CN105082159A - 一种基于脑电信号控制的工业机器人***及示教方法 - Google Patents

Abstract

<b>一种基于脑电信号控制的工业机器人***及示教方法，</b>包括视觉***、人机交互***、脑电信号***、工作站、电机控制***、工业机器人和一些相关传感器等。该***通过视觉***采集技术，刺激操作大脑产生关于工业机器人运动的轨迹脑电信号，并用该脑电信号控制工业机器人完成前期的示教任务，并通过传感器技术实时反馈机器人的运动信息。该***将生物电信号控制融入于工业机器人示教过程，使在该过程中不仅提高了示教精度，而且大大减缓了操作者的体力劳动，让工业机器人***更具人性化。

Description

一种基于脑电信号控制的工业机器人***及示教方法

技术领域

本发明属于工业机器人领域，它提出一种智能的工业机器人***，特别涉及于一种基于脑电信号控制的工业机器人***及示教方法。

背景技术

脑电信号（EEG）是指脑神经细胞电生理活动在大脑皮层的总体反映。人体大脑在一定感官信号刺激下可以产生多种电信号，根据频率的不同可以分为α波（13-25赫兹）、β波（8-13赫兹）、θ波（4-8赫兹）和δ波（0.5-4赫兹）等。脑电信号包含了多种生理和病理信息，不仅可以为一些疾病提供临床诊断依据，而且还能提供一些有效的治疗手段。除此之外，在近些年来一些医疗机器人***研究和设计中，人们通过脑机接口（BCI）提取和分析人体大脑对不同感觉、运动或者认知活动的电信号，并将其转化为某种控制信号控制机器人的运动。

随着科学技术的发展，工业机器人作为机器人领域的一大分支，开始越来越多出现在工厂的生产线上，比如机器人喷漆，机器人码垛，机器人焊接等。在这些工作领域中，工业机器人可以代替人完成高强度高精度的重复性工作，以保持工作进行的一致性。在机器人完成规定动作前，工人们需要对机器人的运动轨迹进行编程规划，现有的规划方法主要分为离线编程示教和在线示教。前者主要指建立精确的机器人模型，采用一定的坐标算法将机器人末端位置精确的转换到机器人基准坐标系，然后根据工件的CAD模型规划处机器人末端工具的连续运动轨迹。该方法可以对机器人运动进行精确的规划，但是由于实际工作环境的复杂性，会对机器人的运动产生一定干扰。在线示教指的是工人操作机器人的示教器将安装在机器人末端的吸盘、焊枪等工具运动到其工作部位，并记录下此时末端位置的坐标，根据机器人需要完成的多个位置坐标规划出最佳的运动轨迹，完成特定的操作任务。该方法可以只考虑机器人实际坐标位置，适用于对机器的人精度要求不高的工作。该方法主要依靠操作者的经验，操作者目测决定机器人的运动位置，精度较低不适用于焊接等要求较高的任务。除此之外，该方法对操作人员的体力消耗比较大容易产生疲劳感，且在机器人工作的危险环境下会对操作者的人身安全造成影响。

因此，综合上述两种示教方法的优点，将脑电信号控制方法融入工业机器人***之中，利用脑电信号控制工业机器人完成示教任务，在提高机器人运动精度的同时，大大减缓操作者的劳动强度，是工业机器人更加人性化。

发明内容

本发提出一种基于脑电信号控制的工业机器人***及示教方法，目的在于提高机器人示教过程的精度，使操作过程更加简便准确，并且减少操作者的工作强度。

本发明提供的一种能够利用生物反馈信号（脑电信号）控制工业机器人执行示教学习训练的***，主要包括视觉***、人机交互***、脑电信号***、工作站、电机控制***、工业机器人和一些相关传感器等。视觉***用来采集工业机器人当前的位置信息并建立虚拟的空间基坐标系。人机交互***将虚拟的机器人空间坐标系呈现给操作者并刺激其大脑产生脑电信号。脑电信号***负责采集操作者的脑电信号，并进行信号的提取和分析。工作站将脑电信号转换成电机的控制信号控制机器人进行运动，安装在机器人上的传感器实时采集机器人的运动信息并反馈给工作站。

本发明构建出一个视觉采集-视觉刺激-人体大脑-脑电信号处理-计算机信息处理与控制-驱动单元-机器人运动-大脑这样一种闭环控制***。操作者可以用自己脑电信号控制工业机器人完成前期的示教任务，在减缓自身劳动强度的同时，提高工业机器人示教过程中的精度。

本发明提供的工业机器人是一种三自由度工业并联机器人，主要包括：上六边形定平台，下六边形定平台，摇臂，动平台，连接杆，伺服电机，电机支架，圆柱形连接块，光电传感器和旋转球头。该并联机器人主体支架为两块等规格大小6mm厚的六边形铝板定平台，上下两块铝板定平台通过三个圆柱形连接块和三块电机支架用螺栓进行连接，每块铝板定平台上都设计有若干个通孔，用来将机器人和外置架子进行连接，以及安装小型的摄像头。下六边形定平台上设计有1mm深的矩形槽用来固定电机支架，伺服电机利用螺栓固定在电机支架上。摇臂通过一端的法兰盘固定在伺服电机上，摇臂另一端上有3mm的螺纹孔，用来连接两个连接杆。连接杆两端都安装有M3旋转球头，并通过两端的旋转球头连接摇臂和动平台。动平台通过六个连接杆始终与机器人下六边形定平台保持平行，动平台上面可以安装吸盘、焊枪等加工工具。三块光电传感器通过螺纹连接固定在下六边形定平台上，用来检测运动过程中摇臂是否回归零点位置。

所述工业并联机器人材料主要选择铝合金、铜、碳和尼龙等轻型材料。三个同型号的伺服电机安装在下六边形定平台上，每个伺服电机通过法兰盘带动一个摇臂进行转动。每个摇臂通过两个连接杆带动动平台执行延X轴、Y轴和Z轴三个轴的直线运动。通过一定的控制算法可以使安装在动平台上的加工工具完成一些复杂的任务。

本发明的优点和有益效果：

1.本发明的工业机器人***采用基于脑电信号控制方法，首先将生物电信号技术与工业机器人技术进行结合，将人体的生物电信号作为机器人输入的控制信号，控制机器完成前期的示教任务。结合当前两种主流的机器人示教方法，利用脑电信号控制不仅可以提高机器人示教精度，而且可以大大减缓操作者在示教过程中的劳动强度，提高操作者的工作积极性。

2.本发明融入了视觉***建模技术，视觉***通过采集当前机器人的实际位置建立机器人虚拟的基坐标***模型，将理论建模与实际建模进行结合，提高了建模的精度。

3.本发明的工业机器人，主要采用铝合金、铜、碳和尼龙等轻型材料，在保证机器人运动刚度的同时，减轻机器人的整体重量。

4.该工业机器人***采用一些传感器技术，实时客观的反馈机器人的运动信息，提高机器人完成工作任务的精确度。

附图说明

图1是基于脑电信号控制的工业机器人***框图。

图2是工业并联机器人结构整体示意图。

图中，1.上六边形定平台，2.下六边形定平台，3.摇臂，4.动平台，5.连接杆，6.伺服电机，7.电机支架，8.圆柱形连接块，9.光电传感器。

具体实施方式

一、基于脑电信号控制的工业机器人***组成

如图1所示，是本发明提供的基于脑电信号控制的工业机器人***框图，主要包括视觉***、人机交互***、脑电信号***、工作站、电机控制***、工业机器人和一些相关传感器等。视觉***用来采集工业机器人实时位置并建立虚拟的基坐标系。操作者通过人机交互***获得机器人的基准位置，并通过一定视觉刺激是操作者大脑产生关于机器人运动的轨迹规划的脑电信号。脑电信号***负责采集这些信号，并从中分析和提取有用的信号传递给工作站。工作站将这些信号转换成安装在工业机器人上的电机的控制信号，控制其完成规定的示教任务，通过传感器单元实时反馈给工作站。

由图1所示，使用上述工业机器人***，视觉***负责采集当前机器人和目标工件的位置坐标信息，并自动设定机器人运动的基坐标系，然后在人机交互***中呈现出机器人和目标工件的虚拟坐标信息。人机交互***将这些虚拟的坐标信息通过一定的视觉刺激传递给操作者，使操作者大脑中产生一些脑电信号，主要为多个关于机器人完成指定任务所需要的路径信息。脑电信号***首先采集操作者的脑电信号并进行放大处理，然后对这些信号进行分析提取，最后将有用信息传递给工作站中。工作站将这些有用信息转换为电机控制信号并传递给电机控制***使机器人完成指定的动作。机器人上的传感器将机器人实际运动信息反馈给工作站中，然后再对机器人运动位置进行快速修正。同时，通过传感器单元将机器人的运动信息传递给人机交互***，改变虚拟界面中机器人的运动状态，对操作者进行第二轮视觉刺激。

如图2所示，本发明提供的三自由度工业并联机器人，主要包括：1.上六边形定平台，2.下六边形定平台，3.摇臂，4.动平台，5.连接杆，6.伺服电机，7.电机支架，8.圆柱形连接块，9.光电传感器，10.旋转球头。该并联机器人主体支架为两块等规格大小6mm厚的六边形铝板定平台，上下两块铝板定平台通过三个圆柱形连接块和三块电机支架用螺栓进行连接，每块铝板定平台上都设计有若干个通孔，用来将机器人和外置架子进行连接，以及安装小型的摄像头。下六边形定平台上设计有1mm深的矩形槽用来固定电机支架，伺服电机利用螺栓固定在电机支架上。摇臂通过一端的法兰盘固定在伺服电机上，摇臂另一端上有3mm的螺纹孔，用来连接两个连接杆。连接杆两端都安装有M3旋转球头，并通过两端的旋转球头连接摇臂和动平台。动平台通过六个连接杆始终与机器人下六边形定平台保持平行，动平台上面可以安装吸盘、焊枪等加工工具。三块光电传感器通过螺纹连接固定在下六边形定平台上，用来检测运动过程中摇臂是否回归零点位置。

二、工业机器人示教工作流程

阶段一：视觉***信息采集

视觉***采集当前机器人和目标工件的位置信息，设定机器人运动基坐标***，并建立机器人和目标工件的虚拟的坐标系***。

阶段二：人机交互***给予操作者视觉刺激

人机交互***将上个阶段虚拟坐标系***呈现给操作者，并通过一定的视觉刺激，刺激操作者大脑产生一些脑电信号，该信号主要包含多个工业机器人完成轨迹任务的点源信息。

阶段三：脑电信号处理

脑电信号***采集上述的脑电信号，并对其进行有用信号的分析和提取，最后将其传递给工作站。

阶段四：工业机器人执行运动

工作站将脑电信号转换为电机的控制信号，控制工业机器人执行运动。

阶段五：机器人位置信息反馈

安装在工业机器人上的传感器将机器人的实际运动信息反馈给工作站，工作站机器人位置进行快速修正。同时，传感器单元将机器人位置信息传递给人机交互界面，改变虚拟界面中机器人位置，对操作者进行第二轮视觉刺激。

Claims (7)

1.一种基于脑电信号控制的工业机器人***及示教方法，其特征在于包括视觉***、人机交互***、脑电信号***、工作站、电机控制***、工业机器人和一些相关传感器等；视觉***用来采集工业机器人当前的位置信息并建立虚拟的空间基坐标系；人机交互***将虚拟的机器人空间坐标系呈现给操作者并刺激其大脑产生脑电信号；脑电信号***负责采集操作者的脑电信号，并进行信号的提取和分析工作站将脑电信号转换成电机的控制信号控制机器人进行运动，安装在机器人上的传感器实时采集机器人的运动信息并反馈给工作站。

2.权利要求1所述的***，其特征在于，建出一个视觉采集-视觉刺激-人体大脑-脑电信号处理-计算机信息处理与控制-驱动单元-机器人运动-大脑这样一种闭环控制***;操作者可以用自己脑电信号控制工业机器人完成前期的示教任务，在减缓自身劳动强度的同时，提高工业机器人示教过程中的精度。

3.权利要求1所述的***，其特征在于，提供的一种三自由度工业并联机器人，主要包括：上六边形定平台，下六边形定平台，摇臂，动平台，连接杆，伺服电机，电机支架，圆柱形连接块，光电传感器和旋转球头;所述并联机器人主体支架为两块等规格大小6mm厚的六边形铝板定平台，上下两块铝板定平台通过三个圆柱形连接块和三块电机支架用螺栓进行连接，每块铝板定平台上都设计有若干个通孔，用来将机器人和外置架子进行连接，以及安装小型的摄像头。

4.所述下六边形定平台上设计有1mm深的矩形槽用来固定电机支架，伺服电机利用螺栓固定在电机支架上；所述摇臂通过一端的法兰盘固定在伺服电机上，摇臂另一端上有3mm的螺纹孔，用来连接两个连接杆;所述连接杆两端都安装有M3旋转球头，并通过两端的旋转球头连接摇臂和动平台;所述动平台通过六个连接杆始终与机器人下六边形定平台保持平行，动平台上面可以安装吸盘、焊枪等加工工具;所述三块光电传感器通过螺纹连接固定在下六边形定平台上，用来检测运动过程中摇臂是否回归零点位置。

5.权利要求3所述的机器人，其特征在于，所述工业并联机器人材料主要选择铝合金、铜、碳和尼龙等轻型材料。

6.三个同型号的伺服电机安装在下六边形定平台上，每个伺服电机通过法兰盘带动一个摇臂进行转动；每个摇臂通过两个连接杆带动动平台执行延X轴、Y轴和Z轴三个轴的直线运动。

7.通过一定的控制算法可以使安装在动平台上的加工工具完成一些复杂的任务。