[發(fā)明專利]一種腦控機械臂助餐系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010401963.8
• 申請日: 2020-05-13
• 公開（公告）號: CN111571587B
• 公開（公告）日: 2023-02-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃麗亞;陳祚;劉宇杰;李佳靈
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J11/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明公開了一種腦控機械臂助餐系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生并顯示刺激源的視覺刺激子系統(tǒng)、腦電采集子系統(tǒng)、雙目攝像頭定位子系統(tǒng)和機械臂控制子系統(tǒng)，所述腦電采集子系統(tǒng)采集并處理用戶受到視覺刺激后產(chǎn)生的腦電信號，將處理后的信號作為源數(shù)據(jù)發(fā)送至機械臂控制子系統(tǒng)；所述雙目攝像頭定位子系統(tǒng)與所述機械臂控制子系統(tǒng)電連接，用于自動拍攝RGB圖像，經(jīng)算法處理得到精確定位坐標(biāo)；所述機械臂控制子系統(tǒng)對源數(shù)據(jù)進行特征頻率提取，控制機械臂移動至目標(biāo)物體的大致位置，再根據(jù)所述精確定位坐標(biāo)進行微調(diào)直至達到目標(biāo)物體處，自動使用位于機械臂前端的餐具在餐盤中獲取食物。本發(fā)明可實現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的腦控助餐功能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種助餐系統(tǒng)，尤其涉及一種腦控機械臂助餐系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

一些老年人以及殘疾人存在著運動障礙，可能無法做一些簡單動作，如：打開或關(guān)閉簡單的電器設(shè)備開關(guān)，拿取水杯飲水，拿取勺子吃飯。在這種情況下，如何設(shè)計出能夠有效輔助有運動障礙的人進行簡單的日常活動，提升生活質(zhì)量的硬件設(shè)備，就成了現(xiàn)在研究人機交互技術(shù)的一個突破點。

由于這類用戶往往擁有正常運作的大腦，因此具有處理腦電信號實現(xiàn)人機交互的基礎(chǔ)。目前對于腦電信號的處理技術(shù)仍處于實驗室階段,大多數(shù)的腦控技術(shù)僅僅局限于控制小車或機器人的方向、速度，卻較少地適用于機械臂的控制。由此可見，將腦-機接口BCI(Brain Computer Interface)應(yīng)用于實際還面臨著如下問題：

1、精度低。對于信號的接收不夠精確，且有較低的信噪比。

2、傳輸速度慢。最多每分鐘25個字節(jié)，這相當(dāng)于要花費幾分鐘才能輸入并執(zhí)行一句簡單的命令。

3、處理平臺與設(shè)備無法滿足輕量化的設(shè)計需求。現(xiàn)在的BCI系統(tǒng)設(shè)計方式多是使用計算機作為視覺刺激器和數(shù)字信號處理平臺，而腦電信號處理和預(yù)處理則使用專業(yè)腦電設(shè)備(如Neural Scan等)，這種設(shè)計方式具有明顯的缺點，即系統(tǒng)體積和功耗太大，不適合實際應(yīng)用。

4、實驗周期長。伴隨著腦電信號的響應(yīng)降低，且長時間盯著閃爍屏，用戶會感到疲勞。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種精度高、可實時執(zhí)行的輕量化腦控機械臂輔助用餐的系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于提供基于該系統(tǒng)的腦控機械臂助餐方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述腦控機械臂助餐系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括：

視覺刺激子系統(tǒng)，包括顯示屏，用于產(chǎn)生對應(yīng)機械臂自由度的刺激源；

腦電采集子系統(tǒng)，用于采集用戶受到所述刺激源刺激后產(chǎn)生的SSVEP信號，經(jīng)信號處理后作為機械臂控制的源數(shù)據(jù)；

雙目攝像頭定位子系統(tǒng)，包括安裝在機械臂前端的雙目攝像頭，用于自動拍攝RGB圖像，并通過聚類算法和D-H(Denavit-Hartenberg)法計算目標(biāo)物體點相對于機械臂的坐標(biāo)信息；

機械臂控制子系統(tǒng)，包括機械臂，所述機械臂前端安裝有雙目攝像頭和餐具，用于接收所述源數(shù)據(jù)并進行實時濾波，對所需波段信號進行采樣，通過基于小波變換的典型相關(guān)分析法，甄別視覺誘發(fā)刺激頻率，根據(jù)所述刺激頻率確定用戶腦控選擇的刺激源，控制機械臂到目標(biāo)物體點的大致位置；獲取雙目攝像頭定位子系統(tǒng)生成的目標(biāo)物體點相對于機械臂的坐標(biāo)信息，控制機械臂到達目標(biāo)物體的精確位置，自動使用餐具獲取餐盤中的食物。

進一步地，所述刺激源的頻段為6.7-30Hz。由于30Hz及以下是人體可接受的刺激頻率，考慮到刺激源個數(shù)，且為避免計入諧波，設(shè)定該頻段。

進一步地，所述刺激源的翻轉(zhuǎn)頻率的間隔大于0.5Hz。

優(yōu)選地，所述視覺刺激子系統(tǒng)采用牛頓環(huán)收縮-擴張運動刺激范式。采用該刺激范式可以使用戶不易疲勞，避免大腦響應(yīng)信號的時間降低，更適用于長期使用。用戶每進行一次操作需持續(xù)注視對應(yīng)的刺激源4-5秒。