入力されたパターンが「ＰｒｅＰａｔ［０］＝Ｌ」であると、次に「ＰｒｅＰａｔ［１〜ｎ０］＝Ｌ」であるかを確認してＳ３４９〜Ｓ３５０、設定時間以上歯噛みがなされた場合に、車椅子動作はＡｃｔ＝ＧＦＬ３に設定されＳ３５１、そうではない場合には、車椅子移動動作中、「左急旋回および前進」であるＡｃｔ＝ＧＦＬ３に設定されるＳ３５２。一方、前記Ｓ３４９で「ＰｒｅＰａｔ［０］＝Ｌ」ではない場合には、入力されたパターンが「ＰｒｅＰａｔ［０］＝Ｒ」であると、次に「ＰｒｅＰａｔ［１〜ｎ０］＝Ｒ」であるかを確認してＳ３５３〜Ｓ３５４、設定時間以上歯噛みがなされた場合に、車椅子動作は、Ａｃｔ＝ＧＦＲ３に設定されＳ３５５、そうではない場合には、車椅子移動動作中、「右弱旋回及び前進」であるＡｃｔ＝ＧＦＬ１に設定されるＳ３５６。一方、前記Ｓ３５３から「ＰｒｅＰａｔ［０］＝Ｒ」ではない場合には、以前車椅子動作Ａｃｔ＝ＰｒｅＡｃｔに設定されるＳ３５７。

車椅子の以前動作が「ＰｒｅＡｃｔ＝ＧＦＬ３」の状態の場合にＳ３５８、入力されたパターンが「ＰｒｅＰａｔ［０］＝Ｌ」であると、次に「ＰｒｅＰａｔ［１〜ｎ０］＝Ｌ」であるかを確認してＳ３５９〜Ｓ３６０、設定時間以上歯噛みがなされた場合に、車椅子動作はＡｃｔ＝ＧＦＬ３に設定されＳ３６１、そうではない場合には、車椅子移動動作中、「左急旋回および前進」であるＡｃｔ＝ＧＦＬ３に設定されるＳ３５２。即ち、この場合には、前記Ｓ３６０に構わずに同じ結果値を有するようになる。一方、前記Ｓ３５９で「ＰｒｅＰａｔ［０］＝Ｌ」ではない場合には、入力されたパターンが「ＰｒｅＰａｔ［０］＝Ｒ」であると、次に「ＰｒｅＰａｔ［１〜ｎ０］＝Ｒ」であるかを確認してＳ３６３〜Ｓ３６４、設定時間以上歯噛みがなされた場合に、車椅子動作はＡｃｔ＝ＧＦＲ３に設定されＳ３６５、そうではない場合には、車椅子移動動作中、「右中旋回及び前進」であるＡｃｔ＝ＧＦＬ２に設定されるＳ３６６。一方、前記Ｓ３６３で、「ＰｒｅＰａｔ［０］＝Ｒ」ではない場合には、以前車椅子動作Ａｃｔ＝ＰｒｅＰａｔに設定されるＳ３６７。

一方、図５ｄにおいて、ＰｒｅＡｃｔがＧＦのとき、ＰｒｅＰａｔ［０］値がＬであるか確認する作業は、一時的な認識誤謬によって移動方向が転換されることを防止するためのもので、最小限２ブロック以上、左、右認識が一定になってから方向転換が可能になることを意味する。このような方向転換誤謬防止は、ＰｒｅＡｃｔがＧＦである場合を含み、全ての車椅子の前進または後進過程にも適用される。

そして、図５ｄにおいて、既存の動作が急旋回である場合には、旋回する方向の反対側に歯を噛みしめてからやめると直進方向に転換される。

一方、ＰｒｅＡｃｔがＧＢである場合Ｓ３６８には、ＰｒｅＡｃｔがＧＦの場合と類似して左、または右側の歯を噛みしめてからやめるとき、左または右側へ方向が転換されるＳ３６９〜Ｓ３７１。但し、後進時には、急旋回命令は安全上除外する方が望ましいが、その制御過程に含まれることは周知の事実である。

もし、以前段階において、車椅子が停止（ＳＴＯＰ）している状態でＳ３７２〜Ｓ３７３、両側の歯を噛みしめてからやめることを引き続けて遂行する場合に、移動する方向を前または後ろに転換することができるＳ３７４〜Ｓ３８０。両側の歯を噛みしめてからやめることを一回のみ遂行すると、特定時間以後に噛みしめてやめたことがメモリから削除される。これはコンピュータのマウス制御器のクリック及びダブルクリックが区分されることと類似である。

このように、制御命令生成部２００において、筋電図信号のパターンを認識し、車椅子制御のためのコマンドを生成すると、ディスプレイ部２３０でこれを視覚または聴覚的に表示する。ディスプレイ部２３０には、認識されたパターンと車椅子制御のためのコマンドを表示し、パターン認識に要求される各チャネル別特徴閾値を設定する部分、閾値を貯蔵し、読み出す部分が含まれる。

図６は、本発明の歯噛みに係る車椅子制御コマンドのディスプレイ概念図である。

図６を参照すると、予め定義された車椅子移動コマンドに１対１に対応され、該当命令に応じてディスプレイ部２３０に表示する。ディスプレイ部２３０には、車椅子の移動方向を前後転換表示も含まれている。特に、認識されたパターンを表示するように、「基本パターン表示」部分も含まれている。

一方、大部分の電動車椅子は、車椅子の駆動を制御するために別の車椅子駆動部２２０が含まれている。車椅子駆動部２２０では、ジョイスティック、各種スイッチなどによって入力された命令に応じて該当電力を車椅子のモータに供給し、車椅子が動くことができるようにする。この際、既存の入力方法として主に用いられているジョイスティックの場合には、ジョイスティックの位置による特定電圧が車椅子駆動部に入力されるが、本発明では、ジョイスティックの代わりに歯噛みによる入力方法を使用しているので、歯噛みによる車椅子制御命令を車椅子駆動部へ伝達するための制御命令インターフェース部２１０が必要になる。前記制御命令インターフェース部２１０では、車椅子制御コマンドを変換して車椅子駆動部２２０に入力電圧に変換する役割を遂行する。これに前記コマンドに対応して車椅子動作ができるようになる。

以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明をより詳細に説明したが、本発明は、必ずしもこのような実施の形態に限るものではなく、本発明の技術思想に外れない範囲内で多様に変形実施されることができる。

本発明の一実施の形態に係る移動機器制御装置を含んだ全体システムを示す概念図である。 本発明の移動機器制御装置の使用状態図である。 本発明の歯噛みを用いた移動機器制御方法の全体概念図である。 本発明の移動機器制御装置から伝送された信号を処理する過程を示すフローチャートである。 本発明の歯噛みに係る車椅子制御過程を示すフローチャートである。 本発明の歯噛みに係る車椅子制御過程を示すフローチャートである。 本発明の歯噛みに係る車椅子制御過程を示すフローチャートである。 本発明の歯噛みに係る車椅子制御過程を示すフローチャートである。 本発明の歯噛みに係る車椅子制御命令のディスプレイ概念図である。

符号の説明

１０：筋電図信号獲得及び送信部
１００：筋電図センサ
１１０：接地電極
１２０：増幅及び送信部
１３０：ヘアーバンド
２０：筋電図信号処理部
２００：制御命令生成部
２１０：制御命令インターフェース部
２２０：車椅子駆動部
２３０：ディスプレイ部

Claims (22)

1. 両側にそれぞれ設けられて口腔内の歯牙を噛みしめる歯噛み動作時、筋肉の活性化によって筋電図信号を発生させる筋電図センサと、前記体に接触されて基準電圧を提供する接地電極からなる筋電図信号獲得部と、
   移動機器以前の動作を基準演算値として、前記筋電図信号獲得部から伝達された筋電図信号に対して歯噛みの位置、歯噛みの持続時間、歯噛みの連続動作を含んだ歯噛み動作に対応して移動機器制御のためのコマンドを生成する制御命令生成部と、前記コマンドに対応して入力電圧に変換する制御命令インターフェース部と、前記入力電圧に対応して移動機器の駆動がなされる移動機器駆動部からなる筋電図信号処理部と、を含むことを特徴とする歯噛みを用いる移動機器制御装置。
2. 前記筋電図信号獲得部には、感知された筋電図信号を増幅し、デジタル信号に変換して送信する増幅／送信部をさらに備え、前記筋電酢信号処理部には、筋電図信号獲得部から伝達された筋電図信号を受信及び増幅する受信／増幅部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の歯噛みを用いる移動機器制御装置。
3. 前記増幅／送信部は、筋電図センサ間の電圧差を演算する差等増幅器を含むことを特徴とする請求項２に記載の歯噛みを用いる移動機器制御装置。
4. 前記筋電図信号獲得部及び増幅／送信部は、ヘアーバンド、帽子を含む固定手段に取り付けられることを特徴とする請求項２に記載の歯噛みを用いる移動機器制御装置。
5. 前記筋電図センサは、脱着装置によって固定手段に固定されることを特徴とする請求項４に記載の歯噛みを用いる移動機器制御装置。
6. 前記制御命令生成部には、生成されたコマンドに対応した表示がなされるディスプレイ部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の歯噛みを用いる移動機器制御装置。
7. 前記筋電図センサは多数個であることを特徴とする請求項１に記載の歯噛みを用いる移動機器制御装置。
8. 前記筋電図センサは、右側筋電図センサと左側筋電図センサとからなり、前記右側筋電図センサと左側筋電図センサは、歯噛みによる活性化時の脳波測定で標準位置に用いられる両側側頭窩付近に位置し、基準電圧測定のための前記接地電極は額の中央付近に位置することを特徴とする請求項７に記載の歯噛みを用いる移動機器制御装置。
9. （ａ）口腔内の歯牙を噛みしめる歯噛み動作時に活性化される筋肉の筋電図信号を両側筋電図センサで感知する段階と、
   （ｂ）移動機器以前の動作を基準演算値として前記感知された筋電図信号に対し、歯噛みの位置、歯噛みの持続時間、歯噛みの連続動作を含む歯噛み動作に対応して移動機器制御のためのコマンドを制御命令生成部で生成する段階と、
   （ｃ）前記生成されたコマンドに対して制御命令インターフェース部で入力電圧に変換する段階とおよび、
   （ｄ）前記入力電圧に対応して移動機器駆動部で移動機器の駆動なされる段階とを含むことを特徴とする歯噛みを用いる移動機器制御方法。
10. 前記（ａ）段階と（ｂ）段階の間に、
    前記感知された筋電図信号を増幅／送信部で増幅及びデジタル信号に変換して送信する段階と、
    前記伝送された筋電図信号を受信／増幅部で受信および増幅する段階とをさらに進行することを特徴とする請求項９に記載の歯噛みを用いる移動機器制御方法。
11. 前記（ｂ）段階は、
    前記筋電図信号に対して設定時間間隔でブロック化する前処理段階と、
    前記ブロック化された２つのチャネルの筋電図信号から下式により各チャネルのＤＡＭＶ（Difference of Absolute Mean Value）値を求める特徴抽出段階と、
    前記ＤＡＭＶ値を用いて２つのチャネルから獲得された筋電図信号の特徴値の大きさと特定の閾値を比較して、閾値以上であると「Ｏｎ」、閾値以下であると「Ｏｆｆ」に区分して、４つの基本命令パターンに分類するパターン分類段階と、
    前記移動機器以前の動作を基準値とし、前記基準値に分類されたパターンを演算して移動機器を駆動するためのコマンドを生成するコマンド生成段階と、
    からなることを特徴とする請求項９に記載の歯噛みを用いる移動機器制御方法。
    （ここで、Ｎは、ブロック内のサンプル個数であって、ｘ（ｉ）は、インデックスｉでのデジタル信号に変換された筋電図信号値をそれぞれ意味する）
12. 前記コマンド生成段階において、前記移動機器が停止状態の場合に、各チャネルから伝達されたコマンドに対応して左回転、右回転を遂行し、両側チャネルから同時に特定時間以上持続されるコマンドが発生する場合、前進または後進を遂行することを特徴とする請求項１１に記載の歯噛みを用いる移動機器制御方法。
13. 前記移動機器の前進または後進は、両側チャネルから２回連続信号入力時、相互転換されることを特徴とする請求項１２に記載の歯噛みを用いる移動機器制御方法。
14. 前記コマンド生成段階において、前記移動機器が進行中の場合に、各チャネルから伝達されたコマンドに対応して進行しながら、該当方向へ旋回することを特徴とする請求項１１に記載の歯噛みを用いる移動機器制御方法。
15. 前記各チャネルから伝達されたコマンドの回数に対応し、旋回角を大きくしながら進行することを特徴とする請求項１４に記載の歯噛みを用いる移動機器制御方法。
16. 前記各チャネルから伝達されたコマンドの回数が設定回数以上であるかまたは各チャネルから伝達されたコマンドの入力時間が設定値以上の場合に、最大旋回角を有して進行することを特徴とする請求項１４に記載の歯噛みを用いる移動機器制御方法。
17. 前記各チャネルから伝達されたコマンドが現在旋回する反対方向のコマンドの場合に、現在旋回程度より一段階下の旋回程度で旋回することを特徴とする請求項１４に記載の歯噛みを用いる移動機器制御方法。
18. 一時的な認識誤謬によって旋回方向が転換されることを防止するため、前記コマンドに対して少なくとも２ブロック以上認識がなされた場合に、旋回制御がなされる特徴とする請求項１４または請求項１７いずれかに記載の歯噛みを用いる移動機器制御方法。
19. 前記前処理段階は、筋電図センサまたは体に接触されて基準電圧を提供する接地電極に対し、前記筋電図センサから獲得された信号の最大振幅が設定値以上連続発生するかを判別し、接触不良状態を感知する段階を含むことを特徴とする請求項１１に記載の歯噛みを用いる移動機器制御方法。
20. 前記前処理段階以後に各ブロックで、筋電図信号の最小値と最大値がそれぞれデジタル変換による最小、最大限界値と同一な値を有する頻度を確認し、特定頻度以上の場合にコマンド生成段階へ進行して移動機器止め命令を生成することを特徴とする請求項１１に記載の歯噛みを用いる移動機器制御方法。
21. 前記（ｂ）段階で生成されたコマンドに対応したディスプレイがなされる段階をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の歯噛みを用いる移動機器制御方法。
22. 前記コマンドに対応したディスプレイは、映像以外の「左に行け」、「右に行け」のように音声案内がさらに含まれることを特徴とする請求項２１に記載の歯噛みを用いる移動機器制御方法。

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