CN101590648A - 基于脑-机接口的服务机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于脑－机接口的服务机器人系统，包括有与人体大脑相连的头皮电极；脑电放大单元，用于接收头皮电极的信号并进行放大；脑电采集单元，采集放大的脑电信号并进行A/D转换；计算机，对脑电信号进行处理；状态选择器，接收计算机处理后的信号，并锁定一个方向信息；控制接口，接收状态选择器提供的方向选择信号，并将该信号发送到计算机的串口，计算机将该信号无线传输给服务机器人；所述的人体大脑又通过视觉分别接收状态选择器和服务机器人的反馈信号。本发明根据90％脑神经功能正常的人在短时间闭眼后脑电中α波幅均可明显增强这一普适特征，实现了脑电α波对服务机器人在四个方向移动控制。无需训练就可以快速而可靠地控制外部服务机器人。

Description

基于脑-机接口的服务机器人系统

技术领域

本发明涉及一种服务机器人，特别是涉及一种能够实现脑电α波对服务机器人在四个方向移动控制的基于脑-机接口的服务机器人系统。

背景技术

服务机器人(Service Robot)是机器人家族中的年轻成员，各个国家对服务机器人的认识不同，到目前为止尚无统一、严格的定义。国际机器人联合会(IFR)给服务机器人的初步定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务和工作但不包括从事生产的设备。我国关于服务机器人(又称Advanced Robot)的定义是：工业机器人之外的各种机器人，主要应用于第三产业，包括家庭机器人(Home Robot)与野外机器人(Field Robot)两大类。服务机器人正在为人们提供越来越多方便、舒适的服务，引领人类生活方式发生变革，为人口老龄化等带来的重大社会服务问题提供解决方案，为第三产业发展提供新的动力。目前我国60岁以上人口已达到1.34亿，残疾人数量高达5千多万，在不远的将来，老年人和残疾人的护理将成为社会的一个重要负担，迫切需要一大批服务机器人提供家用智能服务，诸如清洁、取物、事务提示、身体监测、远程医疗、家庭保安、娱乐等，提高他们的生活质量，满足整个社会对护理人员数量和质量的需求。

服务机器人通常是在非结构化或半结构化环境下工作，应用任务复杂多样，并且直接为用户提供服务。其核心技术主要包括自主移动技术、感知技术、人-机器人交互技术、网络/计算机-机器人交互技术等几类。其中人-机器人交互技术中的视觉、语音、力觉、触觉、多通道交互等技术已经取得较多成果，而新型人机交互技术正逐渐成为研究的热点。

作为人-机器人交互技术的脑机接口技术，随着人们对神经系统功能认识的提高和计算机科学以及信号处理技术的不断进步，在最近十年得到了世界范围内更多的关注，取得了较为迅速的发展。脑机接口技术，是脑-计算机接口(Brain-Computer Interface，BCI)的简称，是在人脑与计算机与其它电子设备之间建立的一种直接的信息交流和控制通道，是一种不依赖于常规大脑输出通路(外周神经和肌肉组织)的全新的信息交流系统。BCI的实质是通过脑电信号推断人的想法或目的，从而实现人机交流。

脑机接口技术作为一种全新的大脑输出通路，能够为思维正常但运动功能残缺的人提供一种新型的弥补功能和对外信息交流手段，但它与已有的运动功能康复手段不同，也有别于另一些传统的残疾人辅助设备。运动功能康复手段主要有两种，一是通过物理治疗提高残存运动功能，二是利用功能性电刺激(functional electrical stimulation，FES)系统代替神经系统直接控制瘫痪肌肉；传统的残疾人辅助设备，如语音合成器，键盘使用增强器，利用呼吸器控制的开关以及替代手柄和鼠标的输入装置，则是利用可自主控制的肌肉替代萎缩的肌肉，增强现有的传导通路能力。这些技术或多或少的都需要有某种形式的肌肉运动参与，而脑机接口技术突出的特点则是不依赖于任何外围神经和肌肉系统响应这些传统的信息输出通路，它根据大脑思维意念或感官反映所产生的脑电信号进行工作，因而是全新意义上的康复辅助手段和大脑外界信息交流途径。

随着脑机接口技术的逐步成熟和应用需求的提高出现了应用于拼写、控制指针运动和控制神经假体的各种脑机接口系统。逐渐地，更贴近人类生活的高层次外部装置-服务机器人也开始被用于脑机接口研究中。随着相关理论和技术的发展，如脑神经科学、行为科学、心理学及信息融合处理技术、模式识别技术、神经网络技术等的发展，脑机接口技术必将为现有的人机交互模式注入新的活力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以实现脑电α波对服务机器人在四个方向上的移动控制的基于脑-机接口的服务机器人系统。

本发明所采用的技术方案是：一种基于脑-机接口的服务机器人系统，包括有与人体大脑相连的头皮电极，还设置有：脑电放大单元，用于接收头皮电极的信号并进行放大；脑电采集单元，采集放大的脑电信号并进行A/D转换；计算机，对脑电信号进行处理；状态选择器，接收计算机处理后的信号，并锁定一个方向信息；控制接口，接收状态选择器提供的方向选择信号，并将该信号发送到计算机的串口，计算机将该信号无线传输给服务机器人；所述的人体大脑又通过视觉分别接收状态选择器和服务机器人的反馈信号。

所述的状态选择器包括有：依次相连的计数器、四二输入或门、四二输入与门和四路模拟转换开关；对计数器设定计数的555方波发生器；以及五个发光二级管和接收计算机所发出的脉冲触发信号的D触发器；所述的五个发光二级管中的一个发光二极管作为锁向灯与计数器连接，另外四个发光二极管为方向指示灯对应连接四路模拟转换开关，所述的D触发器分别连接锁向灯和四二输入与门的输入端。

所述的方向指示灯分别代表左、前、右和后四个方向。

所述的控制接口包括有依次连接的电平采样电路、单片机和电平转换电路，所述的电平采样电路接收状态选择器的信号，所述的电平转换电路将转换的信号送向计算机。

本发明的基于脑-机接口的服务机器人系统，根据90％脑神经功能正常的人在短时间闭眼后脑电中α波幅均可明显增强这一普适特征，实现了脑电α波对服务机器人在四个方向移动控制。本发明仅需在操作者头后部放两个脑电检测电极，无需训练就可以快速而可靠地控制外部服务机器人。

附图说明

图1是本发明基于脑-机接口服务机器人系统构成示意图；

图2是本发明状态选择器面板框图；

图3是本发明控制接口框图；

图4是机器人本体外形示意图。

其中：

1：人体大脑                        2：头皮电极

3：脑电放大单元                    4：脑电采集单元

5：计算机                          6：服务机器人

7：状态选择器                      71：计数器

72：四二输入或门                   73：四二输入与门

74：四路模拟转换开关              75：555方波发生器

76：D触发器                       77：锁向灯

78：方向指示灯                    8：控制接口

81：电平采样电路                  82：单片机

83：电平转换电路

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明的基于脑-机接口的服务机器人系统是如何实现的。

本发明的基于脑-机接口的服务机器人系统的开发平台采用远程脑控制模式。其原理是人脑发出脑电波，经过头皮导联电极采集人短时间闭眼后的脑电波信号，经过前置放大后通过信号采集卡进入计算机；计算机内的信号处理模块对其进行特征识别，判断受试者的睁闭眼状态，然后发出相应的控制信号；状态选择器接收计算机处理后的信号，并锁定一个方向信息；控制接口接受状态选择器提供的方向选择信号，经过处理将其转化为机器人能识别的命令送入计算机，并由计算机通过网络无线传输给服务机器人，从而控制机器人本体完成相应动作。计算机运行基于WINDOWS操作系统，客户端采用图形界面。系统网络通信协议采用标准TCP/IP协议。

如图1所示，本发明的基于脑-机接口的服务机器人系统，具体包括有与人体大脑1相连的头皮电极2，还设置有：脑电放大单元3，接收头皮电极2的信号并进行放大；脑电采集单元4，采集放大的脑电信号并进行A/D转换；计算机5，对脑电信号进行处理；状态选择器7，接收计算机5处理后的信号，并锁定一个方向信息；控制接口8，接收状态选择器7提供的方向选择信号，并将该信号发送到计算机5的串口，计算机5将该信号无线传输给服务机器人6；所述的人体大脑1又通过视觉分别接收状态选择器7和服务机器人6的反馈信号。

上述的头皮电极2是采用银-氯化银电极作为传感器拾取头皮脑电信号。脑电信号采集使用单极导联方式，并以双耳耳垂为参考电极，从01，T5电极位置采集信号输入脑电放大器，所述的脑电放大器12是采用申请号为200920096697.1，发明名称为“微型脑电信号采集模块”所公开的电路。然后采用美国国家仪器(NI)公司生产的6024E数据采集卡作为脑电采集单元4，进行脑电信号的采集，并进行12位A/D转换。采集到的信号送入计算机进行信号处理，计算机内的信号处理模块对其进行特征识别，判断受试者的睁闭眼状态，然后发出相应的控制信号，并将该脉冲触发信号D，送入状态选择器7锁定一个方向信息，控制接口8接受状态选择器7提供的方向选择信号，经过处理将其转化为机器人能识别的命令并发送到计算机的串口，计算机无线传输给服务机器人上位机，从而控制机器人本体完成相应动作。本发明包含两个反馈环节，一个是把脑电处理环节输出的控制信号反馈到状态选择器，使用者通过观察状态选择器判断前步控制的有效性；另一个反馈是使用者直接观察服务机器人的方位来调整控制的时间。

如图2所示，所述的状态选择器7包括有：依次相连的计数器71、四二输入或门72、四二输入与门73和四路模拟转换开关74；对计数器71设定计数的555方波发生器75；以及五个发光二级管和接收计算机5所发出的脉冲触发信号D的D触发器76；所述的五个发光二级管中的一个发光二极管作为锁向灯77与计数器71连接，另外四个发光二极管为方向指示灯78对应连接四路模拟转换开关74，所述的D触发器76分别连接锁向灯77和四二输入与门73的输入端。所述的方向指示灯78分别代表左、前、右和后四个方向。

本发明的计数器71采用型号为CD4022的计数器；四二输入或门72的型号为DM74LS32；四二输入与门73的型号为DM74LS08N；四路模拟转换开关74的型号为TC4066BP。555方波发生器75是由555定时器构造的周期为1.5s的方波发生器。

五个发光二级管的设置是，中间一个为锁向灯77，周围四个。周围的四个发光二级管为方向指示灯78代表左a、前b、右c和后d四个运动方向，哪个相应按键的灯亮，表明哪种方向选择处于准备状态，代表高电平，在没有脑电触发信号的情况下，代表运动方向的四个发光二极管在555定时器、计数器和四二或门控制下轮流点亮。这时如果有闭眼α波控制信号输出高电平，则这个触发信号通过D触发器76后，连接到位于中间的锁向灯77和四二输入与门73的输入端，此时锁向灯77点亮，周围的四个方向指示灯78也停止轮流点亮，被锁定在一个方向上，脑电的脉冲触发信号D和或门输出的方向信号通过一个与门后为高电平，打开一个模拟开关，这个模拟开关输出方向选择信号，当睁眼α波降低到阈值以下时，输出电平为低电平，模拟开关关闭，相应方向的运动控制停止。

如图3所示，所述的控制接口8包括有依次连接的电平采样电路81、单片机82和电平转换电路83，所述的电平采样电路81接收状态选择器7的信号，所述的电平转换电路83将转换的信号送向计算机5的串口。

首先由电平采样电路81对状态选择器输出的方向选择信号进行电平采样，由电平采样电路，锁定了一个方向(机器人走动的方向)，采样到了一个电平信号，经型号为ATmega16的单片机82的I/O口接收电平采样电路81采样出来的电平信号，并通过单片机82的串口将信号发送到电平转换电路83，通过主要由max232芯片构成的电平转换电路进行电平转换后将信号发送到计算机5的串口，由计算机5将控制命令无线传输给服务机器人6。

本发明所述的服务机器人6是使用TUT06-B型机器人。包括有运动底盘61、电源及驱动模块62、控制计算机模块63、传感器模块64及搭载设备构成。

Claims (4)

1.一种基于脑-机接口的服务机器人系统，包括有与人体大脑(1)相连的头皮电极(2)，其特征在于，还设置有：脑电放大单元(3)，用于接收头皮电极(2)的信号并进行放大；脑电采集单元(4)，采集放大的脑电信号并进行A/D转换；计算机(5)，对脑电信号进行处理；状态选择器(7)，接收计算机(5)处理后的信号，并锁定一个方向信息；控制接口(8)，接收状态选择器(7)提供的方向选择信号，并将该信号发送到计算机(5)的串口，计算机(5)将该信号无线传输给服务机器人(6)；所述的人体大脑(1)又通过视觉分别接收状态选择器(7)和服务机器人(6)的反馈信号。

2.根据权利要求1所述的基于脑-机接口的服务机器人系统，其特征在于，所述的状态选择器(7)包括有：依次相连的计数器(71)、四二输入或门(72)、四二输入与门(73)和四路模拟转换开关(74)；对计数器(71)设定计数的555方波发生器(75)；以及五个发光二级管和接收计算机(5)所发出的脉冲触发信号(D)的D触发器(76)；所述的五个发光二级管中的一个发光二极管作为锁向灯(77)与计数器(71)连接，另外四个发光二极管为方向指示灯(78)对应连接四路模拟转换开关(74)，所述的D触发器(76)分别连接锁向灯(77)和四二输入与门(73)的输入端。

3.根据权利要求2所述的基于脑-机接口的服务机器人系统，其特征在于，所述的方向指示灯(78)分别代表左(a)、前(b)、右(c)和后(d)四个方向。

4.根据权利要求1所述的基于脑-机接口的服务机器人系统，其特征在于，所述的控制接口(8)包括有依次连接的电平采样电路(81)、单片机(82)和电平转换电路(83)，所述的电平采样电路(81)接收状态选择器(7)的信号，所述的电平转换电路(83)将转换的信号送向计算机(5)。

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