一种基于脑-机接口的机器人系统及实现方法
【技术领域】
[0001]本发明属于移动机器人技术领域，尤其是一种基于脑-机接口的机器人系统及实现方法。
【背景技术】
[0002]近年来，机器人不仅广泛应用于工业界，而且也逐步进入人们的生活。由于辅助机器人能够为残疾人的日常生活自理提供支撑，因此，其需求呈逐渐攀升态势。健康使用者通常可通过常规输入(例如:鼠标、键盘和控制杆等)控制机器人，然而，老年人或严重运动障碍的病人对于常规输入的使用则相当困难。目前，很多研究尝试引入新的人机交互技术以使老年人或严重运动障碍的病人受益。其中，一种基于人对外界刺激或想象的神经响应且能够应用于人和机器互动的新颖交互技术(即脑-机接口)得到了广泛研究，其能够通过无创或有创的方式从人脑获取神经响应，并通过不同心理状态下神经响应的不同来解读人的意图。这种“读心”技术能够将人的意图以一定形式的命令传递给机器。脑-机接口相关研究已成功证明侵入式脑-机接口技术在猴子和瘫痪病人上是可行的。
[0003]目前，基于头皮脑电的非侵入式脑-机接口方法因能应用于健康受试者而得到广泛研究。头皮脑电是一种非侵入式监测大脑活动的方法，因其具有记录方便、安全和价格低廉的特点，将脑-机接口技术服务于严重运动障碍的病人成为可能。基于头皮脑电的脑-机器人接口由于能够给老年人或运动障碍病人提供一种自然、直观的方式来控制机器人而在机器人和神经工程领域广受推崇。基于脑-机接口的机器人控制系统的最终目标是能向机器人产生和传递稳定、精细的运动或情绪、意图，使其能够根据人的意图执行各种复杂任务。基于脑-机接口的机器人控制系统已被应用于控制移动机器人、机器臂、智能轮椅和类人型机器人，而且已有研究证实基于头皮脑电的脑-机接口进行机器人控制的可能性。
[0004]中国专利文献“基于脑-机接口的服务机器人子系统”(专利申请号200910068833.0)根据短时间闭眼后脑电中α波幅增强的特点，实现了脑电α波对服务机器人在四个方向移动控制。中国专利文献“基于脑-机接口的机械手臂控制系统及动作命令控制方案”( 20 1 1 10 1 1 3626.X)、“基于脑机接口的肢体训练机器人及训练方法”( 20 1 3 1 0675803.2 )以及“脑控机器人子系统的模糊离散事件共享控制方法”(201310015221.1)的脑-机接口模式均为想象运动。中国专利文献“基于稳态视觉诱发脑机接口的机器人控制方法”(201410103602.X)采用阈值判断法对提取的特征进行分类，与基于α波/想象运动的脑-机接口相比具有系统简单、较少训练和高信息传输率的特点，但是，该方法很大程度上依赖于阈值的选取以及脑电信号的信噪比。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种设计合理、可靠性高且控制灵活的基于脑-机接口的机器人系统及实现方法。
[0006]本发明的目的是通过以下技术手段实现的:
[0007]一种基于脑-机接口的机器人系统，包括脑-机接口子系统、通讯子系统和机器人子系统;脑-机接口子系统通过测量电极获取脑电信号并对脑电信号进行特征提取得到使用者的意图，脑-机接口子系统将使用者的意图转换成控制命令并通过通讯子系统传输给机器人子系统，机器人子系统接收脑-机接口子系统的控制命令并控制机器人移动，该机器人子系统将自身采集的视频信息传送给脑-机接口子系统，并由脑-机接口子系统形成刺激界面反馈给使用者。
[0008]所述脑-机接口子系统包括脑-机计算机、脑-机显示器和脑电信号获取模块，所述脑-机计算机分别与脑电信号获取模块和脑-机显示器相连接，脑电信号获取模块通过电极与使用者大脑相连接。
[0009]所述电极的具体安放位置为:脑电测量电极安放在使用者的大脑枕区Pz、P05、P03、POz、P04、P06、O1、Oz、02位置，上述测量电极分布符合国际10_20系统，参考电极安放在左侧乳突位置处，地电极安放在右侧乳突处，电极阻抗低于1K Ω。
[0010]所述脑电信号获取模块采用Synamps2放大器，其数据采样率为1000Hz，带通滤波I?10Hz，并进行在线50Hz陷波。
[0011]所述机器人子系统包括移动控制模块和摄像头模块，所述摄像头模块用于获取机器人移动方向上的视频信息并将视频信息通过通讯子系统传输给脑-机接口子系统;所述移动控制模块用于接收脑-机接口子系统的命令并实现对机器人的移动控制功能。
[0012]—种基于脑-机接口的机器人系统的实现方法，包括以下步骤:
[0013]步骤1、将脑-机接口子系统、通讯子系统和机器人子系统连接在一起，并将脑电测量电极安放在使用者枕区，电极分布符合国际10-20系统，在左侧乳突处安放参考电极，在右侧乳突处安放接地电极；
[0014]步骤2、脑-机计算机将刺激界面呈现在脑-机显示器上:以机器人摄像头捕捉的图像为背景，并在该图像上出现八个正方形图片，分别位于图像的上、下、左、右、左上、右上、左下、右下八个方位，这八个图片以不同频率闪烁，每个图片对应于机器人的一个移动方向；
[0015]步骤3、使用者注视以一定频率闪烁的图像一段时间，枕区测量电极记录的脑电信号经脑电信号获取模块送往脑-机计算机，脑-机计算机对脑电信号进行特征提取得到使用者的意图，然后将使用者的意图转换成控制命令并通过通讯子系统传输给机器人子系统；
[0016]步骤4、机器人子系统接收脑-机接口子系统的控制指令控制机器人移动，并将机器人摄像头当前捕捉的图像通过通讯子系统反馈给使用者，以作为下一次目标识别任务的背景图像；
[0017]步骤5、返回步骤3并重复执行，进行下一次目标识别任务。
[0018]所述八个图片以不同频率闪烁的闪烁频率依次为12Hz、15Hz、13Hz、14Hz、8Hz、9取、10抱和11抱。
[0019]所述步骤2的刺激界面的背景为机器人摄像头捕捉的图像，并且在整个刺激期间图像保持静态不变，只在刺激结束后更新图像。
[0020]所述步骤3的具体实现方法包括以下步骤:
[0021]步骤31、脑-机计算机对采集到的脑电信号进行降采样处理，使采样频率降为250Hz；
[0022]步骤32、脑-机计算机对采集的脑电信号进行多个带通滤波，将降采样脑电信号分为多个频带信号；
[0023]步骤33、脑-机计算机分别计算上述各频带信号与各刺激频率对应的正弦-余弦参考信号的典型相关系数，并得到对应的最大相关系数;参考信号所用的谐波次数Nh=5;
[0024]步骤34、脑-机计算机将各刺激频率下各频带对应的最大相关系数的平方乘上相应的权重系数并进行相加求和作为目标识别的特征;各频带对应的权重系数W= (η)—1.25+
0.25，其中，η为频带的序号，η = 1，2，…；
[0025]步骤35、脑-机计算机选择特征最大值所对应的刺激频率的图片为使用者所注视的目标；
[0026]步骤36、脑-机计算机根据检测出的目标进行相应的视觉反馈提示，将相应的目标块将变成红色，同时将分类结果翻译为机器人能识别的控制指令，通过通讯子系统将控制指令传输给机器人子系统。
[0027]所述步骤32中的多个频带信号分别为:7?70Hz、15?70Hz、23?70Hz、以及63?70Hzo
[0028]本发明的优点和积极效果是:
[0029]1、本发明将脑机接口与机器人有效地结合在一起，通过脑-机显示器显示刺激界面并获取脑电信号进行分析，获取使用者的意图从而可以快速而可靠地操控移动机器人。
[0030]2、本发明实现了用脑直接控制的机器人子系统，由于系统不需要额外的机器人智能参与，因此系统的成本和计算复杂度较低。
[0031]3、本发明允许使用者在一个未知环境下操控机器人，可用于辅助严重运动障碍病人对外交流，提高其生活质量。
【附图说明】
[0032]图1为本发明的系统连接图；
[0033]图2为本发明的脑-机显示器显示的刺激界面；
[0034]图3为脑电信号分解为多个频率组的构成图。
【具体实施方式】
[0035]以下结合附图对本发明实施例做进一步详述:
[0036]—种基于脑-机接口的机器人系统，如图1所示，包括脑-机接口子系统、通讯子系统和机器人子系统。脑-机接口子系统通过测量电极获取脑电信号并对脑电信号进行特征提取与分析得到使用者的意图，脑-机接口子系统将使用者的意图通过通讯子系统传输给机器人子系统，机器人子系统接收脑-机接口子系统的命令并控制机器人移动，同时，机器人子系统将自身采集的视频信息传送给脑-机接口子系统并将视频反馈给大脑。下面对三个系统分别进行说明:
[0037]所述脑-机接口子系统包括脑-机计算机、脑-机显示器和脑电信号获取模块，脑_机计算机分别与脑电信号获取模块和脑-机显示器相连接，脑电信号获取模块通过电极与使用者大脑相连接，具体连接方式为:测量电极安放在使用者的大脑枕区？2、？05、？03、？02、P04、P06、01、0z、02位置，上述测量电极分布符合国际10-20系统，参考电极安放在左侧乳突位置处，地电极安放在右侧乳突处，电极阻抗低于1KΩ。脑电信号获取模块采用Neuroscan公司的Synamps2放大器，数据采样率为1000Hz，带通滤波I?10Hz，并进行在线50Hz陷波。在本实施例中，脑-机显示器采用大小为23.6英寸、刷新率为60Hz、屏幕分辨率为1920 X1080像素的Acer IXD脑-机显示器为刺激显示器，以机器人摄像头捕捉的图像为背景。
[0038]脑-机计算机安装有利用基于Matlab的Psychtoolbox工具包编写的刺激程序，其利用采样正弦编码方法在脑-机显示器上实现所需的闪烁频率。在脑-机显示器上，脑-机计算机将接收机器人摄像头捕捉的图像为背景，如图2所述，在该背景图像上出现八个白色正方形图片，分别位于背景图像的上