KR101792579B1 - 뇌파를 이용한 장치제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일정한 명령을 지시하는 사람의 뇌에서 발생하는 로우 베타 파를 측정하여, 기울기의 변동이 있는 구간을 구별하여 각 구간의 기울기에 가중치를 부여하여 기울기의 최소값 및 최대값을 연산하여 기준명령 패턴으로 설정하고, 특정인의 로우 베타 뇌파를 측정하여 기울기의 변동이 있는 구간을 구별하여 각 구간의 기울기를 구한 다음 기울기의 경향 및 기울기의 크기를 상기 기준명령패턴과 비교하여 상기 특정인의 로우 베타 뇌파가 의미하는 명령을 결정하여 해당 명령으로 특정 장치를 제어하도록 하는 뇌파를 이용한 장치제어방법을 개시(introduce)한다. 상기 뇌파를 이용한 장치제어방법은, 뇌파명령 설정단계 및 뇌파명령 결정단계를 수행한다.

Description

뇌파를 이용한 장치제어방법 {Method for control the apparatus using brain wave}

본 발명은 뇌파를 이용하여 장치를 제어하는 방법에 관한 것으로, 특히, 사람에 따라 그리고 상황에 따라 발생하는 뇌파의 크기 편차를 고려하여, 일정 명령에 대한 뇌파의 경향 즉 측정된 뇌파의 기울기의 경향 및 기울기의 크기의 경향을 반영하여 다양한 뇌파의 의미를 확정하는데 참조할 수 있는 기준명령 패턴을 설정하여 저장하고, 특정인의 뇌파의 의미를 분석하여 결정한 명령을 장치를 제어하는데 사용할 수 있도록 하는 것이다.

사람에게 유용한 장치는 대부분 사람의 손으로 또는 말로 명령을 장치에 전달하고, 장치는 명령을 인식하여 해당 명령을 수행한다. 손과 발과 같은 자기 표현수단이 정상적으로 구비되어 있는 일반인은 대부분의 장치를 이용하여 자신이 원하는 서비스를 향유하는 것에 아무런 불편이 없다. 그러나 정상인이라도 경우 및 환경에 따라서는 본인의 손 또는 말을 할 수 없는 상황이 발생할 수도 있고, 특히, 손과 발에 장애를 가지고 있는 사람들은 일반인은 쉽게 사용할 수 있는 장치를 활용할 수 없게 된다.

상기와 같은 피할 수 없는 상황에 대처하기 위하여, 최근에는 사람의 뇌파를 이용하여 장치를 운용하는 기술을 개발하였다. 즉, 사람이 어떠한 생각을 하면, 장치가 이를 인식하여 해당인의 생각 즉 명령을 수행하도록 하는 것이다.

뇌파를 통한 장치의 제어는 고려대학교 산학협력단에서 2014년 12월 26일에 출원한 공개번호 10-2016-0079501인 뇌파 기반의 착용형 로봇의 제어장치 및 방법에 제안되어 있다. 이 발명에서는 로봇을 착용한 사람의 로봇을 움직이게 할 때 발생하는 뇌파를 수집하고, 수집된 뇌파에서 순수하게 로봇을 움직이도록 하는 뇌파를 구분하여, 로봇이 움직일 때의 뇌파를 커맨드 별로 분류하여 학습데이터를 형성한다. 이 발명은 실제 로봇을 움직이고 있는 사람의 순간 뇌파에서 어떤 패턴의 뇌파를 검출하더라도, 그것이 환경과 심리적인 변화를 어떻게 보완할 것인지에 대해 언급하고 있지 않다.

2010년 6월 10일에 출원되어 2011년 10월 21일에 등록된 등록번호 10-1077661호의 뇌파 및 촬상장치를 이용한 전자기기 원격제어장치는, 사람의 뇌파 자체만으로는 전자기기를 제어하는 종래의 방법에 포함된 오차율이나 제어의 어려움을 해결하기 위하여 뇌파를 발생하고 있는 사람의 제스쳐를 뇌파에 포함하여 전자기기를 원격으로 제어하는 장치에 관한 것이다.

동일한 생각을 하는 여러 사람을 가정할 때, 이들의 뇌파는 전혀 다르다고는 할 수 없지만 일정한 편차가 존재한다는 것이 최근의 연구결과이다. 뇌파는 일반적으로 알파(alpha), 베타(beta), 감마(gamma), 세타(theta) 및 델타(delta)로 구분할 수 있다.

도 1은 뇌파의 종류에 따른 특징을 설명한다.

도 1을 참조하면, 집중력과 관련된 뇌파는 베타 파인데, 베타 파는 다시 로우 베타(low beta)와 하이 베타(high beta)로 구분할 수 있다. 따라서, 사람의 뇌파를 이용하여 일정한 명령을 패턴화하고 패턴화된 명령을 이용하여 장치를 동작시키기 위해서는 베타 파를 이용하는 것이 바람직하다는 결론을 내릴 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 일정한 명령을 지시하는 사람의 뇌에서 발생하는 로우 베타 파를 측정하여, 기울기의 변동이 있는 구간을 구별하여 각 구간의 기울기에 가중치를 부여하여 기울기의 최소값 및 최대값을 연산하여 기준명령 패턴으로 설정하고, 특정인의 로우 베타 뇌파를 측정하여 기울기의 변동이 있는 구간을 구별하여 각 구간의 기울기를 구한 다음 기울기의 경향 및 기울기의 크기를 상기 기준명령패턴과 비교하여 상기 특정인의 로우 베타 뇌파가 의미하는 명령을 결정하여 해당 명령으로 특정 장치를 제어하도록 하는 뇌파를 이용한 장치제어방법을 제공하는 것에 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 뇌파를 이용한 장치제어방법은, 뇌파명령 설정단계 및 뇌파명령 결정단계를 수행한다.

상기 뇌파명령 설정단계에서는 임의의 명령을 지시할 때 발생하는 사람의 뇌파를 연속 측정하고, 측정된 뇌파를 기울기가 변하는 복수의 구간으로 구분하여 뇌파의 크기 및 기울기를 검출하고, 검출된 구간별 뇌파의 크기가 기준크기보다 큰 연속하는 복수 개 구간의 각각의 기울기에 가중치를 부여한 기울기의 최소값 및 기울기의 최대값을 연산한 후 상기 명령과 매핑한다. 상기 뇌파명령 결정단계에서는 명령을 하고자 하는 특정인의 뇌에서 발생하는 뇌파를 기울기가 변하는 구간별로 구분하여 뇌파의 크기 및 기울기를 검출하고, 검출된 구간별 뇌파의 크기가 상기 기준크기보다 큰 경우의 구간에 대한 기울기를 상기 기준명령 패턴과 비교하여 상기 특정인의 뇌파가 지시하는 명령을 결정한다.

본 발명에 따른 뇌파를 이용한 장치제어방법은, 사람에 따라 그리고 상황에 따라 발생하는 뇌파의 크기 편차를 고려하여, 일정 명령에 대한 뇌파의 경향 즉 측정된 뇌파의 기울기의 경향 및 기울기의 크기의 경향을 반영하여 다양한 뇌파의 의미를 확정하는데 참조할 수 있는 기준명령 패턴을 설정하여 저장하고, 특정인의 뇌파의 의미를 분석하여 결정한 명령을 장치를 제어하는데 사용할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 뇌파의 종류에 따른 특징을 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 뇌파를 이용한 장치제어방법을 나타낸다.
도 3은 로우 베타 뇌파의 측정 그래프를 나타낸다.
도 4는 3가지의 실제 테스트 값과 기준명령 패턴을 비교한 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 뇌파를 이용한 장치제어방법을 나타낸다.

도 2에는 자세하게 기재하지 않았지만, 본 발명에 따른 뇌파를 이용한 장치제어방법(200)은, 뇌파 측정부, 연산부, 저장부 및 수행부의 동작을 제어하는 일정한 장치에서 수행되는 과정을 정의한 것이다. 프로세서에서 본 발명에 따른 뇌파를 이용한 장치제어방법(200)을 수행할 때, 뇌파 측정부에서 측정된 정보를 이용하여 연산부에서 필요한 연산을 하고, 저장부에 저장된 일정한 정보를 활용하여 결정된 내용을 이용하여 특정장치의 동작을 제어하게 된다.

도 2를 참조하면, 뇌파를 이용한 장치제어방법(200)에서는 뇌파명령 설정단계(210), 뇌파명령 결정단계(220) 및 뇌파명령 수행단계(230)를 수행한다.

뇌파명령 설정단계(210)에서는 제1뇌파측정단계(211), 제1뇌파패턴추출단계(212), 뇌파패턴일반화단계(213) 및 뇌파명령매핑단계(214)를 수행한다.

제1뇌파측정단계(211)에서는 임의의 명령을 지시할 때 발생하는 사람의 뇌파를 측정한다. 제1뇌파패턴추출단계(212)에서는 측정된 뇌파의 크기를 검출하여 기준크기보다 큰 뇌파의 기울기가 변하는 구간을 구별하고, 각 구간에서의 뇌파의 크기 및 구간별 기울기를 연산한다. 뇌파패턴일반화단계(213)에서는 뇌파패턴추출단계(212)에서 연산한 각 구간의 기울기에 가중치를 부여하여 기울기의 최소값 및 기울기의 최대값을 연산한다. 뇌파명령매핑단계(214)에서는 기울기의 최소값 및 기울기의 최대값을 임의의 명령과 매핑하여 기준명령 패턴으로 설정하여 저장한다.

이를 요약하면, 뇌파명령 설정단계(210)에서는, 임의의 명령을 지시할 때 발생하는 사람의 뇌파를 연속 측정하고, 측정된 뇌파를 기울기가 변하는 복수의 구간으로 구분하여 뇌파의 크기 및 기울기를 검출하고, 검출된 구간별 뇌파의 크기가 기준크기보다 큰 연속하는 복수 개 구간의 각각의 기울기에 가중치를 부여한 기울기의 최소값 및 기울기의 최대값을 연산한 후 상기 명령과 매핑하여 기준명령 패턴으로 설정한다.

뇌파명령 결정단계(220)에서는, 제2뇌파측정단계(221), 제2뇌파패턴추출단계(222) 및 명령선택단계(223)를 수행한다.

제2뇌파측정단계(221)에서는 특정인의 뇌파를 측정한다. 여기서 특정인은 자신의 뇌파로 장치를 제어하고자 하는 사람이라고 할 수 있다. 제2뇌파패턴추출단계(222)에서는 측정된 뇌파의 크기를 검출하여 기울기가 변하는 구간을 구별하고, 각 구간에서의 기울기를 연산한다. 명령선택단계(223)에서는 측정된 뇌파 중 기준크기보다 큰 구간의 기울기와 기준명령패턴을 비교하여 특정인의 뇌파가 의미하는 명령을 결정한다.

이를 요약하면, 뇌파명령 결정단계(220)에서는, 명령을 하고자 하는 특정인의 뇌에서 발생하는 뇌파를 기울기가 변하는 구간별로 구분하여 뇌파의 크기 및 기울기를 검출하고, 검출된 구간별 뇌파의 크기가 기준크기보다 큰 경우의 구간에 대한 기울기를 기준명령 패턴과 비교하여 특정인의 뇌파가 지시하는 명령을 결정한다.

뇌파명령 수행단계(230)에서는 뇌파명령 결정단계(220)에서 결정된 명령을 장치에 전달하여, 해당 장치가 명령을 수행하도록 한다.

본 발명의 효과를 검증하기 위하여 로우 베타 뇌파를 사용하여 시험하였으며, 이하에서도 로우 베타 뇌파에 대하여 시험한 결과를 토대로 설명될 것이다. 그렇지만, 본 발명을 설명을 근거로 하이 베타 뇌파는 물론 다른 주파수의 뇌파로 확장하는 것도 가능하므로 설명을 하지 않았다는 점을 분명히 한다.

뇌파패턴일반화단계(213)에서 결정되는 기울기 최소값 및 기울기 최대값은 아래와 같은 식으로 연산된다.

기울기의 최소값 = 해당구간의 기울기 - 해당구간의 기울기* 가중치

기울기의 최대값 = 해당구간의 기울기 + 해당구간의 기울기* 가중치

여기서 가중치는 다양한 방식으로 결정할 수 있지만, 본 발명의 효과를 시험하는 단계에서는 0.5로 가정하였다.

측정된 모든 뇌파에는 의미가 있을 수 있지만, 발명의 효과를 극대화하기 위하여, 본 발명에서는 측정된 뇌파의 크기가 미리 설정한 기준크기보다 큰 경우의 뇌파에 대해서만 고려할 것을 제안한다.

여기서, 기준크기는 측정된 뇌파의 평균값으로 정하는데, 기록되는 모든 뇌파에 대한 평균값이 아니라, 최근에 기록된 뇌파 수치의 일부 구간만을 범위로 하여 평균값을 계산하는데, 이는 뇌파 수치 측정에 영향을 미치는 요인들을 고려한 것이다. 뇌파 측정장비가 사람의 피부에 닿아 있는 정도가 매번 완전히 동일할 수는 없으며, 주변의 소음이나 습도, 온도 등의 환경적인 요인이 측정장비와 사람의 심리에 영향을 끼칠 수밖에 없기 때문에, 뇌파의 크기는 동일한 장비로 측정하더라도 그 크기가 매번 다를 수 있다. 또한, 뇌파의 평균을 구하는 구간은 환경변화에 따른 민감도가 사람마다 다르기 때문에 조절 가능해야 한다. 본 출원서에서는 측정되는 뇌파의 직전 5개로 범위를 한정하고, 이 수치에 대한 평균값을 계산하여 기준크기를 산정하였다.

도 3은 로우 베타 뇌파의 측정 그래프를 나타낸다.

도 3을 참조하면, y축은 뇌파의 크기를 전압(Volts)으로 나타낸 것이고, x축은 뇌파를 측정한 순서를 의미한다는 것을 알 수 있다.

붉은색은 실제의 로우 베타 뇌파를 나타내며 파란색은 평균값을 의미한다. 위에서 설명한 바와 같이, 실제의 로우 베타 뇌파 중 A 지점에서 일정한 기준크기 이상의 뇌파가 발생하면 이때부터 패턴이 시작되는 것으로 판단하고, B, C 및 D 지점을 모두 감안하여 패턴을 적용한다.

4개의 지점(A, B, C, D)이 형성하는 3개의 구간에 대하여 뇌파패턴일반화단계(213)를 적용하면 아래와 같다.

아래의 표1은 도 3에 도시된 3개의 구간에 대한 크기, 기울기, 기울기의 최소값 및 기울기의 최대값을 검출 및 연산한 값을 나타낸다. 아래의 표는 A 내지 D 지점의 뇌파의 크기는 각각 3.32, 7.32, 2.13 및 0.53이라는 도 3의 결과를 참조한 것이다.

A~B 구간		B~C 구간		C~D 구간
최소값	최대값	최소값	최대값	최소값	최대값
(B/A)-(B/A)* 가중치	(B/A)+(B/A)* 가중치	(C/B)-(C/B)*가중치	(C/B)+(C/B)*가중치	(D/C)-(D/C)* 가중치	(D/C)+(D/C)* 가중치
2.2 - 1.1 = 1.1	2.2 + 1.1 = 3.3	0.29-0.14 = 0.15	0.29+0.14 0.43	0.24-0.12 = 0.12	0.24+0.12 = 0.36

상기 표를 참조하면, A~B 구간에 포함되기 위해서는 해당구간의 기울기가 1.1 ~ 3.3 이내의 범위에 들어야 하며, 마찬가지로 B~C 구간이나 C~D 구간도 동일한 논리로 분석할 수 있을 것이다.

표에 도시된 3개의 구간의 특징은 기준명령 패턴에 저장되는데, 저장되기 전에 상기의 패턴의 뇌파를 발생하게 된 동기 즉 명령과 매핑하여 저장될 것이다. 표에 도시된 형태의 기준명령 패턴이 사람이 장치에 내리는 명령 예를 들면 장치의 이동을 멈추라는 명령이 될 수 있을 것이다.

기울기의 최소값 및 기울기의 최대값을 설정하는 이유는, 앞에서 설명하였듯이, 뇌파의 크기 자체는 환경과 심리에 따라 그 정도가 다르게 측정될 수 있으며, 완전하게 동일한 수치를 매번 나타내기는 어렵기 때문에, 이를 보완하기 위한 수단으로 이해할 수 있다. 정확한 수치는 아닐지라도 뇌파 크기가 늘어나고 줄어드는 패턴은 동일하게 발생시킬 수 있으므로 장치제어가 가능하다.

본 발명에 따른 뇌파를 이용한 장치제어방법은 일단 임의의 장치에 적용할 수 있는 기준명령 패턴이 설정되어 있다며, 어떤 사람도 뇌파로 이를 이용할 수 있도록 하는 장점이 있다.

도 4는 3가지의 실제 테스트 값과 기준명령 패턴을 비교한 것이다.

도 4a의 테스트 1, 도 4b의 테스트2 및 도 4c의 테스트 3을 참조하면, 4개의 구간(A, B, C, D)에서의 크기를 이용하고, 구간별 기울기를 도 3에 기재된 기준명령패턴에 저장된 구간별 기울기의 최소값 및 최대값과 비교하면, 테스트 1에서 측정된 뇌파의 3개의 구간별 기울기는 모두 기준명령패턴의 범위에 포함되므로, 패턴이 일치한다고 할 수 있다.

도 4에 실험결과를 도시하고 이를 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 뇌파를 이용한 장치제어방법(200)은, 특정장치의 운용에 필요한 특정명령을 지시할 때 발생하는 뇌파의 경향을 수치화한 기준명령패턴을 특정장치 또는 특정장치와 인터페이스 되는 별도의 장치에 저장해 놓고, 사용자가 뇌파로 명령을 지시할 때 발생하는 뇌파와 기준명령패턴을 비교하여, 지시의 내용을 파악하여 특정장치의 동작을 쉽게 제어할 수 있도록 하는 것이다.

기준명령패턴은 특정 사용자에게만 사용되는 것이 바람직하다. 즉, 특정인이 특정장치를 운용하기에 앞서 자신이 특정장치의 동작을 뇌파로 제어하고자 할 때, 미리 자신의 뇌파를 기준명령패턴에 저장해 놓고, 추후에 특정장치를 사용하고자 할 때, 자신의 뇌파와 기준명령패턴을 비교하여 자신의 실제 명령을 오차없이 수행할 수 있도록 하는 것이다.

만약 기준명령패턴을 특정 사용자만이 아니라, 특정 사용자 이외의 사람의 뇌파에도 특정장치가 작동하기 위해서는, 기준명령패턴을 저장하기에 앞서 이에 특정 사용자가 명령을 지시할 때 발생하는 뇌파의 형태 및 경향을 반영한다면, 물리적으로 불가능한 것이 아니다.

만일, 동일한 명령에 대하여 복수의 사람으로부터 발생하는 뇌파의 경향이 동일하다면, 기준명령패턴의 최소값 및 최대값만을 조정함으로써, 특정 사용자가 아니라 모든 사용자가 자신의 뇌파를 이용하여 특정장치의 동작을 제어하도록 하는 것에 아무런 기술적 문제는 없을 것이다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.

210: 뇌파명령 설정단계
211: 제1 뇌파측정단계
212: 제1 뇌파패턴 추출단계
213: 뇌파 패턴 일반화단계
214: 뇌파명령 매핑단계
220: 뇌파명령 결정단계
221: 제2 뇌파측정단계
222: 제2 뇌파패턴 추출단계
223: 명령선택단계
230: 뇌파명령 수행단계

Claims (8)

1. 임의의 명령을 지시할 때 발생하는 사람의 뇌파를 연속 측정하고, 측정된 뇌파를 기울기가 변하는 복수의 구간으로 구분하여 뇌파의 크기 및 기울기를 검출하고, 검출된 구간별 뇌파의 크기가 기준크기보다 큰 연속하는 복수 개 구간의 각각의 기울기에 가중치를 부여한 기울기의 최소값 및 기울기의 최대값을 연산한 후 상기 명령과 매핑하여 기준명령 패턴으로 설정하는 뇌파명령 설정단계;
   명령을 하고자 하는 특정인의 뇌에서 발생하는 뇌파를 기울기가 변하는 구간별로 구분하여 뇌파의 크기 및 기울기를 검출하고, 검출된 구간별 뇌파의 크기가 상기 기준크기보다 큰 경우의 구간에 대한 기울기를 상기 기준명령 패턴과 비교하여 상기 특정인의 뇌파가 지시하는 명령을 결정하는 뇌파명령 결정단계; 를 수행하며,
   상기 기준크기는 기록된 뇌파 수치의 일부 구간만을 범위로 하여 평균값으로 결정되며,
   상기 뇌파명령 설정단계에서는,
   임의의 명령을 지시할 때 발생하는 사람의 뇌파를 측정하는 제1뇌파측정단계;
   측정된 뇌파의 크기를 검출하여 상기 기준크기보다 큰 뇌파의 기울기가 변하는 구간을 구별하고, 각 구간에서의 뇌파의 크기 및 기울기를 연산하는 제1뇌파패턴추출단계;
   상기 제1뇌파패턴추출단계에서 연산한 각 구간의 기울기에 가중치를 부여하여 상기 기울기의 최소값 및 상기 기울기의 최대값을 연산하는 뇌파패턴일반화단계; 및
   상기 기울기의 최소값 및 상기 기울기의 최대값을 상기 임의의 명령과 매핑하여 상기 기준명령 패턴으로 설정하여 저장하는 뇌파명령매핑단계; 를
   수행하는 것을 특징으로 하는 뇌파를 이용한 장치제어방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 뇌파명령 결정단계에서 결정된 명령을 장치에 전달하여, 해당 장치가 상기 명령을 수행하도록 하는 뇌파명령 수행단계; 를
   더 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌파를 이용한 장치제어방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 뇌파명령 결정단계에서는,
   특정인의 뇌파를 측정하는 제2뇌파측정단계;
   측정된 뇌파의 크기를 검출하여 기울기가 변하는 구간을 구별하고, 각 구간에서의 기울기를 연산하는 제2뇌파패턴추출단계; 및
   측정된 뇌파 중 상기 기준크기보다 큰 구간의 기울기와 상기 기준명령패턴을 비교하여 특정인의 뇌파가 의미하는 명령을 결정하는 명령선택단계; 를
   수행하는 것을 특징으로 하는 뇌파를 이용한 장치제어방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 기울기의 최소값은 해당 구간의 기울기에 가중치를 곱하여 얻은 값을 상기 해당구간의 기울기에서 뺀 값으로 설정되며,
   상기 기울기의 최대값은 해당 구간의 기울기에 가중치를 곱하여 얻은 값을 상기 해당구간의 기울기에 더한 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 뇌파를 이용한 장치제어방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 뇌파는,
   베타 로우 파인 것을 특징으로 하는 뇌파를 이용한 장치제어방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 가중치는,
   0.5인 것을 특징으로 하는 뇌파를 이용한 장치제어방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 기준크기는,
   측정된 뇌파의 크기의 평균값에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 뇌파를 이용한 장치제어방법.
   

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