基于脑-机接口的服务机器人系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于脑－机接口的服务机器人系统，包括有与人体大脑相连的头皮电极；脑电放大单元，用于接收头皮电极的信号并进行放大；脑电采集单元，采集放大的脑电信号并进行Ａ／Ｄ转换；计算机，对脑电信号进行处理；状态选择器，接收计算机处理后的信号，并锁定一个方向信息；控制接口，接收状态选择器提供的方向选择信号，并将该信号发送到计算机的串口，计算机将该信号无线传输给服务机器人；所述的人体大脑又通过视觉分别接收状态选择器和服务机器人的反馈信号。本发明专利技术根据９０％脑神经功能正常的人在短时间闭眼后脑电中α波幅均可明显增强这一普适特征，实现了脑电α波对服务机器人在四个方向移动控制。无需训练就可以快速而可靠地控制外部服务机器人。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种服务机器人，特别是涉及一种能够实现脑电a波对服务机器人在四个方向移动控制的基于脑-机接口的服务机器人系统。
技术介绍
服务机器人(Service Robot)是机器人家族中的年轻成员，各个国家对服务机器人的认识不同，到目前为止尚无统一、严格的定义。国际机器人联合会(IFR)给服务机器人的初步定义服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务和工作但不包括从事生产的设备。我国关于服务机器人(又称Advanced Robot)的定义是工业机器人之外的各种机器人，主要应用于第三产业，包括家庭机器人(Home Robot)与野外机器人(Field Robot)两大类。服务机器人正在为人们提供越来越多方便、舒适的服务，引领人类生活方式发生变革，为人口老龄化等带来的重大社会服务问题提供解决方案，为第三产业发展提供新的动力。目前我国60岁以上人口已达到1.34亿，残疾人数量高达5千多万，在不远的将来，老年人和残疾人的护理将成为社会的一个重要负担，迫切需要一大批服务机器人提供家用智能服务，诸如清洁、取物、事务提示、身体监测、远程医疗、家庭保安、娱乐等，提高他们的生活质量，满足整个社会对护理人员数量和质量的需求。服务机器人通常是在非结构化或半结构化环境下工作，应用任务复杂多样，并且直接为用户提供服务。其核心技术主要包括自主移动技术、感知技术、人-机器人交互技术、网络/计算机-机器人交互技术等几类。其中人-机器人交互技术中的视觉、语音、力觉、触觉、多通道交互等技术己经取得较多成果，而新型人机交互技术正逐渐成为研究的热点。作为人-机器人交互技术的脑机接口技术，随着人们对神经系统功能认识的提高和计算机科学以及信号处理技术的不断进步，在最近十年得到了世界范围内更多的关注，取得了较为迅速的发展。脑机接口技术，是脑-计算机接口 (Brain-Computer Interface, BCI)的简称，是在人脑与计算机与其它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。BCI的实质是通过脑电信号推断人的想法或目的，从而实现人机交流。脑机接口技术作为一种全新的大脑输出通路，能够为思维正常但运动功能残缺的人提供一种新型的弥补功能和对外信息交流手段，但它与已有的运动功能康复手段不同，也有别于另一些传统的残疾人辅助设备。运动功能康复手段主要有两种， 一是通过物理治疗提高残存运动功能，二是利用功能性电刺激(functional electrical stimulation, FES)系统代替神经系统直接控制瘫痪肌肉；传统的残疾人辅助设备，如语音合成器，键盘使用增强器，利用呼吸器控制的开关以及替代手柄和鼠标的输入装置，则是利用可自主控制的肌肉替代萎縮的肌肉，增强现有的传导通路能力。这些技术或多或少的都需要有某种形式的肌肉运动参与，而脑机接口技术突出的特点则是不依赖于任何外围神经和肌肉系统响应这些传统的信息输出通路，它根据大脑思维意念或感官反映所产生的脑电信号进行工作，因而是全新意义上的康复辅助手段和大脑外界信息交流途径。随着脑机接口技术的逐步成熟和应用需求的提高出现了应用于拼写、控制指针运动和控制神经假体的各种脑机接口系统。逐渐地，更贴近人类生活的高层次外部装置一服务机器人也开始被用于脑机接口研究中。随着相关理论和技术的发展，如脑神经科学、行为科学、心理学及信息融合处理技术、模式识别技术、神经网络技术等的发展，脑机接口技术必将为现有的人机交互模式注入新的活力。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种可以实现脑电a波对服务机器人在四个方向上的移动控制的基于脑-机接口的服务机器人系统。本专利技术所采用的技术方案是 一种基于脑-机接口的服务机器人系统，包括有与人体大脑相连的头皮电极，还设置有脑电放大单元，用于接收头皮电极的信号并进行放大；脑电采集单元，采集放大的脑电信号并进行A/D转换；计算机，对脑电信号进行处理；状态选择器，接收计算机处理后的信号，并锁定一个方向信息；控制接口，接收状态选择器提供的方向选择信号，并将该信号发送到计算机的串口，计算机将该信号无线传输给服务机器人；所述的人体大脑又通过视觉分别接收状态选择器和服务机器人的反馈信号。所述的状态选择器包括有依次相连的计数器、四二输入或门、四二输入与门和四路模拟转换开关；对计数器设定计数的555方波发生器；以及五个发光二级管和接收计算机所发出的脉冲触发信号的D触发器；所述的五个发光二级管中的一个发光二极管作为锁向灯与计数器连接，另外四个发光二极管为方向指示灯对应连接四路模拟转换开关，所述的D触发器分别连接锁向灯和四二输入与门的输入端。所述的方向指示灯分别代表左、前、右和后四个方向。所述的控制接口包括有依次连接的电平采样电路、单片机和电平转换电路，所述的电平采样电路接收状态选择器的信号，所述的电平转换电路将转换的信号送向计算机。本专利技术的基于脑-机接口的服务机器人系统，根据90%脑神经功能正常的人在短时间闭眼后脑电中a波幅均可明显增强这一普适特征，实现了脑电a波对服务机器人在四个方向移动控制。本专利技术仅需在操作者头后部放两个脑电检测电极，无需训练就可以快速而可靠地控制外部服务机器人。附图说明图1是本专利技术基于脑-机接口服务机器人系统构成示意图；图2是本专利技术状态选择器面板框图；图3是本专利技术控制接口框图；图4是机器人本体外形示意图。其中1:人体大脑35772脑电放大单元计算机状态选择器四二输入或门2467173头皮电极脑电采集单元服务机器人计数器四二输入与门5四路模拟转换开关D触发器方向指示灯电平采样电路电平转换电路75: 555方波发生器77:锁向灯8:控制接口82:单片机具体实施例方式下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本专利技术的基于脑-机接口的服务机器人系统是如何实现的。本专利技术的基于脑-机接口的服务机器人系统的开发平台采用远程脑控制模式。其原理是人脑发出脑电波，经过头皮导联电极采集人短时间闭眼后的脑电波信号，经过前置放大后通过信号采集卡进入计算机；计算机内的信号处理模块对其进行特征识别，判断受试者的睁闭眼状态，然后发出相应的控制信号；状态选择器接收计算机处理后的信号，并锁定一个方向信息；控制接口接受状态选择器提供的方向选择信号，经过处理将其转化为机器人能识别的命令送入计算机，并由计算机通过网络无线传输给服务机器人，从而控制机器人本体完成相应动作。计算机运行基于WINDOWS操作系统，客户端采用图形界面。系统网络通信协议采用标准TCP/IP协议。如图1所示，本专利技术的基于脑-机接口的服务机器人系统，具体包括有与人体大脑1相连的头皮电极2，还设置有脑电放大单元3，接收头皮电极2的信号并进行放大；脑电采集单元4，采集放大的脑电信号并进行A/D转换；计算机5，对脑电信号进行处理；状态选择器7，接收计算机5处理后的信号，并锁定一个方向信息；控制接口8，接收状态选择器7提供的方向选择信号，并将该信号发送到计算机5的串口，计算机5将该信号无线传输给服务机器人6;所述的人体大脑1又通过视觉分别接收状态选择器7和服务机器人6的反馈信号。上述的头皮电极2是采用银—氯化银电极作为传感器拾取头皮脑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于脑－机接口的服务机器人系统，包括有与人体大脑（１）相连的头皮电极（２），其特征在于，还设置有：脑电放大单元（３），用于接收头皮电极（２）的信号并进行放大；脑电采集单元（４），采集放大的脑电信号并进行Ａ／Ｄ转换；计算机（５），对脑电信号进行处理；状态选择器（７），接收计算机（５）处理后的信号，并锁定一个方向信息；控制接口（８），接收状态选择器（７）提供的方向选择信号，并将该信号发送到计算机（５）的串口，计算机（５）将该信号无线传输给服务机器人（６）；所述的人体大脑（１）又通过视觉分别接收状态选择器（７）和服务机器人（６）的反馈信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：崔世钢，赵丽，
申请(专利权)人：天津工程师范学院，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]