基于脑机接口的智能护理床及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于脑机接口的智能护理床及其控制方法，属于机器人控制领域，所述智能护理床包括依次连接的脑电信号采集仪、计算机、视觉刺激与控制界面、控制模块和护理床，所述脑电信号采集仪用于实时采集使用者的脑电信号；所述计算机用于脑电信号的预处理、特征提取以及特征分类，并控制所述视觉刺激与控制界面上光标的移动，之后向控制模块发出控制指令；所述视觉刺激与控制界面上设置有四个视觉刺激键位、第一模式键位和第二模式键位；所述控制模块用于接收所述计算机发出的控制指令，并驱动护理床完成指定的动作。本发明专利技术有效减轻了使用者的视觉疲劳，能实现较多的控制功能，大大提高了脑电信号的识别准确率和系统的控制精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人控制领域，具体涉及一种基于脑机接口的智能护理床及其控制方法。
技术介绍
随着智能控制技术的飞速发展，康复机器人成为了新的研究热点。瘫痪病人或者基本失去运动能力的病人不得不长期卧床，长期卧床的病人一方面后背和臀部将会长期受压，产生褥疮，另一方面病人若长期卧床肌肉的得不到活动会产生肌肉萎缩。目前大多数服务机器人与人交互的方式都是通过声音、按钮等传统方式，而很多老年人及残障人士部分或完全丧失了自主控制肌肉的能力，这些人控制此类机器人的难度则非常大，如何使这部分人重新恢复对外部世界的控制能力以及与外部世界的交互能力，成为当前的研究热点。随着计算机技术、智能控制技术、模式识别等技术的深入研究，脑机接口(brain-computer interface，BCI)技术成为人们研究的一个新领域，脑机接口是一种不依赖于正常外周神经和肌肉组成的输出通道的通信控制系统，是人脑与计算机或者其他电子设备之间建立的直接的交流和控制通道。通过这种通道，人就可以直接通过脑来表达想法或者操控其他设备，而不需要通过语言或肢体的动作，是一种全新的通信和控制方式，脑机接口技术的出现为丧失基本运动能力和语言表达能力的病人提供了一种新的与外界交互的方式。国家知识产权局于2015年7月8日申请公布的申请公布号为CN 104758130 A的专利技术专利中公开了一种基于脑机接口的智能护理装置及方法，该装置是一种基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)和事件相关电位(P300)的脑机接口智能护理装置，通过该智能护理装置及方法，长期卧床不起的用户可以根据自己的控制意图来进行人工呼唤求助和操控护理床的控制启动/关闭、向左侧翻、右侧平、向右侧翻、左侧平、起背、背平、向下曲腿、向上抬腿、便盆开/关、及快速复位护理床等功能，稳态视觉诱发电位(SSVEP)为当人眼注视一定频率(≥6Hz)的周期闪烁，在大脑视觉皮层会诱发产生一个连续的与视觉频率有关的响应，通过枕区脑电信号获得。事件相关电位(P300)是大脑对某种事件进行信息加工时诱发产生的一系列电活动，是对掺杂在一系列事件中的相对稀少的事件有关刺激反应，需要采用特定的事件刺激序列诱发受试者。基于SSVEP和P300事件相关电位的脑电信号获取都要通过相关的视觉刺激来激发。国家知识产权局于2016年2月10日授权公告的授权公告号为CN 103150023 B的专利技术专利中公开了一种基于脑机接口的光标控制系统及方法，该控制系统及方法也是将P300诱发电位视觉刺激和SSVEP诱发电位视觉刺激以界面显示方式提供给使用者。上述基于脑机接口的智能护理装置及方法和基于脑机接口的光标控制系统及方法都是在界面上设置不同的相关刺激键位，以闪烁频率、颜色、字符等形式呈献给使用者，使用者需要集中精力注视相关键位才能获取准确的脑电信号，这种单纯用刺激的方法很容易引起使用者的视觉疲劳，如果需要实现许多功能的话需要设置很多刺激键位，如果刺激键位比较密集的排列在屏幕上的话，使用者很难集中精力注视一个相关键位，不同的键位会对使用者形成干扰，会严重影响脑电信号识别的准确性，甚至无法获得理想的脑电信号，严重影响控制的精度。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种将SSVEP和运动想象的脑机接口控制方法相结合，可以识别较少的脑电信号但能实现较多的功能，避免了使用者视觉疲劳，并提高了脑电信号的识别准确率和控制精度的基于脑机接口的智能护理床及其控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供技术方案如下：一种基于脑机接口的智能护理床，包括依次连接的脑电信号采集仪、计算机、视觉刺激与控制界面、控制模块和护理床，其中：所述脑电信号采集仪用于实时采集使用者的原始脑电信号，并对所述原始脑电信号进行信号放大和模数转换；所述计算机用于脑电信号的预处理、特征提取以及特征分类，并根据特征分类的脑电信号按使用者的意图控制所述视觉刺激与控制界面上的光标的移动来完成功能的选择，使用者完成功能的选择后，所述计算机向所述控制模块发出控制指令；所述视觉刺激与控制界面为使用者的控制界面，所述视觉刺激与控制界面的上、下、左、右设置有四个视觉刺激键位，分别为开始、停止、确认、返回，四个视觉刺激键位具有不同的闪烁频率，所述视觉刺激与控制界面的中间设置有第一模式键位和第二模式键位，使用者通过想象左、右手的运动来进行模式选择；所述控制模块用于接收所述计算机发出的控制指令，并驱动所述护理床完成指定的动作。进一步的，所述第一模式为人工模式，当所述第一模式键位被使用者选择时，系统进入第一模式，所述第一模式的界面的上、下、左、右设置有四个视觉刺激键位，分别为开始、停止、确认、返回，四个视觉刺激键位具有不同的闪烁频率，所述第一模式的界面的中间设置有翻身、抬背和曲腿三个模式键位，使用者通过想象左、右手的运动来进行模式选择；所述第二模式为自动模式，当所述第二模式键位被使用者选择时，系统进入第二模式，所述护理床按照预设程序完成相应的动作功能。进一步的，所述视觉刺激与控制界面的开始、停止、确认、返回四个视觉刺激键位与所述第一模式的界面上的开始、停止、确认、返回四个视觉刺激键位的功能原理相同，其中：所述开始键位为所述智能护理床的系统的启动键位；所述确认键位为使用者选择模式时的确认健；所述返回键位为使用者选择模式时的返回健；所述停止键位为所述护理床运行的停止键。进一步的，所述视觉刺激与控制界面的显示屏为3个，分别设置于所述护理床的左侧、右侧以及上方，所有的显示屏具有相同的界面和功能，所有的显示屏同步显示。进一步的，所述第二模式的工作模式为连续完成的抬背、曲腿动作模式。基于脑机接口的智能护理床的控制方法，包括：步骤1：将所述脑电信号采集仪与使用者的头部连接，并调整所述脑电信号采集仪的位置，使所述脑电信号采集仪上所有的电极处在国际10-20系统的标准电极位置，然后启动系统，打开所述计算机和视觉刺激与控制界面；步骤2：所述脑电信号采集仪实时采集使用者的原始脑电信号，并对所述原始脑电信号进行放大和模数转换，将得到的数字信号发送给所述计算机；步骤3：所述计算机对接收到的数字信号依次进行预处理、特征提取和特征分类，得到使用者注视某一闪烁频率的键位时产生的第一脑电信号和使用者想象左、右手运动时产生的第二脑电信号，所述计算机将第一脑电信号和第二脑电信号映射转换为对应的第一控制命令和第二控制命令，并将所述第一控制命令和第二控制命令发送给所述控制模块；步骤4：所述控制模块根据接收到的第一控制命令和第二控制命令驱动护理床完成相应的功能。进一步的，所述步骤3中，所述计算机对所述数字信号的预处理为依次对所述数字信号进行降采样、导联的选取和带通滤波，得到所需的SSVEP和运动想象脑电信号的主要成分。进一步的，所述步骤3中，所述计算机的特征提取包括SSVEP的特征提取和运动想象脑电信号的特征提取，所述SSVEP进行特征提取后得到第三脑电信号，所述运动想象脑电信号进行特征提取后得到第四脑电信号，所述计算机的特征分类分别采用支持向量机作为分类模型对所述第三脑电信号和第四脑电信号进行特征分类，分别得到所述第一脑电信号和第二脑电信号。进一步的，所述步骤3中，所述SSVEP的特征提取采用典型相关分析提取方法，包括：步骤311：所述计算机获本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于脑机接口的智能护理床，其特征在于，包括依次连接的脑电信号采集仪、计算机、视觉刺激与控制界面、控制模块和护理床，其中：所述脑电信号采集仪用于实时采集使用者的原始脑电信号，并对所述原始脑电信号进行信号放大和模数转换；所述计算机用于脑电信号的预处理、特征提取以及特征分类，并根据特征分类的脑电信号按使用者的意图控制所述视觉刺激与控制界面上的光标的移动来完成功能的选择，使用者完成功能的选择后，所述计算机向所述控制模块发出控制指令；所述视觉刺激与控制界面为使用者的控制界面，所述视觉刺激与控制界面的上、下、左、右设置有四个视觉刺激键位，分别为开始、停止、确认、返回，四个视觉刺激键位具有不同的闪烁频率，所述视觉刺激与控制界面的中间设置有第一模式键位和第二模式键位，使用者通过想象左、右手的运动来进行模式选择；所述控制模块用于接收所述计算机发出的控制指令，并驱动所述护理床完成指定的动作。

【技术特征摘要】
1.一种基于脑机接口的智能护理床，其特征在于，包括依次连接的脑电信号采集仪、计算机、视觉刺激与控制界面、控制模块和护理床，其中：所述脑电信号采集仪用于实时采集使用者的原始脑电信号，并对所述原始脑电信号进行信号放大和模数转换；所述计算机用于脑电信号的预处理、特征提取以及特征分类，并根据特征分类的脑电信号按使用者的意图控制所述视觉刺激与控制界面上的光标的移动来完成功能的选择，使用者完成功能的选择后，所述计算机向所述控制模块发出控制指令；所述视觉刺激与控制界面为使用者的控制界面，所述视觉刺激与控制界面的上、下、左、右设置有四个视觉刺激键位，分别为开始、停止、确认、返回，四个视觉刺激键位具有不同的闪烁频率，所述视觉刺激与控制界面的中间设置有第一模式键位和第二模式键位，使用者通过想象左、右手的运动来进行模式选择；所述控制模块用于接收所述计算机发出的控制指令，并驱动所述护理床完成指定的动作。2.根据权利要求1所述的基于脑机接口的智能护理床，其特征在于，所述第一模式为人工模式，当所述第一模式键位被使用者选择时，系统进入第一模式，所述第一模式的界面的上、下、左、右设置有四个视觉刺激键位，分别为开始、停止、确认、返回，四个视觉刺激键位具有不同的闪烁频率，所述第一模式的界面的中间设置有翻身、抬背和曲腿三个模式键位，使用者通过想象左、右手的运动来进行模式选择；所述第二模式为自动模式，当所述第二模式键位被使用者选择时，系统进入第二模式，所述护理床按照预设程序完成相应的动作功能。3.根据权利要求2所述的基于脑机接口的智能护理床，其特征在于，所述视觉刺激与控制界面的开始、停止、确认、返回四个视觉刺激键位与所述第一模式的界面上的开始、停止、确认、返回四个视觉刺激键位的功能原理相同，其中：所述开始键位为所述智能护理床的系统的启动键位；所述确认键位为使用者选择模式时的确认健；所述返回键位为使用者选择模式时的返回健；所述停止键位为所述护理床运行的停止键。4.根据权利要求3所述的基于脑机接口的智能护理床，其特征在于，所述视觉刺激与控制界面的显示屏为3个，分别设置于所述护理床的左侧、右侧以及上方，所有的显示屏具有相同的界面和功能，所有的显示屏同步显示。5.根据权利要求2所述的基于脑机接口的智能护理床，其特征在于，所述第二模式的工作模式为连续完成的抬背、曲腿动作模式。6.权利要求1至5中任一所述的基于脑机接口的智能护理床的控制方法，其特征在于，包括：步骤1：将所述脑电信号采集仪与使用者的头部连接，并调整所述脑电信号采集仪的位置，使所述脑电信号采集仪上所有的电极处在国际10-20系统的标准电极位置，然后启动系统，打开所述计算机和视觉刺激与控制界面；步骤2：所述脑电信号采集仪实时采集使用者的原始脑电信号，并对所述原始脑电信号进行放大和模数转换，将得到的数字信号发送给所述计算机；步骤3：所述计算机对接收到的数字信号依次进行预处理、特征提取和特征分类，得到使用者注...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁守银，李臣，高诺，李艳萍，隋首钢，王涛，
申请(专利权)人：山东建筑大学，
类型：发明
国别省市：山东;37