KR100488684B1 - 근전도 신호를 이용한 전동 휠체어 인터페이스 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 척수 손상 장애인이 능동적으로 움직일 수 있는 목이나 어깨의 근육에서 측정 가능한 근전도 신호를 이용하여 사용자의 명령을 파악하여 전동 휠체어를 제어하는 전동 휠체어 인터페이스 장치 및 방법과, 이를 채용한 전동 휠체어에 관한 것이다.

본 발명에 따른 근전도 신호를 이용한 전동 휠체어의 인터페이스 장치는, 사용자 근육에 장착되어 사용자의 근전도 신호를 획득하는 쌍극전극과, 상기 쌍극전극으로부터 얻어진 사용자의 근전도 신호를 필터링하고 디지털값으로 변환하는 전처리부와, 휠체어 구동 명령에 따른 사용자의 움직임 데이터를 저장하는 메모리와, 상기 전처리부를 통과한 근전도 신호를 이용하여 사용자의 움직임을 인식하고, 상기 메모리로부터 상기 사용자의 움직임에 해당하는 휠체어 구동 명령을 인식하여 상기 전동 휠체어를 구동하는 마이크로 프로세서를 구비한다.

Description

근전도 신호를 이용한 전동 휠체어 인터페이스 방법 {Powered wheelchair interface method for the spinal cord injury person}

본 발명은 근전도 신호를 이용한 전동 휠체어 인터페이스 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 척수 손상 장애인이 능동적으로 움직일 수 있는 목이나 어깨의 근육에서 측정 가능한 근전도 신호를 이용하여 사용자의 명령을 파악하여 전동 휠체어를 제어하는 전동 휠체어 인터페이스 장치 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상술한 근전도 신호를 이용한 전동 휠체어 인터페이스 장치 및 방법을 채용한 전동 휠체어에 관한 것이기도 하다.

종래의 척수 손상 장애인을 위한 전동 휠체어 인터페이스에는 조이스틱 인터페이스, 호흡조절(sip & puff) 인터페이스 등이 있다. 조이스틱 인터페이스는 팔이나 손을 움직일 수 있는 정도의 장애를 가진 경우에만 사용 가능하기 때문에 사용 가능한 대상 범위가 좁으며, 팔이나 손을 사용하지 못하는 중증 척수 손상 장애인의 경우에는 조이스틱 인터페이스를 적용한 전동 휠체어를 스스로 조종하지 못하는 문제점이 있다. 호흡조절(sip & puff) 인터페이스는 사용자의 호흡에 따라 전동 휠체어를 조정하는 인터페이스로서, 전동 휠체어에 빨대 모양의 호흡조절장치를 부착하여 입으로 빨대를 불거나 빨아 당겨서 팔이나 손을 움직일 수 없는 장애자라도 전동 휠체어를 탈 수 있도록 한 인터페이스이다. 그러나, 이 호흡조절 인터페이스를 적용한 전동 휠체어는 가격이 비싸고 외관상 보기 좋지 않은 문제점이 있다.

한편, 근전도 신호는 특정 근육이 수축할 때 측정할 수 있는 생체 신호 중 하나로서, 사용자에게 해를 주지 않으면서 손쉽게 측정할 수 있는 잇점이 있다. 현재 근전도를 정확하게 측정하기 위한 많은 기술들과, 근전도 신호를 응용한 가상현실기술이나 팔 보철장치를 제어하는 기술들이 공개(대한민국 공개특허 제1989-016950호, 제1999-066563호, 제1999-066564호, 제2002-077346호)되어 있다. 그러나, 근전도 신호를 이용하여 팔이나 손을 움직일 수 없는 척수 손상 장애인들이 스스로 휠체어를 탈 수 있도록 하는 인터페이스 기술은 아직까지 공개된 바가 없다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 사용자 머리의 좌, 우, 앞, 뒤 움직임이나 어깨의 상, 하 움직임을 근전도 신호를 통해 측정하고, 측정된 근전도 신호로부터 사용자의 명령을 인식하여, 전동 휠체어가 조종될 수 있도록 하는 전동 휠체어 인터페이스 장치 및 방법과, 이를 채용한 전동 휠체어를 제공하기 위한 것이다.

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근전도 신호를 이용한 전동 휠체어의 인터페이스 장치는, 사용자 근육에 장착되어 사용자의 근전도 신호를 획득하는 쌍극전극과, 상기 쌍극전극으로부터 얻어진 사용자의 근전도 신호를 필터링하고 디지털값으로 변환하는 전처리부와, 휠체어 구동 명령에 따른 사용자의 움직임 데이터를 저장하는 메모리와, 상기 전처리부를 통과한 근전도 신호를 이용하여 사용자의 움직임을 인식하고, 상기 메모리로부터 상기 사용자의 움직임에 해당하는 휠체어 구동 명령을 인식하여 상기 전동 휠체어를 구동하는 마이크로 프로세서를 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 근전도 신호를 이용한 전동 휠체어 인터페이스 방법은, 휠체어 구동 명령에 따른 사용자의 움직임 데이터를 저장하는 데이터저장단계와, 사용자의 근전도 신호를 획득하는 신호획득단계와, 상기 신호획득단계에서 획득한 근전도 신호를 이용하여 사용자의 움직임을 인식하는 움직임인식단계와, 상기 움직임인식단계에서 인식한 사용자의 움직임에 해당하는 휠체어 구동 명령을 검색하여 상기 전동 휠체어를 구동하는 휠체어구동단계를 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전동 휠체어는, 휠체어 의자와 휠체어 의자에 부착된 2개의 바퀴와 상기 2개의 바퀴 각각을 구동하는 2개의 바퀴구동모터를 구비하고,

사용자 근육에 장착되어 사용자의 근전도 신호를 획득하는 쌍극전극과, 상기 쌍극전극으로부터 얻어진 사용자의 근전도 신호를 필터링하고 디지털값으로 변환하는 전처리부와, 휠체어 구동 명령에 따른 사용자의 움직임 데이터를 저장하는 메모리와, 상기 전처리부를 통과한 근전도 신호를 이용하여 사용자의 움직임을 인식하고, 상기 메모리로부터 상기 사용자의 움직임에 해당하는 휠체어 구동 명령을 인식하여 상기 전동 휠체어의 바퀴구동모터를 구동하는 마이크로 프로세서를 구비한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 근전도 신호를 이용한 전동 휠체어 인터페이스 장치 및 방법, 이를 채용한 전동 휠체어의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 팔이나 손을 움직일 수 없는 중증의 척수 손상 장애인들도 머리나 어깨를 움직일 수 있다는 점에 착안하여 제안한 것으로서, 척수 손상 장애인들의 머리나 어깨의 움직임에 따른 근전도 신호를 측정하고 처리하여, 전동 휠체어를 운전할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 근전도 신호를 이용한 전동 휠체어 인터페이스 장치(100)를 도시한 구성 블록도이다.

이는 사용자의 근육에서 근전도 신호를 측정하는 두 쌍의 쌍극전극(101a, 101b, 111a, 111b)과, 한 쌍의 쌍극전극(101a, 101b)(111a, 111b)에서 측정된 근전도 신호를 약 1500 V/V의 크기로 차동증폭하는 2개의 차동증폭기(102, 112)와, 각 차동증폭기(102, 112)에서 증폭된 신호 중 60Hz의 전원 노이즈를 제거하는 2개의 노치필터(103, 113)와, 각 노치필터(103, 113)에서 전원 노이즈가 제거된 신호에서 30Hz∼500Hz의 필요한 대역의 신호만을 통과시키는 2개의 대역통과필터(104, 114)와, 각 대역통과필터(104, 114)를 통과한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 2채널의 A/D 변환기(121)와, A/D 변환기(121)에서 디지털로 변환된 근전도 신호를 이용하여 사용자의 명령을 파악하는 마이크로 프로세서(122)와, 마이크로 프로세서(122)로부터 사용자의 명령을 입력받아 휠체어 명령어로 변환하여 휠체어를 구동하는 휠체어 명령 인터페이스부(126)와, 사용자별로 학습된 근전도 신호의 특징집합에 따른 패턴인식정보를 저장한 메모리(123)와, 사용자 입력값을 입력받아 마이크로 프로세서(122)에게 제공하는 키입력부(124)와, 마이크로 프로세서(122)의 제어를 받아 사용자에게 필요한 정보를 표시하는 표시부(125), 및 각 구성요소에 필요한 전원을 공급하는 전원 공급부(미도시)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 척수 손상 장애인용 전동 휠체어 인터페이스장치는 다음과 같이 동작한다. 도 2는 본 발명에 따른 척수 손상 장애인용 전동 휠체어 인터페이스장치의 동작과정을 도시한 흐름도이다.

먼저, 사용자의 목 양쪽 또는 양어깨의 근육에 근전도 신호 측정을 위한 한쌍의 쌍극전극들을 각각 부착한다. 도 3은 근전도 신호 측정을 위해 목이나 어깨에 쌍극전극을 붙일 수 있는 근육의 위치를 표시한다. 목의 움직임을 측정하고자 하는 경우, 오른쪽과 왼쪽의 목빗근(sternocleidomastoid muscle)(31)에 각각 한 쌍의 쌍극전극을 붙이며, 접지(GND)는 쇄골뼈에 부착한다. 어깨의 움직임을 측정하고자 하는 경우, 오른쪽과 왼쪽의 등 세모근(trapezius muscle)(32)에 각각 한 쌍의 쌍극전극을 붙이고, 접지(GND)는 쇄골뼈에 부착하여 사용한다.

본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 한 쌍의 쌍극전극(101a, 101b)은 왼쪽 어깨의 등 세모근에 부착하여 왼쪽 어깨의 움직임을 측정하고, 나머지 한 쌍의 쌍극전극(111a, 111b)은 오른쪽 어깨의 등 세모근에 부착하여 오른쪽 어깨의 움직임을 측정하는 것으로 가정한다.

이렇게 어깨 양쪽의 등 세모근에 각각 한 쌍의 쌍극전극(101a, 101b, 111a, 111b)을 붙이면, 왼쪽 어깨가 움직일 때마다 한 쌍의 쌍극전극(101a, 101b)에서 왼쪽 어깨 근육에 대한 근전도 신호가 획득되고, 오른쪽 어깨가 움직일 때마다 한 쌍의 쌍극전극(111a, 111b)에서 오른쪽 어깨 근육에 대한 근전도 신호가 획득된다(S21). 이때, 한 쌍의 쌍극전극(101a, 101b)에서 획득된 근전도 신호는 차동증폭기(102), 노치필터(103), 대역통과필터(104), 및 A/D 변환기(121)에서 전처리되고, 한 쌍의 쌍극전극(111a, 111b)에서 획득된 근전도 신호는 차동증폭기(112), 노치필터(113), 대역통과필터(114), 및 A/D 변환기(121)에서 전처리된다(S22).

차동증폭기(102, 112)는 한 쌍의 쌍극전극(101a, 101b)(111a, 111b)으로부터 획득한 어깨 근육의 근전도 신호를 차동증폭하고, 노치필터(103, 113)는 차동증폭된 근전도 신호에서 60Hz의 전원 노이즈를 차단한다. 그리고, 대역통과필터(014, 114)는 모션잡음의 일종인 저주파 노이즈를 제거한다. A/D 변환기(121)는 노이즈가 제거된 아날로그 근전도 신호를 디지털 신호로 변환하여, 마이크로 프로세서(122)에게 제공한다.

마이크로 프로세서(122)는 단계 S22에서 전처리된 근전도 신호의 특징을 추출하고(S23), 패턴을 인식하며(S24), 인식된 패턴에 할당된 휠체어 명령을 인식하여(S25), 휠체어 명령 인터페이스부(126)에게 전달한다. 마이크로 프로세서(122)가 전처리된 근전도 신호로부터 특징을 추출하고, 패턴을 인식하며, 휠체어 명령을 인식하는 상세한 과정은 도 4를 참조하며 후술하기로 한다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 프로세서의 척수 손상 장애인용 전동 휠체어 인터페이스 방법을 도시한 동작 흐름도이다.

먼저, 전동 휠체어의 전원이 온되면, 마이크로 프로세서는 해당 전동 휠체어의 모드를 인식한다(S401). 전동 휠체어가 초기 전원 온될 경우에는 초기모드로 동작하는데, 이 초기모드에서 사용자의 움직임을 학습한다. 전동 휠체어가 사용자의 움직임을 학습한 후에는 전동 휠체어는 실행모드로 전환되어 이후의 전원 온시에는 실행모드로 동작한다. 전동 휠체어의 사용자가 변경될 경우에는 키입력부(124)의 모드선택키를 조작하여 마이크로 프로세서가 사용자의 움직임을 새롭게 학습할 수 있도록 한다.

마이크로 프로세서는 전동 휠체어의 모드가 초기모드이면(S402), 사용자의 움직임을 학습하기 위하여 어깨(또는 목)의 움직임을 안내한다. 즉, 사용자가 전동 휠체어를 구동하기 위해서는, '직진', '후진', '좌로 회전', '우로 회전', '정지' 등의 명령을 입력할 수 있어야 한다. 따라서, 마이크로 프로세서는 사용자로부터 이 5가지 휠체어 명령에 대한 움직임 데이터를 입력받아서 저장해 놓아야 한다.

이를 위해 마이크로 프로세서는 초기모드에서 사용자에게 5가지 휠체어 명령을 화면에 표시하여 사용자로부터의 움직임 데이터 입력을 대기한다(S403). 예컨대, '직진' 명령을 어떤 움직임으로 설정할 것인지를 화면으로 문의하고, 사용자로부터의 입력을 대기한다. 이때, 사용자가 '직진' 명령에 대한 움직임을 양쪽 어깨를 동시에 위로 움직이는 것으로 설정하고자 하여, 양쪽 어깨를 동시에 위로 움직이는 동작을 반복 수행하면, 두 쌍의 쌍극전극이 양쪽 어깨 움직임에 대한 근전도 신호를 감지한다. 두 쌍의 쌍극전극이 감지한 근전도 신호는 앞서 서술한 차동증폭기와 노치필터와 대역통과필터와 A/D 변환기를 통해 전처리된 후 마이크로 프로세서로 입력된다. 마이크로 프로세서는 전처리된 근전도 신호가 입력되면, 입력된 근전도 신호로부터 패턴을 인식하는데 필요한 특징들을 추출한다(S405).

이때 추출하는 특징들에는 절대적분치(IAV), 분산치(VAR), 영교차수(ZC) 등이 있으며, 왼쪽 어깨의 근전도 신호와 오른쪽 어깨의 근전도 신호에 대해 각각 특징을 추출한다.

절대적분치(IAV : integral absolute value)는 일정 시간동안 획득한 근전도 신호의 절대값을 적분한 값으로서, 아래의 수학식 1과 같이 정의된다.

여기서, j는 채널번호, x_j는 채널 j에서 측정된 근전도 신호, i는 샘플의 순서, Δt는 샘플링 시간간격, N은 샘플의 수이다.

분산치(VAR : variance)는 근전도 신호가 평균값에서 얼마나 떨어져 분포되어 있는가를 나타내는 특징으로서, 아래의 수학식 2와 같이 표현된다.

여기서, 이며, x_j의 평균값이다.

영교차수(ZC : Zero Crossing)는 근전도 신호가 영점을 지나는 횟수로서, 아래의 수학식 3과 같이 표현된다.

여기서, 이다.

단계 S405에서 특징들을 추출한 후, 마이크로 프로세서는 추출된 근전도 신호의 특징집합들을 이용하여 패턴인식기(FMMNN : fuzzy min-max neural network)를 학습시키고(406), 학습된 정보를 메모리에 저장한다. 상술한 단계 S403 내지 S406의 단계들을 통해 하나의 휠체어 명령에 대한 사용자의 움직임 데이터가 학습된다.

다음, 필요한 모든 휠체어 명령에 대한 사용자 움직임 데이터가 모두 수집되었는 지를 판단한다(S407). 모든 데이터가 수집되었으면 실행모드로 전환한(S408) 후 단계 S401로 진행하고, 필요한 데이터의 수집이 완료되지 않았으면 다른 휠체어 명령에 대해 단계 S403 내지 단계 S406의 동작을 반복 수행한다.

초기모드에서 사용자가 설정한 휠체어 명령에 대한 어깨 움직임이 아래의 표 1과 같다고 가정한다.

사용자의 어깨 움직임	휠체어 명령
양쪽 어깨 움직이지 않음	정지
왼쪽 어깨 위로 움직임	좌로 회전
오른쪽 어깨 위로 움직임	우로 회전
양쪽 어깨 동시에 위로 움직임	직진
양쪽 어깨 번갈아 위로 움직임	후진

단계 S402에서 전동 휠체어가 실행모드이면, 사용자로부터의 휠체어 구동을 위한 데이터 입력을 대기하고 있다가(S409), 사용자로부터 근전도 신호가 입력되면(S410), 사용자로부터 입력된 근전도 신호에 대해 수학식 1 내지 수학식 3을 적용하여 특징들(절대적분치, 분산치, 영교차수)을 추출한다.

그리고, 마이크로 프로세서는 해당 특징들의 패턴을 분류하고 메모리를 검색하여, 사용자의 움직임에 해당하는 휠체어 명령을 인식한다(S412). 그리고 난 후, 마이크로 프로세서는 휠체어의 왼쪽 바퀴와 오른쪽 바퀴 구동을 위한 명령을 전동 휠체어 인터페이스부에게 출력하여 전동 휠체어를 구동한다(S413).

사용자가 '직진'에 해당하는 '양쪽 어깨를 동시에 위로 움직이는 동작'을 취하면, 마이크로 프로세서는 사용자의 움직임에 해당하는 근전도 신호의 특징들을 추출하여 이러한 사용자의 움직임을 감지하고, 이를 바탕으로 휠체어 명령을 인식한 후 전동 휠체어의 양쪽 바퀴들을 동시에 구동하는 제어신호를 출력한다. 사용자가 '좌로 회전' 또는 '우로 회전'에 해당하는 '왼쪽 어깨를 위로 움직이는 동작' 또는 '오른쪽 어깨를 위로 움직이는 동작'을 위하면, 마이크로 프로세서는 이러한 사용자의 움직임을 감지하고, 이를 바탕으로 회전하고자 하는 방향의 반대쪽 휠체어 바퀴만을 구동하는 제어신호를 출력한다. 사용자의 움직임이 '양쪽 어깨를 번갈아 위로 움직이는 동작'이면, 마이크로 프로세서는 전동 휠체어의 양쪽 바퀴들을 반대 방향으로 구동하는 제어신호를 출력한다.

도 5는 본 발명이 적용된 전동 휠체어의 인터페이스 방법을 적용한 전동 휠체어 시스템을 도시한다. 사용자의 목 근육이나 어깨 근육에 근전도 측정을 위한 2쌍의 쌍극전극을 붙이고(500), 사용자 근육의 근전도를 측정한다. 본 발명에 따른 인터페이스 장치(510)는 근전도 신호를 증폭하고, 입력된 근전도 신호를 휠체어 명령으로 변환하여, 전동 휠체어의 양쪽 바퀴를 구동하는 모터에 제공한다(520). 그러면 전동 휠체어는 사용자의 명령에 따라 구동한다.

이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 일 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 손을 자유롭게 움직이지 못하는 척수 손상 장애인도 어깨나 목 근육을 움직여서 전동 휠체어를 조종할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 근전도 신호를 이용한 전동 휠체어 인터페이스 장치를 도시한 구성도,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 근전도 신호를 이용한 전동 휠체어 인터페이스 방법을 도시한 개략적인 흐름도,

도 3은 근전도 신호 측정을 위한 후보 근육 위치를 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 프로세서의 제어방법을 도시한 동작 흐름도,

도 5는 본 발명에 따른 인터페이스 방법이 적용된 전동 휠체어의 전체 시스템도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

101a, 101b, 111a, 111b : 쌍극전극 102, 112 : 차동증폭기

103, 113 : 노치필터 104, 114 : 대역통과필터

121 : A/D 변환기 122 : 마이크로 프로세서

123 : 메모리 124 : 키입력부

125 : 표시부 126 : 휠체어 명령 인터페이스부

Claims (13)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 사용자의 근육에 장착되어 사용자의 근전도신호를 획득하는 다수의 쌍극전극과, 상기 근전도신호로부터 사용자 근육의 움직임을 인식하고 상기 사용자 근육의 움직임에 해당하는 휠체어 구동 명령을 인식하여 상기 전동 휠체어를 구동하는 마이크로프로세서를 구비한 전동 휠체어의 인터페이스 방법에 있어서,

   상기 마이크로프로세서는 학습모드 동작시 상기 휠체어 구동 명령에 해당하는 사용자 근육의 움직임을 학습하는 학습모드구동단계와, 실행모드 동작시 사용자의 움직임을 인식하고 상기 사용자의 움직임에 해당하는 휠체어 구동 명령을 인식하는 움직임인식단계와, 상기 인식한 휠체어 구동 명령에 따라 상기 전동 휠체어를 구동하는 휠체어구동단계를 포함하고,

   상기 학습모드구동단계는 사용자에게 휠체어 구동 명령을 표시하며 상기 휠체어 구동 명령에 해당하는 움직임을 하도록 요구하는 움직임명령요구단계와, 상기 움직임명령요구단계 후 다수의 쌍극전극으로부터 입력되는 사용자의 근전도신호를 획득하는 움직임명령신호획득단계와, 상기 움직임명령신호획득단계에서 획득한 사용자의 근전도신호로부터 절대적분치, 분산치, 영교차수 등의 특징값들을 추출하여 패턴인식기를 학습시키고 상기 학습된 정보를 메모리에 저장하는 저장단계를 포함하고,

   상기 움직임인식단계는 상기 다수의 쌍극전극으로부터 사용자의 근전도신호를 획득하는 신호획득단계와, 상기 획득된 근전도신호로부터 절대적분치, 분산치, 영교차수 등의 특징값들을 추출하는 특징값추출단계와, 상기 추출한 특징값들을 상기 메모리에 적용하여 상기 추출한 특징값들에 해당하는 휠체어 구동 명령을 검색하는 검색단계를 포함한 것을 특징으로 하는 근전도 신호를 이용한 전동 휠체어 인터페이스 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 절대적분치는 일정시간 동안의 상기 근전도신호의 절대값을 적분한 값인 것을 특징으로 하는 근전도 신호를 이용한 전동 휠체어 인터페이스 방법.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 분산치는 상기 근전도신호가 평균값에서 얼마나 떨어져서 분포되어 있는가를 나타내는 값인 것을 특징으로 하는 근전도 신호를 이용한 전동 휠체어 인터페이스 방법.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 영교차수는 상기 근전도신호가 영점을 지나는 횟수인 것을 특징으로 하는 근전도 신호를 이용한 전동 휠체어의 인터페이스 방법.
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