KR20070045747A

KR20070045747A - 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20070045747A
Application number: KR1020050102368A
Authority: KR
Inventors: 정혁; 김종성; 손욱호
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-05-02
Also published as: US20070100508A1; EP1779820A3; EP1779820B1; JP4440247B2; KR100725540B1; JP2007125380A; US7783391B2; EP1779820A2; ATE554734T1

Abstract

본 발명은 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구강내 치아를 깨무는 이물기 동작시 활성화되는 근육의 근전도 신호를 양측 근전도센서에서 감지하고, 이동기기 이전의 동작을 기준연산값으로 하여 상기 감지된 근전도 신호에 대해 이물기 위치, 이물기 지속시간, 이물기 연속동작을 포함한 이물기 동작에 대응하여 이동기기 제어를 위한 명령어를 제어 명령 생성부에서 생성하고, 상기 생성된 명령어에 대해 제어 명령 인터페이스부에서 입력 전압으로 변환하여 이동기기 구동부에서 이동기기의 구동을 제어함으로써, 제한된 개수의 이물기 패턴으로부터 이전 단계에서의 인식 패턴 및 이전 단계에서의 휠체어의 이동 명령어를 활용하여 보다 자연스럽게 휠체어를 제어할 수 있다.

사지마비 장애인, 인터페이스, 전동 휠체어, 이동기기, 근전도, 관자근

Description

이물기를 이용한 이동기기 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING VEHICLE BY TEETH-CLENCHING}

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 이동기기 제어 장치를 포함한 전체 시스템을 나타낸 개념도,

도 2는 본 발명의 이동기기 제어 장치의 사용 상태도,

도 3은 본 발명의 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법의 전체 개념도,

도 4는 본 발명의 이동기기 제어 장치로부터 전송된 신호를 처리하는 과정을 나타낸 흐름도,

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 이물기에 의한 휠체어 제어 과정을 나타낸 흐름도,

도 6은 본 발명의 이물기에 의한 휠체어 제어 명령어의 디스플레이 개념도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 근전도 신호 획득 및 송신부

100 : 근전도센서

110 : 접지전극

120 : 증폭 및 송신부

130 : 헤어밴드

20 : 근전도 신호 처리부

200 : 제어 명령 생성부

210 : 제어 명령 인터페이스부

220 : 휠체어 구동부

230 : 디스플레이부

본 발명은 이동기기를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사지마비 장애인의 이물기를 통해 발생된 근전도를 기반으로 전동 휠체어와 같은 이동기기를 제어하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

장애는 다양한 형태로 존재하며, 사지마비 장애의 경우에는 척수 손상으로 인해 목 이하의 신체, 특히 손과 발을 모두 사용할 수 없는 경우가 대부분이다. 이와 같은 사지마비 장애인의 활동을 보장하기 위해 다양한 방법으로 전동 휠체어와 같은 이동기기를 제어하는 방법에 대해 제안되고 있다.

기존의 사지마비 장애인을 위한 전동 휠체어 제어 방법에는 턱 아래에 설치된 조이스틱을 사용하는 방법, 호흡(sip & puff)에 의한 방법 등이 제안되어 있다. 이 때, 턱 아래에 설치된 조이스틱을 이용하는 방법은 작동 중에는 지속적으로 목에 힘을 주어야 하기 때문에 목의 피로가 심할 수 있다. 또한 작동 중에는 시선이 자유롭지 못하기 때문에 안전상의 문제가 발생할 수도 있다. 한편, 호흡에 의한 작동 방법은 빨대 모양의 호흡 조절 장치에 공기를 흡수하거나 배출하여(숨을 들어 쉬거나 내 쉬어) 이를 휠체어 제어기가 인식하게 함으로써 휠체어를 구동하는 방법으로서, 휠체어 동작을 위해서는 빨대에 입을 대고 있어야 하기 때문에 외관상으로 보기 좋지 않을 수 있으며 위생상의 문제가 발생할 수도 있다. 특히, 휠체어 제어를 위해서는 호흡의 길이 및 들숨 또는 날숨을 조절해야 하는데 그 방법이 직관적이지 못하기 때문에 숙련되는 데에는 많은 시간이 걸릴 수 있다.

기존에 제안된 장애인을 위한 이동기기의 제어 장치 및 방법과 이들의 문제점에 대해 설명한다.

발명의 명칭을 “어깨 움직임을 이용한 척추 손상 장애인용 전동 휠체어 조종 센서 및 이를 이용한 휠체어 구동제어장치”(출원번호 10-2003-00118856)로 하는 발명에서는 손을 움직일 수 없는 척추 손상 장애인의 의복 상의에 구동제어장치가 부착되어 장애인의 어깨가 움직이는 쪽과 그 정도를 측정해 전동 휠체어의 움직임을 조종하는 방법을 제안하고 있으나, 어깨를 움직이기 어려운 장애인에게는 적용되기 어려웠을 뿐만 아니라, 직진을 위해서는 계속 어깨를 들고 있어야 하기 때 문에 장시간 사용시 피로가 누적될 수 있었다.

또한, 발명의 명칭을 “근전도 신호를 이용한 전동 휠체어 인터페이스 장치 및 방법, 이를 채용한 전동 휠체어”(출원번호 10-2003-0005471)로 하는 발명에서는 목의 움직임에 의해 활성화되는 목빗근(Sternocleidomastoid muscle)과 등세모근(Trapezius muscle)에서의 근전도 신호를 획득하여 이를 처리함으로써 휠체어를 구동하는 방법을 제안하고 있으나, 근전도 획득을 위한 센서를 목에 부착해야 하므로 센서 장착에 의해 사용자가 불편함을 느낄 수 있었으며 목을 계속 움직여야 하기 때문에 피로가 쉽게 올 수 있었다.

그리고, 발명의 명칭을 “헤드 밴드형 기울기 센서와 바이트 스위치를 이용한 장애인용 구동 장치”(출원번호 10-2003-0088730)로 하는 발명에서는 사용자의 머리에 착용되어 머리의 기울어짐 방향과 그 각도를 측정하는 기울기 센서와 사용자의 이빨 깨물음 여부를 측정하는 바이트 스위치를 이용하여 휠체어 등을 구동하는 장치를 제안한 바 있으나, 입안에 센서가 장착됨으로 인한 이물감 때문에 사용상의 불편함이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 머리 아래의 움직임이 부자연스러운 장애인 및 장애인이 아닐지라도 손과 팔을 사용하기 힘든 경우에 이물기 동작으로부터 발생되는 근전도 신호의 분석을 통해 왼쪽, 오른쪽, 양쪽 이물기 동작 및 이물기 지속 시간 등을 구 분하여 휠체어를 제어함으로써 휠체어 조작시 직관적인 제어가 가능하도록 하며, 이물기 동작에 의해 활성화되는 근육중 근전도 신호의 센싱이 용이한 관자근(temporalis muscle)의 근전도 신호를 센싱할 수 있도록 모자나 헤드밴드 형태로 제작함으로써 장애인 신체에 착용시 사용자의 거부감을 최소화하면서 탈부착이 용이하도록 한 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치를 제공하는데 있다.

한편, 본 발명의 다른 목적은 이물기 동작과 관련된 근육 활성화에 의한 근전도 신호 센서로부터 획득하여 송신하는 신호 획득 및 송신 단계, 획득된 근전도 신호를 수신하여 이물기 패턴을 구분하고 휠체어의 동작에 관한 명령을 생성하는 신호 수신 및 처리 단계, 인식된 이물기 패턴 및 휠체어 동작 상태에 대응하게 분류된 동작을 표시하는 디스플레이 단계, 신호 수신 및 처리 단계에서의 휠체어 구동 명령을 휠체어 구동부에 전달하기 위한 휠체어 제어 인터페이스 단계 및 휠체어 구동을 위한 휠체어 제어 단계로 진행되는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치는, 양측에 각각 마련되어 구강내 치아를 깨무는 이물기 동작시 근육의 활성화에 따라 근전도 신호를 발생시키는 근전도센서와, 상기 신체에 접촉되어 기준 전압을 제공하는 접지전극으로 이루어진 근전도 신호 획득부; 및 이동기기 이전의 동작을 기준연산값으로 하여 상기 근전도 신호 획득부로부터 전달된 근전도 신호에 대해 이물기 위치, 이물기 지속시간, 이물기 연속동작을 포함한 이물기 동작에 대응하여 이동기기 제어를 위한 명령어를 생성하는 제어 명령 생성부와, 상기 명령어에 대응하여 입력 전압으로 변환하는 제어 명령 인터페이스부와, 상기 입력 전압에 대응하여 이동기기의 구동이 이루어지는 이동기기 구동부로 이루어진 근전도 신호 처리부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법은, 구강내 치아를 깨무는 이물기 동작시 활성화되는 근육의 근전도 신호를 양측 근전도센서에서 감지하는 단계; 이동기기 이전의 동작을 기준연산값으로 하여 상기 감지된 근전도 신호에 대해 이물기 위치, 이물기 지속시간, 이물기 연속동작을 포함한 이물기 동작에 대응하여 이동기기 제어를 위한 명령어를 제어 명령 생성부에서 생성하는 단계; 상기 생성된 명령어에 대해 제어 명령 인터페이스부에서 입력 전압으로 변환하는 단계; 및 상기 입력 전압에 대응하여 이동기기 구동부에서 이동기기의 구동이 이루어지는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

먼저, 본 발명은 이동기기를 이용하는 사용자의 이(치아)물기에 의해 이동기기의 제어가 이루어지게 되는데, 이물기 동작은 장애가 심한 사용자의 경우에는 왼쪽, 오른쪽, 양쪽 등을 구분하여 수행할 수 있다. 한편, 사용자의 이물기 동작에 의해 활성화되는 근육은 양 턱에 위치한 깨물근(masseter muscle), 관자놀이 부근에 위치한 관자근(temporalis muscle) 등이 있다. 그런데, 깨물근은 양 턱에 위치하고 있기 때문에 근전도 신호를 획득하기 위해서는 양쪽 턱에 센서를 부착하여야 하므로 센서의 부착이 용이하지 않으며, 부착이 되었다고 하더라도 사용하기에는 불편하다. 그래서, 본 발명에서는 관자근으로부터 근전도 신호를 획득하기 위해 양 이마의 관자놀이 부근에 센서를 위치시키도록 하며, 상기 센서를 평상시 사용하는 소품인 모자나 헤드밴드에 부착하여 사용상의 거부감을 최소화할 뿐만 아니라 편리함을 제공한다.

이하, 본 발명의 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치 및 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 이동기기 제어 장치를 포함한 전체 시스템을 나타낸 개념도이다. 이동기기 제어 장치를 헤드밴드에 적용한 하나의 예를 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이동기기 제어 장치는 크게 근전도 신호를 획득하는 근전도 신호 획득 및 송신부(10)와 근전도 신호를 처리하는 근전도 신호 처리부(20)로 이루어져 있다.

상기 근전도 신호 획득 및 송신부(10)는 이물기 수행 시 작용하는 관자근에서의 근전도 신호를 감지하기 위한 2개의 근전도센서(100)와, 기준 전압을 측정하기 위한 1개의 접지전극(110)과, 감지된 근전도 신호를 증폭하여 디지털로 변환하여 무선으로 전송하는 증폭 및 송신부(120)로 이루어져 있다.

상기 근전도센서(100), 접지전극(110), 증폭 및 송신부(120)는 헤어밴드(130)에 부착되며, 사용자의 신체 조건에 적용할 수 있도록 그 착탈이 용이한 구조 를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 벨크로를 헤어밴드(130) 내측 또는 내측 전체에 적용함으로써 사용자의 신체 조건에 대응하여 근전도센서(100)로부터의 센싱이 용이하게 한다. 본 실시예에서는 헤어밴드(130)에 근전도 신호 획득 및 송신부(10)를 적용한 경우를 설명하고 있으나, 사람의 머리에 부착 및 착용되는 다양한 형태(모자 등)로 근전도 신호 획득 및 송신부(10)가 적용될 수 있음은 주지의 사실이다.

그리고, 상기 근전도센서(100)는 눈깜빡임에 의한 안전도, 두뇌로부터 전달되는 뇌파의 영향을 최소화하고 깨무는 동작에 의한 근전도만을 주로 획득하기 위하여 2쌍의 전극의 전압 차이를 이용하는 차등 방식의 증폭이 이용된다. 또한, 본 실시예에서 근전도센서(100)를 양측 적용한 경우에 대해 설명하고 있으나 그 개수는 한정되지 않는다.

한편, 상기 근전도 신호 처리부(20)는 제어 명령 생성부(200), 제어 명령 인터페이스부(210) 및 휠체어 구동부(220)로 이루어져 있다.

상기 제어 명령 생성부(200)는 무선으로 송신된 근전도 신호를 수신하고 수신된 디지털 신호를 처리하여 휠체어를 조작하기 위한 명령을 생성한다. 상기 제어 명령 인터페이스부(210)는 제어 명령 생성부(200)에서 생성된 휠체어 조작 명령을 인터페이싱시킨다. 상기 휠체어 구동부(220)는 상기 휠체어 조작 명령에 대응하여 좌측 모터 및/또는 우측 모터 등의 구동장치를 제어한다.

본 실시예에서는 상기 근전도 신호 획득 및 송신부(10) 및 근전도 신호 처리부(20)간 무선 송수신을 제시하고 있으나, 이들을 유선으로 연결시킬 수도 있다.

또한, 상기 휠체어 조작 명령 생성시 이에 대응하는 화면을 디스플레이시키는 디스플레이부(230)를 더 형성시킬 수도 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 이동기기 제어 장치의 사용 상태도이다.

도 2를 참조하면, 근전도센서(100)는 헤드밴드(130)의 방향과 평행이 되도록 위치시키며, 접지전극(110)은 이마의 정 중앙에 위치하도록 한다. 또한, 이물기에 의한 근전도 신호는 관자근이 위치한 눈썹끝부분에서 위쪽으로 1cm 정도 떨어진 지점에서 쉽게 감지되기 때문에 근전도센서(100)의 위치를 이에 맞도록 조정한다.

그러면, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법에 대해 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법의 전체 개념도이다.

도 3을 참조하면, 사용자가 이물기를 수행하면 관자근의 활성화에 따라 근전도센서(100)로부터 센싱이 이루어진다. 이어서 상기 센싱, 즉 감지된 근전도 신호를 증폭 및 송신부(120)에서 증폭 및 디지털로 변환하여 무선 전송이 이루어지게 된다.

근전도 신호 획득 및 송신부(10)로부터 전송된 근전도 신호를 제어 명령 생성부(200)에서 수신하여 디지털 신호로 처리하여 휠체어를 조작하기 위한 명령을 생성한다. 이 때, 생성된 휠체어 제어 명령은 디스플레이부(230)에 표시하는 과정 을 거치면서 제어 명령 인터페이스부(210)를 통해 상기 휠체어 제어 명령이 휠체어 구동부(220)로 전달된다. 이에 휠체어 구동부(220)는 좌측 모터 및/또는 우측 모터 등을 구동시켜 휠체어 움직임을 발생시키게 된다.

도 4는 본 발명의 이동기기 제어 장치로부터 전송된 신호를 처리하는 과정을 나타낸 흐름도이다. 이는 도 3의 제어 명령 생성부(200)에 이루어지는 S20을 구체적으로 설명한 것이다.

도 4를 참조하면, 근전도 신호 획득 및 송신부(10)로부터 전송된 근전도 신호를 수신한다(S201). 이 때, 상기 근전도 신호 획득 및 송신부(10)와 근전도 신호 처리부(20)간 무선 송수신 방법은 근거리 내에서 무선 통신이 이루어지기 때문에 전력 소모가 상대적으로 적은 블루투스 프로토콜이 적합하다.

수신된 신호는 우선 전처리 단계를 거치게 된다. 전처리 단계에서는 입력된 2채널(양측 좌우채널)의 근전도 신호를 100ms 정도의 길이로 블록화한다(S202). 이 때, 블록의 길이는 100ms 이상에서의 근전도 신호는 대부분 ‘안정적’(stationary)로 가정할 수 있기 때문에 100ms로 설정하는데, 물론 상황에 따라 블록의 길이를 다소 조정할 수는 있다. 디지털 변환과정에서의 샘플링 주파수는 1kHz 정도이며, 이에 따라 각 블록에서의 각 채널 당 샘플 개수는 100개가 된다.

전처리 단계에서는 블록화된 근전도 신호로부터 근전도센서(100)나 접지전극(110)이 접촉 불량인 상태를 감지하여 이를 명령어 생성 단계에 반영하는 과정이 포함되어 있다. 근전도센서(100)이나 접지전극(110)이 접촉 불량인 경우에는 획득 된 신호가 최대 진폭으로 사각파 모양으로 진동하게 된다. 이와 같이 최대 진폭이 설정값 이상 연속 발생하는지를 판별하여(S203) 최대 진폭이 설정값 이상 연속 발생한 경우에는 사용자에게 에러 메시지를 전달하거나 경보한다(S204). 이에 사용자는 헤어밴드를 재착용하거나 이동기기 제어 장치를 점검하는 과정으로 이어질 수 있다(S205).

한편, 상기 S203 다음으로 각 블록에서 근전도 신호의 최소값과 최대값이 각각 디지털 변환에 의한 최소, 최대 한계값과 동일한 값을 갖는 빈도를 확인하여(S206), 특정 빈도 이상인 경우에는 특징추출단계를 거치지 않고 바로 하기하는 휠체어 명령 생성 단계(S209)로 진행하여 ‘휠체어 멈춤’ 명령을 생성한다. 이에 휠체어 정지 상태를 유지하거나 휠체어 구동이 정지된다.

이와 같이, 상기 전처리 단계를 완료하면 다음으로 특징추출 단계를 진행하게 된다(S207). 상기 근전도 신호의 특징추출에는 블록화된 2개 채널의 근전도 신호로부터 다음과 같은 식에 의해 각 채널의 DAMV(Difference of Absolute Mean Value) 값을 구한다.

여기서, N은 블록내 샘플 개수이며, x(i)는 인덱스 i에서의 디지털로 변환된 근전도 신호 값을 각각 의미한다. DAMV는 급격하게 변화하는 근전도 신호의 특성을 잘 반영할 수 있을 뿐만 아니라, 직류 성분은 무시하기 때문에 직류 성분을 제거하기 위한 별도의 과정이 필요 없게 된다.

이어서, DAMV 값을 이용하여 패턴분류 단계를 진행하게 된다(S208). 상기 패턴분류는 2개의 채널에서 획득된 근전도 신호의 특징 값의 크기와 특정한 역치 값을 비교하여 역치값 이상이면 ‘On’, 이하이면 ‘Off’로 구분한다. 즉, 2개의 채널로부터 다음과 같은 총 4가지의 상태를 구분할 수 있다 : 1) 두 채널 모두가 ‘Off’인 상태, 2) 첫번째 채널(좌측 관자놀이에 부착)이 ‘On’ 이고 나머지가 ‘Off’인 상태, 3) 두번째 채널(우측 관자놀이에 부착)이 ‘On’이고 나머지가 ‘Off’인 상태, 4) 두 채널 모두가 ‘On’ 인 상태. 이때 기본 인식 패턴을 각각 ‘쉼’, ‘좌측’, ‘우측’, ‘양측’으로 정의한다. 이로써 2개의 근전도 채널로부터 4가지 기본 명령 구현이 가능하다.

다음으로, 상기 패턴분류 단계에서 정의된 패턴을 이용하여 휠체어를 구동하기 위한 명령어를 생성하는 명령어 생성 단계를 진행한다. 이 때, 상기 앞서 정의된 4가지의 기본 인식 패턴을 그대로 휠체어 제어를 위한 명령어로 적용할 수 있지만, 4가지 명령어만으로는 후진, 직진 중 좌 또는 우 회전 등의 명령을 처리할 수 없기 때문에 휠체어의 움직였던 상태, 기본 인식 패턴의 과정(history)에 따라 다양하게 휠체어 구동을 할 수 있도록 하는 과정이 필요하다. 이에 대한 구체적인 과정은 도 5에서 설명한다.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 이물기에 의한 휠체어 제어 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 5에는 ‘쉼’, ‘좌측’, ‘우측’, ‘양측’ 기본 인식 패턴으로부터 다 양하게 휠체어를 구동할 수 있도록 하는 과정을 도시하고 있다. 여기서, 도면에 도시된 휠체어 제어 명령어에 대한 정의를 설명한다.

* Pat : 현재 인식된 기본 이물기 패턴 또는 스위치를 나타내는 변수로서 쉼(REST), 좌측(L), 우측(R), 양측(BOTH) 중의 하나의 값을 가짐.

* PrePat[i] : i번째 과거의 기본 인식 패턴(i = 0, 1, 2, …, n1, n1은 특정 자연수로서 최대로 기억해야 할 과거 패턴의 블록 번호를 의미함).

* Act : 휠체어 이동을 정의하는 변수임. 다음과 같이 총 13개의 휠체어 이동 동작이 있다.

1. STOP : 멈춤

2. GF(Go Forward) : 전진, 앞 방향으로 이동

3. GB(Go Backward) : 후진, 뒷 방향으로 이동

4. TL(Turn Left) : 좌측 방향으로 회전

5. TR(Turn Right) : 우측 방향으로 회전

6. GFL1 : “좌약선회 및 전진” 앞 방향으로 이동하면서 좌측 방향(반시계방향)으로 조금 회전

7. GFL2 : “좌중선회 및 전진” FL1과 유사하지만 좌측 회전 정도가 커짐

8. GFL3 : “좌급선회 및 전진” FL1 및 FL2와 유사하지만 좌측으로 급격하게 회전함을 의미(좌측으로 급선회시 이용 : 이는 90도로 꺾인 좁은 도로에서 이동할 때 휠체어를 멈추지 않고 이동할 수 있도록 도와 주는 명령임)

9. GFR1 : “우약선회 및 전진” 앞 방향으로 이동하면서 우측 방향(시계방향)으로 조금 회전

10. GFR2 : “우중선회 및 전진” FR1과 유사하지만 우측 회전 정도가 커짐

11. GFR3 : “우급선회 및 전진” FR1 및 FR2와 유사하지만 우측으로 급격하게 회전함을 의미(우측으로 급선회시 이용)

12. GBL1 : 뒷 방향으로 이동하면서 좌측 방향(반시계 방향)으로 조금 회전

13. GBR1 : 뒷 방향으로 이동하면서 우측 방향(시계 방향)으로 조금 회전

* PreAct : 바로 이전 단계에서의 휠체어 이동을 정의하는 변수.

* Dir : 휠체어를 이동시킬 방향이 앞인지 뒤인지를 결정하는 변수. 앞쪽인 경우 Forward, 뒤쪽인 경우 Backward 값을 가짐.

* bCheck : 양측 이물기가 한번 수행이 되었는지를 확인하기 위한 변수로서, 한번 수행이 된 경우에 TRUE값을 가지며 그 이외의 경우에는 FALSE값을 갖는다. bCheck는 특정 시간 동안에 양측 이를 물었다고 놓기를 2번 반복하여 이동할 방향(Dir)을 전환하는데 사용된다. 이때, 특정 시간 동안 이물었다 놓기를 2번 이상 반복하지 않으면 bCheck 값은 FALSE로 전환된다. 따라서 휠체어를 잠깐씩 멈추는 것에 의해 휠체어의 이동할 방향이 전환되는 것이 억제된다.

이와 같이 휠체어 제어 명령어가 정의된 상태에서 휠체어의 구동 초기 상태가 되면, 초기에는 PrePat 및 PreAct가 각각 ‘REST’ 및 ‘STOP’로 설정된다. 그 리고 이물기에 의해 근전도 신호가 획득되어 전송되면 상기한 바와 같이 특징을 구하고 패턴을 구분한다.

도 5a는 구분된 패턴(Pat)이 좌측(L)인 경우의 휠체어 제어 알고리즘을 나타낸다. 입력된 패턴이 ‘L’인 경우(S301) 기존의 휠체어 동작(PrePat)이 ‘TL’ 또는 ‘TR’ 또는 ‘STOP’인 경우에는 휠체어 동작 명령어는 ‘TL’로 설정된다(S302∼S303). 만약 그렇지 않은 경우에는 휠체어 동작(Act)은 기존의 휠체어 동작(PreAct)으로 설정된다(S304).

도 5b는 구분된 패턴(Pat)이 우측(R)인 경우의 휠체어 제어 알고리즘을 나타낸다. 입력된 패턴이 ‘R’인 경우(S311) 기존의 휠체어 동작(PrePat)이 ‘TL’ 또는 ‘TR’ 또는 ‘STOP’인 경우에는 휠체어 동작 명령어는 ‘TR’로 설정된다(S312∼S313). 만약 그렇지 않은 경우에는 휠체어 동작(Act)은 기존의 휠체어 동작(PreAct)으로 설정된다(S314).

도 5c는 구분된 패턴(Pat)이 양측(BOTH)일 때의 과정을 나타낸 것으로서, 입력된 패턴이 ‘BOTH’인 경우(S321) 과거 0번째부터 n1번째 블록에서의 PrePat 값이 BOTH인 경우에(S322) Dir이 Forward이면 Act는 전진(GF)으로 설정된다(S323∼S324). 만일 Dir이 Backward이면 Act는 후진(GB)으로 설정된다(S325). 즉 다시 설명하면 특정 시간 동안 양측 이를 지속적으로 물고 있어야만 휠체어를 앞 또는 뒤 방향으로 움직일 수 있다. 이로써 우발적으로 양측 이를 물었을 때 휠체어가 움직이는 것을 방지할 수 있다. 한편, 상기 S322에서 과거 0번째부터 n1번째 블록에서의 PrePat 값이 BOTH가 아닌 경우에 동작(Act)은 정지 상태로 설정된다(S326).

도 5d는 구분된 패턴(Pat)이 쉼(REST)일 때의 과정을 나타낸 것이다.

우선 PreAct가 GF, GFL1, GFL2, GFR1, GFR2인 경우는 휠체어가 앞쪽으로 이동하고 있는 상태를 의미하는 것이다. 이 때, 좌측 또는 우측으로 선회하는 정도를 전환시키기 위해 좌, 우측 이물기를 수행하게 되는데 좌측 또는 우측을 잠깐 물었다가 놓는 경우에 해당 방향으로 휠체어 이동 방향이 한 단계씩 전환된다. 즉, 직진(GF)의 경우 특정 시간 동안 우측 이물기를 수행했다가 놓으면 놓는 순간에 휠체어 이동 방향이 우측으로 조금 전환된다. 이 과정을 반복하면 이동 방향을 조금 더 우측으로 전환시킬 수 있다. 반대로 좌측 이물기를 특정 시간 동안 수행했다가 놓으면 휠체어는 좌측으로 방향이 전환된다. 즉, 앞 방향으로 휠체어가 이동하고 있을 때 좌, 우측 이를 특정 시간 동안(약 0.2초∼1초) 물었다가 놓으면 이동 방향을 해당 방향으로 전환할 수 있다. 즉 방향의 전환은 GFL2 →GFL1 →GF →GFR1 →GFR2, 또는 GFR2 →GFR1 →GF →GFL1 →GFL2 방식으로 순차적으로 이루어진다. 이 때, 만약 상기한 특정 시간(1초) 이상 좌 또는 우측 이를 물었다가 놓으면 과거의 이동 명령인 GF, GFL1, GFR1, GFL2, GFR2에 관계없이 해당 방향으로 급선회(GFL3, GFR3)를 하게 된다. 완만한 방향 전환과 급선회를 구분하기 위한 시간 조절은 블록 사이즈의 개수를 조절하여 이루어진다.

도 5d의 도면 설명에 있어, L / R 또는 R / L 의 표현은 동일한 위치에 있는 명령이 순서도에 따라 반영되는 것을 의미한다. 그리고 설명의 편의를 위해 L / R 중 어느 하나의 방향에 대해서만 설명하기로 한다.

도 5d를 참조하면, 입력된 패턴이 ‘REST’인 경우(S331) 휠체어의 이전 동작이 ‘PreAct=GF’인 상태에서(S332), 입력된 패턴이 ‘PrePat[0] = L’이면 다음으로 ‘PrePat[1∼n0] = L’ 인지를 확인해서(S333∼S334) 설정시간 이상 이물기가 이루어졌을 경우에 휠체어 동작은 Act = GFL3로 설정되고(S335) 그렇지 않을 경우에는 휠체어 이동 동작 중에서 “좌약선회 및 전진”인 Act = GFL1로 설정된다(S336). 한편, 상기 S355에서 ‘PrePat[0] = L’이 아닐 경우에는 이전 휠체어 동작 Act = PreAct로 설정된다(S337).

한편, 휠체어의 이전 동작이 ‘PreAct=GFL1’인 상태일 경우에(S338), 입력된 패턴이 ‘PrePat[0] = L’이면 다음으로 ‘PrePat[1∼n0] = L’ 인지를 확인해서(S339∼S340) 설정시간 이상 이물기가 이루어졌을 경우에 휠체어 동작은 Act = GFL3로 설정되고(S341) 그렇지 않을 경우에는 휠체어 이동 동작 중에서 “좌중선회 및 전진”인 Act = GFL2로 설정된다(S342). 한편, 상기 S339에서 ‘PrePat[0] = L’이 아닐 경우에는 입력된 패턴이 ‘PrePat[0] = R’이면 다음으로 ‘PrePat[1∼n0] = R’ 인지를 확인해서(S343∼S344) 설정시간 이상 이물기가 이루어졌을 경우에 휠체어 동작은 Act = GFL3로 설정되고(S345) 그렇지 않을 경우에는 휠체어 이동 동작 중에서 “전진”인 Act = GF로 설정된다(S346). 한편, 상기 S343에서 ‘PrePat[0] = R’이 아닐 경우에는 이전 휠체어 동작 Act = PreAct로 설정된다 (S347).

휠체어의 이전 동작이 ‘PreAct=GFL2’인 상태일 경우에(S348), 입력된 패턴이 ‘PrePat[0] = L’이면 다음으로 ‘PrePat[1∼n0] = L’ 인지를 확인해서(S349∼S350) 설정시간 이상 이물기가 이루어졌을 경우에 휠체어 동작은 Act = GFL3로 설정되고(S351) 그렇지 않을 경우에는 휠체어 이동 동작 중에서 “좌급선회 및 전진”인 Act = GFL3로 설정된다(S352). 한편, 상기 S349에서 ‘PrePat[0] = L’이 아닐 경우에는 입력된 패턴이 ‘PrePat[0] = R’이면 다음으로 ‘PrePat[1∼n0] = R’ 인지를 확인해서(S353∼S354) 설정시간 이상 이물기가 이루어졌을 경우에 휠체어 동작은 Act = GFR3로 설정되고(S355) 그렇지 않을 경우에는 휠체어 이동 동작 중에서 “우약선회 및 전진”인 Act = GFL1로 설정된다(S356). 한편, 상기 S353에서 ‘PrePat[0] = R’이 아닐 경우에는 이전 휠체어 동작 Act = PreAct로 설정된다(S357).

휠체어의 이전 동작이 ‘PreAct=GFL3’인 상태일 경우에(S358), 입력된 패턴이 ‘PrePat[0] = L’이면 다음으로 ‘PrePat[1∼n0] = L’ 인지를 확인해서(S359∼S360) 설정시간 이상 이물기가 이루어졌을 경우에 휠체어 동작은 Act = GFL3로 설정되고(S361) 그렇지 않을 경우에는 휠체어 이동 동작 중에서 “좌급선회 및 전진”인 Act = GFL3로 설정된다(S352). 즉 이경우에는 상기 S360에 관계없이 같은 결과값을 같게 된다. 한편, 상기 S359에서 ‘PrePat[0] = L’이 아닐 경우에는 입력된 패턴이 ‘PrePat[0] = R’이면 다음으로 ‘PrePat[1∼n0] = R’ 인지를 확인해서(S363∼S364) 설정시간 이상 이물기가 이루어졌을 경우에 휠체어 동작은 Act = GFR3으로 설정되고(S365) 그렇지 않을 경우에는 휠체어 이동 동작 중에서 “우중선회 및 전진”인 Act = GFL2로 설정된다(S366). 한편, 상기 S363에서 ‘PrePat[0] = R’이 아닐 경우에는 이전 휠체어 동작 Act = PreAct로 설정된다(S367).

한편, 도 5d에서 PreAct가 GF일 때 PrePat[0] 값이 L인지 확인하는 작업은 일시적인 인식오류에 의해 이동 방향이 전환되는 것을 방지하기 위한 것으로서 최소한 2블록 이상 좌, 우 인식이 일정하게 되어야 방향 전환이 가능한 것을 의미한다. 이러한 방향 전환 오류 방지는 PreAct가 GF인 경우를 포함하여 모든 휠체어 전진 또는 후진 과정에도 적용된다.

그리고, 도 5d에서 기존의 동작이 급선회인 경우에는 선회하는 방향의 반대측 이를 물었다 놓으면 직진방향으로 전환된다.

한편, PreAct가 GB인 경우에는(S368) PreAct가 GF인 경우와 유사하게 좌, 또는 우측 이를 물었다가 놓을 때 좌 또는 우측으로 방향이 전환된다(S369∼S371). 단, 후진 시에는 급선회 명령은 안전상 제외하는 것이 바람직하나, 그 제어 과정에 포함될 수 있음은 주지의 사실이다.

만일, 이전 단계에서 휠체어가 정지(STOP)하고 있는 상태에서(S372∼S373) 양측 이를 물었다 놓기를 연달아 수행할 경우에 이동할 방향을 앞 또는 뒤로 전환할 수 있다(S374∼S380). 양측 이 물었다 놓기를 한번만 수행하면 특정 시간 이후에 물었다 놓은 것이 메모리에서 삭제된다. 이는 컴퓨터의 마우스 제어기의 클릭 및 더블 클릭이 구분되는 것과 유사하다.

이와 같이, 제어 명령 생성부(200)에서 근전도 신호의 패턴을 인식하고 휠체어 제어를 위한 명령어를 생성하면, 디스플레이부(230)에서 이를 시각 또는 청각적으로 표시를 해 주게 된다. 디스플레이부(230)에는 인식된 패턴과 휠체어 제어를 위한 명령어를 보여주고, 패턴 인식에 요구되는 각 채널별 특징 역치값을 설정하는 부분, 역치값을 저장하고 불러오는 부분이 포함될 수 있다.

도 6을 참조하면, 앞서 정의된 휠체어 이동 명령어에 1대 1로 대응되어 해당 명령에 따라 디스플레이부(230)에서의 표시가 이루어진다. 디스플레이부(230)에는 휠체어의 이동 방향을 앞뒤 전환 표시도 포함되어 있다. 특히 인식된 패턴을 표시하도록 ‘기본패턴표시’ 부분도 포함되어 있다.

한편, 대부분의 전동 휠체어는 휠체어의 구동을 제어하기 위해 별도의 휠체어 구동부(220)가 포함되어 있다. 휠체어 구동부(220)에서는 조이스틱, 각종 스위치 등에 의해 입력된 명령에 의해 해당 전력을 휠체어의 모터에 공급하여 휠체어를 움직일 수 있도록 한다. 이 때, 기존의 입력 방법으로 주로 사용되는 조이스틱의 경우에는 조이스틱의 위치에 따른 특정 전압이 휠체어 구동부에 입력되게 되는데, 본 발명에서는 조이스틱 대신 이물기에 의한 입력 방법을 사용하고 있기 때문에 이 물기에 의한 휠체어 제어 명령을 휠체어 구동부로 전달하기 위한 제어 명령 인터페이스부(210)가 필요하게 된다. 상기 제어 명령 인터페이스부(210)에서는 휠체어 제어 명령어를 변환하여 휠체어 구동부(220)에 입력 전압으로 변환하는 역할을 수행한다. 이에 상기 명령어에 대응하여 휠체어 동작이 이루어지게 된다.

이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치 및 방법은, 손, 발의 사용이 어려운 장애인이 휠체어를 제어하는 이동기기 제어 장치를 헤어밴드, 모자 등에 장착하여 근전도 신호를 센싱함으로써 사용자에게 편리함 및 편안함을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 제한된 개수의 이물기 패턴으로부터 이전 단계에서의 인식 패턴 및 이전 단계에서의 휠체어의 이동 명령어를 활용함으로써 보다 자연스럽게 휠체어를 제어할 수 있다.

Claims

양측에 각각 마련되어 구강내 치아를 깨무는 이물기 동작시 근육의 활성화에 따라 근전도 신호를 발생시키는 근전도센서와, 상기 신체에 접촉되어 기준 전압을 제공하는 접지전극으로 이루어진 근전도 신호 획득부; 및

이동기기 이전의 동작을 기준연산값으로 하여 상기 근전도 신호 획득부로부터 전달된 근전도 신호에 대해 이물기 위치, 이물기 지속시간, 이물기 연속동작을 포함한 이물기 동작에 대응하여 이동기기 제어를 위한 명령어를 생성하는 제어 명령 생성부와, 상기 명령어에 대응하여 입력 전압으로 변환하는 제어 명령 인터페이스부와, 상기 입력 전압에 대응하여 이동기기의 구동이 이루어지는 이동기기 구동부로 이루어진 근전도 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 근전도 신호 획득부에는 감지된 근전도 신호를 증폭하고 디지털 신호로 변환하여 송신하는 증폭/송신부를 더 마련하고, 상기 근전도 신호 처리부에는 근전도 신호 획득부로부터 전달된 근전도 신호를 수신 및 증폭하는 수신/증폭부를 더 마련한 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 증폭/송신부는 근전도센서간의 전압차를 연산하는 차등증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 근전도 신호 획득부 및 증폭/송신부는 헤어밴드, 모자를 포함한 고정수단에 부착되는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 근전도센서는 탈부착장치에 의해 고정수단에 고정되는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제어 명령 생성부에는 생성된 명령어에 대응한 표시가 이루어지는 디스플레이부를 더 마련한 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 근전도센서는 다수개인 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치.
제 7 항에 있어서,

상기 근전도센서는 우측 근전도센서와 좌측 근전도센서로 이루어지며, 상기 우측 근전도센서와 좌측 근전도센서는 이물기에 의한 활성화시 뇌파 측정에서 표준 위치로 사용되는 양측 관자놀이 부근에 위치하고, 기준 전압 측정을 위한 상기 접지전극은 이마 중앙 부근에 위치하는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 장치.
(a) 구강내 치아를 깨무는 이물기 동작시 활성화되는 근육의 근전도 신호를 양측 근전도센서에서 감지하는 단계;

(b) 이동기기 이전의 동작을 기준연산값으로 하여 상기 감지된 근전도 신호에 대해 이물기 위치, 이물기 지속시간, 이물기 연속동작을 포함한 이물기 동작에 대응하여 이동기기 제어를 위한 명령어를 제어 명령 생성부에서 생성하는 단계;

(c) 상기 생성된 명령어에 대해 제어 명령 인터페이스부에서 입력 전압으로 변환하는 단계; 및

(d) 상기 입력 전압에 대응하여 이동기기 구동부에서 이동기기의 구동이 이루어지는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이에,

상기 감지된 근전도 신호를 증폭/송신부에서 증폭 및 디지털 신호로 변환하여 송신하는 단계; 및

상기 전송된 근전도 신호를 수신/증폭부에서 수신 및 증폭하는 단계를 더 진행하는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 (b) 단계는,

상기 근전도 신호에 대해 설정시간 간격으로 블록화하는 전처리 단계;

상기 블록화된 2개 채널의 근전도 신호로부터 아래식에 의해 각 채널의 DAMV(Difference of Absolute Mean Value) 값을 구하는 특징 추출 단계;

상기 DAMV 값을 이용하여 2개의 채널에서 획득된 근전도 신호의 특징값의 크 기와 특정한 역치값을 비교하여 역치값 이상이면 ‘On’, 역치값 이하이면 ‘Off’로 구분하여 4개의 기본 명령 패턴으로 분류하는 패턴 분류 단계; 및

상기 이동기기 이전의 동작을 기준값으로 하고 상기 기준값에 분류된 패턴을 연산하여 이동기기 구동하기 위한 명령어를 생성하는 명령어 생성 단계

로 이루어진 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법.

(여기서, N은 블록내 샘플 개수이며, x(i)는 인덱스 i에서의 디지털 신호로 변환된 근전도 신호 값을 각각 의미)
제 11 항에 있어서,

상기 명령어 생성 단계에서 상기 이동기기가 정지 상태인 경우에, 각 채널로부터 전달된 명령어에 대응하여 좌회전, 우회전을 수행하고, 양측 채널로부터 동시에 특정시간 이상 지속되는 명령어가 발생할 경우에 전진 또는 후진을 수행하는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 이동기기의 전진 또는 후진은 양측 채널로부터 2회 연속 신호 입력시 상호 전환되는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 명령어 생성 단계에서 상기 이동기기가 진행 중인 경우에, 각 채널로부터 전달된 명령어에 대응하여 진행하면서 해당 방향으로 선회하는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 각 채널로부터 전달된 명령어의 횟수에 대응하여 선회각을 크게 하면서 진행하는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 각 채널로부터 전달된 명령어의 횟수가 설정회수 이상이거나 각 채널로부터 전달된 명령어의 입력시간이 설정값 이상일 경우에 최대 선회각을 갖고서 진행하는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 각 채널로부터 전달된 명령어가 현재 선회하는 반대방향의 명령어일 경우에 현재 선회정도보다 한단계 아래의 선회정도로 선회하는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법.
제 14 항 또는 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,

일시적인 인식오류에 의해 선회 방향이 전환되는 것을 방지하기 위해 상기 명령어에 대해 적어도 2 블록 이상 인식이 이루어진 경우에 선회 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 전처리 단계는 근전도센서 또는 신체에 접촉되어 기준전압을 제공하는 접지전극에 대해 상기 근전도센서로부터 획득된 신호가 최대 진폭이 설정값 이상 연속 발생하는가를 판별하여 접촉 불량 상태를 감지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 전처리 단계 이후에 각 블록에서 근전도 신호의 최소값과 최대값이 각각 디지털 변환에 의한 최소, 최대 한계값과 동일한 값을 갖는 빈도를 확인하여, 특정 빈도 이상인 경우에 명령어 생성 단계로 진행하여 이동기기 멈춤 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 (b) 단계에서 생성된 명령어에 대응한 디스플레이가 이루어지는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법.
제 22 항에 있어서,

상기 명령어에 대응한 디스플레이는 영상 이외외 ‘좌로가’, ‘우로가’와 같은 음성 안내가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 이물기를 이용한 이동기기 제어 방법.