專利名稱：基于腦-機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種服務(wù)機(jī)器人，特別是涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)腦電a波對服務(wù)機(jī)器人在四個(gè)方向移動控制的基于腦-機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
服務(wù)機(jī)器人(Service Robot)是機(jī)器人家族中的年輕成員，各個(gè)國家對服務(wù)機(jī)器人的認(rèn)識不同，到目前為止尚無統(tǒng)一、嚴(yán)格的定義。國際機(jī)器人聯(lián)合會(IFR)給服務(wù)機(jī)器人的初步定義服務(wù)機(jī)器人是一種半自主或全自主工作的機(jī)器人，它能完成有益于人類健康的服務(wù)和工作但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備。我國關(guān)于服務(wù)機(jī)器人(又稱Advanced Robot)的定義是工業(yè)機(jī)器人之外的各種機(jī)器人，主要應(yīng)用于第三產(chǎn)業(yè)，包括家庭機(jī)器人(Home Robot)與野外機(jī)器人(Field Robot)兩大類。服務(wù)機(jī)器人正在為人們提供越來越多方便、舒適的服務(wù)，引領(lǐng)人類生活方式發(fā)生變革，為人口老齡化等帶來的重大社會服務(wù)問題提供解決方案，為第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新的動力。目前我國60歲以上人口已達(dá)到1.34億，殘疾人數(shù)量高達(dá)5千多萬，在不遠(yuǎn)的將來，
老年人和殘疾人的護(hù)理將成為社會的一個(gè)重要負(fù)擔(dān)，迫切需要一大批服務(wù)機(jī)器人提供家用智能服務(wù)，諸如清潔、取物、事務(wù)提示、身體監(jiān)測、遠(yuǎn)程醫(yī)療、家庭保安、娛樂等，提高他們的生活質(zhì)量，滿足整個(gè)社會對護(hù)理人員數(shù)量和質(zhì)量的需求。
服務(wù)機(jī)器人通常是在非結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化環(huán)境下工作，應(yīng)用任務(wù)復(fù)雜多樣，并且直接為用戶提供服務(wù)。其核心技術(shù)主要包括自主移動技術(shù)、感知技術(shù)、人-機(jī)器人交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)/計(jì)算機(jī)-機(jī)器人交互技術(shù)等幾類。其中人-機(jī)器人交互技術(shù)中的視覺、語音、力覺、觸覺、多通道交互等技術(shù)己經(jīng)取得較多成果，而新型人機(jī)交互技術(shù)正逐漸成為研究的熱點(diǎn)。
作為人-機(jī)器人交互技術(shù)的腦機(jī)接口技術(shù)，隨著人們對神經(jīng)系統(tǒng)功能認(rèn)識的提高和計(jì)算機(jī)科學(xué)以及信號處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，在最近十年得到了世界范圍內(nèi)更多的關(guān)注，取得了較為迅速的發(fā)展。腦機(jī)接口技術(shù)，是腦-計(jì)算機(jī)接口 (Brain-Computer Interface, BCI)的簡稱，是在人腦與計(jì)算機(jī)與其它電子設(shè)備之間建立的一種直接的信息交流和控制通道，是一種不依賴于常規(guī)大腦輸出通路(外周神經(jīng)和肌肉組織)的全新的信息交流系統(tǒng)。BCI的實(shí)質(zhì)是通過腦電信號推斷人的想法或目的，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流。
腦機(jī)接口技術(shù)作為一種全新的大腦輸出通路，能夠?yàn)樗季S正常但運(yùn)動功能殘缺的人提供一種新型的彌補(bǔ)功能和對外信息交流手段，但它與已有的運(yùn)動功能康復(fù)手段不同，也有別于另一些傳統(tǒng)的殘疾人輔助設(shè)備。運(yùn)動功能康復(fù)手段主要有兩種， 一是通過物理治療提高殘存運(yùn)動功能，二是利用功能性電刺激(functional electrical stimulation, FES)系統(tǒng)代替神經(jīng)系統(tǒng)直接控制癱瘓肌肉；傳統(tǒng)的殘疾人輔助設(shè)備，如語音合成器，鍵盤使用增強(qiáng)器，利用呼吸器控制的開關(guān)以及替代手柄和鼠標(biāo)的輸入裝置，則是利用可自主控制的肌肉替代萎縮的肌肉，增強(qiáng)現(xiàn)有的傳導(dǎo)通路能力。這些技術(shù)或多或少的都需要有某種形式的肌肉運(yùn)動參與，而腦機(jī)接口技術(shù)突出的特點(diǎn)則是不依賴于任何外圍神經(jīng)和肌肉系統(tǒng)響應(yīng)這些傳統(tǒng)的信息輸出通路，它根據(jù)大腦思維意念或感官反映所產(chǎn)生的腦電信號進(jìn)行工作，因而是全新意義上的康復(fù)輔助手段和大腦外界信息交流途徑。
隨著腦機(jī)接口技術(shù)的逐步成熟和應(yīng)用需求的提高出現(xiàn)了應(yīng)用于拼寫、控制指針運(yùn)動和控制神經(jīng)假體的各種腦機(jī)接口系統(tǒng)。逐漸地，更貼近人類生活的高層次外部裝置一服務(wù)機(jī)器人也開始被用于腦機(jī)接口研究中。隨著相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展，如腦神經(jīng)科學(xué)、行為科學(xué)、心理學(xué)及信息融合處理技術(shù)、模式識別技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的發(fā)展，腦機(jī)接口技術(shù)必將為現(xiàn)有的人機(jī)交互模式注入新的活力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種可以實(shí)現(xiàn)腦電a波對服務(wù)機(jī)器人在四個(gè)方向上的移動控制的基于腦-機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是 一種基于腦-機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，包括有與人體大腦相連的頭皮電極，還設(shè)置有腦電放大單元，用于接收頭皮電極的信號并進(jìn)行放大；腦電采集單元，采集放大的腦電信號并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；計(jì)算機(jī)，對腦電信號進(jìn)行處理；狀態(tài)選擇器，接收計(jì)算機(jī)處理后的信號，并鎖定一個(gè)方向信息；控制接口，接收狀態(tài)選擇器提供的方向選擇信號，并將該信號發(fā)送到計(jì)算機(jī)的串口，計(jì)算機(jī)將該信號無線傳輸給服
務(wù)機(jī)器人；所述的人體大腦又通過視覺分別接收狀態(tài)選擇器和服務(wù)機(jī)器人的反饋信號。
所述的狀態(tài)選擇器包括有依次相連的計(jì)數(shù)器、四二輸入或門、四二輸入與門和四路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)；對計(jì)數(shù)器設(shè)定計(jì)數(shù)的555方波發(fā)生器；以
及五個(gè)發(fā)光二級管和接收計(jì)算機(jī)所發(fā)出的脈沖觸發(fā)信號的D觸發(fā)器；所述
的五個(gè)發(fā)光二級管中的一個(gè)發(fā)光二極管作為鎖向燈與計(jì)數(shù)器連接，另外四
個(gè)發(fā)光二極管為方向指示燈對應(yīng)連接四路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)，所述的D觸發(fā)器
分別連接鎖向燈和四二輸入與門的輸入端。
所述的方向指示燈分別代表左、前、右和后四個(gè)方向。所述的控制接口包括有依次連接的電平采樣電路、單片機(jī)和電平轉(zhuǎn)換
電路，所述的電平采樣電路接收狀態(tài)選擇器的信號，所述的電平轉(zhuǎn)換電路
將轉(zhuǎn)換的信號送向計(jì)算機(jī)。
本發(fā)明的基于腦-機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，根據(jù)90%腦神經(jīng)功能正常的人在短時(shí)間閉眼后腦電中a波幅均可明顯增強(qiáng)這一普適特征，實(shí)現(xiàn)了腦電a波對服務(wù)機(jī)器人在四個(gè)方向移動控制。本發(fā)明僅需在操作者頭后部放兩個(gè)腦電檢測電極，無需訓(xùn)練就可以快速而可靠地控制外部服務(wù)機(jī)器人。


圖1是本發(fā)明基于腦-機(jī)接口服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；圖2是本發(fā)明狀態(tài)選擇器面板框圖；圖3是本發(fā)明控制接口框圖；圖4是機(jī)器人本體外形示意圖。
其中
1:人體大腦
357
72
腦電放大單元計(jì)算機(jī)狀態(tài)選擇器四二輸入或門
246
7173
頭皮電極腦電采集單元
服務(wù)機(jī)器人計(jì)數(shù)器四二輸入與門
5四路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)
D觸發(fā)器
方向指示燈
電平采樣電路
電平轉(zhuǎn)換電路
75: 555方波發(fā)生器
77:鎖向燈8:控制接口82:單片機(jī)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖給出具體實(shí)施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明的基于腦-機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的基于腦-機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)平臺采用遠(yuǎn)程腦控制模式。其原理是人腦發(fā)出腦電波，經(jīng)過頭皮導(dǎo)聯(lián)電極采集人短時(shí)間閉眼
后的腦電波信號，經(jīng)過前置放大后通過信號采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)內(nèi)
的信號處理模塊對其進(jìn)行特征識別，判斷受試者的睜閉眼狀態(tài)，然后發(fā)出
相應(yīng)的控制信號；狀態(tài)選擇器接收計(jì)算機(jī)處理后的信號，并鎖定一個(gè)方向信息；控制接口接受狀態(tài)選擇器提供的方向選擇信號，經(jīng)過處理將其轉(zhuǎn)化為機(jī)器人能識別的命令送入計(jì)算機(jī)，并由計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)無線傳輸給服務(wù)機(jī)器人，從而控制機(jī)器人本體完成相應(yīng)動作。計(jì)算機(jī)運(yùn)行基于WINDOWS操作系統(tǒng)，客戶端采用圖形界面。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議。
如圖1所示，本發(fā)明的基于腦-機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，具體包括有與人體大腦1相連的頭皮電極2，還設(shè)置有腦電放大單元3，接收頭皮電極2的信號并進(jìn)行放大；腦電采集單元4，采集放大的腦電信號并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；計(jì)算機(jī)5，對腦電信號進(jìn)行處理；狀態(tài)選擇器7，接收計(jì)算機(jī)5處理后的信號，并鎖定一個(gè)方向信息；控制接口8，接收狀態(tài)選擇器7提供的方向選擇信號，并將該信號發(fā)送到計(jì)算機(jī)5的串口，計(jì)算機(jī)5將該信號無線傳輸給服務(wù)機(jī)器人6;所述的人體大腦1又通過視覺分別接收狀態(tài)選擇器7和服務(wù)機(jī)器人6的反饋信號。
上述的頭皮電極2是采用銀—氯化銀電極作為傳感器拾取頭皮腦電信號。腦電信號采集使用單極導(dǎo)聯(lián)方式，并以雙耳耳垂為參考電極，從01，T5電極位置采集信號輸入腦電放大器，所述的腦電放大器12是采用申請?zhí)枮?00920096697. 1，發(fā)明名稱為"微型腦電信號采集模塊"所公開的電路。然后采用美國國家儀器(NI)公司生產(chǎn)的6024E數(shù)據(jù)釆集卡作為腦電采集單元4，進(jìn)行腦電信號的采集，并進(jìn)行12位A/D轉(zhuǎn)換。采集到的信號送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號處理，計(jì)算機(jī)內(nèi)的信號處理模塊對其迸行特征識別，判斷受試者的睜閉眼狀態(tài)，然后發(fā)出相應(yīng)的控制信號，并將該脈沖觸發(fā)信號D，送入狀態(tài)選擇器7鎖定一個(gè)方向信息，控制接口 8接受狀態(tài)選擇器7提供的方向選擇信號，經(jīng)過處理將其轉(zhuǎn)化為機(jī)器人能識別的命令并發(fā)送到計(jì)算機(jī)的串口，計(jì)算機(jī)無線傳輸給服務(wù)機(jī)器人上位機(jī)，從而控制機(jī)器人本體完成相應(yīng)動作。本發(fā)明包含兩個(gè)反饋環(huán)節(jié)， 一個(gè)是把腦電處理環(huán)節(jié)輸出的控制信號反饋到狀態(tài)選擇器，使用者通過觀察狀態(tài)選擇器判斷前步控制的有效性；另一個(gè)反饋是使用者直接觀察服務(wù)機(jī)器人的方位來調(diào)整控制的時(shí)間。如圖2所示，所述的狀態(tài)選擇器7包括有依次相連的計(jì)數(shù)器71、四二輸入或門72、四二輸入與門73和四路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)74;對計(jì)數(shù)器71設(shè)定計(jì)數(shù)的555方波發(fā)生器75;以及五個(gè)發(fā)光二級管和接收計(jì)算機(jī)5所發(fā)出的脈沖觸發(fā)信號D的D觸發(fā)器76;所述的五個(gè)發(fā)光二級管中的一個(gè)發(fā)光二極管作為鎖向燈77與計(jì)數(shù)器71連接，另外四個(gè)發(fā)光二極管為方向指示燈78對應(yīng)連接四路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)74，所述的D觸發(fā)器76分別連接鎖向燈77和四二輸入與門73的輸入端。所述的方向指示燈78分別代表左、前、右和后四個(gè)方向。
本發(fā)明的計(jì)數(shù)器71釆用型號為CD4022的計(jì)數(shù)器；四二輸入或門72的型號為DM74LS32;四二輸入與門73的型號為DM74LS08N;四路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)74的型號為TC4066BP。 555方波發(fā)生器75是由555定時(shí)器構(gòu)造的周期為1.5s的方波發(fā)生器。
五個(gè)發(fā)光二級管的設(shè)置是，中間一個(gè)為鎖向燈77，周圍四個(gè)。周圍的四個(gè)發(fā)光二級管為方向指示燈78代表左a、前b、右c和后d四個(gè)運(yùn)動方向，哪個(gè)相應(yīng)按鍵的燈亮，表明哪種方向選擇處于準(zhǔn)備狀態(tài)，代表高電平，在沒有腦電觸發(fā)信號的情況下，代表運(yùn)動方向的四個(gè)發(fā)光二極管在555定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和四二或門控制下輪流點(diǎn)亮。這時(shí)如果有閉眼a波控制信號輸出高電平，則這個(gè)觸發(fā)信號通過D觸發(fā)器76后，連接到位于中間的鎖向燈77和四二輸入與門73的輸入端，此時(shí)鎖向燈77點(diǎn)亮，周圍的四個(gè)方向指示燈78也停止輪流點(diǎn)亮，被鎖定在一個(gè)方向上，腦電的脈沖觸發(fā)信號D
7和或門輸出的方向信號通過一個(gè)與門后為高電平，打開一個(gè)模擬開關(guān)，這個(gè)模擬開關(guān)輸出方向選擇信號，當(dāng)睜眼a波降低到閾值以下時(shí)，輸出電平
為低電平，模擬開關(guān)關(guān)閉，相應(yīng)方向的運(yùn)動控制停止。
如圖3所示，所述的控制接口 8包括有依次連接的電平采樣電路81、單片機(jī)82和電平轉(zhuǎn)換電路83，所述的電平采樣電路81接收狀態(tài)選擇器7的信號，所述的電平轉(zhuǎn)換電路83將轉(zhuǎn)換的信號送向計(jì)算機(jī)5的串口 。
首先由電平采樣電路81對狀態(tài)選擇器輸出的方向選擇信號進(jìn)行電平采樣，由電平采樣電路，鎖定了一個(gè)方向(機(jī)器人走動的方向)，采樣到了一個(gè)電平信號，經(jīng)型號為ATmegal6的單片機(jī)82的I/O 口接收電平采樣電路81采樣出來的電平信號，并通過單片機(jī)82的串口將信號發(fā)送到電平轉(zhuǎn)換電路83，通過主要由max232芯片構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后將信號發(fā)送到計(jì)算機(jī)5的串口 ，由計(jì)算機(jī)5將控制命令無線傳輸給服務(wù)機(jī)器人6。
本發(fā)明所述的服務(wù)機(jī)器人6是使用TUT06-B型機(jī)器人。包括有運(yùn)動底盤61、電源及驅(qū)動模塊62、控制計(jì)算機(jī)模塊63、傳感器模塊64及搭載設(shè)備構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.一種基于腦-機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，包括有與人體大腦(1)相連的頭皮電極(2)，其特征在于，還設(shè)置有腦電放大單元(3)，用于接收頭皮電極(2)的信號并進(jìn)行放大；腦電采集單元(4)，采集放大的腦電信號并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；計(jì)算機(jī)(5)，對腦電信號進(jìn)行處理；狀態(tài)選擇器(7)，接收計(jì)算機(jī)(5)處理后的信號，并鎖定一個(gè)方向信息；控制接口(8)，接收狀態(tài)選擇器(7)提供的方向選擇信號，并將該信號發(fā)送到計(jì)算機(jī)(5)的串口，計(jì)算機(jī)(5)將該信號無線傳輸給服務(wù)機(jī)器人(6)；所述的人體大腦(1)又通過視覺分別接收狀態(tài)選擇器(7)和服務(wù)機(jī)器人(6)的反饋信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于腦-機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征 在于，所述的狀態(tài)選擇器(7)包括有依次相連的計(jì)數(shù)器(71)、四二輸 入或門(72)、四二輸入與門(73)和四路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)(74);對計(jì)數(shù) 器(71)設(shè)定計(jì)數(shù)的555方波發(fā)生器(75);以及五個(gè)發(fā)光二級管和接收 計(jì)算機(jī)(5)所發(fā)出的脈沖觸發(fā)信號(D)的D觸發(fā)器(76);所述的五個(gè) 發(fā)光二級管中的一個(gè)發(fā)光二極管作為鎖向燈(77)與計(jì)數(shù)器(71)連接， 另外四個(gè)發(fā)光二極管為方向指示燈(78)對應(yīng)連接四路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)(74)， 所述的D觸發(fā)器(76)分別連接鎖向燈(77)和四二輸入與門(73)的輸入端o
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于腦-機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征 在于，所述的方向指示燈(78)分別代表左(a)、前(b)、右(c)和后(d)四個(gè)方向。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于腦-機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征 在于，所述的控制接口 (8)包括有依次連接的電平采樣電路(81)、單片 機(jī)(82)和電平轉(zhuǎn)換電路(83)，所述的電平采樣電路(81)接收狀態(tài)選 擇器(7)的信號，所述的電平轉(zhuǎn)換電路(83)將轉(zhuǎn)換的信號送向計(jì)算機(jī)(5)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于腦-機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，包括有與人體大腦相連的頭皮電極；腦電放大單元，用于接收頭皮電極的信號并進(jìn)行放大；腦電采集單元，采集放大的腦電信號并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；計(jì)算機(jī)，對腦電信號進(jìn)行處理；狀態(tài)選擇器，接收計(jì)算機(jī)處理后的信號，并鎖定一個(gè)方向信息；控制接口，接收狀態(tài)選擇器提供的方向選擇信號，并將該信號發(fā)送到計(jì)算機(jī)的串口，計(jì)算機(jī)將該信號無線傳輸給服務(wù)機(jī)器人；所述的人體大腦又通過視覺分別接收狀態(tài)選擇器和服務(wù)機(jī)器人的反饋信號。本發(fā)明根據(jù)90％腦神經(jīng)功能正常的人在短時(shí)間閉眼后腦電中α波幅均可明顯增強(qiáng)這一普適特征，實(shí)現(xiàn)了腦電α波對服務(wù)機(jī)器人在四個(gè)方向移動控制。無需訓(xùn)練就可以快速而可靠地控制外部服務(wù)機(jī)器人。
文檔編號G05B15/02GK101590648SQ20091006883
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者崔世鋼, 麗 趙 申請人:天津工程師范學(xué)院