CN110315541B - 多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制*** - Google Patents

多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制***，涉及脑机接口的技术领域。包括：启闭指令采集模块，采集非脑信号并输出启闭指令；分类信号采集模块，采集脑信号后输出分类信号；取消指令采集模块，采集非脑信号并输出取消指令；刺激模块，输出刺激信号；启闭指令接收模块，接收启闭指令并控制刺激模块的启闭；分类信号接收模块，接收分类信号并输出动作信号，同时刺激模块对分类信号包含的信息进行显示；取消指令接收模块，接收取消指令以拦截动作信号；还包括接收动作信号的动作信号接收模块和用于完成相应动作的机械臂。本发明通过特征明显的眨眼动作来控制刺激信号的输出启闭以及动作信号的拦截取消，提高了脑机交流的准确率。

Description

多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制***
技术领域
本发明涉及脑机接口的技术领域，特别涉及多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制***。
背景技术
脑机接口致力于构建大脑和外界设备直接信息交互的桥梁，让使用者与外界环境的交互不再依赖于正常的外周神经和肌肉传导通道。通过采集使用者在不同任务下的脑电信号，处理分析得到的分类结果作为控制命令输出给外界设备，实现使用者与外界设备的直接交流。脑机接口发展至今，出现了各种实验刺激范式，也产生了各种生理信号采集装置，致力于提高***的分类准确率、稳定性和便携性。
专利公开号为CN103263324B的中国发明专利公开了一种基于SSVEP稳态视觉诱发电位的智能轮椅***，包括LED频闪刺激器、电极帽、脑电预处理电路、无线传输***、上位机、轮椅控制电路、电动轮椅和自动避障模块。使用者通过注视LED频闪刺激器来输出不同的EEG，脑电预处理电路导等对EEG进行处理分析后输出控制命令给轮椅，从而实现轮椅的不同动作。
但是，由于人脑信号（electroencephalography，EEG）的非稳定性特征，单模态脑机接口较难实现多自由度命令控制，使用者与环境的信息交互十分有限，一定程度上限制了脑机接口的发展和应用推广。而多模态脑机接口通过同时采集多种脑信号或者结合脑信号（electroencephalography，EEG）与非脑信号，可以利用不同信号各自的优势相互补充，提高脑机接口的分类精度和输出命令信号的自由度，更便于使用，有利于脑机接口的发展和应用。
然而，由于脑信号不管人体处在何种状态下都存在，所以很难确定一个合适的触发条件，容易出现误操作，而在误操作下控制命令一旦输出，使用者也无法及时获知并进行修改，最终仍会出现错误的动作指令，使用者只能等待动作结束后重新进行交流操作，增加了操作的复杂性。
发明内容
本发明的目的是提供多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制***，以解决脑信号易误触发且使用者无法及时取消命令而导致的误执行的问题。
包括：主机单元，包括启闭指令采集模块，用于采集非脑信号并输出启闭指令；分类信号采集模块，用于采集脑信号后对其进行分类并输出分类信号；取消指令采集模块，用于采集非脑信号并输出取消指令；
刺激单元，包括刺激模块，用于对外输出刺激信号；启闭指令接收模块，用于接收所述启闭指令并控制所述刺激模块的输出启闭；分类信号接收模块，用于接收所述分类信号并输出动作信号，同时由所述刺激模块对所述分类信号包含的信息进行显示；取消指令接收模块，用于接收所述取消指令以拦截动作信号，当未采集到非脑信号时不拦截动作信号，当采集到非脑信号时拦截动作信号；
所述非脑信号为眼电信号；
外部设备，包括动作信号接收模块和机械臂，所述动作信号接收模块用于接收所述动作信号并控制所述机械臂完成相应动作。
上述技术方案中，非脑信号较脑信号更加显著易于检测，非脑信号作为启闭指令后可产生一个明显的触发条件，使用者可根据自己的意愿通过非脑信号来开启刺激信号的输出，同时也可控制刺激信号停止输出，以便于使用者进入休息状态，能避免休息状态下或无意识状态下输出脑信号导致误操作。刺激信号输出后，使用者通过刺激信号产生不同的脑信号，主机单元采集到不同的脑信号后进行分类处理，输出分类信号给刺激单元，刺激单元将分类信号包含的信息实时显示反馈给使用者，以便于使用者判断交流的正确性，若交流错误，使用者可通过非脑信号形成取消指令，以取消动作信号的输出，从而能及时取消对机械臂的控制。
启闭指令采集模块与取消指令采集模块分别采集不同的非脑信号，使得非脑信号能控制刺激信号的输出启闭，还能作为错误交流后的取消控制，既解决了脑信号容易误触发的问题，还解决了误触发状态无法及时取消控制的问题，且非脑信号的特征显著，采集识别的正确率更高，启闭指令和取消指令的假阳性率更低，从而保证了使用者与外部设备灵活地交流，有利于促进脑机接口技术的广泛运用。
进一步地，所述启闭指令和所述取消指令分别对应不同的眼电信号，其中，所述启闭指令对应多次连续眨眼的动作，所述取消指令对应单次单眼眨眼的动作。
进一步地，所述启闭指令采集模块还存储有使用者多次连续眨眼动作的第一基准值，所述启闭指令采集模块采集使用者眼睛竖直方向上的电位作为第一特征值来与所述第一基准值进行比对，以输出所述启闭指令。
进一步地，所述第一基准值对应使用者三次连续眨眼的动作。
进一步地，所述启闭指令采集模块的采集选择长度为X毫秒（1000≤X≤1500）的滑动窗口，采集间隔为100毫秒。
进一步地，所述刺激模块包括显示器，所述显示器上显示有多个间歇性闪烁的闪烁块，所述刺激信号通过闪烁块的闪烁输出给使用者，不同所述闪烁块的闪烁频率不一。
进一步地，所述分类信号包含的信息通过所述闪烁块的变色显示给使用者。
进一步地，所述取消指令采集模块还存储有使用者单次单眼眨眼动作的第二基准值，所述取消指令采集模块采集使用者眼睛水平方向上的电位作为第二特征值来与所述第二基准值进行比对，以输出所述取消指令。
进一步地，所述第二基准值对应使用者单次右眼眨眼的动作。
进一步地，所述取消指令采集模块选择长度为Y毫秒（1500≤Y≤2000）的采集窗口。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的模块示意图；
图3为刺激模块的示意图；
图4为脑电帽的电极连接示意图。
其中，1、主机单元；11、启闭指令采集模块；12、分类信号采集模块；13、取消指令采集模块；2、刺激单元；21、启闭指令接收模块；22、分类信号接收模块；23、取消指令接收模块；24、刺激模块；241、显示器；242、闪烁块；3、外部设备；31、动作信号接收模块；32、机械臂。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更为清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1和图2，包括主机单元1、刺激单元2和外部设备3。主机单元1包括启闭指令采集模块11、分类信号采集模块12和取消指令采集模块13；刺激单元2包括刺激模块24、启闭指令接收模块21、分类信号接收模块22和取消指令接收模块23；外部设备3包括动作信号接收模块31和机械臂32。
参照图2，启闭指令采集模块11用于采集使用者的眼电信号并输出启闭指令，该眼电信号对应使用者三次连续眨眼的动作。启闭指令采集模块11内还存储有使用者三次连续眨眼动作的第一基准值，采集过程中，启闭指令采集模块11选择长度为X毫秒（1000≤X≤1500）的滑动窗口，每间隔100毫秒采集一次使用者眼睛竖直方向上的电位作为第一特征值，将采集到的第一特征值实时与第一基准值进行比对以输出启闭指令。启闭指令采集模块11采集的滑动窗口最佳为1200毫秒，由于人体眨眼一次的时间约在300毫秒左右，三次连续眨眼的时间约在900毫秒左右，1200毫秒的滑动窗口能实时覆盖三次连续眨眼的动作且100毫秒的间隔采集能有效减少漏检的情况发生。
参照图2和图3，启闭指令接收模块21接收到启闭指令后控制刺激模块24的输出启闭，刺激模块24开启后，间歇性对外输出刺激信号，刺激模块24关闭后，使用者可进行休息，减少误操作。刺激信号通过刺激模块24的显示器241进行显示，具体实现为：显示器241内设置有15个不同闪烁频率的闪烁块242，所有的闪烁块242闪烁频率均在8~15Hz，相邻两个闪烁块242的闪烁频率间隔为0.5Hz。每一个闪烁块242分别对应对机械臂32的不同控制信号，当使用者注视不同的闪烁块242时，产生不同的脑信号。
参照图2，分类信号采集模块12采集到使用者的不同脑信号后，进行分类处理，输出分类信号。分类信号接收模块22接收到分类信号后输出动作信号，同时由刺激模块24对分类信号包含的信息进行显示，显示的方法为：分类信号对应的闪烁块242即使用者注视的闪烁块242变红。闪烁块242变红能及时给与使用者反馈，使用者可得知与刺激单元2之间的交流是否正确。
分类信号包含的信息被显示器241显示后，取消指令采集模块13采集使用者的眼电信号以输出取消指令，在使用者认识到显示反馈有误后，使用者可通过眼电信号输出取消指令，来拦截动作信号；当取消指令采集模块13未采集到使用者的眼电信号时，无取消指令输出，动作信号不受到拦截，动作信号被输出后，动作信号接收模块31接收该动作信号并控制机械臂32完成相应的动作。
取消指令对应使用者的单眨右眼动作，取消指令采集模块13中存储有使用者单眨右眼动作的第二基准值，采集过程中，取消指令采集模块13选择Y毫秒（1500≤Y≤2000）长度的窗口，采集分析使用者眼睛水平方向上的电位作为第二特征值。将采集到的第二特征值与第二基准值进行比对以输出取消指令。当采集到单眨右眼的动作时，动作信号被拦截，当未采集到单眨右眼的动作时，动作信号不受到拦截。取消指令采集模块13的采集窗口长度最佳为2000毫秒，2000毫秒长度的窗口给予使用者一定的反应时间和进行眨眼的时间，以提高取消指令输出的成功率。
本实施例的实施原理及有益效果为：
参照图4，为使用者佩戴脑电帽，根据国际10-20***的脑电位记录标准放置电极，电极分别为FP1、HEOR、Pz、PO3、POz、PO4、O1、Oz、O2，启闭指令的采集通道为FP1，取消指令的采集通道为HEOR。试验开始后，从FP1通道采集使用者的三次连续眨眼动作，控制刺激信号的输出，以开启刺激。
参照图2和图3，刺激开启后，使用者通过注视显示器241上的闪烁块242来产生不同的脑信号，分类信号采集模块12将不同的脑信号采集处理后输出与闪烁块242对应的分类信号。分类信号接收模块22接收到分类信号后，输出动作信号，同时还将分类信号包含的信息通过闪烁块242的变红反馈显示给使用者。在2000毫秒的窗口长度内，如果取消指令采集模块13未采集到使用者的单次右眼眨眼动作时，动作信号输出至动作信号接收模块31，实现机械臂32的动作控制；如果取消指令采集模块13采集到使用者的单次右眼眨眼动作，将取消指令输出至取消指令接收模块23，取消指令接收模块23会对动作信号进行拦截，最终取消对机械臂32的控制。
结合表1，由于眨眼信号的特征明显，易于识别，作为启闭指令和取消指令的操作动作，具有优良的准确率和真阳性率，使用者控制更加灵活，能有效避免脑信号的误触发，而在误触发后，还能及时取消控制，重新进行操作，极大地提升了脑机交流的效率与准确率。
表1 眼电信号的采集实验结果
Figure DEST_PATH_IMAGE001
以上仅为本发明的若干个优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制***，其特征在于，包括：
主机单元(1)，包括启闭指令采集模块(11)，用于采集非脑信号并输出启闭指令；分类信号采集模块(12)，用于采集脑信号后对其进行分类并输出分类信号；取消指令采集模块(13)，用于采集非脑信号并输出取消指令；
刺激单元(2)，包括刺激模块(24)，用于对外输出刺激信号；启闭指令接收模块(21)，用于接收所述启闭指令并控制所述刺激模块(24)的输出启闭；分类信号接收模块(22)，用于接收所述分类信号并输出动作信号，同时由所述刺激模块(24)对所述分类信号包含的信息进行显示；取消指令接收模块(23)，用于接收所述取消指令以拦截动作信号，当未采集到非脑信号时不拦截动作信号，当采集到非脑信号时拦截动作信号；
所述非脑信号为眼电信号；
外部设备(3)，包括动作信号接收模块(31)和机械臂(32)，所述动作信号接收模块(31)用于接收所述动作信号并控制所述机械臂(32)完成相应动作。
2.根据权利要求1所述的多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制***，其特征在于，所述启闭指令和所述取消指令分别对应不同的眼电信号，其中，所述启闭指令对应多次连续眨眼的动作，所述取消指令对应单次单眼眨眼的动作。
3.根据权利要求2所述的多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制***，其特征在于，所述启闭指令采集模块(11)还存储有使用者多次连续眨眼动作的第一基准值，所述启闭指令采集模块(11)采集使用者眼睛竖直方向上的电位作为第一特征值来与所述第一基准值进行比对，以输出所述启闭指令。
4.根据权利要求3所述的多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制***，其特征在于，所述第一基准值对应使用者三次连续眨眼的动作。
5.根据权利要求4所述的多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制***，其特征在于，所述启闭指令采集模块(11)的采集选择长度为X毫秒的滑动窗口，1000≤X≤1500，采集间隔为100毫秒。
6.根据权利要求2所述的多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制***，其特征在于，所述刺激模块(24)包括显示器(241)，所述显示器(241)上显示有多个间歇性闪烁的闪烁块，所述刺激信号通过闪烁块的闪烁输出给使用者，不同所述闪烁块的闪烁频率不一。
7.根据权利要求6所述的多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制***，其特征在于，所述分类信号包含的信息通过所述闪烁块的变色显示给使用者。
8.根据权利要求2所述的多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制***，其特征在于，所述取消指令采集模块(13)还存储有使用者单次单眼眨眼动作的第二基准值，所述取消指令采集模块(13)采集使用者眼睛水平方向上的电位作为第二特征值来与所述第二基准值进行比对，以输出所述取消指令。
9.根据权利要求8所述的多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制***，其特征在于，所述第二基准值对应使用者单次右眼眨眼的动作。
10.根据权利要求9所述的多自由度机械臂的脑电、眼电脑机控制***，其特征在于，所述取消指令采集模块(13)选择长度为Y毫秒的采集窗口，1500≤Y≤2000。
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