基于脑-机接口的智能轮椅控制系统及其脑电信号处理方法技术方案

基于脑－机接口的智能轮椅控制系统及其脑电信号处理方法。系统有依次相连的：采集受试者脑电信号的前置放大信号预处理电路、信号采集卡Ａ／Ｄ转换、信号处理装置、信号采集卡Ｄ／Ａ转换、接口电路、循环灯控制面板以及轮椅，循环灯控制面板还与受试者相连接收受试者发出的反馈信号。方法有：由信号采集卡差动输入脑电信号；对脑电信号进行滤波；对滤波后的脑电信号进行ＲＭＳ平滑算法；分两路：一路经４００～５００ｍｓ的平均，进入主控制通道，另一路经５０ｍｓ的平均算法，进入辅助控制通道；信号是α波信号时输出。本发明专利技术操作简便，只需在受试者枕部和耳部两导联处放置两个脑电检测电极，就可帮助肢体残疾人士、老龄化人群，以及重症瘫痪但脑部有思维的人自由行动，以提高他们的生活质量。

Intelligent wheelchair control system based on brain computer interface and EEG signal processing method

Intelligent wheelchair control system based on brain computer interface and EEG signal processing method. The system is connected: collect the preamplifier signal pretreatment circuit, signal acquisition card A / D conversion, signal processing device, signal acquisition card D / A converter, interface circuit, circular lamp control panel and chair of EEG signals, circular lamp control panel is also connected with the subjects received a test a feedback signal. Methods: from the EEG signal acquisition card differential input signal; filtering the EEG; RMS smoothing algorithm for EEG signal after filtering; in two ways: a path from 400 to an average of 500ms, into the main control channel, another average algorithm through 50ms, enter the auxiliary control channel signal; the output of alpha wave signal. The invention has the advantages of simple operation, only placed two electrodes in subjects with occipital and ear two lead, can help handicapped people, aging population, and severe paralysis but the brain thinking people freedom of action, to improve their quality of life.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种智能轮椅。特别是涉及一种能够帮助肢体残疾人士、老龄化人群，以及重症瘫痪但脑部有思维的人自由行动，可以与外界进行信息交流和控制，以提高他们的生活质量的。
技术介绍
脑-机接口(Brain-Computer Interface-BCI)是在人脑和计算机或其他电子设备之间建立的一种直接的信息交流和控制通道，是一种不依赖于常规大脑输出通路(外周神经和肌肉组织)的全新的信息交流系统。 因此，脑-机接口是智能轮椅研究中的重要课题，涉及面广，包含问题较多。对BCI的研究最早开始于上世纪70年代，美国国防总部看到了战斗飞行员如果能用思维直接控制飞机将有极大的应用前景，因此对BCI展开研究。由于当时特定的技术限制，成功可能性很小，计划被取消了。但是当初所作的一些基础工作却为今天这一领域的快速发展打下了基础。当今研究BCI的主要目的是为了帮助遭受脑瘫(cerebral palsy)，或脊柱损伤失去外周神经控制但思维能力尚存的病人，使他们重新实现对外界的交流和控制。在过去的几十年里，这项研究已经取得了巨大的进步。 一个基本的BCI系统设计和控制如图1所示。信号通过电阻从头皮或颅内获得，经过信号处理提取反映使用者意图的信号特征，这些特征再被转化为控制设备的命令(如一个字处理程序，操纵轮椅或神经损伤弥补)，只有使用者协调好信号特征与其意图之间的关系，同时BCI选择、特征提取并有效准确地将之转为设备控制命令，系统才能有效操作。 智能轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅，融合多种领域的研究，包括机器人导航和定位、模式识别、多传感器融合及人-机接口等，涉及机械、控制、传感器、人工智能、通讯等技术，也称智能轮椅式移动机器人。自1986年英国开始研制第一辆智能轮椅以来，许多国家投入较多资金研究智能轮椅。如美国麻省理工学院WHEELESLEY项目、法国VAHM项目、德国乌尔姆大学MAID(老年人及残疾人助动器)项目、Bremen AutonomousWheelchair项目、西班牙SIAMO项目、加拿大AAI公司TAO项目、欧盟TIDE项目、KISS学院TINMAN项目、台湾中正大学电机系LUOSON项目、我国863智能机器人智能轮椅项目及第三军医大学外科研究所项目等。由于各个实验室的目标及研究方法不尽相同，每种轮椅解决的问题及达到的能力不同。联合国发表报告指出，全世界人口老龄化进程正在加快，今后50年内，60岁以上的人口比例预计将会翻一番，由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加，他们存在不同程度的能力丧失，如行走、视力、动手及语言等。为了给老年人和残障人士提供性能优越的代步工具，帮助他们提高行动自由度及重新融入社会，目前美国、德国、日本、法国、加拿大、西班牙及中国等国家对智能轮椅进行了研究，使智能轮椅具有记忆地图、避障、自动行走、与用户交互等功能。 脑-机接口是在人脑和计算机或其它电子设备之间建立一种直接的信息交流系统。通常90％脑神经功能正常的人在短时间闭眼后脑电(Electroencephalography，EEG)中alpha(α)波幅均可明显增强，同时，由于EEG记录了大脑不同部位神经细胞群的电活动，理论上人的思维意识活动也应该在脑电中反映出来，所以，EEG成为BCI中代替神经和肌肉系统携带信息的首选工具。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够帮助肢体残疾人士、老龄化人群，以及重症瘫痪但脑部有思维的人自由行动，可以与外界进行信息交流和控制，以提高他们的生活质量的。 本专利技术所采用的技术方案是一种。其中，基于脑-机接口的智能轮椅控制系统，包括有依次相连的采集受试者脑电信号的前置放大信号预处理电路、信号采集卡A/D转换、信号处理装置、信号采集卡D/A转换、接口电路、循环灯控制面板以及轮椅，其中，循环灯控制面板还与受试者相连接收受试者发出的反馈信号。 所述的前置放大信号预处理电路是通过设置在受试者枕部或耳部两导联处的两个脑电检测电极来采集受试者脑电信号。 所述的信号处理装置采用计算机。 所述的接口电路包括有脉冲发生器，与脉冲发生器相连的四位双向移位寄存器，与四位双向移位寄存器的四个与门单元输出端相连的四输入与非门，与四输入与非门相连的接口触点，所述的四个与门单元输入端还连接信号采集卡D/A转换的输出端，所述的接口触点连接循环灯控制面板上的表示前、右、左、后的四个循环显示灯前、右、左、后。 用于要求1所述的智能轮椅的脑电信号处理方法，包括有如下步骤 (1)由信号采集卡差动输入脑电信号； (2)对脑电信号进行滤波； (3)对滤波后的脑电信号进行RMS平滑算法； (4)分两路一路经400～500ms的平均，进入主控制通道，并判断是否超过门限电压，若没超过继续进行400～500ms的平均算法，超过则进入下一步；另一路经50ms的平均算法，进入辅助控制通道后进入下一步； (5)判断信号是否是α波控制信号，是则输出，否则继续分两路进行两路的平均。 所述的对脑电信号进行滤波，是经8～13Hz的带通滤波保留α波的主成分。 所述的进行RMS平滑算法是进行10ms的RMS平滑算法。 本专利技术的，是利用脑电中对应于视觉皮层的alpha(a)波最具明显节律性的特点和在绝大多数脑神经功能正常人中普遍存在的a波阻断现象(即短时间闭眼后a波幅可明显增强)，并结合电视遥控器的控制原理，设计了一套基于脑电a波的脑-机接口智能轮椅操纵系统。本专利技术操作简便，只需在受试者枕部和耳部两导联处放置两个脑电检测电极，不必强行引入视觉或听觉刺激信号(以免对患者的心理伤害)，几乎无需学习和生物反馈训练或仅需很短时间训练就可以稳定而可靠地控制智能轮椅的行进。帮助肢体残疾人士、老龄化人群，以及重症瘫痪但脑部有思维的人自由行动，以提高他们的生活质量，并获得可观的社会效益和经济效益。 附图说明 图1是基本的BCI系统控制示意图； 图2是脑电采集位置示意图； 图3是本专利技术的整体框图； 图4是前置放大器信号预处理的电路框图； 图5是接口电路框图； 图6是接口电路原理； 图7是本专利技术的脑信号处理方法的流程图。 其中 5前置放大信号预处理电路6信号采集卡A/D转换 7信号处理装置 8信号采集卡D/A转换 9接口电路 10循环灯控制面板 11受试者 12轮椅 91脉冲发生器 92四位双向移位寄存器 93电源 94四输入与非门 95接口触点 具体实施例方式 下面结合实施例附图对本专利技术的做出详细说明。 本专利技术利用脑电中对应于视觉皮层的alpha(a)波最具明显节律性的特点和在绝大多数脑神经功能正常人中普遍存在的a波阻断现象(即短时间闭眼后a波幅可明显增强)，并结合电视遥控器的控制原理，设计了一套基于脑电a波的脑-机接口智能轮椅控制系统。本专利技术的脑电信号采集时只需通过银-氯化银电极，并采用单极导联方式，以双耳的公共连接端作为参考，同时也作为接地端输入放大器。所述的脑电采集位置如图2所示。 如图3所示，本专利技术的基于脑-机接口的智能轮椅控制系统，包括有依次相连的采集受试者11脑电信号的前置放大信号预处理电路5、信号采集卡A/D转换6、信号处理装置7、信号采集卡本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于脑－机接口的智能轮椅控制系统，其特征在于，包括有依次相连的：采集受试者（１１）脑电信号的前置放大信号预处理电路（５）、信号采集卡Ａ／Ｄ转换（６）、信号处理装置（７）、信号采集卡Ｄ／Ａ转换（８）、接口电路（９）、循环灯控制面板（１０）以及轮椅（１２），其中，循环灯控制面板（１０）还与受试者（１１）相连接收受试者（１１）发出的反馈信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：明东，宋玮，朱誉环，万柏坤，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]