專利名稱：基于腦-機(jī)接口的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)及動作命令控制方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及腦電信號分類處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于腦-機(jī)接口的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及基于腦-機(jī)接口的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的動作命令控制方案。
背景技術(shù)：
近些年，腦-機(jī)接口技術(shù)備受關(guān)注。腦-機(jī)接口(BCI)是一種新穎的人-機(jī)接口技術(shù)，在腦-機(jī)接口系統(tǒng)中，個人發(fā)送到外部世界的信息和命令不通過腦部正常外圍神經(jīng)和肌肉輸出途徑。用這種先進(jìn)的交流技術(shù)，患有癱瘓、中風(fēng)的病人就能向看護(hù)人員表達(dá)他們的意愿甚至可以控制外界輔助設(shè)備完成日?；顒?。調(diào)查結(jié)果表明，腦-機(jī)接口的機(jī)械手臂應(yīng)用給殘疾人帶來了很大希望。為了幫助這些殘疾人，涌現(xiàn)出很多基于腦-機(jī)接口的機(jī)械康復(fù)系統(tǒng)?；谶\(yùn)動想象(MI)的腦-機(jī)接口利用μ節(jié)律和beta節(jié)律把受試者的想象活動轉(zhuǎn)換成實(shí)際命令。但是通常，基于運(yùn)動想象的腦-機(jī)接口系統(tǒng)只能提供三或四種命令，如果增加輸出命令種類，準(zhǔn)確率會下降，為了達(dá)到輸出種類和準(zhǔn)確率之間的平衡，三種模式的 MI-BCI系統(tǒng)是比較合適的，然而，對于需要控制多種命令的應(yīng)用來說這是一個很大的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提出的一種基于腦-機(jī)接口的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)以及該系統(tǒng)的機(jī)械手臂動作命令分配方案。該系統(tǒng)及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案不僅克服了基于運(yùn)動想象的腦-機(jī)接口系統(tǒng)輸出模式少的缺陷，同時(shí)還保證了命令輸出的準(zhǔn)確率，不會給受試者增加額外的想象負(fù)擔(dān)，增加了外部應(yīng)用控制設(shè)備的使用范圍，拓寬了基于運(yùn)動想象的腦-機(jī)接口系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域
本發(fā)明所要求解決的技術(shù)問題可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn) 一種基于腦-機(jī)接口的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)，包括基于運(yùn)動想象的腦-機(jī)接口子系統(tǒng)和機(jī)械手子系統(tǒng)，所述基于運(yùn)動想象的腦-機(jī)接口子系統(tǒng)包括依次連接的電極帽，信號放大設(shè)備和一臺數(shù)據(jù)處理用的計(jì)算機(jī)；所述機(jī)械手子系統(tǒng)為五個自由度的機(jī)械手，與計(jì)算機(jī)連接。所述腦-機(jī)接口子系統(tǒng)為三種想象運(yùn)動模式的腦-機(jī)接口。所述電極帽帶有9個電極位置。所述機(jī)械手臂的五個自由度分別代表肩、上臂、小臂、手腕和手抓，所述代表肩的部分能水平旋轉(zhuǎn)360°，所述代表上臂、小臂、手腕的部分能分別向兩側(cè)旋轉(zhuǎn)90°，所述代表手抓的部分一直處于水平位置。一種所述基于腦-機(jī)接口的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的動作命令分配方案，規(guī)定機(jī)械手臂向六個方向移動，分別是上、下、左、右、前和后，再加上手指的兩個動作抓和放，一共是八條輸出命令，八個機(jī)械手臂的動作命令分成四組，每組包含兩個運(yùn)動方向。系統(tǒng)采用三種想象運(yùn)動模式分別想象左手運(yùn)動、右手運(yùn)動和腳運(yùn)動，三種想象運(yùn)動模式共分兩個功能切換和選擇，規(guī)定想象腳運(yùn)動具有切換功能，想象左手運(yùn)動和想象右手運(yùn)動具有選擇功能， “切換”指的是在分好的四組機(jī)械手臂命令之間進(jìn)行切換，一次切換移動一組，想象一次腳運(yùn)動就切換一組并且在第一次切換之前預(yù)設(shè)選中第一組，“選擇”指的是選中要發(fā)送給機(jī)械手臂的執(zhí)行命令，想象左手運(yùn)動意味著選中其中一組中一個命令，想象右手運(yùn)動意味著這組中另一個命令，選中之后系統(tǒng)自動將命令發(fā)送給手臂，手臂接受到執(zhí)行命令后將自動組合運(yùn)動，做出相應(yīng)動作。由于采用了如上技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下特點(diǎn)不僅克服了基于運(yùn)動想象的腦-機(jī)接口系統(tǒng)輸出模式少的缺陷，同時(shí)還保證了命令輸出的準(zhǔn)確率，不會給受試者增加額外的想象負(fù)擔(dān)，增加了外部應(yīng)用控制設(shè)備的使用范圍，拓寬了基于運(yùn)動想象的腦-機(jī)接口系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明方案利用八條命令的控制圖。圖3為本發(fā)明機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)圖。圖4為本發(fā)明機(jī)械手臂各關(guān)節(jié)角度示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。圖1顯示了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。通常腦-機(jī)接口包括了采集腦電信號用的電極帽、信號放大設(shè)備和一臺數(shù)據(jù)處理用的計(jì)算機(jī)。本發(fā)明中，受試者的腦電信號通過戴在其頭上的電極帽傳輸?shù)椒糯笤O(shè)備中，經(jīng)過放大處理之后，對信號進(jìn)行處理、特征提取和分類，利用我們設(shè)計(jì)的分組方法對分類結(jié)果分組并與八條輸出命令相對應(yīng)，做出指令判斷，向機(jī)械手臂子系統(tǒng)發(fā)送指令，完成整個操作過程。這個基于腦-機(jī)接口的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)包括兩個子系統(tǒng)基于運(yùn)動想象的腦-機(jī)接口子系統(tǒng)和機(jī)械手控制子系統(tǒng)。在腦-機(jī)接口子系統(tǒng)中，我們采用具有三種想象運(yùn)動模式的腦-機(jī)接口，分別想象左手運(yùn)動，右手運(yùn)動和腳運(yùn)動。在手臂控制子系統(tǒng)中，規(guī)定手臂向六個方向移動，分別是上、下、左、右、前和后，再加上手指的兩個動作抓和放，一共是八條輸出命令。為了控制五個自由度的機(jī)械手，要求每次只向一個方向運(yùn)動，每個方向的運(yùn)動包括了全部五個自由度的運(yùn)動。本發(fā)明利用人體大腦發(fā)出的信號，控制外部機(jī)械手臂運(yùn)動，不需要使用者開口說話，甚至不用動身體任何一個部位，單憑想象就能控制外部機(jī)械手臂運(yùn)動。在腦-機(jī)接口子系統(tǒng)中，我們選擇了九個電極位置(FC3 FCZ FC4 C3 CZ C4 CP3 CPZ CP4)采集腦電信號， 利用16通道的腦電放大設(shè)備記錄數(shù)據(jù)，然后以256hz對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，8-30hz帶通濾波，經(jīng)過這些處理之后，分別利用CSP和SVM進(jìn)行特征提取和分類，再與外部執(zhí)行命令相對應(yīng)。本發(fā)明提出了一種全新的命令分配方式。如圖2所示，八個機(jī)械手臂的動作命令分成四組，每組包含兩個運(yùn)動方向。整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)是三種模式的運(yùn)動想象。三種模式共分兩個功能切換和選擇。本發(fā)明規(guī)定想象腳運(yùn)動具有切換功能，想象左手運(yùn)動和想象右手運(yùn)動具有選擇功能?！扒袚Q”指的是在分好的四組機(jī)械手臂命令之間進(jìn)行切換，系統(tǒng)默認(rèn)切換功能是從上到下進(jìn)行，一次切換移動一組，并且在第一次切換之前預(yù)設(shè)選中第一組。也就是說，想象一次腳運(yùn)動，系統(tǒng)進(jìn)行一次切換，選中組向下移動一組，移動到第四組時(shí)，如果還要進(jìn)行切換，選中組將返回，切換為第一組。“選擇”指的是選中要發(fā)送給機(jī)械手臂的執(zhí)行命令。想象左手運(yùn)動意味著選中本組中左邊的命令，想象右手運(yùn)動意味著選中本組中右邊的命令。選中之后系統(tǒng)自動將命令發(fā)送給手臂，手臂接受到執(zhí)行命令后將自動組合運(yùn)動，做出相應(yīng)動作。例如，如果想讓手臂做出 “上移”的動作，受試者首先要選中“向上”命令所在的組，“向上”命令在第二組，所以需要將選中組切換到第二組，即做一次腳的想象運(yùn)動，“向上”在左邊，受試者想象一次左手運(yùn)動即可選中。 機(jī)械手臂子系統(tǒng)中的手臂結(jié)構(gòu)如圖3所示，本系統(tǒng)中的手臂從下到上一共包括五個自由度第一 R)D1、第二 R)D2、第三R)D3、第四R)D4和第五R)D5。分別代表了肩、上臂、 小臂、手腕和手抓。第一 R)D1可以水平旋轉(zhuǎn)360°，第二 R)D2、第三R)D3和第四R)D4在豎直方向上可以分別向兩側(cè)旋轉(zhuǎn)90°。五個自由度的機(jī)械手臂的運(yùn)動控制是很復(fù)雜的。手臂的每個動作都要涉及到很多關(guān)節(jié)。為了簡化控制，我們把運(yùn)動控制在了六個方向上上、下、 左、右、前和后，再加上“抓”和“放”兩個命令，一共需要八條控制命令。手臂包括了四個關(guān)節(jié)第一關(guān)節(jié)6、第二關(guān)節(jié)7、第三關(guān)節(jié)8和第四關(guān)節(jié)9。為了保證抓放物體時(shí)的穩(wěn)定性，抓需要一直處于水平位置，因此需要第四關(guān)節(jié)9始終保持在水平的位置上。圖4說明了在手臂運(yùn)動時(shí)各個關(guān)節(jié)之間的關(guān)系。第二關(guān)節(jié)7、第三關(guān)節(jié)8和第四關(guān)節(jié)9的運(yùn)動與Z 2、Z 3、 Z 4三個角度聯(lián)系緊密。例如如果手臂做一個“向前”的動作，三個關(guān)節(jié)將會同時(shí)運(yùn)動，因此與之相對應(yīng)的三個角度都會同時(shí)發(fā)生改變。通過推導(dǎo)計(jì)算，我們可以得出三個角度分別是
本發(fā)明中前、后、上、下四個方向的動作步長設(shè)為1厘米。例如，如果機(jī)械手臂向前或后移動一次，系統(tǒng)中χ值將會自動加1或減1.左右旋轉(zhuǎn)角度的步長是5°，也就是說如果手臂向左或向右旋轉(zhuǎn)一次，角度值會變化5°。當(dāng)手臂執(zhí)行“抓”和“放”的命令時(shí)，只有手爪動作，其他四個關(guān)節(jié)不變。完成“抓”命令后，手爪的兩個手指之間呈10°，完成“放”命令后， 角度變?yōu)?5°。利用上面的公式，系統(tǒng)可以自動計(jì)算每個關(guān)節(jié)的最終位置。經(jīng)過上面的設(shè)計(jì)之后，三模式的運(yùn)動想象和八條命令的執(zhí)行控制之間就有了密切的配合。用戶不再需要對手臂的每個關(guān)節(jié)或每個自由度進(jìn)行控制，降低控制難度的同時(shí)提高的控制效率，并且也不會給用戶附加增加運(yùn)動模式所帶來的困難，避免了準(zhǔn)確率下降的問題。為了證實(shí)設(shè)計(jì)的可行性，我們請來了三位受試者進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)要求受試者利用本系統(tǒng)控制機(jī)械手臂完成規(guī)定動作從A地將物體拿起放到B地。在此規(guī)定動作中，受試者可能會用到所有的八種命令。經(jīng)過三天的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，受試者可以使用本設(shè)計(jì)控制機(jī)械手臂完成規(guī)定動作。 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。
權(quán)利要求
1.一種基于腦-機(jī)接口的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)，包括基于運(yùn)動想象的腦-機(jī)接口子系統(tǒng)和機(jī)械手子系統(tǒng)，其特征在于，所述基于運(yùn)動想象的腦-機(jī)接口子系統(tǒng)包括依次連接的電極帽，信號放大設(shè)備和一臺數(shù)據(jù)處理用的計(jì)算機(jī)；所述機(jī)械手子系統(tǒng)為五個自由度的機(jī)械手臂，與計(jì)算機(jī)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的基于腦-機(jī)接口的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)，其特征在于，所述腦-機(jī)接口子系統(tǒng)為三種想象運(yùn)動模式的腦-機(jī)接口。
3.如權(quán)利要求1所述的基于腦-機(jī)接口的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)，其特征在于，選取的電極位置是9個。
4.如權(quán)利要求1所述的基于腦-機(jī)接口的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械手臂的五個自由度分別代表肩、上臂、小臂、手腕和手抓，所述代表肩的部分能水平旋轉(zhuǎn) 360°，所述代表上臂、小臂、手腕的部分能分別向兩側(cè)旋轉(zhuǎn)90°，所述代表手抓的部分一直處于水平位置。
5.一種如權(quán)利要求1所述基于腦-機(jī)接口的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的動作命令分配方案， 其特征在于，規(guī)定機(jī)械手臂向六個方向移動，分別是上、下、左、右、前和后，再加上手指的兩個動作抓和放，一共是八條輸出命令，八個機(jī)械手臂的動作命令分成四組，每組包含兩個運(yùn)動方向；系統(tǒng)采用三種想象運(yùn)動模式分別想象左手運(yùn)動、右手運(yùn)動和腳運(yùn)動，三種想象運(yùn)動模式共分兩個功能切換和選擇，規(guī)定想象腳運(yùn)動具有切換功能，想象左手運(yùn)動和想象右手運(yùn)動具有選擇功能，“切換”指的是在分好的四組機(jī)械手臂命令之間進(jìn)行切換，一次切換移動一組，想象一次腳運(yùn)動就切換一組并且在第一次切換之前預(yù)設(shè)選中第一組，“選擇” 指的是選中要發(fā)送給機(jī)械手臂的執(zhí)行命令，想象左手運(yùn)動意味著選中其中一組中一個命令，想象右手運(yùn)動意味著這組中另一個命令，選中之后系統(tǒng)自動將命令發(fā)送給手臂，手臂接受到執(zhí)行命令后將自動組合運(yùn)動，做出相應(yīng)動作。
全文摘要
本發(fā)明公開的基于腦-機(jī)接口的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)及動作命令控制方案，系統(tǒng)包括基于運(yùn)動想象的腦-機(jī)接口子系統(tǒng)和機(jī)械手控制子系統(tǒng)。在腦-機(jī)接口子系統(tǒng)中，采用具有三種想象運(yùn)動模式的腦-機(jī)接口，分別想象左手運(yùn)動，右手運(yùn)動和腳運(yùn)動。手臂可向六個方向移動，分別是上、下、左、右、前和后，再加上手指的兩個動作抓和放，一共是八條輸出命令。整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)是三種模式的運(yùn)動想象。共分兩個功能切換和選擇。通過選擇和切換控制手臂做出相應(yīng)動作。本發(fā)明不僅克服了基于運(yùn)動想象腦-機(jī)接口系統(tǒng)輸出模式少的缺陷，還保證了命令輸出的準(zhǔn)確率，不增加額外想象負(fù)擔(dān)，增加了外部控制設(shè)備的使用范圍，拓寬了基于運(yùn)動想象腦-機(jī)接口系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號B25J13/00GK102198660SQ20111011362
公開日2011年9月28日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者夏斌, 楊文璐, 王聰, 謝宏 申請人:上海海事大學(xué)