[發明專利]基于自發式腦機接口的機器人繪畫系統及方法

有效

• 申請號: 201710641113.3
• 申請日: 2017-07-31
• 公開（公告）號: CN107506028B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 張定國;徐陽;阿曼德·扎何迪
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

本發明公開了一種基于自發式腦機接口的機器人繪畫系統及方法，該系統包括腦電信號采集模塊、信號無線傳輸模塊、腦電信號處理模塊、控制指令生成模塊、指令無線傳輸模塊、繪畫機器人以及使用者；其中，腦電信號采集模塊用于采集使用者的實時腦電信號，信號無線傳輸模塊將采集得到的腦電信號傳輸至上位機以作進一步處理，上位機包括腦電信號處理模塊和控制指令生成模塊。本發明能夠同時繪制多個通道的腦電波形，提高了繪畫效率，并為使用者提供了較大的發揮空間，充分滿足了使用者的創作需求，從而使得該創作過程更為有趣。

技術領域

本發明涉及一種繪畫系統及方法，特別是涉及一種基于自發式腦機接口的機器人繪畫系統及方法。

背景技術

腦機接口(Brain Computer Interface,BCI)是一種不依賴于人體常規外周神經肌肉通路，而通過直接采集腦電信號并利用該信號實現對外部環境的控制和交互的技術。BCI是一門典型的交叉學科，涉及神經科學、醫學、心理學、計算機科學、機械工程等多個學科領域。

目前已知的諸多疾病，如肌萎縮側索硬化癥、腦干中風、大腦癱瘓等，均會使人體的神經肌肉通路受到損傷，從而使患者的大腦失去對外周肌肉的控制能力，最終導致患者喪失部分或者全部的運動功能。BCI正是在這種背景下被提出，其被認為是重建相關患者運動功能的一種重要方法。自BCI技術問世以來，世界范圍內的眾多研究機構都對BCI領域給予了關注與投入，且已取得了豐碩的成果。根據有關文獻的報道，殘疾人已經可以通過BCI實現打字輸入、瀏覽網頁、控制機械臂等功能，這為他們完成獨立的日常生活提供了重要的輔助。與此同時，隨著世人對BCI領域關鍵問題的認識逐步深入，該技術也將在未來為正常人群在教育、娛樂等諸多人機交互領域提供豐富的可能性。

經文獻檢索發現，一項中國專利公告號為CN105137830A、名稱為“一種基于視覺誘發腦機接口的國畫機器手及其繪圖方法”的專利實現了通過腦機接口控制機械臂完成繪制國畫的功能。但由于該系統的腦電特征由穩態視覺刺激誘發，因此使用者需要在一個提供專門視覺刺激的結構化環境中完成該任務。此外，該專利沒有提及用于作畫的機械手設計。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種基于自發式腦機接口的機器人繪畫系統及方法，其通過采集使用者的自主腦電信號而非外界刺激的誘發腦電實現，能夠同時繪制多個通道的腦電波形，提高了繪畫效率，并為使用者提供了較大的發揮空間，充分滿足了使用者的創作需求，從而使得該創作過程更為有趣。

本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的：一種基于自發式腦機接口的機器人繪畫系統，其特征在于，其包括腦電信號采集模塊、信號無線傳輸模塊、腦電信號處理模塊、控制指令生成模塊、指令無線傳輸模塊、繪畫機器人以及使用者；其中，腦電信號采集模塊用于采集使用者的實時腦電信號，信號無線傳輸模塊將采集得到的腦電信號傳輸至上位機以作進一步處理，上位機包括腦電信號處理模塊和控制指令生成模塊，腦電信號處理模塊用于對腦電信號進行平滑濾波，控制指令生成模塊將處理之后的腦電信號幅值轉化為繪畫機器人各支畫筆的徑向位置控制指令，指令無線傳輸模塊將最終的位置控制指令傳輸至繪畫機器人，繪畫機器人將得到的控制指令轉化為畫筆的軌跡最終呈現在畫板上。

優選地，所述腦電信號采集模塊采用頭戴式腦電信號采集儀器。

優選地，所述信號無線傳輸模塊通過藍牙無線通訊協議進行腦電信號傳輸。

優選地，所述腦電信號處理模塊通過Matlab編程實現，利用Matlab信號處理工具箱對腦電信號進行平滑濾波，避免畫筆在運動過程中出現劇烈抖動，最大化地保證輸出圖形的美觀性。

優選地，所述控制指令生成模塊采用C++編程實現，通過一個線性函數變換將平滑濾波后的腦電信號幅值轉化為繪畫機器人各支畫筆的徑向位置，基于此生成繪畫機器人三根畫筆的徑向運動位置控制指令。

優選地，所述指令無線傳輸模塊通過藍牙通訊協議將最終的運動控制位置指令傳輸至繪畫機器人以控制其畫筆的徑向運動，完成最終繪畫任務。