[发明专利]基于自发式脑机接口的机器人绘画系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于自发式脑机接口的机器人绘画系统及方法，该系统包括脑电信号采集模块、信号无线传输模块、脑电信号处理模块、控制指令生成模块、指令无线传输模块、绘画机器人以及使用者；其中，脑电信号采集模块用于采集使用者的实时脑电信号，信号无线传输模块将采集得到的脑电信号传输至上位机以作进一步处理，上位机包括脑电信号处理模块和控制指令生成模块。本发明能够同时绘制多个通道的脑电波形，提高了绘画效率，并为使用者提供了较大的发挥空间，充分满足了使用者的创作需求，从而使得该创作过程更为有趣。

技术领域

本发明涉及一种绘画系统及方法，特别是涉及一种基于自发式脑机接口的机器人绘画系统及方法。

背景技术

脑机接口(Brain Computer Interface,BCI)是一种不依赖于人体常规外周神经肌肉通路，而通过直接采集脑电信号并利用该信号实现对外部环境的控制和交互的技术。BCI是一门典型的交叉学科，涉及神经科学、医学、心理学、计算机科学、机械工程等多个学科领域。

目前已知的诸多疾病，如肌萎缩侧索硬化症、脑干中风、大脑瘫痪等，均会使人体的神经肌肉通路受到损伤，从而使患者的大脑失去对外周肌肉的控制能力，最终导致患者丧失部分或者全部的运动功能。BCI正是在这种背景下被提出，其被认为是重建相关患者运动功能的一种重要方法。自BCI技术问世以来，世界范围内的众多研究机构都对BCI领域给予了关注与投入，且已取得了丰硕的成果。根据有关文献的报道，残疾人已经可以通过BCI实现打字输入、浏览网页、控制机械臂等功能，这为他们完成独立的日常生活提供了重要的辅助。与此同时，随着世人对BCI领域关键问题的认识逐步深入，该技术也将在未来为正常人群在教育、娱乐等诸多人机交互领域提供丰富的可能性。

经文献检索发现，一项中国专利公告号为CN105137830A、名称为“一种基于视觉诱发脑机接口的国画机器手及其绘图方法”的专利实现了通过脑机接口控制机械臂完成绘制国画的功能。但由于该系统的脑电特征由稳态视觉刺激诱发，因此使用者需要在一个提供专门视觉刺激的结构化环境中完成该任务。此外，该专利没有提及用于作画的机械手设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于自发式脑机接口的机器人绘画系统及方法，其通过采集使用者的自主脑电信号而非外界刺激的诱发脑电实现，能够同时绘制多个通道的脑电波形，提高了绘画效率，并为使用者提供了较大的发挥空间，充分满足了使用者的创作需求，从而使得该创作过程更为有趣。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于自发式脑机接口的机器人绘画系统，其特征在于，其包括脑电信号采集模块、信号无线传输模块、脑电信号处理模块、控制指令生成模块、指令无线传输模块、绘画机器人以及使用者；其中，脑电信号采集模块用于采集使用者的实时脑电信号，信号无线传输模块将采集得到的脑电信号传输至上位机以作进一步处理，上位机包括脑电信号处理模块和控制指令生成模块，脑电信号处理模块用于对脑电信号进行平滑滤波，控制指令生成模块将处理之后的脑电信号幅值转化为绘画机器人各支画笔的径向位置控制指令，指令无线传输模块将最终的位置控制指令传输至绘画机器人，绘画机器人将得到的控制指令转化为画笔的轨迹最终呈现在画板上。

优选地，所述脑电信号采集模块采用头戴式脑电信号采集仪器。

优选地，所述信号无线传输模块通过蓝牙无线通讯协议进行脑电信号传输。

优选地，所述脑电信号处理模块通过Matlab编程实现，利用Matlab信号处理工具箱对脑电信号进行平滑滤波，避免画笔在运动过程中出现剧烈抖动，最大化地保证输出图形的美观性。

优选地，所述控制指令生成模块采用C++编程实现，通过一个线性函数变换将平滑滤波后的脑电信号幅值转化为绘画机器人各支画笔的径向位置，基于此生成绘画机器人三根画笔的径向运动位置控制指令。

优选地，所述指令无线传输模块通过蓝牙通讯协议将最终的运动控制位置指令传输至绘画机器人以控制其画笔的径向运动，完成最终绘画任务。