WO2009068720A1 - Sistema para la gestión remota en entornos de inteligencia ambiental mediante señales electromiográficas - Google Patents

Sistema para la gestión remota en entornos de inteligencia ambiental mediante señales electromiográficas Download PDF

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WO2009068720A1
WO2009068720A1 PCT/ES2008/070214 ES2008070214W WO2009068720A1 WO 2009068720 A1 WO2009068720 A1 WO 2009068720A1 ES 2008070214 W ES2008070214 W ES 2008070214W WO 2009068720 A1 WO2009068720 A1 WO 2009068720A1
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WO
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electromyographic signals
interface
user
remote management
environments
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PCT/ES2008/070214
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English (en)
French (fr)
Inventor
Vicente Rodilla Sala
Manuel De Entrambasaguas Barretto
Juan Manuel Belda
Antonio Reig Fabado
Antonio Miranda
Original Assignee
Vicente Rodilla Sala
De Entrambasaguas Barretto Man
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G06F3/015—Input arrangements based on nervous system activity detection, e.g. brain waves [EEG] detection, electromyograms [EMG] detection, electrodermal response detection
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/389—Electromyography [EMG]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0002—Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network
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    • A61B5/103—Measuring devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor or mobility of a limb
    • G—PHYSICS
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    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/16—Constructional details or arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a system for interacting remotely with an intelligent environment, both in the home (home automation environment) and in tertiary and industrial buildings, including industrial buildings (inmotic environment) or other environments, through the use of Electromyographic signals generated voluntarily by the user.
  • the invention falls within the field of Physiological Computing, which consists of the use of physiological signals as an input interface to ICT systems (Information and Communication Technology), but also to any device that requires the user's orders for operation or use Its objective is to transform bioelectric signals from the nervous system into inputs to a computer in real time to enrich the interactivity.
  • the interface of the invention reaches new goals, since it behaves like a remote control located in the user's own body.
  • the utility is conditioned to certain environments in which there is no interference due to environmental noise or when for reasons of security it is not possible to use the voice.
  • the use of physiological signals modified voluntarily by the user has been theoretically considered.
  • the Physiological Computing field has investigated the use of different physiological signals as possible inputs, for example, to a personal computer, among which electro-oculographic, electroencephalographic and electromyographic signals stand out.
  • the electro-oculogram measures the potential difference between the cornea and the eye's retina, a circumstance that allows recording the speed and direction of the eye movement by means of electrodes placed on the skin in the vicinity of the eye.
  • the electrode closest to the cornea will register a positive potential, and the one closest to the retina, a negative one.
  • the EOG signal can be used by people with a high degree of disability; however, EOG-based systems are comparatively expensive, require great attention and effort to control the appropriate cursor, and their calibration and learning are complex.
  • Electroencephalography measures brain bioelectric activity, and its use as an interface depends on the ability of each user to learn to control it.
  • the physiological rhythms of EEG in healthy adults in wakefulness are alpha (8-13 Hz) and beta (above 13 Hz), although there may also be theta activities (4-7 Hz). These rhythms have different topographic distribution, are reactive to certain stimuli and are related to different alert states.
  • EEG patterns can be used, for example, to control the movements of a cursor or select letters or words on a computer monitor.
  • the main drawbacks of the EEG signal as an interface are its limitation in bandwidth and its spatial resolution, in addition to detection failures, contamination by electromyography and the effect of psychological variables
  • the ability to modulate the frequency of brain bioelectric activity requires great training, for example, people with practice in meditation.
  • Electromyography is based on the measurement of the bioelectric activity associated with voluntary muscle contraction.
  • One of the advantages of this signal is its relative immunity to interference from other physiological signals, compared to EOG and EEG signals.
  • the EMG signal can be used in different ways to control a system, for example, similar to that of a switch (ON / OFF system) by activating-deactivating a certain action with voluntary muscular contraction.
  • Another theoretical possibility would be the use of the various estimated magnitudes of the EMG, which would allow proportional control.
  • This last strategy has been used, for example, in the control of bioelectric prostheses, and is based on a 3-bit code (high amplitude signal, low amplitude and no contraction) without a given code being able to start with 'absence of contraction ', which allows a maximum of 18 orders.
  • This system does not define a language based on the structure of the registered signal.
  • Cyberlink-Brainfingers In the state of the art, systems that use this type of physiological signals are known as input to a computer, among which is a commercial product called Cyberlink-Brainfingers. It is a hardware system (Cyberlink) and software (Brainfingers) that allows you to control a computer (mouse / cursor, keyboard / keys) without using your hands. It uses three types of neurophysiological signals: EEG, EOG and EMG. It consists of four elements; cephalic band, with three plastic sensors for each of the three signals, interface box (filter, amplifier, A / D converter) with USB port to connect to the computer, cables, and software that must be installed on the user's computer .
  • the system collects the three types of signal and distributes them in 1 1 information channels called 'brainfingers'("brainfingers").
  • Brainfingers combines the signal of the EEG and EMG channels in a single channel called BrainBody, which also serves to help the user modify their EEG activity by feedback of their EMG activity (by decreasing the degree of muscle contraction , learn to relax and facilitates the appearance of the alpha rhythm).
  • the software can be formatted so that EOG or BrainBody replace the EMG input.
  • This system is explicitly aimed at people with severe motor disabilities of neurological origin: cerebral palsy, amyotrophic lateral sclerosis, muscular dystrophy, multiple sclerosis, spinal cord injuries and patients with sequelae of craniocerebral trauma.
  • Brainfingers has the following limitations:
  • Brainfingers simultaneously uses the three neurophysiological signals described above. It allocates to the EMG channel more numerous and complex functions than the other two signals, which corresponds to the aforementioned limitations of EOG and EEG as an interface. Since it is aimed at users with severe motor disabilities (EMG), try to replace this deficit with the user's EOG and EEG activity.
  • EMG severe motor disabilities
  • Brainfingers does not discriminate the action of an individual muscle, since it collects the EMG activity of the lateral zone of
  • the eyebrow and therefore both the frontalis and temporalis muscle.
  • Brainfingers places its electrode to collect surface EMG in a textile band that surrounds the forehead.
  • Parameters Brainfingers uses only the duration parameter of the SEMG signal, and its code is limited to the click of the mouse, presented as single click (with four different durations), double click and long click
  • Brainfingers is specifically aimed at people with severe motor disabilities of neurological origin who have residual motor activity of the frontalis or temporalis muscle.
  • Objective Brainfingers is specifically designed for a user with severe motor disabilities to communicate with a computer, and through it with other people, as well as to provide leisure time to a person who in these conditions is permanently prostrated, through of educational games, video games, and musical composition.
  • Brainfingers connects the user with the computer through cables, and relates to the user exclusively through the screen of a computer.
  • Another objective of the present invention is the development of a language based on the parameters duration, amplitude and interval of the EMG signal.
  • the new interface proposed in the present invention basically communicates with the user through audio, which allows its use anywhere, since it does not oblige to be watching a fixed screen. Additionally, it also allows communication through images or visual messages projected on lenses that the user carries with them, coupled to the system. Regarding the prior art, the present invention takes into account the parameters amplitude and interval of the EMG signal, which allows to have the necessary elements for the development of a myogenic language, as described below, which allows to express a greater number of orders.
  • the system of the invention is constituted by an interface that has at least one electrode in contact with the user's body, and which in turn is integrated or connected with a nexus module through which it communicates, via radiofrequency, with the controller programmable (or equivalent system) of a home automation / inmotic environment.
  • the system enables the direct interrelation of the user himself with said intelligent environment remotely. We will call this new utility of biological telemanagement "Telebionics.”
  • the invention is supported in the development of techniques for the use of electromyographic signals for its general application in the interaction with intelligent environments.
  • the environment is called “intelligent” because it includes the postulates of the Environmental Intelligence, a vision of the immediate future in which the environment is able to detect the presence of the user and respond to their needs, facilitating both the performance of tasks and communication
  • intelligent environments The environment is called “intelligent” because it includes the postulates of the Environmental Intelligence, a vision of the immediate future in which the environment is able to detect the presence of the user and respond to their needs, facilitating both the performance of tasks and communication
  • user and environment In home automation and inmotic, the user's interaction with the environment is currently carried out through physical interfaces (keyboards, screens, remote controls). This new system eliminates them, by integrating the interface into the user's own body.
  • Electromyography is the record of muscle bioelectric activity. This electrical activity is generated in the muscle fibers as a result of the voluntary activation of the motor route, and gives rise to the physical phenomenon of muscle contraction.
  • the EMG record is made by means of electrodes located on the skin surface above the muscle, although the record can also be subcutaneous or intramuscular.
  • the EMG signal once treated, is the input element of the interface, while the nexus module is the output element. This module, by means of a controller, puts the user in contact with the intelligent environment, through a programmable receiver-actuator (or another system equivalent to an automaton) in charge of performing tasks in said environment.
  • the system allows to execute any task assigned to the orders given by the user in said intelligent environment.
  • Said orders are based on the development of a new communication standard, called Myogenic Language, which also provides the present invention; a code based on voluntary myogenic activity, defined as the muscle contraction performed by the user with the aim of communicating with the intelligent environment.
  • the Myogenic Language used in the present invention is based on three parameters. The first two are the amplitude (A) and the duration (D) of the EMG signal. The amplitude can be small (P) or large (G), and the short (C) or long (L) duration. The combination of these variables gives rise to the four basic letters of the proposed Myogenic Language: AP / DC, AP / DL, AG / DC and AG / DL.
  • the third parameter is the time interval elapsed between the generation of a myogenic letter and the next one.
  • the Myogenic Language has a lexicon with a sufficient number of orders, simple, clear and specific, to control the environment.
  • the muscles from which the EMG signals are triggered are called "trigger muscles", and require the integrity of the motor system that controls them. They can be superficial, preferably discreet and easy to modulate in their contraction.
  • the facial or other muscles of the cranial area meet these requirements for a large number of users, including those with spinal injuries, so they are suitable candidates, although the system can also act from other muscle groups.
  • the advantages of the device of the invention are the following: 1) Hands-free. The system leaves the user's hands free, or does not require their use in users with difficulty handling them. 2) Disappearance of remote controls.
  • the "remote control" is no longer an external object to become integrated into the user, in close contact with your body, and with an ergonomic design (it is not uncomfortable) and discreet (it does not attract attention). Conventional remote controls become obsolete.
  • Discretion The user can perform various tasks without letting people know what these are. Privacy is increased in all actions or actions.
  • Versatility The system allows you to carry out any task that can be linked to a home automation, inmotic or other environment (PLCs, etc.). For example, any of the representative tasks in home automation, such as temperature and humidity control, electrical and natural lighting, audio and video systems for leisure, security, communications, door control or domestic robotics. At an immotic level, the switch function, motor operation, frequency inverters, etc.
  • the system increases the security of the user in case of emergency, since it can notify this situation in the place and moment in which it occurs, without having to travel to make this warning.
  • Figure 1 shows the block diagram of the system of the invention.
  • the system of the invention consists of three physical elements.
  • the interface (1) - nexus module (2) assembly has a radio-frequency emitter-receiver or other wireless, bidirectional type, as seen in the block diagram of Figure 1.
  • the interface (1) consists of at least one electrode for capturing the myogenic signal and means for encoding and interpreting them, a headset / microphone, and can incorporate a microprojector of images, graphics, icons or text.
  • the nexus module (2) is an electronic device whose input is connected to the interface (1) used by the user, and whose output is connected, through a radio frequency wireless transmitter / receiver or other type, to a controller (3 ) constituted by one or several automatons equipped with a logic of high level of programming, or simple contactors-relays. In this way, all kinds of maneuvers can be carried out on household appliances (including thermostats), devices (including mobile or fixed telecommunication), and even control of production machines or services.
  • the system also provides a high management capacity for visually impaired people (in its audio feedback mode) or with limited mobility, greatly increasing their safety and comfort.
  • System welcome message and presentation of the task menu.
  • the nexus module (2) emits this message and transmits it to the interface (1).
  • the communication arrives to the user via hearing (through a headset / microphone incorporated into the interface), as well as visually (through icons, text or images projected from the interface on lenses attached to the system), or others .
  • Order generation Orders are given through the Myogenic Language.
  • the electrode of the interface (1) collects the voluntary myogenic activity performed with the trigger muscle / s. 5. Treatment of the EMG signal.
  • the interface (1) and the nexus module (2) incorporate the electronic elements necessary to convert the voluntary myogenic activity into an electrical signal that allows remote transmission.
  • EMG signals are transmitted wirelessly to the controller (3).
  • Execution of orders The controller (3) of the intelligent environment executes the task assigned to the requested order.
  • the link module (2) receives from the controller (3) the confirmation of the execution of the task performed, as well as notifications about any incident or variations in the system. This information is transmitted from the nexus module (2) to the user through the interface (1), by means of auditory or visual messages.
  • the interface (1) through a tutorial, helps you to calibrate the voluntary myogenic activity for the effective realization of a muscular contraction of greater or lesser amplitude (intensity of the contraction) and duration (of said contraction), so that you can Learn and be able to reproduce the specific orders of myogenic language.
  • the user can acquire expertise in the use of the different proposed trigger muscles, and choose those whose handling
  • the advanced version of the device object of the invention which incorporates glasses with a screen, it is also possible to visualize a graphic representation of each EMG signal to facilitate the measurement and self-calibration of the muscular effort by the user.

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Abstract

El sistema esta formado por una interfaz (1) constituida por uno o varios electrodos de captura de señal electromiográfica (actividad bioeléctrica muscular), un auricular/micrófono y un transmisor/receptor de radiofrecuencia; un modulo nexo (2), con medios para la codificación e interpretación de las señales electromiográficas que tienen en cuenta tanto su duración, como su amplitud e intervalo, conectado de forma inalámbrica al transmisor/receptor de la interfaz (1); y un controlador (3), constituido por medios para controlar y gestionar los dispositivos que constituyen el entorno de inteligencia ambiental de tipo domótico, inmótico, militar u otros, cuya entrada esta conectada a la salida del modulo nexo (2). Adicionalmente, la comunicación facilitada por el auricular/micrófono se completa con unas lentes que incorporan un dispositivo capaz de proyectar mensajes visuales sobre su parte interna.

Description

SISTEMA PARA LA GESTIÓN REMOTA EN ENTORNOS DE INTELIGENCIA AMBIENTAL MEDIANTE SEÑALES ELECTROMIOGRÁFICAS.
La presente invención se refiere a un sistema para interactuar de forma remota con un entorno inteligente, tanto en el hogar (entorno domótico) como en edificios de uso terciario e industrial, incluyendo naves industriales (entorno inmótico) u otros entornos, mediante Ia utilización de señales electromiográficas generadas voluntariamente por el usuario.
La invención se enmarca dentro del campo de Ia Computación Fisiológica, que consiste en el uso de señales fisiológicas como interfaz de entrada a sistemas TIC (Tecnología de Ia Información y Comunicación), pero también a cualquier dispositivo que requiera de las órdenes del usuario para su funcionamiento o utilización. Su objetivo es transformar señales bioeléctricas del sistema nervioso en entradas a un ordenador en tiempo real para enriquecer Ia interactividad. La interfaz de Ia invención alcanza nuevas metas, ya que se comporta como un mando a distancia ubicado en el propio cuerpo del usuario.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En entornos domóticos, inmóticos, en Ia conducción o en Ia práctica de deportes, son conocidos dispositivos que actúan mediante interruptores o teclados o bien mediante mandos a distancia, por cable o de forma inalámbrica (infrarrojos, radiofrecuencia, tecnologías bluetooth o gestión por voz). Sin embargo, en Ia mayoría de los casos, se requiere del empleo de las manos para actuar sobre los mismos. Ello supone un problema importante en situaciones en que el usuario necesita las manos para Ia actividad que está desarrollando, como por ejemplo en Ia conducción, Ia práctica de algunos deportes (náuticos, submarinismo, esquí), o en misiones de seguridad (militares, policía).
En otras ocasiones, por ejemplo en los sistemas de gestión por voz, Ia utilidad está condicionada a determinados entornos en los que no existan interferencias por el ruido ambiental o bien cuando por motivos de seguridad no es posible emplear Ia voz.
Además de Io anterior, los sistemas descritos plantean en ocasiones problemas de privacidad en entornos públicos en los que el usuario puede ser observado por terceros en condiciones que no Ia garanticen completamente, por ejemplo en cajeros automáticos o durante el desarrollo de reuniones, actos y celebraciones.
Por último, las personas con discapacidades físicas que limitan o imposibilitan el empleo de sus manos se beneficiarían de un dispositivo de gestión como el propuesto, en el ámbito domótico y otros.
Para solucionar los problemas descritos se ha planteado teóricamente Ia utilización de señales fisiológicas modificadas voluntariamente por el usuario. Así el campo de Ia Computación Fisiológica ha investigado el uso de distintas señales fisiológicas como posibles entradas, por ejemplo, a un ordenador personal, entre las que destacan las señales electro-oculográficas, las electroencefalográficas y las electromiográficas.
El electro-oculograma (EOG) mide Ia diferencia de potencial entre Ia córnea y Ia retina del ojo, circunstancia que permite registrar Ia velocidad y dirección del movimiento ocular por medio de electrodos colocados sobre Ia piel en Ia vecindad del ojo. El electrodo más próximo a Ia córnea registrará un potencial positivo, y el más cercano a Ia retina, uno negativo. Al mover los ojos, Ia posición de córnea y retina cambian respecto al electrodo, Io que da lugar a un cambio de potencial. La señal EOG puede ser utilizada por personas con un alto grado de discapacidad; sin embargo, los sistemas basados en EOG son comparativamente caros, requieren gran atención y esfuerzo para controlar el cursor apropiado, y su calibración y aprendizaje son complejos.
La electroencefalografía (EEG) mide Ia actividad bioeléctrica cerebral, y su uso como interfaz depende de Ia habilidad de cada usuario para aprender a controlarla. Los ritmos fisiológicos del EEG en adultos sanos en vigilia son el alfa (8-13 Hz) y el beta (por encima de 13 Hz), aunque también pueden existir actividades theta (4-7 Hz). Estos ritmos tienen diferente distribución topográfica, son reactivos a determinados estímulos y se relacionan con diferentes estados de alerta. A través de un entrenamiento adecuado, es posible generar patrones EEG que pueden ser utilizados, por ejemplo, para controlar los movimientos de un cursor o seleccionar letras o palabras en el monitor de un ordenador. Los principales inconvenientes de Ia señal EEG como interfaz son su limitación en el ancho de banda y su resolución espacial, además de fallos de detección, contaminación por electromiografía y el efecto de variables psicológicas. En general, Ia capacidad de modular Ia frecuencia de Ia actividad bioeléctrica cerebral requiere un gran entrenamiento, por ejemplo, personas con práctica en meditación.
La electromiografía (EMG) se basa en Ia medición de Ia actividad bioeléctrica asociada a Ia contracción muscular voluntaria. Una de las ventajas de esta señal es su relativa inmunidad a las interferencias proveniente de otras señales fisiológicas, en comparación con las señales de EOG y EEG. La señal EMG puede utilizarse de distintos modos para controlar un sistema, por ejemplo, de modo semejante al de un interruptor (sistema ON/OFF) activando-desactivando una determinada acción con una contracción muscular voluntaria. Otra posibilidad teórica sería el uso de las diversas magnitudes estimadas de Ia EMG, Io que permitiría un control de tipo proporcional. Finalmente, es factible definir un código de impulsos para poder realizar distintas acciones con un mismo músculo. Esta última estrategia ha sido utilizada, por ejemplo, en el control de prótesis bioeléctricas, y se basa en un código de 3 bits (señal de amplitud alta, de amplitud baja y ausencia de contracción) sin que un código dado pueda comenzar con 'ausencia de contracción', Io que permite un máximo de 18 órdenes. Este sistema no define un lenguaje a partir de Ia estructura de Ia señal registrada.
En el estado de Ia técnica son conocidos sistemas que emplean este tipo de señales fisiológicas como entrada a un ordenador, entre los que se encuentra un producto comercial denominado Cyberlink - Brainfingers. Se trata de un sistema de hardware (Cyberlink) y software (Brainfingers) que permite controlar un ordenador (ratón/cursor, teclado/teclas) sin emplear las manos. Utiliza tres tipos de señales neurofisiológicas: EEG, EOG y EMG. Consta de cuatro elementos; banda cefálica, con tres sensores de plástico para cada una de las tres señales, caja de interfaz (filtro, amplificador, conversor A/D) con puerto USB para conectar al ordenador, cables, y software que se debe instalar en el ordenador del usuario. El sistema recoge los tres tipos de señal y los distribuye en 1 1 canales de información llamados 'brainfingers' ("dedos cerebrales"). Además de esos 1 1 canales, Brainfingers combina Ia señal de los canales EEG y EMG en un único canal llamado BrainBody, que también sirve para ayudar al usuario a modificar su actividad EEG mediante realimentación de su actividad EMG (al disminuir el grado de contracción muscular, aprende a relajarse y facilita la aparición del ritmo alfa). En usuarios con movilidad facial limitada se puede formatear el software para que EOG o BrainBody sustituyan Ia entrada EMG.
En este sistema el equivalente a un clic del ratón es una contracción breve, y el doble clic son dos contracciones. Una contracción mantenida (llamada 'clic largo') activa el interruptor de velocidad del cursor, que cambia desde "alta velocidad y baja resolución" a "baja velocidad y alta resolución", para poder hacer clic con mayor facilidad sobre iconos o dianas pequeñas en Ia pantalla del ordenador. El sistema reconoce hasta cuatro tipos de clics en función de su duración (0.3, 0.6, 0.9 y 1.2 mseg).
Este sistema está explícitamente dirigido a personas con discapacidad motora grave de origen neurológico: parálisis cerebral, esclerosis lateral amiotrófica, distrofia muscular, esclerosis múltiple, lesionados medulares y pacientes con secuelas de traumatismo cráneo-encefálico.
Brainfingers presenta las siguientes limitaciones:
1 ) Tipo de señal: Brainfingers usa de forma simultánea las tres señales neurofisiológicas descritas anteriormente. Adjudica al canal EMG funciones más numerosas y complejas que las otras dos señales, Io que se corresponde con las limitaciones referidas de EOG y EEG como interfaz. Dado que se dirige a usuarios con gran discapacidad motora (EMG), intenta suplir este déficit con Ia actividad EOG y EEG del usuario.
2) Características de Ia señal EMG.
- Músculo utilizado: Brainfingers no discrimina Ia acción de un músculo individual, ya que recoge Ia actividad EMG de Ia zona lateral de
Ia ceja, y por consiguiente tanto del músculo frontalis como del temporalis.
- Electrodos: Brainfingers coloca su electrodo para recoger EMG de superficie en una banda textil que rodea Ia frente. - Parámetros: Brainfingers usa únicamente el parámetro duración de Ia señal SEMG, y su código se limita al clic del ratón, presentado como clic simple (con cuatro duraciones distintas), doble clic y clic largo
3) Usuario: Brainfingers está dirigido específicamente a personas con discapacidad motora grave de origen neurológico que presentan actividad motora residual del músculo frontalis o temporalis. 4) Objetivo: Brainfingers está diseñado específicamente para que un usuario con discapacidad motora grave se comunique con un ordenador, y a través de él con otras personas, así como para proporcionar momentos de ocio a una persona que en esas condiciones está permanentemente postrada, a través de juegos educativos, videojuegos, y de Ia composición musical.
5) Forma de uso: Brainfingers conecta al usuario con el ordenador a través de cables, y se relaciona con el usuario exclusivamente a través de Ia pantalla de un ordenador.
Es un objetivo de Ia presente invención el gestionar el entorno utilizando exclusivamente Ia señal EMG.
Es otro objetivo de Ia presente invención el permitir registrar Ia señal EMG desde Ia superficie cutánea o por debajo de ésta (por ejemplo, desde un piercing).
Es otro objetivo de Ia presente invención el permitir usar un músculo específico, para facilitar el uso del sistema y aumentar Ia discreción y Ia ergonomía.
Es otro objetivo de Ia presente invención el permitir usar varios músculos alternativos,
Io que posibilita al usuario elegir el que Ie resulte más adecuado y rotar el uso de uno a otro para evitar fatiga o sobreesfuerzo.
Es otro objetivo de Ia presente invención el que pueda ser utilizado por personas que tengan un control motor suficiente sobre cualquier músculo facial o craneal, y por cualquier usuario sin discapacidad motora.
Es otro objetivo de Ia presente invención ampliar el ámbito de aplicación, para permitir Ia interrelación del usuario con su entorno.
Es otro objetivo de Ia presente invención ampliar el alcance de interacción, desarrollando una alternativa a Ia conexión por cables.
Es otro objetivo de Ia presente invención el desarrollo de un lenguaje basado en los parámetros duración, amplitud e intervalo de Ia señal EMG.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La nueva interfaz propuesta en Ia presente invención se comunica básicamente con el usuario a través de audio, Io que permite su uso en cualquier lugar, ya que no obliga a estar mirando una pantalla fija. Adicionalmente, también permite Ia comunicación a través de imágenes o mensajes visuales proyectados sobre unas lentes que el usuario porta consigo, acopladas al sistema. Respecto a Ia técnica anterior, Ia presente invención tiene en cuenta los parámetros amplitud e intervalo de Ia señal EMG, Io que permite contar con los elementos necesarios para el desarrollo de un lenguaje miogénico, como se describe a continuación, que permite expresar un mayor número de órdenes.
El sistema de Ia invención está constituido por una interfaz que posee al menos un electrodo en contacto con el cuerpo del usuario, y que a su vez está integrada o conectada con un módulo nexo a través del cual se comunica, vía radiofrecuencia, con el controlador programable (o sistema equivalente) de un entorno de tipo domótico/inmótico. El sistema posibilita Ia interrelación directa del propio usuario con dicho entorno inteligente de forma remota. A esta nueva utilidad de telegestión biológica Ia denominaremos "Telebiónica".
La invención esta soportada en el desarrollo de técnicas de utilización de señales electromiográficas para su aplicación generalizada en Ia interacción con entornos inteligentes. El entorno se denomina "inteligente" porque recoge los postulados de Ia Inteligencia Ambiental, una visión sobre el futuro inmediato en el cual el entorno es capaz de detectar Ia presencia del usuario y responder ante sus necesidades, facilitando tanto Ia realización de tareas como Ia comunicación entre usuario y entorno. En domótica e inmótica, Ia interacción del usuario con el entorno se realiza actualmente a través de interfaces físicas (teclados, pantallas, mandos a distancia). Este nuevo sistema los elimina, al integrar Ia interfaz en el propio cuerpo del usuario.
La electromiografía (EMG) es el registro de Ia actividad bioeléctrica muscular. Esta actividad eléctrica se genera en las fibras musculares como consecuencia de Ia activación voluntaria de Ia vía motora, y da lugar al fenómeno físico de Ia contracción muscular. En esta interfaz, el registro EMG se realiza por medio de electrodos ubicados en Ia superficie cutánea por encima del músculo, aunque el registro también puede ser subcutáneo o intramuscular. La señal EMG, una vez tratada, es el elemento de entrada de Ia interfaz, mientras que el módulo nexo es el elemento de salida. Este módulo, mediante un controlador pone en contacto al usuario con el entorno inteligente, a través de un receptor-actuador programable (u otro sistema equivalente a un autómata) encargado de Ia realización de tareas en dicho entorno.
El sistema permite ejecutar cualquier tarea asignada a las órdenes dadas por el usuario en dicho entorno inteligente. Dichas órdenes se basan en el desarrollo de un nuevo estándar de comunicación, denominado Lenguaje Miogénico, que también aporta Ia presente invención; un código basado en Ia actividad miogénica voluntaria, definida como Ia contracción muscular realizada por el usuario con el objetivo de comunicarse con el entorno inteligente. El Lenguaje Miogénico utilizado en Ia presente invención se basa en tres parámetros. Los dos primeros son Ia amplitud (A) y Ia duración (D) de Ia señal EMG. La amplitud puede ser pequeña (P) o grande (G), y Ia duración corta (C) o larga (L). La combinación de estas variables da lugar a las cuatro letras básicas del Lenguaje Miogénico propuesto: AP/DC, AP/DL, AG/DC y AG/DL. El tercer parámetro es el intervalo de tiempo transcurrido entre Ia generación de una letra miogénica y Ia siguiente. De esta manera, el Lenguaje Miogénico posee un léxico con un número suficiente de órdenes, sencillas, claras y específicas, para controlar el entorno. Los músculos desde los que se disparan las señales EMG pasan a denominarse "músculos gatillo", y requieren de Ia integridad del sistema motor que los controla. Pueden ser superficiales, preferentemente discretos y fáciles de modular en su contracción. Los músculos faciales u otros de Ia zona craneal reúnen estos requisitos para un gran número de usuarios, incluidos aquellos con lesiones medulares, por Io que son candidatos idóneos, aunque el sistema puede actuar también desde otros grupos musculares.
Las ventajas que presenta el dispositivo de Ia invención son las siguientes: 1 ) Manos libres. El sistema deja libres las manos del usuario, o no requiere del empleo de éstas en los usuarios con dificultad para manejarlas. 2) Desaparición de los mandos a distancia. El "mando a distancia" deja de ser un objeto externo para pasar a integrarse en el usuario, en estrecho contacto con su cuerpo, y con un diseño ergonómico (no es incómodo) y discreto (no llama Ia atención). Los mandos a distancia convencionales quedan obsoletos.
3) Autonomía y Movilidad. El usuario no necesita estar delante de una pantalla para escoger tareas y dar órdenes, ya que el sistema se comunica con él en cualquier lugar de Ia vivienda, edificio, entorno industrial, vehículo, embarcación, etc. con total ergonomía.
4) Discreción. El usuario puede realizar diversas tareas sin que las personas de alrededor sepan cuáles son éstas. Se aumenta Ia privacidad en todas las gestiones o acciones. 5) Versatilidad. El sistema permite llevar a cabo cualquier tarea susceptible de ser vinculada a un entorno domótico, inmótico u otros (PLCs, etc.). Por ejemplo, cualquiera de las tareas representativas en Ia automatización en el hogar, como control de temperatura y humedad, iluminación eléctrica y natural, sistemas de audio y vídeo para el ocio, seguridad, comunicaciones, control de puertas o robótica doméstica. A nivel inmótico, Ia función de interruptor, operación de motores, variadores de frecuencia, etc.
6) Seguridad. El sistema aumenta Ia seguridad del usuario en caso de emergencia, ya que puede notificar esta situación en el lugar y momento en que se produce, sin necesidad de desplazarse para efectuar este aviso.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 muestra el diagrama de bloques del sistema de Ia invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE
En una realización preferente, el sistema de Ia invención consta de tres elementos físicos. La interfaz (1 ) más el módulo nexo (2), que el usuario lleva encima, conectados con un controlador (3) que ejecuta las tareas en el entorno a controlar. El conjunto interfaz (1 ) - módulo nexo (2) posee un emisor-receptor vía radiofrecuencia u otro tipo inalámbrico, bidireccional, tal como se aprecia en el diagrama de bloques de Ia figura 1.
La interfaz (1 ) consta de al menos un electrodo de captura de Ia señal miogénica y medios para Ia codificación e interpretación de las mismas, un auricular/micrófono, y puede incorporar un microproyector de imágenes, gráficos, iconos o texto.
El modulo nexo (2) es un dispositivo electrónico cuya entrada está conectada a Ia interfaz (1 ) que emplea el usuario, y cuya salida está conectada, a través de un transmisor/receptor inalámbrico de radiofrecuencia u otro tipo, a un controlador (3) constituido por uno o varios autómatas dotados de una lógica de alto nivel de programación, o bien a simples contactores-relés. De esta forma pueden efectuarse todo tipo de maniobras sobre electrodomésticos (incluidos termostatos), aparatos (incluida telecomunicación móvil o fija), e incluso control de máquinas de producción o de prestación de servicios. El sistema también dota de una alta capacidad de gestión a personas discapacitadas visuales (en su modalidad de realimentación por audio) o con movilidad limitada, ampliando enormemente su seguridad y su confort.
El sistema funciona de Ia siguiente manera:
1. Activación. La interfaz (1 ), el módulo nexo (2) y el controlador (3) deben estar encendidos y operativos.
2. Reconocimiento de usuario. El usuario, por medio del Lenguaje Miogénico, personaliza y presenta su código de usuario. La generación de órdenes se realiza por medio del Lenguaje Miogénico.
3. Mensaje de bienvenida del sistema y presentación del menú de tareas. El módulo nexo (2) emite este mensaje y Io transmite al interfaz (1 ). La comunicación Ie llega al usuario vía auditiva (a través de un auricular/micrófono incorporado a Ia interfaz), así como de forma visual (por medio de iconos, texto o imágenes proyectadas desde Ia interfaz sobre unas lentes acopladas al sistema), u otras.
4. Generación de órdenes. Las órdenes se dan a través del Lenguaje Miogénico. El electrodo de Ia interfaz (1 ) recoge Ia actividad miogénica voluntaria realizada con el músculo/s gatillo/s. 5. Tratamiento de Ia señal EMG. La interfaz (1 ) y el módulo nexo (2) incorporan los elementos electrónicos necesarios para convertir Ia actividad miogénica voluntaria en una señal eléctrica que permita su transmisión a distancia.
6. Transmisión de las órdenes. Las señales EMG se transmiten de forma inalámbrica hasta el controlador (3). 7. Ejecución de las órdenes. El controlador (3) del entorno inteligente ejecuta Ia tarea asignada a Ia orden solicitada.
8. Confirmación de Ia realización de Ia orden e información sobre el estado del sistema. El módulo nexo (2) recibe del controlador (3) Ia confirmación de Ia ejecución de Ia tarea realizada, así como notificaciones sobre cualquier incidencia o variaciones en el sistema. Esta información se transmite desde el módulo nexo (2) al usuario a través de Ia interfaz (1 ), por medio de mensajes auditivos o visuales.
Antes de usar el sistema, el usuario debe aprender a dominar el Lenguaje
Miogénico. La interfaz (1 ), a través de un tutorial, Ie ayuda a calibrar Ia actividad miogénica voluntaria para Ia realización efectiva de una contracción muscular de mayor o menor amplitud (intensidad de Ia contracción) y duración (de dicha contracción), para que pueda aprender y ser capaz de reproducir las órdenes específicas del lenguaje miogénico. Este aprendizaje se realiza por realimentación auditiva mediante Ia transformación de Ia señal EMG en una señal acústica recibida a través del auricular/micrófono de Ia interfaz (mayor amplitud de Ia señal EMG = mayor intensidad sonora, mayor duración de Ia señal EMG = mayor duración de Ia señal sonora). De este modo, el usuario puede adquirir pericia en el uso de los distintos músculos gatillos propuestos, y escoger aquellos cuyo manejo
Ie resulte más cómodo o adecuado a sus circunstancias. En Ia versión avanzada del dispositivo objeto de Ia invención, que incorpora gafas con pantalla, también es posible visualizar una representación gráfica de cada señal EMG para facilitar Ia medición y autocalibración del propio esfuerzo muscular por parte del usuario.
Serán evidentes, para el experto en Ia materia, tanto el detalle de los componentes no descritos, como los valores concretos de las magnitudes del lenguaje miogénico que pueden determinarse por los habituales procedimientos de prueba y error.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema para Ia gestión remota en entornos de inteligencia ambiental mediante señales electromiográficas, caracterizado por comprender:
una interfaz (1 ) constituida por al menos un electrodo de captura de Ia señal electromiográfica con medios para Ia codificación e interpretación de las señales electromiográficas en base, al menos, a su duración, amplitud e intervalo, y un auricular/micrófono
un módulo nexo (2), cuya entrada está conectada a Ia interfaz (1 ), y cuya salida es un transmisor/receptor inalámbrico
un controlador (3), constituido por medios para controlar y gestionar los dispositivos que constituyen el entorno de inteligencia ambiental, cuya entrada está conectada de forma inalámbrica a Ia salida del modulo nexo (2).
2. Sistema para Ia gestión remota en entornos de inteligencia ambiental mediante señales electromiográficas de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado por que los medios para Ia interpretación de las señales electromiográficas discriminan al menos dos niveles de duración y al menos dos niveles de amplitud de las mismas.
3. Sistema para Ia gestión remota en entornos de inteligencia ambiental mediante señales electromiográficas de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado por que Ia interfaz (1 ) comprende un dispositivo microproyector capaz de proyectar mensajes visuales (textos, iconos o gráficos) sobre unas lentes acopladas al sistema
4. Sistema para Ia gestión remota en entornos de inteligencia ambiental mediante señales electromiográficas de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque los medios para controlar y gestionar los dispositivos que constituyen el entorno de inteligencia ambiental están constituidos por PLCs, actuadores y sistemas de telecomunicación.
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