KR101428323B1 - 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법 - Google Patents

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Abstract

행동양식에 관한 대표적인 뇌파의 파형으로 구성된 복수의 클래스를 마련하는 준비단계; 제1시간을 주기로 측정된 뇌파가 어느 클래스에 속하는지 판단하는 분류단계; 제1시간보다 긴 제2시간을 주기로 하며, 제2시간 동안 어떠한 클래스가 몇 번 감지되는지 체크하는 체크단계; 클래스별로 제2시간 동안의 체크횟수와 샘플링횟수의 비율을 통하여 클래스별 집중도를 판단하는 판단단계; 및 클래스별 집중도에 따라 해당하는 행동양식에 관한 구동력을 제어하는 제어단계;를 포함하는 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법이 소개된다.

Description

뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법 {METHOD FOR CONTROLLING MANIPULATOR USING BRAIN WAVE}
본 발명은 근력 증강 힘 알고리즘에 뇌파 측정값을 센서 입력 값으로 활용하여 기구부의 동작을 제어할 수 있는 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 기구부 구동시 사용자의 의도 파악을 위해 토크, 힘 센서 등을 이용하여 사용자와 기구부 사이에 작용하는 물리적인 힘을 측정하여 사용하는 pHRI(physical Human Robot Interaction) 기법을 이용하고 있다. 이러한 방법은 정확하고 신뢰성 있는 신호 획득이 가능한 반면, 동작에 대한 상호작용의 측정이 동작이 일어난 후에 발생하게 된다.
이러한 단점으로 인해 인체로부터 직접 측정하여 동작이 발생하기 전 사용자의 의도를 예측하여 사용하는 cHRI(cognitive Human Robot Interaction) 기법의 관심이 높아지고 있다. 본 발명은 cHRI 기법 중 하나인 뇌파 측정을 통하여 근력 증강 힘 알고리즘에 뇌파 측정값을 센서 입력 값으로 활용하여 기구부의 동작을 제어할 수 있는 알고리즘을 제안하고자 하는 것이다.
종래의 KR10-2012-0100320 A "준비전위기반 뇌-컴퓨터 인터페이스 장치 및 방법"은 "뇌파 검출 장치를 통해 측정된 준비 전위 신호를 전처리하는 전처리부와; 상기 전처리된 준비 전위 신호에서 잡음을 제거하는 잡음제거부와; 상기 잡음이 제거된 준비 전위 신호의 세기, 위상, 발생장소, 발생시점 중 하나 이상을 계산하여 사용자의 의도와 관련된 특징을 추출하는 신호처리부와; 그리고 상기 추출된 데이터가 어떤 동작을 위한 것인지가 분류하는 데이터 분류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌-컴퓨터 인터페이스 장치."를 제시한다.
그러나 이러한 종래의 방법에 의하더라도 측정된 뇌파를 통하여 얼마나 정확하게 의도를 가려내고 이를 통하여 적절하게 매니퓰레이터를 구동하는 방안에 대하여는 제시되지 않았던 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2012-0100320 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 근력 증강 힘 알고리즘에 뇌파 측정값을 센서 입력 값으로 활용하여 기구부의 동작을 제어할 수 있는 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법은, 행동양식에 관한 대표적인 뇌파의 파형으로 구성된 복수의 클래스를 마련하는 준비단계; 제1시간을 주기로 측정된 뇌파가 어느 클래스에 속하는지 판단하는 분류단계; 제1시간보다 긴 제2시간을 주기로 하며, 제2시간 동안 어떠한 클래스가 몇 번 감지되는지 체크하는 체크단계; 클래스별로 제2시간 동안의 체크횟수와 샘플링횟수의 비율을 통하여 클래스별 집중도를 판단하는 판단단계; 및 클래스별 집중도에 따라 해당하는 행동양식에 관한 구동력을 제어하는 제어단계;를 포함한다.
상기 준비단계는 하나의 클래스마다 복수의 대표적인 뇌파 파형을 마련할 수 있다.
상기 제2시간에는 복수의 제1시간이 포함되며, 상기 판단단계는 제2시간에 포함되는 제1시간의 개수를 샘플링횟수로 할 수 있다.
상기 판단단계는 클래스별로 체크횟수/샘플링횟수의 비율이 50%를 넘는 경우 집중도가 높은 것으로 판단하고 50%를 넘지 못하는 경우 집중도가 낮은 것으로 판단할 수 있다.
상기 제어단계는 집중도가 높은 경우 해당 행동양식에 관한 구동력을 증가시키고, 집중도가 낮은 경우 해당 행동양식에 관한 구동력을 감소시킬 수 있다.
상기 제어단계는 구동력의 최소값을 0으로 정의함으로써, 집중도가 지속적으로 낮은 것으로 판단되는 경우에도 구동력이 음의 값을 갖지 않도록 할 수 있다.
상기 제2시간은 0.4초일 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법에 따르면, 본 발명은 사용자와 기구부 사이의 상호작용 측정이 사용자의 동작이 일어난 후에 발생하게 되는 pHRI와 달리 사용자의 의도를 미리 예측하여 기구부를 구동시킬 수 있는 cHRI 기법을 사용할 수 있다.
뇌파 측정 장비를 통해 사용자가 기구부를 움직이려는 의도를 가질 때 뇌파를 감지하여 이 신호 값을 토크 값으로 환산하고 기구부를 작동시켜 보다 빠르고 직관적인 HRI(Human Robot Interaction)를 구현할 수 있다.
또한, 다수의 클래스를 통한 비교판단과 그 가중치의 판단을 통하여 상당히 사람의 실제 생각과 일치되어 구동될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법의 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법의 순서도로서 ,본 발명의 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법은, 행동양식에 관한 대표적인 뇌파의 파형으로 구성된 복수의 클래스를 마련하는 준비단계(S120); 제1시간을 주기로 측정된 뇌파가 어느 클래스에 속하는지 판단하는 분류단계(S220); 제1시간보다 긴 제2시간을 주기로 하며, 제2시간 동안 어떠한 클래스가 몇 번 감지되는지 체크하는 체크단계(S240); 클래스별로 제2시간 동안의 체크횟수와 샘플링횟수의 비율을 통하여 클래스별 집중도를 판단하는 판단단계(S260); 및 클래스별 집중도에 따라 해당하는 행동양식에 관한 구동력을 제어하는 제어단계(S400);를 포함한다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 근력 증강 힘 알고리즘에 뇌파 측정값을 센서 입력 값으로 활용하여 기구부의 동작을 제어할 수 있는 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법에 관한 것이다.
즉, 뇌파를 이용하여 로봇 등의 매니퓰레이터를 제어하는 것으로서, 먼저 행동양식에 관한 대표적인 뇌파의 파형으로 구성된 복수의 클래스를 마련하는 준비단계(S120)를 수행한다.
이를 위해 사용자의 의도에 따른 뇌파를 수집하고, 그 뇌파의 파형에 따라 의도별로 분류하며, 이를 통해 클래스를 형성한다(S120).
뇌파의 클래스는 복수의 행동양식에 따라 마련되는데, 예를들어 '오른쪽으로 이동', '왼쪽으로 이동', '상방으로 이동' 등으로 들 수 있다.
이렇게 마련된 클래스에는 각각 고유한 형태의 뇌파가 대표 파형으로 저장된다. 따라서, 사람의 특정 의도에 따른 특정 뇌파가 입력되면 클래스에 저장된 대표 뇌파와 비교하여 의도한 특정 행동양식을 도출하는 것이다.
한편, 이러한 클래스들이 미리 마련된 상태에서 사용자의 뇌파를 특정한다(S200). 즉, 제1시간을 주기로 뇌파를 측정(S200)하고 측정된 뇌파가 어느 클래스에 속하는지 판단하는 분류단계(S220)를 수행한 후, 제1시간보다 긴 제2시간을 주기로 하며, 제2시간 동안 어떠한 클래스가 몇 번 감지되는지 체크하는 체크단계(S240)를 수행한다.
즉, 하나의 뇌파를 통해 매 순간마다 제어를 할 경우에는 뇌파의 노이즈에 따라 올바른 제어가 어렵기 때문에, 일정시간을 두고 뇌파를 지속적으로 관찰하여 추세를 판단하도록 하는 것이다.
즉, 0.1초 간격으로 제1시간을 정하여 뇌파를 매 시간마다 측정하고 클래스를 판단한다면, 0.4초의 제2시간을 주기로 하여 4번 측정이 이루어지는 것이다.
따라서, 제2시간 동안 어떠한 클래스가 몇 회 측정되었는지를 체크하여 해당 클래스에 연결된 행동양식을 하고자 하는 사용자의 추세인 의도를 알 수 있는 것이다.
즉, 클래스별로 제2시간 동안의 체크횟수와 샘플링횟수의 비율을 통하여 클래스별 집중도를 판단하는 판단단계(S260)를 수행한다. 예를 들어, 0.4초의 시간 동안 4번의 뇌파측정이 이루어지고 그에 따라 4번의 클래스 측정이 이루어진 경우, '오른쪽으로 이동'에 관련된 뇌파가 3번 측정되었다면 3/4으로서 매우 높은 집중도라고 할 수 있다. 따라서, 이에 따라 실제 매니퓰레이터의 오른쪽 이동을 강하게 수행할 수 있도록 가중하는 것이다. 이러한 과정을 통하여 실질적인 사용자의 의도를 사용자가 발산하는 뇌파의 집중도를 통하여 간접적으로 유추함으로써 의도와 실제 매니퓰레이터 행동양식 간의 상관관계를 키우는 것이다.
그리고, 클래스별 집중도에 따라 해당하는 행동양식에 관한 구동력을 제어하는 제어단계(S400)를 수행한다.
구체적으로, 상기 준비단계(S120)는 하나의 클래스마다 복수의 대표적인 뇌파 파형을 마련하도록 한다. 즉, 하나의 대표 외파 파형으로는 올바르고 정확한 판단이 어렵기 때문에, 유사한 복수의 뇌파 군을 하나의 클래스와 매칭하여 두는 것이다.
그리고, 상기 제2시간에는 복수의 제1시간이 포함되며, 상기 판단단계(S260)는 제2시간에 포함되는 제1시간의 개수를 샘플링횟수로 할 수 있다. 즉, 예를 들어 뇌파를 0.1초 간격으로 측정할 경우 0.1초가 제1시간이 되는 것이며, 이를 0.4초 간격으로 샘플링할 경우 제2시간은 0.4초가 되고 샘플링횟수는 총 4회가 되는 것이다.
한편, 상기 판단단계(S260)는 클래스별로 체크횟수/샘플링횟수의 비율이 50%를 넘는 경우 집중도가 높은 것으로 판단하고 50%를 넘지 못하는 경우 집중도가 낮은 것으로 판단하도록 한다(S300).
그리고 그에 따라 제어단계(S400)는 집중도가 높은 경우 해당 행동양식에 관한 구동력을 증가시키고, 집중도가 낮은 경우 해당 행동양식에 관한 구동력을 감소시키는 것이다.
즉, 4회의 측정 동안 '오른쪽으로 이동'이 3회 계측되고 '위로 이동'이 1회 계측되었다면 실제 매니퓰레이터의 제어에 있어 오른쪽으로 이동하는 힘은 다소 증가시키고 위로 이동하는 힘은 다소 감소시킴으로써 사용자의 집중도에 따라 매니퓰레이터의 제어가 이루어지도록 하는 것이다.
즉, 도시된 바와 같이 집중도에 관련된 변수인 τ_cog를 클래스마다 마련하고 계측된 해당 클래스에 대하여 τ_cog를 가감(S320,S340)함으로써 매니퓰레이터의 구동부에 지령되는 토크인 τ_a를 가감시킬 수 있는 것이다(S322,S342).
그리고, 상기 제어단계(S400)는 구동력의 최소값을 0으로 정의함으로써, 집중도가 지속적으로 낮은 것으로 판단되는 경우에도 구동력이 음의 값을 갖지 않도록 한다. 즉, 만약 위의 사례에서, '위로의 이동'이 계속하여 계측되기는 하나, 그 집중도가 지속적으로 낮을 경우에는 '위로의 이동'을 계속 마이너스시켜 음(-)의 값으로 인식하는 것이 아니라 종국에는 0으로 인식한다는 것이다.
왜냐하면, 사용자가 '위로의 이동'에 대한 음의 값은 결국 '아래로의 이동'으로 귀결되나, 이는 사용자가 원하는 동작이 아니기 때문이다. 만약 사용자가 '아래로의 이동'을 의도한 것이라면 '아래로의 이동' 클래스에 해당하는 뇌파가 관측되었을 것이므로, '위로의 이동'에 관한 뇌파가 미약하게 지속적으로 관측되었다는 사실만으로는 이를 반대로 해석하는 것은 무리이기 때문이다.
그리고 상기 제2시간은 0.4초일 수 있다. 왜냐하면 0.4초가 바로 사람의 생체반응주기시간이기 때문이다. 따라서, 이러한 의도를 파악하는 주기를 0.4초로 할 경우 사용자가 실제 생각하여 의도하는 주기와 일치되기 때문에 상당히 정확한 타이밍으로 사용자의 생각과 동화될 수 있는 것이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법에 따르면, 본 발명은 사용자와 기구부 사이의 상호작용 측정이 사용자의 동작이 일어난 후에 발생하게 되는 pHRI와 달리 사용자의 의도를 미리 예측하여 기구부를 구동시킬 수 있는 cHRI 기법을 사용할 수 있다.
뇌파 측정 장비를 통해 사용자가 기구부를 움직이려는 의도를 가질 때 뇌파를 감지하여 이 신호 값을 토크 값으로 환산하고 기구부를 작동시켜 보다 빠르고 직관적인 HRI(Human Robot Interaction)를 구현할 수 있다.
또한, 다수의 클래스를 통한 비교판단과 그 가중치의 판단을 통하여 상당히 사람의 실제 생각과 일치되어 구동될 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
S120 : 준비단계 S220 : 분류단계
S240 : 체크단계 S260 : 판단단계
S400 : 제어단계

Claims (7)

  1. 행동양식에 관한 대표적인 뇌파의 파형으로 구성된 복수의 클래스를 마련하는 준비단계(S120);
    제1시간을 주기로 측정된 뇌파가 어느 클래스에 속하는지 판단하는 분류단계(S220);
    제1시간보다 긴 제2시간을 주기로 하며, 제2시간 동안 어떠한 클래스가 몇 번 감지되는지 체크하는 체크단계(S240);
    제2시간 동안 클래스를 감지한 총 횟수인 샘플링횟수와 제2시간 동안 각 클래스별로 체크된 체크횟수의 비율을 통하여 각 클래스별 집중도를 판단하는 판단단계(S260); 및
    클래스별 집중도에 따라 해당하는 행동양식에 관한 구동력을 제어하는 제어단계(S400);를 포함하는 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 준비단계(S120)는 하나의 클래스마다 복수의 대표적인 뇌파 파형을 마련하는 것을 특징으로 하는 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2시간에는 복수의 제1시간이 포함되며, 상기 판단단계(S260)는 제2시간에 포함되는 제1시간의 개수를 샘플링횟수로 하는 것을 특징으로 하는 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 판단단계(S260)는 클래스별로 체크횟수/샘플링횟수의 비율이 50%를 넘는 경우 집중도가 높은 것으로 판단하고 50%를 넘지 못하는 경우 집중도가 낮은 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어단계(S400)는 집중도가 높은 경우 해당 행동양식에 관한 구동력을 증가시키고, 집중도가 낮은 경우 해당 행동양식에 관한 구동력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어단계(S400)는 구동력의 최소값을 0으로 정의함으로써, 집중도가 지속적으로 낮은 것으로 판단되는 경우에도 구동력이 음의 값을 갖지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2시간은 0.4초인 것을 특징으로 하는 뇌파측정을 이용한 매니퓰레이터 제어방법.
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