[發明專利]基于穩態視覺誘發腦機接口的機器人控制方法

有效

• 申請號: 201410103602.X
• 申請日: 2014-03-19
• 公開（公告）號: CN103845137A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 阮曉鋼;薛坤;黃靜
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: A61F4/00
• 分類號: A61F4/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明涉及機器人領域，尤其涉及一種基于穩態視覺誘發腦機接口的機器人控制方法。

背景技術

腦機接口（Brian-Computer?Interface,BCI）是一種不依賴于大腦外周神經與肌肉正常輸出通道的通訊控制系統。它通過采集和分析人腦生物電信號，在大腦和外界建立直接交流通道，這樣人就可以通過大腦來表達意愿或操縱計算機、語音合成器、輔助電器、神經假體、機器人等電子設備。腦機接口研究的最終目標是設計實現一種基于腦電信號的新型殘疾人輔助設備，以幫助有運動障礙的殘疾患者更好地與外界交流。因此，腦機接口領域的研究具有非常重要的社會意義和潛在的經濟價值。

VEP（Visual?Evoked?Potential，視覺誘發電位）是由一個固定的調制頻率刺激眼球來誘發電信號，它可以在頭皮的視覺皮層區（頭皮的枕部）進行采集。根據誘發電位的刺激頻率高低，視覺誘發電位分為：瞬態視覺誘發電位、穩態視覺誘發電位。當視覺刺激時間間隔比單次誘發電位時長長時，產生瞬態視覺誘發電位，此時視覺刺激頻率一般低于2Hz；相反地，如果視覺刺激的刺激時間間隔比單次誘發電位時長短時，每次刺激誘發的電位會發生重疊，從而形成了穩態視覺誘發電位SSVEP(Steady?State?Visual?Evoked?Potential,SSVEP)，此時刺激頻率一般超過6Hz。穩態視覺誘發電位臨床上一般通過模式光刺激或圖形視覺變化刺激誘發，在大腦皮層的枕部可以采集到明顯的信號。這種電位的產生和采集比較簡便，信號的頻譜特征峰值明顯，提取方法比較簡單，所以基于SSVEP的BCI系統具有比較容易實現的優點。在多個注視目標的SSVEP腦-機接口系統中，通過VEP信號頻譜的峰值，可以判別注視目標。

目前腦機接口的應用研究不斷得到發展和應用，申請號為200910068833.0的專利公開了一種利用腦機接口來對服務機器人在四個方向的移動控制，該專利的腦機接口是基于自發腦電節律波，根據腦神經功能正常的人在短時間閉眼后，腦中α波幅明顯增強這一特點實現對機器人的移動控制。自發腦電節律的腦機接口中有許多的噪聲干擾，睜開眼睛時候，稍有延時的眨眼都會對狀態選擇有影響，而且需要比較準確的腦電信號特征提取和分類才能達到準確率比較高的狀態選擇。在該專利所涉及的硬件設備較多，成本高，不便于攜帶。申請號為200310104875.8的專利在腦機接口中結合了虛擬鍵盤和機器人控制系統，該專利的腦接口是基于運動想象的腦機接口，用特定的思維來誘發腦電信號。運動想象腦機接口的不足是需要進行大量的訓練，在該專利中，需采樣標準特征波形，如果采樣效果不佳，就必須進行重新采樣，采樣過程需要大量的實驗。

發明內容

針對現有技術中存在的腦機接口設備裝置復雜、需要大量訓練、特征不能有效的提取問題，本發明提供了一種基于穩態視覺誘發電位腦機接口的機器人控制方法，通過用顯示器屏幕的閃爍刺激誘發穩態視覺誘發電位解決腦機接口硬件設備復雜的問題，同時在特征提取的過程中結合了獨立成分分析(Independent?Component?Analysis,ICA）和希爾伯特黃變換（Hilbert?Huang?Transform,HHT），從而對腦電信號的特征得到有效提取。

為實現上述目的，本發明采用如下的技術方案：

首先將實際采集得到的腦電信號通過帶通濾波進行預處理；其次對預處理得到的腦電信號進行快速ICA分析，得到獨立成分；然后用HHT對獨立成分分解，獲得固有模態函數；接著對固有模態函數進行頻譜分析得到所需的特征。運用閾值判斷法對提取的特征進行分類。最后把分類結果進行翻譯，轉換成機器人能識別的信號，然后把控制指令發送給機器人，從而實現對機器人的實時控制。

基于穩態視覺誘發腦機接口的機器人控制方法，包括以下步驟：

步驟1，安放腦電極。

被受試者安靜放松地坐在舒適的椅子上，椅子距離計算機顯示屏約65厘米。腦電極安放按照國際10-20系統電極放置標準在被測試者頭部枕區P3、PZ、P4、PO3、POZ、PO4、O1、OZ、O2位置，以耳部作為參考電極，接地電極接地，給電極打入導電膏，確保電極阻抗保持低于5kΩ才可以進行實驗。

步驟2，呈現刺激范式。

使計算機屏幕上出現四個白色正方形圖片，分別分布于屏幕的上、下、左、右四個方位，并且這四個白色圖片分別以不同的刺激頻率進行閃爍（每個圖片的閃爍頻率高于6Hz），每個閃爍頻率對應著機器人的一個運動方向。刺激器選擇LCD。

采用白色刺激圖片是因為白色更容易誘發穩態視覺誘發電位。