JP2010125287A - Digital joint angle estimating device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a digital joint angle estimating device which can respond to the time change of the relation between biological signals and the digital joint angles and can estimate several digital joint angles continuously and in real time. <P>SOLUTION: The digital joint angle estimating device 10 receives multiple surface myoelectric signals when digital joints move, extracts feature values of the surface myoelectric signals by an integral treatment section 14 and one-dimensionally aligns the feature values which are normalized by a normalization treatment section 15 into a feature value vector. A neural network 16 receives feed forward components which are one-dimensionally aligned feature vectors in chronological order from past to present and input vectors which comprise feedback components of output vectors in chronological order which are estimated until now for each of operation periods and estimates the digital joint angles. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、指関節角度推定装置に関する。   The present invention relates to a finger joint angle estimation device.

従来、ヒューマン・ロボットシステムにおいて、表面筋電信号を利用した手指形状を識別する方法が提案されている(非特許文献1)。又、非特許文献2では、表面筋電信号−手指関節角度の関係を、モデル式によりモデル化して、関数近似を行い、学習データから最小二乗法によりパラメータ推定を行う方法が提案されている。又、特許文献1では、表面筋電信号と指関節角度を一対一の対応付けで、複数の指の角度推定を行う方法が提案されている。
特開平5−111881号公報 福田 修, 卜 楠, 辻 敏夫,「生EMG信号による電動義手の制御」,計測自動制御学会論文集, Vol.40, No.11, pp. 1124-1131, 2004. 北村 徹, 辻内 伸好, 小泉 孝之, 「筋電信号による動作推定に基づくロボットハンドのマニピュレーション」, 日本機械学会論文集(C編), 73巻735号, pp.152-158, 2007
Conventionally, a method for identifying a finger shape using a surface myoelectric signal in a human robot system has been proposed (Non-Patent Document 1). Non-Patent Document 2 proposes a method in which the relationship between the surface myoelectric signal and the finger joint angle is modeled by a model formula, function approximation is performed, and parameter estimation is performed from learning data by the least square method. Patent Document 1 proposes a method for estimating the angle of a plurality of fingers by associating a surface myoelectric signal with a finger joint angle on a one-to-one basis.
JP-A-5-111881 Osamu Fukuda, Satoshi Tsuji, Toshio Tsuji, “Control of Electric Prosthetic Hand with Raw EMG Signal”, Proceedings of Society of Instrument and Control Engineers, Vol.40, No.11, pp. 1124-1131, 2004. Toru Kitamura, Nobuyoshi Kajiuchi, Takayuki Koizumi, “Manipulation of Robot Hands Based on Motion Estimation Using Myoelectric Signals”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C), Vol.73, No.735, pp.152-158, 2007

前記非特許文献1では、関節角度について、離散的なパターン識別を行うものであり、手指関節角度の推定を行うものではない。非特許文献2では、特定の指関節において単一の角度推定を行うものであり、多数の指関節への応用の可能性については具体的に提案されていない。特許文献1では、表面筋電信号と指関節角度の一対一の対応付けのみが行われており、表面筋電信号と手指関節角度の関係において、時間変換への対応の可能性については具体的に提案されていない。   In Non-Patent Document 1, discrete pattern identification is performed for the joint angle, and the finger joint angle is not estimated. Non-Patent Document 2 performs a single angle estimation at a specific finger joint, and does not specifically propose the possibility of application to a large number of finger joints. In Patent Document 1, only a one-to-one correspondence between a surface myoelectric signal and a finger joint angle is performed, and the possibility of correspondence to time conversion is specific in the relationship between the surface myoelectric signal and the finger joint angle. Not proposed.

従来は、表面筋電信号等の生体信号と、手指関節角度の関係の時間変化に対応可能であって、手指関節角度の推定を、複数の指関節、例えば5指関節について行われた指関節角度推定装置について提案されているものがない。   Conventionally, it is possible to cope with a temporal change in the relationship between a biological signal such as a surface myoelectric signal and a finger joint angle, and the finger joint angle is estimated for a plurality of finger joints, for example, five finger joints. None of the angle estimation devices have been proposed.

本発明の目的は、生体信号と指関節角度の関係の時間変化に対応可能であって、複数の指関節角度を連続的にリアルタイムに推定することができる指関節角度推定装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a finger joint angle estimation device that can cope with a temporal change in the relationship between a biological signal and a finger joint angle and can continuously estimate a plurality of finger joint angles in real time. is there.

上記問題点を解決するために請求項1の発明は、各指関節が動いているときの単数又は複数種類の生体信号を入力して、各生体信号の特徴量を抽出し、抽出した該特徴量を一次元に並べて特徴量ベクトルとする特徴量抽出手段と、演算周期毎に入力ベクトルに基づいて、各指関節の角度(以下、指関節角度という)の推定を行い、推定した前記各指関節角度を出力ベクトルとして出力するニューラルネットワーク手段とを含み、前記入力ベクトルは、前記特徴量抽出手段が抽出した過去から現在までの時系列の特徴量ベクトルを一次元に並べたフィードフォワード成分と、出力のフィードバックとが一次元に並べられて構成され、前記フィードバック成分は、前記ニューラルネットワーク手段が、前記演算周期毎に現在まで推定していた時系列の前記出力ベクトルで構成されていることを特徴とする指関節角度推定装置を要旨とするものである。   In order to solve the above-described problems, the invention of claim 1 inputs one or more types of biological signals when each finger joint is moving, extracts the feature amount of each biological signal, and extracts the feature A feature amount extraction unit that arranges the amounts in a one-dimensional manner to obtain a feature amount vector, and estimates an angle of each finger joint (hereinafter referred to as a finger joint angle) based on an input vector for each calculation cycle. A neural network means for outputting a joint angle as an output vector, and the input vector is a feedforward component in which time-series feature quantity vectors from the past to the present extracted by the feature quantity extraction means are arranged one-dimensionally; Output feedback is arranged in one dimension, and the feedback component is a time system that the neural network means has estimated up to the present time for each calculation cycle. It is intended to be subject matter of the finger joint angle estimating apparatus according to claim which is composed of the output vector.

なお、本明細書で生体信号とは、身体活動する際に起こる生理的な情報の信号であり、センサなどの検出手段により感知できる信号のことをいう。
請求項2の発明は、請求項1において、前記生体信号は、表面筋電信号であることを特徴とする。
In this specification, the biological signal is a signal of physiological information that occurs during physical activity, and refers to a signal that can be sensed by a detection means such as a sensor.
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the biological signal is a surface myoelectric signal.

請求項3の発明は、請求項2において、前記特徴量抽出手段は、前記表面筋電信号に対して積分区間を演算周期毎にずらして積分し、積分して得られた積分値を特徴量として抽出するものである。   According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the feature amount extraction unit integrates the surface myoelectric signal by shifting an integration interval for each calculation period, and calculates an integral value obtained by the integration as a feature amount. Is extracted as

請求項4の発明は、請求項2において、前記特徴量抽出手段は、前記表面筋電信号のパワースペクトルの所定のバンド幅毎の区間和を特徴量として抽出するものである。
請求項5の発明は、請求項2において、前記特徴量抽出手段は、前記表面筋電信号のパワースペクトルの平均周波数又は中央周波数を特徴量として抽出するものである。
According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect, the feature amount extraction means extracts a section sum for each predetermined bandwidth of the power spectrum of the surface myoelectric signal as a feature amount.
According to a fifth aspect of the present invention, in the second aspect, the feature amount extraction unit extracts an average frequency or a center frequency of a power spectrum of the surface myoelectric signal as a feature amount.

請求項6の発明は、請求項1において、前記生体信号は、脳波であり、前記特徴量抽出手段は、前記脳波のα波及びβ波の少なくともいずれか1つの波の増減変化による事象関連同期化、及び事象関連脱同期化を特徴量として抽出するものである。   According to a sixth aspect of the present invention, in the first aspect, the biological signal is an electroencephalogram, and the feature amount extraction unit is an event-related synchronization based on an increase / decrease change in at least one of the alpha wave and the beta wave of the electroencephalogram. And event-related desynchronization are extracted as feature quantities.

請求項7の発明は、請求項1において、前記生体信号は、脳部位のMRI信号であり、前記特徴量抽出手段は、運動を司る部位における血流中の還元ヘモグロビンの変化から活性化している場所を特徴量として抽出するものである。   According to a seventh aspect of the present invention, in the first aspect, the biological signal is an MRI signal of a brain region, and the feature amount extraction unit is activated from a change in reduced hemoglobin in a blood flow in a region that controls exercise. A place is extracted as a feature amount.

請求項8の発明は、請求項11において、前記生体信号は、頭部又は指関節に関係する筋肉を透過させた近赤外光を検出した信号であり、前記特徴量抽出手段は、頭部又は指関節に関係する筋肉組織を流れている血液中のヘモグロビン酸素化状態の変化を特徴量として抽出するものである。   The invention according to claim 8 is the signal according to claim 11, wherein the biological signal is a signal obtained by detecting near infrared light transmitted through a muscle related to a head or a finger joint. Or the change of the hemoglobin oxygenation state in the blood flowing through the muscle tissue related to the finger joint is extracted as a feature amount.

請求項9の発明は、請求項1において、前記生体信号は、脳磁図であり、前記特徴量抽出手段は、前記脳磁図の磁場の変化を特徴量として抽出するものである。
請求項10の発明は、請求項1において、前記生体信号は、指関節の動きによって腱が移動するのを捉えた信号であり、前記特徴量抽出手段は、前記腱の移動の変化を特徴量として抽出するものである。
The ninth aspect of the present invention is the method according to the first aspect, wherein the biological signal is a magnetoencephalogram, and the feature amount extraction means extracts a change in the magnetic field of the magnetoencephalogram as a feature amount.
The tenth aspect of the present invention is the biometric signal according to the first aspect, wherein the biological signal is a signal that captures movement of a tendon due to movement of a finger joint, and the feature amount extraction unit is configured to detect changes in movement of the tendon Is extracted as

請求項11の発明は、請求項1において、前記生体信号は、指関節の動きによって筋肉の膨らみが変化するのを捉えた信号であり、前記特徴量抽出手段は、前記筋肉の膨らみの変化を特徴量として抽出するものである。   The invention according to claim 11 is the signal according to claim 1, wherein the biological signal is a signal that captures a change in muscle bulge due to movement of a finger joint, and the feature amount extraction unit is configured to detect a change in the muscle bulge. This is extracted as a feature quantity.

請求項12の発明は、請求項1において、前記生体信号は、指関節の動きによって脳から、当該指の筋肉細胞までに伝わる神経信号を検出する信号であり、前記特徴量抽出手段は、前記指関節の動きに応じて変化する神経信号の変化を特徴量として抽出するものである。   The invention of claim 12 is the signal according to claim 1, wherein the biological signal is a signal for detecting a nerve signal transmitted from the brain to the muscle cell of the finger by movement of a finger joint. A change in a nerve signal that changes in accordance with the movement of a finger joint is extracted as a feature amount.

請求項1乃至請求項12の発明によれば、生体信号と指関節角度の関係の時間変化に対応可能であって、複数の指関節角度を連続的にリアルタイムに推定することができる指関節角度推定装置を提供することができる。   According to the first to twelfth aspects of the present invention, a finger joint angle that can cope with a temporal change in the relationship between the biological signal and the finger joint angle and can continuously estimate a plurality of finger joint angles in real time. An estimation device can be provided.

以下、本発明の指関節角度推定装置を手指関節角度推定装置に具体化した一実施形態を図1〜図11を参照して説明する。図1は手指関節角度推定装置の概略ブロック図である。   Hereinafter, an embodiment in which the finger joint angle estimation device of the present invention is embodied as a finger joint angle estimation device will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic block diagram of a finger joint angle estimation device.

手指関節角度推定装置10は、コンピュータからなり、A/D11、整流処理部12、平滑処理部13、積分処理部14、正規化処理部15、ニューラルネットワーク16、及び変換処理部19を備える。図1中、前記整流処理部12、平滑処理部13、積分処理部14、正規化処理部15、ニューラルネットワーク16、及び変換処理部17は、コンピュータが備える中央処理装置の機能ブロックを示しており、ハード構成を示すものではない。   The finger joint angle estimation device 10 includes a computer and includes an A / D 11, a rectification processing unit 12, a smoothing processing unit 13, an integration processing unit 14, a normalization processing unit 15, a neural network 16, and a conversion processing unit 19. In FIG. 1, the rectification processing unit 12, the smoothing processing unit 13, the integration processing unit 14, the normalization processing unit 15, the neural network 16, and the conversion processing unit 17 are functional blocks of a central processing unit provided in the computer. It does not indicate a hardware configuration.

手指関節角度推定装置10は、人の前腕部Zに取り付けされた複数の電極20及びA/D11を介して表面筋電信号を入力する。なお、各電極20から入力した信号をチャンネル信号という。A/D11は、各チャンネル毎に、共通のサンプリング周波数で取得した前記表面筋電信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換する。   The finger joint angle estimation device 10 inputs surface myoelectric signals through a plurality of electrodes 20 and A / D 11 attached to a human forearm Z. A signal input from each electrode 20 is referred to as a channel signal. The A / D 11 converts the surface myoelectric signal (analog signal) acquired at a common sampling frequency into a digital signal for each channel.

整流処理部12は、A/D11からのデジタル信号を各チャンネル毎に全波整流する。平滑処理部13はローパスフィルタからなり、整流処理部12が全波整流した信号を、各チャンネル毎に所定周波数(例えば、50[Hz])以上をカットオフして平滑する。   The rectification processing unit 12 full-wave rectifies the digital signal from the A / D 11 for each channel. The smoothing processing unit 13 is composed of a low-pass filter, and smoothes the signal subjected to full-wave rectification by the rectification processing unit 12 by cutting off a predetermined frequency (for example, 50 [Hz]) or more for each channel.

積分処理部14は、平滑処理部13から入力した各チャンネル信号に対して、積分区間を演算周期毎にずらしながら、該積分区間の振幅を積分して積分値を取得する(図9(b)参照)。この積分値が特徴量に相当する。   The integration processing unit 14 integrates the amplitude of the integration interval with respect to each channel signal input from the smoothing processing unit 13 and shifts the integration interval for each calculation period to obtain an integration value (FIG. 9B). reference). This integral value corresponds to the feature amount.

正規化処理部15は、積分処理部14により積分処理された各チャンネル信号に対して、正規化を行う。本実施形態では、正規化処理は、各チャンネル信号の振幅を0〜1の範囲にするものであるが、この範囲に限定されるものではない。ここで、整流処理部12、平滑処理部13、積分処理部14、及び正規化処理部15は、特徴量抽出手段に相当する。   The normalization processing unit 15 normalizes each channel signal integrated by the integration processing unit 14. In the present embodiment, the normalization processing is to make the amplitude of each channel signal in the range of 0 to 1, but is not limited to this range. Here, the rectification processing unit 12, the smoothing processing unit 13, the integration processing unit 14, and the normalization processing unit 15 correspond to feature quantity extraction means.

ニューラルネットワーク16は、素子伝達関数としてシグモイド関数を用いた3層パーセプトロンニューラルネットワークから構成されている。3層パーセプトロンニューラルネットワークは図2に示すように入力層16a、中間層16b、出力層16cを備えている。ニューラルネットワーク16におけるネットワークの学習は、5本指の各指関節角度が推定可能に一般的なバックプロパゲーション法により行われている。後述するフィードバック成分Bは、前記学習時には、過去の教師信号が用いられ、リアルタイムの手指関節角度の推定時には、過去にネットワークが実際に出力した値が用いられる。   The neural network 16 is composed of a three-layer perceptron neural network using a sigmoid function as an element transfer function. As shown in FIG. 2, the three-layer perceptron neural network includes an input layer 16a, an intermediate layer 16b, and an output layer 16c. Learning of the network in the neural network 16 is performed by a general back propagation method so that each finger joint angle of five fingers can be estimated. As the feedback component B described later, a past teacher signal is used at the time of learning, and a value actually output by the network in the past is used at the time of real-time finger joint angle estimation.

ニューラルネットワーク16の入力層16aを構成するユニットは、フィードフォワード成分Aと、フィードバック成分Bからなる入力ベクトルI(図5参照)を入力するための個数分用意されている。又、出力層16cを構成するユニットは、推定された5本指の各指の各指関節角度を1次元に並べた出力ベクトルOとして出力する。なお、出力ベクトルOに含まれる、各指の各指関節角度は範囲(0,1)に正規化されている。出力層16cのユニットは、5本指の場合、本実施形態では、例えば、1本の指が3つの関節を有しているため、この3つの関節の屈曲角度(指関節角度)と、内外転の関節角度(指関節角度)を検出するため、各指毎の各関節角度の推定値が得られるように20個分用意されているが、この数値に限定されるものではない。 The units constituting the input layer 16a of the neural network 16 are prepared by the number for inputting the input vector I k (see FIG. 5) composed of the feed forward component A and the feedback component B. Also, the unit forming the output layer 16c outputs the finger joint angle of each finger of the five fingers, which are estimated as the output vector O k obtained by arranging one-dimensionally. Incidentally, in the output vector O k, the finger joint angle of each finger is normalized to range (0, 1). When the unit of the output layer 16c has five fingers, in this embodiment, for example, since one finger has three joints, the bending angle (finger joint angle) of these three joints, and the inside and outside In order to detect the rolling joint angle (finger joint angle), twenty pieces are prepared so as to obtain an estimated value of each joint angle for each finger. However, the present invention is not limited to this value.

図2、図3に示すように、フィードフォワード成分Aは、A,……,Aからなる。Aは正規化処理部15から入力された、現在(すなわち、最新)の各チャンネル信号が正規化された積分値(特徴量)Fを1次元に並べた特徴量ベクトルからなる。 Figure 2, as shown in FIG. 3, the feedforward component A, A 0, ......, consisting A n. A 0 is composed of a feature quantity vector in which integrated values (feature quantities) F k obtained by normalizing the current (that is, latest) channel signals, which are input from the normalization processing unit 15, are arranged one-dimensionally.

のnは、現在からn(なお、nは正の整数)ステップ前の演算周期を意味する。従って、Aは、nステップ前に正規化処理部15から入力され、各チャンネル信号が正規化された積分値(特徴量)を1次元に並べた特徴量ベクトルである。具体的に説明すると、図3(a)に示すように、現在時刻tのフィードフォワード成分Aは、次の演算周期の時刻t+1(図3(b)参照)では、正規化処理部15から特徴量ベクトルが入力されて、Aが更新されるとともに、現在時刻t時のAの内容は、Aの内容として更新される。 N of A n means a calculation cycle before n (n is a positive integer) step from the present. Therefore, An is a feature quantity vector in which integration values (feature quantities) obtained by normalizing each channel signal and arranged in one dimension are input from the normalization processing unit 15 before n steps. More specifically, as shown in FIG. 3A, the feedforward component A at the current time t is characterized by the normalization processing unit 15 at time t + 1 (see FIG. 3B) of the next calculation cycle. The quantity vector is input, A 0 is updated, and the content of A 0 at the current time t is updated as the content of A 1 .

以下、同様にして、A〜Aが更新される。なお、演算周期の時刻tのAの内容は、演算周期の時刻t+1時では、破棄される。以下、図3(c)に示すように、次の時刻t+2以降においても、同様に、A〜Aの内容は更新される。上記のようにして、フィードフォワード成分Aは、正規化された過去から現在までの時系列の特徴量ベクトルを一次元に並べたものとなる。 Thereafter, A 2 to An are updated in the same manner. The contents of A n at time t of the operation cycle, the time time t + 1 of the calculation cycle, is discarded. Hereinafter, as shown in FIG. 3 (c), at the next time t + 2 or later likewise, the contents of A 0 to A n are updated. As described above, the feedforward component A is a one-dimensional arrangement of normalized time-series feature vectors from the past to the present.

図2、図4に示すように、フィードバック成分Bは、B,……,Bからなる。Bは出力層16cからフィードバック入力された、現在の演算周期の1ステップ前の、各指の各関節角度を1次元に並べた出力ベクトルOからなる。Bのhは、現在からh(なお、hは正の整数)ステップ前の演算周期を意味する。従って、Bは、出力層16cからフィードバックされた、現在の演算周期のhステップ前の、各指の各関節角度を1次元に並べた出力ベクトルOからなる。 As shown in FIGS. 2 and 4, the feedback component B is composed of B 1 ,..., B h . B 1 represents fed back input from the output layer 16c, one step before the current calculation cycle, consisting of each joint angle of each finger from the output vector O k obtained by arranging one-dimensionally. B h in B h means a calculation cycle before the current h (h is a positive integer) step. Thus, B h is fed back from the output layer 16c, the front h steps of the current calculation cycle, consisting of each joint angle of each finger from the output vector O k obtained by arranging one-dimensionally.

具体的に説明すると、図4(a)に示すように、現在時刻tのフィードバック成分Bは、次の演算周期の時刻t+1(図4(b)参照)では、出力層16cから出力ベクトルOがフィードバックされて、Bが更新されるとともに、現在時刻t時のBの内容は、Bの内容として更新される。以下、同様にして、B〜Bが更新される。なお、演算周期の時刻tのBの内容は、演算周期の時刻t+1時では、破棄される。以下、図4(c)に示すように、次の時刻t+2以降においても、同様に、B〜Bの内容は更新される。上記のようにして、フィードバック成分Bは、現在までに推定された時系列の出力ベクトルとなる。 More specifically, as shown in FIG. 4 (a), the feedback component B of the current time t, at time t + 1 of the next operation cycle (see FIG. 4 (b)), the output from the output layer 16c vector O k Is fed back, B 1 is updated, and the content of B 1 at the current time t is updated as the content of B 2 . Thereafter, B 3 to B h are updated in the same manner. The content of B h of the time t of the operation cycle, the time time t + 1 of the calculation cycle, is discarded. Thereafter, as shown in FIG. 4C, the contents of B 1 to B h are similarly updated after the next time t + 2. As described above, the feedback component B becomes a time-series output vector estimated to date.

変換処理部17は、ニューラルネットワーク16が推定した出力ベクトルOを入力し、逆正規化処理して、各指の各指関節角度Nに変換する。式(1)は、逆正規化処理する場合の式である。 Conversion processing unit 17 receives the output vector O k of the neural network 16 is estimated, and treated denormalization, converted to each finger joint angle N of each finger. Expression (1) is an expression in the case of performing denormalization processing.

Figure 2010125287
Figure 2010125287

ここで、MINは指関節角度の最小値であり、MAXは指関節角度の最大値である。
式(1)により、逆正規化処理して角度に変換した後、手指関節角度推定装置10は、出力装置30に出力する。出力装置30は、例えば、表示ディプレイ、或いはプリンタ等にて構成されている。
Here, MIN is the minimum value of the finger joint angle, and MAX is the maximum value of the finger joint angle.
The finger joint angle estimation device 10 outputs the result to the output device 30 after performing inverse normalization processing and converting into an angle according to the equation (1). The output device 30 is configured by, for example, a display display or a printer.

(実施形態の作用)
さて、上記のように構成された手指関節角度推定装置10の作用を図6〜図11を参照して説明する。
(Operation of the embodiment)
Now, the operation of the finger joint angle estimation device 10 configured as described above will be described with reference to FIGS.

手指関節角度推定装置10に、電極20を介して生体信号として入力された表面筋電信号は、所定のサンプリング周波数で取得される。このサンプリング周波数は、例えば1[kHz]であるが、この数値に限定されるものではない。図6は、A/D変換されたチャンネル信号のチャートの例である。なお、図6の例では、サンプリング周波数は1[kHz]である。この信号は、脱力状態から握り、そのまま数秒経過した後にまた脱力状態に戻した時の、拇指屈曲に関与する筋肉の付近で計測した信号である。   A surface myoelectric signal input as a biological signal to the finger joint angle estimation device 10 via the electrode 20 is acquired at a predetermined sampling frequency. The sampling frequency is, for example, 1 [kHz], but is not limited to this value. FIG. 6 is an example of a chart of A / D converted channel signals. In the example of FIG. 6, the sampling frequency is 1 [kHz]. This signal is a signal measured in the vicinity of muscles involved in thumb flexion when gripped from the weak state and returned to the weak state after several seconds.

次に、整流処理部12において、入力された各チャンネル信号を全波整流化する。図7は、図6のチャンネル信号が全波整流処理されたチャートの例である。次に、平滑処理部13において、各チャンネル信号を平滑処理する。図8は、図7のチャンネル信号が平滑処理されたチャートの例である。   Next, the rectification processing unit 12 performs full-wave rectification on each input channel signal. FIG. 7 is an example of a chart obtained by full-wave rectifying the channel signal of FIG. Next, the smoothing processing unit 13 smoothes each channel signal. FIG. 8 is an example of a chart obtained by smoothing the channel signal of FIG.

次に、積分処理部14において、平滑処理部13から入力した各チャンネル信号に対して、積分区間を演算周期毎にずらしながら、該積分区間の振幅を積分して積分値を取得する。図9(a)は、図8の平滑処理されたチャンネル信号と同じであり、図9(b)は、積分処理されたチャンネル信号の例のチャートである。正規化処理部15は、積分処理部14から出力された各チャンネル信号を0〜1の範囲となるように正規化する。図10は、図9に示す信号が正規化処理されたチャンネル信号のチャートである。   Next, the integration processing unit 14 integrates the amplitude of the integration interval for each channel signal input from the smoothing processing unit 13 and shifts the integration interval for each calculation cycle to obtain an integration value. FIG. 9A is the same as the smoothed channel signal of FIG. 8, and FIG. 9B is a chart of an example of the integrated channel signal. The normalization processing unit 15 normalizes each channel signal output from the integration processing unit 14 to be in the range of 0-1. FIG. 10 is a chart of channel signals obtained by normalizing the signals shown in FIG.

なお、図6〜図9において、縦軸は、振幅、横軸は時間軸である。図10において、縦軸は、正規化時の振幅、横軸は時間軸である。
ニューラルネットワーク16は、フィードフォワード成分A、フィードバック成分Bにて構成される入力ベクトルIを演算周期毎に入力層16aに入力することにより、正規化されている5本指の各指関節角度を推定し、出力層16cから前記出力ベクトルOを出力する。この出力ベクトルOを、変換処理部17にて逆正規化して角度変換し、出力装置30に出力する。
6 to 9, the vertical axis represents amplitude, and the horizontal axis represents time. In FIG. 10, the vertical axis is the amplitude at normalization, and the horizontal axis is the time axis.
Neural network 16, the feed forward component A, by inputting to the input layer 16a of the input vector I k configured for each calculation period in feedback component B, and the finger joint angle of five fingers being normalized estimation, and outputs the output vector O k from the output layer 16c. The output vector Ok is denormalized by the conversion processing unit 17 to perform angle conversion, and output to the output device 30.

以下には、手に、指関節角度を計測するデータグローブ(図示しない)を取着して、5本の指の各指関節の角度を個々に検出可能とした状態で、かつ、前腕部Zに8個の電極20を付けて、表面筋電信号を手指関節角度推定装置10に入力して、指関節角度を推定した結果を図11(a)〜(d)に示す。   In the following, a data glove (not shown) for measuring the finger joint angle is attached to the hand so that the angle of each finger joint of the five fingers can be individually detected, and the forearm Z FIG. 11A to FIG. 11D show the results of estimating the finger joint angle by attaching the eight electrodes 20 and inputting the surface myoelectric signal to the finger joint angle estimating device 10.

各図において、縦軸は角度、横軸は時間[ms]であり、点線は前記データグローブにより検出測定した実測値のチャートであり、実線は手指関節角度推定装置10により推定した推定値のチャートである。   In each figure, the vertical axis is the angle, the horizontal axis is the time [ms], the dotted line is a chart of actual values detected and measured by the data glove, and the solid line is a chart of estimated values estimated by the finger joint angle estimation device 10. It is.

図11(a)は、人指し指の内外転の角度のチャート、図11(b)は、人指し指の第1関節の屈曲角度のチャート、図11(c)は、人指し指の第2関節の屈曲角度のチャート、図11(d)は、人指し指の第3関節の屈曲角度のチャートを表わしている。各図に示すように、いずれも、手指関節角度推定装置10にて推定した指関節角度は、実測値とほぼ一致し、又、リアルタイムに各関節角度がほぼ正確に得られていることが分かる。なお、図示はしないが、人指し指以外の他の指の各指関節角度も同様にほぼ正確に得られた。   11A is a chart of the angle of the index finger inward and outward, FIG. 11B is a chart of the bending angle of the first joint of the index finger, and FIG. 11C is a bending angle of the second joint of the index finger. FIG. 11D shows a chart of the bending angle of the third joint of the index finger. As shown in each figure, it can be seen that the finger joint angles estimated by the finger joint angle estimation device 10 almost coincide with the measured values, and each joint angle is obtained almost accurately in real time. . Although not shown, the finger joint angles of the fingers other than the index finger were also obtained almost accurately.

比較例のために、ニューラルネットワーク16の出力をフィードバック成分とせず、さらに現時刻前の生体信号を用いない場合の従来のニューラルネットワークの概念図を図13に示す。   As a comparative example, FIG. 13 shows a conceptual diagram of a conventional neural network when the output of the neural network 16 is not used as a feedback component and a biological signal before the current time is not used.

この比較例の場合、手にデータグローブ(図示しない)を取着して、5本の指の各指関節の角度を個々に検出可能とした状態で、かつ、前腕部Zに8個の電極20を付けて、表面筋電信号を手指関節角度推定装置10に入力して、指関節角度を推定した結果を図14(a),(b)に示す。図14(a)、(b)において、縦軸は角度、横軸は時間[ms]であり、点線は前記データグローブにより検出測定した実測値のチャートであり、実線は手指関節角度推定装置10により推定した推定値のチャートである。   In the case of this comparative example, a data glove (not shown) is attached to the hand so that the angles of the finger joints of the five fingers can be individually detected, and eight electrodes are provided on the forearm Z. A result of estimating the finger joint angle by inputting the surface myoelectric signal to the finger joint angle estimating device 10 with 20 is shown in FIGS. 14A and 14B, the vertical axis represents the angle, the horizontal axis represents time [ms], the dotted line is a chart of actual measurement values detected and measured by the data glove, and the solid line is the finger joint angle estimation device 10. It is a chart of the estimated value estimated by this.

図14(a)は、人指し指の内外転の角度のチャート、図14(b)は、人指し指の第1関節の屈曲角度のチャートである。同図に示すように推定した指関節角度は、実測値とは大きくかけ離れた値となっている。   FIG. 14A is a chart of the angle of inward and outward rotation of the index finger, and FIG. 14B is a chart of the bending angle of the first joint of the index finger. As shown in the figure, the estimated finger joint angle is a value far from the actually measured value.

以上詳述した本実施形態によれば、以下に記載する各効果を得ることができる。
(1) 本実施形態の手指関節角度推定装置10は、各指関節が動いているときの複数の表面筋電信号(生体信号)を入力して、各表面筋電信号の特徴量を抽出し、抽出した該特徴量を一次元に並べて特徴量ベクトルとする整流処理部12、平滑処理部13、積分処理部14、及び正規化処理部15(特徴量抽出手段)を備える。又、手指関節角度推定装置10は、演算周期毎に入力ベクトルIに基づいて、各指関節角度の推定を行い、推定した各指関節角度を出力ベクトルとして出力するニューラルネットワーク16(ニューラルネットワーク手段)とを備える。そして、入力ベクトルIは、整流処理部12、平滑処理部13、積分処理部14、及び正規化処理部15が抽出した過去から現在までの時系列の特徴量ベクトルを一次元に並べたフィードフォワード成分Aと、フィードバック成分Bとが一次元に並べられて構成され、フィードバック成分Bは、ニューラルネットワーク16が、演算周期毎に現在まで推定していた時系列の出力ベクトルOで構成されている。この結果、本実施形態の手指関節角度推定装置10によれば、表面筋電信号と指関節角度の関係の時間変化に対応可能であって、5本の指の各指関節角度を連続的にリアルタイムに正確に推定することができる。
According to the embodiment described in detail above, the following effects can be obtained.
(1) The finger joint angle estimation device 10 of the present embodiment inputs a plurality of surface myoelectric signals (biological signals) when each finger joint is moving, and extracts the feature amount of each surface myoelectric signal. The rectification processing unit 12, the smoothing processing unit 13, the integration processing unit 14, and the normalization processing unit 15 (feature amount extraction means) are arranged so that the extracted feature amounts are arranged one-dimensionally into a feature amount vector. Also, the finger joint angle estimation device 10 estimates each finger joint angle based on the input vector I k for each calculation cycle, and outputs the estimated finger joint angle as an output vector (neural network means). ). The input vector I k is a feed in which time series feature vectors from the past to the present extracted by the rectification processing unit 12, the smoothing processing unit 13, the integration processing unit 14, and the normalization processing unit 15 are arranged in one dimension. and forward component a, is composed are arranged in a feedback component B is one-dimensional, the feedback component B, the neural network 16, is constituted by the output vector O k time series was estimated to date for each calculation cycle Yes. As a result, according to the finger joint angle estimation device 10 of the present embodiment, it is possible to cope with a temporal change in the relationship between the surface myoelectric signal and the finger joint angle, and the finger joint angles of the five fingers are continuously determined. It can be estimated accurately in real time.

(2) 本実施形態の手指関節角度推定装置10において、整流処理部12、平滑処理部13、積分処理部14、及び正規化処理部では、表面筋電信号に対して積分区間を演算周期毎にずらし積分し、積分して得られた積分値を特徴量として抽出するようにした。この結果、演算周期毎に表面筋電信号の特徴量である積分値を取得することができる。   (2) In the finger joint angle estimation device 10 of the present embodiment, the rectification processing unit 12, the smoothing processing unit 13, the integration processing unit 14, and the normalization processing unit set the integration interval for the surface myoelectric signal for each calculation cycle. The integration value obtained by integrating is extracted as a feature value. As a result, an integral value that is a feature amount of the surface myoelectric signal can be acquired for each calculation cycle.

なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 前記実施形態では、手指関節角度を推定する際に、生体信号として、前腕部において計測した表面筋電信号(sEMG)から得られる積分値を特徴量として用いたが、表面筋電信号の特徴量は、積分値に限定されるものではない。
In addition, you may change embodiment of this invention as follows.
In the above-described embodiment, when the finger joint angle is estimated, the integral value obtained from the surface myoelectric signal (sEMG) measured in the forearm portion is used as the feature value as the biometric signal. The quantity is not limited to the integral value.

例えば、表面筋電信号のパワースペクトルを使用してもよい。
この場合、前腕部において測定部位が複数ある場合、測定部位のチャンネル番号をdとする。そして、各チャンネル毎に、かつサンプリング周期毎に得られたパワースペクトルを所定のバンド幅毎の区間和を求めて、ベクトル化すると、ある時に、あるチャンネルでサンプリングされたパワースペクトル(ベクトル)は式(2)のベクトルFk dで表わすことができる。なお、所定のバンド幅は、限定されるものではなく、適宜に決定すればよい。前記パワースペクトルの区間和が特徴量となる。
For example, the power spectrum of the surface myoelectric signal may be used.
In this case, when there are a plurality of measurement sites in the forearm, the channel number of the measurement site is set to d. Then, when the power spectrum obtained for each channel and for each sampling period is vectorized by obtaining a section sum for each predetermined bandwidth, the power spectrum (vector) sampled in a certain channel at one time is expressed by the equation It can be represented by the vector F k d of (2). The predetermined bandwidth is not limited and may be determined as appropriate. The sum of the sections of the power spectrum is a feature amount.

Figure 2010125287
Figure 2010125287

式(2)中、Tは転置行列、kは時系列における順位、dはチャンネル番号、pは周波数の所定のバンド幅で区間分けした区分数である。
なお、パワースペクトルは、全波整流された表面筋電信号をフーリエ変換することにより求めることができる。なお、パワースペクトルの算出方法は、限定されるものではないが、フーリエ変換による算出法が一般的である。
In Equation (2), T is a transposed matrix, k is a rank in time series, d is a channel number, and p is the number of sections divided by a predetermined bandwidth of frequency.
The power spectrum can be obtained by Fourier transforming the full-wave rectified surface myoelectric signal. In addition, the calculation method of a power spectrum is not limited, but the calculation method by Fourier transformation is common.

図12は、表面筋電信号をフーリエ変換した後のパワースペクトルを表わし、横軸が周波数、縦軸がパワースペクトルの強度である。パワースペクトルには、例えば、筋疲労の影響を反映しうる等、前記積分値を特徴量とする場合よりも得られ難い情報を含んでいる。   FIG. 12 shows the power spectrum after Fourier transform of the surface myoelectric signal, where the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents power spectrum intensity. The power spectrum includes information that is difficult to obtain compared to the case where the integrated value is used as a feature amount, for example, the effect of muscle fatigue can be reflected.

○ パワースペクトルは、波形であるため、定量的な評価が難しい場合がある。この場合、表面筋電信号の特徴量として、平均周波数(Mean power frequency:以下、MNFという)、或いは中央周波数(Median power frequency:以下、MDFという)を使用してもよい。   ○ Since the power spectrum is a waveform, quantitative evaluation may be difficult. In this case, an average frequency (Mean power frequency: hereinafter referred to as MNF) or a central frequency (Median power frequency: hereinafter referred to as MDF) may be used as the feature quantity of the surface myoelectric signal.

MNFの方が数学的に素直な量であるが、MDFには高周波成分に含まれるノイズの影響を受けにくい利点がある。
MNF及びMDFの定義式を次式(3)、式(4)で示す。
MNF is a mathematically more straightforward amount, but MDF has the advantage of being less susceptible to noise contained in high-frequency components.
The definition formulas of MNF and MDF are shown by the following formulas (3) and (4).

Figure 2010125287
Figure 2010125287

Figure 2010125287
Figure 2010125287

ここで、P(x)はパワースペクトルである。fは周波数である。
○ 又、生体信号は、表面筋電信号に限定されるものではない。表面筋電信号(sEMG)は、脳から発せられる神経信号に基づいて発生しているため、その基となる脳情報も,手指関節角度の推定に有用に使用することが可能である。なお、表面筋電信号(sEMG)は、筋繊維の活動電位の総和であり信号の振幅に大きな意味合いがあるが、脳情報に関しては各信号によって推奨されるべき信号処理法が異なる.
以下、脳情報を含むものとして、脳波(EEG)、機能的磁気共鳴画像を形成するためのMRI信号、近赤外分光法(NIRS)、脳磁図(Magneto-Encephalo-Graphy :MEG)を挙げることができる。
Here, P (x) is a power spectrum. f is a frequency.
In addition, the biological signal is not limited to the surface myoelectric signal. Since the surface myoelectric signal (sEMG) is generated based on a nerve signal emitted from the brain, the brain information that is the basis of the surface myoelectric signal (sEMG) can also be usefully used for estimating the finger joint angle. The surface myoelectric signal (sEMG) is the sum of the action potentials of the muscle fibers and has a great significance in the amplitude of the signal. However, with regard to brain information, the signal processing method to be recommended differs depending on each signal.
In the following, the brain information includes brain waves (EEG), MRI signals for forming functional magnetic resonance images, near infrared spectroscopy (NIRS), and magnetoencephalogram (Magneto-Encephalo-Graphy: MEG). Can do.

(1)脳波(Electroencephalogram:EEG)
EEGは、古くからある非侵襲な計測手法で計測できる信号である。脳内の神経細胞の活動電位を、頭皮表面で計測した信号である。ここではα波及びβ波の少なくともいずれか1つの波の増減変化による事象関連同期化、及び事象関連脱同期化を特徴量として使用することができる。例えば、運動野が活動するとα波が弱まる事象関連脱同期化という現象があり、これは実際に運動をせず、想像する際にも生じる。又、α波が大きくなった時の事象関連同期化がある。又、EEGは後述するfMRIよりも時間分解能が高い利点がある。EEGで重要であるのが、前記事象関連脱同期化という現象である。この現象は特定の部位の脳波の、特定の周波数成分を変化させる。そのため、脳波から運動に関する要素を抽出するためには、高速フーリエ変換(FFT)やウェーブレット変換などの周波数解析手法によってパワースペクトルや周波数成分の分布を得られるような信号処理を施す。そして、本実施形態では、これらの信号処理をコンピュータにて行わせ、その信号処理結果をフィードフォワード成分とする。そして、前記実施形態のニューラルネットワーク16に該フィードフォワード成分と、フィードバック成分を入力ベクトルとして入力するようにする。
(1) Electroencephalogram (EEG)
EEG is a signal that can be measured by an old non-invasive measurement technique. This is a signal obtained by measuring the action potential of nerve cells in the brain on the scalp surface. Here, event-related synchronization and event-related desynchronization due to increase / decrease change of at least one of α wave and β wave can be used as the feature amount. For example, there is a phenomenon called event-related desynchronization in which the α wave weakens when the motor area is activated, and this also occurs when imagining without actually exercising. There is also event-related synchronization when the α wave becomes large. Further, EEG has an advantage of higher time resolution than fMRI described later. What is important in EEG is the phenomenon of event-related desynchronization. This phenomenon changes a specific frequency component of an electroencephalogram at a specific site. Therefore, in order to extract an element related to motion from an electroencephalogram, signal processing is performed so that a power spectrum and frequency component distribution can be obtained by a frequency analysis method such as fast Fourier transform (FFT) or wavelet transform. In this embodiment, the signal processing is performed by a computer, and the signal processing result is used as a feedforward component. Then, the feedforward component and the feedback component are input as input vectors to the neural network 16 of the embodiment.

(2)機能的磁気共鳴画像(fMRI)
神経活動がより大きく生じている脳部位を、血流中の還元ヘモグロビンの変化から推定する方法であり、MRIで測定し、脳部位から得られたMRI信号を生体信号として使用する。ここでは、脳部位において、運動を司る部位における前記血流中の還元ヘモグロビンの変化から活性化している場所を特徴量とするものである。
(2) Functional magnetic resonance imaging (fMRI)
It is a method for estimating a brain region where a greater amount of neural activity occurs from a change in reduced hemoglobin in the bloodstream, and is measured by MRI, and an MRI signal obtained from the brain region is used as a biological signal. Here, in the brain region, the location activated from the change in reduced hemoglobin in the blood flow at the region that controls exercise is used as a feature amount.

時間分解能は前述したEEGに劣るが、空間分解能が格段に高い利点がある。計測機器は大がかりであり高価であるが、神経情報を詳細に読み取り機械制御信号に変換する方法として、非侵襲式の中では最も高性能である。   Although the temporal resolution is inferior to the above-mentioned EEG, there is an advantage that the spatial resolution is extremely high. Measuring instruments are large and expensive, but they are the most powerful non-invasive method for reading nerve information in detail and converting it into machine control signals.

そして、本実施形態では、前記特徴量を有するMRI信号をフィードフォワード成分とする。そして、前記実施形態のニューラルネットワーク16に該フィードフォワード成分と、フィードバック成分を入力ベクトルとして入力するようにする。   In this embodiment, the MRI signal having the feature amount is used as a feedforward component. Then, the feedforward component and the feedback component are input as input vectors to the neural network 16 of the embodiment.

(3)近赤外分光法(NIRS)
近赤外分光法(NIRS)では、頭部や筋肉などの生体組織に対して透過性が高い近赤外光 (波長700nm〜1000nm) を外部から照射し、組織を透過してきた光を分析することにより、組織を流れている血液中のヘモグロビン酸素化状態を外部から調べる装置を使用する。生体信号は、該装置が検出した信号となる。又、前記組織を流れている血液中のヘモグロビン酸素化状態の変化を特徴量とする。
(3) Near infrared spectroscopy (NIRS)
In near-infrared spectroscopy (NIRS), near-infrared light (wavelength 700 nm to 1000 nm) that is highly permeable to biological tissues such as the head and muscles is irradiated from the outside, and light transmitted through the tissue is analyzed. Therefore, a device for examining the oxygenated state of hemoglobin in the blood flowing through the tissue from the outside is used. The biological signal is a signal detected by the apparatus. In addition, a change in the hemoglobin oxygenation state in the blood flowing through the tissue is used as a feature amount.

本変形例では、この脳が活動したときに一過性に生じる局所的な血流量の変化を光センサで検出するものである。EEGとfMRIの中間程度の特性を持つ。計測システムはEEGと同等の規模であるが、非接触であるため、EEGと異なり、生体信号を身体に取付けする端子が必要でなく、該端子の取り付けの煩わしさがない利点がある。そして、本実施形態では、前記装置が検出した特徴量を有する信号をフィードフォワード成分とする。そして、前記実施形態のニューラルネットワーク16に該フィードフォワード成分と、フィードバック成分を入力ベクトルとして入力するようにする。   In this modification, a local change in blood flow that occurs transiently when the brain is activated is detected by an optical sensor. It has intermediate characteristics between EEG and fMRI. Although the measurement system has the same scale as the EEG, it is non-contact, and unlike the EEG, there is an advantage that a terminal for attaching a biological signal to the body is not required and there is no troublesome installation of the terminal. In this embodiment, a signal having a feature value detected by the device is used as a feedforward component. Then, the feedforward component and the feedback component are input as input vectors to the neural network 16 of the embodiment.

(4)脳磁図(Magnetoencephalography:MEG)
脳磁図(MEG)は、前記EEGと似ているが、脳内の活動部位によって生じる磁場の変化を特徴量として検出するものである。電気信号はノイズが乗りやすいが、それに対して磁場は乗りにくい利点がある。
(4) Magnetoencephalography (MEG)
A magnetoencephalogram (MEG) is similar to the EEG, but detects a change in a magnetic field caused by an active site in the brain as a feature quantity. Electrical signals are easy to get on noise, but magnetic fields are hard to get on.

そして、本実施形態では、被検体頭部の周りに該磁場を検出するセンサ(すなわち、ピックアップコイル)を配置して、該磁場の変化を特徴量を有する信号を生成して、該信号に含まれる磁場の変化をフィードフォワード成分とする。そして、前記実施形態のニューラルネットワーク16に該フィードフォワード成分と、フィードバック成分を入力ベクトルとして入力するようにする。   In this embodiment, a sensor (that is, a pickup coil) that detects the magnetic field is arranged around the subject's head, and a signal having a characteristic amount is generated from the change in the magnetic field and included in the signal. The change in the magnetic field is the feedforward component. Then, the feedforward component and the feedback component are input as input vectors to the neural network 16 of the embodiment.

前記(2)〜(4)での検出は、基本的には脳内の活動部位の分布を検出するものである。fMRIやNIRSは脳内の血流量の変化を、MEGは脳内磁場の分布を見ることができ、どの部位の神経細胞が活性化しているかを見ることができる。そのため、医学的な知見やあらかじめの計測において、手指の運動と、その際の脳内の活動部位との対応付けを行っておくものとする。   The detections in (2) to (4) basically detect the distribution of active sites in the brain. fMRI and NIRS can see changes in blood flow in the brain, and MEG can see the distribution of magnetic fields in the brain, and it can see which part of the nerve cell is activated. Therefore, in medical knowledge and pre-measurement, it is assumed that the finger movement is associated with the active site in the brain at that time.

○ 他の変形例として、下記のようにしてもよい。
関節は、筋肉の収縮により腱が移動し張力が発生することで駆動する。そのため、筋肉の収縮に伴う力こぶ等も、手指関節角度の推定に有効に利用できる。
○ As another modification, the following may be used.
The joint is driven by the movement of the tendon caused by the contraction of the muscle and the generation of tension. Therefore, a bicep or the like accompanying muscle contraction can be effectively used for estimation of the finger joint angle.

(1) 腱の移動
手首の内側を見ながら指を動かすと、動かす関節によって異なる腱が移動している様子が伺える。腱の移動と関節の屈曲は直接的な関係があるため、腱の移動量から関節の回転角度を推定することが可能である。
(1) Movement of tendon If you move your finger while looking inside the wrist, you can see how different tendons are moving depending on the joint to be moved. Since the movement of the tendon and the bending of the joint are directly related, it is possible to estimate the rotation angle of the joint from the amount of movement of the tendon.

このように、腱の移動を検出するために、すなわち、生体信号を得るために、2次元平面の圧力分布を検出するセンサ、例えば、分布型圧力センサを用いることができる。或いは、ビデオカメラを用いて、腱の移動を撮像し、該腱の移動に伴う影などの変化情報を含む画像信号を生体信号として取得する。   Thus, in order to detect the movement of the tendon, that is, to obtain a biological signal, a sensor that detects a pressure distribution in a two-dimensional plane, for example, a distributed pressure sensor can be used. Alternatively, using a video camera, the movement of the tendon is imaged, and an image signal including change information such as a shadow accompanying the movement of the tendon is acquired as a biological signal.

ここで、前記分布型圧力センサの検出信号により腱の移動の変化を特徴量としてもよい。この場合、前記特徴量を有する検出信号をフィードフォワード成分とする。そして、前記実施形態のニューラルネットワーク16に該フィードフォワード成分と、フィードバック成分を入力ベクトルとして入力するようにする。   Here, a change in tendon movement may be used as a feature amount based on a detection signal of the distributed pressure sensor. In this case, the detection signal having the feature amount is used as a feedforward component. Then, the feedforward component and the feedback component are input as input vectors to the neural network 16 of the embodiment.

或いはビデオカメラが撮像した画像信号において、腱が移動したことを腱の移動を撮像した画像フレームの差分をとることにより、その変化を特徴量として得るようにしてもよい。この場合、前記変化がある部分を特徴量を有した画像信号が生体信号となる。そして、同様に、この場合、前記特徴量を有する生体信号をフィードフォワード成分とする。そして、前記実施形態のニューラルネットワーク16に該フィードフォワード成分と、フィードバック成分を入力ベクトルとして入力するようにする。   Alternatively, in the image signal imaged by the video camera, the change of the tendon may be obtained as a feature amount by taking the difference between the image frames obtained by imaging the movement of the tendon. In this case, an image signal having a feature amount in the portion with the change becomes a biological signal. Similarly, in this case, the biological signal having the feature amount is used as a feedforward component. Then, the feedforward component and the feedback component are input as input vectors to the neural network 16 of the embodiment.

(2)筋肉のふくらみ
腱の移動と筋肉の膨らみも密接な関係があるため、筋肉の膨らみもビデオカメラを使用して、手指関節の変化に応じた膨らみの変化を含む画像信号を生体信号として取得し、手指関節角度の推定に使用する。この場合、ビデオカメラが撮像した画像信号において、筋肉の膨らみの変化を撮像した画像フレームの差分をとることにより、その変化を特徴量として得るようにしてもよい。この場合、前記変化がある部分を特徴量を有した画像信号が生体信号となる。そして、同様に、この場合、前記特徴量を有する生体信号をフィードフォワード成分とする。そして、前記実施形態のニューラルネットワーク16に該フィードフォワード成分と、フィードバック成分を入力ベクトルとして入力するようにする。
(2) Muscular bulging Since tendon movement and muscular bulge are closely related, muscular bulge also uses a video camera, and an image signal containing bulge changes corresponding to changes in the finger joints is used as a biological signal. Acquired and used to estimate the finger joint angle. In this case, in the image signal imaged by the video camera, the change may be obtained as a feature amount by taking a difference between image frames obtained by imaging the change in the bulge of the muscle. In this case, an image signal having a feature amount in the portion with the change becomes a biological signal. Similarly, in this case, the biological signal having the feature amount is used as a feedforward component. Then, the feedforward component and the feedback component are input as input vectors to the neural network 16 of the embodiment.

(3)神経信号
神経は微弱な電気信号を伝える。sEMGを発生させる信号も電気信号であるため、指関節を変化させたときの脳から筋肉細胞まで伝わる信号を検出すれば、生体信号として有用な信号となる。具体的には、運動神経に端子を装着することにより、神経信号を検出することができる。神経を伝わる信号は、連続的なアナログ信号よりは、離散的なデジタル信号に近い。前腕部の筋群を支配する複数の神経を伝わる信号を計測し、どこの神経が、どれだけの時間信号を伝えたかを計測することにより、運動を反映しうる生体信号になる。そして、指関節の動きによって脳から、当該指の筋肉細胞までに伝わる神経信号を検出した信号において、その神経信号の変化が特徴量となる。
(3) Neural signal The nerve transmits a weak electric signal. Since the signal for generating sEMG is also an electric signal, if a signal transmitted from the brain to the muscle cell when the finger joint is changed is detected, it becomes a useful signal as a biological signal. Specifically, a nerve signal can be detected by attaching a terminal to the motor nerve. A signal transmitted through a nerve is closer to a discrete digital signal than a continuous analog signal. By measuring signals transmitted through a plurality of nerves that control the muscle group of the forearm, and measuring how much time signals are transmitted by which nerves, a biological signal that can reflect movement is obtained. And in the signal which detected the nerve signal transmitted from the brain to the muscle cell of the said finger | toe by the motion of a finger joint, the change of the nerve signal becomes a feature-value.

この場合、前記特徴量を有する生体信号をフィードフォワード成分とする。そして、前記実施形態のニューラルネットワーク16に該フィードフォワード成分と、フィードバック成分を入力ベクトルとして入力するようにする。   In this case, a biological signal having the feature amount is used as a feedforward component. Then, the feedforward component and the feedback component are input as input vectors to the neural network 16 of the embodiment.

○ 前記実施形態では、手指関節角度を推定するようにしたが、手指関節角度に限定されるものではなく、足指関節角度を推定することも勿論可能である。
○ 前記実施形態では、ニューラルネットワーク16として、3層パーセプトロンニューラルネットワークにより構成したが、3層以上のパーセプトロンニューラルネットワークにより構成してもよい。又、ニューラルネットワーク16はパーセプトロンに限定されるものではなく、他のニューラルネットワークにより構成してもよい。
In the above-described embodiment, the finger joint angle is estimated. However, the present invention is not limited to the finger joint angle, and it is of course possible to estimate the toe joint angle.
In the above embodiment, the neural network 16 is configured by a three-layer perceptron neural network, but may be configured by a three-layer perceptron neural network. Further, the neural network 16 is not limited to a perceptron, and may be constituted by other neural networks.

○ 前記実施形態では、1本の指が3つの関節を有しているため、これらの関節の屈曲角度(指関節角度)と、さらに、内外転の角度(指関節角度)を検出するために、すなわち、各関節角度を推定するためにニューラルネットワーク16の出力層16cのユニットを20個としたが、推定に必要な関節角度に応じて、出力層16cのユニットの数を減らしてもよい。   ○ In the above embodiment, since one finger has three joints, in order to detect the bending angle (finger joint angle) of these joints, and further the angle of inner and outer rotation (finger joint angle) That is, in order to estimate each joint angle, the number of units of the output layer 16c of the neural network 16 is 20. However, the number of units of the output layer 16c may be reduced according to the joint angle required for estimation.

又、5本指の各関節角度の他に、手首関節等の他の関節角度を推定するために、逆に出力層16cのユニットの数を増加させてもよい。
○ 前記実施形態では、複数の生体信号(表面筋電信号)を取得するようにしたが、単数の表面筋電信号としてもよい。
Further, in order to estimate other joint angles such as wrist joints in addition to the joint angles of the five fingers, the number of units of the output layer 16c may be increased.
In the above embodiment, a plurality of biological signals (surface myoelectric signals) are acquired, but a single surface myoelectric signal may be used.

○ 前記実施形態では、単数種類の生体信号、すなわち、表面筋電信号を使用するようにしたが、上記各種の生体信号を複数種類組み合わせて使用することも可能である。   In the above-described embodiment, a single type of biological signal, that is, a surface myoelectric signal is used, but a plurality of types of the above-described various types of biological signals can be used in combination.

本発明を具体化した一実施形態の手指関節角度推定装置の概略ブロック図。1 is a schematic block diagram of a finger joint angle estimation device according to an embodiment that embodies the present invention. 推定部のニューラルネットワークの構造の説明図。Explanatory drawing of the structure of the neural network of an estimation part. (a)〜(c)は、フィードフォワード成分Aの説明図。(A)-(c) is explanatory drawing of the feedforward component A. FIG. (a)〜(c)は、フィードバック成分Bの説明図。(A)-(c) is explanatory drawing of the feedback component B. FIG. 入力ベクトルの説明図。Explanatory drawing of an input vector. A/D変換されたチャンネル信号のチャート。The chart of the channel signal after A / D conversion. 全波整流処理されたチャンネル信号のチャート。A chart of channel signals subjected to full-wave rectification. 平滑処理されたチャンネル信号のチャート。The chart of the smoothed channel signal. (a)は図8と同じチャンネル信号のチャート、(b)は積分処理されたチャンネル信号のチャート。(A) is the same channel signal chart as in FIG. 8, and (b) is a channel signal chart after integration processing. 正規化処理されたチャンネル信号のチャート。Chart of normalized channel signal. (a)は人指し指の内外転をデータグローブで検出測定した指関節角度のチャートと手指関節角度推定装置により推定した指関節角度のチャート、(b)は人指し指の第1関節の角度をデータグローブで検出測定した指関節角度のチャートと手指関節角度推定装置により推定した指関節角度のチャート、(c)は人指し指の第2関節の角度をデータグローブで検出測定した指関節角度のチャートと手指関節角度推定装置により推定した指関節角度のチャート、(d)は人指し指の第3関節の角度をデータグローブで検出測定した指関節角度のチャートと手指関節角度推定装置により推定した指関節角度のチャート。(A) is a chart of a finger joint angle obtained by detecting and measuring the inversion of the index finger with a data glove, and a chart of a finger joint angle estimated by the finger joint angle estimation device. Chart of detected finger joint angle and chart of finger joint angle estimated by finger joint angle estimation device, (c) shows chart of finger joint angle and finger joint angle obtained by detecting and measuring second joint angle of index finger with data glove. The chart of the finger joint angle estimated by the estimation apparatus, (d) is a chart of the finger joint angle obtained by detecting and measuring the angle of the third joint of the index finger with the data glove and the chart of the finger joint angle estimated by the finger joint angle estimation apparatus. 表面筋電信号をフーリエ変換した後のパワースペクトルのチャート。The chart of the power spectrum after carrying out the Fourier transform of the surface myoelectric signal. 比較例のニューラルネットワーク16の出力をフィードバック成分としない場合の概念図。The conceptual diagram when not using the output of the neural network 16 of a comparative example as a feedback component. (a)は比較例における人指し指の内外転をデータグローブで検出測定した指関節角度のチャートと手指関節角度推定装置により推定した指関節角度のチャート、(b)は比較例における人指し指の第1関節の角度をデータグローブで検出測定した指関節角度のチャートと手指関節角度推定装置により推定した指関節角度のチャート。(A) is a chart of the finger joint angle obtained by detecting and measuring the inversion / inversion of the index finger in the comparative example with a data glove and a chart of the finger joint angle estimated by the finger joint angle estimation device, and (b) is the first joint of the index finger in the comparative example. The chart of the finger joint angle estimated by the finger joint angle estimation device and the chart of the finger joint angle detected and measured by the data glove.

符号の説明Explanation of symbols

10…手指関節角度推定装置(指関節角度推定装置)、
12…整流処理部、13…平滑処理部、14…積分処理部、
15…正規化処理部(平滑処理部13、積分処理部14とともに特徴量抽出手段を構成する)、
16…ニューラルネットワーク(ニューラルネットワーク手段)、
17…変換処理部、20…電極、30…出力装置。
10: Finger joint angle estimation device (finger joint angle estimation device),
12 ... Rectification processing unit, 13 ... Smoothing processing unit, 14 ... Integration processing unit,
15... Normalization processing unit (which constitutes a feature quantity extracting means together with the smoothing processing unit 13 and the integration processing unit 14),
16. Neural network (neural network means),
17 ... Conversion processing unit, 20 ... Electrode, 30 ... Output device.

Claims (12)

各指関節が動いているときの単数又は複数種類の生体信号を入力して、各生体信号の特徴量を抽出し、抽出した該特徴量を一次元に並べて特徴量ベクトルとする特徴量抽出手段と、
演算周期毎に入力ベクトルに基づいて、各指関節の角度(以下、指関節角度という)の推定を行い、推定した前記各指関節角度を出力ベクトルとして出力するニューラルネットワーク手段とを含み、
前記入力ベクトルは、前記特徴量抽出手段が抽出した過去から現在までの時系列の特徴量ベクトルを一次元に並べたフィードフォワード成分と、出力のフィードバック成分で構成され、
前記フィードバック成分は、前記ニューラルネットワーク手段が、前記演算周期毎に現在まで推定していた時系列の前記出力ベクトルで構成されていることを特徴とする指関節角度推定装置。
Feature quantity extraction means for inputting one or a plurality of types of biological signals when each finger joint is moving, extracting the feature quantity of each biological signal, and arranging the extracted feature quantities in a one-dimensional manner as a feature quantity vector When,
Neural network means for estimating an angle of each finger joint (hereinafter referred to as a finger joint angle) based on an input vector for each calculation cycle, and outputting the estimated finger joint angle as an output vector;
The input vector is composed of a feedforward component in which time-series feature amount vectors from the past to the present extracted by the feature amount extraction unit are arranged one-dimensionally, and an output feedback component,
The finger joint angle estimation device according to claim 1, wherein the feedback component is composed of the time-series output vectors that the neural network means has estimated to the present for each calculation cycle.
前記生体信号は、表面筋電信号であることを特徴とする請求項1に記載の指関節角度推定装置。   The finger joint angle estimation apparatus according to claim 1, wherein the biological signal is a surface myoelectric signal. 前記特徴量抽出手段は、前記表面筋電信号に対して積分区間を演算周期毎にずらして積分し、積分して得られた積分値を特徴量として抽出するものである請求項2に記載の指関節角度推定装置。   3. The feature amount extraction unit is configured to integrate the surface myoelectric signal by shifting an integration interval for each calculation cycle, and extract an integration value obtained by the integration as a feature amount. Finger joint angle estimation device. 前記特徴量抽出手段は、前記表面筋電信号のパワースペクトルの所定のバンド幅毎の区間和を特徴量として抽出するものである請求項2に記載の指関節角度推定装置。   The finger joint angle estimation apparatus according to claim 2, wherein the feature amount extraction unit extracts a section sum for each predetermined bandwidth of the power spectrum of the surface myoelectric signal as a feature amount. 前記特徴量抽出手段は、前記表面筋電信号のパワースペクトルの平均周波数又は中央周波数を特徴量として抽出するものである請求項2に記載の指関節角度推定装置。   The finger joint angle estimation device according to claim 2, wherein the feature amount extraction unit extracts an average frequency or a center frequency of a power spectrum of the surface myoelectric signal as a feature amount. 前記生体信号は、脳波であり、
前記特徴量抽出手段は、前記脳波のα波及びβ波の少なくともいずれか1つの波の増減変化による事象関連同期化、及び事象関連脱同期化を特徴量として抽出するものである請求項1に記載の指関節角度推定装置。
The biological signal is an electroencephalogram,
2. The feature amount extraction unit extracts event-related synchronization and event-related desynchronization due to increase / decrease change of at least one of the α wave and β wave of the electroencephalogram as feature amounts. The described finger joint angle estimation device.
前記生体信号は、脳部位のMRI信号であり、
前記特徴量抽出手段は、運動を司る部位における血流中の還元ヘモグロビンの変化から活性化している場所を特徴量として抽出するものである請求項1に記載の指関節角度推定装置。
The biological signal is an MRI signal of a brain region,
The finger joint angle estimation device according to claim 1, wherein the feature amount extraction unit extracts a location activated from a change in reduced hemoglobin in the bloodstream in a region that controls exercise as a feature amount.
前記生体信号は、頭部又は指関節に関係する筋肉を透過させた近赤外光を検出した信号であり、
前記特徴量抽出手段は、頭部又は指関節に関係する筋肉組織を流れている血液中のヘモグロビン酸素化状態の変化を特徴量として抽出するものである請求項1に記載の指関節角度推定装置。
The biological signal is a signal obtained by detecting near-infrared light transmitted through muscles related to the head or finger joints,
The finger joint angle estimation device according to claim 1, wherein the feature amount extraction unit extracts, as a feature amount, a change in a hemoglobin oxygenation state in blood flowing through a muscle tissue related to a head or a finger joint. .
前記生体信号は、脳磁図であり、
前記特徴量抽出手段は、前記脳磁図の磁場の変化を特徴量として抽出するものである請求項1に記載の指関節角度推定装置。
The biological signal is a magnetoencephalogram,
The finger joint angle estimation apparatus according to claim 1, wherein the feature amount extraction unit extracts a change in the magnetic field of the magnetoencephalogram as a feature amount.
前記生体信号は、指関節の動きによって腱が移動するのを捉えた信号であり、
前記特徴量抽出手段は、前記腱の移動の変化を特徴量として抽出するものである請求項1に記載の指関節角度推定装置。
The biological signal is a signal that captures the movement of a tendon by the movement of a finger joint,
The finger joint angle estimation apparatus according to claim 1, wherein the feature amount extraction unit extracts a change in movement of the tendon as a feature amount.
前記生体信号は、指関節の動きによって筋肉の膨らみが変化するのを捉えた信号であり、
前記特徴量抽出手段は、前記筋肉の膨らみの変化を特徴量として抽出するものである請求項1に記載の指関節角度推定装置。
The biological signal is a signal that captures a change in muscle bulge caused by movement of a finger joint,
The finger joint angle estimation device according to claim 1, wherein the feature amount extraction unit extracts a change in the bulge of the muscle as a feature amount.
前記生体信号は、指関節の動きによって脳から、当該指の筋肉細胞までに伝わる神経信号を検出する信号であり、
前記特徴量抽出手段は、前記指関節の動きに応じて変化する神経信号の変化を特徴量として抽出するものである請求項1に記載の指関節角度推定装置。
The biological signal is a signal for detecting a nerve signal transmitted from the brain to a muscle cell of the finger by movement of a finger joint,
The finger joint angle estimation apparatus according to claim 1, wherein the feature amount extraction unit extracts a change in a nerve signal that changes according to the movement of the finger joint as a feature amount.
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