一種基于腦-機(jī)接口的機(jī)器人系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于移動機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于腦-機(jī)接口的機(jī)器人系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，機(jī)器人不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，而且也逐步進(jìn)入人們的生活。由于輔助機(jī)器人能夠為殘疾人的日常生活自理提供支撐，因此，其需求呈逐漸攀升態(tài)勢。健康使用者通?？赏ㄟ^常規(guī)輸入(例如:鼠標(biāo)、鍵盤和控制桿等)控制機(jī)器人，然而，老年人或嚴(yán)重運(yùn)動障礙的病人對于常規(guī)輸入的使用則相當(dāng)困難。目前，很多研究嘗試引入新的人機(jī)交互技術(shù)以使老年人或嚴(yán)重運(yùn)動障礙的病人受益。其中，一種基于人對外界刺激或想象的神經(jīng)響應(yīng)且能夠應(yīng)用于人和機(jī)器互動的新穎交互技術(shù)(即腦-機(jī)接口)得到了廣泛研究，其能夠通過無創(chuàng)或有創(chuàng)的方式從人腦獲取神經(jīng)響應(yīng)，并通過不同心理狀態(tài)下神經(jīng)響應(yīng)的不同來解讀人的意圖。這種“讀心”技術(shù)能夠?qū)⑷说囊鈭D以一定形式的命令傳遞給機(jī)器。腦-機(jī)接口相關(guān)研究已成功證明侵入式腦-機(jī)接口技術(shù)在猴子和癱瘓病人上是可行的。
[0003]目前，基于頭皮腦電的非侵入式腦-機(jī)接口方法因能應(yīng)用于健康受試者而得到廣泛研究。頭皮腦電是一種非侵入式監(jiān)測大腦活動的方法，因其具有記錄方便、安全和價格低廉的特點(diǎn)，將腦-機(jī)接口技術(shù)服務(wù)于嚴(yán)重運(yùn)動障礙的病人成為可能?；陬^皮腦電的腦-機(jī)器人接口由于能夠給老年人或運(yùn)動障礙病人提供一種自然、直觀的方式來控制機(jī)器人而在機(jī)器人和神經(jīng)工程領(lǐng)域廣受推崇?；谀X-機(jī)接口的機(jī)器人控制系統(tǒng)的最終目標(biāo)是能向機(jī)器人產(chǎn)生和傳遞穩(wěn)定、精細(xì)的運(yùn)動或情緒、意圖，使其能夠根據(jù)人的意圖執(zhí)行各種復(fù)雜任務(wù)?；谀X-機(jī)接口的機(jī)器人控制系統(tǒng)已被應(yīng)用于控制移動機(jī)器人、機(jī)器臂、智能輪椅和類人型機(jī)器人，而且已有研究證實(shí)基于頭皮腦電的腦-機(jī)接口進(jìn)行機(jī)器人控制的可能性。
[0004]中國專利文獻(xiàn)“基于腦-機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人子系統(tǒng)”(專利申請?zhí)?00910068833.0)根據(jù)短時間閉眼后腦電中α波幅增強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了腦電α波對服務(wù)機(jī)器人在四個方向移動控制。中國專利文獻(xiàn)“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”( 20 1 1 10 1 1 3626.X)、“基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人及訓(xùn)練方法”( 20 1 3 1 0675803.2 )以及“腦控機(jī)器人子系統(tǒng)的模糊離散事件共享控制方法”(201310015221.1)的腦-機(jī)接口模式均為想象運(yùn)動。中國專利文獻(xiàn)“基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦機(jī)接口的機(jī)器人控制方法”(201410103602.X)采用閾值判斷法對提取的特征進(jìn)行分類，與基于α波/想象運(yùn)動的腦-機(jī)接口相比具有系統(tǒng)簡單、較少訓(xùn)練和高信息傳輸率的特點(diǎn)，但是，該方法很大程度上依賴于閾值的選取以及腦電信號的信噪比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種設(shè)計合理、可靠性高且控制靈活的基于腦-機(jī)接口的機(jī)器人系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種基于腦-機(jī)接口的機(jī)器人系統(tǒng)，包括腦-機(jī)接口子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)和機(jī)器人子系統(tǒng);腦-機(jī)接口子系統(tǒng)通過測量電極獲取腦電信號并對腦電信號進(jìn)行特征提取得到使用者的意圖，腦-機(jī)接口子系統(tǒng)將使用者的意圖轉(zhuǎn)換成控制命令并通過通訊子系統(tǒng)傳輸給機(jī)器人子系統(tǒng)，機(jī)器人子系統(tǒng)接收腦-機(jī)接口子系統(tǒng)的控制命令并控制機(jī)器人移動，該機(jī)器人子系統(tǒng)將自身采集的視頻信息傳送給腦-機(jī)接口子系統(tǒng)，并由腦-機(jī)接口子系統(tǒng)形成刺激界面反饋給使用者。
[0008]所述腦-機(jī)接口子系統(tǒng)包括腦-機(jī)計算機(jī)、腦-機(jī)顯示器和腦電信號獲取模塊，所述腦-機(jī)計算機(jī)分別與腦電信號獲取模塊和腦-機(jī)顯示器相連接，腦電信號獲取模塊通過電極與使用者大腦相連接。
[0009]所述電極的具體安放位置為:腦電測量電極安放在使用者的大腦枕區(qū)Pz、P05、P03、POz、P04、P06、O1、Oz、02位置，上述測量電極分布符合國際10_20系統(tǒng)，參考電極安放在左側(cè)乳突位置處，地電極安放在右側(cè)乳突處，電極阻抗低于1K Ω。
[0010]所述腦電信號獲取模塊采用Synamps2放大器，其數(shù)據(jù)采樣率為1000Hz，帶通濾波I?10Hz，并進(jìn)行在線50Hz陷波。
[0011]所述機(jī)器人子系統(tǒng)包括移動控制模塊和攝像頭模塊，所述攝像頭模塊用于獲取機(jī)器人移動方向上的視頻信息并將視頻信息通過通訊子系統(tǒng)傳輸給腦-機(jī)接口子系統(tǒng);所述移動控制模塊用于接收腦-機(jī)接口子系統(tǒng)的命令并實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的移動控制功能。
[0012]—種基于腦-機(jī)接口的機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟:
[0013]步驟1、將腦-機(jī)接口子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)和機(jī)器人子系統(tǒng)連接在一起，并將腦電測量電極安放在使用者枕區(qū)，電極分布符合國際10-20系統(tǒng)，在左側(cè)乳突處安放參考電極，在右側(cè)乳突處安放接地電極；
[0014]步驟2、腦-機(jī)計算機(jī)將刺激界面呈現(xiàn)在腦-機(jī)顯示器上:以機(jī)器人攝像頭捕捉的圖像為背景，并在該圖像上出現(xiàn)八個正方形圖片，分別位于圖像的上、下、左、右、左上、右上、左下、右下八個方位，這八個圖片以不同頻率閃爍，每個圖片對應(yīng)于機(jī)器人的一個移動方向；
[0015]步驟3、使用者注視以一定頻率閃爍的圖像一段時間，枕區(qū)測量電極記錄的腦電信號經(jīng)腦電信號獲取模塊送往腦-機(jī)計算機(jī)，腦-機(jī)計算機(jī)對腦電信號進(jìn)行特征提取得到使用者的意圖，然后將使用者的意圖轉(zhuǎn)換成控制命令并通過通訊子系統(tǒng)傳輸給機(jī)器人子系統(tǒng)；
[0016]步驟4、機(jī)器人子系統(tǒng)接收腦-機(jī)接口子系統(tǒng)的控制指令控制機(jī)器人移動，并將機(jī)器人攝像頭當(dāng)前捕捉的圖像通過通訊子系統(tǒng)反饋給使用者，以作為下一次目標(biāo)識別任務(wù)的背景圖像；
[0017]步驟5、返回步驟3并重復(fù)執(zhí)行，進(jìn)行下一次目標(biāo)識別任務(wù)。
[0018]所述八個圖片以不同頻率閃爍的閃爍頻率依次為12Hz、15Hz、13Hz、14Hz、8Hz、9取、10抱和11抱。
[0019]所述步驟2的刺激界面的背景為機(jī)器人攝像頭捕捉的圖像，并且在整個刺激期間圖像保持靜態(tài)不變，只在刺激結(jié)束后更新圖像。
[0020]所述步驟3的具體實(shí)現(xiàn)方法包括以下步驟:
[0021]步驟31、腦-機(jī)計算機(jī)對采集到的腦電信號進(jìn)行降采樣處理，使采樣頻率降為250Hz；
[0022]步驟32、腦-機(jī)計算機(jī)對采集的腦電信號進(jìn)行多個帶通濾波，將降采樣腦電信號分為多個頻帶信號；
[0023]步驟33、腦-機(jī)計算機(jī)分別計算上述各頻帶信號與各刺激頻率對應(yīng)的正弦-余弦參考信號的典型相關(guān)系數(shù)，并得到對應(yīng)的最大相關(guān)系數(shù);參考信號所用的諧波次數(shù)Nh=5;
[0024]步驟34、腦-機(jī)計算機(jī)將各刺激頻率下各頻帶對應(yīng)的最大相關(guān)系數(shù)的平方乘上相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)并進(jìn)行相加求和作為目標(biāo)識別的特征;各頻帶對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)W= (η)—1.25+
0.25，其中，η為頻帶的序號，η = 1，2，…；
[0025]步驟35、腦-機(jī)計算機(jī)選擇特征最大值所對應(yīng)的刺激頻率的圖片為使用者所注視的目標(biāo)；
[0026]步驟36、腦-機(jī)計算機(jī)根據(jù)檢測出的目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的視覺反饋提示，將相應(yīng)的目標(biāo)塊將變成紅色，同時將分類結(jié)果翻譯為機(jī)器人能識別的控制指令，通過通訊子系統(tǒng)將控制指令傳輸給機(jī)器人子系統(tǒng)。
[0027]所述步驟32中的多個頻帶信號分別為:7?70Hz、15?70Hz、23?70Hz、以及63?70Hzo
[0028]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
[0029]1、本發(fā)明將腦機(jī)接口與機(jī)器人有效地結(jié)合在一起，通過腦-機(jī)顯示器顯示刺激界面并獲取腦電信號進(jìn)行分析，獲取使用者的意圖從而可以快速而可靠地操控移動機(jī)器人。
[0030]2、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了用腦直接控制的機(jī)器人子系統(tǒng)，由于系統(tǒng)不需要額外的機(jī)器人智能參與，因此系統(tǒng)的成本和計算復(fù)雜度較低。
[0031]3、本發(fā)明允許使用者在一個未知環(huán)境下操控機(jī)器人，可用于輔助嚴(yán)重運(yùn)動障礙病人對外交流，提高其生活質(zhì)量。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)連接圖；
[0033]圖2為本發(fā)明的腦-機(jī)顯示器顯示的刺激界面；
[0034]圖3為腦電信號分解為多個頻率組的構(gòu)成圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述:
[0036]—種基于腦-機(jī)接口的機(jī)器人系統(tǒng)，如圖1所示，包括腦-機(jī)接口子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)和機(jī)器人子系統(tǒng)。腦-機(jī)接口子系統(tǒng)通過測量電極獲取腦電信號并對腦電信號進(jìn)行特征提取與分析得到使用者的意圖，腦-機(jī)接口子系統(tǒng)將使用者的意圖通過通訊子系統(tǒng)傳輸給機(jī)器人子系統(tǒng)，機(jī)器人子系統(tǒng)接收腦-機(jī)接口子系統(tǒng)的命令并控制機(jī)器人移動，同時，機(jī)器人子系統(tǒng)將自身采集的視頻信息傳送給腦-機(jī)接口子系統(tǒng)并將視頻反饋給大腦。下面對三個系統(tǒng)分別進(jìn)行說明:
[0037]所述腦-機(jī)接口子系統(tǒng)包括腦-機(jī)計算機(jī)、腦-機(jī)顯示器和腦電信號獲取模塊，腦_機(jī)計算機(jī)分別與腦電信號獲取模塊和腦-機(jī)顯示器相連接，腦電信號獲取模塊通過電極與使用者大腦相連接，具體連接方式為:測量電極安放在使用者的大腦枕區(qū)？2、？05、？03、？02、P04、P06、01、0z、02位置，上述測量電極分布符合國際10-20系統(tǒng)，參考電極安放在左側(cè)乳突位置處，地電極安放在右側(cè)乳突處，電極阻抗低于1KΩ。腦電信號獲取模塊采用Neuroscan公司的Synamps2放大器，數(shù)據(jù)采樣率為1000Hz，帶通濾波I?10Hz，并進(jìn)行在線50Hz陷波。在本實(shí)施例中，腦-機(jī)顯示器采用大小為23.6英寸、刷新率為60Hz、屏幕分辨率為1920 X1080像素的Acer IXD腦-機(jī)顯示器為刺激顯示器，以機(jī)器人攝像頭捕捉的圖像為背景。
[0038]腦-機(jī)計算機(jī)安裝有利用基于Matlab的Psychtoolbox工具包編寫的刺激程序，其利用采樣正弦編碼方法在腦-機(jī)顯示器上實(shí)現(xiàn)所需的閃爍頻率。在腦-機(jī)顯示器上，腦-機(jī)計算機(jī)將接收機(jī)器人攝像頭捕捉的圖像為背景，如圖2所述，在該背景圖像上出現(xiàn)八個白色正方形圖片，分別位于背景圖像的上