CN206216694U - 一种基于脑机接口的绘图装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于脑机接口的绘图装置，用于通过获取脑波信号实现对绘图机器的控制，该绘图模块包括：用于获取脑波信号的脑波采集单元；用于发送脑波信号的发送单元，发送单元与脑波采集单元电连接；用于接收脑波信号的接收单元，接收单元与发送单元通信连接；用于对脑波信号进行处理并生成控制指令的处理单元，处理单元与接收单元电连接；用于根据控制指令驱动绘图的驱动单元，驱动单元与处理单元电连接；用于根据驱动单元的驱动进行绘图的绘图单元，绘图单元与驱动单元电连接。采用本实用新型的技术方案，通过获取的脑波信号控制导轨的运动，导轨上固定画笔，实现画图功能。

Description

一种基于脑机接口的绘图装置

技术领域

本实用新型涉及脑波信号作为人机交互信号的技术领域，具体涉及一种基于脑机接口的绘图装置。

背景技术

人们的大脑无时无刻不在产生着脑电波，这一电信号可以根据频率不同而划分为Delta波、Theta波、Alpha波、Beta波、Gamma波等类型，针对这几种不同类型的脑电波信号可以进行采集分析从而分析出人的心理活动，从而实现“意念”控制。脑-机接口便是随之应运而生的新兴信息交流与控制通道，它不依赖于传统大脑输出通路，借助采集人前额电压的波动，通过TGAM脑电波传感器可以采集电压信号。

但这种“意念”控制的概念并没有技术手段进行实现，因此现有技术中缺乏利用脑波信号从而实现对机器人进行控制的实际解决问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于脑机接口的绘图装置，以期实现利用脑波信号从而实现对机器人进行控制。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种基于脑机接口的绘图装置，并采用如下技术方案：

一种基于脑机接口的绘图装置包括：用于获取脑波信号的脑波采集单元；用于发送所述脑波信号的发送单元，所述发送单元与所述脑波采集单元电连接；用于接收所述脑波信号的接收单元，所述接收单元与所述发送单元通信连接；用于对所述脑波信号进行处理并生成控制指令的处理单元，所述处理单元与所述接收单元电连接；用于根据所述控制指令驱动绘图的驱动单元，所述驱动单元与所述处理单元电连接；用于根据所述驱动单元的驱动进行绘图的绘图单元，所述绘图单元与所述驱动单元电连接。

进一步地，所述发送单元与所述接收单元均采用蓝牙模块。

进一步地，所述脑波采集单元包括：用于采集前额脑电波的干电极；用于对所述脑电波进行初处理并形成所述脑波信号的脑电波传感器，所述脑电波传感器与所述干电极电连接；用于为所述脑电波传感器供电的电源模块，所述电源模块连接所述脑电波传感器。

进一步地，所述处理单元采用微处理器STM32F429。

进一步地，所述驱动单元包括：用于驱动所述绘图单元的三个步进电机；用于根据所述控制指令驱动三个所述步进电机的步进电机驱动模块，所述步进电机驱动模块分别与所述处理单元与三个所述步进电机电连接。

进一步地，所述绘图单元包括：两根相互平行的滑轨组成的第一组滑轨，所述滑轨上均设有滑块，其中一个滑块内置用于驱动所述滑块的所述步进电机；与所述第一组滑轨相垂直的第二组滑轨，所述第二组滑轨也包括两根相互平行的滑轨，所述滑轨分别对应连接所述滑块，所述第二组滑轨的两根滑轨上也均设有滑块，其中一个所述滑块内置所述步进电机；与所述第二组滑轨相垂直的第三组滑轨，所述第三组滑轨也包括两根相互平行的滑轨，且所述滑轨分别与所述第二组滑轨垂直相接，且所述第三组滑轨处于所述第二组滑轨的两根滑轨之间，所述第三组滑轨的下部滑轨上也设有滑块，所述滑块内置所述步进电机，且所述滑块上固定画笔；三个所述步进电机均连接所述步进电机驱动模块。

进一步地，所述接收单元、所述处理单元以及所述步进电机驱动模块集成为一体，固定在所述第三组滑轨的上部滑轨上。

采用本实用新型的技术方案，借助采集人前额电压的波动，通过TGAM脑电波传感器可以采集电压信号，利用嵌入式微处理器和脑电波传感器等器件设计了绘图机器人的控制系统。系统通过TGAM脑电波传感器获取脑波信号实现对绘图单元三个步进电机的精准控制，进而实现同步带导轨三维动作，完成绘图功能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本实用新型实施例一所提供的一种基于脑机接口的绘图装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例二所述的脑机接口的绘图装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例所述的绘图模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例一

图1为本实用新型实施例一所提供的一种基于脑机接口的绘图装置的结构示意图。

请参考图1，一种基于脑机接口的绘图装置包括：用于获取脑波信号的脑波采集单元10；用于发送所述脑波信号的发送单元20，所述发送单元20与所述脑波采集单元10电连接；用于接收所述脑波信号的接收单元30，所述接收单元30与所述发送单元20通信连接；用于对所述脑波信号进行处理并生成控制指令的处理单元40，所述处理单元40与所述接收单元30电连接；用于根据所述控制指令驱动绘图的驱动单元50，所述驱动单元50与所述处理单元40电连接；用于根据所述驱动单元50的驱动进行绘图的绘图单元60，所述绘图单元60与所述驱动单元50电连接。

在本实施例的技术方案中，脑波采集单元10为采集端，脑波采集部分采集脑电波信号数据，使用发送单元20将采集来的数据发送给信号接收执行部分的处理单元40。处理单元40处理数据对电机驱动模块下发控制指令，进而控制导轨的运动，其包括前进、后退、左移、右移、左转、右转等，另外可以给设备配置有指示灯来显示导轨目前的运作状态信息。

采用本实施例的技术方案，借助采集人前额电压的波动，通过TGAM脑电波传感器可以采集电压信号，利用嵌入式微处理器和脑电波传感器等器件设计了绘图机器人的控制系统。系统通过TGAM脑电波传感器获取脑波信号实现对绘图单元三个步进电机的精准控制，进而实现同步带导轨三维动作，完成绘图功能。

实施例二

图2为本实用新型实施例二所述的脑机接口的绘图装置的结构示意图。

参见图2所示，所述发送单元20与所述接收单元30均采用蓝牙模块201。

作为优选的实施例地，所述脑波采集单元10包括：用于采集前额脑电波的干电极101；用于对所述脑电波进行初处理并形成所述脑波信号的脑电波传感器，即图2中的TGAM脑电波模块，所述脑电波传感器与所述干电极101电连接；用于为所述脑电波传感器供电的电源模块102，所述电源模块102连接所述脑电波传感器。

优选地，所述处理单元40采用型号为STM32F429的微处理器221。

处理单元40采用STM32F429微处理器，该处理器采用最新的180MHz的ARM Cortex-M4处理器内核，可取代当前的基于微控制器和中低端独立数字信号处理器的双片解决方案，或者将两者整合成一个基于标准内核的数字信号控制器。STM32F4产品内置意法半导体的自适应实时(ART)加速技术，进一步增强了ARM Cortex-M4内核的处理性能。

优选地，所述驱动单元50包括：用于驱动所述绘图单元60的三个步进电机223，图中只示出一个步进电机223，每个步进电机均为相同的方式与步进电机驱动模块222相连接；用于根据所述控制指令驱动三个所述步进电机223的步进电机驱动模块222，所述步进电机驱动模块222分别与所述微处理器221与三个所述步进电机223电连接。

在本实施例的技术方案中，给出脑波采集单元10以及驱动单元50的具体实施方式，以及处理单元40采用微处理器STM32F429为控制核心，其余主要模块有蓝牙模块201、步进电机驱动模块222、步进电机223。脑波采集单元10主要部件为TGAM脑电波模块103。TGAM脑电波模块103主要负责对前额脑电波信号进行采集及初处理，并将所需要的关注度、放松度、前额电压等数据传出。TGAM脑电波模块103与干电极101直接相连，通过单个信号及耳夹引出的参考电极构成脑脑波采集单元10，在检测到原始脑电信号的同时过滤噪音，极抗干扰。该TGAM脑电波模块10采样率为512Hz，频率范围为3Hz—100Hz，最大消耗功率为15毫安·3.3伏，运行电压为2.97～3.63V，输出接口波特率设置为57600波特。蓝牙模块201使用HC-05，工作电压为3.3v，内置2.4GHz天线。串口通信波特率设置为57600，数据传输方式设定为8数据位1停止位0校验位。在AT模式下，将系统所用的两个蓝牙模块分别设置为主机模式、从机模式，在上电后两蓝牙可以相互连接实现数据通讯。

更进一步地，步进电机223是借助电脉冲实现角位移的执行器件，具有转矩大、惯性小、响应频率高的特点，所具有的瞬间启动及急速停止特性适合绘图要求。步进电机采用J-5718HB6401型号的步进电机，工作额定电流为4.0A，相电阻1.1Ω，工作时可保持转矩为3.6N·m，步距角1.8°。

对于混合式步进电机而言，工作时要求定子磁极的极性交变，通常要求绕组由双极性驱动电路驱动。对电机绕组双极性供电的典型结构是H桥式主电路，这种驱动电路较复杂。但是由于集成化的双极性驱动芯片的出现，使其得到广泛应用。

步进电机223通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了。如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只为“电机固有步距角”的十分之一，当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，步进电机223转动1.8°，而用细分驱动器工作在10细分状态时，步进电机223只转动了0.18°。细分功能完全是由驱动器靠精确控制步进电机223的相电流所产生的，与步进电机223无关。

驱动器细分后的主要优点为：完全消除了电机的低频振荡；提高了步进电机223的输出转矩，提高了步进电机223的分辨率，由于减小了步距角、提高了步距的均匀度。现在采用的是256的细分，将原来的1.8°的步距角细分为0.42″,增加了步进电机223的精确度。

借助M542H步进电机223可控制步进电机223的转动方向和运动速度，从而控制画笔运动速度。

图3为本实用新型实施例所述的绘图模块的结构示意图。

作为优选的实施例，所述绘图单元60包括：两根相互平行的滑轨组成的第一组滑轨503，所述滑轨上均设有第一组滑块509，其中第一组滑块509中的一个滑块内置用于驱动滑块的所述步进电机223；与所述第一组滑轨503相垂直的第二组滑轨501，所述第二组滑轨501也包括两根相互平行的滑轨，所述滑轨分别对应连接说话第一组滑块509，所述第二组滑轨501的两根滑轨上也均设有第二组滑块512，其中一个所述滑块内置所述步进电机223；与所述第二组滑轨501相垂直的第三组滑轨514，所述第三组滑轨514也包括两根相互平行的滑轨，且所述滑轨分别与所述第二组滑轨501垂直相接，且所述第三组滑轨514处于所述第二组滑轨501的两根滑轨之间，所述第三组滑轨514的下部滑轨上也设有滑块504，滑块504内置所述步进电机223，且所述滑块504上固定画笔505；三个所述步进电机223均连接图2中的步进电机驱动模块222。

在本实施例的技术方案中，绘图模块60由三组互相垂直的导轨组成，各导轨可借助步进电机223牵引皮带实现移动；画笔505则被固定于水平导轨的滑块上，在三个放置于不同导轨上的步进电机223的帮助下可以使画笔在三维空间上自由移动。

作为优选的实施方式，所述接收单元30、所述处理单元40以及所述步进电机驱动模块50集成为一体，固定在所述第三组滑轨514的上部滑轨上。

本实施例的技术方案使得步进电机223与步进电机驱动模块50距离更近，连接的拉线不用很长，实施方便。

采用本实用新型的技术方案，借助采集人前额电压的波动，通过TGAM脑电波传感器可以采集电压信号，利用嵌入式微处理器和脑电波传感器等器件设计了绘图机器人的控制系统。系统通过TGAM脑电波传感器获取脑波信号实现对绘图单元三个步进电机的精准控制，进而实现同步带导轨三维动作，完成绘图功能。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种基于脑机接口的绘图装置，其特征在于，包括：

用于获取脑波信号的脑波采集单元；

用于发送所述脑波信号的发送单元，所述发送单元与所述脑波采集单元电连接；

用于接收所述脑波信号的接收单元，所述接收单元与所述发送单元通信连接；

用于对所述脑波信号进行处理并生成控制指令的处理单元，所述处理单元与所述接收单元电连接；

用于根据所述控制指令驱动绘图的驱动单元，所述驱动单元与所述处理单元电连接；

用于根据所述驱动单元的驱动进行绘图的绘图单元，所述绘图单元与所述驱动单元电连接。

2.根据权利要求1所述的绘图装置，其特征在于，所述发送单元与所述接收单元均采用蓝牙模块。

3.根据权利要求1所述的绘图装置，其特征在于，所述脑波采集单元包括：

用于采集前额脑电波的干电极；

用于对所述脑电波进行初处理并形成所述脑波信号的脑电波传感器，所述脑电波传感器与所述干电极电连接；

用于为所述脑电波传感器供电的电源模块，所述电源模块连接所述脑电波传感器。

4.根据权利要求1所述的绘图装置，其特征在于，所述处理单元采用微处理器STM32F429。

5.根据权利要求1所述的绘图装置，其特征在于，所述驱动单元包括：

用于驱动所述绘图单元的三个步进电机；

用于根据所述控制指令驱动三个所述步进电机的步进电机驱动模块，所述步进电机驱动模块分别与所述处理单元与三个所述步进电机电连接。

6.根据权利要求5所述的绘图装置，其特征在于，所述绘图单元包括：

两根相互平行的滑轨组成的第一组滑轨，所述滑轨上均设有滑块，其中一个滑块内置用于驱动所述滑块的所述步进电机；

与所述第一组滑轨相垂直的第二组滑轨，所述第二组滑轨也包括两根相互平行的滑轨，所述滑轨分别对应连接所述滑块，所述第二组滑轨的两根滑轨上也均设有滑块，其中一个所述滑块内置所述步进电机；

与所述第二组滑轨相垂直的第三组滑轨，所述第三组滑轨也包括两根相互平行的滑轨，且所述滑轨分别与所述第二组滑轨垂直相接，且所述第三组滑轨处于所述第二组滑轨的两根滑轨之间，所述第三组滑轨的下部滑轨上也设有滑块，所述滑块内置所述步进电机，且所述滑块上固定画笔；

三个所述步进电机均连接所述步进电机驱动模块。

7.根据权利要求6所述的绘图装置，其特征在于，所述接收单元、所述处理单元以及所述步进电机驱动模块集成为一体，固定在所述第三组滑轨的上部滑轨上。