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保有特許一覧|研究・産学連携|豊田工業大学

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Academic year: 2018

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(1)

10 ( 57) 【要約】   (修正有)

【課題】個人差に強い随意運動の識別を可能とする装置 を提供する。

【解決手段】ユーザの頭部の複数点の脳波をそれぞれ示 す複数の脳波信号に基づいて、識別器によって随意運動 の有無を識別する随意運動識別装置であって、複数の脳 波信号に対して、所定の帯域を通過させる時間フィルタ と、随意運動の識別対象の部位に対応する脳波信号に関 するハイライト信号を抽出する空間フィルタをかける前 処理部と、前処理部によって抽出されたハイライト信号 のARモデルの係数と予測誤差の分散を、特徴ベクトル として算出するARモデル推定部と、ARモデルによっ て算出された特徴ベクトルに基づいて、識別器のパラメ ータを学習する識別部と、識別器が随意運動の有無とし て導出するバイナリー値をスムージングして、リハビリ 支援ロボットの制御に利用可能な連続値に変換する後処 理部と、を備える。

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50 【 特 許 請 求 の 範 囲 】

【 請 求 項 1 】

  ユ ー ザ の 頭 部 の 複 数 点 の 脳 波 を そ れ ぞ れ 示 す 複 数 の 脳 波 信 号 に 基 づ い て 、 識 別 器 に よ っ て 随 意 運 動 の 有 無 を 識 別 す る 随 意 運 動 識 別 装 置 で あ っ て 、

  前 記 複 数 の 脳 波 信 号 に 対 し て 、 所 定 の 帯 域 を 通 過 さ せ る 時 間 フ ィ ル タ と 、 随 意 運 動 の 識 別 対 象 の 部 位 に 対 応 す る 脳 波 信 号 に 関 す る ハ イ ラ イ ト 信 号 を 抽 出 す る 空 間 フ ィ ル タ を か け る 前 処 理 部 と 、

  前 記 前 処 理 部 に よ っ て 抽 出 さ れ た ハ イ ラ イ ト 信 号 の A R モ デ ル の 係 数 と 予 測 誤 差 の 分 散 を 、 特 徴 ベ ク ト ル と し て 算 出 す る A R モ デ ル 推 定 部 と 、

  前 記 A R モ デ ル に よ っ て 算 出 さ れ た 特 徴 ベ ク ト ル に 基 づ い て 、 前 記 識 別 器 の パ ラ メ ー タ を 学 習 す る 識 別 部 と 、

  前 記 識 別 器 が 随 意 運 動 の 有 無 と し て 導 出 す る バ イ ナ リ ー 値 を ス ム ー ジ ン グ し て 、 リ ハ ビ リ 支 援 ロ ボ ッ ト の 制 御 に 利 用 可 能 な 連 続 値 に 変 換 す る 後 処 理 部 と 、

  を 備 え た 随 意 運 動 識 別 装 置 。 【 発 明 の 詳 細 な 説 明 】

【 技 術 分 野 】 【 0 0 0 1 】

  本 発 明 は 、 随 意 運 動 識 別 装 置 に 関 し 、 特 に 、 脳 波 信 号 に 基 づ い て 識 別 器 に よ っ て 随 意 運 動 の 有 無 を 識 別 す る 技 術 に 関 す る 。

【 背 景 技 術 】 【 0 0 0 2 】

  特 許 文 献 1 に は 、 随 意 運 動 を タ イ ミ ン グ よ く 補 助 す る た め の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 用 脳 波 信 号 処 理 装 置 が 開 示 さ れ て い る 。 こ の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 用 脳 波 信 号 処 理 装 置 は 、 脳 の リ ハ ビ リ 対 象 部 位 に 対 応 す る 運 動 野 付 近 か ら 採 取 し た 脳 波 信 号 に つ い て 、 所 定 周 波 数 成 分 の 信 号 強 度 の 時 間 変 化 が 検 出 さ れ る と 、 身 体 の 随 意 運 動 を 補 助 す る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 用 運 動 補 助 装 置 の 動 作 を 制 御 す る 。

【 0 0 0 3 】

  随 意 運 動 は 、 事 象 関 連 脱 同 期 ( E R D : E v e n t - R e l a t e d De s y n c h r o n iz a t i o n ) と い う 現 象 に 着 目 し て 脳 波 か ら 検 出 で き る こ と が 知 ら れ て い る 。 E R D と は 、 実 運 動 お よ び 運 動 イ メ ー ジ を 実 行 時 に 、 脳 波 振 幅 が 変 化 す る 現 象 で あ る 。 E R D で は 、 特 に 特 定 周 波 数 帯 域 で 脳 波 振 幅 の 減 少 が 顕 著 と な る が 、 ど こ の 周 波 数 が 変 化 す る か は 、 個 人 差 に よ っ て 異 な る 。 多 く の 研 究 が μ リ ズ ム や β リ ズ ム 等 の 特 定 周 波 数 の 信 号 強 度 の 変 化 に 着 目 し て E R D を 利 用 し て 随 意 運 動 を 検 出 す る よ う に し て い る が 、 こ の 周 波 数 は 個 人 差 が 大 き い た め 、 事 前 に 計 測 す る 必 要 が あ る 。

【 0 0 0 4 】

  そ れ に 対 し て 、 特 許 文 献 1 に 開 示 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 用 脳 波 信 号 処 理 装 置 で は 、 所 定 周 波 数 成 分 の 信 号 強 度 の 時 間 変 化 に 着 目 し て 随 意 運 動 を 検 出 す る よ う に し て い る た め 、 個 人 差 に 対 応 す る こ と が で き な い と い う 問 題 が あ る 。

【 先 行 技 術 文 献 】 【 特 許 文 献 】 【 0 0 0 5 】

【 特 許 文 献 1 】 特 開 2 0 1 2 − 2 1 7 7 2 1 号 公 報 【 発 明 の 概 要 】

【 発 明 が 解 決 し よ う と す る 課 題 】 【 0 0 0 6 】

  本 発 明 は 、 上 述 し た 知 見 に 基 づ い て な さ れ た も の で あ り 、 個 人 差 に 強 い 随 意 運 動 の 識 別 を 可 能 と す る こ と が で き る 随 意 運 動 識 別 装 置 を 提 供 す る こ と を 目 的 と す る 。

【 課 題 を 解 決 す る た め の 手 段 】 【 0 0 0 7 】

(3)

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40

50 れ 示 す 複 数 の 脳 波 信 号 に 基 づ い て 、 識 別 器 に よ っ て 随 意 運 動 の 有 無 を 識 別 す る 随 意 運 動 識

別 装 置 で あ っ て 、 前 記 複 数 の 脳 波 信 号 に 対 し て 、 所 定 の 帯 域 を 通 過 さ せ る 時 間 フ ィ ル タ と 、 随 意 運 動 の 識 別 対 象 の 部 位 に 対 応 す る 脳 波 信 号 に 関 す る ハ イ ラ イ ト 信 号 を 抽 出 す る 空 間 フ ィ ル タ を か け る 前 処 理 部 と 、 前 記 前 処 理 部 に よ っ て 抽 出 さ れ た ハ イ ラ イ ト 信 号 の A R モ デ ル の 係 数 と 予 測 誤 差 の 分 散 を 、 特 徴 ベ ク ト ル と し て 算 出 す る A R モ デ ル 推 定 部 と 、 前 記 A R モ デ ル に よ っ て 算 出 さ れ た 特 徴 ベ ク ト ル に 基 づ い て 、 前 記 識 別 器 の パ ラ メ ー タ を 学 習 す る 識 別 部 と 、 前 記 識 別 器 が 随 意 運 動 の 有 無 と し て 導 出 す る バ イ ナ リ ー 値 を ス ム ー ジ ン グ し て 、 リ ハ ビ リ 支 援 ロ ボ ッ ト の 制 御 に 利 用 可 能 な 連 続 値 に 変 換 す る 後 処 理 部 と 、 を 備 え た も の で あ る 。

【 発 明 の 効 果 】 【 0 0 0 8 】

  上 述 し た 本 発 明 の 態 様 に よ れ ば 、 個 人 差 に 強 い 随 意 運 動 の 識 別 を 可 能 と す る こ と が で き る 随 意 運 動 識 別 装 置 を 提 供 す る こ と が で き る 。

【 図 面 の 簡 単 な 説 明 】 【 0 0 0 9 】

【 図 1 】 実 施 の 形 態 に 係 る 随 意 運 動 識 別 シ ス テ ム の 構 成 図 で あ る 。 【 図 2 】 国 際 1 0 − 2 0 法 の 電 極 配 置 図 で あ る 。

【 図 3 】 実 施 の 形 態 に 係 る 実 験 の タ イ ム シ ー ケ ン ス 、 及 び 実 験 の タ イ ム シ ー ケ ン ス に 応 じ て 表 示 装 置 1 4 に 表 示 さ れ る 画 像 例 を 示 す 図 で あ る 。

【 図 4 】 実 施 の 形 態 に 係 る 随 意 運 動 識 別 シ ス テ ム の 信 号 処 理 系 の 全 体 構 成 図 で あ る 。 【 図 5 】 実 施 の 形 態 に 係 る マ ス キ ン グ 用 の 窓 関 数 を 示 す 図 で あ る 。

【 図 6 A 】 実 施 の 形 態 に 係 る 特 徴 ベ ク ト ル の 計 算 結 果 例 を 示 す 図 で あ る 。

【 図 6 B 】 実 施 の 形 態 に 係 る バ イ ナ リ ー 値 及 び ス ム ー ジ ン グ 後 の 連 続 値 の 計 算 結 果 例 を 示 す 図 で あ る 。

【 図 6 C 】 実 施 の 形 態 に 係 る マ ス キ ン グ 後 の 連 続 値 の 計 算 結 果 例 を 示 す 図 で あ る 。 【 図 7 】 実 施 の 形 態 に 係 る 識 別 器 の 識 別 性 能 を 示 す 図 で あ る 。

【 図 8 】 実 施 の 形 態 に 係 る リ ハ ビ リ 支 援 ロ ボ ッ ト の 構 成 図 で あ る 。 【 発 明 を 実 施 す る た め の 形 態 】

【 0 0 1 0 】

< 本 発 明 の 実 施 の 形 態 >

  図 1 を 参 照 し て 、 本 発 明 の 実 施 の 形 態 に 係 る 随 意 運 動 識 別 シ ス テ ム 1 の 構 成 に つ い て 説 明 す る 。 図 1 は 、 本 発 明 の 実 施 の 形 態 に 係 る 随 意 運 動 識 別 シ ス テ ム 1 の 構 成 図 で あ る 。 【 0 0 1 1 】

  以 下 、 本 実 施 の 形 態 で は 、 ユ ー ザ の 左 手 首 関 節 の 屈 曲 運 動 に つ い て リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン を す る 例 に つ い て 説 明 す る が 、 ユ ー ザ の 体 に お け る 他 の 部 位 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン に 用 い て も よ い 。

【 0 0 1 2 】

  随 意 運 動 識 別 シ ス テ ム 1 は 、 脳 波 計 ( キ ャ ッ プ 又 は ヘ ッ ド セ ッ ト ) 1 1 、 ア ン プ 1 2 、 ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 3 、 及 び 表 示 装 置 1 4 を 有 し て い る 。

【 0 0 1 3 】

  脳 波 計 1 1 は 、 脳 波 を 測 定 し 、 測 定 し た 脳 波 を 示 す 脳 波 信 号 を ア ン プ 1 2 に 送 信 す る 。 具 体 的 に は 、 脳 波 計 1 1 は 、 複 数 の 電 極 を 有 し て お り 、 そ の 複 数 の 電 極 に よ っ て ユ ー ザ の 頭 部 の 複 数 点 に お け る 脳 波 を 測 定 す る 。 そ し て 、 脳 波 計 1 1 は 、 測 定 し た 複 数 点 の 脳 波 を そ れ ぞ れ 示 す 複 数 の 脳 波 信 号 を 生 成 し 、 ア ン プ 1 2 に 送 信 す る 。

【 0 0 1 4 】

  ア ン プ 1 2 は 、 脳 波 計 1 1 か ら 送 信 さ れ た 脳 波 信 号 を 増 幅 し 、 ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 3 に 送 信 す る 。

【 0 0 1 5 】

(4)

10

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50 ( 図 示 せ ず ) を 有 す る P C ( P e r s o n a l Co mp u t e r ) で あ り 、 C P U に よ っ て 記 憶 装 置 に 格

納 さ れ た プ ロ グ ラ ム を 実 行 す る こ と で 、 後 述 の 各 種 処 理 を 実 現 す る 。 す な わ ち 、 こ の プ ロ グ ラ ム は 、 後 述 の 各 種 処 理 を C P U に 実 行 さ せ る た め の コ ー ド を 含 ん で い る 。 記 憶 装 置 と し て 、 例 え ば メ モ リ 及 び ハ ー ド デ ィ ス ク 等 の 記 憶 装 置 の う ち 、 任 意 の 1 つ 以 上 の 記 憶 装 置 を 用 い る よ う に し て よ い 。 ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 3 は 、 随 意 運 動 識 別 装 置 と し て 機 能 す る 。

【 0 0 1 6 】

  表 示 装 置 1 4 は 、 実 験 の タ イ ム シ ー ケ ン ス に 応 じ て 、 ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 3 に よ っ て 画 像 が 表 示 さ れ る 。 表 示 装 置 1 4 と し て 、 例 え ば C R T ( Ca t h o d e R a y T u b e ) デ ィ ス プ レ イ 、 液 晶 デ ィ ス プ レ イ 、 及 び 有 機 E L デ ィ ス プ レ イ 等 の 表 示 装 置 の う ち 、 任 意 の 表 示 装 置 を 用 い る よ う に し て よ い 。

【 0 0 1 7 】

  脳 波 計 の 複 数 の 電 極 を ユ ー ザ の 頭 部 に 取 り 付 け る 位 置 は 、 随 意 運 動 を 識 別 す る 体 の 部 位 に 依 存 す る 。 本 実 施 の 形 態 で は 、 上 述 し た よ う に 左 手 首 の 随 意 運 動 を 識 別 す る た め 、 図 2 に 示 す 国 際 1 0 − 2 0 法 に お け る C 4 位 置 を 中 心 と し て 、 複 数 点 数 ( 例 え ば 1 3 点 ) で 取 り 囲 む よ う に 電 極 を 頭 部 に 取 り 付 け る こ と に よ り 、 運 動 野 の 左 手 の 領 域 を 重 点 的 に 計 測 す る よ う に す る 。 よ っ て 、 総 計 で 1 4 点 ( 1 4 チ ャ ン ネ ル ) の 脳 波 信 号 を 計 測 す る こ と に な る 。

【 0 0 1 8 】

  続 い て 、 図 3 を 参 照 し て 、 実 験 の タ イ ム シ ー ケ ン ス に つ い て 説 明 す る 。 図 3 は 、 実 験 の タ イ ム シ ー ケ ン ス 、 及 び 実 験 の タ イ ム シ ー ケ ン ス に 応 じ て 表 示 装 置 1 4 に 表 示 さ れ る 画 像 例 を 示 す 図 で あ る 。

【 0 0 1 9 】

  図 3 に 示 す よ う に 、 最 初 の 3 [ s e c ] 間 は ク ロ ス 画 像 を 表 示 し て 、 ユ ー ザ の 目 の 動 き を 固 定 さ せ る 。 ク ロ ス 画 像 は 、 画 面 の 中 央 に 十 字 型 の 注 視 視 標 を 示 す 画 像 で あ る 。 具 体 的 に は 、 ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 3 は 、 ク ロ ス 画 像 を 示 す 画 像 情 報 を 表 示 装 置 1 4 に 送 信 し 、 表 示 装 置 1 4 は 、 ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 3 か ら 送 信 さ れ た 画 像 情 報 が 示 す ク ロ ス 画 像 を 表 示 す る 。

【 0 0 2 0 】

  次 の 1 [ s e c ] 間 は ビ ジ ュ ア ル キ ュ ー を 表 示 す る 。 ビ ジ ュ ア ル キ ュ ー は 、 運 動 イ メ ー ジ の 想 起 を 助 け る た め に 、 対 象 運 動 を 模 擬 し た 静 止 画 又 は 動 画 と な る 。 本 実 施 の 形 態 で は 、 左 手 首 の 屈 曲 運 動 を 模 擬 し た 静 止 画 又 は 動 画 と な る 。 こ の 静 止 画 又 は 動 画 は 、 実 写 で あ っ て も C G ( Co mp u t e r Gr a p h i c s ) で あ っ て も よ い 。 具 体 的 に は 、 ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 3 は 、 ビ ジ ュ ア ル キ ュ ー を 示 す 画 像 情 報 を 表 示 装 置 1 4 に 送 信 し 、 表 示 装 置 1 4 は 、 ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 3 か ら 送 信 さ れ た 画 像 情 報 が 示 す ビ ジ ュ ア ル キ ュ ー を 表 示 す る 。

【 0 0 2 1 】

  ビ ジ ュ ア ル キ ュ ー の 表 示 終 了 後 の 次 の 4 [ s e c ] 間 で 、 ユ ー ザ に は 、 左 手 首 の 屈 曲 運 動 の 実 運 動 の 実 行 、 又 は 、 左 手 首 の 屈 曲 運 動 の 運 動 イ メ ー ジ の 実 行 を し て も ら う 。 こ の 4 [ s e c ] 間 は 、 図 3 に 示 す よ う に 、 表 示 装 置 1 4 に は 、 ク ロ ス 画 像 及 び ビ ジ ュ ア ル キ ュ ー を 表 示 し な い よ う に し て よ い 。

【 0 0 2 2 】

  本 実 施 の 形 態 で は 、 識 別 器 の 学 習 段 階 ( オ フ ラ イ ン ) で は 、 上 記 の 8 [ s e c ] 間 の タ イ ム シ ー ケ ン ス を 3 5 回 繰 り 返 し 、 計 測 し た デ ー タ に 基 づ き 、 ユ ー ザ に 好 適 な 識 別 器 の パ ラ メ ー タ を 導 出 す る 。 そ し て 、 導 出 し た パ ラ メ ー タ に 基 づ い て 、 リ ア ル タ イ ム で 随 意 運 動 の オ ン ラ イ ン 識 別 を 実 施 す る 。 す な わ ち 、 次 に 記 載 す る 流 れ で 処 理 が 行 わ れ る 。

【 0 0 2 3 】

1 )   眼 球 運 動 の 固 定

(5)

10

20

30

40 【 0 0 2 4 】

  続 い て 、 図 4 を 参 照 し て 、 本 発 明 の 実 施 の 形 態 に 係 る 随 意 運 動 識 別 シ ス テ ム 1 の 信 号 処 理 の 流 れ に つ い て 説 明 す る 。 図 4 は 、 本 発 明 の 実 施 の 形 態 に 係 る 随 意 運 動 識 別 シ ス テ ム 1 の 信 号 処 理 系 の 全 体 構 成 図 で あ る 。

【 0 0 2 5 】

  詳 細 は 後 述 す る が 、 信 号 処 理 系 は 、

1 . 時 間 フ ィ ル タ と 空 間 フ ィ ル タ か ら な る 前 処 理 部 2 1 、

2 . A R モ デ ル の 係 数 と 予 測 誤 差 の 分 散 を 計 算 す る A R モ デ ル 推 定 部 2 2 、 3 . 随 意 の 有 無 を 計 算 す る 識 別 部 2 3 、

4 . 随 意 の バ イ ナ リ ー 値 を 連 続 値 に 変 換 す る 後 処 理 部 2 4 、   を 有 し て い る 。

【 0 0 2 6 】

  具 体 的 に は 、 ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 3 の C P U が 前 処 理 部 2 1 、 A R モ デ ル 推 定 部 2 2 、 識 別 部 2 3 、 及 び 後 処 理 部 2 4 と し て 機 能 す る 。 以 下 、 前 処 理 部 2 1 、 A R モ デ ル 推 定 部 2 2 、 識 別 部 2 3 、 及 び 後 処 理 部 2 4 の 処 理 に つ い て 説 明 す る 。

【 0 0 2 7 】

( 1 . 前 処 理 部 2 1 )

  ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 3 で は 、 脳 波 計 1 1 か ら ア ン プ 1 2 を 介 し て 送 信 さ れ た 1 4 チ ャ ン ネ ル 分 の 脳 波 信 号 が E E G デ ー タ u

i

eegと し て 取 得 さ れ る 。 E E G デ ー タ u i

eegは 、 例 え

ば 、 ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 3 の 記 憶 装 置 に 格 納 さ れ る 。 前 処 理 部 2 1 は 、 1 4 チ ャ ン ネ ル の E E G デ ー タ u

i

eegに 対 し て 、 時 間 フ ィ ル タ と 空 間 フ ィ ル タ の 両 方 を か け て 、 国 際 1 0

− 2 0 法 に お け る C 4 近 傍 の 信 号 を 強 調 さ せ る 。 【 0 0 2 8 】

  ま ず 、 前 処 理 部 2 1 は 、 時 間 フ ィ ル タ と し て 、 2 次 の バ ン ド パ ス フ ィ ル タ G

B P F( s ) を 各

チ ャ ン ネ ル の E E G デ ー タ u

i

eegに 対 し て 適 用 し 、 3 H z か ら 3 0 H z の 帯 域 を 通 過 さ せ

る 。 す な わ ち 、 前 処 理 部 2 1 は 、 E E G デ ー タ u

i

eegに バ ン ド パ ス フ ィ ル タ GB P F( s ) を か け

た 後 の E E G デ ー タ u

i

eeg_f を 、 次 式 ( 1 ) に よ っ て 算 出 す る 。

【 0 0 2 9 】 【 数 1 】

【 0 0 3 0 】

  な お 、 こ こ で は 、 時 間 フ ィ ル タ に よ っ て 、 3 H z か ら 3 0 H z の 帯 域 を 通 過 さ せ る 例 に つ い て 説 明 し た が 、 通 過 帯 域 は こ れ に 限 ら れ ず 、 予 め 任 意 の 帯 域 を 通 過 帯 域 と し て 定 め る よ う に し て よ い 。 し か し な が ら 、 好 ま し く は 、 こ こ で の 例 の よ う に 、 μ リ ズ ム ( 8 H z ∼ 1 3 H z ) 及 び β リ ズ ム ( 1 3 H z ∼ 3 0 H z ) 等 の 随 意 運 動 の 検 出 に 好 ま し い 周 波 数 帯 域 を 通 過 さ せ る よ う に す る と よ い 。

【 0 0 3 1 】

  次 に 、 前 処 理 部 2 1 は 、 空 間 フ ィ ル タ と し て 、 Co mmo n Av e r a g e R e f e r e n c e ( C A R ) フ ィ ル タ を 適 用 し 、 C 4 ハ イ ラ イ ト 信 号 x

c4hを 生 成 す る 。 す な わ ち 、 前 処 理 部 2 1 は 、 式 (

1 ) で 算 出 し た E E G デ ー タ u

i

eeg_f に C A R フ ィ ル タ を か け た 後 の C 4 ハ イ ラ イ ト 信 号 x c4hを 、 次 式 ( 2 ) に よ っ て 算 出 す る 。 式 ( 2 ) を 適 用 す る こ と で 、 空 間 的 な 不 鮮 明 さ を

除 去 す る こ と が で き る 。 な お 、 式 ( 2 ) で は 、 i = 3 の E E G デ ー タ u

i

eeg_f が C 4 の E

(6)

10

20

30

40

50 【 数 2 】

【 0 0 3 3 】

( 2 . A R モ デ ル 推 定 部 2 2 )

  次 に 、 A R モ デ ル 推 定 部 2 2 は 、 前 処 理 部 2 1 に よ っ て 算 出 さ れ た C 4 ハ イ ラ イ ト 信 号 x

c4hか ら 識 別 器 の 入 力 と な る 特 徴 ベ ク ト ル d を 算 出 す る 。 本 実 施 の 形 態 で は 、 A R モ デ ル

推 定 部 2 2 は 、 最 大 エ ン ト ロ ピ ー 法 を 用 い て 、 次 式 ( 3 ) で 示 す A R モ デ ル の 予 測 誤 差 e ( t ) の 分 散 が 最 小 と な る よ う な A R 係 数 a

kと 予 測 誤 差 e ( t ) の 分 散 σ 2

nを 推 定 す る 。

【 0 0 3 4 】 【 数 3 】

【 0 0 3 5 】   A R 係 数 a

kと 予 測 誤 差 e ( t ) の 分 散 σ 2

nは 、 次 式 ( 4 ) で 示 さ れ る Y u le - Wa lk e r 方 程 式 を L

e v i n s o n の ア ル ゴ リ ズ ム で 解 く こ と で 得 ら れ る 。 な お 、 式 ( 4 ) に お け る R ( 0 ) ∼ R ( M- 1 ) は 、 時 系 列 順 の C 4 ハ イ ラ イ ト 信 号 x

c4h( t - k ) か ら 算 出 さ れ た 自 己 共 分 散 関 数 と な る 。 な お

、 M は 任 意 の 正 整 数 で あ る 。 【 0 0 3 6 】

【 数 4 】

【 0 0 3 7 】

  A R モ デ ル 推 定 部 2 2 は 、 最 終 的 な 特 徴 ベ ク ト ル d を 次 式 ( 5 ) と し て 得 る 。 【 0 0 3 8 】

【 数 5 】

【 0 0 3 9 】

  こ こ で 、 M と し て 、 予 め 任 意 の 正 整 数 を 定 め て よ い 。 例 え ば 、 M = 2 と す る 。 ま た 、 本 実 施 の 形 態 で は 、 時 系 列 順 の 複 数 の 特 徴 ベ ク ト ル d に 対 し て 、 ハ イ パ ス フ ィ ル タ ( 折 点 周 波 数 1 [ H z ] ) を か け る こ と で バ イ ア ス 成 分 を 除 去 す る も の と す る 。

【 0 0 4 0 】

( 3 . 識 別 部 2 3 )

(7)

10

20

30

40

50 D A ) を 採 用 し た 例 と 、 非 線 形 識 別 器 と し て 、 カ ー ネ ル 関 数 を 用 い た S u p p o r t V e c t o r Ma c

h in e ( S V M ) を 採 用 し た 例 の そ れ ぞ れ に つ い て 説 明 す る 。 【 0 0 4 1 】

  こ こ で は 、 負 ク ラ ス の デ ー タ と し て 、 キ ュ ー 表 示 時 ( 3 ∼ 4 [ s e c ] ) に 算 出 し た 特 徴 ベ ク ト ル d を 用 い 、 正 ク ラ ス の デ ー タ と し て 、 動 作 実 行 時 の 前 半 ( 5 ∼ 6 [ s e c ] ) で 算 出 し た 特 徴 ベ ク ト ル d を 用 い る も の と し て 説 明 す る 。 ま た 、 上 述 の 8 [ s e c ] の ト ラ イ ア ル を 3 5 回 繰 り 返 し た 全 デ ー タ の う ち 、 5 回 分 の デ ー タ を 訓 練 デ ー タ と し て 使 用 し 、 残 り の 3 0 回 分 の デ ー タ を テ ス ト デ ー タ と し て 使 用 し て 、 交 差 検 証 を 行 う こ と で 識 別 器 を 学 習 さ せ る も の と し て 説 明 す る 。 し か し な が ら 、 訓 練 デ ー タ と テ ス ト デ ー タ の 割 合 は 、 こ れ に 限 ら れ ず 、 任 意 の 割 合 を 予 め 定 め る よ う に し て よ い 。

【 0 0 4 2 】

  最 初 に 、 識 別 器 と し て 、 線 形 識 別 器 ( L D A ) を 採 用 し た 場 合 に つ い て 説 明 す る 。 こ の 場 合 、 正 ク ラ ス 、 負 ク ラ ス の 分 散 共 分 散 行 列 が 等 し い と 仮 定 す る と 、 L D A に 基 づ く 識 別 結 果 は 、 次 式 ( 6 ) で 表 さ れ る 。 こ の 識 別 器 は 、 デ ー タ が 正 ク ラ ス の 場 合 は 出 力 y

bが + 1

と な り 、 デ ー タ が 負 ク ラ ス の 場 合 は 出 力 y

bが − 1 と な る 。

【 0 0 4 3 】 【 数 6 】

【 0 0 4 4 】

  そ し て 、 識 別 部 2 3 は 、 訓 練 デ ー タ 及 び テ ス ト デ ー タ に 基 づ い て 、 式 ( 6 ) で 示 さ れ る 識 別 器 の パ ラ メ ー タ を 学 習 す る 。 こ れ に よ り 、 訓 練 デ ー タ 及 び テ ス ト デ ー タ の 基 と な る 脳 波 を 測 定 し た ユ ー ザ に 対 し て 好 適 な 識 別 器 が 生 成 さ れ る 。

【 0 0 4 5 】

  続 い て 、 識 別 器 と し て 、 非 線 形 識 別 器 ( S V M ) を 採 用 し た 場 合 に つ い て 説 明 す る 。 S V M は 、 訓 練 段 階 で の 教 師 デ ー タ が 必 要 な た め 、 識 別 部 2 3 は ク ラ ス ラ ベ ル y

i

を 設 定 す る 。 正 ク ラ ス の 場 合 は y

i

= + 1 を 設 定 し 、 負 ク ラ ス の 場 合 は y

i

= − 1 を 設 定 す る 。 そ し て 、 次 式 ( 7 ) ( 8 ) で 示 す 制 約 付 き 最 適 化 問 題 を 解 く こ と で 、 S V M の 識 別 境 界 の パ ラ メ ー タ が 得 ら れ る 。

【 0 0 4 6 】 【 数 7 】

【 0 0 4 7 】 【 数 8 】

(8)

10

20

30

40

50   こ こ で 、 K

p o l y ( d i

,d

j

) は 、 カ ー ネ ル 関 数 で あ る 。 こ こ で は 、 次 式 ( 9 ) に 示 す 2 次 の 多 項 式 カ ー ネ ル を 使 用 す る も の と す る 。

【 0 0 4 9 】 【 数 9 】

【 0 0 5 0 】

  上 記 の 各 式 に 基 づ い て 、 S V M に よ る 非 線 形 識 別 器 は 、 次 式 ( 1 0 ) と し て 得 ら れ る 。 【 0 0 5 1 】

【 数 1 0 】

【 0 0 5 2 】

  識 別 部 2 3 は 、 訓 練 デ ー タ 及 び テ ス ト デ ー タ に 基 づ い て 、 式 ( 1 0 ) で 示 さ れ る 識 別 器 の パ ラ メ ー タ を 学 習 す る 。 こ れ に よ り 、 訓 練 デ ー タ 及 び テ ス ト デ ー タ の 基 と な る 脳 波 を 測 定 し た ユ ー ザ に 対 し て 好 適 な 識 別 器 が 生 成 さ れ る 。

【 0 0 5 3 】

  そ し て 、 識 別 部 2 3 は 、 オ ン ラ イ ン に よ る 識 別 時 に は 、 A R モ デ ル 推 定 部 2 2 が 算 出 し た 特 徴 ベ ク ト ル d を 、 学 習 後 の 識 別 器 に 入 力 す る こ と で 、 識 別 器 か ら の 二 値 の 出 力 + 1 又 は − 1 が 随 意 運 動 の 有 無 と し て 得 ら れ る 。 識 別 部 2 3 は 、 取 得 し た 二 値 の 出 力 を 後 処 理 部 2 4 に 渡 す 。

【 0 0 5 4 】

( 4 . 後 処 理 部 2 4 )

  後 処 理 部 2 4 は 、 オ ン ラ イ ン で の 識 別 時 に 、 二 値 ( + 1 、 − 1 ) の デ ー タ か ら な る 識 別 器 の 出 力 を 、 リ ハ ビ リ 支 援 ロ ボ ッ ト の 制 御 で 使 用 可 能 な 連 続 値 y

cに 変 換 す る 。 基 本 的 に は

、 後 処 理 部 2 4 は 、 識 別 器 の 出 力 に 対 し て ロ ー パ ス フ ィ ル タ ( 折 点 周 波 数 : 1 [ H z ] ) を か け て ス ム ー ジ ン グ を 行 う 。 そ の 後 、 後 処 理 部 2 4 は 、 ス ム ー ジ ン グ 後 の 値 を 、 随 意 運 動 の 識 別 の 有 効 対 象 区 間 の み を 取 り 出 す ウ イ ン ド ウ ( 4 ∼ 7 [ s e c ] の 区 間 で 1 、 そ れ 以 外 の 区 間 で 0 と な る よ う な 窓 関 数 で あ り 、 例 え ば T u k e y Win d o w関 数 で 設 計 ) を 乗 じ る こ と で マ ス キ ン グ を 行 う 。 例 え ば 、 後 処 理 部 2 4 は 、 図 5 に 示 す よ う な マ ス キ ン グ 用 の 窓 関 数 を ス ム ー ジ ン グ 後 の 値 に 乗 じ る 。 こ の マ ス キ ン グ 後 の 値 と し て 、 連 続 値 y

cが 生 成 さ れ る 。

【 0 0 5 5 】

  す な わ ち 、 オ ン ラ イ ン で の 識 別 時 に お い て も 、 図 3 を 参 照 し て 説 明 し た タ イ ム シ ー ケ ン ス に 従 っ て 、 ユ ー ザ に 左 手 首 の 屈 曲 運 動 の 実 運 動 の 実 行 、 又 は 、 左 手 首 の 屈 曲 運 動 の 運 動 イ メ ー ジ の 実 行 を し て も ら う 。 そ し て 、 タ イ ム シ ー ケ ン ス に お け る 実 運 動 又 は 運 動 イ メ ー ジ 区 間 に お い て 、 ユ ー ザ の 脳 波 信 号 に 従 っ て リ ハ ビ リ 支 援 ロ ボ ッ ト の 制 御 で 使 用 可 能 な 連 続 値 y

cが 生 成 さ れ る 。 こ れ に よ り 、 運 動 随 意 の あ る 時 に 、 リ ハ ビ リ 支 援 ロ ボ ッ ト を 動 作 さ

せ 、 ユ ー ザ に 対 し て 外 部 刺 激 を 与 え て 神 経 ネ ッ ト ワ ー ク の 再 構 成 を 促 進 で き る よ う な 、 リ ハ ビ リ 支 援 ロ ボ ッ ト の 制 御 デ ー タ ( 連 続 値 y

c) を 生 成 す る こ と が 可 能 と な る 。

【 0 0 5 6 】

  以 上 に 説 明 し た よ う に 、 本 実 施 形 態 で は 、 図 6 A に 示 す よ う に 、 測 定 し た 脳 波 か ら 事 象 関 連 脱 同 期 を A R モ デ ル の パ ラ メ ー タ の 変 化 と し て と ら え 、 そ の パ ラ メ ー タ に 基 づ い て L D A 及 び S V M 等 の 識 別 器 を 学 習 す る よ う に し て い る 。 こ れ に よ り 、 個 人 差 に よ っ て 異 な る 事 象 関 連 脱 同 期 の 特 定 周 波 数 を 事 前 検 出 不 要 と し つ つ 、 個 人 差 に 強 い ロ バ ス ト な 識 別 器 を 生 成 す る こ と を 可 能 と し た 。

【 0 0 5 7 】

(9)

10

20

30

40

50 す る こ と で 、 リ ハ ビ リ 支 援 ロ ボ ッ ト を 制 御 可 能 な 連 続 量 と し て 取 り 出 す こ と を 可 能 と し て

い る 。

【 0 0 5 8 】

  ま た 、 図 7 に 、 本 実 施 の 形 態 を 動 作 さ せ て 計 測 し た 識 別 性 能 を 示 し て い る 。 図 7 で は 、 識 別 器 と し て 、 L D A 及 び S V M の そ れ ぞ れ を 用 い た 場 合 に お け る 識 別 性 能 を 示 し て い る 。 図 7 に 示 す よ う に 、 実 運 動 で 8 4 % 、 運 動 イ メ ー ジ で 8 1 ∼ 8 3 % の 正 解 率 で 随 意 運 動 を 識 別 す る こ と が で き 、 非 常 に 高 い 正 解 率 で の 随 意 運 動 の 識 別 が 可 能 と な っ て い る こ と が 分 か る 。

【 0 0 5 9 】

  続 い て 、 図 8 を 参 照 し て 、 本 実 施 の 形 態 に 係 る リ ハ ビ リ 支 援 ロ ボ ッ ト 2 に つ い て 説 明 す る 。 図 8 は 、 本 実 施 の 形 態 に 係 る リ ハ ビ リ 支 援 ロ ボ ッ ト 2 の 構 成 図 で あ る 。

【 0 0 6 0 】

  リ ハ ビ リ 支 援 ロ ボ ッ ト 2 は 、 タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 1 、 グ リ ッ プ 3 2 を 有 す る ハ ン ド ル 3 3 、 A C サ ー ボ モ ー タ 3 4 、 サ ー ボ ア ン プ 3 5 、 及 び 力 セ ン サ 3 6 を 有 す る 。 タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 1 は 、 ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 3 と 任 意 の 有 線 又 は 無 線 通 信 を 行 い 、 ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 3 か ら 送 信 さ れ た 連 続 値 ycを 受 信 す る 。

【 0 0 6 1 】

  タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 1 は 、 ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 3 か ら 受 信 し た 連 続 値 y

cに 基 づ

い て 、 位 置 制 御 あ る い は 力 制 御 に よ り A C サ ー ボ モ ー タ 3 4 を 動 作 さ せ 、 ハ ン ド ル 3 3 を 回 転 さ せ る 。 こ れ に よ っ て 、 左 手 で グ リ ッ プ 3 2 を 把 持 す る ユ ー ザ に 対 し て 、 随 意 運 動 の あ る 時 に ユ ー ザ の 左 手 首 の 屈 曲 運 動 を 促 す 。 具 体 的 に は 、 タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 1 は 、 C P U 及 び 記 憶 装 置 ( 図 示 せ ず ) を 有 す る P C で あ り 、 C P U に よ っ て 記 憶 装 置 に 格 納 さ れ た プ ロ グ ラ ム を 実 行 す る こ と で 、 後 述 の 各 種 処 理 を 実 現 す る 。 す な わ ち 、 こ の プ ロ グ ラ ム は 、 後 述 の 各 種 処 理 を C P U に 実 行 さ せ る た め の コ ー ド を 含 ん で い る 。 記 憶 装 置 と し て 、 任 意 の 1 つ 以 上 の 記 憶 装 置 を 用 い る よ う に し て よ い 。

【 0 0 6 2 】

  位 置 制 御 を 行 う 場 合 、 タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 1 は 、 A C サ ー ボ モ ー タ 3 4 の エ ン コ ー ダ で 検 出 さ れ た A C サ ー ボ モ ー タ 3 4 ( ハ ン ド ル 3 3 ) の 回 転 角 度 θ を 、 サ ー ボ ア ン プ 3 5 を 介 し て 、 タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 1 に 実 装 さ れ た カ ウ ン タ ボ ー ド に よ っ て 取 得 す る 。 そ し て 、 タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 1 は 、 取 得 し た A C サ ー ボ モ ー タ 3 4 の 回 転 角 度 θ に 基 づ い て 、 A C サ ー ボ モ ー タ 3 4 を フ ィ ー ド バ ッ ク 制 御 す る 。

【 0 0 6 3 】

  ま た 、 力 制 御 を 行 う 場 合 は 、 タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 1 は 、 力 セ ン サ 3 6 に よ っ て 検 出 さ れ た グ リ ッ プ 3 2 に か か る 力 を 、 タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 1 に 実 装 さ れ た A / D 変 換 ボ ー ド に よ っ て 取 得 す る 。 そ し て 、 タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 1 は 、 取 得 し た グ リ ッ プ 3 2 に か か る 力 に 基 づ い て 、 A C サ ー ボ モ ー タ 3 4 を フ ィ ー ド バ ッ ク 制 御 す る 。

【 0 0 6 4 】

  な お 、 タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 1 は 、 タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 1 に 実 装 さ れ た D / A 変 換 ボ ー ド を 介 し て 、 A C サ ー ボ モ ー タ 3 4 を 制 御 す る 指 令 値 を サ ー ボ ア ン プ 3 5 に 送 信 す る 。 サ ー ボ ア ン プ 3 5 は 、 タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 1 か ら 送 信 さ れ た 指 令 値 に 従 っ て 、 A C サ ー ボ モ ー タ 3 4 を 駆 動 す る 。

【 0 0 6 5 】

  こ こ で 、 連 続 値 ycは 、 図 6 C に 示 す よ う に 、 ユ ー ザ に よ っ て 随 意 運 動 が あ る と き 増 加 し

て い き 、 随 意 運 動 が な く な っ た と き に 減 少 し て い く 連 続 値 と な っ て い る 。 よ っ て 、 タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 1 は 、 連 続 値 y

cが 大 き く な る ほ ど A C サ ー ボ モ ー タ 3 4 ( ハ ン ド ル 3

3 ) の 回 転 角 度 θ が 大 き く な る よ う に A C サ ー ボ モ ー タ 3 4 を 制 御 す る 。 こ れ に よ っ て 、 随 意 運 動 の あ る 時 に ユ ー ザ の 左 手 首 を 屈 曲 運 動 さ せ る よ う に 外 部 刺 激 を 与 え る こ と が で き 、 神 経 ネ ッ ト ワ ー ク の 再 構 成 を 促 進 す る こ と が で き る 。

【 0 0 6 6 】

(10)

10

20

30   上 記 の 実 施 の 形 態 で は 、 左 手 の 随 意 運 動 を 識 別 す る 例 に つ い て 説 明 し た が 、 他 の 部 位 の

動 作 を 識 別 す る 場 合 に は 、 脳 波 計 1 1 の 主 要 な 電 極 位 置 ( ハ イ ラ イ ト 信 号 の 位 置 ) を 運 動 野 の 該 当 部 位 に 応 じ て 変 化 さ せ る こ と で 、 他 の 部 位 の 動 作 に も 幅 広 く 適 用 す る こ と が で き る 。

【 0 0 6 7 】

  例 え ば 、 右 手 の 運 動 を 識 別 す る 場 合 に は 、 図 2 に 示 す 国 際 1 0 − 2 0 法 に お け る C 3 位 置 を 中 心 と し て ( ハ イ ラ イ ト 信 号 の 位 置 と し て ) 、 複 数 点 数 で 取 り 囲 む よ う に 電 極 を 頭 部 に 取 り 付 け る よ う に す れ ば よ い 。 ま た 、 例 え ば 、 脚 の 運 動 を 識 別 す る 場 合 に は 、 図 2 に 示 す 国 際 1 0 − 2 0 法 に お け る C Z 位 置 を 中 心 と し て ( ハ イ ラ イ ト 信 号 の 位 置 と し て ) 、 複 数 点 数 で 取 り 囲 む よ う に 電 極 を 頭 部 に 取 り 付 け る よ う に す れ ば よ い 。 こ の よ う な 部 位 に 対 応 す る 位 置 関 係 は 、 周 知 の 運 動 野 の ホ ム ン ク ル ス に よ っ て 特 定 す る こ と が で き る 。

【 0 0 6 8 】

  な お 、 本 発 明 は 上 記 実 施 の 形 態 に 限 ら れ た も の で は な く 、 趣 旨 を 逸 脱 し な い 範 囲 で 適 宜 変 更 す る こ と が 可 能 で あ る 。 例 え ば 、 タ イ ム シ ー ケ ン ス に お け る ク ロ ス 画 像 の 表 示 区 間 、 ビ ジ ュ ア ル キ ュ ー の 表 示 区 間 、 及 び 実 運 動 又 は 運 動 イ メ ー ジ の 実 行 区 間 の そ れ ぞ れ の 時 間 は 、 上 記 の 例 に 限 ら れ ず 、 他 の 時 間 を 設 定 す る よ う に し て よ い 。 ま た 、 タ イ ム シ ー ケ ン ス の 施 行 回 数 も 、 上 記 の 例 ( 3 5 回 ) に 限 ら れ ず 、 他 の 回 数 と し て も よ い 。

【 符 号 の 説 明 】 【 0 0 6 9 】

1   随 意 運 動 識 別 シ ス テ ム 2   リ ハ ビ リ 支 援 ロ ボ ッ ト 1 1   脳 波 計

1 2   ア ン プ

1 3   ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 4   表 示 装 置

2 1   前 処 理 部

2 2   A R モ デ ル 推 定 部 2 3   識 別 部

2 4   後 処 理 部

3 1   タ ー ゲ ッ ト コ ン ピ ュ ー タ 3 2   グ リ ッ プ

3 3   ハ ン ド ル

(11)

【 図 1 】 【 図 2 】

(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)

参照

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