CN110625625A - 一种基于脑电控制的音乐机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脑电控制的音乐机器人设计方法，操作者佩戴脑电波采集模块，通过控制自己的眨眼程度产生7种的眨眼波幅值，将这7种眨眼幅值代表7个不用的音阶；根据7个音阶状态去控制机械臂；脑电波采集模块通过无线蓝牙传输模块将眨眼产生脑电波数据发送给主控板，主控板解析脑电波数据进而判断出当前脑电波所给出的音阶命令状态，进而去控制六个自由度的机械臂去敲击音乐竖琴，对操作者进行一定的训练就可以轻松的控制机械臂演奏出不同的音乐歌曲，本发明属于嵌入式系统领域，在残疾患者训练康复、幼儿早教等方面由一定应用价值。

Description

一种基于脑电控制的音乐机器人

技术领域

本发明涉及了一种基于脑电控制的音乐机器人设计方法，该系统通过操作者佩戴脑电波采集模块，利用眨眼程度控制六个自由度的机械臂去敲击音乐竖琴，以演奏出不同的音乐歌曲，本发明属于嵌入式系统领域，在幼儿早教等方面由一定应用价值。

背景技术

生物电现象是生命活动的基本特征之一，脑电波是众多生物电的一种。人类在进行思维活动时，在大脑产生的生物电信号就是脑电波，这些脑电波信号可以通过放置在头皮的传感器来进行测量和研究。脑机接口是指在人脑与外部设备间建立直接连通通路，从而人类直接通过脑来表达想法或操纵设备，而不需要语言或动作，这可以有效增强身体严重残疾的患者与外界交流或控制外部环境的能力，以提高患者的生活质量。TGAM(ThinkGear AM)是Neurosky为大众市场应用所设计的脑波传感器ASIC模块，TGAM模块可以处理并输出脑波频率谱，脑电信号质量，原始脑电波和三个Neurosky的eSense参数：专注度，放松度和眨眼侦测。只需一个简单的干接触点置于头部即可进行脑电波检测，所以可以很容易的运用于健康设备中，又由于能耗小，适合用在以电池供电的便携式消费产品的应用上；机械臂是一种能模仿人手和手臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。其主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。执行机构一般为步进电机或者舵机，驱动机构即为相对应的电机驱动，控制系统即整个系统的主控板。

本发明公开了一种基于脑电控制的音乐机器人设计方法，脑电波采集模块通过无线蓝牙传输模块将操作者眨眼产生脑电波数据发送给主控板，主控板解析脑电波数据进而判断出当前脑电波所给出的7种音阶命令状态，进而去控制六个自由度的机械臂去敲击音乐竖琴，对操作者进行一定的训练就可以轻松的控制机械臂演奏出不同的音乐歌曲，本发明在残疾患者训练康复、幼儿早教等方面由一定应用价值。

发明内容

本发明的目的利用脑电控制技术，设计了一种基于脑电控制的音乐机器人设计的方法，本方法能够充分利用人类眨眼时产生的脑电信号来控制机械臂做出不同的控制动作，且不受外界因素影响。为此，本发明采用如下技术方案。

一种基于脑电控制的音乐机器人，主要包括下列内容：

(1)通过脑波传感器采集TGAM(ThinkGear AM)模块采集到的脑电波数据进一步处理并通过串口输出脑波频率谱，脑电信号质量，原始脑电波和三个指标参数：专注度，放松度和眨眼侦测；

(2)TGAM模块与无线蓝牙传输模块连接，通过蓝牙协议把脑电数据发送给无线蓝牙接收模块，蓝牙接收模块把接收到的数据通过串口发送给主控板；

(3)主控板接收到数据后对这些数据进行处理，根据眨眼程度的不同识别出7个操作者状态，分别代表7个音阶；

(4)将7个音阶分别转换为机械臂控制信号，机械臂操作音乐竖琴手锤对竖琴种对应音阶位置进行敲击操作，实现不同音乐的演奏；

(5)系统供电部分采用的是220伏转24伏以及220伏转5伏的开关电源，分别对机械臂以及主控板供电。

本方法与现有技术相比较具有如下优点：

1.操作准确。本发明实现了基于脑电信号的机器人的无线控制，对采集的脑电信号进行数据处理，识别出操作者的多种不同状态，并控制机械臂演奏出不同音乐，整体采用非侵入式方法采集脑电信号安全便捷，系统硬件精度较高、软件控制方面完善，可以实现精确的音乐演奏控制。

2.应用性广泛。本发明结合了脑电信号采集与机械臂控制技术，可以应用于不同的领域，例如智能驾驶、智能家居等方面。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

具体实施方式

本发明的系统结构如图1所示，分别由①TGAM脑电波模块；②无线蓝牙透传模块Risym HC-06；③主控板选择为Arduino Mega 2560；④机械臂架构选择为6自由度开源机械臂支架；⑤步进电机型号选择是57步进电机；⑥步进电机驱动型号选择是DM542 57步进电机驱动；⑦步进电机以及主控板的电源选择220V转24V以及220V转5V的开关电源。对本发明技术方案的具体实施过程加以说明。

1.通过脑波传感器采集TGAM模块采集到的脑电波数据；

为了安全与便捷的考虑，本系统采用了非侵入式脑电波采集方式。Neurosky的TGAM模块是一款先进的并且广泛应用与各种商业脑电波设备的脑电波采集模块。此TGAM(ThinkGearAM)模块可以处理并输出脑波频率谱，脑电信号质量，原始脑电波和三个Neurosky的eSense参数：专注度，放松度和眨眼侦测。和人体的界面只需一个简单的干接触点，所以可以很容易的运用于又由于能耗小，适合用在以电池供电的便携式消费产品的应用上。使用TGAM模块的优点为：(1)可以缩短该系统的开发周期；(2)提供了高质量并且可靠便捷的脑电波数据；(3)TGAM模块输出的数据通过模块集成的串口进行发送，便于采用无线蓝牙透传模块，使主控板能进行脑电波数据的接收与处理。

2.TGAM模块与无线蓝牙传输模块连接；

无线蓝牙传输模块是一种低功耗蓝牙模块，采用串口透明传输工作方式。蓝牙串口透传模块是为了让用户更好的开发蓝牙无线传输产品，不需关心蓝牙协议栈如何实现，其工作机制是由一个串口转蓝牙的主机发射模块发送数据，一个蓝牙转串口的接收模块接收数据，该模块无需对要发送的数据进行任何处理，而只是保证原始数据的发送到主控板上。

3.主控板根据眨眼程度的不同识别出7个操作者状态；

主控板根据眨眼程度的不同检测出眨眼的不同状态，采用皮尔逊相关系数算法，皮尔逊相关系数用于度量两个变量的相关程度，将脑电波波形数据与经多次测试得出的原始波形数据进行对比，达到一定的相关程度则认为测试者做出了相同的意识动作，根据眨眼程度分为7个不同的状态等级。

4.将7个音阶分别转换为机械臂控制信号；

主控板接收数据后，对这些数据进行处理，把眨眼程度分为7个级别，级别对应操作者的不同状态，并控制机械臂做出相应的动作；当操作者眨眼程度级别为一级时，机械臂敲击1键；眨眼程度二级时，机械臂敲2键，眨眼程度三级时，机械臂敲3键；眨眼程度四级时，机械臂敲4键。眨眼程度五级时，机械臂敲5键，眨眼程度六级时，机械臂敲6键；眨眼程度七级时，机械臂敲7键。

5.系统供电部分采用的是220伏转24伏以及220伏转5伏的开关电源；

该系统的主控板、脑电波采集模块以及电机驱动都需要电源供电，而且其所需要的电压也不尽相同。其中TGAM脑电波采集模块的供电电压为3.3伏，因此处于便捷性的考虑，直接用3.3V的锂电池作为TGAM模块的电源，主控板所需要的供电电压为5V，电机驱动所需要的供电电压为24V，需要两个相对应等级的开关电源分别作为主控板与电机驱动的供电电源。

6.总结

本发明设计了一种基于脑电控制的音乐机器人，采用开关电源为机械臂和主控板供电，实现了整个系统的稳定供电，采取皮尔逊相关系数算法进行眨眼检测，可以识别出操作者7种不同的脑电波状态，实现了对六自由度机械臂的运动控制，依托无线蓝牙传输模块实现TGAM模块与主控板之间的数据通讯，操作者通过TGAM模块，用自己的脑电波来控制机械臂的运动，本发明可在医学、物理学、控制理论、认知学、人机工程学、心理学、计算机科学、传感器技术等领域有着很好的应用示范意义。

Claims (1)

1.一种基于脑电控制的音乐机器人，主要包括下列内容：

(1)通过脑波传感器采集TGAM(ThinkGear AM)模块采集到的脑电波数据进一步处理并通过串口输出脑波频率谱，脑电信号质量，原始脑电波和三个指标参数：专注度，放松度和眨眼侦测；

(2)TGAM模块与无线蓝牙传输模块连接，通过蓝牙协议把脑电数据发送给无线蓝牙接收模块，蓝牙接收模块把接收到的数据通过串口发送给主控板；

(3)主控板接收到数据后对这些数据进行处理，根据眨眼程度的不同识别出7个操作者状态，分别代表7个音阶；

(4)将7个音阶分别转换为机械臂控制信号，机械臂操作音乐竖琴手锤对竖琴种对应音阶位置进行敲击操作，实现不同音乐的演奏；

(5)系统供电部分采用的是220伏转24伏以及220伏转5伏的开关电源，分别对机械臂以及主控板供电。