一种基于无线脑电控制履带式移动机器人的控制系统的制作方法

本发明属于运动想象的脑机接口应用控制领域，具体涉及一种基于无线脑电控制履带式移动机器人的控制系统。

背景技术：

使用脑机接口并利用运动想象实现控制外部设备的尝试已有很多。但为保证接收脑波的质量，现有的很多方法都是基于有线脑波采集系统，使用多通道的脑波采集，因此可以专注于对脑波的识别与分类算法研究。这样的系统距离实际的使用场景并没有很好地做出调整。在通过运动想象控制外部多自由度的运动设备时，多通道的脑波检测电极帽和因多通道检测而与分析设备连接的很多信号传输线会严重影响试备者的活动范围以及设备的使用场景。试备者只能通过运动想象控制外部设备，而不便于实时观察外部运动设备的运动并随时做出反馈控制，从而使整个控制成为开环控制而非更加稳定的闭环控制。特别是在控制履带式移动机器人这种多自由度的运动设备，试备者需要实时观察移动机器人的运动运动状态以及其周围的环境以便随时对机器人发送控制想象指令而非事先规划好的指令，这时闭环控制的效果要远远好于开环控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于实时控制多自由度的履带式移动机器人的基于无线脑电控制履带式移动机器人的控制系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于无线脑电控制履带式移动机器人的控制系统，包括用于检测脑波的8导电极帽收集脑电波并发送脑电波的，接受脑电信号的无线多参数同步器，处理脑电波信号并发出控制信号的移动计算终端和由无线控制的履带式移动机器人；所述的移动计算终端内部运行对分析脑波的算法分析程序和用于将脑电控制信号发给履带式移动机器人的控制程序。

所述的脑电信号采集装置是CM-3817-1035脑电图帽。

所述的脑电无线发送装置和无线接收EEG放大器型号是Neusen.W，用来收集来自电极帽接收的脑电信号，经过基本的滤波处理后，将脑波信号通过wifi传输给无线多参数同步器。

所述的接受脑电信号的无线多参数同步器型号是Neusen.Triggerbox用来接收来自脑波信号放大器发送的脑电信号，并作为消除信号延迟的中转站，经处理后，将消除无线传输延迟的无线脑波数据经有线USB串口传给移动计算终端。

所述的处理脑电波信号并发出控制信号的移动计算终端是一台装有matlab2014a以上版本软件的便携式电脑。

所述的履带式移动机器人具有左右两条履带以提供机器人的移动和转向，在前轮处的履带外侧还有一个旋转的履带，其绕前轮转动，实现复杂地形的移动。

整个脑波控制系统中，试备者使用运动想象来控制履带式移动机器人的直线行走，左右转向和旋转履带的旋转与停止。

本发明的有益效果在于：

1、使用无线头戴式少电极电极帽来检测脑波，在不影响脑波检测效果的情况下大大简化了脑波检测的准备难度，使佩戴电极帽的试备者可以更加方便自如地旋转头颈部。少电极的检测脑波也使整个信号检测质量更容易把控。

2、对离散化脑波信息的特征提取和分类使用专门针对少电极脑波信号的算法。针对少电极的脑电检测算法使少电极检测脑波系统在减少脑波电极的前提下还可以准确、迅速地识别出运动想象的各个动作，降低基于脑波检测的外部设备控制在实际工作生产中运用的难度。

3、本发明可以用于在远程实时的地面环境探测，并可以克服较为复杂的地面环境。另外，本发明还可以用于辅助训练，用来提高训练人员的运动执行能力。

附图说明

图1是本发明的整体原理框图；

图2为本发明最终环节履带式移动机器人的外部接口图.

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明公开了一种基于无线脑电控制履带式移动机器人的控制系统。系统包括EEG信号采集单元、信号处理控制单元和履带式移动机器人。EEG信号采集单元包括8导脑电帽、EEG放大器。信号处理控制单元包括无线多参数同步器，移动计算终端。通过运动想象左右手与左右脚的运动组合控制履带式移动机器人的启停、左右转和前轮可旋转履带的旋转。本发明可以用于在远程实时的地面环境探测，并可以克服较为复杂的地面环境。另外本发明因可以识别4个肢体的运动想象，可以用于辅助训练人体运动的执行能力。

一种基于无线脑电控制履带式移动机器人的控制系统，包括EEG信号采集单元，信号处理系统，和履带式移动机器人。所述的EEG信号采集单元包括一个8导的头戴式脑电采集帽和一个无线EEG放大器。所述信号处理系统包括一个无线多参数同步器和一个移动计算终端。

所述的8导头戴式脑电采集帽，其外观与普通游泳帽相似，在相应的脑电信号采集位安装有用于采集脑电信号的湿电极。8导头戴式脑电采集帽采集试备者的脑电模拟信号，并将信号通过较短的有线接口传至EEG放大器。

所述的EEG放大器，放置于8导头戴式脑电采集帽的后端，在试备者正确佩戴脑电采集帽时，EEG放大器位于试备者的后脑勺部。EEG放大器使用Neusen.W型号。该种类的EEG放大器有着体积小，重量轻，运算速度快和运算精度高的特点，并且其使用无线wifi传输处理后待发送的脑电信号。由脑电采集帽采集的模拟脑电信号被传输到EEG放大器中，放大器对其进行去噪，放大和离散化，最终输出数值离散化的脑电波数字量，并将其通过wifi信号发送给无线多参数同步器。

所述无线多参数同步器，使用Neusen.Triggerbox型号。该无线多参数同步器内部有路由器功能，作为wifi的发射热点，实时发送wifi信号，以便于EEG放大器将离散化的脑电信号传输给无线多参数同步器。另外，无限多参数同步器会在模拟脑电信号到来后，对其信号的延迟做出补偿，以保证试备者的视觉观察点和相应时刻的脑电信号匹配。

所述移动计算终端用于处理由无线多参数同步器传来的离散数值化脑电信号。移动计算终端为一台便携式电脑，电脑内部运行用于检测和识别脑波信号的算法程序。算法程序将脑波信号进行初步的特征提取后，将其特征进行分类，得出试备者运动想象的想象动作。将想象动作与动作的序列传入命令控制算法程序中即可根据动作的组合实现对履带式移动机器人各个运动状态的实时控制。本发明中的分类算法可以分类出双腿和双手四个肢体的运动想象，因此组合方式与组合序列丰富，可以控制多维运动自由度的设备。

所述履带式移动机器人拥有四条履带，包括每边分别由两个电机轮驱动的主动力履带和由与前轮同轴转向轮驱动的可旋转履带。主动力履带用于驱动移动机器人的前进，左转和右转；可旋转履带用于应对需要抬高移动机器人底盘的复杂地形，同时作为从动部件配合主动力履带的转向。履带式移动机器人的控制指令已经规定，规定：一个有效的控制指令必须是O(xxxx,yyyy,zzzz)形式，以上一条控制指令有效并成为一个控制包。其中，所有指令是以ASCII码通信，一个有效控制包中的包头是大写英文字母O。控制包中的符号括号和逗号均为英文半角符号。xxxx，yyyy，zzzz分别是履带机器人不同运动维度的运动状态竖直。xxxx为移动机器人直线行驶速度控制数值，范围是-038到0038，正值为向前行进，0为停止运动，负值为向后行进。yyyy为移动机器人转向速度控制数值，范围是-180到180，正数代表右转，负数代表左转，绝对值越大，相应转向的转向速度越大。zzzz为控制前轮可旋转履带转速控制数值，范围是-115到114，竖直的正负代表着不同的旋转方向。旋转速度控制指令映射到转动电机驱动模块的PWM控制占空比，绝对值越大，相应转向的转向速度越快。信号处理控制单元每隔500ms不间断向外部发送控制指令。静止状态或者无运动想象控制操作时，信号处理控制单元向外部发送O(0000,0000,-001)。

基于无线脑电控制履带式移动机器人的控制系统，8导脑波采集帽采集试备者的运动想象信号，收集到原始的模拟脑波信号，并通过实体信号线传输给固定在脑电帽后方的EEG放大器。EEG放大器接受原始模拟脑电信号后，对其进行滤波，将眨眼信号，无效噪声滤掉，随后对滤波信号进行放大。最后将放大信号离散化，通过wifi传输给无线多参数同步器。

无限多参数同步器作为wifi热点接受来自EEG放大器的离散化数值，根据设定的时序与频率补偿因使用无线wifi传输脑波数据而引起的脑电信号延迟偏移。无线多参数同步器将采集，滤波和离散化后的脑波数据与试备者的想象反应补偿到同意时刻后，就将补偿后的脑电信号通过USB传输导线传输给移动计算终端。

移动计算终端中运行有专门为少通道下的脑电采集信号设计的分类算法，不影响分类精度的前提下，将补偿后的离散脑电信号进行预处理，特征提取和分类。最终识别出试备者实时的运动想象动作和想象动作序列，并把提取的信息抽象成控制信号发送给控制指令程序。

控制指令程序接受由分类算法分类整理出的运动想象信号，并根据以下算法控制为：

左腿->左手，履带式移动机器人左转；

左腿->右手，履带式移动机器人右转；

右腿->左手，履带式移动机器人可旋转履带正向转动；

右腿->右手，履带式移动机器人可旋转履带反向转动；

左腿->右腿->左腿->右腿……，即连续交替想象左右腿运动，履带式移动机器人正向前进。

最终，运动想象信号被转化为对履带式移动机器人的控制指令，系统通过串口将控制指令发送给蓝牙发送模块。蓝牙发送模块与履带式移动机器人中的蓝牙接收模块已经配对。因此，蓝牙发送模块将会持续的将控制指令发送给履带式移动机器人安装的蓝牙接收模块。

履带式移动机器人内部装有一个已经与信号处理系统中蓝牙发送模块配对好的蓝牙接收模块。该蓝牙接收模块嵌入到履带式移动机器人中，实时等待接收来自蓝牙发送模块的控制指令，根据控制协议解析控制指令，并向电机驱动模块发送相应占空比的PWM控制信号，从实时控制履带式移动机器人。