專利名稱：基于腦-機接口的機械手臂控制系統及動作命令控制方案的制作方法
技術領域：
本發明涉及腦電信號分類處理技術領域，特別是涉及一種基于腦-機接口的機械手臂控制系統，本發明還涉及基于腦-機接口的機械手臂控制系統的動作命令控制方案。
背景技術：
近些年，腦-機接口技術備受關注。腦-機接口(BCI)是一種新穎的人-機接口技術，在腦-機接口系統中，個人發送到外部世界的信息和命令不通過腦部正常外圍神經和肌肉輸出途徑。用這種先進的交流技術，患有癱瘓、中風的病人就能向看護人員表達他們的意愿甚至可以控制外界輔助設備完成日常活動。調查結果表明，腦-機接口的機械手臂應用給殘疾人帶來了很大希望。為了幫助這些殘疾人，涌現出很多基于腦-機接口的機械康復系統。基于運動想象(MI)的腦-機接口利用μ節律和beta節律把受試者的想象活動轉換成實際命令。但是通常，基于運動想象的腦-機接口系統只能提供三或四種命令，如果增加輸出命令種類，準確率會下降，為了達到輸出種類和準確率之間的平衡，三種模式的 MI-BCI系統是比較合適的，然而，對于需要控制多種命令的應用來說這是一個很大的限制。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足而提出的一種基于腦-機接口的機械手臂控制系統以及該系統的機械手臂動作命令分配方案。該系統及相應的設計方案不僅克服了基于運動想象的腦-機接口系統輸出模式少的缺陷，同時還保證了命令輸出的準確率，不會給受試者增加額外的想象負擔，增加了外部應用控制設備的使用范圍，拓寬了基于運動想象的腦-機接口系統的應用領域
本發明所要求解決的技術問題可以通過以下技術方案來實現 一種基于腦-機接口的機械手臂控制系統，包括基于運動想象的腦-機接口子系統和機械手子系統，所述基于運動想象的腦-機接口子系統包括依次連接的電極帽，信號放大設備和一臺數據處理用的計算機；所述機械手子系統為五個自由度的機械手，與計算機連接。所述腦-機接口子系統為三種想象運動模式的腦-機接口。所述電極帽帶有9個電極位置。所述機械手臂的五個自由度分別代表肩、上臂、小臂、手腕和手抓，所述代表肩的部分能水平旋轉360°，所述代表上臂、小臂、手腕的部分能分別向兩側旋轉90°，所述代表手抓的部分一直處于水平位置。一種所述基于腦-機接口的機械手臂控制系統的動作命令分配方案，規定機械手臂向六個方向移動，分別是上、下、左、右、前和后，再加上手指的兩個動作抓和放，一共是八條輸出命令，八個機械手臂的動作命令分成四組，每組包含兩個運動方向。系統采用三種想象運動模式分別想象左手運動、右手運動和腳運動，三種想象運動模式共分兩個功能切換和選擇，規定想象腳運動具有切換功能，想象左手運動和想象右手運動具有選擇功能， “切換”指的是在分好的四組機械手臂命令之間進行切換，一次切換移動一組，想象一次腳運動就切換一組并且在第一次切換之前預設選中第一組，“選擇”指的是選中要發送給機械手臂的執行命令，想象左手運動意味著選中其中一組中一個命令，想象右手運動意味著這組中另一個命令，選中之后系統自動將命令發送給手臂，手臂接受到執行命令后將自動組合運動，做出相應動作。由于采用了如上技術方案，本發明與現有技術相比，具有如下特點不僅克服了基于運動想象的腦-機接口系統輸出模式少的缺陷，同時還保證了命令輸出的準確率，不會給受試者增加額外的想象負擔，增加了外部應用控制設備的使用范圍，拓寬了基于運動想象的腦-機接口系統的應用領域。
圖1為本發明系統的結構框圖。圖2為本發明方案利用八條命令的控制圖。圖3為本發明機械手臂結構圖。圖4為本發明機械手臂各關節角度示意圖。
具體實施例方式為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。圖1顯示了整個系統的結構組成。通常腦-機接口包括了采集腦電信號用的電極帽、信號放大設備和一臺數據處理用的計算機。本發明中，受試者的腦電信號通過戴在其頭上的電極帽傳輸到放大設備中，經過放大處理之后，對信號進行處理、特征提取和分類，利用我們設計的分組方法對分類結果分組并與八條輸出命令相對應，做出指令判斷，向機械手臂子系統發送指令，完成整個操作過程。這個基于腦-機接口的機械手臂控制系統包括兩個子系統基于運動想象的腦-機接口子系統和機械手控制子系統。在腦-機接口子系統中，我們采用具有三種想象運動模式的腦-機接口，分別想象左手運動，右手運動和腳運動。在手臂控制子系統中，規定手臂向六個方向移動，分別是上、下、左、右、前和后，再加上手指的兩個動作抓和放，一共是八條輸出命令。為了控制五個自由度的機械手，要求每次只向一個方向運動，每個方向的運動包括了全部五個自由度的運動。本發明利用人體大腦發出的信號，控制外部機械手臂運動，不需要使用者開口說話，甚至不用動身體任何一個部位，單憑想象就能控制外部機械手臂運動。在腦-機接口子系統中，我們選擇了九個電極位置(FC3 FCZ FC4 C3 CZ C4 CP3 CPZ CP4)采集腦電信號， 利用16通道的腦電放大設備記錄數據，然后以256hz對數據進行采樣，8-30hz帶通濾波，經過這些處理之后，分別利用CSP和SVM進行特征提取和分類，再與外部執行命令相對應。本發明提出了一種全新的命令分配方式。如圖2所示，八個機械手臂的動作命令分成四組，每組包含兩個運動方向。整個系統的基礎是三種模式的運動想象。三種模式共分兩個功能切換和選擇。本發明規定想象腳運動具有切換功能，想象左手運動和想象右手運動具有選擇功能。“切換”指的是在分好的四組機械手臂命令之間進行切換，系統默認切換功能是從上到下進行，一次切換移動一組，并且在第一次切換之前預設選中第一組。也就是說，想象一次腳運動，系統進行一次切換，選中組向下移動一組，移動到第四組時，如果還要進行切換，選中組將返回，切換為第一組。“選擇”指的是選中要發送給機械手臂的執行命令。想象左手運動意味著選中本組中左邊的命令，想象右手運動意味著選中本組中右邊的命令。選中之后系統自動將命令發送給手臂，手臂接受到執行命令后將自動組合運動，做出相應動作。例如，如果想讓手臂做出 “上移”的動作，受試者首先要選中“向上”命令所在的組，“向上”命令在第二組，所以需要將選中組切換到第二組，即做一次腳的想象運動，“向上”在左邊，受試者想象一次左手運動即可選中。 機械手臂子系統中的手臂結構如圖3所示，本系統中的手臂從下到上一共包括五個自由度第一 R)D1、第二 R)D2、第三R)D3、第四R)D4和第五R)D5。分別代表了肩、上臂、 小臂、手腕和手抓。第一 R)D1可以水平旋轉360°，第二 R)D2、第三R)D3和第四R)D4在豎直方向上可以分別向兩側旋轉90°。五個自由度的機械手臂的運動控制是很復雜的。手臂的每個動作都要涉及到很多關節。為了簡化控制，我們把運動控制在了六個方向上上、下、 左、右、前和后，再加上“抓”和“放”兩個命令，一共需要八條控制命令。手臂包括了四個關節第一關節6、第二關節7、第三關節8和第四關節9。為了保證抓放物體時的穩定性，抓需要一直處于水平位置，因此需要第四關節9始終保持在水平的位置上。圖4說明了在手臂運動時各個關節之間的關系。第二關節7、第三關節8和第四關節9的運動與Z 2、Z 3、 Z 4三個角度聯系緊密。例如如果手臂做一個“向前”的動作，三個關節將會同時運動，因此與之相對應的三個角度都會同時發生改變。通過推導計算，我們可以得出三個角度分別是
本發明中前、后、上、下四個方向的動作步長設為1厘米。例如，如果機械手臂向前或后移動一次，系統中χ值將會自動加1或減1.左右旋轉角度的步長是5°，也就是說如果手臂向左或向右旋轉一次，角度值會變化5°。當手臂執行“抓”和“放”的命令時，只有手爪動作，其他四個關節不變。完成“抓”命令后，手爪的兩個手指之間呈10°，完成“放”命令后， 角度變為25°。利用上面的公式，系統可以自動計算每個關節的最終位置。經過上面的設計之后，三模式的運動想象和八條命令的執行控制之間就有了密切的配合。用戶不再需要對手臂的每個關節或每個自由度進行控制，降低控制難度的同時提高的控制效率，并且也不會給用戶附加增加運動模式所帶來的困難，避免了準確率下降的問題。為了證實設計的可行性，我們請來了三位受試者進行了驗證性實驗。實驗要求受試者利用本系統控制機械手臂完成規定動作從A地將物體拿起放到B地。在此規定動作中，受試者可能會用到所有的八種命令。經過三天的實驗發現，受試者可以使用本設計控制機械手臂完成規定動作。 以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。
權利要求
1.一種基于腦-機接口的機械手臂控制系統，包括基于運動想象的腦-機接口子系統和機械手子系統，其特征在于，所述基于運動想象的腦-機接口子系統包括依次連接的電極帽，信號放大設備和一臺數據處理用的計算機；所述機械手子系統為五個自由度的機械手臂，與計算機連接。
2.如權利要求1所述的基于腦-機接口的機械手臂控制系統，其特征在于，所述腦-機接口子系統為三種想象運動模式的腦-機接口。
3.如權利要求1所述的基于腦-機接口的機械手臂控制系統，其特征在于，選取的電極位置是9個。
4.如權利要求1所述的基于腦-機接口的機械手臂控制系統，其特征在于，所述機械手臂的五個自由度分別代表肩、上臂、小臂、手腕和手抓，所述代表肩的部分能水平旋轉 360°，所述代表上臂、小臂、手腕的部分能分別向兩側旋轉90°，所述代表手抓的部分一直處于水平位置。
5.一種如權利要求1所述基于腦-機接口的機械手臂控制系統的動作命令分配方案， 其特征在于，規定機械手臂向六個方向移動，分別是上、下、左、右、前和后，再加上手指的兩個動作抓和放，一共是八條輸出命令，八個機械手臂的動作命令分成四組，每組包含兩個運動方向；系統采用三種想象運動模式分別想象左手運動、右手運動和腳運動，三種想象運動模式共分兩個功能切換和選擇，規定想象腳運動具有切換功能，想象左手運動和想象右手運動具有選擇功能，“切換”指的是在分好的四組機械手臂命令之間進行切換，一次切換移動一組，想象一次腳運動就切換一組并且在第一次切換之前預設選中第一組，“選擇” 指的是選中要發送給機械手臂的執行命令，想象左手運動意味著選中其中一組中一個命令，想象右手運動意味著這組中另一個命令，選中之后系統自動將命令發送給手臂，手臂接受到執行命令后將自動組合運動，做出相應動作。
全文摘要
本發明公開的基于腦-機接口的機械手臂控制系統及動作命令控制方案，系統包括基于運動想象的腦-機接口子系統和機械手控制子系統。在腦-機接口子系統中，采用具有三種想象運動模式的腦-機接口，分別想象左手運動，右手運動和腳運動。手臂可向六個方向移動，分別是上、下、左、右、前和后，再加上手指的兩個動作抓和放，一共是八條輸出命令。整個系統的基礎是三種模式的運動想象。共分兩個功能切換和選擇。通過選擇和切換控制手臂做出相應動作。本發明不僅克服了基于運動想象腦-機接口系統輸出模式少的缺陷，還保證了命令輸出的準確率，不增加額外想象負擔，增加了外部控制設備的使用范圍，拓寬了基于運動想象腦-機接口系統的應用領域。
文檔編號B25J13/00GK102198660SQ20111011362
公開日2011年9月28日 申請日期2011年5月4日 優先權日2011年5月4日
發明者夏斌, 楊文璐, 王聰, 謝宏 申請人:上海海事大學