、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，閃爍頻率依次為12Hz、15Hz、13Hz、14Hz、8Hz、9Hz、1Hz和I IHz。每個圖片對應(yīng)于機器人的一個移動方向，即前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進同時左轉(zhuǎn)、前進同時右轉(zhuǎn)、后退同時左轉(zhuǎn)、后退同時右轉(zhuǎn)。所述腦-機計算機內(nèi)安裝有腦電信號特征提取與轉(zhuǎn)換程序，能夠?qū)δX電信號特征進行提取并獲得特征的最大值所對應(yīng)的刺激頻率的圖片為使用者所注視的目標，形成控制命令并傳輸給機器人子系統(tǒng)。
[0039]所述通訊子系統(tǒng)采用TCP/IP通訊協(xié)議將腦-機接口子系統(tǒng)和機器人子系統(tǒng)連接在一起，實現(xiàn)信息交互功能。
[0040]所述機器人子系統(tǒng)包括移動控制模塊和攝像頭模塊，攝像頭模塊用于獲取機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-機接口子系統(tǒng)。移動控制模塊用于接收腦-機接口子系統(tǒng)的命令并實現(xiàn)對機器人的移動控制功能。
[0041 ] 一種基于腦-機接口的機器人系統(tǒng)的實現(xiàn)方法包括以下步驟:
[0042]步驟1、將腦-機接口子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)和機器人子系統(tǒng)連接在一起，將腦一機接口子系統(tǒng)的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。
[0043]在本實施例中，腦電測量電機安防在使用者大腦枕區(qū)Pz、P05、P03、P0z、P04、P06、
01、0z、02位置，這種電極分布分布符合國際10-20系統(tǒng)，電極阻抗低于1K Ω。然后通過Neuroscan公司的Synamps2放大器進行腦電信號獲取與放大處理，數(shù)據(jù)采樣率為100Hz，帶通濾波I?10Hz，并進行在線50Hz陷波。
[0044]步驟2、腦-機接口子系統(tǒng)的腦-機計算機將刺激界面呈現(xiàn)在腦-機顯示器上，以機器人攝像頭捕捉的圖像為背景，并在該背景圖像上出現(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)于機器人的一個移動方向。
[0045]步驟3、當使用者注視以12Hz頻率閃爍的圖像2秒，枕區(qū)測量電極記錄的腦電信號(腦電信號的主要頻率成分為圖像相同頻率以及其諧波成分)經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后送往腦_機計算機，然后通過TCP/IP協(xié)議將得到的2秒時間長的腦電信號實時傳輸至腦-機計算機并對采集到的腦電信號進行以下步驟處理:
[0046]步驟31、腦-機計算機對采集到的腦電信號進行降采樣處理，使采樣頻率降為250Hz；
[0047]步驟32、腦-機計算機對采集的腦電信號進行多個帶通濾波，將降采樣腦電信號分為多個頻帶信號，例如7?70Hz、15?70Hz、23?70Hz、以及63?70Hz，如圖3所示；
[0048]步驟33、腦-機計算機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)為5，即Nh=5；
[0049]步驟34、腦-機計算機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)并進行相加求和作為目標識別的特征;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，…；
[0050]步驟35、腦-機計算機選擇所述特征的最大值所對應(yīng)的刺激頻率的圖片為使用者所注視的目標；
[0051]步驟36、腦-機計算機根據(jù)檢測出的目標進行相應(yīng)的視覺反饋提示，即相應(yīng)的目標塊將變成紅色，同時將分類結(jié)果翻譯為機器人能識別的控制指令，通過TCP/IP協(xié)議將控制指令傳輸給機器人。
[0052]步驟4、機器人子系統(tǒng)接收腦-機接口子系統(tǒng)的控制指令控制機器人移動，并將機器人攝像頭當前捕捉的圖像通過TCP/IP協(xié)議反饋給使用者，以作為下一次目標識別任務(wù)的背景圖像。
[0053]步驟5、返回步驟3并重復(fù)執(zhí)行，進行下一次目標識別任務(wù)。
[0054]需要強調(diào)的是，本發(fā)明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于【具體實施方式】中所述的實施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于腦-機接口的機器人系統(tǒng)，其特征在于:包括腦-機接口子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)和機器人子系統(tǒng);腦-機接口子系統(tǒng)通過測量電極獲取腦電信號并對腦電信號進行特征提取得到使用者的意圖，腦-機接口子系統(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)傳輸給機器人子系統(tǒng)，機器人子系統(tǒng)接收腦-機接口子系統(tǒng)的控制命令并控制機器人移動，該機器人子系統(tǒng)將自身采集的視頻信息傳送給腦-機接口子系統(tǒng)，并由腦-機接口子系統(tǒng)形成刺激界面反饋給使用者。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于腦-機接口的機器人系統(tǒng)，其特征在于:所述腦-機接口子系統(tǒng)包括腦-機計算機、腦-機顯示器和腦電信號獲取模塊，所述腦-機計算機分別與腦電信號獲取模塊和腦-機顯示器相連接，腦電信號獲取模塊通過電極與使用者大腦相連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于腦-機接口的機器人系統(tǒng)，其特征在于: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)？2、？05、？03、？02、？04、？06、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1K Ω。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于腦-機接口的機器人系統(tǒng)，其特征在于: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?100Hz，并進行在線50Hz陷波。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于腦-機接口的機器人系統(tǒng)，其特征在于:所述機器人子系統(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-機接口子系統(tǒng);所述移動控制模塊用于接收腦-機接口子系統(tǒng)的命令并實現(xiàn)對機器人的移動控制功能。6.—種如權(quán)利要求1至5任一項所述基于腦-機接口的機器人系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1、將腦-機接口子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)和機器人子系統(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； 步驟2、腦-機計算機將刺激界面呈現(xiàn)在腦-機顯示器上:以機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)于機器人的一個移動方向； 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-機計算機，腦-機計算機對腦電信號進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)傳輸給機器人子系統(tǒng)； 步驟4、機器人子系統(tǒng)接收腦-機接口子系統(tǒng)的控制指令控制機器人移動，并將機器人攝像頭當前捕捉的圖像通過通訊子系統(tǒng)反饋給使用者，以作為下一次目標識別任務(wù)的背景圖像； 步驟5、返回步驟3并重復(fù)執(zhí)行，進行下一次目標識別任務(wù)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于腦-機接口的機器人系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于: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、9Hz、1Hz和I IHz o8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于腦-機接口的機器人系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述步驟2的刺激界面的背景為機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。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于腦-機接口的機器人系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述步驟3的具體實現(xiàn)方法包括以下步驟: 步驟31、腦-機計算機對采集到的腦電信號進行降采樣處理，使采樣頻率降為250Hz;步驟32、腦-機計算機對采集的腦電信號進行多個帶通濾波，將降采樣腦電信號分為多個頻帶信號； 步驟33、腦-機計算機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; 步驟34、腦-機計算機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)并進行相加求和作為目標識別的特征;各頻帶對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)W= (n)—^+0.25，其中，11為頻帶的序號，η = 1，2，…； 步驟35、腦-機計算機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； 步驟36、腦-機計算機根據(jù)檢測出的目標進行相應(yīng)的視覺反饋提示，將相應(yīng)的目標塊將變成紅色，同時將分類結(jié)果翻譯為機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器人子系統(tǒng)。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于腦-機接口的機器人系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述步驟32中的多個頻帶信號分別為:7?70Hz、15?70Ηζ、23?70Hz、以及63?70Hz。
【專利摘要】本發(fā)明專利涉及一種基于腦-機接口的機器人系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，其主要特點是包括：腦-機接口子系統(tǒng)通過測量電極獲取腦電信號并對腦電信號進行特征提取得到使用者的意圖，腦-機接口子系統(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)傳輸給機器人子系統(tǒng)，機器人子系統(tǒng)接收腦-機接口子系統(tǒng)的控制命令并控制機器人移動，該機器人子系統(tǒng)將自身采集的視頻信息傳送給腦-機接口子系統(tǒng)，并由腦-機接口子系統(tǒng)形成刺激界面反饋給使用者。本發(fā)明實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦-機接口對機器人在八個方向移動控制，且系統(tǒng)無需訓練就可實現(xiàn)對機器人的快速、精確控制，由于腦-機接口無需肢體動作參與，可將嚴重運動障礙的使用者移至預(yù)期位置，提高其生活質(zhì)量。
【IPC分類】G06F3/01, A61F4/00
【公開號】CN105549743
【申請?zhí)枴緾N201610028846
【發(fā)明人】陳小剛, 高小榕, 徐圣普, 劉明, 胡勇, 謝小波
【申請人】中國醫(yī)學科學院生物醫(yī)學工程研究所, 清華大學
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2016年1月18日