[發(fā)明專利]一種基于腦-機(jī)接口的機(jī)器人系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610028846.5
• 申請日: 2016-01-18
• 公開（公告）號: CN105549743A
• 公開（公告）日: 2016-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳小剛;高小榕;徐圣普;劉明;胡勇;謝小波
• 申請（專利權(quán)）人: 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所;清華大學(xué)
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;A61F4/00
• 代理公司: 天津盛理知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12209
• 代理人: 王利文

技術(shù)領(lǐng)域

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)

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?yàn)闅埣踩说娜粘Ｉ钭岳硖峁┲危虼耍湫枨蟪手饾u攀 升態(tài)勢。健康使用者通常可通過常規(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。

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(jià)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。基于頭皮腦電的腦-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。基于 腦-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)。基于腦-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。

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)? 200910068833.0)根據(jù)短時(shí)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(gè)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”(201110113626.X)、“基于腦機(jī)接口的肢 體訓(xùn)練機(jī)器人及訓(xùn)練方法”(201310675803.2)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

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(jì)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。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的：

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。

所述腦-機(jī)接口子系統(tǒng)包括腦-機(jī)計(jì)算機(jī)、腦-機(jī)顯示器和腦電信號獲取模 塊，所述腦-機(jī)計(jì)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。

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、 PO5、PO3、POz、PO4、PO6、O1、Oz、O2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10KΩ。

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1～100Hz，并進(jìn)行在線50Hz陷波。

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。