TW200917095A - Inter-active systems - Google Patents

Description

200917095 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係關於人機互動領域。更明確而言，本發明 提供使用姿勢、腦電圖（"EEG")、肌電圖（”EMGi,)、眼電圖 (EOG )及其他生物電位之構件，例如心電圖（ecg),以與 機電及光電系統之功能互動。本發明係關於對電氣、機電 及光電裝置之非口頭思維通信。在某些特殊情形中，本發

明亦係關於思維對外部系統之非口頭通信，該等外部系統 接著將信號轉換為聲音及語音。 本發明亦係關於生命形式及/或介電質物件與現有電場 之互動，以及使用互動程度建立命令之邏輯序列，以啟動 及管理機電及光電系統之功能。 【先前技術】 生物感測場係關於在人體内產生之電位的㈣。例如， 腦電圖("EEG”)生物電位或腦波證明腦部内的連續電氣活 動。在1至5〇 HZ之頻率範圍内，腦波或咖之強度範圍從 零至3〇0微伏特。EEG信號係分類成頻率群組，即α(8 Hz 至U ΗΖ)、β(14沿至5〇 Ηζ)、θ(4沿至7 及^低於u Hz)。各種EEG頻率群組已與心智狀g(睡眠、放鬆、活躍 思維等)相互關聯。來自頭皮上不同區域之咖頻譜品質上 可係關於腦部特定部分的功能。 骨絡肌收縮與肌肉神經纖維隔膜電位相關聯，其稱為作 用電位。料致電子向上流動至皮膚表面。由於同時肌肉 打動引起的皮膚表面之電位平均值稱為肌電圖生物電位 130066.doc 200917095 (EMG)。 平均EMG信號一般低於100 Hz。其通常係在肌肉活動部 位處被偵測。EMG信號迄今僅用於啟動開/關開關以控制 外部裝置。 眼電圖（EOG)係測量視網膜之休息電位的技術。所得信 號稱為眼電波。EOG不代表對個體視覺刺激之回應。 通常’將電極對放置於眼睛上方及下方，或者眼睛左方 及右方。若眼睛從中心位置向一電極移動，此電極"看見” 視網膜之正側，而相反電極”看見"視網膜之負側。隨後， 電位差異發生於電極間。假定休息電位恆定，記錄之電位 係用於眼睛位置之度量。EOG信號已用於在電腦螢幕上追 蹤及啟動游標，但因為回應緩慢及信號漂移其成功較有 限。另外，技術發展受阻於眼球移動期間的頭部位置變 化’其導致毀損信號。 另外，用於該等測量之感測器係以凝膠為基之AgCl電 極，其黏性較大且在消費及商業產品應用中較不利於使 /用。該等感測器之敏感度亦不甚高，必須將其放置於面部 位置，此較無吸引力並具有較低市場價值。 因此，儘f數十年中已對EEG、EMG及EOG生物電位作 出大量工作’實務結果卻很少。 用於採用腦部及生物電位控制裝置的設備及方法之範例 在 US 5692517 、 US 6636763 、 US 5474082 、 US 7078911及 WO 03/048789中予以描述。在某些此等文件中，使用者佩 戴頭帶，其包含數個用於在前額價測腦部及身體信號感測 130066.doc 200917095 器。將信號發射至用於放大、數位化及解碼以供機器控制 之"介面單元"。可實施多重功能控制。 引入額外能力以使此技術更易使用且可用於更多數目及 更多樣之個體。圖形使用者介面（GUI)被開發，並且必需 的腦部及身體控制技術變得更直觀及可理解。已建立新穎 方法以分析用於顯示器應用之游標管理的信號特性及信號 圖案。例如，實現左右滑鼠按鈕點擊、游標速度及免持滑 鼠/鍵盤控制器之啟動及取消的方法已被開發。在us 5 6925 1 7中，僅集中於使用透過暇瞼打開及關閉產生的 EEG信號以移動顯示螢幕上之游標。 US 5914610揭示產生電場之感測器的設計。欲感測之人 或物件攔截從感測器發出之場的一部分，攔截之場數量取 決於被感測人之大小及方位，而不論此人是否提供接地路 徑，以及分敗式電極之幾何形狀。與場及多個電極之非線 性空間相依性耦合，感測器經組態用以不僅偵測靜態位置 及方位，亦偵測穿過已定義空間之動作。 us 7〇7891 1及貨〇 03/048789為其感測器使用高阻抗電 路。而US 7078911將所揭示之感測器報告為在不干擾的情 況下測量環境電場，但現實中有干擾，因為其從系統^ 較小但有限的電荷電流，以便進行測量。 應明白，現在可用的大多數感測器係所謂的主動系統。 其在周圍發出電磁場，然後偵測因與緊接環境之互動引起 的場内變化。其係通電系統，因此其應用較有限。 另一方面，W0 03/048789使用位移電流技術，其實際上 130066.doc 200917095 係電壓變化率測量，因此不會給予系統負载。概念上，其 用作能夠測量極低、生物電位之完美伏特計。 本發明欲解決之問題 直至最近才可想像使用被動高阻抗電場感測器以可靠、 可調諧及低成本方式偵測環境電場。數位技術之迅速出現 已產生被動感測及計算之需要。如上所述，現在可用的大 多數感測器係所謂的主動系統。其係通電系統，因此其應 用較有限。需要使用被動小型化電場感測器偵測環境電場 的系統。 【發明内容】 本發明係針對提供人（或可能係動物）與機器間之互動的 系統，其中從生物信號或移動獲得資料以用無線方式控制 機器提供小型化被動電場感測器之系統，其偵測動態 身體電位對環境電磁場之擾m以無線方式致能裝置 之控制。 依據本發明提供一種系統，其包含具有至少一個被動電 動感測裔《《置，該至少一個被動電動感測器能夠感測 在該等感測器周圍由生命形式及構件引起的現有生物及環 境電場及該等場内之變化，料構件用於發射該等所得信 號至其他系統以起始該其他系統内之某些活動。 本發明it纟提供根據藉由與機器相關聯之至少一個電 場感測器感測電場内個體之動作而致能人機通信關係的方 Α Θ方法包括以下步驟；在個體與機器間建立聲音致能 通信關係’該關係包含回應個體之實體動作而從機器回授 I30066.doc 200917095 之音訊’以及個體對該回授之確認；以及個體藉由除該音 訊回應外該機器所採取之行動練習由該機器唯一地確認之 一或多個定義動作。 本發明之有利效果 本發明之系統係被動、低成本、非侵入性並且可與現有 技術整合以致能普遍感測。其使用超高阻抗感測器並且可 以強固方式在極佳信雜比下偵測極弱場，例如生物電位。 感測器系統高度可調諧，因此在此類感測器之陣列中，可 調諧每一者以拾取從不同來源發出之信號而無任何串擾。 由於感測器系統在偵測程序期間未汲取任何電荷電流獲 得被識別物件之真實圖像。 本發明使用被動感測器，其可以非侵入方式分佈在任何 處攸而致此真冑意義上的普遍感㈣及計I。其偵測對存 在於曰常環境中現有電磁場的擾動。 有利的係，根據本發明致能的人機介面之程度及可靠性 ϋ 遠=於先前所實現者，並且需要較少計算資源。此外，通 #模式之類型及其功能性可針對個別使用者訂製，或 2要從對多個使用者可料使用者模式之共同體選擇。 该專通信料及功純❹乡個裝置 個使用者可用的使用去遛斗—“ ，、口應對夕 共同體或者對個別❹者專 ==式。另外，根據本發明建立的人機通信關 合個㈣持之物件本身移動的情形。 本發明使用小型化.批量“、超低雜訊、超高輸八阻 130066.doc 200917095 不會給予被偵測系統負載。感測器 ，即不涉及電子運輸。感測器測量 抗被動電場感測器，其 不會汲取任何電流電荷 位移電流，其實際上係電壓變化率測量。感測器係被動 气卩八不建立參考電場。其係設計及調譜成可測量極低 電位’例如生物電位。感測器以回授增強及穩定化靜電計 為基之放大益技術的源裡；害/七 —_ . 旳原理運作。可在遠端或接觸地使用感 測器。 感測器係設計成即時測量主要生物信號，即EEG、 上^ CG及EMG，並使用其作為數位開/關及數個開/關 L號之組σ ’以操控各種系統之功能特徵。更明確而言， 設想m由積體電路之部分的小型化感測器或感測 器陣列組成。 。：般電路系統’如圖μ所廣泛地解說，包括感測系統 貝料处理，傳輸系統4、接收器/致動系、統6及致動或控制 之輸出系統8。

斤有此等所明的盒係小型化以便可以非侵人性方式整合 至正㊉、日用物品内，例如衣服、帽子、頭帶、行動電 手錶鞋、涼鞋、眼鏡、助聽器等。感測器電路之特 疋用途及目的將影響系統之性質及位置。 ^發明亦具有姿勢感測之應用。其致能包含在任意電氣 &兄中k感測II陣列遠端解譯動作之應用。對於此類應 用α通抬關係係預先建立於接合機器與接合個體之 間。在人機通信w係、中，機1能夠追縱及唯一地解譯個體 動作之至少—上隹 、 卞m ’並相應地作出回應。通常，其係共同 130066.doc 200917095 資料庫之形式，該共同資料庫將個體之身體動作或面部表 情映射至電位測量及最終的期望行動。此一資料庫可八別 藉由各種常用方式預先建立，例如同時光學或音訊以及電 場感測。當電場感測器係佩戴於固定身體位置時，例如佩 戴於頭帶上之電場感測器，&一資料庫易於建立：例:， 眼睛之肌肉活動記錄發生於合理地明確定義之實體空間 内，並且可近似地加以模型化，從而允許個體生理學上的 某些差異。另外’當谓測特定信號時，例如心跳，所獲取 信號之結構基本上已知’因此即使存在背景雜訊及電場感 測器資訊來源的空間位置與傳輸效率之不確定性，仍可可 靠地擷取資訊内容。 設想包括在此類應用内的此類機器之範例係電腦、鍵 盤、印表機、電視機、行動電話、顯示器、數位記錄裝置 及播放器、遊戲機、汽車、家庭器具等等。 使用電場感測器以擴展人機介面對其他領域之應用性係 根據本發明藉由將雙向音訊通信併入接合個體與接合機器 /間來致能，回授類型係基於介面目的及互動訓練之週期， 互動訓練包含從機器至個體之音訊及視訊回授以及從個體 至機器的動作及音訊回授。 除音訊回應外機器所採取之行動係選自預定義資料庫， 其將電場感測器之特定回應與特定類型之機器確認相關 聯。此資料庫可更新，並且可駐留於機器本機或遠端伺服 器上。 機器從個體與機器間之互動訓練建立資料庫。來自個體 130066.doc 12 200917095 之回授的確認可包含故意實體動作及/或音訊通信。確認 亦可包含個體及個體所固持之物件的故意實體動作。 機益，除其音訊回應外，亦可與額外已連接機器通信。 〇如此可係資料核案之轉移，例如從相機至印表機之影 像資料。其僅係範例，不應理解為限制本發明之範疇。 下文係描述根據本發明之系統的各種範例及應用。應瞭 解，其僅係範例，決不應視為限制本發明之範疇。 範例1 沿棒球帽内部邊緣併入整合感測器系統。接著在帽子内 邛圓周周圍將若干感測器及感測器陣列放置於策略性位 置該等感測器係接地以按不同及區分方式在最小或無串 擾情況下即時收集EEG、E0G及EMG信號。電路亦由信號 處理軟體組成，其能夠將信號之圖案序列解譯為一組邏輯 命令。 更明確而言’吾人可想像一狀況，—人正在看電視而欲 關閉電視機。接著閉上眼睛一較短時間週期。將此時間週 期預先指派為長於例如大約5秒。然後他睁開眼睛。至少 一分鐘内他不會重複此程序。眼睛閉合導致不同α波（eeg) 信號之產生。藉由信號處理器分析此信號，若在少於一分 鐘内未產生其他(^皮，棒球帽内之發射器盒將發送命令以 關閉電視機。電視機接收器將關閉電視機。 範例2 吾人可設想一情況，其中將感測器系統建立於一人之棒 球帽側面内，並且他正在駕駛車輛。帽子内的無線發射器 130066.doc 200917095 能夠傳送信號至（例如）車輛之音 他的座椅調整控制器'車輛外部昭明、:他的行動電話、 開關及天窗問鎖機制。其僅係範例，、擋風破璃雨刷 式限制本發明之範疇。 應理解為以任何方 車輛儀錶板之頂部區段具有橫 白色水平線。駕駛員在駕 < f個長度繪製的 個明亮彩色、虛設圖示==操作的電氣系統之六 線盡可能彼此遠離地展開。白：末:勻間隔的白線上’白 管…“ 開白線末端以黑色圓點標記。 駕：員佩戴裝載感測器之帽子， =由標準校準程序建立視力方向及位置的電子=擎 二此程序，將在車輛電腦系統内建立虛擬x_y空間面板精 員前方空間内，並且各面板將以電子方式指派 4駛貝^駛車輛時轉作的各種電氣控制系統。 在驾駛車輛時，駕駛員可盯住特定虛擬面板之區域並藉 實仃預選定行動觸發電子事件，例如快速眨眼，或者一 組眨眼緊跟上或下或測向眼球移動。例如，他可啟動擋風 玻璃雨刷、音樂系統或打開及關閉天窗。 範例3 最近’新的產品’例如電子相框，已引人消費電子領域 内例如K〇dak Digital Photo Frame。該技術使人們可以 電子方式下載及顯示選定圖像。採用本發明，可在電腦或 、伺服器糸統（例如K〇dak Easy Share Gallery)内預先選 擇圖像集合，包括美術品及照片。相框嵌有電路，以接收 如本發明所描述的生物信號。顯示於相框内之圖像接著可 130066.doc -14- f f200917095 由佩戴具有内建感測器的帽子或頭帶的人改變。可藉由〇 波產生、EOG圖案及/或EMG信號捲動預選定圖像之集 合。 範例4 佩戴具有本發明所描述之内建感測器之帽子或頭帶（下 文稱為電子帽或電子頭帶）的一人可開啟他的ip〇D，藉由 使用命令從他的iPOD捲動及選擇所顯示之音樂，該等命令 使用他的生物信號，例如以特定頻率眨眼或上下移動眼 球。他可使用類似生物信號以使選定音樂可以無線方式發 送至另一人之揚聲器耳機，以便即時收聽或儲存於此人的 iPOD内並在稍後時間播放。若針對儲存發送，可同時建立 欲毛送至D亥人之行動電活的電話訊息，例如藉由預先編碼 發射器以撥打該號碼。可執行相同活動，以便亦可將音樂 選擇與電話訊息一起發送至朋友群組。 範例5 此範例描述一行動電話，其具有沿電話邊緣建立的感測 器及/或感測器陣列。每次電話所有者拿起電話時，他藉 由按下贱編碼之按钮識別自己。每次電話所有者抓住電 后時，他接觸感測器，其會記錄他的心電圖（ecg)。行動 電話接著將資訊發送至中央㈣器，並將資訊儲存於受保 濩的預先指派之鎖定盒内。授權人員可採用專用安全符記 存取鎖定盒。接著將鎖定盒内之資訊與行動電話之所有者 的標準、參考ECG相比較。*比較係指定容限内之正確匹 配，則具有顯著"all 〇k”符號的綠色心臟圖示可在行動電 130066.doc 15 200917095 j内啟動。若比較指示與可接受容限之偏差，則具有顯著 ^跨之？的號拍色心臟圖示可在行動電話内啟動。亦可 將類似性質之資訊警報傳送至所有者的保健從事者。若 ECG簽名之比較顯現可能威脅生命的異常，則將警報傳送 至此時行動電話使用者所在本地區域的緊急服務中心。 感测器陣列亦可位於汽車方向盤上。以類似於以上描述 的方式記錄抓住方向盤者的心電圖。可在方向盤内的螢幕 上顯不圖示’其顯示心電圖是否在接受容限内。如上所描 述，若偵測到異常，可將警報傳送至本地緊急服務中心。田 例如，感測器陣列亦可位於電冰箱門上。接著可在每次 使用者打開電冰箱時獲取心電圖讀數。應瞭解，其僅為〇 具有感測器之裝置的範例。本發明並不限於此類範例： 範例6 产感别1§可用作為使用者收集其他資訊的構件。例如，如 ^ 内之饤動裝置可用於感測個人環境方面，例如拍攝 …、片時出現的人’或者從心臟信號推斷個人身體，情感狀 態。、此資訊可用作關於個體之學習系統的輸入。此依次可 形成個人增加s己憶體之部分。此增加記憶體將始終可由其 :有者存取’例如當潘1覽照片集合時作出背景相關提醒’： 感測器亦可起始來自增加記憶體之輸出，例如當感測到許 久未見的人1^現時，可回憶相關資訊，例如照片。 範例7 、此乾例係關於以姿勢為基之顯示。類似於範例3内 述’此範例係關於Φ: ® '電子相框。在本發明中，可在電腦或中 130066.doc 200917095 央飼服器系統（例如〖〇敲Easy Share Gaiiery)内預先選擇 圖像木口，包括美術品及照片。相框钱有高阻抗感測器或 感測器陣列。例如，us而則或㈣〇3/〇48中揭示之 適當感測器。感測器系統能夠映射相框周圍之三個維度内 的電場。擺動手或持有介電質物件之手的一人改變相框周 圍的環境電場，且感測器電路以電子方式將此干擾解譯並 成像為上或下波或者左或右波。若其係上波，則顯示仔列 内的下-圖像。若其係下波’則重新顯示先前檢視之圖 像。若其係右波，則定址選定圖像的下一群組，並顯示作 列内之第—者。若其係左波，則選擇先前選定圖像群組， 並顯示群組内之第一圖像。 範例8 本發明可用於獲得（例如）馬、牛或飼養場動物之腦。 飼養場可用-入口Π及一出口門圈起=在門上數個位置安 裝電場感測器’以在動物通過門時測量來自動物之生物信 號。此程序可用於追縱及計算通過門的動物數目。 應瞭解，以上描述僅係用以解說本發明之範例，且更多 應用均屬於申請專利範圍之範嘴。 【圖式簡單說明】 上文已參考附圖並藉由範例描述本發明，其中： 圖1解說本發明之實踐方法；以及 圖2解說本發明之另—實踐方法。 续在圖1中，將感測器2建立於使用者所佩戴棒球帽！的邊 緣内。使用者耳内佩戴無線發射器4，發射器與感測器2連 130066.doc 200917095 接。調諧發射器使其能夠從感測器傳送信號至放置於電視 8頂部上的轉頻器6。#頻器6固線連接至電視8，目此可根 據自發射器4接收之命令操作及控制電視功能。 圖2僅解說感測器及發射器。接收器及致動/控制程序可 類似於請所示者。在圖2中’感測器2係佩戴為時尚附 件，在此情形内係珠寶。發射器亦係佩戴於耳内，但在此 情形中可被頭巾覆蓋。感測器2測量EMG信號。使用者可 藉由眼睛之移動或眨眼在顯示螢幕上控制及移動影像。 【主要元件符號說明】 1 棒球帽 2 感測器/感測系統 4 無線發射器/資料處理/傳輸系統 6 轉頻器/接收器/致動系統 8 電視Z輸出系統 130066.doc

Claims (1)

1. 200917095 十、申請專利範圍： I. 一種系統’其包含具有至少一個被動電動感測器之一裝 置，該至少一個被動電動感測器能夠感測在該等感測器 附近由生命形式及構件引起的現有生物及環境電場及該 等場内之變化’該等構件用於發射所得信號至其他系統 以起始其他系統内之某些活動。 • 2.如請求項1之系統，其中起始之該活動係回授。 3. 如請求項1或2之系統，其中該感測器感測藉由閉合及睁 f 開眼睛引起的腦部α波之產生及散失。 4. 如請求項1或2之系統，其中該感測器感測眼電圖信號。 5·如請求項1或2之系統，其中該感測器感測肌電圖信號。 6·如清求項丨或2之系統，其中該感測器感測並追蹤藉由眼 目月以水平及垂直方式從一顯示螢幕上之一參考空間位 置至另一位置的受控移動產生之肌電圖信號。 7. 一種裝置，其配備偵測一使用者之ECG信號的感測器並 且包括用於將該等ECG信號與該裝置之—註冊使用者的 CJ 信號相比較之構件。 月长項7之裝置’其進一步包括用於將此資訊發送至 一中央資訊儲存系統的構件。 9. 如請求項7之裝置，該裝置係一行動電信裝置。 10. 如請求項7之裝置，該裝置係一汽車方向盤。 II. 如請求項7之裝置，該裝置係一家庭器具。 12.種系統’其包括如請求項7之裝置及用於將自該裝置 …、之。亥ECG貪訊與一標準ECG相比較以偵測任何異常 130066.doc 200917095 1 3 .如請求項12之系統，其進一舟 '匕括用於將該比較之一結 果發送至該裝置及/或用於將兮 ^ ^ ,. . μ比較之結果發送至關於該 裝置之使用者的一保健從事去 争考及/或醫院之構件。 I4. 一種系統，其包含整合至—顯 不螢幕之背部平面内的被 動電位感測器之一陣列，哕玺β f 一 ^專感測器能夠偵測及追蹤嗜 顯示螢幕前方之一銳利介電質 ° 境電磁場之擾動。 牛的姿勢及/或移動對環 小、岡议取 系統’改變-音訊系統之音量，改變一電統：： 這’改變-碟片上之磁軌或執行電話呼叫。 16· 一種用於啟動—汽車内之電氣系統之系統，該汽車之— 儀表板係分為與欲啟動之系統同樣多的區 開動剛：藉由位於-駕-員所佩戴之-帽子内2 ::建立a駕駛員視力苓向的一電子參考’該儀錶： 該專區段的每-者係指派給—電氣系統，當該使用者： 住適當區段並藉由實行一預先選定行動觸發 時啟動該系統。 系妹 17· Γ種使用如請求項1之系統選擇及從一光電系統之-龜 不螢幕發送文字及/或影像至另一光電系統的方法。‘、、 18. -種根據藉由與機器相關聯之至少一個電場感測器感、 J個體在-電場内之動作致能一人機通信關係的方法則 °亥方法包括以下步驟：在該個體與該機器間建立—聲及 致月匕通仏關係、，該關係包含回應該個體之實體動作來曰 130066.doc 200917095 該機器的音訊回授及該個體對該回授之確認；以及該個 體藉由除該音訊回應外該機器所採取之行動練習由該機 器唯一地確認之一或多個定義動作。 19.如請求項18之方法，其中除該音訊回應外該機器所採取 之該等行動係選自一預定義資料庫，其將該電場感測器 之特定回應與特定類型之機器確認相關聯。 20·如請求項19之方法，其中該預定義資料庫可更新並且駐 留於該機器之本機上。 21. 如請求項19之方法，其中該預定義資料庫可更新並且駐 留於—遠端伺服器上。 22. 如請求項19之方法，其中根據該機器回應該個體之該等 動作的音訊及視訊回授，該機器從該個體與該機器間之 互動訓練建立該預定義資料庫。 23 ·如請求項！ 8之方法，A中 八甲。亥個體之回授的該確認包含該 個體之故意實體動作。 24. 如請求項23之方法，盆 、^個體之回授的該確認額外地 包含來自該個體之音訊通信。 25. ΙΓ項18之方法，其中該個體之回授的該確認包含該 個體及由該個體固持之一物件的故意實體動作。 26. 如請求項18之方法， .^ f除其日回應外該機器所採取 之仃動包括視訊顯示。 27. 如請求項18之方法，豆 之行，、 其曰矾回應外該機器所採取 之仃動包括傳達至額外已連接機器的行動。 28. 如請求項27之方法， 動 動包括貝料檔案至該等已連 130066.doc 200917095 接機器之轉移。 29. 如請求項28之方法，該等行動包括將影像從一相機轉移 至一印表機。 30. 如請求項22之方法，其中該個體與該機器間之該互動訓 練包括音訊及視覺顯示，該視覺顯示與除音訊回應外該 機器所採取之該等行動一致。 130066.doc