本发明专利技术提供了一种新型的基于运动想象脑电控制的智能轮椅系统，目的是为那些瘫痪病患者或老年人提供一种服务性辅助运动工具，帮助他们到室外去自由活动。系统的设备由便携式脑电采集系统、信号处理装置、接口电路以及电动轮椅依次相连组成。便携式脑电采集系统是一套简单易用的脑电采集系统，用于记录用户想象左右手运动任务下的脑电信号；信号处理装置是运行于笔记本电脑上的信号处理模块，提取想象运动相关的脑电特征，识别出用户的主观意图；接口电路将识别出的用户主观意图转化为四路电压信号；电动轮椅接受四路控制电压信号，控制左右后轮电机的运转状态。本发明专利技术提供的系统实现方式可应用到其它方向控制的应用领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种新型的基于运动想象脑电控制的智能轮椅系统，具体是指采集人 想象左右手运动过程中头皮脑电信号，通过分析脑电特异性成分，判断用户想象的方向，实 现轮椅运动方向控制的系统装置。这套系统，不需要任何肢体或语言动作，只需要用户想象 运动，就能完成对轮椅运动方向的控制。本专利技术属于认知神经科学领域和信息
的 结合应用，为自动控制
技术介绍
对于那些瘫痪病患者来说，能到室外去自由活动是他们的梦想。智能轮椅作为医 疗护理领域的服务性辅助运动工具，可以帮助残疾人和老年人获得生活自理能力和工作能 力，融入社会。智能轮椅以电动轮椅为基础，和传统电动轮椅相比，多了计算机控制系统，摄 像头和激光探测器，还有麦克风等传感设备。传统电动轮椅包含有左轮电机和右轮电机，由 中央处理单元将手柄控制电压信号转化轮椅左右电机的前进或后退驱动信号，实现轮椅运 动方向的控制。但对于手指不灵活的高位截瘫病人来说，操作手柄相当困难。因为智能轮椅 是服务于人的活动的辅助系统，其控制系统应该充分考虑到使用者的身体特点，有效补偿 其不足，充分发挥其主动性。针对不同残疾人群，研究者们开发了多种智能轮椅人机接口。 对于那些残疾程度较轻、肢体能动性较高且意识较好的人群，可以采用操纵杆控制、按键控 制、方向盘控制、触摸屏控制、菜单控制等方式(一种嵌入式智能轮椅控制系统及方法，发 明专利，公开号CN 1830413A)。而对于残疾程度较高、肢体能动性较低的人群，研究者也可 以给他们提供语音控制、头部控制、手势控制、舌头动作控制，甚至肌电信号控制和大脑意 念信号控制等办法(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，专利技术专 利，公开号:CN101301244A)。基于脑电的轮椅控制方式，是一种比较直接的人与轮椅交互方式，将用户的意图 直接从大脑传递到轮椅的运动方向控制装置。脑电是大脑神经电活动在头皮上产生的约为 几十微伏的电位，心理学家、神经科学家、临床医生和有关工程技术人员，都在探讨如何利 用脑电(EEG，Electroenc印halography)，以无损伤的方法来观察人脑的思维过程。现有的 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，存在如下问题(1)需要用户 紧盯控制面板上的四个循环方向灯，这就容易导致用户不能及时看到行进方向上的障碍， 在比较复杂的路面出行时容易造成安全问题。此外，用户长时间盯着闪烁的循环灯容易疲 惫；(2)信号处理方法主要利用闭眼导致的Alpha波的阻断现象来提取用户所需要的方向， 但考虑到除了用户有意图的闭眼外，困倦，瞌睡都将诱发脑电中Alpha波的阻断现象，这就 可能出现发送错误方向控制命令的问题。事实上，脑电中存在与运动相关的特异性成分，运动想象任务下的脑电是近年来 人们较为关注和应用较多的一种。当人们在运动准备或想象单侧肢体运动(左右手)时，肢 体不一定真的运动，大脑对侧的运动感觉区的能量减小，而同侧的运动感觉区μ (8-12赫 兹)节律和β节律(13-30赫兹)能量增大，这是大脑神经元突触后电位相互削弱和增强4的结果。这就是事件相关去同步(Event-Related Desynchronization,ERD)和事件相关同 步(Event-Related Synchronization,ERS)现象。脑电信号的ERD和ERS现象成为判断左 右手想象运动的一种稳定可靠的依据。通过记录和分析大脑的脑电波信号，推测大脑的思 维活动，并翻译成对应的命令来控制电动轮椅的运动方向，可有效帮助丧失运动能力的残 疾人，让他们的大脑能够直接控制轮椅，而不需要使用任何肢体动作或语言，实现大脑直接 控制轮椅就如同是对自己身体某部分的控制，因此给行动不便者提供了一种有效的辅助工 具并且有良好的前景。最近几年，各国实验室和研究者进行了很多相关的研究工作，并取得 了一系列瞩目的进展。基于脑电的轮椅控制系统一般都具备信号采集，信号处理、接口转换和电动轮椅 四个功能模块，基本结构如图1所示。事实上，决定系统是否能顺利运作的关键主要取决 于以下两点第一，使用者大脑思考所生成的EEG信号变化是否能够方便，精确地被系统测 得；第二，EEG信号中是否能有效提取出用户的主观意图，并精确地转译成所需要的控制信 号。现有的脑电采集设备有的对测量环境有严格要求，不适用于户外，不能用来在非实验室 环境下可靠地测量用户的脑电信号，脑电处理算法也多为离线处理，传输速率低，无法满足 实时要求。因此，提供一种新型的基于运动想象脑电控制的智能轮椅系统成为本专利技术的目 的。
技术实现思路
本专利技术通过采集用户在想象左右手运动时的脑电信号，通过无线技术传递给计算 机，计算机对脑电信号进行处理，提取出其中代表人脑主观意图的相关特征，识别出人脑发 出的左右控制信号，并通过接口电路转换为相应的控制命令发送给轮椅的左右后轮控制电 机，从而实现利用运动想象脑电信号对电动轮椅的直接控制。所述设备包括便携式脑电采 集系统，信号处理装置，接口电路以及电动轮椅。系统整体框图如图2所示。所述的便携式脑电采集系统是通过放置在人脑头皮上方对应于人脑运动感觉区 的电极来采集用户的脑电信号，采集信号的过程中，用户通过想象左手/右手的运动(并不 要求左右手真正运动)，以诱发脑电信号中的事件相关去同步与事件相关同步(ERD/ERS) 现象。采集到的脑电经过放大，滤波后进入微处理器AtmegaS中转换为数字信号，通过无线 模块发送到计算机端的信号处理装置中。所述的信号处理装置是运行于笔记本电脑上的信号处理程序。主要包括以下五步预处理，对脑电信号进行0. 01Hz-40Hz滤波，去除混杂于脑电信号中的噪声及 无关成分；利用滑动窗技术分割连续脑电信号，对时间窗内的一段脑电进行处理，识别其 中的用户意图；利用共空间模式(Common Spatial Pattern，CSP)提取每个时间窗内脑电的 空域特征，利用支持向量机(Support Vector Machine, SVM)对提取出的空域特征进行 分类，对支持向量机连续五次的分类结果进行平滑，使左右运动方向控制的连续性更强。所述的接口电路包括Aduc845微处理器，通过串口实现与信号处理装置通信，获 取控制命令后通过I2C接口控制精密四路电压输出数模转换器(DAC6573)产生四路控制信 号，四路控制电压信号接口连接到轮椅电机控制器中，图3为接口电路框图。所述的电动轮椅又叫电动代步车，和普通轮椅相比较，电动轮椅带有左轮电机和 右轮电机，分别控制轮椅左右后轮的前进后退。可由控制电压来决定左右电机的运行状态， 从而决定了轮椅的左右前后运动方向。当左右轮同步向前转动时轮椅前行；当左右轮同步 后转时轮椅后退；当左轮前转右轮反转时轮椅向右拐；当左轮后转右轮前转时轮椅左拐。附图说明图1基于脑电的轮椅控制系统功能模块图图2新型智能轮椅系统整体框图图3接口电路框图图4便携式脑电采集系统结构图图5脑电极在头皮上的放置位置图图6便携式脑电采集系统的硬件数字部分的示例性电路实施方式图7便携式脑电采集系统的硬件无线传输部分的示例性电路实施方式图8脑电信号处理方案图9双进程通信示意图图10滑动窗滑动过程示意图图11分类结果平滑过程示意图具体实施例方本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种新型的基于运动想象脑电控制的智能轮椅系统，这套系统的特征在于，包括依次相连的便携式脑电采集系统，信号处理装置，接口电路以及电动轮椅。所述的便携式脑电采集系统采集用户想象左右手运动过程中的大脑头皮脑电信号，这里规定，当用户要向轮椅发送左转命令时想象左手运动，要向轮椅发送右转命令时想象右手运动；左右手运动将引起大脑头皮脑电信号中特定的事件相关去同步与事件相关同步现象。所述的电动轮椅为直流无刷电机驱动，采用前被动轮，后驱动轮的形式。电动轮椅带有左轮电机和右轮电机，分别控制轮椅左右后轮的运转，从而决定了轮椅的运动方向；左右电机的运转状态受控于接入的四路控制电压。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：胡治平，张家才，姚力，陈诚，徐赫，李达，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：11
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