KR102331917B1

KR102331917B1 - 심전도 기반 모션 제어 장치

Info

Publication number: KR102331917B1
Application number: KR1020190133445A
Authority: KR
Inventors: 이명해
Original assignee: 이명해
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2021-11-26
Also published as: KR20200010145A

Abstract

본 발명은 심전도 기반 모션 제어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 심전도 기반 모션 제어 장치에 있어서, 상기 모션 제어 장치의 일측에 형성되는 전극을 포함하며, 상기 전극을 통해 상기 모션 제어자의 심전도(ECG, electrocardiogram) 신호를 센싱하는 심전도 센싱부(100), 상기 심전도 센싱부(100)로부터 센싱된 상기 심전도 신호에 대해 분석을 위한 처리를 수행하는 신호 처리부(200) 및 상기 신호 처리부(200)에서 처리된 상기 심전도 신호를 분석하여, 데이터 벡터화를 위한 벡터를 구성하여 상기 모션 제어자의 상태를 판단하기 위한 기준범위의 영역을 설정하고, 설정한 상기 기준범위의 영역을 이용하여 실시간으로 계측되는 상기 모션 제어자의 상태를 판단하는 분석부(300)를 포함하여 구성되며, 상기 분석부(300)는 생성한 상기 기준범위의 영역을 기준으로, 새롭게 입력되어 전처리 및 분석된 상기 모션 제어자의 심전도 신호를 분석하여 상기 모션 제어자의 상태를 판정하는 것을 특징으로 하는 심전도 기반 모션 제어 장치에 관한 것이다.

Description

심전도 기반 모션 제어 장치 {Motion control apparatus based on ECG signal}

본 발명은 심전도 기반 모션 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모션 제어 장치에서 모션 제어자(모션 제어운영자, 모션관리자, 모션행위자 등 모션 제어 장치의 사용자를 의미함.)의 생체신호(심전도 신호)를 측정하여, 모션 제어자의 자율신경계의 밸런스 정보, 스트레스 정도 등을 분석하여, 모션 제어자의 현재 상태(정상 상태/비정상 상태)를 판정할 수 있을 뿐 아니라, 판정 결과에 따라 모션 제어자의 안정적인 모션 제어를 유도할 수 있는 심전도 기반 모션 제어 장치에 관한 것이다.

모션 제어 장치(모션 컨트롤러)는 모터 구동 시스템에 의해 연결된 구동부와 주변 디지털 입/출력, 아날로그 입/출력 등 모션 시스템 전체 또는 일부를 제어하는 제어장치로, 주로 서보 모터 또는 스탭 모터 등의 모터를 포함하는 구동부를 상위 제어하는 시스템이다.

대부분의 서보 모터를 제어하기 위한 모션 컨트롤러는 크게 토크 제어형(torque control), 속도 제어형(speed control), 위치 제어형(position control)으로 나뉘어지며, 토크 제어형에서는 모터에서 발생하는 회전력인 토크를 일정하게 유지할 수 있도록 제어가 이루어지며, 일정 이상의 장력이나 모터의 부하에 따른 회전수 변경 등을 위해 사용된다.

속도 제어형은 반대로 토크를 제어하여 모터를 일정한 속도로 회전시키는 제어이며, 위치 제어형은 토크 제어형과 속도 제어형의 내부에 포함되는 구조로서, 모터를 회전시켜 원하는 회전각을 전기 제어하고 직선 구동부를 제어하기 위한 모터의 회전운동을 직선운동으로 변경하는 제어가 이루어지게 된다.

이러한 모션 컨트롤러의 제어 요소에서 얻고자 하는 요소는, 모터에 일정한 회전력, 반발력을 가지도록 제어하는 토크 제어, 모터를 일정한 회전력으로 일정 속도를 유지하도록 하는 속도 제어, 원하는 회전수와 위치에 정확한 정치를 제어하는 위치제어 상에서, 모션 제어의 동작 순서(sequence)를 결정하거나, 별도의 수단인 티칭 패던트(teaching pendant)를 이용한 원격제어 시에 사람에 의한 제어가 필수적이다.

이러한 모션 제어 장치가 이용되는 모션 제어 환경은, 상당히 광범위하며 초중량물을 비롯하여 첨단 제조, 생산 장비 및 로봇 다관절 제어, 겐트리 제어 등 또는, 고속, 고난이도의 액츄에이터, 로봇 제어, 경로 추종 및 추적 제어 등 무수히 다양한 응용 환경을 모두 포함하고 다양한 분야로 점진적 확장이 이루어지고 있다.

이에, 모션 제어 장치의 제어자인(모션 제어자)의 스트레스 및 정서 상태 이상에 의한, 주의력 결핍 등으로 제어에 있어 오류 또는 문제가 발생하는 경우, 동시 다발적으로 인명, 재산 피해 및 심각한 사고로 이어질 수 있게 된다.

모션 제어 장치에 의한 사고 원인은 주로 제어하는 제어자, 다시 말하자면, 모션 제어자인 사람에 의한 부주의, 만성 또는 급성 질병, 정신적/신체적 충격, 스트레스나 환경에 의한 돌발적 위험 상황의 발생 등 여러 가지 요인이 관련되어 있을 수 있다.

그 중, 모션 제어자의 심전도 기반의 기능 약화 또는 질병, 스트레스 및 정서 상태에 따른 평상시에는 쉽게 발견할 수 없기 때문에, 이에 대한 대비가 매우 어려운 실정이다.

특히, 모션 제어자의 심전도 기반의 기능 약화 또는 질병, 스트레스 및 정서 상태에 따라 발생하는 사고의 비중은 해마다 늘어나는 추세로 이러한 사고를 대부분 인명사고로 이어지는 대형사고를 야기하므로, 심각한 사회적인 문제로 이슈화 및 부각되고 있는 실정이다.

현재까지 모션 제어 환경은 제어의 복잡성으로 인해, 인공지능(AI, Artificial Intelligence) 보다는 사람으로 인해 초기 셋업 과정 및 제어 명령과 제어 조건을 구성하고 있으며, 가동 시에 전체 자동 제어(Full Automatic Control) 동작을 수행하더라도 사전에 제어의 궤적이나 방해물의 회피 경로를 사람이 각 모션 스텝(Motion step)마다 티칭(Teaching)하는 방식이 주를 이루고 있기 때문에, 이러한 과정에서 전혀 예측하지 못한 사람에 의한 조작 시 제어의 안정성과 정확성 및 신뢰성이 반드시 확보되어야 한다.

이를 위해, 종래의 모션 제어 장치에서의 분야에서는, 모션 제어 장치의 일부에 또는 부분 구성으로 '비상 정지 버튼, 데드맨 스위치 록 키, 취소 키, 펑션 키 등'을 배치 또는 연동하여 비상 상황에 대처할 수 있도록 권고하고 있다.

그렇지만, 이러한 방법들은 스위치 등을 이용하여 조작하던 사람이나 기계 또는 프로그램이 의식 상실 등의 각종 문제로 무력화되었을 때, 비상정지하거나 유사시 정해진 매뉴얼에 따라 자동으로 움직이도록 하는 후차적 문제 해결 방식이며, 대부분 사람에 의해 스위치를 쥐고 있어야 하거나, 손이나 발 또는 신체 일부를 올리거나 접촉하고 있어야 하는 부담은 사용자에게 전가하고 있는 실정이다.

또한, 일정시간마다 스위치를 눌러야 하거나, 미세한 전류를 양손 사이에 흘리는 방식으로 제어자의 상태를 파악하도록 하고 있어, 이는 결과적으로 이미 발생한 위험 상황에 대해 대처하기 위함이고, 사전에 예측하지 못한 돌발적인 위험 상황 발생에 대해서는 효율적으로 적용할 수 없는 문제점이 있다.

이와 관련해서, 국내등록특허 제10-1690464호("바이오리듬 기반 산업현장용 안전관리 시스템")에서는 심전도에 대해 P파, QRS군 및 T파로 구성되는 1주기 단위 심전도의 파형이 심장세포의 자기흥분성에 의해서 규칙적으로 나타나는 점을 이용하여, 정상범위에 대해 측정하기 위해 피부에 접촉되어서 활동 전위를 측정하는 심전도 측정용 전극 모듈과, 전극 모듈에서 검출되는 신호를 처리하는 컨트롤러 모듈을 개시하고 있다.

그렇지만, 검출된 신호에 따른 모션 제어 시스템에서의 적용에 대해서는 각 속도 프로파일 가속, 감속, 정속 구간에서 구체적인 설명이나 방법을 제시하지 못하고 있으며, 단순하게 심전도 신호의 정상 범위를 고정 기준으로 판별하지만, 이는 판별 기준의 성립의 불분명성, 판별 방식의 배타적 고립성을 가지고 있어, 다양한 심전도 신호 입력 요건에서 정상 범위를 보다 정확하고 세밀하게 분별 및 판별하지 못한다.

국내등록특허 제10-1690464호(등록일 2016.12.27.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 모션 제어 장치에서 모션 제어자(모션 제어운영자, 모션관리자, 모션행위자 등 모션 제어 장치의 사용자를 의미함.)의 생체신호(심전도 신호)를 측정하여, 모션 제어자의 자율신경계의 밸런스 정보, 스트레스 정도 등을 분석하여, 모션 제어자의 현재 상태(정상 상태/비정상 상태)를 판정할 수 있을 뿐 아니라, 판정 결과에 따라 모션 제어자의 안정적인 모션 제어를 유도할 수 있는 심전도 기반 모션 제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 기반 모션 제어 장치는, 심전도 기반 모션 제어 장치에 있어서, 상기 모션 제어 장치의 일측에 형성되는 전극을 포함하며, 상기 전극을 통해 상기 모션 제어자의 심전도(ECG, electrocardiogram) 신호를 센싱하는 심전도 센싱부(100), 상기 심전도 센싱부(100)로부터 센싱된 상기 심전도 신호에 대해 분석을 위한 처리를 수행하는 신호 처리부(200) 및 상기 신호 처리부(200)에서 처리된 상기 심전도 신호를 분석하여, 데이터 벡터화를 위한 벡터를 구성하여 상기 모션 제어자의 상태를 판단하기 위한 기준범위의 영역을 설정하고, 설정한 상기 기준범위의 영역을 이용하여 실시간으로 계측되는 상기 모션 제어자의 상태를 판단하는 분석부(300)를 포함하여 구성되며, 상기 분석부(300)는 생성한 상기 기준범위의 영역을 기준으로, 새롭게 입력되어 전처리 및 분석된 상기 모션 제어자의 심전도 신호를 분석하여 상기 모션 제어자의 상태를 판정하는 것이 바람직하다.

더 나아가, 상기 심전도 기반 모션 제어 장치는 상기 모션 제어자의 제어에 의한 상기 모션 제어 장치의 동작을 강제 제어하는 모션 제어부(400)를 더 포함하며, 상기 모션 제어부(400)는 상기 분석부(300)의 판정 결과에 따라, 상기 모션 제어자의 상태가 비정상 상태일 경우, 모션 제어의 안정성을 위해, 상기 모션 제어 장치에 의한 모션 파라미터를 강제 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 신호 처리부(200)는 상기 심전도 센싱부(100)로부터 센싱된 심전도 신호에 대한 증폭을 수행하는 신호 증폭부(Amplifier)(211)와, 증폭된 상기 심전도 신호에 대한 아날로그 신호 대 잡음비를 개선하는 아날로그 필터부(Analog Filter)(212)를 포함하는 아날로그 회로부(210) 및 상기 아날로그 회로부(210)에 의해 아날로그 신호 처리된 상기 심전도 신호를 샘플링하는 아날로그디지털변환부(ADC, Analog to Digital Converter)(221)와, 샘플링된 상기 심전도 신호에 대한 주파수 영역에서의 특정 영역의 주파수를 추출하는 디지털 필터부(Digital Filter)(222)를 포함하는 디지털 회로부(220)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

더불어, 상기 신호 처리부(200)는 특정 영역의 주파수를 추출한 상기 심전도 신호에 대해, Microcontroller, FPGA, ASIC 또는 신호처리 프로세서(DSP, Digital Signal Processor)를 적용하여 능동 신호처리를 수행하는 신호 후처리부(Post-Signal Processor)(230)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

특히, 상기 신호 후처리부(230)는 특정 영역의 주파수를 추출한 상기 심전도 신호를 이전의 특정 영역의 주파수를 추출한 상기 심전도 신호와 연속적으로 비교하여, 일정한 신호 패턴과 불규칙한 신호 패턴을 구분하여, 상기 신호 패턴에 대한 학습을 통하여 신호에 대한 구분 능력이 증가되도록 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 분석부(300)는 상기 신호 처리부(200)에서 처리된 상기 심전도 신호로부터 R-R interval의 peak 값 정보와 QRS의 지속시간 정보를 검출하는 신호 검출부(311)와, 상기 신호 검출부(311)에서 검출한 정보들을 누적하여 데이터 벡터화를 위한 벡터를 구성하여, 임의 공간에 맵핑하여 상기 기준범위의 영역을 설정하는 초기 기준범위 생성부(312)와, 상기 초기 기준범위 생성부(312)에서 생성한 상기 기준범위의 영역에 대한 유효성을 판단하는 유효성 판단부(313)를 포함하는 기준정보 생성부(310)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 분석부(300)는 새롭게 입력되어 전처리 수행 및 분석된 상기 심전도 신호로부터 R-R interval의 peak 값 정보와 QRS의 지속시간 정보를 검출하는 추가 신호 검출부(321)와, 상기 추가 신호 검출부(321)에서 검출한 정보들에 대한 벡터를 구성하여 상기 기준범위 영역을 설정한 임의 공간에 맵핑하는 신호 맵핑부(322)와, 상기 신호 맵핑부(322)에 의해 맵핑된 상기 심전도 신호를 이용하여, 상기 모션 제어자의 상태를 판정하는 판정부(323)를 포함하는 비교부(320)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

더불어, 상기 심전도 기반 모션 제어 장치는 상기 신호 처리부(200), 분석부(300)와 모션 제어부(400)의 사이에 형성되어, 상호 전기적으로 절연하여 분리시키는 절연부(500)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 심전도 기반 모션 제어 장치는, 모션 제어 장치에서 모션 제어자의 생체신호(심전도 신호)를 측정하여, 모션 제어자의 자율신경계의 밸런스 정보, 스트레스 정도 등을 분석하여, 모션 제어자의 현재 상태(정상 상태/비정상 상태)를 실시간으로 판정할 수 있는 장점이 있다.

뿐만 아니라, 판정 결과에 따라 모션 제어자의 안정적인 모션 제어를 유도할 수 있는 장점이 있다.

상세하게는, 모션 제어자의 심전도 신호를 측정하여, 비정상적인 심장 박동으로 알 수 있는 부정맥, 혈액을 박출하는 심장 능력의 저하에 의한 혈액 출력량의 감소로 발생하는 호흡곤란, 현기증, 실신 등에 의한 모션 제어자의 문제를 예진할 수 있는 장점이 있다.

이를 통해서, 예기치 못한 응급 상황 발생시, 적절하게 모션 제어 장치의 모션 파라미터 등에 대한 강제 제어를 통해 인명/재산의 피해를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 기반 모션 제어 장치의 구성도이다.
도 2는 일반적인 심전도 신호에 대한 명칭과 의미를 구분하여 표시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 기반 모션 제어 장치에 의해 모션 제어자의 상태를 판단하기 위한 기준범위의 영역을 2차원 공간 상에서 맵핑하는 과정을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 기반 모션 제어 장치에 의해 2차원 공간 상에 맵핑한 기준범위의 영역을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 기반 모션 제어 장치에 의해 3차원 공간 상에 맵핑한 기준범위의 영역을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 기반 모션 제어 장치에 의해 기준범위의 영역을 이용하여 모션 제어자의 상태를 판단하는 과정을 나타낸 예시도이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 심전도 기반 모션 제어 장치를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

더불어, 시스템은 필요한 기능을 수행하기 위하여 조직화되고 규칙적으로 상호 작용하는 장치, 기구 및 수단 등을 포함하는 구성 요소들의 집합을 의미한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 기반 모션 제어 장치는, 모션 제어 장치를 제어하는 모션 제어자의 심전도 신호를 계측하여, 이를 아날로그 및 디지털 신호 처리, 필터 과정을 거쳐 획득된 심전도 신호를 이용하여, 정상 상태에 대한 심전도 신호를 판단할 수 있는 조건(판정 조건)의 기준 데이터로 활용하기 위하여 임의의 좌표공간(2차원 또는 3차원의 좌표공간)에 생성하고, 이를 근거로 실제 모션 제어시 실시간으로 계측되는 모션 제어자의 심전도 신호를 비교 판단하여, 모션 제어자의 정상 상태/비정상 상태를 판정할 수 있는 모션 제어 장치의 심전도 기반 구동 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

이를 통해서, 비정상적인 심전도 신호에 의한 안전사고를 예측하고, 이로 인해 발생할 수 있는 모션 제어 장치의 사고를 방지할 수 있는 장점이 있다.

심전도(ECG, electrocardiogram) 신호란, 임상적으로 심장의 수축에 따른 활동전위의 시간에 따른 변화를 그래프로 그린 것으로, 주기적인 활동을 기록하게 된다.(도 2 참조)

상기 심전도 신호의 P-QRS-T 한 주기 중에서 보통 양 방향의 가장 높은 피크가 R파에 해당하며, 이러한 R파는 매 심박동마다 반복적으로 나타난다. R파 간의, 즉 심박 간격 간의 변화를 심박 변이도라 부른다.

상기 심전도 신호 및 파형은, 심근의 심방 및 심실 수축/이완 동안에 생성된 P파, QRS파, T파를 특징으로 한다.

상기 심전도 신호는 정지전위와 활동전위가 있으며, 정지전위는 심장 근육 세포막의 정지 상태에서 외부와 내부 막이 분극되며 이 때, 외부막과 내부막 사이의 전위차를 의미한다.

활동전위는 심장을 자극하면 탈분극(depolarization)과 재분극이 일어나며, 이 활동 과정에서 정지전위로부터 변하는 것을 활동전위라고 한다. 활동전위에서는 근육세포에서 심장의 수축을 일으키게 된다.

이를 기반으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 기반 모션 제어 장치는, 모션 제어자의 기본 건강상태를 반영할 뿐 아니라, 심박수 변화량(HRV, Heart Rate Variability; 1분당 심장이 수축하는 횟수) 분석을 통해 신체의 자율 신경계(교감신경과 부교감신경)의 작용 정보를 판단하여, 모션 제어자의 정상 상태/비정상 상태를 판정하게 된다.

즉, 모션 제어자의 심전도 신호를 실시간으로 추적 모니터링하여, 문제 발생시, 즉시 모션 제어 장치의 제어를 중단하고 의료적 조치를 받을 수 있도록 하며, 뿐만 아니라, 모션 제어 장치를 통해서 진행되고 있는 모션 제어의 다양한 파라미터를 강제 조정하여 동작 중인 모션 제어에 대한 안전한 감속 정지 등까지 수행할 수 있는 장점이 있다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 기반 모션 제어 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 심전도 센싱부(100), 신호 처리부(200) 및 분석부(300)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 상기 모션 제어 장치의 모션 제어자에 대한 심전도를 기반으로 상기 모션 제어 장치의 구동을 제어하는 것이 바람직하다.

각 구성에 대해서 자세히 알아보자면,

상기 심전도 센싱부(100)는 상기 모션 제어 장치의 일측에 형성되는 전극을 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 상기 전극을 통해 상기 모션 제어자의 심전도 신호를 센싱하게 된다.

상세하게는, 상기 심전도 센싱부(100)의 전극은 상기 모션 제어 장치(티칭 페던트 또는 원격 제어기 등)에 설치되어, 상기 모션 제어자의 오른손과 접속할 수 있도록 형성되는 제1 전극부(101), 상기 모션 제어자의 왼손과 접속할 수 있도록 형성되는 제2 전극부(102) 및 접지부(GND)(103)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

이를 통해서, 상기 모션 제어자의 오른손 또는 왼손으로부터 상기 모션 제어자의 심장이 운동함에 따라 발생하는 심전도 신호를 감지하여 상기 신호 처리부(200)로 전송하게 된다.

이를 통해서, 상기 모션 제어 장치의 제어자의 심전도 신호를 측정하고, 해당 신호를 기반으로 스트레스 및 정서 상태에 따른 신체 반응 정보를 분석하게 된다.

분석한 정보에 의해, 비정상적인 심장 박동이 두근거림이나 불쾌감으로 나타나는 부정맥, 혈액을 박출하는 심장 능력의 저하로 인해 혈액 출력량이 감소하여 발생하는 호흡곤란, 현기증, 실신 등에 의한 문제, 특히, 수축이 되지 않거나, 심실 빈맥, 심실 세동과 같은 악성 심장 질환을 가지고 있는 경우, 모션 제어자가 순간적으로 심장 기능 마비로 인한 사망에 이를 수 있고 이로 인해 모션 제어의 사고가 발생할 수 있기 때문에, 이를 예진하게 된다.

이러한, 혈압, 심박수, 동맥압, 일회박출량, 심전도 복합체(electrocardiogram complex)의 형태 등과 같은 심혈관계 변수는 모두 박동간 변동(beat-to-beat fluctuation)이 있다. 최근에는 디지털 및 아날로그 신호 처리 기술의 발달과 더불어 마이크로프로세서와 같은 중앙처리장치와 디지털 신호 처리 등으로 종래에 불가능했던 생체 신호의 고속 및 병렬 신호 분석이 가능해졌고, 이를 통해, 심장의 박동간 변동의 기저에 있는 생리적 기전을 설명하려는 시도들이 상당히 많은 시간 연구 및 실체화되고 발전이 이루어져 있다.

상세하게는, 심박변이도(HRV, Heart Rate Variability)로 알려져 있는 심박수 박동간 변동은 일반적으로 심혈관계 기능을 조정하는 교감신경과 부교감신경의 상호작용을 반영하고, 건강유지와 질병 예방에 필요한 생체 신호 정보 분석기술로서 활발하게 널리 알려져 있다.

심박변이도에서 중심이 되는 현상은, 연속되는 심박동 간 시간 간격의 진동(oscillation)과 연속되는 순간 심박수(RR 간격의 역수, instantaneous heart rate) 간의 진동이다. 이러한 RR 간격(R-R interval)과 순간심박수의 변이를 기술하는 용어로는, 주기 길이 변이도(cycle length variability), 심장 주기 변이도(heart period variability), R-R 변이도(R-R variability), R-R 간격 타고그램(R-R interval tachogram) 등이 사용되기도 하지만, 일반적으로 심박 변이도라는 용어가 널리 사용되고 있다.

이러한 심박 변이도는 태아절박가사(fetal distress)가 일어나기 전에 심장 박동 자체에는 아무 변화가 없지만, 심박동사이 간격의 변화가 선행되었다고 발표된 후, 많이 알려지기 시작하였다.

심박 변이도의 원리는 심장 박동수가 항상 일정한 것이 아니라, 특정 범주 내외로 지속적으로 변동하고 있다는 사실에 근거한다. 심장 박동수의 변동 양상을 분석하면, 생리적으로 의미있는 지표를 얻을 수 있는 것이라는 가설에서 출발한 것이다. 심장 박동의 변이는 일반적으로 교감심경과 부교감신경에 의해 조절되므로, 심박 변이도는 전반적인 자율 신경계의 활동과 연관이 있을 것이라고 추론된다.

즉, 시간에 따른 심장 박동의 주기적 변화를 측정/분석함으로써, 자율신경계의 활동을 정량화하고 다양한 상황에서의 생리적 반응에 대한 정보를 얻을 수 있다.

이렇게 심박 변이도는 심장에 분지하는 자율 신경들의 활동에 대한 많은 정보를 제공하는 도구로서, 자율 신경계의 기능을 측정할 수 있는 지표로 임상적으로는 스트레스 및 정서 상태에 대한 신체 반응 측정시 주로 사용할 수 있다.

이러한 심박 변이도가 심장의 생리에만 국한된 것이 아니고, 일반적인 자율 신경계를 반영할 수 있다는 관점이 확산되면서, 여러 가지 생리 상황이나 질환에서의 연구도 많이 시행되었는데, 일반인들의 정신적 스트레스와 심박 변이도의 관계, 운동 후 심박 변이도 변화 등에 대한 연구들도 시행되어, 정신적인 스트레스와 운동이 자율 신경계를 통해 심혈관계에 영향을 미친다는 결과가 보고되었고, 이를 바탕으로 한 연구 역시 활발하게 이루어지고 있다.

상기 신호 처리부(200)는 상기 심전도 센싱부(100)로부터 센싱된 상기 심전도 신호에 대해 분석을 위한 전처리를 수행하는 것이 바람직하다.

상기 신호 처리부(200)는 도 1에 도시된 바와 같이, 아날로그 회로부(210)와 디지털 회로부(220) 및 신호 후처리부(230)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 이 때, 상기 신호 후처리부(230)는 상기 디지털 회로부(220)에 포함되어 구성될 수도 있다.

상기 아날로그 회로부(210)는 상기 심전도 센싱부(100)로부터 센싱된 상기 심전도 신호에 대한 증폭을 수행하는 증폭기(Amplifier)를 포함하는 신호 증폭부(211)와, 상기 신호 증폭부(211)에 의해 증폭된 상기 심전도 신호에 대한 아날로드 신호 대 잡음비를 개선하기 위한 필터(Analog Filter)를 포함하는 아날로그 필터부(212)로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 디지털 회로부(220)는 상기 아날로그 회로부(210)에 의해 아날로그 신호 처리 후, 상기 심전도 신호를 샘플링하는 ADC(Analog Digital Converter)를 포함하는 아날로그디지털변환부(221)와, 상기 아날로그디지털변환부(221)에 의해 샘플링된 상기 심전도 신호에 대한 주파수 영역에서의 특정 영역의 주파수를 추출하는 필터(Digital Filter)를 포함하는 디지털 필터부(222)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

다시 말하자면, 상기 디지털 필터부(222)는 아날로그 필터에서는 불가능하거나, 신호의 관점에서 줄이거나 강조하기 위해 샘플링되고, 이상 신호 상에서 수학적 디지털 동작을 수행하는 것이 바람직하다.

더불어, 상기 신호 후처리부(230)는 Post-Signal Processor로서, 특정 영역의 주파수를 추출한 상기 심전도 신호에 대해, Microcontroller, FPGA, ASIC 또는 신호 처리 프로세서(DSP, Digital Signal Processor)를 적용하여, 능동 신호처리를 수행하는 것이 바람직하다.

상기 신호 후처리부(230)에서의 신호 처리 기법으로는 특정 영역의 주파수를 추출한 상기 심전도 신호를 이전의 특정 영역의 주파수를 추출한 상기 심전도 신호와 연속적으로 비교하여, 일정한 신호 패턴과 불규칙한 신호 패턴을 구분하여, 상기 신호 패턴에 대한 학습을 통하여 신호에 대한 구분 능력이 증가되도록 수행하는 것이 바람직하다.

상세하게는, 모션 제어 도중에 발생하는 진동을 포함한 노이즈는 기계적 노이즈 및 전기적 노이즈 등 다양하게 많은 주파수에서의 움직임과 구성 요소가 발생한 뒤 포착되기 때문에, 이러한 노이즈 요인들은 사전에 미리 예측할 수 없는 문제가 있다.

상기 신호 후처리부(230)에 적용 가능한 신호 처리 프로세서의 동작에 대한 예를 들자면,

움직임에 관한 ECG 신호에서 정확한 신호 데이터 추출을 위한 노이즈 분별 필터링 장치로서, 움직임에 관한 ECG 신호를 FFT 주파수 영역으로 신호 변환을 수행하는 변환수단, FFT 주파수 영역에서 주파수 성분 분석을 수행하는 분석수단, 윈도우 신호를 이용하여 동일 또는 유사한 주파수 성분을 추출하는 주파수 성분 추출 수단 및 동일 또는 유사한 주파수 성분 외의 것을 움직임 성분으로 규정하는 규정수단을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

여기서, 고속 푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)은 유한 수의 주요 주파수 구성 요소가 있을 때, 진동을 분석하는데 유용하지만, 전력 스펙트럼 밀도(PSD, Power Spectral Density)는 임의의 진동 신호를 특성화하는데 사용된다.

PSD는 FFT의 각 주파수에 복소 공액(complex conjugate)을 곱하여 계산하게 되며, FFT의 진폭을 취하고 이를 복소 공액으로 곱하고 주파수 빈 폭으로 정규화하게 된다. 이를 통해, 서로 다른 신호 길이를 갖는 임의의 신체 움직임이나, 모션 제어에 따른 진동 신호를 비교적 정확하게 비교할 수 있다.

또한, 움직임에 관한 ECG 신호에서 정확한 신호 데이터 추출을 위한 노이즈 분별 필터링 방법으로는, 포착된 ECG 신호로부터 일정 주기의 일정 데이터를 분석 처리하여 일정 주기 신호를 추출하는 일정 주기 신호 추출 단계, 일정 주기 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 주파수 영역 신호 변환 단계, 이전 윈도우 신호 및 정보를 이용하여 주파수 영역 신호로 변환된 일정 주기 신호로부터 신호 분석 및 정보 추출을 수행하는 신호 분석 및 정보 추출 단계, 윈도우 신호 및 정보를 업데이트하는 윈도우 신호 및 정보 업데이트 단계, 신호 분석 및 정보 추출로 생성된 신호 관련 정보를 정보화하여 이전의 정보를 기반으로 현재의 정보를 대입하여 이상 신호와 정상적인 신호를 구분하는 노이즈 신호 추출 및 필터링 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.

이 때, 신호 분석 및 정보 추출 단계는, ECG 신호와 노이즈 신호를 분리한 후, 다음 주기 신호 추출 작업에서 이전 신호 정보를 이용하여 현재 신호에 관한 분석 및 정보 처리를 수행할 수 있다.

이 외에도, 상기 신호 후처리부(230)에 적용 가능한 또다른 신호 처리 프로세서의 동작에 대한 예를 들자면,

신호분석수단으로 센싱된 원시 ECG 신호를 일정 주파수 범위 이내로 필터링하고, 필터링된 ECG 신호를 믹서부와 주파수 영역 신호 변환부로 전송하는 디지털 필터, 필터링된 ECG 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 주파수 영역 신호 변환부, 상기 주파수 영역 신호 변환부의 출력 신호를 입력받아 노이즈 신호를 추출하는 노이즈 신호 추출부, 상기 디지털 필터로부터 필터링된 ECG 신호와 노이즈 신호 추출부로부터 추출된 노이즈 신호를 입력받고, 필터링된 ECG 신호에서 추출된 노이즈 신호를 제거하여 출력하는 믹서부 및 상기 믹서부로부터 입력된 노이즈가 제거된 ECG 신호를 수신하여 저장수단으로 전송하는 출력부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 일정한 신호 패턴과 불규칙한 신호 패턴을 구분하기 위한 패턴구분수단에서는, 신호 분석 결과를 비교하는 ECG 신호가 복수개(N개, N은 자연수)인 경우, ECG에 대한 정보화 신호가 노이즈 성분이 거의 없는 정상 신호인 경우에는, 정상 신호 1부터 정상 신호 N까지의 패턴은 서로 유사한 정보 패턴을 보이며, 노이즈 성분이 포함되어 있는 비정상 신호인 경우에는, 비정상 신호 1부터 비정상 신호 N까지의 패턴은 서로 유사하지 않은 정보 패턴을 보이는 것을 구분하는 것이 바람직하다.

이 때, 복수개의 ECG 신호의 합에 의해 ECG 신호에 관한 정보는 더 커지며, 노이즈에 관한 정보를 줄어드는 것이 바람직하다.

또한, 상기 패턴구분수단은 듀얼 주기를 적용함으로써, 한 주기에 의한 파형 분석의 오류를 방지하며, 신호에 대한 정확성을 확률로 나타낼 수도 있다.

이러한 상기 패턴구분수단은 노이즈 성분이 포함된 ECG 신호 데이터에서 원시 신호 데이터의 ECG 신호 데이터를 제거하는 경우, ECG 신호 성분만 남게 되는 것을 특징으로 한다.

또다른, 심전도 신호에서의 노이즈 분별 필터링 방법으로는, 디지털 변환된 ECG 신호에 대해 필터를 통하여 1차적으로 노이즈를 제거하며, 제거된 노이즈 성분에서 움직임에 관한 성분을 제거하기 위하여 주파수 영역으로 변환하는 신호 구간을 생성하며, 전처리 생성 주파수 영역과의 주파수 성분과 크기 변환 과정을 거쳐, 움직임에 의한 노이즈 신호와 ECG 신호를 구분하는 노이즈 제거 단계 및 ECG 신호에 대한 짧은 변환 구간과 긴 변환 구간 간의 데이터 동등성을 비교하여 인덱스 데이터 재구성화 작업을 수행하는 인덱스 재구성단계로 이루어지는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 인덱스 재구성단계는, 짧은 변환 구간과 긴 변환 구간에서 각각 포착된 ECG 신호들에 대해 FFT 주파수 영역으로 신호 변환을 수행하는 주파수 영역 신호 생성 단계, 변환된 신호의 주파수 크기와 주파수를 인덱스화시켜 인덱스 데이터를 생성하는 인덱스화 단계, 생성된 인덱스 데이터와 기존의 인덱스 데이터를 이용하여 맥박 성분을 조사하는 맥박 성분 조사 단계, 조사된 맥박 성분을 이용하여, 인덱스 데이터를 재구성하는 인덱스 데이터 재구성 단계, 맥박 성분 도출 단계에서 도출된 맥박 성분과 기존의 인덱스 데이터를 비교하여 유사성을 조사하는 유사성 조사 단계, 인덱스 데이터 재구성 단계에서 재구성상 인덱스 데이터들을 서로 비교하여 데이터 동등성 여부를 판단하는 인덱스 데이터 동등성 비교 단계 및 인덱스 데이터 동등성 비교 단계에서 데이터가 서로 동등하지 않은 것으로 판단한 경우에는, 인덱스 데이터 재구성화 작성을 수행하는 인덱스 데이터 재구성화 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 인덱스 재구성 단계는 유사성 조사 단계에서 유사성 조사 결과에 따라, 유사성이 없는 것으로 조사될 경우, 사용자가 이를 인지할 수 있도록 데이터를 처리하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

또한, 상기 맥박 성분 조사 단계는, 입력된 인덱스 데이터에 대해 FFT 연산을 수행하는 퓨리에 연산 단계, 주파수 크기에 의한 데이터 버퍼링을 수행하는 데이터 버퍼화 단계, 버퍼링된 데이터의 확률값을 계산하는 확률값 계산 단계, 계산된 확률값들을 이용하여 최대 확률값을 도출하는 최대 확률값 도출 단계 및 역변환을 통해 시간축 데이터로 변경하는 시간축 데이터 변경 단계를 더 포함하여 동작할 수도 있다.

마지막으로, 이러한 심전도 신호의 노이즈 제거를 위한 노이즈 분별 필터링 장치에 의한 필터링 방법으로는, 전극을 통해 포착된 원시 ECG 신호에 대해 주파수 영역에서의 신호 분석을 수행하는 신호 분석 단계, 상기 신호 분석 결과를 이전의 신호 분석 결과와 연속적으로 비교하여 규칙적인(일정한) 신호 패턴과 불규칙한 신호 패턴을 구분하며, 상기 신호에 대한 학습을 통하여 신호에 대한 구분 능력이 증가되는 패턴 구분 단계를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 신호 분석 단계는 포착된 원시 ECG 신호를 일정 주파수 범위 이내로 필터링하고, 필터링된 ECG 신호를 믹서부와 주파수 영역 신호 변환부로 전송하는 디지털 필터링 단계, 필터링된 ECG 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 주파수 영역 신호 변환 단계, 변환된 주파수 영역 신호에서 노이즈 신호를 추출하는 노이즈 신호 추출 단계, 상기 필터링된 ECG 신호와 추출된 노이즈 신호를 입력받아, 필터링된 ECG 신호에서 추출된 노이즈 신호를 제거하여 출력하는 믹싱 단계 및 상기 노이즈 제거된 ECG 신호를 수신하여 저장수단으로 전송하는 출력단계를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 패턴구분단계는 상술한 바와 같이, 신호 분석 결과를 비교하는 ECG 신호가 복수개(N개, N은 자연수)인 경우, ECG에 대한 정보화 신호가 노이즈 성분이 거의 없는 정상 신호인 경우에는, 정상 신호 1부터 정상 신호 N까지의 패턴은 서로 유사한 정보 패턴을 보이며, 노이즈 성분이 포함되어 있는 비정상 신호인 경우에는, 비정상 신호 1부터 비정상 신호 N까지의 패턴은 서로 유사하지 않은 정보 패턴을 보이는 것을 구분하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 아날로그 회로부(210)와 디지털 회로부(220)를 통해, 수동적인 아날로고 신호 처리/수동적인 디지털 신호 처리를 한 후, 상기 신호 후처리부(230)를 통해, 능동적인 신호 처리를 수행하게 된다.

상기 분석부(300)는 상기 신호 후처리부(230)에서 최종 처리된 상기 심전도 신호를 분석하여, 데이터 벡터화를 위한 벡터를 구성하여 상기 모션 제어자의 상태를 판단하기 위한 기준범위의 영역을 설정하는 것이 바람직하다.

다시 말하자면, 상기 분석부(300)는 계측된 심전도 신호의 정상 또는 비정상을 판단하기 위한 판정 범위(기준범위)를 구성하거나, 구성된 판정 범위를 기반으로 실시간으로 계측되는 신호를 판단하기 위한 모든 처리를 수행하는 것이 바람직하다.

이를 위해, 상기 분석부(300)는 도 1에 도시된 바와 같이, 기준정보 생성부(310)와 비교부(320)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 기준정보 생성부(310)는 상기 신호 후처리부(230)에서 최종 처리된 상기 심전도 신호로부터 R-R interval의 peak 값 정보와 QRS파의 지속시간 정보를 검출하는 신호 검출부(311)와, 상기 신호 검출부(311)에서 검출한 상기 정보들을 누적하여 데이터 벡터화를 위한 벡터를 구성하여, 임의 공간에 맵핑하여 상기 기준범위의 영역을 설정하는 초기 기준범위 생성부(312)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 초기 기준범위 생성부(312)는 상기 신호 검출부(311)에서 검출한 상기 정보들을 누적하고, 이를 샘플 데이터로 하여 2차원 또는 3차원 공간에 맵핑하여 상기 기준범위의 영역을 설정할 수 있다.

또한, 상기 기준정보 생성부(310)는 상기 초기 기준범위 생성부(312)에서 생성한 상기 기준범위의 영역에 대한 유효성을 판단하는 유효성 판단부(313)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 유효성 판단부(313)는 상기 초기 기준범위 생성부(312)에 의해 생성한 누적 정보들을 샘플 데이터로 하여 생성한 상기 기준범위 영역에 대한 분석을 통해서, 누적 샘플 표본이 정상 상태의 기준범위 생성을 위한 판단 조건을 만족하지 않으면, 상술한 과정들을 반복하여 상기 기준범위의 영역을 재설정하는 것이 바람직하다.

이를 위해, 누적 샘플 표본이 정상 상태의 기준범위 생성을 위한 판단 조건으로는, 상기 모션 제어자의 기본정보를 의미한다.

일 예를 들자면, 모션 제어자의 나이, 신장, 몸무게, 수면상태, 주요 질병 등 심전도 관련 인체 파라미터를 전기적 신호를 통해 수집하거나, 직접 입력을 통해 빅데이터 수집하여, 이를 통한 상기 기준범위의 판단 조건 정보를 생성하게 된다.

즉, 생성되는 상기 기준범위의 영역을 보다 정확하고 상세하며, 엄밀한 판정범위로 구성하기 위해서는, 상술한 과정들을 자유롭게 반복하여 재설정을 진행하는 것이 바람직하다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기준범위의 영역을 설정하기 위한 샘플 데이터를 수집할 때마다, 상기 기준범위의 영역이 동적으로 변화하기 때문에, 실제 모션동작 시에, 상기 모션 제어자에게 계측되는 심전도 신호에 대한 판정 정밀도와 정확성을 향상시킬 수 있다.

누적 샘플 표본이 많을수록 판정범위의 많은 예외(exception)값을 수렴할 수 있어 보다 상세하고 정밀한 기준범위의 영역을 설정할 수 있다.

이에 따라, 상기 유효성 판단부(313)는 상기 기준범위의 판단 조건 정보 뿐 아니라, 상기 누적 샘플 표본의 개수까지 고려하여, 생성한 상기 기준범위 영역의 최종 결정을 수행할 수 있다.

이 때, 본 발명에서는 상기 누적 샘플 표본의 개수를 한정하는 것이 아니라, 상기 누적 샘플 표본의 개수에 따라, 기준범위의 영역을 자유롭게 설정할 수 있게 된다. 이러한 이유는, 심전도 신호의 범위 자체가 반복성은 존재하지만, 사람마다 심전도 신호 자체가 상이한 양상을 보여주기 때문에, 이를 미리 예측하는 것은 불가능하다.

상기 초기 기준범위 생성부(312)에서의 동작에 대해서 좀 더 알아보자면, 도 3에 도시된 바와 같이, 2차원 공간 상에서 상기 심전도 신호를 자유 도형 형태로 생성할 수 있다.

상세하게는, X축은 QRS파 지속시간으로 설정하고, Y축은 R-R interval의 peak 값으로 구성되는 좌표계에서, 누적 샘플 표본의 개수를 늘려가면서(샘플표본 개수 4 - 샘플표본 개수 6 - 샘플표본 개수 8 - 샘플표본 개수 11 등) 자유 도형 형태의 판정 범위(기준범위)를 2차원 좌표계에 생성할 수 있다.

이와 같이, 누적 샘플 표본의 개수를 늘려가면서 2차원 좌표계에 생성한 기준범위의 영역은 도 4와 같이 나타낼 수 있다.

또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 3차원 공간 상에서도 상기 심전도 신호를 자유 도형 형태로 생성할 수 있다.

상세하게는, X축은 QRS파 지속시간으로 설정하고, Y축은 R-R interval의 peak 값으로 설정하며, Z축은 데이터의 누적 현황값으로 구성되는 좌표계에서, 상기 2차원에서의 생성과 마찬가지로, 누적 샘플 표본의 개수를 늘려가면서 자유 도형 형태의 기준범위의 영역을 생성할 수 있다.

2차원 좌표계에서는 심전도 계측 데이터가 같은 지점에 표현되었을 경우, 이에 대해서는 표현할 방법이 없는 반면에, 3차원 좌표계에서는 같은 지점의 데이터의 누적까지도 확인할 수 있어, 보다 효과적으로 모션 제어자의 심전도 신호에 대한 판정범위(기준범위)를 생성할 수 있는 장점이 있다. 이러한 정확한 판정범위를 이용하여 모션 제어자의 심전도 신호의 정상/비정상 상태를 상시 모니터링하고 이에 대한 정확한 실시간 식별까지 수행할 수 있는 장점이 있다.

상기 비교부(320)는 새롭게 입력되어 전처리 수행 및 분석된 상기 심전도 신호로부터 R-R interval의 peak 값 정보와 QRS파의 지속시간 정보를 검출하는 추가 신호 검출부(321)와, 상기 추가 신호 검출부(321)에서 검출한 정보들에 대한 벡터를 구성하여 상기 기준범위 영역을 설정한 임의 공간에 맵핑하는 신호 맵핑부(322)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 신호 맵핑부(322)에 의해 맵핑된 상기 심전도 신호를 이용하여, 상기 모션 제어자의 상태(정상상태/비정상상태)를 판정하는 판정부(323)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 판정부(323)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 신호 맵핑부(322)에 의해 맵핑된 상기 심전도 신호가 설정한 상기 기준범위의 영역 내에 맵핑될 경우, 정상상황으로 판단하고(도 4의 a) 참조), 상기 기준범위의 영역을 벗어날 경우에는 비정상 상태로 판단하여(도 4의 b) 참조) 결과를 산출하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 기반 모션 제어 장치는, 상기 모션 제어자의 현재 상태를 판정하는 데에 그치지 않고, 도 1에 도시된 바와 같이, 모션 제어부(400)를 더 포함하여 구성되어, 상기 모션 제어부(400)를 통해서, 상기 모션 제어자의 제어에 의한 상기 모션 제어 장치의 동작을 강제 제어하는 것이 바람직하다.

자세하게는, 상기 모션 제어부(400)는 상기 모션 제어자의 제어에 의한 상기 모션 제어 장치의 동작을 강제 제어하는 안전 연동장치를 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 모션 컨트롤러부(410), 인터록 컨트롤러부(420), 드라이버부(430), 모터부(440) 및 액츄에이터부(450)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 모션 컨트롤러부(410)는 모터 및 드라이브의 토크, 속도를 개별적으로 제어하거나, 토크, 속도를 동시에 제어하며, 상기 인터록 컨트롤러부(420)는 후술할 절연부(500)엣 전달된 심전도 신호의 판정 결과를 통해 모터의 움직임을 비롯해, 전체 모션의 움직임에 대한 안정적인 모션 제어 유도 및 처리를 수행하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 모션 컨트롤러부(410)에서는 상기 인터록 컨트롤러(420)의 제어를 위한 적절한 모션 명령을 생성하는 것이 바람직하다.

상기 드라이버부(430)는 스탭 또는 서브 드라이버와 같이, 1개 이상의 하위 제어기 또는 모터 컨트롤러와 연동되는 것이 바람직하며, 상기 모터부(440)는 스탭 또는 서보 모터를 의미하며, 상기 액츄에이터부(450)는 상기 모터에 의해 구동되는 구동부인 것이 바람직하다.

이러한 상기 모션 제어부(400)의 동작들은 상기 분석부(300)의 판정 결과에 따라, 상기 모션 제어자의 상태가 비정상 상태일 경우, 모션 제어의 안정성을 위해, 상기 모션 제어 장치에 의한 모션 파라미터를 강제 제어하는 것이 바람직하다.

다시 말하자면, 심전도 신호를 기반으로 상기 모션 제어자의 상태가 비정상 상태일 경우, 미리 설정되어 있는 비정상적인 상황에 대한 모션 제어 대응 동작 및 원점 복귀, 별도의 알람을 발생시키는 단계를 수행하는 것이 바람직하다.

이를 통해서, 상기 모션 제어자 자신과, 주변 관리자/관계자들에게 주위를 환기시키고 비정상 상황에 대한 소리, 진동, 디스플레이, 경고등, 경광등 점등, 디지털 및 아날로그 입출력 제어, 다양한 통신 인터페이스에 따른 유/무선 통신(이더넷, 블루투스, 지그비, WiFi(Wi-Fi), VPN, 사설 네트워크망, 인터넷 등)을 이용하여 현재의 상황(비정상적인 상황)을 현장(Local) 또는 원격지(Remote)에 곧바로 전달할 수 있다.

이를 통해서, 현재 모션 제어자에게 발생할 수 있는 위험상황을 미연에 방지할 뿐 아니라, 모션 제어의 통제를 벗어난 각종 문제로 무력화될 수 있는 모션 제어의 심각한 인명, 재산 피해를 미연에 방지하여, 적절한 비상정지 등 작동 중지 절차에 즉시 돌입하게 할 수 있다.

상세하게는, 모션 제어시 사용되는 가속도, 감속도, 정속도가 안전속도 또는 이전 파라미터와 50% 이상 차이가 날 경우, 이를 전체 거리를 분할하여 이송하도록 하고 속도에 따른 거리를 분할 파라미터로 모두 조정한다. 이로 인해, 토크 제어와 속도 제어의 파라미터가 모두 안전속도와 안전거리 이내로 조정하여, 원점 복귀 또는 positive end of limit, negative end of limit, 회피 구간으로 자동 이송하거나 미리 정의된 복귀 영역 또는 복귀 속도로 조정하도록 강제 제어된다. 특히, 모션 제어 중에 사용되는 급격한 속도 오버라이드와 위치 오버라이드를 통해 목표 속도와 목표 위치를 모두 안전영역과 안전구간으로 조정할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 기반 모션 제어 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 절연부(500)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 절연부(500)는 상기 신호 처리부(200)와 모션 제어부(400)의 사이에 형성되어, 상호 전기적으로 절연하여 분리시키는 것이 바람직하며, 이를 위해, 신호 절연 블록/전원 절연 블록을 포함하여 구성되는 것이 가장 바람직하다.

좀 더 자세하게 말하자면, 디지털 회로인 디지털 회로부(220), 신호 후처리부(230), 분석부(300)와 모션 제어부(400)를 상기 절연부(400)를 통해 전기적으로 절연시키는 것이 바람직하다.

상기 모션 제어부(400)는 대전력의 모터, 디지털 입출력 구동 등으로 인해 예기치 못한 큰 유도 전류가 발생하거나, 그라운드, 전원 신호에 의한 역기전력, 서지(Surge)성 신호 등이 발생할 수 있어, 잡음원이 2차측 회로 내부로 유입될 수 있다.

이러한 경우, 고속 스위칭 및 로직, 레벨 신호가 존재하는 디지털 회로와 잡음에 민감한 아날로그 회로까지의 동작에 악영향을 미칠 수 있어, 예기치 못한 오류 및 동작 이상이 발생할 수 있는 가능성이 높다.

뿐만 아니라, 물리적 회로의 고장과 소손이 발생할 수 있으며, 나아가 모션 제어 장치를 구동하고 있는 전체 시스템의 손상과, 인명, 재산 상에 큰 피해을 발생할 수 있다.

그렇기 때문에, 상기 절연부(500)를 통해서, 전기적으로 절연하여 분리시킴으로써, 1차측인 모션 제어부(400)와 2차측인 회로구성들(아날로그 회로부(210), 디지털 회로부(220), 신호 후처리부(230) 및 분석부(300))을 서로 전기적으로 분리하여 안전상의 문제와 절연상의 문제 및 이에 따른 영향을 정확하게 배제시킬 수 있는 장점이 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : 심전도 센싱부
110 : 제1 전극부 120 : 제2 전극부
130 : 접지부
200 : 신호 처리부
210 : 아날로그 회로부
211 : 신호 증폭부 212 : 아날로그 필터부
220 : 디지털 회로부
221 : 아날로그디지털변환부 222 : 디지털 필터부
230 : 신호 후처리부
300 : 분석부
310 : 기준정보 생성부
311 : 신호 검출부 312 : 초기 기준범위 생성부
313 : 유효성 판단부
320 : 비교부
321 : 추가신호 검출부 322 : 신호 맵핑부
323 : 판정부
400 : 모션 제어부
500 : 절연부

Claims

심전도 기반 모션 제어 장치에 있어서,
상기 모션 제어 장치의 일측에 형성되는 전극을 포함하며, 상기 전극을 통해 모션 제어자의 심전도(ECG, electrocardiogram) 신호를 센싱하는 심전도 센싱부(100);
상기 심전도 센싱부(100)로부터 센싱된 상기 심전도 신호에 대해 분석을 위한 신호 처리를 수행하는 신호 처리부(200); 및
상기 신호 처리부(200)에서 처리된 상기 심전도 신호를 분석하여, 데이터 벡터화를 위한 벡터를 구성하여 상기 모션 제어자의 정상 상태를 판단하기 위한 기준범위의 영역을 설정하고, 설정한 상기 기준범위의 영역을 이용하여 실시간으로 계측되는 상기 모션 제어자의 상태를 판단하는 분석부(300);
를 포함하여 구성되며,
상기 분석부(300)는
상기 신호 처리부(200)에 의해 신호 처리된 상기 심전도 신호로부터 R-R interval의 peak 값 정보와 QRS의 지속시간 정보를 검출하는 신호 검출부(311)와, 상기 신호 검출부(311)에서 검출한 정보들을 데이터 벡터화를 위한 각각의 벡터들로 샘플 데이터를 구성하고, 이를 누적하여, 2차원 또는 3차원의 공간에 맵핑하여 상기 기준범위의 영역을 설정하는 초기 기준범위 생성부(312)와, 상기 초기 기준범위 생성부(312)에서 상기 기준범위의 영역을 설정하기 위해 구성된 상기 샘플 데이터가 상기 모션 제어자의 신체에 대한 자율신경계의 정상 상태일 때의 기준범위를 생성하고 있는지 분석하여, 생성한 상기 기준범위의 영역에 대한 유효성을 판단하는 유효성 판단부(313)를 포함하는 기준정보 생성부(310); 및
새롭게 입력되어 전처리 수행 및 신호 분석된 상기 심전도 신호로부터 R-R interval의 peak 값 정보와 QRS의 지속지간 정보를 검출하는 추가 신호 검출부(321)와, 상기 추가 신호 검출부(321)에서 검출한 정보들에 대한 벡터를 구성하여, 상기 초기 기준범위 생성부(312)에 의해 생성한 상기 기준범위 영역에 해당하는 임의 공간에 맵핑하는 신호 맵핑부(322)와, 상기 신호 맵핑부(322)에 의해 맵핑된 상기 심전도 신호를 이용하여, 상기 기준범위의 영역 내에 맵핑될 경우, 상기 모션 제어자의 정상 상태로 판정하거나, 상기 기준범위의 영역을 벗어나 맵핑될 경우, 상기 모션 제어자의 비정상 상태를 판정하는 판정부(323)를 포함하는 비교부(320);
를 더 포함하되,
상기 유효성 판단부(313)는
상기 기준범위의 영역을 설정하기 위한 상기 샘플 데이터들이 상기 모션 제어자의 신체에 대한 자율신경계의 정상 상태일 때의 기준범위를 생성하고 있지 않을 경우, 상기 기준범위의 영역을 재설정하는 것을 특징으로 하는 심전도 기반 모션 제어 장치.
제 1항에 있어서,
상기 심전도 기반 모션 제어 장치는
상기 모션 제어자의 제어에 의한 상기 모션 제어 장치의 동작을 강제 제어하는 모션 제어부(400);
를 더 포함하며,
상기 모션 제어부(400)는
상기 분석부(300)의 판정 결과에 따라, 상기 모션 제어자의 상태가 비정상 상태일 경우, 모션 제어의 안정성을 위해, 상기 모션 제어 장치에 의한 모션 파라미터를 강제 제어하는 것을 특징으로 하는 심전도 기반 모션 제어 장치.
제 1항에 있어서,
상기 신호 처리부(200)는
상기 심전도 센싱부(100)로부터 센싱된 심전도 신호에 대한 증폭을 수행하는 신호 증폭부(Amplifier)(211)와, 증폭된 상기 심전도 신호에 대한 아날로그 신호 대 잡음비를 개선하는 아날로그 필터부(Analog Filter)(212)를 포함하는 아날로그 회로부(210);
상기 아날로그 회로부(210)에 의해 아날로그 신호 처리된 상기 심전도 신호를 샘플링하는 아날로그디지털변환부(ADC, Analog to Digital Converter)(221)와, 샘플링된 상기 심전도 신호에 대한 주파수 영역에서의 특정 영역의 주파수를 추출하는 디지털 필터부(Digital Filter)(222)를 포함하는 디지털 회로부(220); 및
특정 영역의 주파수를 추출한 상기 심전도 신호에 대해, 신호처리를 수행하는 신호 후처리부(Post-Signal Processor)(230);
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 심전도 기반 모션 제어 장치.
제 3항에 있어서,
상기 신호 후처리부(230)는
특정 영역의 주파수를 추출한 상기 심전도 신호를 이전의 특정 영역의 주파수를 추출한 상기 심전도 신호와 연속적으로 비교하여, 일정한 신호 패턴과 불규칙한 신호 패턴을 구분하여, 상기 신호 패턴에 대한 학습을 통하여 신호에 대한 구분 능력이 증가되도록 수행하는 것을 특징으로 하는 심전도 기반 모션 제어 장치.
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