KR20030040316A - 생체신호를 이용한 정보입력장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휴대형 정보기기에서의 입력장치에 관한 것으로서, 특히 휴대가능한 컴퓨터 환경이나 정보기기를 다루는데 있어서, 키보드, 마우스, 펜 인식장치와 같은 도구를 이용하여 정보를 입력하는 장치를 대신하여 정보기기의 입력 동작과 연관된 인간의 신체에서 일어나는 생체신호를 분석하여 이를 컴퓨터를 포함한 정보기기에 전달함으로서 정보의 입력을 하는 정보입력장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 컴퓨터를 포함한 정보기기에서 인간의 신체 동작을 이용한 정보입력장치에 있어서, 상기 신체의 동작과 연관된 측정하고자 하는 부위에 센서를 부착하여 신체의 동작을 전기적인 신호로 변환하는 단계, 상기 센서로부터 측정된 신호를 디지털 신호처리방법으로 분석하여 특정한 신체의 동작과 연관된 신호를 추출하는 단계, 상기 추출된 신호를 컴퓨터를 포함한 정보기기에 전송하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

Description

생체신호를 이용한 정보입력장치{Human-Computer Interface based on the Biological Signal}

본 발명은 휴대형 정보기기 및 웨어러블 컴퓨터 환경, 그리고 신체적인 장애로 정보기기의 입력 도구를 사용할 수 없는 상황에서 인간-컴퓨터 사이의 통신을 담당할 수 있는 정보기기의 입력장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체의 동작과 관련되어 나타나는 생체신호를 분석하여 이를 정보기기의 입력장치로서 이용하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 인간과 컴퓨터 사이의 통신을 위한 인터페이스의 개발은 컴퓨터의 등장이래 지속되 온 중요한 연구이다. 대표적인 입력도구인 키보드와 마우스, 그리고 펜인식장치는 키보드 자판과 마우스, 그리고 펜과 같은 도구를 이용하는 인터페이스 장치로서 사용자가 정상적인 신체 구조, 특히 손으로 입력하는 방법이므로 정보기기를 놓고 입력할 수 있는 공간적인 환경과 신체 구조가 정상적인 환경에서 가장 널리 사용되고 있다.

그러나 이와 같은 방법은 컴퓨터를 포함한 정보기기에 도구를 이용한 입력방식으로 공간적인 장소에 제약을 받게되어, 협소한 공간이나 움직임에 제한을 받는 장소, 그리고 신체적으로 손과 같은 부위에 장애가 있는 경우에서 사용이 제한되는 문제점이 발생하게 되는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해, 인체에서 나타낼 수 있는 생체신호로서, 인체의 동작과 연관된 근육의 움직임에 기반한 신호를 정보기기의 입력신호로 이용한다. 특히, 본 연구에서는 다양한 생체신호중에서 손동작을 관장하는 팔 근육의 움직임과 연관된 신호를 이용하여 정보기기의 입력 도구로 이용할 수 있도록 하는데 본 발명의 목적이 있는 것이다.

인체의 움직임은 뼈와 관절로 이루어진 구조체를 바탕으로 근육신경에 의해 이루어 진다. 대부분 정보 입력은 손을 중심으로 발달되 왔으며, 현재 키보드와 마우스, 펜입력 장치가 손에 의해 입력되는 주 입력 장치로 사용되고 있다. 키보드와 마우스등을 움직일 때, 손의 움직임은 손을 관장하는 근육의 변화로 나타나므로 근육의 움직임을 분석함으로서 손가락과 손의 움직임을 파악할 수 있다. 근육과 손의 연결된 동작을 바탕으로, 손에 마우스와 같은 물리적 도구를 이용하지 않더라도 팔근육의 움직임을 통해 목적하는 정보를 알 수 있게 된다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 인체의 손동작과 연관된 팔근육에 센서를 부착하여 손동작과 연관된 신호를 측정하기 위한 생체신호 획득 단계, 측정된 신호를 바탕으로 각 움직임을 구분하기 위한 특징추출과 추출된 특징을 바탕으로 구분된 동작을 인식하는 패턴인식과정을 포함하는 디지털신호처리단계, 그리고 인식된 동작을 컴퓨터를 포함한 정보기기에 전송하기 위한 전송 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

도 1은 생체신호를 이용한 정보입력 장치 구성도

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 정보입력장치의 시스템 구성도

도 3은 생체신호를 이용한 정보입력장치의 제어흐름도

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 구성 및 공지 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 목적을 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 생체신호를 이용한 정보입력 장치구성도를 개략적으로 도시한 것으로서, 인체에 부착하여 생체신호를 측정하는 센서부(171)과 센서부(171)에서 측정된 미약한 신호를 증폭하고 아나로그신호를 디지털 신호로 변환하는 증폭 및 아나로그/디지털 변환부(151), 그리고 디지털 신호를 처리하여 정보기기에 전송을 담당하는 마이크로프로세서부(101)로 구성됨을 특징으로 한다.

센서부(171)는 전극형태의 근전도(EMG)를 측정할 수 있는 센서를 포함하여 근육의 변위를 측정할 수 있는 다양한 종류의 센서가 사용될 수 있으며 복수개의 센서(172)(174)(176)로 구성하여 인체의 동작과 연관된 근육의 변화값을 전기적인 신호로 변환한다. 센서의 개수는 구분하고자 하는 동작의 종류에 따라 가감한다. 증폭 및 아나로그/디지털 변환부(151)는 센서부(171)에서 측정된 생체신호를 디지털 처리가 가능한 신호로 증폭기(156)를 통해 수백에서 수만배 사이로 증폭한 후 아나로그/디지털 변환부(154)를 통해 디지털 신호로 변환한다. 마이크로 프로세서부(101)은 측정된 디지털 신호의 처리 및 I/O인터페이스부(118)를 통해 정보기기에의 전송을 당당하는 전송부(117)와 측정상황을 표시하는 표시부(118)를 제어하며, 전체 디지털 신호를 분석하여 해당 동작을 알아내기위한 프로그램이 들어있는 ROM(112)과 측정된 신호의 저장기능을 당당하는 RAM(114)으로 구성된다.

본 발명은 상술한 도 1의 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 청구하는 범위에서 당해 발명에 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 생체신호를 이용한 정보입력장치의 시스템 구성도를 나타낸 것이다. 손가락(210)의 동작은 팔의 근육의 움직임의 변화로 나타나며, 센서(232)를 인체의 표면에 부착시키기 위해 센서를 부착한 밴드(234)형태로 구성한다. 측정된 신호는 도 1에서의 증폭 및 아나로그/디지털 변환부(151)와 마이크로프로세서부(101)를 내장한 장치(230)로 구성한다.

도 3은 생체신호를 이용한 정보입력장치의 제어흐름도를 나타낸 것으로 제어흐름도에 나타난 동작은 프로그램의 형태로 ROM(112)에 저장된다. 먼저 손동작의 구분에 따라 팔근육에 부착된 생체신호를 이용한 정보입력장치의 복수개로 구성된 센서부(171)를 통해 손동작과 연관된 근육의 변화가 전기적인 신호의 형태로 변환되며, 증폭기(156)을 통해 통상 수백배에서 수만배사이의 증폭을 수행한 후, 아나로그/디지털변환부를 거쳐 디지털 신호로 변환된다. 입력된 디지털 신호는 잡음 및디지털 처리에 유용하도록 복수 채널에 대해 필터링의 전처리 과정을 수행한 후 RAM(114)에 저장된다(단계312). 그 다음 일정시간단위(수ms-수십ms)로 CPU(110)는 RAM(114)에서 복수개의 디지털 신호를 읽어와 각 센서로부터 들어온 데이터사이의 상관관계를 아래의 상관함수를 이용하여 측정하는 특징 추출단계를 거친다(단계314). 두 신호의 상관함수는 서로다른 x(k)와 y(k) 두 개의 센서로부터 들어온 신호가 N개의 디지털 신호로 이루어진 구간에서의 두신호의

로 계산되며, 상관도가 최대가 되는 n의 값은 두신호의 위상차이를 나타낸다. 입력센서 신호가 x(k)와 y(k), z(k)와 같이 3개이면 상관도는 x(k)와 y(k), x(k)와 z(k), y(k)와 z(k)의 3개의 상관도를 구하게 되며 이 이상의 입력신호의 경우에도 각각의 두신호사이의 상관도를 측정하게 된다. 측정된 상관도값과 그때의 n의 값이 동작을 구분하기 위한 매개변수로 사용된다. 상관함수값들은 상술한 과정을 거쳐 미리 구해 RAM(114)에 저장해 놓은 동작별로 인덱스된 특징 저장(322)으로 부터 동작별 상관 함수값을 불러와 현재 계산한 값들과 차이비교를 수행한다(단계316). 각 동작에 해당하는 상관함수값과 비교를 통해 가장 근접한 동작을 찾아내고 일정하게 기 설정된 오차범위이내인지를 판단한다(단계318). 허용오차를 초과하면 현재의 구간은 동작과 무관한 구간으로 판단하고 다음구간을 읽어들여 상술한 과정을 진행한다. 허용오차 이내이면 해당 동작을 구분하는 인덱스를 표시부(118)에 표시함과 동시에 전송부(117)를 통해 컴퓨터를 포함한 정보기기에 전송한다(단계324). 전송은 필요에 따라 무선과 유선이 사용될 수 있다. 이 후 중지에 대한 요구가 없는 경우 다음 구간 신호를 읽어 상술한 과정을 반복한다.

본 발명에 의하면, 컴퓨터를 포함한 정보기기 및 웨어러블 컴퓨터 환경에서의 입력장치로서의 측면과 손과 팔에 장애가 있는 장애자들의 정보기기 활용에의 측면으로 볼 수 있다. 먼저, 정보기기 및 웨어러블 컴퓨터 환경에서의 입력장치측면에서 볼 때, 기존의 마우스와 키보드를 포함한 입력장치를 대체할 수 있는 기술로서 양손의 자유도를 제공하고 공간적인 제한을 해결할 수 있는 잇점을 제공한다. 다음으로, 손과 팔에 장애가 있는 장애자들의 정보기기 활용측면에서 볼 때, 복지차원에서 반드시 연구되어야할 부분으로 현재의 대표적인 입력장치(키보드, 마우스,..)의 한계를 극복할 수 있는 인터페이스장치로서 큰 도움을 제공할 수 있게된다

Claims (2)

1. 생체신호를 이용한 입력장치를 구성함에 있어서,

   인체에 부착하여 생체신호를 측정하는 센서부(171)와 센서부(171)에서 측정된 미약한 신호를 증폭하고 아나로그신호를 디지털 신호로 변환하는 증폭 및 아나로그/디지털 변환부(151), 그리고 디지털 신호를 처리하여 정보기기에 전송을 담당하는 마이크로프로세서부(101)로 구성하여, 키보드, 마우스, 펜 인식장치와 같은 도구를 이용하지 않고 컴퓨터를 포함한 정보기기의 입력 동작과 연관된 인간의 신체에서 일어나는 생체신호를 분석하여 이를 컴퓨터를 포함한 정보기기에 전달함으로서 정보의 입력을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 정보입력장치
2. 제 1항에 있어서,

   미리 약정된 복수개의 정보를 입력하는 손동작과 연관된 인체의 근육의 변화를 복수개의 센서로 측정하여, 들어온 신호 상호간의 상관도와 위상차를 계산하여 이를 복수개의 약정된 정보 입력 동작으로 구분이 가능하는 것을 특징으로 하는 정보입력장치