JP5352801B2 - ノイズ除去装置、ノイズ除去方法および動作補正装置 - Google Patents
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動作検出部で検出され、主信号およびノイズ信号を含む入力信号が入力される入力手段と、
全域通過フィルタを適用したノッチフィルタに入力した前記入力信号の出力が最小となるタップ係数を一定周期で更新することで、時間変化するノイズ信号の各時刻での周波数に対応する推定周波数を決定するノイズ周波数推定手段と、
前記ノイズ周波数推定手段で決定された推定周波数に基づき決定される遮断フィルタにより、前記入力信号からノイズ信号を除去して出力信号を生成するノイズ除去手段と、
前記ノイズ除去手段で生成された出力信号を出力する出力手段とを備えることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、時間変化するノイズ信号に追従してノイズ信号の周波数に対応する推定周波数を決定するので、時変性のあるノイズ信号を入力信号から除去することができる。
請求項2の発明によれば、入力信号から主信号とみなされる周波数帯域が除去されるので、主信号をノイズ信号として除去してしまうのを抑制し得る。
前記ノイズ周波数推定手段は、前記タップ係数からノッチ周波数である暫定周波数を算出する暫定周波数算出手段と、該暫定周波数算出手段で算出された暫定周波数に基づき前記推定周波数を決定する判定部とを備え、
前記判定部は、
任意時刻における暫定周波数と該任意時刻の直前に決定された推定周波数との差に基づくズレ監視量が予め設定された第1基準値より大きく、かつ所定時間内における暫定周波数の分散が予め設定された第2基準値より大きい場合には、当該任意時刻の直前に決定された推定周波数を任意時刻における推定周波数として決定すると共に、
前記ズレ監視量が前記第1基準値より小さい場合、または、前記分散が前記第2基準値より小さい場合には、当該任意時刻に算出された暫定周波数を任意時刻における推定周波数として決定する。
請求項3の発明によれば、ズレ監視量が第1基準値より大きく、かつ分散が第2基準値より大きい場合には、直前に決定された推定周波数を当該時刻における推定周波数とするので、周期的動作に係る主信号が入力信号に含まれた場合にも、当該主信号をノイズ信号として除去してしまうのを抑制し得る。また、ズレ監視量が第1基準値より小さい場合、または、分散が第2基準値より小さい場合には、当該時刻での暫定周波数を推定周波数として決定するので、時間変化するノイズ信号に追従して推定周波数を求め得る。
動作検出部で検出された主信号およびノイズ信号を含む入力信号が入力手段に入力され、
前記入力手段に入力された入力信号を全域通過フィルタを適用したノッチフィルタに入力し、その出力を最小とするタップ係数を一定周期で更新することで、時間変化するノイズ信号の各時刻での周波数に対応する推定周波数を決定し、
前記推定周波数に基づき決定される遮断フィルタにより、前記入力信号からノイズ信号を除去して出力信号を生成し、
生成された前記出力信号を出力手段が出力することを特徴とする。
請求項4の発明によれば、時間変化するノイズ信号に追従してノイズ信号の周波数に対応する推定周波数を決定するので、入力信号から時変性のあるノイズ信号を除去することができる。
請求項5の発明によれば、入力信号から主信号とみなされる周波数帯域が除去されるので、主信号をノイズ信号として除去してしまうのを抑制し得る。
タップ係数からノッチ周波数である暫定周波数を算出し、
任意時刻における暫定周波数と該任意時刻の直前に決定された推定周波数との差に基づくズレ監視量が予め設定された第1基準値より大きく、かつ所定時間内における暫定周波数の分散が予め設定された第2基準値より大きい場合には、当該任意時刻の直前に決定された推定周波数を任意時刻における推定周波数として決定すると共に、
前記ズレ監視量が前記第1基準値より小さい場合、または、前記分散が前記第2基準値より小さい場合には、当該任意時刻に算出された暫定周波数を任意時刻における推定周波数として決定する。
請求項6の発明によれば、ズレ監視量が第1基準値より大きく、かつ分散が第2基準値より大きい場合には、直前に決定された推定周波数を当該時刻における推定周波数として決定するので、周期的動作に係る主信号が入力信号に含まれた場合にも、当該主信号をノイズ信号として除去してしまうことがない。また、ズレ監視量が第1基準値より小さい場合、または、分散が第2基準値より小さい場合には、当該時刻での暫定周波数を推定周波数として決定するので、時間変化するノイズ信号に追従して推定周波数を決定し得る。
被操作手段に対する動作に応じた主信号およびノイズ信号を含む入力信号を出力する動作検出部と、
前記動作検出部から出力された入力信号が入力される入力手段と、
全域通過フィルタを適用したノッチフィルタに入力した前記入力信号の出力を最小とするタップ係数を一定周期で更新することで、時間変化するノイズ信号の各時刻での周波数に対応する推定周波数を決定するノイズ周波数推定手段と、
前記ノイズ周波数推定手段で決定された推定周波数に基づき決定される遮断フィルタにより、前記入力信号からノイズ信号を除去して出力信号を生成するノイズ除去手段と、
前記ノイズ除去手段で生成された出力信号を出力する出力手段と、
前記出力手段から出力された出力信号に基づき動作補正対象を作動させる駆動手段とを備えることを特徴とする。
請求項7の発明によれば、時間変化するノイズ信号に追従してノイズ信号の周波数を推定し得るので、入力信号から時変性のあるノイズ信号を除去して出力信号を出力することができる。従って、被操作手段に対する入力信号からノイズ信号を除去した出力信号により、動作補正対象の動作を補正して作動させることができる。
請求項8の発明によれば、入力信号から主信号とみなされる周波数帯域が除去されるので、主信号をノイズ信号として除去してしまうのを抑制し得る。
前記判定部は、
任意時刻における暫定周波数と該任意時刻の直前に決定された推定周波数との差に基づくズレ監視量が予め設定された第1基準値より大きく、かつ所定時間内における暫定周波数の分散が予め設定された第2基準値より大きい場合には、当該任意時刻の直前に決定された推定周波数を任意時刻における推定周波数として決定すると共に、
前記ズレ監視量が前記第1基準値より小さい場合、または、前記分散が前記第2基準値より小さい場合には、当該任意時刻に算出された暫定周波数を任意時刻における推定周波数として決定する。
請求項9の発明によれば、ズレ監視量が第1基準値より大きく、かつ分散が第2基準値より大きい場合には、直前に決定された推定周波数を当該時刻における推定周波数として決定するので、周期的動作に係る主信号が入力信号に含まれた場合にも、当該主信号をノイズ信号として除去してしまうことがない。また、ズレ監視量が第1基準値より小さい場合、または、分散が第2基準値より小さい場合には、当該時刻での暫定周波数を推定周波数として決定するので、時間変化するノイズ信号に追従して推定周波数を決定し得る。
実施例に係る振戦除去手段44は、遮断フィルタFInとして遅延の少ないバンドストップフィルタが採用されている。また、このバンドストップフィルタには、主信号への影響を少なくするため、通過域が平坦なChbyshevII型が用いてある。遅延tdelayは、操作性の劣化を考慮して遅延量を0.1[sec]以下とし、除去帯域幅fstop=0.3[Hz]、通過帯域と除去帯域との差fdiff=0.1[Hz]を固定パラメータとし、遮断帯域の中心周波数fcを1〜8[Hz]の間で除去帯域幅fstopの1/2ずつオーバーラップさせながら、複数の遮断フィルタFInのセットを求めた(数1参照)。図3に、遮断フィルタFInの一例を示す。設計した遮断フィルタFInは、後述するように、前記振戦周波数推定手段42で決定した推定周波数ft(i)に応じて切替えられる。そして、振戦除去手段44は、決定した遮断フィルタFInにより入力信号INから振戦信号を除去して、出力信号OUTを生成する。なお、前記除去帯域幅fstopは、予め行なったパーキンソン病患者の振戦解析から、振戦周波数のピーク帯域幅がおよそ0.2[Hz]程度であることが確認されたので、若干の余裕をもって0.3[Hz]とした。また、フィルタ係数のオーバーラップは、必ずしも除去帯域幅fstopの1/2に限定されず、例えば、1/3,1/4ずつオーバーラップさせてもよい。
前記主信号除去部46は、入力信号INのうち使用者の主信号とみなされる周波数帯域が暫定周波数算出部48(後述するノッチフィルタ17)に入力されるのを防止するためのものである。実施例では、主信号除去部46として、ハイパスフィルタが採用されている。すなわち、前記力覚センサ13から入力される入力信号INは、使用者の主信号や振戦信号を含む様々な周波数でパワー(振幅)をもつ有色信号である。従って、適応アルゴリズムが最もパワーの大きい周波数(主に低周波)に収束するのを防止するため、暫定周波数算出部48への入力の前に、入力信号INにハイパスフィルタをかけて主信号とみなされる周波数帯域を除去するようになっている。
前記暫定周波数算出部48は、図4に示すように、IIR型2次全域通過フィルタAPFをノッチフィルタ17に適用して、適応アルゴリズムを用いて暫定周波数fe(i)を算出するものである。全域通過フィルタAPFとは、全周波数で振幅特性が1であり、ある周波数のみで位相が反転するものを云う。IIR型2次全域通過フィルタAPFの伝達関数は数2で表わされる。このIIR型2次全域通過フィルタAPFを数3に示すように、ノッチフィルタ17として利用する。αとρと位相の反転する正規化各周波数ωcとの間には数4のような関係があり、αは位相の反転する周波数(ノッチ周波数)を決定する係数(タップ係数)、ρは位相反転の急峻さ(ノッチの急峻さ)を決定する係数である。なお、位相反転は、ρの値を「1」に近付けるに従って急峻になる傾向がある。
前記判定部50は、例えば、使用者がスプーン14でかき集める、字を書くと云った周期的動作に係る主信号が入力された場合に、当該主信号を除去しないように機能するものである。前述のように、前記主信号除去部46は、カットオフ周波数より低い信号は除去するものの、使用者がカットオフ周波数より高い周期的動作をした場合には、その信号は主信号除去部46を通過してしまう。すると、暫定周波数算出部48に周期的動作に係る信号が入力され、該暫定周波数算出部48は、当該信号に対して前記暫定周波数数fe(i)を算出してしまう。そこで、判定部50は、暫定周波数算出部48で算出された暫定周波数fe(i)が、振戦信号に起因する場合には、当該暫定周波数fe(i)を前記推定周波数ft(i)として決定し、周期的動作に起因するものである場合には、直前に決定された推定周波数ft(i−1)を当該時刻での推定周波数ft(i)として決定する。具体的には、判定部50は、前記暫定周波数算出部48で算出された時刻iでの暫定周波数fe(i)を図5のブロック図の如く制御する。図5のh(i)、v(i)は、夫々、数13,数14で示すような評価関数である。
次に、実施例に係る食事支援装置10の作用について、振戦除去システム18による振戦除去方法(ノイズ除去方法)と共に図6のフローチャートを参照して説明する。使用者がスプーン14の柄部14aを把持して、該スプーン14で掬った食物を口元まで搬送するよう力を付与すると、力覚センサ13が使用者の動作を検知して、これに基づく入力信号INを生成する(ステップS1)。このとき、入力信号INには、使用者の主信号に加え、振戦による振戦信号が含まれる。
次に、本発明に係るノイズ除去装置、ノイズ除去方法および動作補正装置の有効性を確認するため、シミュレーション信号による実験を行なった。結果を図7および図8に示す。図7(a)〜(c)は振戦周波数推定手段42への入力信号と出力信号を表わし、図8は各手法における推定周波数ft(i)の変化を示したものである。入力信号INは、振戦信号とする正弦波(周波数は図8のReference.以下fr)に、外乱として様々な周波数の正弦波と白色雑音を加えたものである。(a)は暫定周波数算出部48による推定のみの場合で、(b)は暫定周波数算出部48への入力の前にカットオフ周波数1.0[Hz]の主信号除去部46を加えた場合、(c)は(b)に判定部50を加えた場合である。
次に、実験例2として、先端に力覚センサ13を取付けたマニピュレータを用いた検証実験を行なった。なお、実施例では、6自由度のマニピュレータ12を例に説明したが、本実験例2では、3自由度のマニピュレータを用いて実験を行なった。手動で操作するため、力覚センサ13の入力信号を以下の式を用いて変換した。
14 スプーン(被操作手段,動作補正対象),13 力覚センサ(動作検出手段)
15 入力手段,17 ノッチフィルタ,20 出力手段
42 振戦周波数推定手段(ノイズ周波数推定手段)
44 振戦除去手段(ノイズ除去手段),46 主信号除去部
48 暫定周波数算出手段,50 判定部,IN 入力信号
APF 全域通過フィルタ,α タップ係数,h(i) ズレ監視量
v(i) 分散,e(i) 出力(誤差),ft(i) 推定周波数,fe(i) 暫定周波数
FIn 遮断フィルタ,OUT 出力信号,hr 第1基準値,vr 第2基準値
Claims (9)
- 動作検出部(13)で検出され、主信号およびノイズ信号を含む入力信号(IN)が入力される入力手段(15)と、
全域通過フィルタ(APF)を適用したノッチフィルタ(17)に入力した前記入力信号(IN)の出力(e(i))が最小となるタップ係数(α)を一定周期で更新することで、時間変化するノイズ信号の各時刻での周波数に対応する推定周波数(ft(i))を決定するノイズ周波数推定手段(42)と、
前記ノイズ周波数推定手段(42)で決定された推定周波数(ft(i))に基づき決定される遮断フィルタ(FIn)により、前記入力信号(IN)からノイズ信号を除去して出力信号(OUT)を生成するノイズ除去手段(44)と、
前記ノイズ除去手段(44)で生成された出力信号(OUT)を出力する出力手段(20)とを備え、
時間変化するノイズ信号に追従してノイズ信号の周波数に対応する推定周波数(f t (i))を決定し、時変性のあるノイズ信号を入力信号(IN)から除去する
ことを特徴とするノイズ信号除去装置。 - 前記ノイズ周波数推定手段(42)は、前記主信号とみなされる周波数帯域を前記入力信号(IN)から除去する主信号除去部(46)を備え、該主信号除去部(46)で周波数帯域が除去された入力信号(IN)が前記ノッチフィルタ(17)に入力される請求項1記載のノイズ信号除去装置。
- 前記ノイズ周波数推定手段(42)は、前記タップ係数(α)からノッチ周波数である暫定周波数(fe(i))を算出する暫定周波数算出手段(48)と、該暫定周波数算出手段(48)で算出された暫定周波数(fe(i))に基づき前記推定周波数(ft(i))を決定する判定部(50)とを備え、
前記判定部(50)は、
任意時刻における暫定周波数(fe(i))と該任意時刻の直前に決定された推定周波数(ft(i-1))との差に基づくズレ監視量(h(i))が予め設定された第1基準値(hr)より大きく、かつ所定時間内における暫定周波数(fe(i-k)〜fe(i))の分散(v(i))が予め設定された第2基準値(vr)より大きい場合には、当該任意時刻の直前に決定された推定周波数(ft(i-1))を任意時刻における推定周波数(ft(i))として決定すると共に、
前記ズレ監視量(h(i))が前記第1基準値(hr)より小さい場合、または、前記分散(v(i))が前記第2基準値(vr)より小さい場合には、当該任意時刻に算出された暫定周波数(fe(i))を任意時刻における推定周波数(ft(i))として決定する
請求項1または2記載のノイズ信号除去装置。 - 動作検出部(13)で検出された主信号およびノイズ信号を含む入力信号(IN)が入力手段(15)に入力され、
前記入力手段(15)に入力された入力信号(IN)を全域通過フィルタ(APF)を適用したノッチフィルタ(17)に入力し、その出力(e(i))を最小とするタップ係数(α)を一定周期で更新することで、時間変化するノイズ信号の各時刻での周波数に対応する推定周波数(ft(i))を決定し、
前記推定周波数(ft(i))に基づき決定される遮断フィルタ(FIn)により、前記入力信号(IN)からノイズ信号を除去して出力信号(OUT)を生成し、
生成された前記出力信号(IN)を出力手段(20)が出力し、
時間変化するノイズ信号に追従してノイズ信号の周波数に対応する推定周波数(f t (i))を決定し、時変性のあるノイズ信号を入力信号(IN)から除去する
ことを特徴とするノイズ信号除去方法。 - 前記主信号とみなされる周波数帯域が除去された入力信号(IN)を前記ノッチフィルタ(17)に入力する請求項4記載のノイズ信号除去方法。
- 前記タップ係数(α)からノッチ周波数である暫定周波数(fe(i))を算出し、
任意時刻における暫定周波数(fe(i))と該任意時刻の直前に決定された推定周波数(ft(i-1))との差に基づくズレ監視量(h(i))が予め設定された第1基準値(hr)より大きく、かつ所定時間内における暫定周波数(fe(i-k)〜fe(i))の分散(v(i))が予め設定された第2基準値(vr)より大きい場合には、当該任意時刻の直前に決定された推定周波数(ft(i-1))を任意時刻における推定周波数(ft(i))として決定すると共に、
前記ズレ監視量(h(i))が前記第1基準値(hr)より小さい場合、または、前記分散(v(i))が前記第2基準値(vr)より小さい場合には、当該任意時刻に算出された暫定周波数(fe(i))を任意時刻における推定周波数(ft(i))として決定する
請求項4または5記載のノイズ信号除去方法。 - 被操作手段(12,14)に対する動作に応じた主信号およびノイズ信号を含む入力信号(IN)を出力する動作検出部(13)と、
前記動作検出部(13)から出力された入力信号(IN)が入力される入力手段(15)と、
全域通過フィルタ(APF)を適用したノッチフィルタ(17)に入力した前記入力信号(IN)の出力(e(i))を最小とするタップ係数(α)を一定周期で更新することで、時間変化するノイズ信号の各時刻での周波数に対応する推定周波数(ft(i))を決定するノイズ周波数推定手段(42)と、
前記ノイズ周波数推定手段(42)で決定された推定周波数(ft(i))に基づき決定される遮断フィルタ(FIn)により、前記入力信号(IN)からノイズ信号を除去して出力信号(OUT)を生成するノイズ除去手段(44)と、
前記ノイズ除去手段(44)で生成された出力信号(OUT)を出力する出力手段(20)と、
前記出力手段(20)から出力された出力信号(OUT)に基づき動作補正対象(12,14)を作動させる駆動手段とを備え、
時間変化するノイズ信号に追従してノイズ信号の周波数に対応する推定周波数(f t (i))を決定し、時変性のあるノイズ信号を入力信号(IN)から除去する
ことを特徴とする動作補正装置。 - 前記ノイズ周波数推定手段(42)は、前記主信号とみなされる周波数帯域を前記入力信号(IN)から除去する主信号除去部(46)を備え、該主信号除去部(46)で周波数帯域が除去された入力信号(IN)が前記ノッチフィルタ(17)に入力される請求項7記載の動作補正装置。
- 前記ノイズ周波数推定手段(42)は、前記タップ係数(α)からノッチ周波数である暫定周波数(fe(i))を算出する暫定周波数算出手段(48)と、該暫定周波数算出手段(48)で算出された暫定周波数(fe(i))に基づき前記推定周波数(ft(i))を決定する判定部(50)とを備え、
前記判定部(50)は、
任意時刻における暫定周波数(fe(i))と該任意時刻の直前に決定された推定周波数(ft(i-1))との差に基づくズレ監視量(h(i))が予め設定された第1基準値(hr)より大きく、かつ所定時間内における暫定周波数(fe(i-k)〜fe(i))の分散(v(i))が予め設定された第2基準値(vr)より大きい場合には、当該任意時刻の直前に決定された推定周波数(ft(i-1))を任意時刻における推定周波数(ft(i))として決定すると共に、
前記ズレ監視量(h(i))が前記第1基準値(hr)より小さい場合、または、前記分散(v(i))が前記第2基準値(vr)より小さい場合には、当該任意時刻に算出された暫定周波数(fe(i))を任意時刻における推定周波数(ft(i))として決定する
請求項7または8記載の動作補正装置。
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