一种基于脑机接口的按摩椅舒适度自动调节系统及调节方法与流程

本发明涉及脑机接口应用技术领域，特别涉及一种基于脑机接口的按摩椅舒适度自动调节系统及调节方法。

背景技术：

目前，我国按摩椅控制方式种类繁多，包括手动按钮控制按摩椅、通过app操控、智能语音对话控制按摩椅等。手动按钮控制是需要根据自己的舒适状态手动调节按钮；app操控，用智能手机下载对应品牌的应用app，就可以通过手机代替遥控器来操控按摩椅并进行舒适度手动调节，可以远程下载不同类型的自动按摩程序供用户使用；智能语音对话，可以直接向按摩椅下达语音指令操控按摩椅并进行舒适度调节。目前，上述按摩椅控制方式的不足是需要人根据按摩舒适度进行手动或者声音控制，无法根据舒适状态实时调节。随着脑机接口的高速发展，通过脑机接口技术可以采集、分析大脑对按摩椅舒适度反馈的脑电信号，通过对脑电信号进行特征参数提取和分类，发出控制系统可识别的相应指令，实现按摩椅舒适度的实时自动控制。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于脑机接口的按摩椅舒适度自动调节系统及调节方法，通过采集分析反映人体按摩舒适度的脑电信号，对用户实时舒适度状态进行判断，实现对按摩椅的控制，其智能化程度高，更能够充分地满足用户的需求。基于脑机接口的按摩椅舒适度自动调节系统将会极大的丰富按摩椅的控制方式，使人全身心地享受按摩。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于脑机接口的按摩椅舒适度自动调节系统，包括脑电采集模块、脑电处理模块、脑电控制模块和按摩椅。脑电处理模块与脑电采集模块无线通信连接，脑电处理模块接收脑电采集模块采集的脑电信号；脑电控制模块与脑电处理模块通过有线通信连接，脑电控制模块接收脑电处理模块发送的控制指令。脑电控制模块中控制电路的第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元分别与按摩椅的颈部按摩装置、腰部按摩装置和腿部按摩装置相连，控制按摩椅的颈部、腰部和腿部按摩装置的各个电机，实现脑机接口控制按摩椅。

所述脑电采集模块采用脑电采集帽，微处理单元集成在脑电采集帽上。本发明采用的是干电极脑电采集帽，干电极数量为11个，分别为c3、cz、c4、cp1、cp2、p3、pz、p4、m1、m2、gnd。其中，c3、cz、c4、cp1、cp2、p3、pz、p4为采集电极，采集用户大脑顶叶区，m1、m2为参考电极，gnd为接地电极。脑电采集帽上干电极可采集原始脑电信号，脑电采集模块采集的是用户基于触觉刺激的脑电信号，即采集用户基于当前按摩强度的脑电信号。

该脑电采集帽摆脱了对导电介质的依赖性并且采用了无线通信技术，具有使用简便、不易受环境制约的特点。脑电采集帽的各个电极之间采用了柔性连接，能够很好地适用不同使用者的头部形状，并且可以长时间穿戴而无不适感。

进一步地，微处理单元包括stm32c8t6处理器芯片、前置放大电路、带通滤波电路、50hz掐波电路、主放大电路、a/d转换电路和输出电路。所述前置放大电路从噪声背景中提取脑电信号；带通滤波电路使频率为0.05-100hz的心电信号通过；50hz掐波电路用于过滤掉50hz工频干扰；主放大电路将前置放大的脑电信号进行再次放大；a/d转换电路将系统采集到的模拟信号转换为数字信号；输出电路将转换后的数字信号输出。通过上述电路，能够准确地提取出用户的脑电信号，用于脑电处理分析以及准确控制按摩椅调节按摩强度至舒适位置。

所述脑电处理模块采用计算机，与脑电采集模块无线连接，通过计算机的matlab软件进行编程运算处理，得到脑电分析软件，该软件包含了三个处理步骤：预处理、特征提取和特征分类。脑电信号的预处理，即滤波，包括对信号进行时域、频域滤波，以减少信号中的伪迹和干扰，降低噪声对脑电信号的影响，提高与受试者思维活动任务相关的脑电信号的占比，增加后续数据处理分析的准确度；特征提取是bci(brain-computerinterface)技术中最关键的部分，是指对经过预处理的脑电数据进行各类时域、频域分析，如短时傅里叶变换、小波包变换，将原始的脑电信号中能反映出用户大脑真实思维活动的特征提取出来，以供分类器进行学习和分类。进一步，除了提取利于分类的特征，特征提取的过程还需要对提取的利于分类的特征进行数据降维，以减少特征向量的维数和数据运算量，满足系统实时性的要求；特征分类是对提取到的特征做分析进行分类器的构建，再使用分类器将不同类别的脑电特征进行分类，将不同按摩强度下的脑电信号区分出来，在对脑电信号进行分类时，需要根据不同特性的脑电信号来选择合适的分类器。本发明采用的分类器是支持向量机(supportvectormachine，svm)。

在脑电处理阶段，计算机可进行脑电信号分解，如通过独立分量分解、小波变换和傅里叶变换得到n个频率段，并分别进行频谱分析得到n个频谱特征，然后进行特征提取，并将提取到的特征参数与数据库的数据参数进行对比分析，发出控制指令。若用户脑电信号反馈不舒适状态，调整按摩座椅的按摩强度，再次采集用户实时脑电数据，重复上述过程，直至用户状态为舒适。其中，所提取到的特征还可反馈到脑电信号分解步骤进行特征优化。

所述脑电控制模块包括控制电路、电动机和单片机，与脑电处理模块有线连接。控制电路分为以下三部分：电磁阀驱动电路，用于控制按摩椅气囊的充放气；电机驱动电路，用于控制揉捏、捶打、推杆的电机；位置检测电路，用于标定按摩椅机芯行走位置、揉捏宽度，使单片机能更好的控制电机转动，实现按摩功能，所述机芯采用3d机芯。其中，按摩椅的按摩强度由电机转速决定，按摩强度可分为1～n级，强度依次增大。

脑电控制模块接收控制指令后，单片机执行控制程序，输出控制信号，控制各类电机，使按摩椅的执行机构动作，从而实现对颈部、腰部、腿部的按摩。本发明的脑电控制模块采用pic16f74单片机。

本发明的脑电采集模块、脑电处理模块、脑电控制模块均具有对应的独立供电电源。其中，脑电采集模块的电源可为9v的直流电，脑电处理模块、脑电控制模块的电源为19v的直流电，均可以通过对220v交流电进行整流、滤波、降压得到。按摩装置的电源均为220v交流电。

本发明将会预设个人系统数据库，个人系统数据库是一种基于脑机接口的人体舒适度参数数据库，其中，个人数据是基于脑电采集模块采集用户在初次使用按摩椅时的脑电信号，通过脑电处理模块处理的不同舒适度状态时的脑电数据参数。

一种基于脑机接口的按摩椅舒适度自动调节系统调节方法，包括如下步骤：

s1：预设个人系统脑电数据库。用户初次使用按摩椅自动调节系统时，针对不同按摩强度，需要进行系统预设：针对每一级按摩强度，提取用户在按摩状态下的脑电信号，确定相应的脑电特征参数，得到脑电信号参数舒适区间。建立用户个人的脑电数据库，以此作为按摩椅舒适度的控制标准。

步骤s1包括：

s11：初次使用按摩椅舒适度自动调节系统，先开启系统各部分供电电源，用户佩戴好脑电采集帽，脑电采集帽尺寸可以微调，用户可自行调节至最舒服的状态。

s12：启动脑电处理模块的脑电分析软件，用户初次使用该按摩椅舒适度自动调节系统，脑电分析软件将进行初始化并进入用户个人数据库建立界面。

s13：用户在初次接受按摩椅按摩时，预设用户舒适状态电机转速范围为r1～r2，按摩椅的电机转速由小到大，按摩强度由1级依次增强至n级，此时个人数据库分别记录每级按摩强度的脑电信号参数，此参数为脑电信号处理、特征提取分类后的特征参数，记录用户的脑电信号参数区间边界值p1和p2，p1～p2即为脑电信号参数舒适区间，若在当前按摩强度下用户脑电信号参数处于p1～p2范围内，则说明用户当前处于舒适状态。

s2：个人系统脑电数据库建立后，用户应首先开启脑电采集模块、脑电处理模块和脑电控制模块的电源开关，使脑电采集模块、脑电处理模块和脑电控制模块处于待机状态。

s3：用户佩戴脑电采集帽，脑电采集帽上的干电极采集原始脑电信号。

s4：原始脑电信号经过集成于脑电采集帽上的微处理单元处理得到可供计算机直接处理的脑电信号。

s5：将s4中得到的脑电信号通过无线通信传输到脑电处理模块，通过脑电处理模块的脑电分析软件分析采集到的脑电信号，并向脑电控制模块发出可被识别的控制指令进行按摩强度调节，然后再次采集分析用户产生的脑电信号，直至用户脑电信号参数在当前按摩强度下处于预设个人数据库中的脑电信号参数舒适区间。

步骤s5包括：

s51：用户坐在按摩椅上并预设按摩强度，当前的按摩强度对用户形成触觉刺激，并诱发脑电信号。

s52：基于触觉刺激用户产生相应的脑电信号，脑电采集帽采集用户脑电信号进行初步的放大、滤波处理，并将初步处理过的脑电信号无线通信传输到脑电处理模块中。

s53：脑电处理模块的脑电分析软件对接收到的脑电信号进行预处理、特征提取和特征分类。所述脑电处理模块对脑电信号进行时域和频域分析，提取特征参数并进行分类。

s54：将特征提取和特征分类后得到的脑电数据与数据库中的数据对比分析，分析当前按摩强度的脑电数据，若在当前按摩强度下用户的脑电信号参数不在p1～p2范围内，预定时间后脑电处理模块发送相应的控制指令至脑电控制模块，脑电控制模块接收到脑电处理模块发送的控制指令并执行该指令调节按摩强度，脑电控制模块中控制电路的第一控制单元接收指令后，控制颈部按摩装置执行按摩；第二控制单元接受指令后，控制腰部按摩装置执行按摩；第三控制单元接受指令后，控制腿部按摩装置执行按摩。

s55：重复步骤s52至s54，直至特征提取和特征分类得到的脑电数据与数据库中的数据分析后，在当前按摩强度下用户的脑电信号参数处于p1～p2范围内，然后在当前按摩模式下执行按摩。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：本发明可以反映用户实时脑电信号，并根据舒适度状态自动调节按摩强度，无需人为控制按摩强度，智能化程度更高，使人全身心投入按摩。本发明采用了个人系统数据库，以此作为各个用户按摩椅舒适度的控制度标准，人性化程度更高。

附图说明

图1是本发明的模块方框示意图；

图2是本发明的应用流程方框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的一种基于脑机接口的按摩椅舒适度自动调节系统，如图1所示，包括脑电采集模块、脑电处理模块、脑电控制模块和按摩椅。脑电处理模块与脑电采集模块无线通信连接，脑电处理模块接收脑电采集模块采集的脑电信号；脑电控制模块与脑电处理模块通过有线通信连接，脑电控制模块接收脑电处理模块发送的控制指令。脑电控制模块中控制电路的第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元分别与按摩椅的颈部按摩装置、腰部按摩装置和腿部按摩装置相连，控制按摩椅的颈部、腰部和腿部按摩装置的各个电机，实现脑机接口控制按摩椅。

所述脑电采集模块采用脑电采集帽，微处理单元集成在脑电采集帽上。本发明采用的是干电极脑电采集帽，干电极数量为11个，分别为c3、cz、c4、cp1、cp2、p3、pz、p4、m1、m2、gnd。其中，c3、cz、c4、cp1、cp2、p3、pz、p4为采集电极，采集用户大脑顶叶区，m1、m2为参考电极，gnd为接地电极。脑电采集帽上干电极可采集原始脑电信号，当用户处于按摩强度下时，脑电采集模块采集的是用户基于触觉刺激的脑电信号，即采集用户基于当前按摩强度舒适度的脑电信号。

该脑电采集帽摆脱了对导电介质的依赖性并且采用了无线通信技术，具有使用简便、不易受环境制约的特点。脑电采集帽的各个电极之间采用了柔性连接，能够很好地适用不同使用者的头部形状，并且可以长时间穿戴而无不适感。

进一步地，微处理单元包括stm32c8t6处理器芯片、前置放大电路、带通滤波电路、50hz掐波电路、主放大电路、a/d转换电路和输出电路。所述前置放大电路从噪声背景中提取脑电信号；带通滤波电路使频率为0.05-100hz的心电信号通过；50hz掐波电路用于过滤掉50hz工频干扰；主放大电路将前置放大的脑电信号进行再次放大；a/d转换电路将系统采集到的模拟信号转换为数字信号；输出电路将转换后的数字信号输出。通过上述电路，能够准确地提取出用户的脑电信号，用于脑电处理分析以及准确控制按摩椅调节按摩强度至舒适位置。

所述脑电处理模块采用计算机，与脑电采集模块无线连接，通过计算机的matlab软件进行编程运算处理，得到脑电分析软件，该软件包含了三个处理步骤：预处理、特征提取和特征分类。脑电信号的预处理，即滤波，包括对信号进行时域、频域滤波，以减少信号中的伪迹和干扰，降低噪声对脑电信号的影响，提高与受试者思维活动任务相关的脑电信号的占比，增加后续数据处理分析的准确度；特征提取是bci(brain-computerinterface)技术中最关键的部分，是指对经过预处理的脑电数据进行各类时域、频域分析，如短时傅里叶变换、小波包变换，将原始的脑电信号中能反映出用户大脑真实思维活动的特征提取出来，以供分类器进行学习和分类。进一步，除了提取利于分类的特征，特征提取的过程还需要对提取的利于分类的特征进行数据降维，以减少特征向量的维数和数据运算量，满足系统实时性的要求；特征分类是对提取到的特征做分析进行分类器的构建，再使用分类器将不同类别的脑电特征进行分类，将不同按摩强度下的脑电信号区分出来，在对脑电信号进行分类时，需要根据不同特性的脑电信号来选择合适的分类器。本发明采用的分类器是支持向量机(supportvectormachine，svm)。

在脑电处理阶段，计算机可进行脑电信号分解，如通过独立分量分解、小波变换和傅里叶变换得到n个频率段，并分别进行频谱分析得到n个频谱特征，然后进行特征提取，并将提取到的特征参数与数据库的数据参数进行对比分析，发出控制指令。若用户脑电信号反馈不舒适状态，调整按摩座椅的按摩强度，再次采集用户实时脑电数据，重复上述过程，直至用户状态为舒适。其中，所提取到的特征还可反馈到脑电信号分解步骤进行特征优化。

所述脑电控制模块包括控制电路、电动机和单片机，与脑电处理模块有线连接。控制电路分为以下三部分：电磁阀驱动电路，用于控制按摩椅气囊的充放气；电机驱动电路，用于控制揉捏、捶打、推杆的电机；位置检测电路，用于标定按摩椅机芯行走位置、揉捏宽度，使单片机能更好的控制电机转动，实现按摩功能，所述机芯采用3d机芯。其中，按摩椅的按摩强度由电机转速决定，按摩强度可分为1～n级，强度依次增大。

脑电控制模块接收控制指令后，单片机执行控制程序，输出控制信号，控制各类电机，使按摩椅的执行机构动作，从而实现对颈部、腰部、腿部的按摩。本发明的脑电控制模块采用pic16f74单片机。

本发明的脑电采集模块、脑电处理模块、脑电控制模块均具有对应的独立供电电源。其中，脑电采集模块的电源可为9v的直流电，脑电处理模块、脑电控制模块的电源为19v的直流电，均可以通过对220v交流电进行整流、滤波、降压得到。按摩装置的电源均为220v交流电。

一种基于脑机接口的按摩椅舒适度自动调节系统调节方法，包括如下步骤：

s1：预设个人系统脑电数据库。用户初次使用按摩椅自动调节系统时，针对不同按摩强度，需要进行系统预设：针对每一级按摩强度，提取用户在按摩状态下的脑电信号，确定相应的脑电特征参数，得到脑电信号参数舒适区间。建立用户个人的脑电数据库，以此作为按摩椅舒适度的控制标准。

步骤s1包括：

s11：初次使用按摩椅舒适度自动调节系统，先开启系统各部分供电电源，用户佩戴好脑电采集帽，脑电采集帽尺寸可以微调，用户可自行调节至最舒服的状态。

s12：启动脑电处理模块的脑电分析软件，用户初次使用该按摩椅舒适度自动调节系统，脑电分析软件将进行初始化并进入用户个人数据库建立界面。

s13：用户在初次接受按摩椅按摩时，预设用户舒适状态电机转速范围为r1～r2，按摩椅的电机转速由小到大，按摩强度由1级依次增强至n级，此时个人数据库分别记录每级按摩强度的脑电信号参数，此参数为脑电信号处理、特征提取分类后的特征参数，记录用户的脑电信号参数区间边界值p1和p2，p1～p2即为脑电信号参数舒适区间，若在当前按摩强度下用户脑电信号参数处于p1～p2范围内，则说明用户当前处于舒适状态。

s2：个人系统脑电数据库建立后，用户应首先开启脑电采集模块、脑电处理模块和脑电控制模块的电源开关，使脑电采集模块、脑电处理模块和脑电控制模块处于待机状态。

s3：用户佩戴脑电采集帽，脑电采集帽上的干电极采集原始脑电信号。

s4：原始脑电信号经过集成于脑电采集帽上的微处理单元处理得到可供计算机直接处理的脑电信号。

s5：将s4中得到的脑电信号通过无线通信传输到脑电处理模块，通过脑电处理模块的脑电分析软件分析采集到的脑电信号，并向脑电控制模块发出可被识别的控制指令进行按摩强度调节，然后再次采集分析用户产生的脑电信号，直至用户脑电信号参数在当前按摩强度下处于预设个人数据库中的脑电信号参数舒适区间。

步骤s5包括：

s51：用户坐在按摩椅上并预设按摩强度，当前的按摩强度对用户形成触觉刺激，并诱发脑电信号。

s52：基于触觉刺激用户产生相应的脑电信号，脑电采集帽采集用户脑电信号进行初步的放大、滤波处理，并将初步处理过的脑电信号无线通信传输到脑电处理模块中。

s53：脑电处理模块的脑电分析软件对接收到的脑电信号进行预处理、特征提取和特征分类。所述脑电处理模块对脑电信号进行时域和频域分析，提取特征参数并进行分类。

s54：将特征提取和特征分类后得到的脑电数据与数据库中的数据对比分析，分析当前按摩强度的脑电数据，若在当前按摩强度下用户的脑电信号参数不在p1～p2范围内，预定时间后脑电处理模块发送相应的控制指令至脑电控制模块，脑电控制模块接收到脑电处理模块发送的控制指令并执行该指令调节按摩强度，脑电控制模块中控制电路的第一控制单元接收指令后，控制颈部按摩装置执行按摩；第二控制单元接受指令后，控制腰部按摩装置执行按摩；第三控制单元接受指令后，控制腿部按摩装置执行按摩。

s55：重复步骤s52至s54，直至特征提取和特征分类得到的脑电数据与数据库中的数据分析后，在当前按摩强度下用户的脑电信号参数处于p1～p2范围内，然后在当前按摩模式下执行按摩。

本发明调节方法的流程如图2所示。

更具体地，用户对本发明系统每次不同的按摩强度应有一段适应时间，设置为30s。

综上所述，根据本发明实施例的一种基于脑机接口的按摩椅舒适度自动调节系统，通过脑电采集模块采集用户基于实时按摩强度下生成的实时脑电信号，无线传输至脑电处理模块处理分析，将当前脑电数据和数据库中存储的数据进行比对，找出与之对应的控制指令，并发出指令；脑电控制模块根据控制指令对按摩强度进行调节；由此，实现用户在实时按摩强度下舒适度自动调节。相对于基于用户主观动作的控制而言，基于脑机接口的控制指令是人体真实需求的直接体现，因而智能化程度更高，能够更加充分地满足用户的需求。