KR101455518B1 - 뇌파를 이용한 전자의수 제어 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

뇌파를 이용한 전자의수 제어 방법 및 그 장치가 개시된다. 뇌파를 이용한 전자의수 제어 방법은 움직임 동작 상상에 따른 주파수별 뇌파 신호를 측정하는 단계; 상기 측정된 주파수별 뇌파 신호를 파워스펙트럼 분석을 통해 각 주파수별상태 파워값을 도출하는 단계; 상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 동작 상태 및 악력 단계별 세기에 따라 전자의수의 힘의 세기를 차등적으로 제어하는 단계를 포함한다.

Description

뇌파를 이용한 전자의수 제어 방법 및 그 장치{Method and apparatus for controlling of artificial arm using electroencephalogram}
본 발명은 전자의수 제어에 관한 것으로, 보다 상세하게 뇌파를 이용하여 움직임 동작 및 악력의 세기에 따라 전자의수를 보다 정밀하게 제어할 수 있는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
2011년 보건복지부에서 발표한 장애인 통계 조사를 따르면 국내 추정 장애 인구는 2000년 약 1,449,496명에서 2011년 2,683,477명으로, 10년간 1,233,981명이 증가하였다. 통계를 보면 장애의 원인 중 90.5%가 후천적 질환이나 사고로 말미암아 발생하는 것으로 보고되어 불의의 사고나 예상치 못한 질병으로 장애 인구가 증가하는 것으로 나타났다. 이 중에서도 사지가 불편한 지체장애(53.1%)나 뇌병변장애(10.4%)가 각각 1, 2위의 높은 비중을 차지하고 있다. 지체장애나 뇌병변장애의 경우 신체적 기능을 잃거나 일상 생활 시 행동이 제한된 사람으로 정의된다. 이러한 장애를 가진 사람일수록 타인에 의존하지 않고 자신의 의지로 신체를 자유자재로 움직일 수 있도록 도와주는 기구가 필요하지만, 현재 국내는 보조 기구나 인공 신체에 관한 연구와 지원이 부족한 현실이다. 최근 이러한 점을 해결하고자 세계적으로 뇌파를 이용한 연구 사례들이 많이 나오고 있다. 인간의 뇌에서 생각하거나 행동을 할 때 20-100
Figure 112013019874760-pat00001
의 낮은 전압을 측정할 수 있는데 이를 뇌파(EEG: Electroencephalogram, 이하 EEG라 칭함)라하며, 측정방식에 따라 침습적 방법과 비침습적 방법으로 나뉘게 된다. 비침습적 방법은 머리 두피에 전극을 부착하여 측정할 수 있는데, 이렇게 측정된 EEG 신호를 전처리과정을 거쳐 사용자로 하여금 기계를 조종할 수 있는 이른바 뇌와 컴퓨터 통신(BCI: brain computer interface, 이하 BCI라 칭하기로 함)기술이 급속하게 발전하고 있다. 국내에서는 신체 마비 환자를 위한 근전도를 활용한 휠체어 연구가 보고된 바 있고, 유럽의 최근 연구에 따르면 사지 마비환자들을 대상으로 EEG를 활용한 로봇 팔 제어에 성공한 사례가 있다.
그러나, 이러한 기존의 BCI 기술은 힘의 크기를 고려하지 않아 정밀하게 전자의수 또는 로봇의 손 또는 팔 등을 제어할 수 없는 문제가 존재한다.
본 발명은 뇌파를 이용하여 의료기기의 움직임 동작 및 악력의 세기에 따라 전자의수를 보다 정밀하게 제어할 수 있는 뇌파를 이용한 전자의수 제어 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 뇌파를 이용하여 의료기기의 움직임 동작 및 악력의 세기에 따라 전자의수를 보다 정밀하게 제어할 수 있는 의수 제어 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 움직임 동작 상상에 따른 주파수별 뇌파 신호를 측정하는 뇌파 측정부; 상기 측정된 주파수별 뇌파 신호를 파워스펙트럼 분석을 통해 각 주파수별상태 파워값을 도출하고, 상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 분석부; 및 상기 결정된 동작 상태 및 악력 단계별 세기에 따라 전자의수의 힘의 세기를 차등적으로 제어하는 제어부를 포함하는 전자의수 제어 장치가 제공될 수 있다.
상기 분석부는, 상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여, 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하고, 상기 감마(γ)파의 상태 파워값이 감소하면, 동작 상태를 휴식 상태에서 움직임 상태로 변경하고, 상기 악력 단계별 세기를 제1 단계로 결정할 수 있다.
상기 분석부는, 상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여, 상기 동작 상태가 휴식 상태로 설정된 상태에서 상기 알파(α)파의 상태 파워값이 감소한 후 증가하면 상기 동작 상태를 움직임 상태로 변경하고, 상기 악력 단계별 세기를 제2 단계로 결정할 수 있다.
상기 분석부는, 상기 동작 상태가 움직임 상태로 변경 설정된 상태에서, 베타(β)파의 상태 파워값이 감소한 후 증가하면, 상기 악력 단계별 세기를 제3 단계로 결정할 수 있다.
상기 분석부는, 상기 동작 상태가 휴식 상태로 설정된 상태에서 상기 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하고, 상기 감마(γ)파의 상태 파워값이 감소하고, 상기 상기 베타(β)파의 상태 파워값이 증가하면 상기 동작 상태를 움직임 상태로 변경하고, 상기 악력 단계별 세기를 제3 단계로 결정할 수 있다.
상기 분석부는, 상기 동작 상태가 움직임 상태로 설정된 상태에서 상기 알파(α)파의 상태 파워값을 분석하여 감소하면, 상기 동작 상태를 휴식 상태로 변경 설정할 수 있다.
상기 분석부는, 상기 동작 상태가 움직임 상태로 변경 설정된 상태에서 상기 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하면, 상기 동작 상태를 지속 상태로 변경 설정할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 뇌파를 이용하여 의료기기의 움직임 동작 및 악력의 세기에 따라 전자의수를 보다 정밀하게 제어할 수 있는 방법 및 그 방법을 수행하기 위한 프로그램을 기록한 기록매체가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 움직임 동작 상상에 따른 주파수별 뇌파 신호를 측정하는 단계; 상기 측정된 주파수별 뇌파 신호를 파워스펙트럼 분석을 통해 각 주파수별상태 파워값을 도출하는 단계; 상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 동작 상태 및 악력 단계별 세기에 따라 전자의수의 힘의 세기를 차등적으로 제어하는 단계를 포함하는 전자의수 제어 방법이 제공될 수 있다.
상기 주파수별 뇌파 신호는 사용자의 신체 일 영역에 부착된 복수의 전극을 이용하여 측정되되, 상기 복수의 전극은 10-20 전극 배치 방법에 따라 C3 및 C4 영역에 배치된다.
상기 주파수별 뇌파 신호는 알파(α)파, 베타(β)파 및 감마(γ)파일 수 있다.
상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 단계는, 상기 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하고, 상기 감마(γ)파의 상태 파워값이 감소하면, 동작 상태를 휴식 상태에서 움직임 상태로 변경하고, 상기 악력 단계별 세기를 제1 단계로 결정하는 단계를 포함할 수 잇다.
상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 단계는, 상기 동작 상태가 휴식 상태로 설정된 상태에서 상기 알파(α)파의 상태 파워값이 감소한 후 증가하면 상기 동작 상태를 움직임 상태로 변경하고, 상기 악력 단계별 세기를 제2 단계로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 단계는, 상기 동작 상태가 움직임 상태로 변경 설정된 상태에서, 상기 베타(β)파의 상태 파워값이 감소한 후 증가하면, 상기 악력 단계별 세기를 제3 단계로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 단계는, 상기 동작 상태가 휴식 상태로 설정된 상태에서 상기 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하고, 상기 감마(γ)파의 상태 파워값이 감소하고, 상기 상기 베타(β)파의 상태 파워값이 증가하면 상기 동작 상태를 움직임 상태로 변경하고, 상기 악력 단계별 세기를 제3 단계로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 단계는, 상기 동작 상태가 움직임 상태로 변경 설정된 상태에서 상기 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하면, 상기 동작 상태를 지속 상태로 변경 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파를 이용한 전자의수 제어 방법 및 그 장치를 제공함으로써, 뇌파를 이용하여 의료기기의 움직임 동작 및 악력의 세기에 따라 전자의수를 보다 정밀하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파를 이용하여 전자의수를 제어할 수 있는 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 배치 방법을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자의수를 제어하는 방법을 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 방법을 나타낸 순서도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 악력 단계별 세기에 따른 각 주파수별 상태 파워값을 나타낸 표.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 C3 및 C4 위치의 전극을 통해 측정된 각 주파수별 상태 파워값의 동작 상태에 따른 변화량을 도시한 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCA를 이용하여 악력 단계별 세기에 따른 뇌파 신호를 분류한 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 다른 LDA 분류를 이용하여 악력 단계별 세기에 따른 뇌파 신호를 분류한 결과를 나타낸 그래프.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파를 이용하여 전자의수를 제어할 수 있는 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 배치 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자의수 제어 장치(100)는 뇌파 측정부(110), 신호처리부(115), 분석부(120), 메모리(125) 및 제어부(130)를 포함하여 구성된다.
뇌파 측정부(110)는 사용자의 특정 움직임 동작 상상에 따른 뇌파를 측정하기 위한 수단이다. 예를 들어, 뇌파 측정부(110)는 사용자의 신체 일 영역(예를 들어, 두피)에 배치/부착된 복수의 전극을 통해 뇌파를 측정할 수 있다. 도 2에는 사용자의 신체 일 영역에 복수의 전극을 배치/부착한 일 예가 도시되어 있다. 도 2와 같이 복수의 전극은 10-20 전극 배치 방법에 따라 사용자의 신체 일 영역에 배치 부착된다. 복수의 전극은 10-20 전극 배치 방법에 따른 따른 C3, C4 위치에 운전자의 신체 일 영역에 배치/부착될 수 있다. 본 명세서에서는 사용자의 움직임 동작이 좌우 손 또는 팔인 것을 가정하므로 C3, C4 위치에 전극을 배치 부착하는 것을 가정하나 움직임 동작이 상이해지는 경우 전극 부착 위치는 상이해질 수 있음은 당연하다. 또한, 뇌파 측정은 비침습적 방식으로 측정될 수 있다.
일반적으로 뇌파의 주파수에 따른 대역별 특성, 시간 영역에서의 특성 등은 사람의 어떤 뇌가 기능을 하고 있는지에 따라 변화하게 되며, 주파수와 전압의 범위에 따라 델타, 쎄타, 알파, 베타, 감마파 등으로 나눠진다.
뇌파의 각 주파수별 특징은 아래와 같다.
델타(δ)파는 0.1~3Hz의 주파수와 20~200μV의 진폭을 보이며, 정상인의 깊은 수면 상태나 신생아들로부터 주로 나타난다.
쎄타(θ)파는 4~7Hz의 주파수와 20~100μV의 진폭을 보이며, 정서적으로 안정된 상태나 수면상태에서 나타난다.
알파(α)파는 8~13Hz의 주파수와 20~60μV의 진폭을 보이며, 주로 두정부와 후두부 지역에서 발견된다. 또한, 알파(α)는 긴장이 이완된 안정되고 편안한 상태, 폐안시 나타나며, 눈을 뜨거나 흥분시 억제되는 특성이 있다.
베타(β)파는 13~30Hz의 주파수와 2~20μV의 진폭을 보이며, 전두부에서 많이 나타난다. 베타(β)파는 의식이 있는 상태 및 활동시나 집중하여 문제를 해결하는 경우 주로 나타난다.
감마(γ)파는 30~50Hz의 주파수와 2~20μV의 진폭을 보이며, 강한 흥분 상태 또는 고도의 인지 정보 처리시 나타난다.
신호처리부(115)는 뇌파 측정부(110)를 통해 측정된 뇌파를 미리 정해진 필터를 이용하여 정해진 주파수 대역의 뇌파 신호만을 필터링하기 위한 수단이다. 신호처리부(115)는 필터링된 뇌파 신호를 분석부(120)로 출력한다.
예를 들어, 신호처리부(115)는 측정된 뇌파를 밴드 패스 필터를 이용하여 알파(α), 베타(β) 및 감마(γ)에 해당하는 뇌파를 필터링하여 분석부(120)로 출력할 수 있다.
분석부(120)는 신호처리부(115)에 의해 필터링된 뇌파(예를 들어, 알파(α)파, 베타(β)파 및 감마(γ)파)를 파워스펙트럼 분석을 통해 상대적 파워값(이하, 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 상태 파워값이라 칭하기로 함)을 도출하고, 상태 파워값을 이용하여 움직임 동작에 따른 동작 상태 및 악력의 단계별 세기를 결정하기 위한 수단이다.
예를 들어, 동작 상태는 휴식 상태, 움직임 상태 및 지속 상태 중 어느 하나일 수 있다.
휴식 상태는 움직임이지 않는 일반적인 상태를 나타내고, 움직임 상태는 악력을 가하는 상태를 나타내며, 지속 상태는 악력 세기를 유지하려는 상태를 나타낸다.
예를 들어, 분석부(120)는 각 주파수별 상태 파워값의 변화 추이를 분석하여, 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하고, 감마(γ)파의 상태 파워값이 감소하는 추세이면, 분석부(120)는 동작 상태를 움직임 상태 또는 지속 상태로 결정할 수 있다.
예를 들어, 분석부(120)는 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하고, 감마(γ)파의 상태 파워값이 감소하면, 동작 상태를 휴식 상태에서 움직임 상태로 변경할 수 있다. 즉, 동작 상태를 디폴트 상태로 휴식 상태로 설정될 수 있다.
이와 같이, 동작 상태가 움직임 상태로 변경된 상태에서, 분석부(120)는 알파(α)파의 상태 파워값이 지속적으로 증가하고, 감마(γ)파의 상태 파워값이 지속적으로 감소하면, 동작 상태를 움직임 상태에서 지속 상태로 변경할 수 있다.
또한, 동작 상태가 지속 상태인 경우, 알파(α)파의 상태 파워값이 감소하면, 분석부(120)는 동작 상태를 휴식 상태로 변경할 수 있다.
또한, 분석부(120)는 동작 상태가 움직임 상태로 변경되면, 악력 단계별 세기를 제1 단계로 변경한다. 본 명세서에서는 악력 단계별 세기의 디폴트값은 0으로 설정되어 있는 것을 가정하기로 한다. 이와 같은 상태에서 분석부(120)는 각 주파수별 상태 파워값의 변화 추이를 분석하여 알파(α)파가 지속적으로 증가하고, 감마(γ)파의 상태 파워값이 감소하면 동작 상태를 지속 상태로 변경할 수 있다.
또한, 분석부(120)는 동작 상태가 휴식 상태인 경우, 각 주파수별 상태 파워값의 변화 추이를 분석하여 알파(α)파의 상태 파워값이 감소하는 경우 악력의 단계별 세기를 제2 단계로 증가시키는 것으로 인식할 수 있다.
즉, 분석부(120)는 동작 상태가 휴식 상태인 경우, 알파(α)파의 상태 파워값이 감소한 후 증가하고, 감마(γ)파의 상태 파워값이 감소하면, 동작 상태를 움직임 상태로 변경하고, 악력 단계별 세기를 제2 단계로 결정할 수 있다.
또한, 분석부(120)는 동작 상태가 움직임 상태인 경우, 베타(β)파의 상태 파워값의 변화 추이를 분석한 후, 베타(β)파의 상태 파워값이 감소한 후 커지면 악력 단계별 세기를 제3 단계로 결정할 수 있다.
메모리(125)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자의수 제어 장치(100)를 운용하기 위해 필요한 다양한 어플리케이션을 저장한다. 또한, 메모리(125)는 측정된 뇌파와 뇌파에 대한 주파수별 상태 파워값을 저장한다.
제어부(130)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자의수 제어 장치(100)의 내부 구성 요소들(예를 들어, 뇌파 측정부(110), 분석부(120), 메모리(125) 등)을 제어하기 위한 수단이다.
또한, 제어부(130)는 분석부(120)에 의해 분석된 동작 상태 및 악력의 단계별 세기에 따라 전자의수를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자의수를 제어하는 방법을 나타낸 순서도이다. 이하에서 설명되는 각각의 단계는 전자의수 제어 장치의 각 내부 구성 요소에 의해 수행되나 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 전자의수 제어 장치(100)로 통칭하여 설명하기로 한다. 또한, 이하에서는 전자의수의 악력의 세기를 단계별로 조절하여 제어하는 방법을 중심으로 설명하기로 한다.
단계 310에서 전자의수 제어 장치(100)는 사용자의 신체 일 영역에 부착된 복수의 전극을 통해 뇌파 신호를 측정한다. 복수의 전극을 신체 일 영역에 부착하는 방법에 대해서는 이미 전술한 바와 동일하므로 이에 대한 별도의 설명은 생략하기로 한다.
단계 315에서 전자의수 제어 장치(100)는 측정된 뇌파 신호를 필터링하여 불필요한 주파수 대역 및 노이즈를 제거한다.
본 명세서에서는 이미 전술한 바와 같이, 전자의수 제어 장치(100)가 밴드패스 필터를 이용하여 알파(α)파, 베타(β)파 및 감마(γ)파에 상응하는 주파수 대역만을 획득할 수 있다.
이어, 단계 320에서 전자의수 제어 장치(100)는 필터링된 뇌파 신호를 파워스펙트럼 분석을 통해 각 주파수별 상태 파워값을 각각 도출한다.
또한, 단계 325에서 전자의수 제어 장치(100)는 도출된 각 주파수별 상태 파워값의 변화 추이를 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정한다. 이에 대해서는 하기에서 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
단계 330에서 전자의수 제어 장치(100)는 결정된 동작 상태 및 악력 단계별 세기에 따라 전자의수를 제어한다.
예를 들어, 전자의수 제어 장치(100)는 동작 상태가 움직임 상태 또는 지속 상태인 경우, 악력 단계별 세기에 따라 전자의수에 힘이 가해지도록 제어할 수 있다.
이하에서는 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 구체적 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 방법을 나타낸 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 악력 단계별 세기에 따른 각 주파수별 상태 파워값을 나타낸 표이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 C3 및 C4 위치의 전극을 통해 측정된 각 주파수별 상태 파워값의 동작 상태에 따른 변화량을 도시한 그래프이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCA를 이용하여 악력 단계별 세기에 따른 뇌파 신호를 분류한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 다른 LDA 분류를 이용하여 악력 단계별 세기에 따른 뇌파 신호를 분류한 결과를 나타낸 그래프이다. 이하, 본 명세서에서는 동작 상태가 디폴트 상태로 휴식 상태로 설정되어 있는 것을 가정하여 설명하기로 한다.
도 5는 각 피험자들을 대상으로 일정 횟수(예를 들어, 50회) 동안 반복적으로 뇌파 신호를 측정한 후 각 주파수별 상태 파워값을 도출한 후 이에 대한 평균값을 나타낸 그래프이다.
도 5의 결과를 도출하기 위해 왼손으로 실험하는 경우 C4의 위치에 부착된 전극을 통해 측정된 뇌파 신호를 이용하여 각 주파수별 상태 파워값을 도출하였으며, 오른손으로 실험하는 경우, C3 위치에 부착된 전극을 통해 측정된 뇌파 신호를 이용하여 각 주파수별 상태 파워값을 도출하였다.
또한, 각 악력 단계별 세기를 측정하기 위해 악력기를 통해 각 단계별(즉, 제1 단계(25%), 제2 단계(50%), 제3 단계(75%) 및 제4 단계(100%))를 맞추며 실험을 수행하여 도 5와 같은 결과를 도출하였다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 알파(α)파는 동작 상태가 휴식 상태일때보다 움직임 상태나 지속 상태에서 상태 파워값이 더 높게 측정되는 것을 알 수 있으며, 반대로 감마(γ)파는 지속 상태에서 상태 파워값이 가장 높게 측정되며, 그 다음으로는 움직임 상태이고, 휴식 상태에서 상태 파워값이 가장 낮게 측정되는 특징이 있음을 알 수 있다.
또한, 베타(β)파는 가장 강한 힘을 가할 때(제3 단계(75%))를 제외한 나머지 악력 단계 세기에서는 감마(γ)파와 동일한 패턴을 보이는 것을 알 수 있다. 이에, 피험자들의 특징을 이용하여 하기와 같은 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 분류/결정하였다. 이하에서 이에 대해 상세히 설명하기로 한다.
단계 410에서 전자의수 제어 장치(100)는 각 주파수별 상태 파워값의 변화 추이를 분석하여 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하는지 여부를 판단한다.
알파(α)파의 상태 파워값이 증가한 경우, 단계 415에서 전자의수 제어 장치(100)는 감마(γ)파의 상태 파워값이 감소하였는지 여부를 감소한다.
감마(γ)파의 상태 파워값이 감소하였다면, 단계 420에서 전자의수 제어 장치(100)는 동작 상태를 움직임 상태로 변경하고, 악력 단계별 세기를 제1 단계로(예를 들어, 25%)로 변경 설정한다.
이어, 단계 425에서 전자의수 제어 장치(100)는 알파(α)파의 상태 파워값이 지속적으로 증가하였는지 여부를 판단한다.
만일 알파(α)파의 상태 파워값이 지속적으로 증가하면, 단계 430에서 전자의수 제어 장치(100)는 동작 상태를 지속 상태로 변경한다.
단계 435에서 전자의수 제어 장치(100)는 알파(α)파의 상태 파워값이 감소하였는지 여부를 판단한다.
만일 알파(α)파의 상태 파워값이 감소하면, 단계 440에서 전자의수 제어 장치(100)는 동작 상태를 휴식 상태로 변경한다.
또한, 단계 425의 판단 결과 알파(α)파의 상태 파워값이 지속적으로 증가하지 않으면, 단계 435로 진행한다.
이와 같이, 전자의수 제어 장치(100)는 동작 상태가 움직임 상태 또는 지속 상태로 변경 설정된 상태에서 알파(α)파의 상태 파워값이 감소하면 해당 동작을 멈추는 것으로 인지할 수 있다. 이에 따라 동작 상태를 휴식 상태로 변경할 수 있다.
단계 410의 판단 결과 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하지 않으면, 단계 445에서 전자의수 제어 장치(100)는 알파(α)파의 상태 파워값이 감소한 후 증가하였는지 여부를 판단한다.
즉, 전자의수 제어 장치(100)는 동작 상태가 휴식 상태로 설정된 상태에서 알파(α)파의 상태 파워값이 감소하면, 당해 사용자가 악력 단계별 세기를 중간 세기(즉, 제2 단계)로 조정하기 직전인 것으로 인식할 수 있다.
이에 따라, 동작 상태가 휴식 상태로 설정된 상태에서 알파(α)파의 상태 파워값이 감소한 후 증가하면, 단계 450에서 전자의수 제어 장치(100)는 동작 상태를 움직임 상태로 변경하고, 악력 단계별 세기를 제2 단계(약 50% 악력 세기)로 변경 설정한다.
이어 단계 455에서 전자의수 제어 장치(100)는 베타(β)파의 상태 파워값이 감소한 후 증가하였는지 여부를 판단한다. 보다 상세하게, 전자의수 제어 장치(100)는 베타(β)파의 상태 파워값의 변화량이 음수에서 양수로 변경되었는지 여부를 판단한다. 다른 예를 들어, 전자의수 제어 장치(100)는 동작 상태가 움직임 상태로 변경되었을때의 베타(β)파의 상태 파워값과 동작 상태가 휴식 상태일 때의 베타(β)파의 상태 파워값의 차이가 양수인지를 분석하여 판단할 수도 있다.
만일 베타(β)파의 상태 파워값이 감소한 후 증가한 경우, 단계 460에서 전자의수 제어 장치(100)는 동작 상태를 움직임 상태로 변경하고, 악력 단계별 세기를 제3 단계로 변경한다.
또한, 전자의수 제어 장치(100)는 알파(α)파의 상태 파워값의 변화 추이가 증가하는 추이이고, 베타(β)파의 상태 파워값이 증가하면 동작 상태를 휴식 상태에서 움직임 상태로 변경하고, 악력 단계별 세기를 제3 단계로 변경 설정할 수도 있다.
도 8은 PCA(principal component analysis)을 이용하여 왼손 및 오른손의 3에 대한 악력 단계별 세기를 3개 클래스로 분류한 후 주파수별 상태 파워값을 이용하여 분류한 결과를 나타낸다. PCA를 이용하여 주축성분으로 방향을 변환시킨 후 클래스별 분류를 위해 LDA(Linear Discrimination algorithm)을 이용하여 차원을 축소하여 분류하였다. 그에 따른 결과를 도 9에 도시되어 있다. PCA 및 LDA 자체는 이미 당업자에게는 자명한 사항이므로 이에 대한 별도의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전자의수의 동작 상태 및 악력 세기를 단계별로 제어하는 방법은 다양한 전자적으로 정보를 처리하는 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 저장 매체에 기록될 수 있다. 저장 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
저장 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 저장 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 전자적으로 정보를 처리하는 장치, 예를 들어, 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 전자의수 제어 장치
110: 뇌파 측정부
115: 신호처리부
120: 분석부
125: 메모리
130: 제어부

Claims (17)

  1. 움직임 동작 상상에 따른 주파수별 뇌파 신호를 측정하는 단계-상기 주파수별 뇌파 신호는 알파(α)파, 베타(β)파 및 감마(γ)파임;
    상기 측정된 주파수별 뇌파 신호를 파워스펙트럼 분석을 통해 각 주파수별상태 파워값을 도출하는 단계;
    상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 동작 상태 및 악력 단계별 세기에 따라 전자의수의 힘의 세기를 차등적으로 제어하는 단계를 포함하는 전자의수 제어 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 주파수별 뇌파 신호는 사용자의 신체 일 영역에 부착된 복수의 전극을 이용하여 측정되는 것을 특징으로 하는 전자의수 제어 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 전극은 10-20 전극 배치 방법에 따라 C3 및 C4 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 전자의수 제어 방법.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 단계는,
    상기 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하고, 상기 감마(γ)파의 상태 파워값이 감소하면, 동작 상태를 휴식 상태에서 움직임 상태로 변경하고, 상기 악력 단계별 세기를 제1 단계로 결정하는 것을 특징으로 하는 전자의수 제어 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 단계는
    상기 동작 상태가 휴식 상태로 설정된 상태에서 상기 알파(α)파의 상태 파워값이 감소한 후 증가하면 상기 동작 상태를 움직임 상태로 변경하고, 상기 악력 단계별 세기를 제2 단계로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의수 제어 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 단계는,
    상기 동작 상태가 움직임 상태로 변경 설정된 상태에서, 상기 베타(β)파의 상태 파워값이 감소한 후 증가하면, 상기 악력 단계별 세기를 제3 단계로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의수 제어 방법.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 단계는,
    상기 동작 상태가 휴식 상태로 설정된 상태에서 상기 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하고, 상기 감마(γ)파의 상태 파워값이 감소하고, 상기 상기 베타(β)파의 상태 파워값이 증가하면 상기 동작 상태를 움직임 상태로 변경하고, 상기 악력 단계별 세기를 제3 단계로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의수 제어 방법.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 단계는,
    상기 동작 상태가 움직임 상태로 변경 설정된 상태에서 상기 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하면, 상기 동작 상태를 지속 상태로 변경 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의수 제어 방법.
  10. 제1 항 내지 제3항, 제5항 내지 제9 항 중 어느 하나의 항에 따른 전자의수를 제어하는 방법을 수행하기 위한 프로그램을 기록한 기록매체.
  11. 움직임 동작 상상에 따른 주파수별 뇌파 신호를 측정하는 뇌파 측정부-상기 주파수별 뇌파 신호는 알파(α)파, 베타(β)파 및 감마(γ)파임;
    상기 측정된 주파수별 뇌파 신호를 파워스펙트럼 분석을 통해 각 주파수별상태 파워값을 도출하고, 상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여 동작 상태 및 악력 단계별 세기를 결정하는 분석부; 및
    상기 결정된 동작 상태 및 악력 단계별 세기에 따라 전자의수의 힘의 세기를 차등적으로 제어하는 제어부를 포함하는 전자의수 제어 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 분석부는, 상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여, 상기 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하고, 상기 감마(γ)파의 상태 파워값이 감소하면, 동작 상태를 휴식 상태에서 움직임 상태로 변경하고, 상기 악력 단계별 세기를 제1 단계로 결정하는 것을 특징으로 하는 전자의수 제어 장치.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 분석부는, 상기 주파수별 상태 파워값을 분석하여, 상기 동작 상태가 휴식 상태로 설정된 상태에서 상기 알파(α)파의 상태 파워값이 감소한 후 증가하면 상기 동작 상태를 움직임 상태로 변경하고, 상기 악력 단계별 세기를 제2 단계로 결정하는 것을 특징으로 하는 전자의수 제어 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 분석부는,
    상기 동작 상태가 움직임 상태로 변경 설정된 상태에서, 상기 베타(β)파의 상태 파워값이 감소한 후 증가하면, 상기 악력 단계별 세기를 제3 단계로 결정하는 것을 특징으로 하는 전자의수 제어 장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 분석부는,
    상기 동작 상태가 휴식 상태로 설정된 상태에서 상기 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하고, 상기 감마(γ)파의 상태 파워값이 감소하고, 상기 상기 베타(β)파의 상태 파워값이 증가하면 상기 동작 상태를 움직임 상태로 변경하고, 상기 악력 단계별 세기를 제3 단계로 결정하는 것을 특징으로 하는 전자의수 제어 장치.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 분석부는,
    상기 동작 상태가 움직임 상태로 설정된 상태에서 상기 알파(α)파의 상태 파워값을 분석하여 감소하면, 상기 동작 상태를 휴식 상태로 변경 설정하는 것을 특징으로 하는 전자의수 제어 장치.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 분석부는,
    상기 동작 상태가 움직임 상태로 변경 설정된 상태에서 상기 알파(α)파의 상태 파워값이 증가하면, 상기 동작 상태를 지속 상태로 변경 설정하는 것을 특징으로 하는 전자의수 제어 장치.

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