CN106741775A - 一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统及方法 - Google Patents

一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于意念控制的仿生机器鱼系统及方法，该系统能够通过意念控制仿生机器鱼的运动。该系统包括脑电耳机和仿生机器鱼；所述脑电耳机采集并处理使用者的原始脑波值，获得专注度指数，并将专注度指数发送至仿生机器鱼，仿生机器鱼将专注度指数分为多个区间，每个区间对应仿生机器鱼的一种运动指令。

Description

一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统及方法
技术领域
本发明属于脑机接口技术和机器人领域，具体涉一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统及方法。
背景技术
近年来随着仿生学和机器人技术的发展，仿生机器人取得了很大的进步。由于鱼类在游动的时候具有高推进效率、机动性、低噪声和高隐蔽性等优点，这些优点引发了研究鱼类的运动机理和开发仿鱼类水中机器人的热潮。在已经制成功的机器鱼实物中，按照控制方式可以分为自主型和遥控型。传统的遥控型仿生机器鱼大多基于Wifi或蓝牙通信，采用智能手机、个人电脑和手柄等平台进行控制。然而传统的遥控型仿生机器鱼具有如下缺点：
1、遥控器的规格并不统一，硬件结构较为复杂，需要专机专用。
2、遥控器操作界面较为复杂，需要双手操作，不便于同时进行别的工作。
3、功能较为单一，仅能实现仿生机器鱼的控制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统及方法，能够通过脑电波控制仿生机器鱼的运动。
实施本发明的技术方案如下：
一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统，该系统包括脑电耳机和仿生机器鱼；所述脑电耳机采集并处理使用者的原始脑波值，获得使用者的专注度指数，并将专注度指数发送至仿生机器鱼，仿生机器鱼将专注度指数分为多个区间，每个区间对应仿生机器鱼的一种运动指令。
进一步地，所述脑电耳机包括脑电信号采集电极、脑电信号处理模块和蓝牙传输模块，脑电信号采集电极和蓝牙传输模块均与脑电信号处理模块相连；脑电信号采集电极采集使用者的原始脑波值并将其传输至脑电信号处理模块，脑电信号处理模块将原始脑波值进行处理获得专注度指数，脑电耳机最后将由专注度指数构成的数据包通过蓝牙传输模块实时传送至仿生机器鱼上。
进一步地，所述仿生机器鱼包括头部外壳、底部圆筒、支撑板、控制器、舵机、绕线盘、蓝牙接收模块、电池、鱼尾、鱼骨架和绳索；头部外壳是一端开放的壳体，底部圆筒是一端与头部外的开放端匹配的开口，另一端封闭的圆型腔体，且封闭端设有两个对称的通孔，鱼尾是一中间陈列设有通孔的条形结构，鱼骨架是多对长度依次递减的结构，每一鱼骨架端部均有一通孔，头部外壳与底部圆筒密封连接，控制器、舵机、绕线盘、电蓝牙接收模块和电池均固定在支撑板上，支撑板固定在底部圆筒上；舵机的输出轴与绕线盘连接，鱼尾是一PVC板材制造的结构，鱼尾的一端固定于底部圆筒的封闭端外侧，多对鱼骨架按照长度依次递减均匀固定在紧邻圆筒底部的鱼尾上，两根绳索的一端缠绕并固定在绕线盘上，两根绳索的另一端分别通过底部圆筒上的两个小孔后，依次穿过多对鱼骨架的通孔后与末端鱼骨架固联；蓝牙接收模块实时接收脑电耳机传送的专注度指数构成的数据包，并将所述数据包传送至控制器，控制器对所述数据包进行分析后分为多个区间，基于每个区间，控制器发出不同区间对应的指令控制舵机进行旋转，舵机旋转时带动绕线盘旋转，从而鱼尾两侧的绳索分别处于拉紧和松弛的状态，使得鱼尾弯曲，实现了鱼尾的左右运动；当舵机左右转动时，鱼尾则会左右均匀摆动相同的角度，从而实现了仿生机器鱼的前进运动。
进一步地，脑电信号采集电极采用两个电极，一个作为参考电极夹在使用者耳朵上，另一个作为采集电极贴于额头采集信号。
进一步地，舵机采用Power HD-9001MG舵机。
进一步地，蓝牙接收模块和蓝牙传输模块均采用HC-06模块。
进一步地，控制器采用STM32芯片；电池采用18650锂离子电池。
进一步地，仿生机器鱼的头部外壳和底部圆筒配合后的长度与鱼尾长度比为1：1，并在头部外壳内增加了50％-60％的配重。
一种基于脑电波控制的仿生机器鱼方法，现仿生机器鱼运动的具体步骤如下：
第1步；打开脑电耳机和仿生机器鱼开，并对仿生机器鱼进行初始化；
第2步：将脑电信号采集电极的两个电极，一个作为参考电极夹在使用者耳朵上，另一个作为采集电极贴于额头，所述脑电信号采集电极采集使用者的原始脑波值并将其传输至脑电信号处理模块；
第3步：脑电信号处理模块将原始脑波值进行处理获得专注度指数，脑电耳机最后将由专注度指数构成的数据包通过蓝牙传输模块实时传送至仿生机器鱼上；
第4步：仿生机器鱼的蓝牙接收模块实时接收脑电耳机传送的专注度指数构成的数据包，并将所述注度指数构成的数据包传送至控制器；
第5步：控制器将专注度指数与设定区间的阈值进行比较，当专注度指数小于或等于设定的阈值S1且大于设定的阈值S2时，仿生机器鱼前进；当专注度指数小于或等于S2且大于设定的阈值S3时，仿生机器鱼右转；当专注度指数小于或等于S3且大于设定的阈值S4时，仿生机器鱼左转；当专注度指数小于或等于S4且大于等于设定的阈值S5时，仿生机器鱼停止；则一个专注度指数循环完成；
第6步：当一个专注度指数完成时，控制器再接收下一次脑电耳机输入的专注度指数进行循环，直到电源断开为止。
进一步地，S1＝100，S2＝75，S3＝50，S4＝25,S5＝0。
有益效果：
1、本系统基于脑电信号实现对仿生机器鱼的脑电波控制，既可以作为一种玩具用来提高和开发儿童智力，又可以作为一种专注度训练的工具，锻炼思维能力，集中注意力。
2、本发明创造性的将人的脑电信号和仿生机器鱼连接起来，设计了一个基于脑电波控制的仿生机器鱼系统，实现了通过脑电波控制仿生机器鱼的运动。
3、本发明设计的控制装置的硬件结构：装置简单，仅仅由脑电耳机构成，并无由众多按键组成的复杂遥控器。
4、操控的便捷性：操控更加简便，解放双手。
附图说明
图1为本发明的整体组成框图；
图2为仿生机器鱼的整体结构；
图3为仿生机器鱼的内部结构；
图4为基于脑电波控制的仿生机器鱼的程序流程图；
图5为仿生机器鱼的运动实现前进示意图；
图6为仿生机器鱼的运动实现左转示意图；
图7为仿生机器鱼的运动实现右转示意图。
其中，1-头部外壳；2-底部圆筒；3-支撑板；4-控制器；5-舵机；6-绕线盘；7-蓝牙接收模块；8-电池；9-鱼尾；10-鱼骨架-；11-绳索；12-通孔；13-橡胶圈。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统及方法，该系统包括脑电耳机、仿生机器鱼两个部分；其中，脑电耳机包括脑电信号采集电极、脑电信号处理模块和蓝牙传输模块，脑电信号采集电极和蓝牙传输模块均与脑电信号处理模块相连。
耳机采集并处理脑电信号并将经过处理的脑电信号通过蓝牙模块发送至仿生机器鱼，实时命令仿生机器鱼，实现脑电波控制仿生机器鱼；所述仿生机器鱼由舵机驱动，可在水中实现前进和转弯等运动。
脑电信号处理模块可以采用NeuroSky公司的TGAM芯片，脑电信号采集电机可以采用两个电极，一个作为参考电极夹在使用者耳朵上，另一个作为采集电极贴于额头采集信号。采集电极采集操作者的原始脑波值并将其传输至TGAM芯片，TGAM芯片处理原始脑波值得到专注度指数。TGAM芯片最后将由专注度指数构成的数据包通过蓝牙发射模块实时传到仿生机器鱼上。
如图3和4所示，所述仿生机器鱼包括头部外壳1、底部圆筒2、支撑板3、控制器4、舵机5、绕线盘6、蓝牙接收模块7、电池8、鱼尾9、鱼骨架10和绳索11；头部外壳1是一端开放的壳体，底部圆筒2是一端与头部外壳1的开放端匹配的开口，另一端封闭的圆型腔体，且封闭端设有两个对称的通孔12，鱼尾9是一中间陈列设有通孔的条形结构，鱼骨架10是多对长度依次递减的结构，每一鱼骨架10端部均有一通孔，头部外壳与底部圆筒2通过橡胶圈13密封连接，控制器4、舵机5、绕线盘6、电蓝牙接收模块7和电池8均固定在支撑板3上，支撑板3固定在底部圆筒2上；舵机的输出轴与绕线盘连接，鱼尾的一端固定于底部圆筒的封闭端外侧，多对鱼骨架10按照长度依次递减均匀固定在紧邻圆筒底部2的鱼尾9上，两根绳索11的一端缠绕并固定在绕线盘上，两根绳索11的另一端分别通过底部圆筒2上的两个小孔后，依次穿过多对鱼骨架10的通孔后与末端鱼骨架10固联。这样，舵机5输出轴旋转时可以带动绕线盘旋转，进而让鱼尾两侧的绳索分别处于拉紧和松弛的状态，进而使得鱼尾弯曲；当舵机5输出轴来回转动时，鱼尾9状板材就会来回摆动，从而实现仿生机器鱼的运动。具体实现过程如下：当把鱼尾中轴作为对侧中心线，控制器控制舵机相对对侧中心线左右各旋转M1，仿生机器鱼实现前进运动；当把与所述中轴左侧夹角为M2的线作为对侧轴，控制器控制舵机相对对侧轴左右各旋转M2，实现左转运动，以与所述中轴右侧夹角为M3的线作为对侧轴，舵机左右各旋转M3来实现右转运动；其中，M3＝M2+M1.
其中，鱼尾9可以采用PVC板材，其具有柔韧性好，易加工成型，不吸水，不容易塑性变形，容易与鱼骨架连接等特点；鱼骨架可以采用3D打印一体成型，加工方便，结实耐用，容易连接。
防水方面，头部外壳1与底部圆筒2连接处采用橡胶圈进行防水，优点是方便拆卸、密封性好；底部圆筒穿过绳索的小孔采用锥顶橡胶塞进行防水，能够有效的防水并最大限度的减少对绳索运动的阻碍。
如图5-7所示，仿生机器鱼的运动的实现：以中轴为对侧中心，舵机左右各旋转30°来实现前进运动；以中轴左侧15°为对侧轴，舵机左右各旋转15°来实现左转运动；以中轴右侧15°为对侧轴，舵机左右各旋转15°来实现右转运动。
如图2所示，控制方面：
仿生机器鱼包括控制器、蓝牙接收模块、舵机和电源，舵机可以采用Power HD-9001MG舵机，蓝牙模块可以采用HC-06模块，控制器可以采用STM32芯片，电池可以采用18650锂离子电池。蓝牙接收模块实时接收脑电耳机传送的专注度指数构成的数据包，并传送至控制器，控制器对数据包进行分析，将不同的专注度指数对应不同的指令控制舵机进行旋转，从而实现仿生机器鱼的各种运动。
具体来讲，可以将专注度指数分为几个区间，每个区间对应仿生机器鱼的一种运动指令，当前专注度指数属于某一区间，则仿生机器鱼执行相应的运动指令。
一种基于脑电波控制的仿生机器鱼方法，现仿生机器鱼运动的具体步骤如下：
第1步；打开脑电耳机和仿生机器鱼开，并对仿生机器鱼进行初始化；
第2步：将脑电信号采集电极的两个电极，一个作为参考电极夹在使用者耳朵上，另一个作为采集电极贴于额头，所述脑电信号采集电极采集使用者的原始脑波值并将其传输至脑电信号处理模块；
第3步：脑电信号处理模块将原始脑波值进行处理获得专注度指数，脑电耳机最后将由专注度指数构成的数据包通过蓝牙传输模块实时传送至仿生机器鱼上；
第4步：仿生机器鱼的蓝牙接收模块实时接收脑电耳机传送的专注度指数构成的数据包，并将所述注度指数构成的数据包传送至控制器；
第5步：控制器将专注度指数与设定区间的阈值进行比较，由于专注度指数的范围在0到100之间，所以设定：当专注度指数小于等于100且大于75时，仿生机器鱼前进；当专注度指数小于等于75且大于50时，仿生机器鱼右转；当专注度指数小于等于50且大于25时，仿生机器鱼左转；当专注度指数小于等于25且大于等于0时，仿生机器鱼停止；
第6步：当一个专注度指数完成时，控制器再接收下一次脑电耳机输入的专注度指数进行循环，直到电源断开为止。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统，其特征在于，该系统包括脑电耳机和仿生机器鱼；所述脑电耳机采集并处理使用者的原始脑波值，获得使用者的专注度指数，并将专注度指数发送至仿生机器鱼，仿生机器鱼将专注度指数分为多个区间，每个区间对应仿生机器鱼的一种运动指令。
2.如权利要求1所述一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统，其特征在于，所述脑电耳机包括脑电信号采集电极、脑电信号处理模块和蓝牙传输模块，脑电信号采集电极和蓝牙传输模块均与脑电信号处理模块相连；脑电信号采集电极采集使用者的原始脑波值并将其传输至脑电信号处理模块，脑电信号处理模块将原始脑波值进行处理获得专注度指数，脑电耳机最后将由专注度指数构成的数据包通过蓝牙传输模块实时传送至仿生机器鱼上。
3.如权利要求1所述一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统，其特征在于，所述仿生机器鱼包括头部外壳(1)、底部圆筒(2)、支撑板(3)、控制器(4)、舵机(5)、绕线盘(6)、蓝牙接收模块(7)、电池(8)、鱼尾(9)、鱼骨架(10)和绳索(11)；头部外壳(1)是一端开放的壳体，底部圆筒(2)是一端与头部外(1)的开放端匹配的开口，另一端封闭的圆型腔体，且封闭端设有两个对称的通孔(12)，鱼尾(9)是一中间陈列设有通孔的条形结构，鱼骨架(10)是多对长度依次递减的结构，每一鱼骨架(10)端部均有一通孔，头部外壳与底部圆筒(2)密封连接，控制器(4)、舵机(5)、绕线盘(6)、电蓝牙接收模块(7)和电池(8)均固定在支撑板(3)上，支撑板(3)固定在底部圆筒(2)上；舵机(5)的输出轴与绕线盘连接，鱼尾(9)是一PVC板材制造的结构，鱼尾(9)的一端固定于底部圆筒的封闭端外侧，多对鱼骨架(10)按照长度依次递减均匀固定在紧邻圆筒底部(2)的鱼尾(9)上，两根绳索(11)的一端缠绕并固定在绕线盘上，两根绳索(11)的另一端分别通过底部圆筒(2)上的两个小孔后，依次穿过多对鱼骨架(10)的通孔后与末端鱼骨架(10)固联；蓝牙接收模块(7)实时接收脑电耳机传送的专注度指数构成的数据包，并将所述数据包传送至控制器(4)，控制器(4)对所述数据包进行分析后分为多个区间，基于每个区间，控制器发出不同区间对应的指令控制舵机(5)进行旋转，舵机(5)旋转时带动绕线盘(6)旋转，从而鱼尾(9)两侧的绳索(11)分别处于拉紧和松弛的状态，使得鱼尾(9)弯曲，实现了鱼尾(9)的左右运动；当舵机(5)左右转动时，鱼尾(9)则会左右均匀摆动相同的角度，从而实现了仿生机器鱼的前进运动。
4.如权利要求2所述一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统，其特征在于，脑电信号采集电极采用两个电极，一个作为参考电极夹在使用者耳朵上，另一个作为采集电极贴于额头采集信号。
5.如权利要求3所述一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统，其特征在于，舵机(5)采用Power HD-9001MG舵机。
6.如权利要求3所述一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统，其特征在于，蓝牙接收模块(5)和蓝牙传输模块均采用HC-06模块。
7.如权利要求3所述一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统，其特征在于，控制器(4)采用STM32芯片；电池(8)采用18650锂离子电池。
8.如权利要求3所述一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统，其特征在于，仿生机器鱼的头部外壳(1)和底部圆筒(2)配合后的长度与鱼尾(9)长度比为1：1，并在头部外壳(1)内增加了50％-60％的配重。
9.一种基于脑电波控制的仿生机器鱼方法，其特征在于，实现仿生机器鱼运动的具体步骤如下：
第1步；打开脑电耳机和仿生机器鱼开，并对仿生机器鱼进行初始化；
第2步：将脑电信号采集电极的两个电极，一个作为参考电极夹在使用者耳朵上，另一个作为采集电极贴于额头，所述脑电信号采集电极采集使用者的原始脑波值并将其传输至脑电信号处理模块；
第3步：脑电信号处理模块将原始脑波值进行处理获得专注度指数，脑电耳机最后将由专注度指数构成的数据包通过蓝牙传输模块实时传送至仿生机器鱼上；
第4步：仿生机器鱼的蓝牙接收模块(7)实时接收脑电耳机传送的专注度指数构成的数据包，并将所述注度指数构成的数据包传送至控制器(4)；
第5步：控制器(4)将专注度指数与设定区间的阈值进行比较，当专注度指数小于或等于设定的阈值S1且大于设定的阈值S2时，仿生机器鱼前进；当专注度指数小于或等于S2且大于设定的阈值S3时，仿生机器鱼右转；当专注度指数小于或等于S3且大于设定的阈值S4时，仿生机器鱼左转；当专注度指数小于或等于S4且大于等于设定的阈值S5时，仿生机器鱼停止；则一个专注度指数循环完成；
第6步：当一个专注度指数完成时，控制器(4)再接收下一次脑电耳机输入的专注度指数进行循环，直到电源断开为止。
10.如权利要求9所述一种基于脑电波控制的仿生机器鱼系统，其特征在于，S1＝100，S2＝75，S3＝50，S4＝25,S5＝0。
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