CN102198660A - 基于脑-机接口的机械手臂控制系统及动作命令控制方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于脑-机接口的机械手臂控制系统及动作命令控制方案，系统包括基于运动想象的脑-机接口子系统和机械手控制子系统。在脑-机接口子系统中，采用具有三种想象运动模式的脑-机接口，分别想象左手运动，右手运动和脚运动。手臂可向六个方向移动，分别是上、下、左、右、前和后，再加上手指的两个动作：抓和放，一共是八条输出命令。整个系统的基础是三种模式的运动想象。共分两个功能：切换和选择。通过选择和切换控制手臂做出相应动作。本发明不仅克服了基于运动想象脑-机接口系统输出模式少的缺陷，还保证了命令输出的准确率，不增加额外想象负担，增加了外部控制设备的使用范围，拓宽了基于运动想象脑-机接口系统的应用领域。

Description

基于脑-机接口的机械手臂控制系统及动作命令控制方案

技术领域

本发明涉及脑电信号分类处理技术领域，特别是涉及一种基于脑-机接口的机械手臂控制系统，本发明还涉及基于脑-机接口的机械手臂控制系统的动作命令控制方案。

背景技术

近些年，脑-机接口技术备受关注。脑-机接口（BCI）是一种新颖的人-机接口技术，在脑-机接口系统中，个人发送到外部世界的信息和命令不通过脑部正常外围神经和肌肉输出途径。用这种先进的交流技术，患有瘫痪、中风的病人就能向看护人员表达他们的意愿甚至可以控制外界辅助设备完成日常活动。调查结果表明，脑-机接口的机械手臂应用给残疾人带来了很大希望。为了帮助这些残疾人，涌现出很多基于脑-机接口的机械康复系统。

基于运动想象（MI）的脑-机接口利用μ节律和beta节律把受试者的想象活动转换成实际命令。但是通常，基于运动想象的脑-机接口系统只能提供三或四种命令，如果增加输出命令种类，准确率会下降，为了达到输出种类和准确率之间的平衡，三种模式的MI-BCI系统是比较合适的，然而，对于需要控制多种命令的应用来说这是一个很大的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足而提出的一种基于脑-机接口的机械手臂控制系统以及该系统的机械手臂动作命令分配方案。该系统及相应的设计方案不仅克服了基于运动想象的脑-机接口系统输出模式少的缺陷，同时还保证了命令输出的准确率，不会给受试者增加额外的想象负担，增加了外部应用控制设备的使用范围，拓宽了基于运动想象的脑-机接口系统的应用领域

本发明所要求解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：

一种基于脑-机接口的机械手臂控制系统，包括基于运动想象的脑-机接口子系统和机械手子系统，所述基于运动想象的脑-机接口子系统包括依次连接的电极帽，信号放大设备和一台数据处理用的计算机；所述机械手子系统为五个自由度的机械手，与计算机连接。

所述脑-机接口子系统为三种想象运动模式的脑-机接口。

所述电极帽带有9个电极位置。

所述机械手臂的五个自由度分别代表肩、上臂、小臂、手腕和手抓，所述代表肩的部分能水平旋转360°，所述代表上臂、小臂、手腕的部分能分别向两侧旋转90°，所述代表手抓的部分一直处于水平位置。

一种所述基于脑-机接口的机械手臂控制系统的动作命令分配方案，规定机械手臂向六个方向移动，分别是上、下、左、右、前和后，再加上手指的两个动作：抓和放，一共是八条输出命令，八个机械手臂的动作命令分成四组，每组包含两个运动方向。系统采用三种想象运动模式：分别想象左手运动、右手运动和脚运动，三种想象运动模式共分两个功能：切换和选择，规定想象脚运动具有切换功能，想象左手运动和想象右手运动具有选择功能，“切换”指的是在分好的四组机械手臂命令之间进行切换，一次切换移动一组，想象一次脚运动就切换一组并且在第一次切换之前预设选中第一组，“选择”指的是选中要发送给机械手臂的执行命令，想象左手运动意味着选中其中一组中一个命令，想象右手运动意味着这组中另一个命令，选中之后系统自动将命令发送给手臂，手臂接受到执行命令后将自动组合运动，做出相应动作。

由于采用了如上技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下特点：不仅克服了基于运动想象的脑-机接口系统输出模式少的缺陷，同时还保证了命令输出的准确率，不会给受试者增加额外的想象负担，增加了外部应用控制设备的使用范围，拓宽了基于运动想象的脑-机接口系统的应用领域。

附图说明

图1为本发明系统的结构框图。

图2为本发明方案利用八条命令的控制图。

图3为本发明机械手臂结构图。

图4为本发明机械手臂各关节角度示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

图1显示了整个系统的结构组成。通常脑-机接口包括了采集脑电信号用的电极帽、信号放大设备和一台数据处理用的计算机。本发明中，受试者的脑电信号通过戴在其头上的电极帽传输到放大设备中，经过放大处理之后，对信号进行处理、特征提取和分类，利用我们设计的分组方法对分类结果分组并与八条输出命令相对应，做出指令判断，向机械手臂子系统发送指令，完成整个操作过程。

这个基于脑-机接口的机械手臂控制系统包括两个子系统：基于运动想象的脑-机接口子系统和机械手控制子系统。在脑-机接口子系统中，我们采用具有三种想象运动模式的脑-机接口，分别想象左手运动，右手运动和脚运动。在手臂控制子系统中，规定手臂向六个方向移动，分别是上、下、左、右、前和后，再加上手指的两个动作：抓和放，一共是八条输出命令。为了控制五个自由度的机械手，要求每次只向一个方向运动，每个方向的运动包括了全部五个自由度的运动。

本发明利用人体大脑发出的信号，控制外部机械手臂运动，不需要使用者开口说话，甚至不用动身体任何一个部位，单凭想象就能控制外部机械手臂运动。在脑-机接口子系统中，我们选择了九个电极位置(FC3 FCZ FC4 C3 CZ C4 CP3 CPZ CP4)采集脑电信号，利用16通道的脑电放大设备记录数据，然后以256hz对数据进行采样，8-30hz带通滤波，经过这些处理之后，分别利用CSP和SVM进行特征提取和分类，再与外部执行命令相对应。本发明提出了一种全新的命令分配方式。

如图2所示，八个机械手臂的动作命令分成四组，每组包含两个运动方向。整个系统的基础是三种模式的运动想象。 三种模式共分两个功能：切换和选择。本发明规定想象脚运动具有切换功能，想象左手运动和想象右手运动具有选择功能。“切换”指的是在分好的四组机械手臂命令之间进行切换，系统默认切换功能是从上到下进行，一次切换移动一组，并且在第一次切换之前预设选中第一组。也就是说，想象一次脚运动，系统进行一次切换，选中组向下移动一组，移动到第四组时，如果还要进行切换，选中组将返回，切换为第一组。“选择”指的是选中要发送给机械手臂的执行命令。想象左手运动意味着选中本组中左边的命令，想象右手运动意味着选中本组中右边的命令。选中之后系统自动将命令发送给手臂，手臂接受到执行命令后将自动组合运动，做出相应动作。例如，如果想让手臂做出“上移”的动作，受试者首先要选中“向上”命令所在的组， “向上”命令在第二组，所以需要将选中组切换到第二组，即做一次脚的想象运动，“向上”在左边，受试者想象一次左手运动即可选中。

机械手臂子系统中的手臂结构如图3所示，本系统中的手臂从下到上一共包括五个自由度：第一FoD1、第二FoD2、第三FoD3、第四FoD4和第五FoD5。分别代表了肩、上臂、小臂、手腕和手抓。第一FoD1可以水平旋转360°，第二FoD2、第三FoD3和第四FoD4在竖直方向上可以分别向两侧旋转90°。五个自由度的机械手臂的运动控制是很复杂的。手臂的每个动作都要涉及到很多关节。为了简化控制，我们把运动控制在了六个方向上：上、下、左、右、前和后，再加上“抓”和“放”两个命令，一共需要八条控制命令。手臂包括了四个关节：第一关节6、第二关节7、第三关节8和第四关节9。为了保证抓放物体时的稳定性，抓需要一直处于水平位置，因此需要第四关节9始终保持在水平的位置上。图4说明了在手臂运动时各个关节之间的关系。第二关节7、第三关节8和第四关节9的运动与∠2、∠3、∠4三个角度联系紧密。例如如果手臂做一个“向前”的动作，三个关节将会同时运动，因此与之相对应的三个角度都会同时发生改变。通过推导计算，我们可以得出三个角度分别是：

本发明中前、后、上、下四个方向的动作步长设为1厘米。例如，如果机械手臂向前或后移动一次，系统中x值将会自动加1或减1.左右旋转角度的步长是5°，也就是说如果手臂向左或向右旋转一次，角度值会变化5°。当手臂执行“抓”和“放”的命令时，只有手爪动作，其他四个关节不变。完成“抓”命令后，手爪的两个手指之间呈10°，完成“放”命令后，角度变为25°。利用上面的公式，系统可以自动计算每个关节的最终位置。

经过上面的设计之后，三模式的运动想象和八条命令的执行控制之间就有了密切的配合。用户不再需要对手臂的每个关节或每个自由度进行控制，降低控制难度的同时提高的控制效率，并且也不会给用户附加增加运动模式所带来的困难，避免了准确率下降的问题。

为了证实设计的可行性，我们请来了三位受试者进行了验证性实验。实验要求受试者利用本系统控制机械手臂完成规定动作：从A地将物体拿起放到B地。在此规定动作中，受试者可能会用到所有的八种命令。经过三天的实验发现，受试者可以使用本设计控制机械手臂完成规定动作。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种基于脑-机接口的机械手臂控制系统，包括基于运动想象的脑-机接口子系统和机械手子系统，其特征在于，所述基于运动想象的脑-机接口子系统包括依次连接的电极帽，信号放大设备和一台数据处理用的计算机；所述机械手子系统为五个自由度的机械手臂，与计算机连接。

2.如权利要求1所述的基于脑-机接口的机械手臂控制系统，其特征在于，所述脑-机接口子系统为三种想象运动模式的脑-机接口。

3.如权利要求1所述的基于脑-机接口的机械手臂控制系统，其特征在于，选取的电极位置是9个。

4.如权利要求1所述的基于脑-机接口的机械手臂控制系统，其特征在于，所述机械手臂的五个自由度分别代表肩、上臂、小臂、手腕和手抓，所述代表肩的部分能水平旋转360°，所述代表上臂、小臂、手腕的部分能分别向两侧旋转90°，所述代表手抓的部分一直处于水平位置。

5.一种如权利要求1所述基于脑-机接口的机械手臂控制系统的动作命令分配方案，其特征在于，规定机械手臂向六个方向移动，分别是上、下、左、右、前和后，再加上手指的两个动作：抓和放，一共是八条输出命令，八个机械手臂的动作命令分成四组，每组包含两个运动方向；系统采用三种想象运动模式：分别想象左手运动、右手运动和脚运动，三种想象运动模式共分两个功能：切换和选择，规定想象脚运动具有切换功能，想象左手运动和想象右手运动具有选择功能，“切换”指的是在分好的四组机械手臂命令之间进行切换，一次切换移动一组，想象一次脚运动就切换一组并且在第一次切换之前预设选中第一组，“选择”指的是选中要发送给机械手臂的执行命令，想象左手运动意味着选中其中一组中一个命令，想象右手运动意味着这组中另一个命令，选中之后系统自动将命令发送给手臂，手臂接受到执行命令后将自动组合运动，做出相应动作。

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