一种采用脑电信号控制的可行走座椅装置及其控制系统制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种采用脑机接口的新型足式辅助运动装置和控制系统，该系统可以使用有限种类的脑电信号进行操控，能够适应非平坦化的地形环境，并能够帮助用户实现安全可靠的导航和运动。系统包含步行椅机器人和脑机接口。用户负责声明任务，步行椅机器人负责任务的具体规划与执行，脑机接口根据脑电信号解析用户的决策意图，负责用户和轮椅机器人之间的通信。步行椅机器人的结构在空间上分为上下两个部分，下方是四足运动系统，上方是可旋转的座椅平台。用户既可以坐在座椅平台上进行实际的脑控操作，也可以在远端应用脑机接口对脑控步行椅进行遥控操作。此外，脑控步行椅还提供传统的操作摇杆，供具有手部运动能力的患者使用。控制系统以安全为首要目标进行人机协作控制，通过意图解析模块理解人的高级意图，并在保障安全的前提下尽可能满足人的意图。

Walking chair device controlled by electroencephalogram signal and control system thereof

The invention relates to a method for using a brain computer interface model foot auxiliary motion device and control system, the EEG signal of the system can use the limited types of control, to the flattening of the terrain environment, and it can help the user to achieve safe and reliable navigation and motion. The system consists of walking chair, robot and brain computer interface. The user is responsible for declaring the task, and the walking chair robot is responsible for the specific planning and execution of the task. The brain computer interface analyzes the user's decision intention according to the electroencephalogram signal, and is responsible for the communication between the user and the wheelchair robot. The structure of the walking chair robot is divided into two parts in the space, the lower part is a quadruped movement system, and the rotatable chair platform is arranged above. The user can sit on the seat platform for actual brain control operation, or remotely control the brain operated walking chair by using a brain computer interface at the far end. In addition, the brain controlled walking chair also provides operatorsjoystick tradition, which has used the hand movement ability of patients. The control system takes the security as the primary goal, carries on the man-machine cooperation control, through the intention analysis module understands human's advanced intention, and under the safeguard security premise, satisfies the human intention as far as possible.

【技术实现步骤摘要】
一种采用脑电信号控制的可行走座椅装置及其控制系统
本专利技术涉及一种脑控式步行椅机器人及其控制系统。更明确地，本专利技术涉及一种四足步行椅机器人，以及采用有限类型的无创式脑电信号进行操控和导航的控制系统。属于智能机器人

技术介绍
电动式轮椅作为当今国内外广泛应用的辅助工具之一，为瘫痪病人带来了福利。然而，传统的电动式轮椅采用操纵杆及按键式的操控方式，因此无法推广于肌肉萎缩症、骨髓损伤等手部操作能力受限的患者。目前这类患者仍然需要依赖大量的人力和财力照顾其生活起居及活动，患者在心理上也承受着压力。上述患者对于生活质量，尤其是对于辅助运动能力的需求，对目前的轮椅设计、操控方式和控制方法提出了新的挑战。近年来，学术界在“脑机接口”(人脑-计算机接口)领域的研究取得了一定突破。其机理是计算机通过传感器采集人脑电波，通过信号处理来判断人的意图并予以响应。脑机接口可以实现人大脑中的意图信息解析，这种接口中信息的传递并不需要人体肌肉的实际运动。因此将脑机接口引入康复领域，可提供新型的操控方式并提供新的轮椅设计理念。近年来，在脑神经科学领域和智能机器人领域的一些国际知名的实验室中，已出现了采用脑机接口操控方式来代替传统电动轮椅中摇杆按键式操控方式的设计，并把这种具备脑机接口的电动轮椅称为脑控轮椅。而具有人工智能的脑控式椅，则被称为脑控轮椅机器人。脑控轮椅的出现，为广大依赖传统轮椅、缺乏照顾的患者带来了福音。借助脑控轮椅，这类患者可实现在相对平坦的地面自主行进。然而，目前绝大多数的室内建筑在设计之初并没有针对轮椅的行走需求进行特别的设计。在面对大台阶、斜坡、门槛的时候，如果没有外人的辅助，用户仅依靠脑控轮椅难以适应这种类型的环境。人类追求幸福的探索是永无止境的，如何让诸多的瘫痪、肌肉萎缩症、骨髓损伤类患者在现实环境中实现他们运动的梦想，是我们追求的目标。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种采用无创式脑机接口的新型辅助运动装置和控制系统，能够适应非平坦化的地形环境，并能够帮助用户实现安全可靠的导航和运动。足式行走相对于轮式行走，对真实环境具有更好的适应性。本专利技术考虑采用四足运动系统代替脑控轮椅中的轮式运动系统，设计新型的脑控步行椅机器人(QWCR，quadrupedwalkingchairrobot)。本专利技术所指的脑控步行椅机器人，即是通过脑机接口来驱动具有座椅系统的足式机器人进行行走的机器人系统。QWCR的结构在空间上分为上下两个部分，下方是四足运动系统，上方是可旋转的座椅平台。用户既可以坐在座椅平台上进行实际的脑控操作，也可以在远端应用脑机接口对QWCR进行遥控操作。此外，QWCR还提供传统的操作摇杆，供具有手部运动能力的患者使用。机器人的上身座椅可实现相对于四足运动系统水平方向的旋转。机器人的视觉系统始终跟随着座椅的旋转，并与座椅朝向保持一致。不同于传统的多足步行机器人，QWCR的机身设计为正六边形，其四足分布于正六边形机身的四周。采用这种结构的最大优势是机器人没有传统意义的头部，因此其不必转向即可实现转弯运动以及全方位的行走，这种机构设计为采用有限信号的脑机协作控制提供了便利。为了实现QWCR在三维地形中的导航，其控制系统设计的主要目标是：1)安全；2)能够为人脑决策提供足够的信息与合理的交互方式；3)能够对人在复杂场景中的导航意图进行正确识别与合理响应；4)保障运动效率。QWCR的系统主要包括步行椅机器人，脑机接口。用户声明目标地点并参与导航决策，步行椅机器人负责执行导航和行走任务，人和机器人通过脑机接口进行通信。脑机接口采用图形界面为用户决策提供信息，包括场景地图、机器人状态信息和协议命令提示信息。用户大脑发出的脑电信号依据脑机接口协议进行解析，并将获得的信息传递给机器人进行人脑的高级意图识别。步行椅机器人根据解析得到的用户期望的目标位置，结合由机身布置的多种传感器获得的地图和自身运动信息，来进行路径规划。对于用户意图以及通过独立决策得到的机器人意图，将通过人机协作控制策略来进行协调，该策略基于之前描述的控制系统设计目标。依据协作控制获得的行为方案，步行椅机器人将生成空间步态以实现QWCR的行走运动。此外，当步行椅机器人遇到失足、严重打滑等危险情况时，突发状况处理系统将直接作用并保护用户和机器人。本专利技术针对现有脑控轮椅在地形适应能力的不足，提供了一种新的具有座椅并能够行走的脑控机器人。总体而言，本专利技术具备以下的效果和优点：(1)具有行走的能力。在原理上能够适应更多的地形，拓展了传统电动轮椅的应用范围。(2)控制系统的设计采用人机协作的方式，综合考虑系统安全以及满足人的意图。具有脑控接口和手动两种操作方式，拓展了用户的适用范围。附图说明图1是本专利技术脑控步行椅机器人系统结构方案图；图2是本专利技术脑控步行椅机器人控制系统框图；具体实施方式以下结合设计实例和附图对本专利技术提出的一种使用有限类型脑电信号的脑控轮椅设计和控制方法作进一步详细的说明，但以下实施例仅是说明性的，本专利技术的保护范围并不受这些实例的限制。如图2所示，所述脑控步行椅机器人系统由步行椅机器人3和脑机接口2组成。用户1负责声明任务和根据脑机接口协议21做出决策，步行椅机器人3从脑机接口2获得任务并执行。脑机接口2包括显示模块22、脑电解码模块23和脑机接口协议21。其中，脑电解码模块23通过布置于用户1头皮层外表的电极获得脑电信息，并通过模式识别和匹配将脑电信号解码为脑机接口可以识别的模式。解码获得的脑电信号按照脑机接口协议21设定的规则，解析获得人脑意图信息，发送给机器人控制系统5中的意图解析模块51。显示模块22负责输出图像信息，供用户1使用。如图1所示，所述步行椅机器人3主要包括机身结构、各类传感器以及机器人控制系统5。机器人机身结构主要包括座椅41，手动操作面板42，电源43，轴承44，底部支撑结构45，足关节模块46。底部支撑结构45在水平方向设计为正六边形形状。座椅41与底部支撑结构45间具有一个水平方向的旋转自由度，并由电机进行驱动，两者通过轴承44隔离。步行椅机器人3具有4个完全一致的足关节模块46，并对称布置于底部支撑结构45的四个侧面上。每个足关节模块均具有3个旋转运动关节，并均由电机驱动。如图1所示，所述步行椅机器人3配备的传感器包括姿态传感器31，接近觉传感器32，力传感器33，近距视觉模块34和远距视觉模块35。远距视觉模块35位于座椅41背部上方，用来获取机器人运动前方中远距离内的信息。该模块35采用双目摄像装置设计，并具有主动地俯仰和水平旋转两个自由度。近距视觉模块34固定于座椅41的下方，主要用来获取步行椅机器人3运动前方短距离范围内的地形。力传感器33布置于每个足关节的底部，接近觉传感器35布置于足关节模块46的膝部下方。姿态传感器31布置于底部支撑结构45中，包括陀螺仪和加速度传感器。如图2所示，所述机器人控制系统5包括意图解析模块51，步态生成模块52，人机协作控制模块53，紧急处理模块54，同步定位与成图模块55，路径规划模块56。这里的控制系统各模块均是指软件模块，实际的算法运行于电路硬件实体形态的主控器6上。同步定位与成图模块55获取来自远距离视觉模块35和姿态传感器31的信息，并应用即时定位与地图构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脑控步行椅机器人系统由步行椅机器人(3)和脑机接口(2)组成。用户(1)负责声明任务和根据脑机接口协议(21)做出决策，步行椅机器人(3)从脑机接口(2)获得任务并执行。

【技术特征摘要】
1.一种脑控步行椅机器人系统由步行椅机器人(3)和脑机接口(2)组成。用户(1)负责声明任务和根据脑机接口协议(21)做出决策，步行椅机器人(3)从脑机接口(2)获得任务并执行。2.根据权利要求1所述的脑控步行椅机器人系统，其特征在于：所述脑机接口(2)包括显示模块(22)、脑电解码模块(23)和脑机接口协议(21)。其中，脑电解码模块(23)获取用户(1)的脑电信息，并解码为脑机接口可识别的模式。按照脑机接口协议(21)设定的规则将解码的脑电信号解析，获得人脑意图信息，并发送给控制系统(5)中的意图解析模块(51)。显示模块(22)负责输出图像信息，供用户(1)使用。3.根据权利要求1所述的脑控步行椅机器人系统，其特征在于：所述步行椅机器人(3)主要包括机身结构、各类传感器以及机器人控制系统(5)。其中，机器人机身结构主要包括座椅(41)，手动操作面板(42)，电源(43)，轴承(44)，底部支撑结构(45)，足关节模块(46)。手动操作面板(42)供具有手部运动能力的用户手动操作，座椅(41)与底部支撑结构(45)间具有一个水平方向的旋转自由度，两者通过轴承(44)隔离。步行椅机器人(3)具有4个完全相同的足关节模块(46)，每个足关节模块均具有3个旋转运动关节，电源(43)负责整个系统的供电。4.根据权利要求1所述的脑控步行椅机器人系统，其特征在于：所述步行椅机器人(3)配备的传感器包括姿态传感器(31)，接近觉传感器(32)，力传感器(33)，近距视觉模块(34)和远距视觉模块(35)。远距视觉模块(35)位于座椅(41)背部上方，采用双目摄像装置设计，具有俯仰和水平旋转两个自由度，用来获取机器人运动前方中远距离内的信息。近距视觉模块(34)固定于座椅(41)的下方，主要用来获取步行椅机器人(3)运动前方短距离范围内的地形。力传感器(33)布置于每个足关节的底部，接近觉传感器(35)布置于足关节模块(46)的膝部下方。姿态传感器(31)布置于底部支撑结构(45)中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾文川，毕良驭，蒲华燕，孙翊，马书根，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31