KR20110066008A - 맥파 신호를 이용한 로봇 게임 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맥파 측정 장치를 이용하여 사용자의 맥파 신호(Photoplethysmogram)를 측정하고, 이를 로봇에 전달하여 로봇이 게임 시나리오에 따라 동작하게 하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일면에 따른 맥파 기반 로봇 게임 장치는 사용자의 맥파 신호(Photoplethysmogram)를 측정하여, 측정된 맥파 신호를 전송하는 맥파 신호 측정모듈 및 상기 전송된 맥파 신호를 분석하고, 분석 결과에 따라 로봇을 제어하는 제어모듈을 포함한다.

맥파, 로봇, 게임

Description

맥파 신호를 이용한 로봇 게임 장치 및 방법{Robot game apparatus and method using photoplethysmogram}

본 발명은 게임 사용자 본인의 생체신호인 맥파 신호를 활용하여 보다 흥미 있는 로봇 게임을 실시할 수 있고, 몰입감과 실감도를 높일 수 있는 맥파 신호를 이용한 로봇 게임 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-039-01, 과제명: 인간-로봇 상호작용 매개 기술 개발].

기존에 로봇을 이용한 게임은 사용자의 원격 조종을 통한 로봇끼리의 전투나 로봇의 행위 제어를 통한 게임에만 치중되어 있다. 즉, 기존의 로봇 게임은 로봇의 제어에만 초점이 맞추어져 있으며, 다양한 외부신호, 특히 사용자의 생체신호인 맥파 신호를 연동하여 로봇이 게임을 행할 수 있는 방법은 제시하지 못하고 있다.

사용자의 생체 신호를 이용한 게임 중에서도 뇌파를 이용한 PC 게임들이 존재한다. 그러나 뇌파의 경우 사용자의 상태를 보다 많이 포함하고 있지만, 실생활에서 정밀하게 측정하기가 쉽지 않은 단점이 있고, 또한 측정 및 해석 장치를 만드 는 데 있어서 많은 비용이 들며, 뇌파 측정 장치를 사용자가 착용하는 측면에서도 많은 불편함이 존재한 다는 단점이 있으며, 뇌파의 경우 로봇 게임에 적용하는 장치와 방법을 제시한 사례가 없다.

또한 종래에 맥파 신호는 의료용으로 SpO2 센서를 기반으로 측정한 혈중 산소 농도 상태를 파악하는 장비에 많이 활용하였다. 또한 스트레스 분석과 혈관 노화도를 분석하는 장치에 활용하기도 하며, 스트레스 완화를 위한 호흡 조절 훈련 장치에 활용하기도 하고 있다. 이와 같이, 기존에 맥파를 활용하는 장치와 방법들은 일상 생활과 거리가 있는 특수 목적의 용도가 대부분이기 때문에 사용자에게 다양한 응용을 제공하는 데는 한계가 있었다. 특히, 로봇 분야에서는 사용자의 생체신호를 측정하는 기구를 부착하는 수준에 방법들이 제시되었고, 로봇 게임에서도 생체신호를 활용한 로봇게임은 전무한 상태이다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 맥파 신호를 이용하여 몰입감과 실감도를 높일 수 있는 로봇 게임 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일면에 따른 로봇 게임 장치는, 사용자의 맥파 신호(Photoplethysmogram)를 측정하여, 측정된 맥파 신호를 전송하는 맥파 신호 측정모듈 및 상기 전송된 맥파 신호를 분석하고, 분석 결과에 따라 로봇을 제어하는 제어모듈을 포함한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명에 따르면, 게임 사용자 본인의 맥파 신호를 해석하여 그 상황에 따라 다양한 게임 시나리에 입력으로 적요하기 때문에, 로봇을 이용한 게임의 흥미도와 몰입감을 크게 향상 할 수 있다. 특히, 맥파 신호 해석을 통한 교육용 게임은 사용자의 교육용 게임으로 활용하기 위한 매우 중요한 수단을 제공하게 된다.

예를 들어 사용자의 맥파를 측정하여 로봇에 전송하고, 이를 로봇이 집중도 관련 해석을 통해 사용자의 집중 상태를 알 수 있고, 집중 상태에 따라서 로봇의 동작을 제어하는 다양한 게임 시나리오를 전개할 수 있다. 로봇 볼링 게임을 예를 들면, 집중도 수치가 일정 수치 이상 일 때, 로봇이 볼링핀을 향해 전진하여 볼링 핀을 넘어뜨리는 게임을 할 수 있다. 이를 통하여 사용자는 게임의 즐거움 뿐만 아니라 집중도 향상 훈련을 게임을 통해 얻을 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "연결된(connected to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

맥파 신호는 사용자의 자율신경계 상태를 내포하고 있는 매우 중요한 생체신 호 중에 하나로써, 뇌파나 체온 등과 같은 생체신호보다 실 생활에서 활용하기에 매우 유리한 부분을 많이 가지고 있다. 특히, 맥파 신호는 그 측정 방식이 매우 간단하며, 사람의 심혈관 정보뿐 아니라 사람의 심장을 제어하는 자율신경계 정보도 포함 하고 있기 때문에, 이러한 맥파 신호를 분석하여 그 결과를 로봇에 적용하면 다양한 활용과 효과를 얻을 수 있다. 즉, 맥파 신호를 로봇 게임과 연동하면, 사용자는 좀 더 생동감 있고 몰입감을 느낄 수 있는 게임을 실시 할 수 있으며, 특히 교육용 훈련게임 등에 적용하면 그 효과를 극대화 할 수 있는 장점이 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 맥파 신호를 이용한 로봇 게임 장치 및 방법을 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 맥파 신호를 이용한 로봇 게임 장치를 설명하기 위한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 맥파 신호를 이용한 로봇 게임 장치를 나타내는 블록도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 맥파 신호를 이용한 로봇 게임 방법을 나타내는 순서도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 로봇 게임 장치(1)는, 사용자로부터 맥파 신호를 측정하는 맥파 신호 측정모듈(10)와, 맥파 신호를 해석하여 로봇 및 게임을 제어하는 제어모듈(20)을 포함한다. 예컨대, 맥파 신호 측정모듈(10)은 사용자에 장착되며, 제어모듈(20)은 로봇(100) 내부에 구비될 수 있다. 그리고 맥파 신호 측정 모듈(10)은 측정한 맥파 신호를 무선으로 제어모듈(20)로 전송할 수 있다. 제어모듈(20)은, 로봇(100)을 제어하여, 예컨대 볼링 게임 등을 할 수 있다.

이하에서는 맥파 신호 측정모듈(10)이 측정한 맥파 신호를 로봇(100) 내부에 구비된 제어모듈(200)로 무선으로 전송하는 경우를 예로 들어 설명하나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 측정한 맥파 신호를 유선으로 전송하는 경우와, 제어모듈(20)이 로봇(100) 외부에 구비되어 무선으로 로봇(100)을 제어하는 경우도 포함한다.

맥파 신호 측정모듈(10)과 제어모듈(20)을 좀더 구체적으로 설명한다.

맥파 신호 측정모듈(10)는, 사용자로부터 맥파 신호를 측정하는 센서가 구성된 맥파신호 측정부(12)와, 측정한 맥파 신호의 전처리를 담당하는 신호 처리부(13)와, 전처리가 완료된 맥파 신호를 로봇 내부에 구비된 제어모듈(20)로 무선 전송하는 맥파 신호 무선전송부(14), 그리고 이들 유닛들에 전원을 공급하는 전원공급부(11)를 포함한다.

제어모듈(20)은, 로봇(100) 내부에 구비되어 전송된 맥파 신호를 분석하여 로봇 게임을 실시할 수 있도록 제어한다. 이러한 제어모듈(20)은, 맥파 신호 측정모듈(10)로부터 무선으로 보내진 맥파 신호를 수신하는 맥파 신호 무선 수신부(21)와, 수신한 맥파 신호를 분석하는 맥파신호 분석 처리부(12)와, 분석한 맥파 신호에 따라 로봇 게임 시나리오와 연동하여 로봇(100)의 동작을 제어하는 로봇 구동 및 게임 제어부(23)와, 로봇(100)이 인터넷과 통신 할 수 있도록 지원하는 인터넷 연결 통신부(24)와, 각종 데이터를 저장 및 관리할 수 있는 비휘발성 저장장치(25) 및 이들 각각의 유닛에 전원을 공급하는 전원공급부(26)으로 구성된다.

전원공급부(10, 26)은 건전지, 충전지 또는 정류기 등일 수 있다.

이러한 맥파 신호 측정모듈(10)과 제어모듈(20)의 동작은 도 3에 도시되어 있다.

맥파 신호 측정부(12)는 사용자의 맥파를 측정하고(S310), 신호 처리부(13)는 측정한 맥파 신호를 증폭하고 잡음을 필터링하여 사용 가능한 맥파 신호로 생성한다(S320). 만약, 처리 결과 정상신호인지 판단하여(S330), 정상신호가 아닌 경우에는, 신호 처리부(13)은 측정한 맥파 신호를 증폭 및 필터링한다. 정상신호인 경우에는, 맥파 신호 무선 전송부(14)가 측정한 맥파 신호를 무선전송한다(S340).

맥파 신호 무선 수신부(21)은 맥파 신호를 수신하고(S350), 맥파 신호 분석처리부(22)는 수신된 맥파 신호를 분석한다(S360). 로봇 구동 및 게임 제어부는 분석 결과에 따라, 저장장치(25)에 저장된 게임과 관련된 데이터, 예컨대 게임 시나리오와 연동하여 로봇(100)의 구동을 제어한다(S570). 그리고, 게임을 계속할 것인지 여부를 판단하여(S380), 계속하는 경우에는 S310 내지 S370 단계를 반복 수행한다. 이러한 과정이 맥파를 이용한 로봇 게임의 절차이다. 이 과정에서 측정한 맥파 신호와 분석한 결과 등을 필요에 따라 로봇(100)의 저장 장치(25)에 저장 할 수 있고, 인터넷을 통해 서버(예컨대 게임 서버 등)에 전송할 수도 있다. 여기서 맥파 신호의 분석 정보는 심박수의 빠르기, 집중도, 스르레스 상태, 심호흡 리듬 등으로서, 게임 사용자의 상태에 관한 정보일 수 있다.

이하에서 도 4를 참조하여, 도 2의 맥파 신호 분석 처리부(22)의 예시적인 동작에 대해 좀더 구체적으로 설명한다. 도 4는 도 2의 맥파 신호 분석 처리부가 맥파 신호를 통해 사용자의 집중도를 분석하는 과정을 나타내는 순서도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 맥파 신호 분석 처리부(22)는, 수신한 맥파 신호에서 피크 포인트(peak point)를 추출하고(S410), 이전에 추출한 peak point와의 시간 간격 값(RR)을 계산하여(S420), 시간 간격 값(RR)을 버퍼에 저장해 놓는다(S430).

버퍼에 어느 정도의 시간 간격 값(RR)이 저장되면, 이를 스펙트럼 분석(예컨대 푸리에 변환(Fast Fourier transform, FFT)을 통한 주파수 스펙트럼 분석)을 거쳐서(S440), 스펙트럼 분석 결과로부터 저주파 영역의 파워(LF Power)와 고주파 영역의 파워(HF Power) 및 이들간의 비율을 계산한다(S450). 저주파 영역의 파워(LF Power)와 고주파 영역의 파워(HF Power)의 비율로부터 집중도를 환산한다(S460). 그리고 계속 여부의 판단(S480)에 따라 S410 내지 S480을 반복 수행할 수 있다.

다음으로 도 5를 참조하여, 도 2의 맥파 신호 분석 처리부(22)의 다른 예시적인 동작에 대해 좀더 구체적으로 설명한다. 도 5는 도 2의 맥파 신호 분석 처리부가 맥파 신호를 통해 사용자의 스트레스를 분석하는 과정을 나타내는 순서도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 맥파 신호 분석 처리부(22)는, 수신한 맥파 신호에서 피크 포인트(peak point)를 추출하고 이전에 추출한 peak point와의 시간 간격 값(RR)을 계산(S520)하고, 시간 간격 값(RR)을 버퍼에 저장해 놓는다(S530). 버퍼에 어느 정도의 시간 간격 값(RR)이 저장되면, 시간 간격 값(RR)에 대한 스펙트럼 분석을 수행하고(S540), 스펙트럼 분석 결과에서 저주파 영역의 파워(LF Power)와 고주파 영역의 파워(HF Power)를 계산한다(S550).

그리고 저주파 영역의 파워(LF Power)와 고주파 영역의 파워(HF Power)에 로그를 취하고, 그 값을 각각 2차원 평면을 구성하는 X과 Y축에 대입하여, 한 쌍의 저주파 영역의 파워(LF Power)와 고주파 영역의 파워(HF Power)의 로그값이 X, Y 좌표가 되는 해당 좌표점으로부터 스트레스 상태를 해석한다(S560). 그리고 이러한 시간 간격 값(RR)과, 그에 해당하는 저주파 영역의 파워(LF Power)와 고주파 영역의 파워(HF Power)의 로그값 등의 계산 결과값을 저장장치(25)에 저장한다(S570).

그리고 계속 여부의 판단(S580)에 따라 S510 내지 S580을 반복 수행할 수 있다.

한편, 맥파 신호 분석 처리부(22)는 측정한 맥파 신호의 RR값을 활용하여 심박수의 빠르기를 구할 수 있다. RR값의 의미가 심박의 간격이므로, 맥파 신호 분석 처리부(22)는 60초를 평균 RR값으로 나누어 분당 심박수를 구할 수 있다.

로봇 구동 및 게임 제어부(23)가, 전술한 예시적인 방법을 통해 산출된 게임 사용자의 집중도를 이용하여, 로봇 게임을 구동하는 예는 다음과 같을 수 있다.

사용자의 맥파 신호를 분석한 결과, 집중도가 일정 기준치 이상일 경우, 로봇 구동 및 게임 제어부(23)는 로봇(100)을 전진 또는 후진시키거나, 또는 로봇(100) 팔의 동작을 통하여 게임 시나리에 따라 정해진 목표를 달성 하도록 할 수 있다. 예를 들어 게임에서 추구하는 목적이 볼링핀을 로봇(100)이 넘어뜨리는 것이라면, 집중도 수치가 높을 경우 로봇이 볼링핀을 많이 넘어 뜨리게 하도록 로봇(100)을 제어하는 것이다.

로봇 구동 및 게임 제어부(23)가, 전술한 예시적인 방법을 통해 산출된 게임 사용자의 스트레스를 이용하여, 로봇 게임을 구동하는 예는 다음과 같을 수 있다.

사용자의 맥파 신호를 분석한 결과, 사용자의 스트레스 상태가 일정 기준치보다 높은 경우, 또는 급성 스트레스를 나타낼 경우, 로봇 구동 및 게임 제어부(23)는 로봇(100)의 스피커를 통하여 또는 로봇(100)이 다른 오디오 장치를 제어하도록 하여, 스트레스 해소용 클래식 음악을 틀어주는 행위를 하는 것이다. 급성 스트레스인지 여부는, 시간 간격값(RR) 동안에 급격한 변화를 보이는 경우에 급성 스트레이로 판단할 수 있다.

또는 로봇 구동 및 게임 제어부(23)는 로봇(100)이 사용자에게 다가가서 일정 간격으로 심호흡을 연습시키는 행위를 하도록 하여, 사용자의 스트레스가 경감되도록 하는 것이다.

이상 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 맥파 신호를 이용한 로봇 게임 장치를 설명하기 위한 개념도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 맥파 신호를 이용한 로봇 게임 장치를 나타내는 블록도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 맥파 신호를 이용한 로봇 게임 방법을 나타내는 순서도이다.

도 4는 도 2의 맥파 신호 분석 처리부가 맥파 신호를 통해 사용자의 집중도를 분석하는 과정을 나타내는 순서도이다.

도 5는 도 2의 맥파 신호 분석 처리부가 맥파 신호를 통해 사용자의 스트레스를 분석하는 과정을 나타내는 순서도이다.

Claims (1)

1. 사용자의 맥파 신호(Photoplethysmogram)를 측정하여, 측정된 맥파 신호를전송하는 맥파 신호 측정모듈; 및

   상기 전송된 맥파 신호를 분석하고, 분석 결과에 따라 로봇을 제어하는 제어모듈

   을 포함하는 맥파 신호를 이용한 로봇 게임 장치.

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