JP4661115B2 - Signal processing apparatus, signal processing method, and mechanical apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、生体表面から生体電気信号を取得する信号処理装置及び信号処理方法、並びに機械装置に関し、特に随意運動に起因する生体電気信号を取得して特徴量を抽出する信号処理装置及び信号処理方法、並びに生体の随意運動に起因する生体電気信号から抽出される信号に基づいて制御される機械装置に関する。 The present invention relates to a signal processing apparatus and signal processing method for acquiring a bioelectric signal from a living body surface, and a mechanical apparatus, and more particularly to a signal processing apparatus and signal processing for acquiring a bioelectric signal resulting from voluntary movement and extracting a feature quantity. The present invention relates to a method and a mechanical device controlled based on a signal extracted from a bioelectric signal resulting from voluntary movement of the living body.
生体表面に電極を貼り付けることで非侵襲に計測可能な生体電気信号のうち、随意動作を反映する信号として筋電位や眼電位があげられる。特に、筋電位の波形パターンを義手(ロボットハンド)などの医療器具の制御用信号として応用する試みが古くから行われている。また、近年では、医療用途に限らず、情報機器等の入力デバイスとしての応用も検討されている(特許文献1、特許文献2参照)。筋電位信号に含まれる情報には、検出した筋電位を増幅、フィルタリングして得られる筋電図(EMG;Electro Myo-Gram)、EMGを整流、平滑化して得られる積分筋電図(IEMG;Integrated Electro Myo-Gram)、EMGの周波数成分等がある。また、EMG及びIEMGの周波数成分は、センサの接触抵抗やノイズの影響に弱く検出誤差が大きくなってしまうため、空間的な筋電位分布又は空間的な筋電位分布の時間変化を利用することにより、身体動作又は身体動作に関連付けられた制御対象への制御信号の識別精度を向上する技術が開示されている(特許文献2参照)。 Among bioelectric signals that can be measured non-invasively by attaching electrodes to the surface of the living body, myoelectric potential and ocular potential are examples of signals that reflect voluntary actions. In particular, attempts have been made for a long time to apply a myoelectric potential waveform pattern as a control signal for a medical instrument such as a prosthetic hand (robot hand). In recent years, not only medical applications but also applications as information devices and other input devices have been studied (see Patent Document 1 and Patent Document 2). Information contained in the myoelectric signal includes an electromyogram (EMG) obtained by amplifying and filtering the detected myoelectric potential, and an integrated electromyogram (IEMG) obtained by rectifying and smoothing the EMG. Integrated Electro Myo-Gram) and EMG frequency components. Further, the frequency components of EMG and IEMG are weak to the influence of sensor contact resistance and noise, and the detection error becomes large. Therefore, by utilizing the temporal change of spatial myoelectric potential distribution or spatial myoelectric potential distribution, A technique for improving the identification accuracy of a control signal to a control object associated with body motion or body motion is disclosed (see Patent Document 2).
特許文献1に記載された技術は、筋電信号として検出された身体各部の動作と力に基づいて制御対象を制御する技術であって、指の動作と手を握る力との組合せに複雑な命令を割り当てることで、キーボード操作を熟知していないユーザであってもキーボードによらず制御対象を制御することができる。また、特許文献2には、筋電位信号を検出し位置情報に変換してカーソルを表示するポインティングデバイスが示されている。 The technique described in Patent Document 1 is a technique for controlling a control target based on the motion and force of each part of the body detected as a myoelectric signal, and is complicated in the combination of finger motion and hand gripping force. By assigning the command, even a user who is not familiar with the keyboard operation can control the controlled object regardless of the keyboard. Patent Document 2 discloses a pointing device that detects a myoelectric potential signal, converts it into position information, and displays a cursor.
ところが、生体表面の電極で計測される筋電位(表面筋電位)は、複数の運動単位による活動電位の重ね合わせとして検出され、単一の筋のみならず複数の筋の活動電位が複合して検出される。筋電位の波形は、電極の取付位置によっても大きく変化し、神経支配帯を挟んで筋繊維に沿う方向に電極を装着する双極導出では、干渉によって筋電位成分が減衰することも知られている。このため、皮膚表面による筋電位測定は、同一個人を対象にした計測においても一般的に波形の再現性が悪いことが問題になっている。筋肉の走行や神経支配帯の位置には個人差があるため、不特定者の身体動作と筋電位波形を対応付けることは、より困難である。また、特許文献2の技術などでは、ユーザは正確な検出をするための身体動作を訓練する必要があるなど、被験者の負担も大きかった。 However, the myoelectric potential (surface myoelectric potential) measured by electrodes on the surface of a living body is detected as a superposition of action potentials by a plurality of motor units, and the action potentials of not only a single muscle but also a plurality of muscles are combined. Detected. It is also known that the myoelectric potential waveform varies greatly depending on the electrode mounting position, and in the bipolar derivation in which the electrode is attached in the direction along the muscle fiber across the innervation zone, the myoelectric potential component is attenuated by interference. . For this reason, the myoelectric potential measurement using the skin surface has a problem that the reproducibility of the waveform is generally poor even in the measurement for the same individual. Since there are individual differences in the muscle running and the position of the innervation zone, it is more difficult to associate the body movement of the unspecified person with the myoelectric potential waveform. Further, in the technique of Patent Document 2, the burden on the subject is heavy, such as the user needs to train physical movements for accurate detection.
そのうえ、生体表面に電極を貼付する方式で生体電気信号を計測する場合、シールドルームなどのように特殊な環境を除けば、商用電源をはじめとする外来ノイズの混入も避けられず、発汗による皮膚抵抗の変化、電極の皮膚への密着度の変動による接触抵抗の変化などに由来するノイズが混入することがある。 In addition, when measuring bioelectric signals by attaching electrodes to the surface of a living body, excluding special noise such as a shielded room, it is inevitable that external noise such as commercial power will be mixed, and skin caused by perspiration Noise derived from a change in resistance or a change in contact resistance due to a change in the degree of adhesion of the electrode to the skin may be mixed.
このように、EMG及びIEMGの周波数成分は、測定部位の動き方の個人差、センサの接触抵抗変化、ノイズの影響等に弱く検出誤差がその都度大きくなってしまうという問題点を有している。検出誤差は、筋電位信号の識別に影響を与えるため、筋電位信号を制御対象の制御用信号として使用するためには、筋電位信号の識別率を向上させることが重要である。 Thus, the frequency components of EMG and IEMG are vulnerable to individual differences in the movement of the measurement site, changes in the contact resistance of the sensor, the influence of noise, etc., and the detection error increases each time. . Since the detection error affects the identification of the myoelectric potential signal, in order to use the myoelectric potential signal as a control signal to be controlled, it is important to improve the identification rate of the myoelectric potential signal.
特許文献3に記載された技術は、筋電位信号の識別率を向上させる目的でなされたものであるが、予め決められた基準パターン(基準となる筋電位分布)に対応付けされた制御信号を出力するためには、複数の筋電位検出センサのセンサ結果から計算された空間的な筋電位分布と基準パターンとの相関を計算する必要がある。 The technique described in Patent Document 3 was made for the purpose of improving the recognition rate of the myoelectric potential signal. However, a control signal associated with a predetermined reference pattern (reference myoelectric potential distribution) is obtained. In order to output, it is necessary to calculate the correlation between the spatial myoelectric potential distribution calculated from the sensor results of the plurality of myoelectric potential detection sensors and the reference pattern.
ほかに筋電位波形の周波数分布の違いを識別したり、筋電位の振幅パターンを識別したりして筋肉の動きと筋電位波形とをマッチングする方法があるが、何れの手法においても波形の再現性の悪さが認識率の悪化につながっている。 There are other methods to match the muscle movement to the myoelectric waveform by identifying the difference in the frequency distribution of the myoelectric waveform or identifying the amplitude pattern of the myoelectric potential. Poor sex has led to a worsening of recognition rate.
そこで、本発明は、随意運動に起因する生体電気信号波形から2値パルス信号を生成しパルス幅又はパルスパターンを識別することができる信号処理装置及び信号処理方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a signal processing apparatus and a signal processing method that can generate a binary pulse signal from a bioelectric signal waveform resulting from voluntary movement and identify a pulse width or a pulse pattern.
上述した目的を達成するために、本発明に係る信号処理装置は、随意運動に起因する生体電気信号を取得する生体電気信号取得手段と、生体電気信号取得手段において取得された生体電気信号を平滑化する平滑化手段と、生体電気信号の振幅の閾値を保持する閾値保持手段と、閾値保持手段に保持された振幅の閾値と生体電気信号取得手段において取得された生体電気信号の振幅とを比較する比較手段と、平滑化手段において平滑化された生体電気信号のうち、比較手段における比較結果から閾値を超える振幅を有する生体電気信号が連続する期間を1パルス信号として抽出するパルス信号生成手段と、パルス信号生成手段において生成されたパルス信号を出力するパルス信号出力手段と、パルス信号生成手段によって生成されたパルス信号の立ち上がり時刻と立ち下がり時刻の差をパルス幅として検出すると共に、パルス信号生成手段によって生成されたパルス信号の隣接するパルスのパルス間隔を検出するパルスパターン検出手段とを備える。本発明に係る信号処理装置は、生体電気信号そのものの特徴を抽出するのではないため、生体電気信号波形の再現性が認識率に大きく左右されない。 In order to achieve the above-described object, a signal processing apparatus according to the present invention includes a bioelectric signal acquisition unit that acquires a bioelectric signal resulting from voluntary movement, and a bioelectric signal acquired by the bioelectric signal acquisition unit. The smoothing means to be converted, the threshold holding means for holding the threshold of the amplitude of the bioelectric signal, and the amplitude threshold held in the threshold holding means and the amplitude of the bioelectric signal acquired in the bioelectric signal acquiring means Comparing means, and pulse signal generating means for extracting, as one pulse signal, a period of continuous bioelectric signals having an amplitude exceeding a threshold value from the comparison result in the comparing means among the bioelectric signals smoothed by the smoothing means , and the pulse signal output means for outputting a pulse signal generated in the pulse signal generating means, the pulse signal generated by the pulse signal generating means The difference between the rise time and the fall time and detects the pulse width, Ru and a pulse pattern detecting means for detecting a pulse interval between adjacent pulses of the pulse signal generated by the pulse signal generating means. Since the signal processing apparatus according to the present invention does not extract the characteristics of the bioelectric signal itself, the reproducibility of the bioelectric signal waveform is not greatly affected by the recognition rate.
また、本発明に係る信号処理装置は、生体電気信号の振幅の閾値を保持する閾値保持手段と、閾値保持手段に保持された振幅の閾値と生体電気信号取得手段において取得された生体電気信号とを比較する比較手段とを備えてもよい。この場合、パルス信号生成手段では比較手段における比較結果から閾値を超える振幅を有する生体電気信号が連続する期間を1パルス信号として抽出する。 The signal processing apparatus according to the present invention includes a threshold value holding unit that holds a threshold value of the amplitude of the bioelectric signal, a threshold value of the amplitude held in the threshold value holding unit, and the bioelectric signal acquired by the bioelectric signal acquisition unit. And a comparison means for comparing. In this case, the pulse signal generating means extracts a period in which bioelectric signals having an amplitude exceeding the threshold value from the comparison result in the comparing means as one pulse signal.
生体電気信号の閾値を設定する閾値設定手段を備えてもよい。この場合、比較手段は、閾値設定手段において設定された振幅の閾値と生体電気信号取得手段において取得された生体電気信号とを比較し、パルス信号生成手段では比較手段における比較結果から閾値を超える振幅を有する生体電気信号が連続する期間を1パルス信号として抽出する。 You may provide the threshold value setting means which sets the threshold value of a bioelectric signal. In this case, the comparison means compares the amplitude threshold set by the threshold setting means with the bioelectric signal acquired by the bioelectric signal acquisition means, and the pulse signal generation means causes the amplitude exceeding the threshold from the comparison result of the comparison means. A period in which a bioelectric signal having a signal is continuous is extracted as one pulse signal.
また、パルス信号生成手段によって生成されたパルス信号の立ち上がり時刻と立ち下がり時刻の差をパルス幅として検出するパルス幅検出手段を設けることにより、生体電気信号から生成されたパルス信号のパルス幅が検出でき、パルス信号の組合せに対して複数の制御信号を割り当てることができる。 In addition, the pulse width of the pulse signal generated from the bioelectric signal is detected by providing pulse width detection means for detecting the difference between the rise time and the fall time of the pulse signal generated by the pulse signal generation means as the pulse width. A plurality of control signals can be assigned to combinations of pulse signals.
パルス幅検出手段は、第1のパルス信号の立ち上がり時刻をT1、立ち下がり時刻T2、また第2のパルス信号の立ち上がり時刻をT3、立ち下がり時刻をT4とするとき、(T3−T1)、(T3−T2)、(T4−T1)、(T4−T2)の何れかによって、隣接するパルス信号間のパルス間隔を検出することができる。 When the rising time of the first pulse signal is T1, the falling time T2, the rising time of the second pulse signal is T3, and the falling time is T4, (T3-T1), A pulse interval between adjacent pulse signals can be detected by any one of (T3-T2), (T4-T1), and (T4-T2).
本発明に係る信号処理装置は、生体電気信号取得手段を複数個備えていてもよい。このとき、パルス信号生成手段は、複数の生体電気信号のそれぞれに対して閾値を超える振幅を有する生体電気信号が連続する期間を1パルス信号として抽出することにより、複数のパルス信号に対してより多くの制御信号を割り当てることができる。 The signal processing apparatus according to the present invention may include a plurality of bioelectric signal acquisition means. At this time, the pulse signal generation means extracts a period in which bioelectric signals having amplitudes exceeding a threshold for each of the plurality of bioelectric signals are continuous as one pulse signal, so that more than the plurality of pulse signals are obtained. Many control signals can be assigned.
上述した目的を達成するために、本発明に係る信号処理方法は、随意運動に起因する生体電気信号を取得する生体電気信号取得工程と、生体電気信号取得工程において取得された生体電気信号を平滑化する平滑化工程と、生体電気信号の振幅の閾値を保持する閾値保持手段に保持された振幅の閾値と生体電気信号取得工程にて取得された生体電気信号の振幅とを比較する比較工程と、平滑化工程において平滑化された生体電気信号のうち、比較工程での比較結果から閾値を超える振幅を有する生体電気信号が連続する期間を1パルス信号として抽出するパルス信号生成工程と、パルス信号生成工程において生成されたパルス信号を出力するパルス信号出力工程と、パルス信号生成工程にて生成されたパルス信号の立ち上がり時刻と立ち下がり時刻の差をパルス幅として検出すると共に、パルス信号生成工程にて生成されたパルス信号の隣接するパルスのパルス間隔を検出するパルスパターン検出工程とを有する。本発明に係る信号処理方法では、生体電気信号そのものの特徴を抽出するのではないため、生体電気信号波形の再現性が認識率に大きく左右されない。 In order to achieve the above-described object, a signal processing method according to the present invention includes a bioelectric signal acquisition step for acquiring a bioelectric signal resulting from voluntary movement, and a smoothing of the bioelectric signal acquired in the bioelectric signal acquisition step. And a comparison step for comparing the amplitude threshold held in the threshold holding means for holding the threshold of the amplitude of the bioelectric signal with the amplitude of the bioelectric signal acquired in the bioelectric signal acquisition step of the smoothed bioelectrical signal in the smoothing process, and the pulse signal generating step of extracting a period in which bioelectrical signal having an amplitude that exceeds the threshold value from the comparison result of the comparing step is continuous as a pulse signal, the pulse signal and the pulse signal output step of outputting a pulse signal generated in the generating step, rising time and falling of the pulse signal generated by pulse signal generation step It detects a difference in time as the pulse width, to have a pulse pattern detection step of detecting a pulse interval between adjacent pulses of the pulse signal generated by the pulse signal generation process. In the signal processing method according to the present invention, since the characteristics of the bioelectric signal itself are not extracted, the reproducibility of the bioelectric signal waveform is not greatly affected by the recognition rate.
また、本発明に係る機械装置は、使用者から入力される制御信号に基づいて動作が制御される機械装置において、随意運動に起因する生体電気信号を取得する生体電気信号取得手段と、生体電気信号取得手段において取得された生体電気信号を平滑化する平滑化手段と、生体電気信号の振幅の閾値を保持する閾値保持手段と、閾値保持手段に保持された振幅の閾値と生体電気信号取得手段において取得された生体電気信号の振幅とを比較する比較手段と、平滑化手段において平滑化された生体電気信号のうち、比較手段における比較結果から閾値を超える振幅を有する生体電気信号が連続する期間を1パルス信号として抽出するパルス信号生成手段と、パルス信号の信号パターンと制御信号とが対応付けられて記憶された記憶手段と、パルス信号生成手段において生成されたパルス信号を出力するパルス信号出力手段と、パルス信号生成手段によって生成されたパルス信号の立ち上がり時刻と立ち下がり時刻の差をパルス幅として検出すると共に、パルス信号生成手段によって生成されたパルス信号の隣接するパルスのパルス間隔を検出するパルスパターン検出手段と、パルスパターン検出手段から出力されたパルス信号パターンに対応する制御信号を記憶手段から選択して該制御信号に応じて動作を変更する制御を行う制御手段とを備える。 In addition, the mechanical device according to the present invention includes a bioelectric signal acquisition means for acquiring a bioelectric signal resulting from voluntary movement in a mechanical device whose operation is controlled based on a control signal input from a user, Smoothing means for smoothing the bioelectric signal acquired in the signal acquisition means, threshold holding means for holding the threshold of the amplitude of the bioelectric signal, threshold of amplitude held in the threshold holding means, and bioelectric signal acquisition means Comparison period for comparing the amplitude of the bioelectric signal acquired in step 1 and the bioelectric signal smoothed by the smoothing means are continuous periods of bioelectric signals having an amplitude exceeding a threshold value from the comparison result of the comparison means A pulse signal generation means for extracting a signal as a single pulse signal, a storage means for storing a signal pattern of the pulse signal and a control signal in association with each other, and a pulse And the pulse signal output means for outputting a pulse signal generated in the No. generation means, a difference between the rise time and the fall time of the pulse signal generated by the pulse signal generating means and detects a pulse width, the pulse signal generating means A pulse pattern detection means for detecting a pulse interval between adjacent pulses of the generated pulse signal, and a control signal corresponding to the pulse signal pattern output from the pulse pattern detection means is selected from the storage means, and the control signal is Ru and control means for performing control to change the operation.
本発明に係る信号処理装置及び信号処理方法によれば、生体電気信号波形からパルス信号を生成することにより生体電気信号から得られる信号の再現性が向上する。また、生体電気信号から生成したパルス信号に対して特定の制御信号を割り当てて機器の制御に適用する場合、パルス信号の再現性が向上することによって生体電気信号の認識率が向上する。したがって、パルス信号に割り当てられた適切な制御信号を選択することができる。これにより、新しいエンターテインメント用途、新たな技術的用途が創出できる。 According to the signal processing device and the signal processing method of the present invention, the reproducibility of the signal obtained from the bioelectric signal is improved by generating the pulse signal from the bioelectric signal waveform. Further, when a specific control signal is assigned to a pulse signal generated from a bioelectric signal and applied to device control, the recognition rate of the bioelectric signal is improved by improving the reproducibility of the pulse signal. Accordingly, an appropriate control signal assigned to the pulse signal can be selected. Thereby, a new entertainment use and a new technical use can be created.
本発明の具体例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の具体例として示す信号処理装置1は、随意運動に起因する生体電気信号を検出してパルス信号を生成する信号処理装置1である。随意運動に起因する生体電気信号には、筋電位、眼電位があるが、以下では、筋電位を検出対象とした例について説明する。 Specific examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. A signal processing apparatus 1 shown as a specific example of the present invention is a signal processing apparatus 1 that generates a pulse signal by detecting a bioelectric signal resulting from voluntary movement. Bioelectric signals resulting from voluntary movement include myoelectric potential and ocular potential. Hereinafter, an example in which myoelectric potential is a detection target will be described.
図1に示す信号処理装置1は、随意運動に起因する生体電気信号の1つである筋電位信号を検出する生体電気信号取得手段としての筋電位検出センサ11と、検出された筋電位信号を増幅する生体アンプ12と、増幅されたアナログの筋電位信号をデジタル信号へ変換するA/D変換回路13と、ノイズカットのためのハイパスフィルタ(High Pass Filter)14と、筋電位信号を整流する全波整流回路15と、筋電位検出センサ11にて検出された筋電位信号を平滑化する平滑化手段としてのローパスフィルタ(Low Pass Filter)16と、平滑化された筋電信号のうち閾値を超える振幅を有する筋電位信号が連続する期間を1パルス信号として抽出するパルス信号生成手段としてのパルス生成部17と、2値化されたパルス信号を出力する出力端子18とを備えている。
A signal processing apparatus 1 shown in FIG. 1 has a myoelectric
筋電位検出センサ11は、被験者(ユーザ)の皮膚表面に装着される皮膚表面電極であって、手、腕等の皮膚表面に装着され、被験者の身体動作によって生じる筋電位信号を検出する。検出された筋電位信号は、生体アンプ12に送られる。筋電位検出センサ11は、複数個の皮膚表面電極から構成されていてもよい。この場合、被験者の身体の複数箇所に装着すれば、複数種類の身体動作による筋電位信号を検出できる。筋電位信号は、筋肉細胞の活動によって変化し、検出される筋電位信号の振幅は、脂肪量、筋活動の強さに応じて異なる。
The myoelectric
生体アンプ12は、信号増幅器であって、筋電位検出センサ11からの筋電位信号を増幅している。筋電位検出センサ11によって検出される筋電位信号は、通常数十ミリボルト程度であるため、信号解析可能なレベルまで増幅する必要がある。生体アンプ12は、増幅した筋電位信号をA/D変換回路13に送出する。
The
A/D変換回路13は、生体アンプ12で増幅されたアナログの筋電位信号をデジタル信号に変換し、A/D変換した後の筋電位信号をハイパスフィルタ14に送出する。A/D変換回路13にてA/D変換された筋電位信号の波形を図2に示す。図2には、期間(横軸)に対する筋電位信号の振幅(縦軸)が表されている。図に表される波形が筋活動によって発生した筋肉の活動電位(筋電位)の変化を表している。縦軸に表される筋電位信号の振幅は、筋活動の強度を表している。代表的なものがAa、Ac、Ae、Afで示されている。また、Ta、Tb、Tc、Td、Te、Tf、Tgは、筋活動の期間を示している。図2には示されていないが、ある振幅を有する波形が一定期間継続されることもある。
The A /
ハイパスフィルタ14は、A/D変換回路13にてA/D変換された筋電位信号のDC成分のノイズを除去し、ノイズ除去した筋電位信号を全波整流回路15に送出する。全波整流回路15は、筋電位センサ11において検出された筋電位信号の絶対値をとり、ローパスフィルタ16に送出する。
The high-pass filter 14 removes noise of the DC component of the myoelectric potential signal A / D converted by the A /
ローパスフィルタ16は、整流された筋電位信号を平滑化する平滑化回路であって、全波整流回路15からの信号を平滑化しパルス生成部17に送出する。ローパスフィルタ16にて平滑化された筋電位信号の波形を図3に示す。図3に示されている筋電位波形は、図2に示した筋電位波形の絶対値をとって平滑化したものであり、筋活動の特徴がより明確に現れている。図2に期間Taに亘って検出された波形は図3の振幅ASaを極大とするピークSaに対応し、期間Tcの波形は振幅AScを極大とするピークScに対応し、期間Tgの波形は振幅ASgを極大とするピークSgに対応する。
The low-
パルス生成部17は、ローパスフィルタ16から平滑化された筋電位信号から所定の閾値を超える振幅が連続する期間を1パルス信号として抽出する。パルス生成部17の一例を図4に示す。パルス生成部17は、筋電位信号の振幅の閾値を保持しておく閾値メモリ171と、閾値メモリ171に保持された閾値と検出された筋電位信号の振幅値とを比較する比較器172とを備える。また、パルス生成部17は、比較器172における比較結果に応じてパルス信号を出力するパルス出力回路173を備えている。
The
なお、閾値は、固定の設定値とすることもできるし、閾値の設定が変更できるようになっていてもよい。この場合、パルス生成部17は、図5に示すように、閾値メモリ171に保持された閾値を変更する閾値設定手段としての制御部174を備え、比較器172が制御部174によって設定された振幅の閾値と検出された筋電位信号とを比較することができるようになっていてもよい。制御部174は、図示しない操作部を介してユーザによって行われる入力に応じて閾値を変更する制御を実行する。
The threshold value may be a fixed setting value, or the threshold value setting may be changed. In this case, as shown in FIG. 5, the
また、信号処理装置1が筋電位の試検出を行って、その後の本検出に使用する閾値を決定してもよい。閾値の設定手法は各種手法考えられるが、何れの手法を用いてもよい。筋電位信号の平滑化に用いるローパスフィルタ16の特性によっては、パルス幅が適切に検出されるように、閾値を最適化することが好ましい。
Further, the signal processing device 1 may perform trial detection of myoelectric potential and determine a threshold value used for the subsequent main detection. Various methods can be used for setting the threshold, but any method may be used. Depending on the characteristics of the low-
閾値を基準として筋電位信号から生成されるパルス信号を図6に示す。図6(a)には、ローパスフィルタ16で平滑化された筋電位信号が表されており、図6(b)には、パルス生成部17において生成されたパルス信号が表されている。図6では、パルス生成部17によって、振幅の閾値Athを超える極大をもつピークSaが期間Taをもつパルス信号Paに変換され、ピークScが期間Tcをもつパルス信号Pcに変換され、ピークSeが期間Teをもつパルス信号Peに変換され、ピークSfが期間Tfをもつパルス信号Pfに変換される。
FIG. 6 shows a pulse signal generated from the myoelectric potential signal with reference to the threshold value. 6A shows the myoelectric potential signal smoothed by the low-
筋電位信号をパルス信号に変換するには、上述のようにデジタル的に処理するほか、アナログフィルタ、積分回路、アナログコンパレータ等を用いて一部若しくは全てをアナログ回路で実現してもよい。 In order to convert a myoelectric potential signal into a pulse signal, in addition to digital processing as described above, a part or all of the signal may be realized by an analog circuit using an analog filter, an integration circuit, an analog comparator, or the like.
上述した構成を備える信号処理装置1では、筋電位検出センサ11で検出された筋電位信号は、生体アンプ12で増幅され、A/D変換回路13でアナログ信号からデジタル信号へと変換される。変換された筋電位信号は、ハイパスフィルタ14でDC成分のノイズを除去された後、絶対値がとられ、更にローパスフィルタ16において平滑化される。平滑化された筋電位信号は、パルス生成部17で2値のパルス信号に変換され、出力端子18より出力される。
In the signal processing apparatus 1 having the above-described configuration, the myoelectric potential signal detected by the myoelectric
信号処理装置1は、生体電気信号の1つである筋電位信号そのものの波形を抽出するのではなく、筋電位信号をパルス信号に変換しているため、筋電位信号をパルス信号として扱うことにより、パルス信号として出力される筋電位信号の再現性がパルス信号の認識率に左右されないという利点がある。 Since the signal processing device 1 does not extract the waveform of the myoelectric signal itself, which is one of the bioelectric signals, but converts the myoelectric signal into a pulse signal, the myoelectric signal is handled as a pulse signal. There is an advantage that the reproducibility of the myoelectric signal output as a pulse signal does not depend on the recognition rate of the pulse signal.
つづいて、上述した信号処理装置1を機械装置の制御信号を入力する構成に適用した例について図7を用いて説明する。ここでは、機械装置の一例としてコントローラと本体部とが無線通信により遠隔操作されるラジオコントロールカー(以下ラジコンカーと記す。)に適用する例に接続された玩具に適用する例について説明する。 Next, an example in which the signal processing device 1 described above is applied to a configuration for inputting a control signal of a mechanical device will be described with reference to FIG. Here, an example applied to a toy connected to an example applied to a radio control car (hereinafter referred to as a radio controlled car) in which a controller and a main body are remotely operated by wireless communication as an example of a mechanical device will be described.
ラジコンカー100は、コントローラ20と、本体部30とを備える。コントローラ20は、随意運動に起因する生体電気信号の1つである筋電位信号を検出する生体電気信号取得手段としての筋電位検出センサ21と、パルス検出部22と、検出されたパルスのパターンを識別するパルスパターン検出部23と、識別されたパルスパターンから制御コマンドに対応する制御信号を生成する制御信号生成部24と、制御信号を変調し本体部30へ送信する変調及び送信部25と、アンテナ26とを備えている。これらの構成は、コントローラ制御部27によって統括制御されている。コントローラ20は、筋電位検出センサを2つ備えたタイプであって、1つの筋電位検出センサで検出した筋電位信号からそれぞれ独立にパルス信号を得ることができる。そして、2個のセンサによって検出されるパルスの組合せに対して本体部30の制御コマンドが割り当てられている。図では、番号の後にa、bを付けることで2つのセンサに対応した構成を区別している。
The radio controlled
本体部30は、アンテナ31を介してコントローラ20から送られた電波を受信し、受信した電波から制御信号を復調する受信及び復調部32と、制御信号から制御コマンドを生成し、駆動部34を制御するための駆動制御信号を生成する制御信号生成部33と、動力となるモータ及び車輪の向きを変更するサーボ等を備える駆動部34とを備える。これらの構成は、本体制御部35によって統括制御されている。
The main body 30 receives the radio wave transmitted from the
コントローラ20では、筋電位検出センサ21とパルス検出部22が、上述した信号処理装置1に相当する。したがって、パルス検出部22は、検出された筋電位信号を増幅する生体アンプ12と、増幅されたアナログの筋電位信号をデジタル信号へ変換するA/D変換回路13と、ノイズカットのためのハイパスフィルタ14と、筋電位信号を整流する全波整流回路15と、筋電位検出センサ11にて検出された筋電位信号を平滑化するローパスフィルタ16と、平滑化された筋電信号のうち閾値を超える振幅を有する筋電位信号が連続する期間を1パルス信号として抽出するパルス生成部17と、2値化されたパルス信号を出力する出力端子18とを備えている。
In the
パルスパターン検出部23は、パルス検出部22において生成されたパルス信号の立ち上がり時刻と立ち下がり時刻との差をパルス幅として検出し、隣接するパルス信号間のパルス間隔を検出することによって、パルス検出部22からのパルス信号の時系列パターンを検出している。
Pulse pattern detector 23, by the difference between the rise time and the fall time of the pulse signal generated in the
パルスパターンの検出方法の一例を図8及び図9に示す。パルスパターン検出部23は、図8(a)に示すように、一定時間Td以内に2つのパルスP1、P2が検出されたらパターンAとし、図8(b)に示すように、1つのパルスP1が検出されたらパターンBと分類する。また、図9(a)に示すように、パルス幅がTs以内の場合にはパターンCとし、パルス幅がTl以上の場合にはパターンDと分類する。パルス間隔は、例えば、第1のパルス信号P1の立ち上がり時刻をT1、立ち下がり時刻T2、また第2のパルス信号P2の立ち上がり時刻をT3、立ち下がり時刻をT4とするとき、(T3−T1)、(T3−T2)、(T4−T1)、(T4−T2)の何れかに基づいて検出する。 An example of a pulse pattern detection method is shown in FIGS. As shown in FIG. 8A, the pulse pattern detection unit 23 sets a pattern A when two pulses P1 and P2 are detected within a predetermined time Td, and generates one pulse P1 as shown in FIG. 8B. Is detected, it is classified as pattern B. Further, as shown in FIG. 9A, the pattern C is classified when the pulse width is within Ts, and the pattern D is classified when the pulse width is equal to or greater than Tl. For example, when the rising time of the first pulse signal P1 is T1, the falling time T2, the rising time of the second pulse signal P2 is T3, and the falling time is T4, (T3-T1) , (T3-T2), (T4-T1), and (T4-T2).
パルスパターン検出部23は、パルス幅とパルス間隔の双方を適宜組み合わせることで検出可能なパターンの種類を増やすことができる。本具体例では、このようなパルスパターン検出を2つの筋電位検出センサにより得られる信号に対して同時に行うため、割り当てられる制御コマンドの種類を増やすことができる。このとき、タイミングの微妙なずれによってユーザの意図に反した検出が行われるのを防ぐため、完全に同時でなくとも、ある時間幅範囲の中でパルス信号が出現すれば同時とみなすような処理を行うと、より実用的である。 The pulse pattern detection unit 23 can increase the types of patterns that can be detected by appropriately combining both the pulse width and the pulse interval. In this specific example, since such pulse pattern detection is simultaneously performed on signals obtained by the two myoelectric potential detection sensors, the types of control commands to be assigned can be increased. At this time, in order to prevent detection contrary to the user's intention due to subtle deviations in timing, processing that is regarded as simultaneous if a pulse signal appears within a certain time width range, even if it is not completely simultaneous Is more practical.
本例では具体的に、パルスパターン検出部23は、一定期間Tdを0.7秒とし、パルス幅0.3秒以内を1つのパルス信号のパルス幅として検出する。例えば、図10(a)に示すように、0.3秒未満の時間幅のパルスが0.7秒以内に2回続けて検出されたときにはパターンAとし、図10(b)に示すように、0.7秒以内に1回だけ0.3秒未満の時間幅のパルスが検出されたときにはパターンBとし、図10(c)に示すように、0.7秒以上の時間幅のパルスが検出されたときはパターンCとする。合計3種類のパルスパターンを用意し、この組合せを制御コマンドに対応させる。 Specifically, in this example, the pulse pattern detection unit 23 detects the fixed period Td as 0.7 seconds and a pulse width within 0.3 seconds as the pulse width of one pulse signal. For example, as shown in FIG. 10A, when a pulse having a time width of less than 0.3 seconds is detected twice within 0.7 seconds, pattern A is obtained, and as shown in FIG. When a pulse having a time width of less than 0.3 seconds is detected only once within 0.7 seconds, pattern B is used. As shown in FIG. 10C, a pulse having a time width of 0.7 seconds or more is detected. If detected, pattern C is assumed. A total of three types of pulse patterns are prepared, and this combination is made to correspond to the control command.
図11には、パルスパターンに対して割り当てるラジコンカーの動作のための制御コマンドの例が示されている。2つの筋電位検出センサ21a、21bから検出されたパルスの組合せを本体部を駆動させるためのコマンドに対応付けする。2つの筋電位検出センサ21a、21bからパルス信号が検出されると、まず停止コマンドを発行することとする。筋電位検出センサ21aで検出された筋電位から生成されたパルスパターンがパターンAのとき右後退とし、パターンBのとき右前進とし、筋電位検出センサ21bで検出された筋電位から生成されたパルスパターンがパターンAのとき左後退とし、パターンBのとき左前進とする。また、筋電位検出センサ21aで検出された筋電位から生成されたパルスパターンと筋電位検出センサ21bで検出された筋電位から生成されたパルスパターンとがともにパターンAのとき後退とし、ともにパターンBのとき前進とする。更に、筋電位検出センサ21aで検出された筋電位から生成されたパルスパターンと筋電位検出センサ21bで検出された筋電位から生成されたパルスパターンとがともにパターンCのときクラクションを鳴らすコマンドとする。図11にハイフンで表されたパルスパターンの組合せは本例では使用されないが、別の制御コマンドが割り当てられてもよい。
FIG. 11 shows an example of a control command for the operation of the radio controlled car assigned to the pulse pattern. A combination of pulses detected from the two myoelectric
制御信号生成部24は、上述したようにパルスパターンから制御コマンドに対応する制御信号を生成し、変調及び送信部25に送出する。変調及び送信部25は、制御信号を変調しアンテナ26を介して本体部30へ送信する。本体部30は、アンテナ31を介してコントローラ20から送られた電波を受信し、受信及び復調部32において、受信した電波から制御信号を復調する。制御信号生成部33は、制御信号から制御コマンドを生成し、駆動部34を制御するための駆動制御信号を生成し、駆動部34に送出する。駆動部34は、送られた制御信号に基づいてモータ又は車輪の向きを変更する。
The control
コントローラ20の2つの筋電位検出センサの電極の装着位置は任意であるが、例えば、筋電位検出センサ21aを右腕に、筋電位検出センサ21bを左腕に装着することで、腕の動きによるラジコンカー100の制御がハンドル操作の間隔に近づき、より直感的になる。また、それぞれ前腕部の浅指屈筋へセンサ電極を装着すれば、手指の屈曲に伴う筋電位が検出できるため、左右の手指の屈曲動作をするだけで、本体部30を操作することができる。
Although the mounting positions of the electrodes of the two myoelectric potential detection sensors of the
以上説明したように、信号処理装置1は、上述したように生体電気信号の1つである筋電位信号そのものの波形を抽出するのではなく、筋電位信号をパルス信号に変換し、パルス信号として扱うことにより、筋電位信号の再現性がパルス信号の認識率に左右されないという利点がある。したがって、信号処理装置1を適用したラジコンカー100は、ユーザにとってより直感的で分かり易い入力操作が可能となる。
As described above, the signal processing device 1 does not extract the waveform of the myoelectric potential signal itself, which is one of the bioelectric signals, as described above, but converts the myoelectric potential signal into a pulse signal and uses it as a pulse signal. By handling, there is an advantage that the reproducibility of the myoelectric potential signal does not depend on the recognition rate of the pulse signal. Therefore, the radio controlled
本発明は、電子機器の入力装置として適用することができる。随意運動に起因する生体電気信号波形から2値のパルス信号を生成することによって、ユーザに対して新しいエンターテインメント用途を提供するとともに、新たな技術的用途が創出できる。 The present invention can be applied as an input device of an electronic device. By generating a binary pulse signal from a bioelectric signal waveform caused by voluntary movement, a new entertainment application can be provided to the user and a new technical application can be created.
1 信号処理装置、 11 筋電位検出センサ、 12 生体アンプ、
13 A/D変換回路、 14 ハイパスフィルタ、 15 全波整流回路、
16 ローパスフィルタ、 17 パルス生成部、 18 出力端子、
20 コントローラ、 21 筋電位検出センサ、 22 パルス検出部、
23 パルスパターン検出部、 24 制御コマンド生成部、
25 変調及び送信部、 26 アンテナ、 27 コントローラ制御部、
30 本体部、 31 アンテナ、 32 受信及び復調部、
33 制御信号生成部、 34 駆動部、 35 本体制御部、
171 閾値メモリ、 172 比較器、 173 パルス出力回路、
174 制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Signal processing apparatus, 11 Myoelectric potential detection sensor, 12 Biological amplifier,
13 A / D conversion circuit, 14 High-pass filter, 15 Full-wave rectification circuit,
16 low-pass filter, 17 pulse generator, 18 output terminal,
20 controller, 21 myoelectric potential detection sensor, 22 pulse detection unit,
23 pulse pattern detection unit, 24 control command generation unit,
25 modulation and transmission unit, 26 antenna, 27 controller control unit,
30 body part, 31 antenna, 32 reception and demodulation part,
33 control signal generation unit, 34 drive unit, 35 main body control unit,
171 threshold memory, 172 comparator, 173 pulse output circuit,
174 Control unit
Claims (10)
上記生体電気信号取得手段において取得された生体電気信号を平滑化する平滑化手段と、
生体電気信号の振幅の閾値を保持する閾値保持手段と、
上記閾値保持手段に保持された振幅の閾値と上記生体電気信号取得手段において取得された生体電気信号の振幅とを比較する比較手段と、
上記平滑化手段において平滑化された生体電気信号のうち、上記比較手段における比較結果から上記閾値を超える振幅を有する生体電気信号が連続する期間を1パルス信号として抽出するパルス信号生成手段と、
上記パルス信号生成手段において生成されたパルス信号を出力するパルス信号出力手段と、
上記パルス信号生成手段によって生成されたパルス信号の立ち上がり時刻と立ち下がり時刻の差をパルス幅として検出すると共に、上記パルス信号生成手段によって生成されたパルス信号の隣接するパルスのパルス間隔を検出するパルスパターン検出手段と
を備える信号処理装置。 Bioelectric signal acquisition means for acquiring a bioelectric signal resulting from voluntary movement;
Smoothing means for smoothing the bioelectric signal acquired by the bioelectric signal acquiring means;
Threshold holding means for holding a threshold of the amplitude of the bioelectric signal;
Comparison means for comparing the amplitude threshold held in the threshold holding means and the amplitude of the bioelectric signal acquired in the bioelectric signal acquisition means;
Pulse signal generating means for extracting, as one pulse signal, a period of continuous bioelectric signals having an amplitude exceeding the threshold value from the comparison result in the comparing means among the bioelectric signals smoothed in the smoothing means;
Pulse signal output means for outputting the pulse signal generated in the pulse signal generation means ;
A pulse for detecting the difference between the rise time and the fall time of the pulse signal generated by the pulse signal generation means as a pulse width and detecting the pulse interval between adjacent pulses of the pulse signal generated by the pulse signal generation means signal processing device Ru and a pattern detection means.
上記パルスパターン検出手段は、上記パルス信号生成手段によって生成されたパルス信号のパルス幅が0.3秒以内のパルスが0.7秒の期間内に2回検出されたときをパターンAとし、パルス幅が0.3秒以内のパルスが0.7秒の期間内に1回検出されたときをパターンBとし、パルス幅が0.7秒以上のパルスが検出されたときをパターンCとして、パターンの種類を判別する請求項1又は2記載の信号処理装置。 The bioelectric signal is a myoelectric signal,
The pulse pattern detection means uses a pattern A when a pulse having a pulse width of 0.3 seconds or less generated by the pulse signal generation means is detected twice within a period of 0.7 seconds. Pattern B is when a pulse with a width within 0.3 seconds is detected once within a period of 0.7 seconds, and pattern C is when a pulse with a pulse width of 0.7 seconds or more is detected the signal processing apparatus according to claim 1 or 2, wherein to determine the type.
上記生体電気信号取得工程において取得された生体電気信号を平滑化する平滑化工程と、
生体電気信号の振幅の閾値を保持する閾値保持手段に保持された振幅の閾値と上記生体電気信号取得工程にて取得された生体電気信号の振幅とを比較する比較工程と、
上記平滑化工程において平滑化された生体電気信号のうち、上記比較工程での比較結果から上記閾値を超える振幅を有する生体電気信号が連続する期間を1パルス信号として抽出するパルス信号生成工程と、
上記パルス信号生成工程において生成されたパルス信号を出力するパルス信号出力工程と、
上記パルス信号生成工程にて生成されたパルス信号の立ち上がり時刻と立ち下がり時刻の差をパルス幅として検出すると共に、上記パルス信号生成工程にて生成されたパルス信号の隣接するパルスのパルス間隔を検出するパルスパターン検出工程と
を有する信号処理方法。 A bioelectric signal acquisition step of acquiring a bioelectric signal resulting from voluntary movement;
A smoothing step of smoothing the bioelectric signal acquired in the bioelectric signal acquisition step;
A comparison step of comparing the amplitude threshold held in the threshold holding means holding the amplitude threshold of the bioelectric signal with the amplitude of the bioelectric signal acquired in the bioelectric signal acquisition step;
A pulse signal generation step of extracting, as a one-pulse signal, a period of continuous bioelectric signals having an amplitude exceeding the threshold value from the comparison result in the comparison step among the bioelectric signals smoothed in the smoothing step;
A pulse signal output step of outputting the pulse signal generated in the pulse signal generation step ;
The difference between the rise time and the fall time of the pulse signal generated in the pulse signal generation process is detected as a pulse width, and the pulse interval between adjacent pulses of the pulse signal generated in the pulse signal generation process is detected. signal processing method that having a pulse pattern detection step of.
上記パルスパターン検出工程では、上記パルス信号生成工程にて生成されたパルス信号のパルス幅が0.3秒以内のパルスが0.7秒の期間内に2回検出されたときをパターンAとし、パルス幅が0.3秒以内のパルスが0.7秒の期間内に1回検出されたときをパターンBとし、パルス幅が0.7秒以上のパルスが検出されたときをパターンCとして、パターンの種類を判別する請求項7又は8記載の信号処理方法。 The bioelectric signal is a myoelectric signal,
In the pulse pattern detection step, a pattern A is defined when a pulse with a pulse width of 0.3 seconds or less generated in the pulse signal generation step is detected twice within a period of 0.7 seconds, When a pulse with a pulse width of 0.3 seconds or less is detected once within a period of 0.7 seconds, it is referred to as pattern B, and when a pulse with a pulse width of 0.7 seconds or more is detected as pattern C, The signal processing method according to claim 7 or 8 , wherein the type of pattern is determined .
随意運動に起因する生体電気信号を取得する生体電気信号取得手段と、
上記生体電気信号取得手段において取得された生体電気信号を平滑化する平滑化手段と、
生体電気信号の振幅の閾値を保持する閾値保持手段と、
上記閾値保持手段に保持された振幅の閾値と上記生体電気信号取得手段において取得された生体電気信号の振幅とを比較する比較手段と、
上記平滑化手段において平滑化された生体電気信号のうち、上記比較手段における比較結果から上記閾値を超える振幅を有する生体電気信号が連続する期間を1パルス信号として抽出するパルス信号生成手段と、
パルス信号の信号パターンと制御信号とが対応付けられて記憶された記憶手段と、
上記パルス信号生成手段において生成されたパルス信号を出力するパルス信号出力手段と、
上記パルス信号生成手段によって生成されたパルス信号の立ち上がり時刻と立ち下がり時刻の差をパルス幅として検出すると共に、上記パルス信号生成手段によって生成されたパルス信号の隣接するパルスのパルス間隔を検出するパルスパターン検出手段と、
上記パルスパターン検出手段から出力されたパルス信号パターンに対応する制御信号を上記記憶手段から選択して該制御信号に応じて動作を変更する制御を行う制御手段と
を備える機械装置。 In a mechanical device whose operation is controlled based on a control signal input from a user,
Bioelectric signal acquisition means for acquiring a bioelectric signal resulting from voluntary movement;
Smoothing means for smoothing the bioelectric signal acquired by the bioelectric signal acquiring means;
Threshold holding means for holding a threshold of the amplitude of the bioelectric signal;
Comparison means for comparing the amplitude threshold held in the threshold holding means and the amplitude of the bioelectric signal acquired in the bioelectric signal acquisition means;
Pulse signal generating means for extracting, as one pulse signal, a period of continuous bioelectric signals having an amplitude exceeding the threshold value from the comparison result in the comparing means among the bioelectric signals smoothed in the smoothing means;
Storage means for storing the signal pattern of the pulse signal and the control signal in association with each other;
Pulse signal output means for outputting the pulse signal generated in the pulse signal generation means ;
A pulse for detecting the difference between the rise time and the fall time of the pulse signal generated by the pulse signal generation means as a pulse width and detecting the pulse interval between adjacent pulses of the pulse signal generated by the pulse signal generation means Pattern detection means;
Mechanical Ru and control means for performing control to change the operation according to the control signal a control signal selected from the memory means corresponding to the pulse signal pattern output from the pulse pattern detecting means device.
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