CN104984535A - 一种基于脑波控制的乒乓球发球机的应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脑波控制的乒乓球发球机的应用系统。系统包括脑电信号采集部分和乒乓球发球机部分。脑电信号采集部分包括脑电采集帽、便携式脑电采集装置、数据处理模块、蓝牙数据传输模块。乒乓球发球机部分包含可以通过转换开关进行切换的两个系统：常规发球机系统和脑电控制的发球机系统。通过左右运动想象控制旋转摩擦轮，从而发出上旋球或下旋球等不同性质的球；通过注意力的集中程度来控制电机旋转速度，从而控制出球速度。本发明不仅可以作为残疾人娱乐产品，而且可以应用于运动训练和康复治疗领域，通过该脑控乒乓球发球机不断的训练，可以辅助实现运动功能的康复，运动想象能够有效的提高运动的执行能力和运动的学习能力。

Description

一种基于脑波控制的乒乓球发球机的应用系统

技术领域

本发明涉及一种基于脑波控制的乒乓球发球机的应用系统。本发明主要用于残疾人的脑部认知康复训练与脑波娱乐产品领域。

背景技术

存在肢体障碍的残疾人无法进行肢体上的体育锻炼，身体上缺乏应有的锻炼，身体都是受大脑支配，所以，久而久之，缺乏锻炼的残疾人的大脑控制运动的区域功能也会相对减弱；其次，大脑受到损伤的患者，当大脑部分皮层受到损伤，出现运动功能障碍时，通过不断训练，可以实现运动功能的康复。近年来出现的运动想象技术被认为是运动障碍康复治疗的重要新进展之一。运动想象对大脑相关功能有明显的改善作用,目前正在大量应用于运动训练和康复治疗领域。本发明针对上述现状发明了一种基于脑波控制的乒乓球发球机的应用系统，旨在用于残疾人的脑部认知康复训练与脑波娱乐产品领域。本发明可以应用于运动训练和康复治疗领域，当大脑部分皮层受到损伤，出现运动功能障碍时，通过该脑控乒乓球发球机不断的训练，可以辅助实现运动功能的康复；通过大脑来控制乒乓球发球机，实现“意念乒乓”，让残疾人的身心和大脑都得到锻炼，对加快残疾人的身心康复和提高他们的生活娱乐方式都具有重要的意义。本发明中的乒乓球发球机具有常规模式和脑控模式两种发球模式，现有技术中的乒乓球发球机不能随脑波信号的变化而变化发球的旋转性质。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种根据大脑控制运动区域的左右运动想象产生的不同特征的脑电波来控制乒乓球发球机来发出不同旋转性质的球的智能控制方法。

本发明的技术方案是：

一种基于脑波控制的乒乓球发球机的应用装置，包括便携式脑电信号采集单元和脑电控制的乒乓球发球机单元，所述便携式脑电信号采集单元包括八导联脑电采集帽、便携式脑电采集装置、数据处理模块、蓝牙数据发送模块；所述乒乓球发球机单元包括信号接收处理模块、用来控制发球的驱动电路模块和乒乓球发球机的整体机械结构模块。

所述特制八导联脑电图帽是一顶内置八个传感器的帽子。其外观与普通棒球帽无异，传感器置于帽子的内部，传感器的输出端通过导联线连接脑电采集装置的输入端。特制八导联脑电图帽采集使用者的脑电模拟信号，并将信号传至便携式脑电采集装置。

所述便携式脑电采集装置放置于脑电图帽的后端。该装置由信号调理电路、模拟前端和微处理器构成。所述模拟前端型号为ADS1299，所述微处理器型号为Atmega128。该采集装置以24位高精度模拟前端ADS1299作为核心器件，有着体积小、精度到、功耗低、抗干扰性强的特点。系统通过ADS1299内部集成的可编程放大器，实现对微弱信号的放大；利用信号调理电路和ADS1299内部集成的偏置驱动放大器，消除相关干扰。脑电模拟信号经过模拟前端ADS1299的处理后，转换成高分辨率的数字信号。随后将数字信号通过SPI接口传至以ATmega128为核心的主控模块。主控模块通过SPI总线可以对ADS1299进行相关控制。采集装置的采样频率是250Hz，最低可分辨的电压可达到0.536μV，符合脑电研究、分析的要求。

所述数据处理模块，用于接收脑电信号采集单元传输来的脑电信号，提取左右运动想象脑电特征作为发球机发球的控制参量，将处理好的数据发送给乒乓球发球机信号接收处理模块，用于控制发球机驱动模块发球。

所述蓝牙数据发送模块模块，通过蓝牙SPP协议，在脑电采集装置和乒乓球发球机驱动电路之间建立串口数据传输。系统采样频率为250Hz，共有八导联数据，故蓝牙串口的115200波特率满足传输的要求。通过蓝牙模块，实现脑电采集装置与乒乓球发球机之间的实时数据传输。

所述信号接收处理模块，用于接收脑电采集装置发送过来的经过特征提取处理好的脑电数据，接收到的信号用于控制乒乓球发球机的驱动模块发球，基于左右运动想象的趋向，乒乓球发球机驱动模块驱动所述发球机发出不同旋转性质的上旋球和下旋球。

所述驱动电路模块，用于控制发球的旋转性质和出球速度。当想象向左运动时，发球机发出上旋球；当想象向右运动时，发球机发出下旋球。想象运动集中度越高，出球速度越快。

所述整体机械结构模块，用于发球的运动控制。本发明中用到的乒乓球发球机采用双轮驱动，该发射装置设计为由两个摩擦轮组成，分别由两个直流电动机来带动，当两摩擦轮的速度不同时，即可发射不同旋转速度的上旋球或下旋球；当两轮的速度相同时，即可发射不转球。通过调节电动机的转速即可调节球的初速度。脑控发球模式下，直流电动机由运动想象的脑电波来控制。想象向左运动的脑电波控制直流电动机1，想象向右运动的脑电波控制直流电动机2，运动想象的集中程度控制两直流电动机的转速。

本发明的有益效果：

1、将整个便携式脑电采集单元集成在一顶帽子上，通过蓝牙无线传输数据。使用者只需佩戴脑电采集帽就可以完成脑电信号的采集、数据分析及数据传输。

2、乒乓球发球机单元包括普通模式和脑控模式两种发球模式。普通模式下的乒乓球发球机和市场上的发球机一样，可以满足运动员利用发球机强化训练的目的；脑控模式下的乒乓球发球机能够通过使用者的大脑运动区域的左右想象来控制发球的旋转性质，能够通过使用者注意力的强弱来控制发球力量的强弱。本乒乓球发球机在保留原有乒乓球发球机功能条件下有效扩展了发球机发球模式及其使用范围。

3、本发明可以应用于运动训练和康复治疗领域，当大脑部分皮层受到损伤，出现运动功能障碍时，通过该脑控乒乓球发球机不断的训练，可以辅助实现运动功能的康复。

4、本发明通过大脑来控制乒乓球发球机，实现“意念乒乓”，让残疾人的身心和大脑都得到锻炼，对加快残疾人的身心康复和提高他们的生活娱乐方式都具有重要的意义。

5、本发明既可以用来残疾人的康复训练，又可以作为脑控发球机娱乐产品，还可以作为常规乒乓球发球机用于专业训练，用途广泛。

附图说明

图1是本发明的硬件实施框图；

图2是本发明控制信号流程图；

图3是本发明控制出球旋转性质的原理。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，一种基于脑波控制的乒乓球发球机的应用装置，包括便携式脑电信号采集单元和脑电控制的乒乓球发球机单元。所述便携式脑电信号采集单元包括脑电采集帽、便携式脑电采集装置、数据处理模块、蓝牙数据发送模块，所述乒乓球发球机单元包括信号接收处理模块、用来控制发球的驱动电路模块和乒乓球发球机的整体机械结构模块.使用者将特制的八导联脑电图帽佩戴在头部，启动便携式脑电采集装置的开关，系统开始运行。通过特制八导联脑电图帽采集使用者的脑电模拟信号，并将信号传至便携式脑电采集装置。便携式脑电采集装置放置于脑电图帽的后端。该装置由信号调理电路、模拟前端ADS1299和AVR单片机(Atmega128)构成。信号调理电路和ADS1299内部集成器件，用于消除相关干扰并对脑电信号进行放大。脑电模拟信号经过模拟前端ADS1299的处理后，转换成高分辨率的数字信号。随后将数字信号通过SPI接口传至单片机。

单片机通过蓝牙SPP协议，在脑电采集装置和乒乓球发球机之间建立串口数据通讯，实现两部分间的实时数据传输。乒乓球发球机上的液晶显示屏实时显示特征提取和分类后的脑电数据波形。

如图3所示，发球的基本原理是利用对转双轮的原理，乒乓球由于受到两个反向旋转摩擦轮的作用，可以获得一定的初速度，而两个摩擦轮由直流电动机带动工作。根据图的原理可以看出，脑控发球模式下，直流电动机由运动想象的脑电波来控制。想象向左运动的脑电波控制直流电动机1，想象向右运动的脑电波控制直流电动机2，运动想象的集中程度控制两直流电动机的转速。电动机旋转带动两个摩擦轮转动，同时摩擦乒乓球使其获得一定的动能，乒乓球才得以发射出去。这种原理方案简单实用，发球稳定。

当运动想象向左和向右的程度相当时，两轮角速度相等，发出的乒乓球为不转球；当运动想象向左运动远远强于向右运动时，摩擦轮1的旋转强于摩擦轮2，乒乓球沿轮l方向旋转，此时发出的球为上旋球；当运动想象向右运动远远强于向左运动时，摩擦轮2的旋转强于摩擦轮1，乒乓球沿轮2方向旋转，此时发出的球为下旋球。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于脑波控制的乒乓球发球机的应用装置，其特征在于：包括便携式脑电信号采集单元和脑电控制的乒乓球发球机单元，所述便携式脑电信号采集单元包括脑电采集帽、便携式脑电采集装置、数据处理模块、蓝牙数据发送模块，所述乒乓球发球机单元包括信号接收处理模块、用来控制发球的驱动电路模块和乒乓球发球机的整体机械结构模块。

2.根据权利要求1所述的便携式脑电信号采集单元，其特征在于：八导联脑电图帽、便携式脑电采集装置、数据处理模块、蓝牙数据发送模块。

所述八导联脑电图帽是一顶内置八个传感器的帽子。其外观与普通棒球帽无异，传感器置于帽子的内部。传感器的输出端通过导联线连接脑电采集装置的输入端。

所述便携式脑电采集装置放置于脑电图帽的后端。该装置体积小巧由信号调理电路、模拟前端和微处理器构成。所述模拟前端型号为ADS1299，所述微处理器型号为Atmega128。利用24位高精度模拟前端ADS1299得到高分辨率的数字信号。随后将数字信号通过SPI接口传至以ATmega128为核心的主控模块。主控模块通过SPI总线可以对ADS1299进行相关控制。

所述蓝牙数据发送模块，将便携式脑电采集装置通过蓝牙与乒乓球发球机的控制电路单元连接，实现对脑电数据的实时传输。

3.根据权利要求1所述的脑电控制的乒乓球发球机单元，其特征在于：它具有两种工作模式——普通发球机模式和脑电控制的发球机模式。通过手动调节控制开关可以切换两种不同发球模式。

4.根据权利要求1所述的脑电控制的乒乓球发球机单元，工作在普通发球机模式下，其特征在于：通过预期设定的程序去控制发球模式。发出的球的旋转性质、速度大小和出球频率都是通过程序事先设定好了的，此时乒乓球训练人员只需要知道设定的发球模式，就可以选择合适的回击球的方式，从而达到利用乒乓球发球机进行定项训练的目的。

5.根据权利要求1所述的脑电控制的乒乓球发球机单元，工作在脑电控制的发球机模式下，其特征在于：通过人脑的运动想象去控制发球模式。发出的球的旋转性质、速度大小和出球频率取决于脑电控制者的运动想象方式，通过左右运动想象控制两个旋转摩擦轮旋转，通过两轮的速度差从而发出上旋球或下旋球等不同性质的球；通过注意力的集中程度来控制电机旋转速度，从而控制出球速度。此时残疾人可以通过运动想象达到控制乒乓球发球机发出不同性质的球的目的，增强了有肢体障碍的残疾人的娱乐活动，增强了残疾人脑部活动，同时乒乓球训练人员在未知发球模式下进行训练，考验了训练人员随机应变的能力，从而选择合适的回击球的方式，同样能达到利用乒乓球发球机进行训练的目的,可谓一举两得；再次，大脑运动区域受损的患者可借助此装置进行左右运动想象训练，以此来帮助实现运动功能的康复。