KR100321645B1 - 난청자를 위한 지능형 촉각 자극 장치 및 그 방법 - Google Patents

난청자를 위한 지능형 촉각 자극 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 난청자를 위한 지능형 촉각 자극 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 난청자를 위한 지능형 촉각 자극 장치는, 소정의 어휘들을 미리 기억하고 있다가, 외부에서 입력된 음성 인식시 어휘들과 같은 음성이 인식되면 사용자와 미리 약속되거나 사용자가 쉽게 알아들을 수 있는 제1촉각 신호로 해당 어휘를 변환하여 출력하고, 저장된 어휘들 이외의 음성이 인식되면 제2촉각 신호로 음성을 변환하여 출력하는 음성인식 촉각 변환부; 및 음성인식 촉각 변환부로부터 출력된 제1촉각 신호 또는 제2촉각 신호에 따라 진동을 발생하여 사용자에게 촉각적 자극을 가하는 자극 트랜스듀서를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 난청자가 발화자를 보지 않고도 중요한 단어가 말해질 때 그 단어를 인식할 수 있어, 위급하거나 중요한 상황에서 반응을 취할 수 있다.

Description

난청자를 위한 지능형 촉각 자극 장치 및 그 방법{Intelligent vibro-tactile system for the person who has difficulty in hearing and method thereof}
본 발명은 청각장애인용 청각 보조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는발화자의 음성을 인식하여 청각장애인에게 촉각을 통해 그 음성을 전달해주는 청각장애인을 위한 지능형 촉각 자극장치에 관한 것이다.
지금까지 난청자들은 의사소통시 상대로부터의 수화나 발화자의 입모양 관찰에 의해 의사를 이해해 왔다. 즉, 상대나 발화자를 눈으로 보지 않고는 어떤 말도 알아 들을 수 없었다. 이런 경우를 대비해서, 상대나 발화자를 보지 않고 가까운 곳의 음성을 인식하기 위해 신체에 착용하여 음성에 반응하는 장치가 바이브레이터로서 나와 있다. 특히 소리 자체를 다양한 음역으로 나누어 진동으로 바꿔 신체를 자극하는 2채널 또는 7채널 짜리 촉각 자극(vibrotactile) 장치가 미국의 Audiological Eng. Corp. 라는 유명 회사에 의해 발매되어 있다. 그러나 이러한 기존의 장치들은 음성의 유무와 강약에 따른 단순한 피부자극을 제공하거나, 음성의 음역을 몇 개로 구분하여 지정된 신체 영역을 자극할 수 있도록 되어 있어서, 발화자의 입모양을 보면서 진동체에서 느껴지는 자극패턴을 동시에 비교하여 인식하지 않고서는 단어를 정확히 파악할 수가 없다. 따라서 반드시 의사 소통이 되어야 할 위급 상황등에서 발화자의 입모양을 보지 않으면 무슨 말을 하는지를 알 수없어 반응할 시기를 놓치거나 혹시 있을 위험에 대처하지 못하게 될 수 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 중요 단어를 미리 저장하고 있다가 해당 음성이 인식되면 사용자가 알기 쉽게 전달하는, 난청자를 위한 지능형 촉각 자극 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 난청자를 위한 지능형 촉각 자극장치의 외관을 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 음성인식 촉각 변환부의 기능별 세부 블록도이다.
도 3a 및 도 3b는 단일 채널 자극 트랜스듀서의 구조를 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b는 2채널 자극 트랜스듀서의 구조를 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5c는 일체형 난청자를 위한 지능형 촉각 자극장치의 외관도이다.
도 6은 본 발명의 음성인식 촉각 자극 장치의 동작의 흐름도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 음성인식 자극 촉각기와 자극 트랜스듀서를 착용한 모습의 예들을 보인 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한, 난청자를 위한 지능형 촉각 자극 장치는, 소정의 어휘들을 미리 기억하고 있다가, 외부에서 입력된 음성 인식시 상기 어휘들과 같은 음성이 인식되면 사용자와 미리 약속되거나 사용자가 쉽게 알아들을 수 있는 제1촉각 신호로 해당 어휘를 변환하여 출력하고, 상기 저장된 어휘들 이외의 음성이 인식되면 제2촉각 신호로 음성을 변환하여 출력하는 음성인식 촉각 변환부; 및 상기 음성인식 촉각 변환부로부터 출력된 제1촉각 신호 또는 제2촉각 신호에 따라 진동을 발생하여 사용자에게 촉각적 자극을 가하는 자극 트랜스듀서를 포함함을 특징으로 한다.
상기 음성인식 촉각 변환부는, 외부 음성 신호를 입력받는 마이크; 상기 마이크로부터의 음성 신호를 증폭하는 프리앰프; 상기 프리앰프에서 출력된 신호를 디지털 변환하는 아날로그-디지털 변환기; 상기 디지털 변환된 신호를 소정 레벨로 증폭시키고 잡음을 제거하는 자동이득조절 및 잡음제거기; 소정의 어휘들과 그 어휘들의 음성 인식시의 신호 패턴을 저장하는 단어 저장 메모리; 상기 자동이득조절 및 잡음제거기에서 출력된 신호가 상기 단어 저장 메모리에 들어 있는 신호 패턴들 중 하나와 같은지를 비교 판단하는 단어 인식기; 상기 단어 인식기의 판단 결과 상기 단어 저장 메모리에 들어있는 한 신호 패턴과 같은 신호가 입력되었으면 해당 어휘에 대한 소정의 자극 패턴을 발생시키는 자극 패턴 발생기; 상기 자극 패턴 발생기에서 출력된 자극 신호를 증폭하여 출력하는 제1채널 증폭기; 상기 단어 인식기의 판단 결과 상기 단어 저장 메모리에 들어있는 신호 패턴들과 다른 신호가 입력되었으면 해당 음성 신호의 음성 특징을 추출하는 신호처리부; 상기 신호처리부에서 출력된 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환기; 및 상기 아날로그 변환된 신호를 증폭하여 출력하는 제2채널 증폭기를 포함함이 바람직하다.
상기 과제를 해결하기 위한, 난청자를 위한 지능형 촉각 자극 방법은, 외부로부터 음성이 입력되는 제1단계; 입력된 음성 신호를 증폭하는 제2단계; 증폭시킨 신호를 디지털 신호로 변환하는 제3단계; 자동이득 조절에 의해 다시 디지털 변환된 신호를 증폭시키고, 소정의 필터링 방식을 적용하여 잡음을 제거하는 제4단계; 제4단계의 신호 패턴이 소정 메모리등에 미리 기억되어 있는 신호 패턴들중 어느 하나와 같은지를 비교하는 제5단계; 제5단계에서 같으면, 해당 신호 패턴을 사용자가 잘 알 수 있게 약속된 소정 진동 패턴으로 변환하는 제6단계; 제6단계의 변환신호를 증폭하여 소정 주파수 범위에 있고 사용자가 쉽게 인식할 수 있는 제1촉각 신호를 발생하는 제7단계; 제5단계에서 같지 않으면, 신호의 음성 특징을 추출하여 아날로그 신호로 변환하는 제8단계; 및 변환된 신호를 증폭하여 제1촉각 신호와 다른 주파수대의 제2촉각 신호를 발생하는 제9단계를 포함함을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 난청자를 위한 지능형 촉각 자극장치의 외관을 도시한 것이다. 이 촉각 자극장치는 음성인식 촉각 변환부(100) 및 자극 트랜스듀서(110)를 구비한다. 음성인식 촉각 변환부(100)는 소정의 어휘들을 저장하고 있다가, 음성 인식시 상기 어휘들이 인식되면 사용자와 미리 약속되거나 사용자가 쉽게 알아들을 수 있는 촉각 신호를 출력하고, 상기 저장된 어휘들 이외의 음성이 인식되면 상기촉각 신호와 다른 형태의 촉각 신호를 출력한다. 음성인식 촉각 변환부(100)는 독립된 케이스(101)안에 들어 있고, 케이스(101)는 사용자가 몸의 허리춤에 착용하거나 윗 주머니등에 넣어 가지고 다닐 수 있도록 가볍고 작은 플라스틱 외장 케이스임이 바람직하다. 케이스(101)에는 사용자가 착용시 각각 전면과 윗면의 어느 부분에 놓여 외부로부터의 음성을 입력하는 전면 마이크로폰(102)과 윗면 마이크로폰(103)이 장착된다. 케이스(101)에는 또한 음성인식 촉각 변환부(100)의 작동 유무를 사용자가 선택하는 전원스위치(104), 음성인식 촉각 변환부(100) 동작시 전원을 공급하는 배터리(미도시)가 넣어질 배터리격납고 덮게(105) 및 음성인식 촉각 변환부(100)의 출력 신호를 자극 트랜스듀서(110)로 연결시킬 연결선(106)이 구비되어 있다. 또한 케이스(101)에는 사용자가 '음성인식 전용모드', '일반 진동모드' 또는 '혼합모드' 중에서 한가지를 선택할 수 있도록 된 모드선택 스위치(107)가 장착된다. '음성인식 전용모드'에서는 인식한 음성이 미리 저장되어 있는 한정된 어휘들 중 하나일 때 그 어휘에 대응하도록 미리 정해진 진동을 발생시켜 사용자가 그 어휘를 알아 들을 수 있는 촉각 자극이 이뤄진다. '일반 진동모드'에서는 추출된 음성 특징들을 그대로 소정 방식에 따른 진동 신호로 바꾸어 출력시킨다. 이 경우에는 사용자가 각종 음성과 진동 신호와의 관계에 대해 훈련이 되어 있지 않으면, 발화자의 입모양을 보지 않은채 어떤 음성이 인식되었는지를 알기 어렵다. '혼합모드'에서는 위의 두 가지 기능이 한꺼번에 나타나며, 미리 기억된 한정된 어휘가 입력되면 '음성인식 전용모드'에서와 같은 동작이 수행되고, 그 외의 음성신호에 대해서는 '일반 진동모드'에서와 같은 동작이 수행된다. 자극트랜스듀서(110)는 음성인식 촉각 변환부 출력된 촉각 신호에 따라 진동을 발생하여 사용자에게 촉각적 자극을 주는 장치로서, 진동을 발생하여 사용자의 신체부위에 촉각적 자극을 주는 촉각 자극기(111), 사용자의 팔이나 손목등에 착용하기 위한 완대(112)로 이뤄져 있다.
도 2는 도 1의 음성인식 촉각 변환부(100)의 기능에 관한 세부 구성을 블록도로 나타낸 것으로 음성인식 촉각 변화부(100)는 마이크(200), 프리앰프(210), 아날로그-디지털 변환기(220), 자동이득조절 및 잡음제거기(230), 단어 저장 메모리(240), 단어 인식기(250), 자극 패턴 발생기(260), 제1채널 증폭기(270), 신호처리부(280), 디지털-아날로그 변환기(290), 제2채널 증폭기(291) 및 제어기(292)를 포함한다. 마이크(200)는 외부로부터 발생된 음성을 입력받는다. 프리앰프(210)는 마이크(200)에서 입력받은 신호를 소정 이득으로 증폭시킨다. 아날로그-디지털 변환기(220)는 프리앰프(210)에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 자동이득조절 및 잡음제거기(230)는 디지털 변환된 디지털 신호를 소정 레벨로 다시 증폭시키고 잡음을 제거한다. 단어 저장 메모리(240)는 소정의 어휘들과 그 어휘들의 음성 인식시의 신호 패턴을 저장한다. 단어 인식기(250)는 자동이득조절 및 잡음제거기(230)에서 출력된 신호가 단어 저장 메모리(240)에 들어 있는 신호 패턴중 하나와 같은지를 판단한다. 자극 패턴 발생기(260)는 단어 인식기(250)의 판단 결과 단어 저장 메모리(240)에 들어있는 신호 패턴과 같은 신호가 입력되었다고 하면 해당 어휘에 상응하는 소정의 자극 패턴을 갖는 진동 신호를 발생한다. 제1채널 증폭기(270)는 자극 패턴 발생기(260)에서 출력된 진동 신호를 증폭시켜 제1채널 신호로서 출력한다. 신호처리부(280)는 단어 인식기(250)의 판단 결과 단어 저장 메모리(240)에 들어있는 신호 패턴들과는 다른 신호가 입력되었으면 입력된 신호의 음성인식 신호처리를 수행한다. 디지털-아날로그 변환기(290)는 신호처리부(280)에서 출력된 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 제2채널 증폭기(291)는 디지널-아날로그 변환기(290)에서 출력된 아날로그 신호를 증폭하여 제2채널 신호로서 출력한다. 제어기(292)는 이러한 모든 신호의 흐름을 제어한다.
도 3a 및 도 3b는 단일 채널 자극 트랜스듀서의 구조를 도시한 것이다. 도 3a는 단일 채널 자극 트랜스듀서의 단면도이고, 도 3b는 단일 채널 자극 트랜스듀서의 투시도로서, 이 트랜스듀서는 윗떨판(300), 아래떨판(310), 코일(320), 영구자석(330), 인출선(340), 케이스프레임(350), 완대 걸이핀(360) 및 철심(370)을 포함한다. 영구자석(330)과 1 내지 3mm 떨어져 마주보는 철심위에 코일을 감은 전자석을 붙인 구성에서, 음성인식 촉각 변환기(100)와 연결된 인출선(340)을 통해 코일(320)에 전류가 흐르면, 전자력이 발생하여 윗떨판(300), 아래떨판(310)이 진동하게 된다. 진동 주파수 대역은 20Hz 내지 300Hz이다.
도 4a 및 도 4b는 2채널 자극 트랜스듀서의 구조를 도시한 것이다. 도 4a는2채널 자극 트랜스듀서의 단면도이고, 도 4b는 2채널 자극 트랜스듀서의 투시도이다. 2채널 자극 트랜스듀서는 윗떨판(400), 아래떨판(410), 제1채널용 영구자석(420), 제2채널용 영구자석(430), 제1채널용 코일(440), 제2채널용 코일(450), 채널 격리판(460), 케이스 프레임(470), 제1채널용 철심(480), 제2채널용철심(490) 및 완대 걸이핀(491)을 포함한다. 제1채널용 코일(440)은 도 2와 같은 음성인식 촉각 변환기(100)중 제1채널 증폭기(270)에서 출력된 신호를 받아 전자력을 발생하여 진동을 일으키고, 제2채널용 코일(450)은 도 2와 같은 음성인식 촉각 변환기(100)중 제2채널 증폭기(291)에서 출력된 신호를 받아 전자력을 발생하여 진동을 일으킨다. 여기서 제1채널 신호를 받아 진동을 일으키는 원리와 제2채널 신호를 받아 진동을 일으키는 원리는 동일하나, 진동하는 주파수 대역을 10배 정도 차이를 두어, 사용자로 하여금 어느 모드의 신호인지를 잘 알 수 있도록 한다.
도 5a 내지 도 5c는 허리에 착용하는 일체형 난청자를 위한 지능형 촉각 자극장치의 외관도로서, 도 5a는 일체형 난청자를 위한 지능형 촉각 자극장치의 전면도이고, 도 5b는 일체형 난청자를 위한 지능형 촉각 자극장치의 후면도, 도 5c는 음성인식 촉각 변환부에서 진동하는 부분의 정렬위치를 투시한 것이다. 일체형 난청자를 위한 지능형 촉각 자극장치의 외관(케이스) 구조는 도 1에서 설명한 부분과 대부분이 동일하나, 다만 도 5b, 도 5c에서 사용자의 주머니나 허리띠 부분등의 신체 접촉부위에 착용 할 수 있도록 고정 홀더(500)가 장착되고, 신체와 접촉되는 부분에 자극 트랜스듀서가 격납되어, 자극 트랜스듀서가 진동시 그 케이스에 진동이 전달되도록 된 부분(510)이 더 표시되어 있다. 도 5c의 510 내부에는 전자석(520)과 떨판 금속편(530)이 도시되어 있다.
도 6은 본 발명의 음성인식 촉각 자극 장치의 동작을 흐름도로서 나타낸 것이다. 먼저, 음성이 입력되면(600단계), 입력된 음성 신호를 증폭한다(610단계). 증폭시킨 신호를 디지털 신호로 변환하고(620단계) 자동이득 조절에 의해 다시 디지털 변환된 신호를 증폭시키고, 소정의 필터링 방식을 적용하여 잡음을 제거한다(630단계). 이 신호의 신호 패턴이 소정 메모리등에 미리 기억되어 있는 신호 패턴들중 어느 하나와 같은지를 비교한다(640단계). 같으면, 해당 신호 패턴을 그에 부합하는 진동 패턴을 가진 신호로 변환한다(650단계). 변환된 진동 신호를 증폭하여 소정 주파수 범위에 있고 사용자가 쉽게 인식할 수 있는 제1촉각 신호를 발생한다(660단계). 640단계에서 같지 않으면, 신호의 음성 특징을 추출한다(670단계). 여기서 신호는 영교차 및 캡스트럼 계산과정등을 통해 음성신호 내부에 포함된 특징이 추출되어 진다. 추출된 음성 특징을 아날로그 신호로 변환하고(680단계), 증폭하여 소정의 다른 주파수 범위에 있는 제2촉각 신호를 발생한다(690단계). 670 내지 690단계는 시중에 나와있는 RSC-164(미국 Sensory사)나, 텍사스 인스트루먼트사의 TMS-320 계열의 단일 DSP 칩 안에서 구현될 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 음성인식 자극 촉각기와 자극 트랜스듀서를 착용한 모습의 예들을 보인 것이다. 도 7a는 음성인식 자극 촉각기를 상의 주머니에 넣고, 자극 트랜스듀서는 팔에 착용한 상태이다. 도 7b는 음성인식 자극 촉각기를 허리띠에 매달아 착용하고 자극 트랜스듀서는 팔에 착용한 상태이다. 도 7c는 도 5c에서와 같은 음성인식 자극 촉각기와 자극 트랜스듀서 일체형인 장치를 허리에 매달아 착용하고 허리 부분으로 촉각 자극이 이뤄지게 한 것을 보인다.
본 발명에 의하면, 난청자가 발화자를 보지 않고도 중요한 단어가 말해질 때 그 단어를 인식할 수 있어, 위급하거나 중요한 상황에서 반응을 취할 수 있다.

Claims (4)

  1. 소정의 어휘들을 미리 기억하고 있다가, 외부에서 입력된 음성 인식시 상기 어휘들과 같은 음성이 인식되면 사용자와 미리 약속되거나 사용자가 쉽게 알아들을 수 있는 제1촉각 신호로 해당 어휘를 변환하여 출력하고, 상기 저장된 어휘들 이외의 음성이 인식되면 제2촉각 신호로 음성을 변환하여 출력하는 음성인식 촉각 변환부; 및
    상기 음성인식 촉각 변환부로부터 출력된 제1촉각 신호 또는 제2촉각 신호에 따라 진동을 발생하여 사용자에게 촉각적 자극을 가하는 자극 트랜스듀서를 포함함을 특징으로 하는 난청자용 지능형 촉각 자극장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음성인식 촉각 변환부는,
    외부 음성 신호를 입력받는 마이크;
    상기 마이크로부터의 음성 신호를 증폭하는 프리앰프;
    상기 프리앰프에서 출력된 신호를 디지털 변환하는 아날로그-디지털 변환기;
    상기 디지털 변환된 신호를 소정 레벨로 증폭시키고 잡음을 제거하는 자동이득조절 및 잡음제거기;
    소정의 어휘들과 그 어휘들의 음성 인식시의 신호 패턴을 저장하는 단어 저장 메모리;
    상기 자동이득조절 및 잡음제거기에서 출력된 신호가 상기 단어 저장 메모리에 들어 있는 신호 패턴들 중 하나와 같은지를 비교 판단하는 단어 인식기;
    상기 단어 인식기의 판단 결과 상기 단어 저장 메모리에 들어있는 한 신호 패턴과 같은 신호가 입력되었으면 해당 어휘에 대한 소정의 자극 패턴을 발생시키는 자극 패턴 발생기;
    상기 자극 패턴 발생기에서 출력된 자극 신호를 증폭하여 출력하는 제1채널 증폭기;
    상기 단어 인식기의 판단 결과 상기 단어 저장 메모리에 들어있는 신호 패턴들과 다른 신호가 입력되었으면 해당 음성 신호의 음성 특징을 추출하는 신호처리부;
    상기 신호처리부에서 출력된 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환기; 및
    상기 아날로그 변환된 신호를 증폭하여 출력하는 제2채널 증폭기를 포함함을 특징으로 하는 난청자를 위한 지능형 촉각 자극 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자극 트랜스듀서는,
    상기 제1촉각 신호와 상기 제2촉각 신호를 각각 별개로 입력받아 서로다른 소정 주파수 범위내에서 각각 진동을 일으키는 다채널 트랜스듀서임을 특징으로 하는 난청자를 위한 지능형 촉각 자극장치.
  4. 외부로부터 음성이 입력되는 제1단계;
    입력된 음성 신호를 증폭하는 제2단계;
    증폭시킨 신호를 디지털 신호로 변환하는 제3단계;
    자동이득 조절에 의해 다시 디지털 변환된 신호를 증폭시키고, 소정의 필터링 방식을 적용하여 잡음을 제거하는 제4단계;
    제4단계의 신호 패턴이 소정 메모리등에 미리 기억되어 있는 신호 패턴들중 어느 하나와 같은지를 비교하는 제5단계;
    제5단계에서 같으면, 해당 신호 패턴을 사용자가 잘 알 수 있게 약속된 소정 진동 패턴으로 변환하는 제6단계;
    제6단계의 변환신호를 증폭하여 소정 주파수 범위에 있고 사용자가 쉽게 인식할 수 있는 제1촉각 신호를 발생하는 제7단계;
    제5단계에서 같지 않으면, 신호의 음성 특징을 추출하여 아날로그 신호로 변환하는 제8단계; 및
    변환된 신호를 증폭하여 제1촉각 신호와 다른 주파수대의 제2촉각 신호를 발생하는 제9단계를 포함함을 특징으로 하는 난청자를 위한 지능형 촉각 자극 방법.
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