[发明专利]一种脑控机械臂助餐系统及方法

说明书

本发明公开了一种脑控机械臂助餐系统及方法，该系统包括用于产生并显示刺激源的视觉刺激子系统、脑电采集子系统、双目摄像头定位子系统和机械臂控制子系统，所述脑电采集子系统采集并处理用户受到视觉刺激后产生的脑电信号，将处理后的信号作为源数据发送至机械臂控制子系统；所述双目摄像头定位子系统与所述机械臂控制子系统电连接，用于自动拍摄RGB图像，经算法处理得到精确定位坐标；所述机械臂控制子系统对源数据进行特征频率提取，控制机械臂移动至目标物体的大致位置，再根据所述精确定位坐标进行微调直至达到目标物体处，自动使用位于机械臂前端的餐具在餐盘中获取食物。本发明可实现高效、精准的脑控助餐功能。

技术领域

本发明涉及一种助餐系统，尤其涉及一种脑控机械臂助餐系统及方法。

背景技术

一些老年人以及残疾人存在着运动障碍，可能无法做一些简单动作，如：打开或关闭简单的电器设备开关，拿取水杯饮水，拿取勺子吃饭。在这种情况下，如何设计出能够有效辅助有运动障碍的人进行简单的日常活动，提升生活质量的硬件设备，就成了现在研究人机交互技术的一个突破点。

由于这类用户往往拥有正常运作的大脑，因此具有处理脑电信号实现人机交互的基础。目前对于脑电信号的处理技术仍处于实验室阶段,大多数的脑控技术仅仅局限于控制小车或机器人的方向、速度，却较少地适用于机械臂的控制。由此可见，将脑-机接口BCI(Brain Computer Interface)应用于实际还面临着如下问题：

1、精度低。对于信号的接收不够精确，且有较低的信噪比。

2、传输速度慢。最多每分钟25个字节，这相当于要花费几分钟才能输入并执行一句简单的命令。

3、处理平台与设备无法满足轻量化的设计需求。现在的BCI系统设计方式多是使用计算机作为视觉刺激器和数字信号处理平台，而脑电信号处理和预处理则使用专业脑电设备(如Neural Scan等)，这种设计方式具有明显的缺点，即系统体积和功耗太大，不适合实际应用。

4、实验周期长。伴随着脑电信号的响应降低，且长时间盯着闪烁屏，用户会感到疲劳。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种精度高、可实时执行的轻量化脑控机械臂辅助用餐的系统。本发明的另一目的在于提供基于该系统的脑控机械臂助餐方法。

技术方案：本发明所述脑控机械臂助餐系统，其特征在于，该系统包括：

视觉刺激子系统，包括显示屏，用于产生对应机械臂自由度的刺激源；

脑电采集子系统，用于采集用户受到所述刺激源刺激后产生的SSVEP信号，经信号处理后作为机械臂控制的源数据；

双目摄像头定位子系统，包括安装在机械臂前端的双目摄像头，用于自动拍摄RGB图像，并通过聚类算法和D-H(Denavit-Hartenberg)法计算目标物体点相对于机械臂的坐标信息；

机械臂控制子系统，包括机械臂，所述机械臂前端安装有双目摄像头和餐具，用于接收所述源数据并进行实时滤波，对所需波段信号进行采样，通过基于小波变换的典型相关分析法，甄别视觉诱发刺激频率，根据所述刺激频率确定用户脑控选择的刺激源，控制机械臂到目标物体点的大致位置；获取双目摄像头定位子系统生成的目标物体点相对于机械臂的坐标信息，控制机械臂到达目标物体的精确位置，自动使用餐具获取餐盘中的食物。

进一步地，所述刺激源的频段为6.7-30Hz。由于30Hz及以下是人体可接受的刺激频率，考虑到刺激源个数，且为避免计入谐波，设定该频段。

进一步地，所述刺激源的翻转频率的间隔大于0.5Hz。

优选地，所述视觉刺激子系统采用牛顿环收缩-扩张运动刺激范式。采用该刺激范式可以使用户不易疲劳，避免大脑响应信号的时间降低，更适用于长期使用。用户每进行一次操作需持续注视对应的刺激源4-5秒。