CN213765884U - 基于脑电波的头戴式控制器、系统及机器人控制盒、系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于脑电波的头戴式控制器及机器人控制系统。其头戴式控制器包括佩带部件和监测部件，监测部件设置于佩带部件上，包括：电极接口，用于采集脑电波信号的原始数据；脑电波芯片，用于将脑电波信号进行处理运算获得专注度和放松度；头部姿态监测单元，用于采集头部姿态的原始数据；咬牙监测单元，用于将脑电波信号进行处理运算获得咬牙信号；第一MCU，用于接收脑电波芯片传输的专注度、放松度，咬牙监测单元传输的咬牙信号，和用于将头部姿态的原始数据进行处理运算获得头部姿态；同时还获得指令。其能实现机器人全功能的智能控制，增强游戏体验。

Description

基于脑电波的头戴式控制器、系统及机器人控制盒、系统

技术领域

本实用新型涉及机器人系统技术领域，尤其涉及一种基于脑电波的头戴式控制器及机器人控制系统。

背景技术

随着电子技术的不断发展，电子产品的更新日新月异，脑电产品就是这些新兴的电子产品之一。脑电产品可以检测脑电波数据，并对脑电波数据进行处理来实现控制应用。目前，脑电产品中的脑控机器人是现在产品研究开发的重点项目。通过脑电波电极帽能够采集人的脑电波，把微弱的脑电波放大，传送到计算机中，然后通过计算机把人的想法转换成机器人的控制指令，并通过无线装置发送给机器人，这样，就可以仅仅通过大脑的想法来控制机器人的行为动作。

如专利号为201810125045.X的中国专利提出了基于脑电波控制的蜘蛛机器人装置及系统，其提取脑电数据中的专注度值进而控制电机的转速变化，其实现了现有的蜘蛛机器人的前进的功能；但该系统对机器人的控制仍不完善。以往的蜘蛛机器人通过遥控器不仅可以实现前进，还可以实现后退、发射炮弹、炮台上升、炮台下降、向左转向、向右转向等。故现有的基于脑电波控制的机器人并不能完全实现机器人的全部必要控制功能，无法实用化。

现亟需一款可以实现机器人全部的必要控制功能的装置及系统，解放双手，实现智能控制并增强游戏体验。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提出一种基于脑电波的头戴式控制器及机器人控制系统，其能实现机器人全功能的智能控制，解放双手，增强游戏体验。

本实用新型提出一种基于脑电波的头戴式控制器，包括佩带部件和监测部件，所述佩带部件在靠近人体额头的部位内设有用于感受脑电信号的电极，所述监测部件设置于所述佩带部件上，包括：电极接口，与电极相连，用于采集脑电波信号的原始数据；脑电波芯片，与所述电极接口相连，用于将脑电波信号进行处理运算获得专注度和放松度；头部姿态监测单元，用于采集头部姿态的原始数据；咬牙监测单元，用于将脑电波信号进行处理运算获得咬牙信号；第一MCU，与所述脑电波芯片、头部姿态监测单元、咬牙监测单元相连，用于接收脑电波芯片传输的专注度、放松度，咬牙监测单元传输的咬牙信号，和用于将头部姿态的原始数据进行处理运算获得头部姿态；所述第一MCU还根据专注度获得专注度指令，根据放松度获得放松度指令，根据头部姿态获得头部姿态指令，以及根据咬牙信号获得咬牙指令；蓝牙模块，用于将第一MCU处理和接收的数据和指令进行传输。

本实用新型还提供一种基于脑电波的系统，包括如上所述的基于脑电波的头戴式控制器。

本实用新型还提供一种基于脑电波的机器人控制系统，包括：如上所述的基于脑电波的头戴式控制器、控制盒；所述基于脑电波的头戴式控制器用于获取用户的专注度、放松度，头部姿态以及咬牙信号并根据专注度获得专注度指令，根据放松度获得放松度指令，根据头部姿态获得头部姿态指令，以及根据咬牙信号获得咬牙指令；所述控制盒接收所述头戴式控制器传输的控制指令，把蓝牙通信传输得到的信息转化为2.4G信号以便机器人接收并执行所述控制盒传输的控制指令。

本实用新型还提供一种基于脑电波的头戴式控制器，包括佩带部件和监测部件，所述佩带部件在靠近人体额头的部位内设有用于感受脑电信号的电极，所述监测部件设置于所述佩带部件上，包括：电极接口，与电极相连，用于采集脑电波信号的原始数据；脑电波芯片，与所述电极接口相连，用于将脑电波信号进行处理运算获得专注度和放松度；头部姿态监测单元，用于采集头部姿态的原始数据；咬牙监测单元，用于将脑电波信号进行处理运算获得咬牙信号；第一MCU，与所述脑电波芯片、头部姿态监测单元、咬牙监测单元相连，用于接收脑电波芯片传输的专注度、放松度，咬牙监测单元传输的咬牙信号，和用于将头部姿态的原始数据进行处理运算获得头部姿态；所述第一MCU还根据专注度获得专注度指令，根据放松度获得放松度指令，根据头部姿态获得头部姿态指令，以及根据咬牙信号获得咬牙指令；2.4G通信模块，用于将第一MCU处理和接收的数据直接传输给机器人。

本实用新型的有益效果：通过如上的头戴式控制器模块架构，不仅可以采集用户的脑电波信号获得专注度和放松度，还可以根据咬牙模块获得咬牙信号，同时还可以获得头部姿态。利用头戴式控制器所采集到的专注度、放松度、头部姿态和咬牙信号，可以实现机器人全功能的智能控制，包括前进、后退、左转、右转、炮台上升、炮台下降、发射炮弹等，解放双手，增强游戏体验。

附图说明

图1为本实用新型实施例中基于脑电波控制的机器人系统装置图。

图2为本实用新型实施例中头戴式控制器的结构示意图。

图3为本实用新型实施例中头戴式控制器的结构爆炸图。

图4为本实用新型实施例中基于脑电波控制的机器人系统的模块方框图。

图5为本实用新型实施例中另一种基于脑电波控制的机器人系统装置图。

图6为本实用新型实施例中另一种基于脑电波控制的机器人系统的模块方框图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本实用新型作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种基于脑电波的机器人控制系统10，包括：

可穿戴头环或头盔11，可穿戴于用户的头上，用于获取用户的专注度、放松度，头部姿态以及咬牙信号，并根据专注度获得专注度指令，根据放松度获得放松度指令，根据头部姿态获得头部姿态指令，以及根据咬牙信号获得咬牙指令。

控制盒12，用于接收指令并进行信号的转换，与机器人对频，将所述指令传输给机器人。

机器人13，用于接收并执行控制盒12传输的指令。

整个可穿戴头环或头盔11采用轻量化设计，整体重量轻，方便携带。如图2 所示，可穿戴头环或头盔11包括头戴式控制器100和系带200；系带200采用无耳夹式头环或头盔，按照人体工程学搭配头围松紧扣设计，系带的厚度为3.5mm，适配头型广泛，佩戴舒适。在系带200靠近人体额头的部位内设有三个电极，包括EEG、REF、GND，优选接触式干电极传感器。三个干电极传感器集成在在FPC 软板上，FPC软板上贴有电磁膜，可以有效的抑制环境中的电磁波对脑波信号的干扰，提高对脑波信号检测的准确性。

头戴式控制器100固定在系带200上，并通过电极接口进行通信连接；优选 Type-C接口，其信号稳定、抗干扰性强。当把系带系在用户的头上，三个电极可与脑袋密切接触，进而采集用户的脑电波信号，再由电极接口将信号传输给头戴式控制器，并由头戴式控制器进行数据处理就可以获取用户的专注度、放松度，头部姿态以及用户的咬牙信号。

如图3所示的头戴式控制器的结构爆炸图，头戴式控制器100包括：佩带部件 (上下外壳等)、电极接口101、脑电波芯片102、头部姿态监测单元103、ARM 微控制器(第一MCU)104、电源105、状态指示灯106、第一蓝牙模块(未示出)。

电极接口101的一端与三个传感器触点电极EEG、REF、GND相连接，另一端与脑电波芯片102相连接，电极采集的脑电波信号的原始数据通过电极接口101 传输给脑电波芯片102。

脑电波芯片102采用神念科技公司的脑电波芯片-TGTA芯片，其为一个高度集成的单一芯片，可以将采集的脑电波信号的原始数据进行处理(如FFT分频、降噪、放大等处理)，转换成数字信号并获得信号质量值和多种大脑状态指标，如8种大脑生物信号频段(如Delta、Theta、LowAlpha、HighAlpha、LowBeta、 HighBeta、LowGamma、HighGamma)、专注度、放松度、喜好度、疲劳度等。信号质量值是一个字节的无符号整型变量，用来描述测得的信号质量，取值范围为0～200。当有外界噪声干扰信号引入的时候，信号质量值就会大于0，脑电波芯片则会控制电极自动断开；信号质量值越高，意味着干扰越大，当值为200的时候，表示传感器触点电极完全离开了用户的皮肤；由此可以过滤掉眼电噪音及 50/60hz交流电干扰。只有当信号质量值为0时，脑电波芯片102才会进行采集、处理和运算，进而获得专注度和放松度。脑电波芯片102外输出包括“专注度”和“放松度”以及原始的脑电波数据。

头部姿态监测单元103用于采集头部姿态的原始数据(加速度信号数据)，其可以采用现有技术中任一款可以达到此功能的装置，如陀螺仪、重力传感器等。

ARM微控制器(第一MCU)104与脑电波芯片102和头部姿态监测单元103 相连；ARM微控制器104接收脑电波芯片104输出的专注度、放松度，以及头部姿态监测单元105输出的头部姿态原始数据。ARM微控制器对头部姿态原始数据进行处理运算获得头部姿态(如头部的俯仰角度、转滚角度和偏航角度等)。另外，ARM微控制器104还内置咬牙监测单元；咬牙监测单元接收脑电波芯片传输的脑电波原始数据并进行傅里叶变换得到脑电波信号的频域信号；在频域信号中，求取特定频率范围内的信号幅度的平均值，该平均值做为咬牙信号质量值。咬牙监测单元的具体过程算法可以参考中国专利CN201910244929.1，本实施例中不做详细介绍。本实施例中咬牙监测单元以程序算法的形式内置于ARM微控制器中，可以理解的是，其也可以作为一个单独的单元并独立于ARM微控制器。

ARM微控制器还根据专注度获得专注度指令，根据放松度获得放松度指令，根据头部姿态获得头部姿态指令，以及根据咬牙信号获得咬牙指令。具体地，根据专注力生成机器人前进的控制指令、根据放松度生成后退的指令；根据头部姿态生成左转、右转、炮台上升、炮台下降的指令；例如：摆头向左倾斜时，机器人向左转动；摆头向右倾斜时，机器人向右转动；当抬头时，机器人炮台上升；低头时，机器人炮台下降；根据接收的咬牙信号生成发射炮弹的指令。

电源105用于给整个头戴式控制器100进行供电。

状态指示灯106用于指示可穿戴头环或头盔的穿戴状态、蓝牙连接状态以及电源状态。其可以用不同的颜色来显示不同的状态，比如：当穿戴时电极接触不良，则状态指示灯显示蓝色；当蓝牙未连接，则状态指示灯显示红蓝闪烁。当充电时，则状态指示灯红灯常亮，充电完成后，则指示灯灭。当然，可以理解的是，状态指示灯的颜色以及是否闪烁可以根据不同的要求进行不同的设定。

基于脑电波的机器人控制系统10模块方框图如图4所示，包括：电极接口、脑电波芯片、头部姿态监测单元、第一MCU、第一蓝牙模块；脑电波芯片将电极接口传输的脑电波信号的原始数据进行处理运算获得专注度和放松度后传输给第一MCU；第一MCU内置的咬牙监测单元将脑电波芯片转换的脑电波数字进行处理运算获得咬牙信号；头部姿态监测单元将采集到的头部姿态原始数据传输给第一MCU并由第一MCU处理运算获得头部姿态；同时第一MCU根据专注度获得专注度指令，根据放松度获得放松度指令，根据头部姿态获得头部姿态指令，以及根据咬牙信号获得咬牙指令，第一MCU将用户的专注度、放松度、头部姿态以及咬牙信号，和/或指令通过第一蓝牙模块传输给控制盒。第一蓝牙模块将所有的数据(专注度、放松度、头部姿态以及咬牙信号，和/或指令)以HEX数据包的形式传输给控制盒。

另外，其还可以包括电源和状态指示灯，电源用于给头戴式控制器供电；状态指示灯用于指示头戴式控制器的状态。

因头戴式控制器中的通信模块为蓝牙模块，又因本申请中的机器人采用的是现有技术中的六角蜘蛛机器人，该机器人为2.4G通信，故还需要通过控制盒将传输信号进行通信转换。控制盒内有与头戴式控制器相匹配的蓝牙模块以及与机器人相匹配的2.4G通信模块。

控制盒12包括：第二蓝牙模块、第二MCU和2.4G通信模块；第二蓝牙模块，用于接收头戴式控制器100传输的通信数据并通过串口通信的方式传输给第二 MCU，通信数据包括专注力、放松度、头部姿态、咬牙信号，和/或指令。第二 MCU解析接收到的通信数据，通过SPI接口与机器人对频，通信通过2.4G通信模块传输到无线控制机器人；机器人接收并执行指令，实现前进、后退、左转、右转、炮台上升、下降及发射炮弹。

由于控制盒具有2种通信模式(蓝牙和2.4G通信)，其可以兼容各种设备以及机器人，适用的设备及场景具有多样化的特点。

控制盒同样还可以包括电源、状态指示灯、开关按钮等。电源用于给整个控制盒进行供电。状态指示灯用于指示控制盒的蓝牙连接状态以及电源状态。其可以用不同的颜色来显示不同的状态，比如：当蓝牙未连接，则状态指示灯显示红蓝灯闪烁；当电源电量不足，则状态指示灯显示绿灯闪烁。当充电时，则状态指示灯显示绿色，充电完成后，则指示灯灭。同样的，状态指示灯的颜色以及是否闪烁可以根据不同的要求进行不同的设定。

本实用新型通过如上的头戴式控制器模块架构，不仅可以采集用户的脑电波信号获得专注度和放松度，还可以根据咬牙模块获得咬牙信号，同时还可以获得头部姿态。利用头戴式控制器所采集到的专注度、放松度、头部姿态、咬牙信号以及指令，再通过控制盒的信号转换可以实现机器人全功能的智能控制，解放双手，增强游戏体验。

头戴式控制器除了可以通过控制盒通信连接并控制机器人外，还可以通过蓝牙模块与各种程序应用APP相连接，根据用户的专注度、放松度等生成相应的报告或进行其他的应用。

实施例二

如图5所示，本实施例与实施例一的区别在于，图1中头戴式控制器中是通过蓝牙模块进行数据的传输，而本实施例中，头戴式控制器通过2.4G通信模块直接将数据传输给机器人。如图6所示，头戴式控制器中采用2.4G通信模块与第一 MCU相连，其省去了实施例一中的通信转换，能便捷实现脑波头戴式控制器直接控制机器人，并且使得机器人各种动作姿势的控制更加灵敏；同时减少整体的体积并提高用户体验度。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于脑电波的头戴式控制器，其特征在于，包括佩带部件和监测部件，所述佩带部件在靠近人体额头的部位内设有用于感受脑电信号的电极，所述监测部件设置于所述佩带部件上，包括：

电极接口，与电极相连，用于采集脑电波信号的原始数据；

脑电波芯片，与所述电极接口相连，用于将脑电波信号进行处理运算获得专注度和放松度；

头部姿态监测单元，用于采集头部姿态的原始数据；

咬牙监测单元，用于将脑电波信号进行处理运算获得咬牙信号；

第一MCU，与所述脑电波芯片、头部姿态监测单元、咬牙监测单元相连，用于接收脑电波芯片传输的专注度、放松度，咬牙监测单元传输的咬牙信号，和用于将头部姿态的原始数据进行处理运算获得头部姿态；

所述第一MCU还根据专注度获得专注度指令，根据放松度获得放松度指令，根据头部姿态获得头部姿态指令，以及根据咬牙信号获得咬牙指令；

蓝牙模块，用于将第一MCU处理和接收的数据和指令进行传输。

2.如权利要求1所述的基于脑电波的头戴式控制器，其特征在于，所述电极有三个，包括EEG、REF和GND，采用接触式干电极传感器；三个干电极传感器集成在FPC软板上，FPC软板上贴有电磁膜。

3.如权利要求1所述的基于脑电波的头戴式控制器，其特征在于，所述咬牙监测单元内置于第一MCU中，或者单独设置于一独立的微控制器中。

4.如权利要求1所述的基于脑电波的头戴式控制器，其特征在于，所述佩带部件还包括系带，电极固定于系带上，且所述电极与所述监测部件的电极接口相连接。

5.如权利要求1所述的基于脑电波的头戴式控制器，其特征在于，所述的基于脑电波的头戴式控制器为头环或头盔。

6.一种基于脑电波的系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的基于脑电波的头戴式控制器。

7.一种基于脑电波的机器人控制系统，其特征在于，包括：如权利要求1所述的基于脑电波的头戴式控制器、控制盒；

所述基于脑电波的头戴式控制器用于获取用户的专注度、放松度，头部姿态以及咬牙信号并根据专注度获得专注度指令，根据放松度获得放松度指令，根据头部姿态获得头部姿态指令，以及根据咬牙信号获得咬牙指令；

所述控制盒接收所述头戴式控制器传输的控制指令，把蓝牙通信传输得到的信息转化为2.4G信号以便机器人接收并执行所述控制盒传输的控制指令。

8.如权利要求7所述的基于脑电波的机器人控制系统，其特征在于，所述控制盒包括第二蓝牙模块、第二MCU和2.4G通信模块；

所述第二蓝牙模块接收所述基于脑电波的头戴式控制器传输的控制指令；

所述第二MCU接收第二蓝牙模块传输的控制指令，解析接收到的通信数据，通过SPI接口与机器人对频，并通过所述2.4G通信模块传输到无线控制机器人。

9.一种基于脑电波的机器人控制盒，其特征在于，包括：第二蓝牙模块、第二MCU和2.4G通信模块；

所述第二蓝牙模块接收如权利要求1-5任一项所述的基于脑电波的头戴式控制器传输的控制指令；

所述第二MCU接收第二蓝牙模块传输的控制指令，解析接收到的通信数据，通过SPI接口与机器人对频，并通过所述2.4G通信模块传输到无线控制机器人。

10.一种基于脑电波的头戴式控制器，其特征在于，包括佩带部件和监测部件，所述佩带部件在靠近人体额头的部位内设有用于感受脑电信号的电极，所述监测部件设置于所述佩带部件上，包括：

电极接口，与电极相连，用于采集脑电波信号的原始数据；

脑电波芯片，与所述电极接口相连，用于将脑电波信号进行处理运算获得专注度和放松度；

头部姿态监测单元，用于采集头部姿态的原始数据；

咬牙监测单元，用于将脑电波信号进行处理运算获得咬牙信号；

第一MCU，与所述脑电波芯片、头部姿态监测单元、咬牙监测单元相连，用于接收脑电波芯片传输的专注度、放松度，咬牙监测单元传输的咬牙信号，和用于将头部姿态的原始数据进行处理运算获得头部姿态；

所述第一MCU还根据专注度获得专注度指令，根据放松度获得放松度指令，根据头部姿态获得头部姿态指令，以及根据咬牙信号获得咬牙指令；

2.4G通信模块，用于将第一MCU处理和接收的数据直接传输给机器人。

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