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一种机器人及脑机接口

阅读：516发布：2020-05-11

IPRDB可以提供一种机器人及脑机接口专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种机器人和脑机接口，属于机器人领域，包括：接收器，用于接收来自脑机接口的专注度信息，其中，所述专注度信息是所述脑机接口将获取的专注度进行插值运算获得的；控制器，用于根据所述专注度信息控制所述机器人中的运动底盘进行运动，其中，所述运动底盘包括自动移动装置。通过本发明，能够提高机器人的可交互性。，下面是一种机器人及脑机接口专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种机器人，其特征在于，包括：

接收器，用于接收来自脑机接口的专注度信息，其中，所述专注度信息是所述脑机接口将获取的专注度进行插值运算获得的；

控制器，用于根据所述专注度信息控制所述机器人中的运动底盘进行运动，其中，所述运动底盘包括自动移动装置。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于：所述接收器还用于接收来自所述脑机接口的眨眼强度；

所述控制器还用于在所述眨眼强度大于阈值的情况下，控制所述机器人转向。

3.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于：所述专注度信息指示的专注度的值和所述机器人的运动速度成正比。

4.一种脑机接口，其特征在于，包括：

检测器，用于检测专注度；

运算器，用于对所述检测器检测的专注度进行插值运算，获得专注度信息，发送器，用于将所述专注度信息发送给机器人，所述专注度信息用于控制所述机器人进行运动。

5.根据权利要求4所述的脑机接口，其特征在于：所述检测器还用于检测眨眼强度；

所述发送器还用于将所述眨眼强度发送给所述机器人，所述眨眼强度用于控制所述机器人转向。

6.根据权利要求4或5所述的脑机接口，其特征在于：所述运算器用于通过以下函数对所述检测器检测的专注度进行插值运算，获得专注度信息：其中，t表示时间，tn-2、tn-1、tn分别表示第n-2秒、第n-1秒和第n秒时刻，an-2、an-1、an分别表示第n-2秒、第n-1秒和第n秒时刻的专注度，b(t)表示得到的插值函数。

7.根据权利要求4或5所述的脑机接口，其特征在于：所述专注度信息指示的专注度的值和所述机器人的运动速度成正比。

说明书全文

一种机器人及脑机接口

技术领域

[0001] 本发明属于机器人领域，尤其涉及一种机器人及脑机接口。

背景技术

[0002] 脑机接口（Brain-Computer-Interface，BCI）是近年来发展起来的一种新型人机接口。第一次BCI国际会议给出的BCI的定义是：“脑-计算机接口(Brain－Computer－Interface)是一种不依赖于正常的由外围神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统”。脑－机接口技术利用脑电信号实现人脑与计算机或其他电子设备的通讯和控制，是一种全新的人机接口方式。该技术使人类利用脑电信号与计算机或其它装置进行通讯成为了可能，它为人的大脑开辟了一条全新的与外界进行信息交流和控制的途径。BCI技术可用于瘫痪病人的诊疗设备，或针对大脑状况的研究，如帕金森症或癫痫。其它可能的应用包括：游戏控制接口、机器人控制以及军用设备等。但是，在现有的脑机接口控制机器人的应用中，控制机器人运动的效果并不好。

发明内容

[0003] 本发明提供了一种机器人和脑机接口，用于使用脑机接口更好的控制机器人。

[0004] 一方面，提供了一种机器人，包括：接收器，用于接收来自脑机接口的专注度信息，其中，所述专注度信息是所述脑机接口将获取的专注度进行插值运算获得的；控制器，用于根据所述专注度信息控制所述机器人中的运动底盘进行运动，其中，所述运动底盘包括自动移动装置。

[0005] 发明人发现，在现有技术中，脑机接口以1秒为周期测量并发送专注度信息，在这1秒之间，专注度的值可能变化较大，如果机器人根据这种专注度控制速度，则速度变化较大，这样不利于对机器人进行速度控制。本发明通过对测量到的专注度进行插值运算，在1秒之间可以获得变化较为平缓的多个专注度信息，从而降低机器人速度变化的幅度，更好地对机器人的运动进行控制。

[0006] 优选的，所述接收器还用于接收来自所述脑机接口的眨眼强度；所述控制器还用于在所述眨眼强度大于阈值的情况下，控制所述机器人转向。通过眨眼强度控制机器人转向，具有易于实现的优点。

[0007] 优选的，所述专注度信息指示的专注度的值和所述机器人的运动速度成正比。

[0008] 另一方面，提供了一种脑机接口，包括：检测器，用于检测专注度；运算器，用于对所述检测器检测的专注度进行插值运算，获得专注度信息，发送器，用于将所述专注度信息发送给机器人，所述专注度信息用于控制所述机器人进行运动。

[0009] 可选的，所述检测器还用于检测眨眼强度；所述发送器还用于将所述眨眼强度发送给所述机器人，所述眨眼强度用于控制所述机器人转向。

[0010] 优选的，所述专注度信息指示的专注度的值和所述机器人的运动速度成正比。

附图说明

[0011] 图1是抛物线插值示意图；

[0012] 图2是专注度插值算法程序流程图；

[0013] 图3是机器人控制程序流程图。

[0014] 图4是机器人及脑机接口原理框图

具体实施方式

[0015] 下面结合附图，通过具体实施例对本发明的实现过程进行说明。

[0016] 本发明实施例以冰雪机器人为例进行说明，可以理解的是，本发明实施例所涉及的方法也可以用于其他机器人。本发明实施例采用的方法包括：

[0017] （1）获取眨眼信号和专注度值

[0018] 采用脑机接口每隔1秒以无线方式发送使用者当前的专注度参数，专注度参数以0到100之间的具体数值来表示使用者当前的注意力水平，数值越大，则表示使用者当前的注意力集中程度越高，反之则越低。通过脑波数据接收器驱动获取眨眼信号。眨眼信号取值范围是1到255，值越大表示眨眼的相对频繁程度越高。

[0019] （2）专注度插值算法

[0020] 利用抛物线插值算法对两次获得的专注度值之间进行插值，再将插值结果发送给冰雪机器人，使冰雪机器人能够稳定、流畅的跟随人的专注度变化运动。

[0021] （3）专注度值和眨眼信号

[0022] 将专注度插值结果以及眨眼信号值组成一个数据包，通过无线串口发送给冰雪机器人。

[0023] （4）机器人解析数据包，执行命令

[0024] 冰雪机器人接收到数据包后计算校验和，如果和接收到的校验和相一致则开始解析该数据包，如果不一致则丢弃该数据包。冰雪机器人将接收到的专注度值转化为脉宽调制信号控制冰雪机器人的运动速度，专注度越大，冰雪机器人的运动速度越快，反之，冰雪机器人的运动速度越慢；而用接受到的眨眼信号控制冰雪机器人的转向，冰雪机器人对于眨眼信号强度设定一阈值，当接受到的眨眼信号强度值大于该阈值时，冰雪机器人左转一次，眨眼信号值小于该阈值时，冰雪机器人不转向。多次眨眼即可实现冰雪机器人转向各个方向。

[0025] 与现有的技术相比，本发明实施例具有以下优点：

[0026] 利用脑机接口获取用户的思维专注度及眨眼信号，通过注意力控制机器人的运动速度，通过眨眼控制机器人的转向，实现意念控制机器人，使得使用者和机器人实现互动，提高了机器人的智能性；

[0027] 所提出的专注度插值算法能够对专注度进行有效的插值与平滑，使得机器人的运动速度能够流畅地跟踪用户专注度的变化；

[0028] 眨眼信号控制机器人运动方向，增强了机器人运动的灵活性、娱乐性、趣味性；

[0029] 机器人控制技术，可用于机器人运动控制、机器人远程控制、互动娱乐游戏等领域中

[0030] 本发明实施例还提供了一种控制机器人的方案，包括：

[0031] 专注度及眨眼信号的获取

[0032] 利用脑波数据接收器获取专注度及眨眼信号，用户需正确佩戴脑波传感器，接着调用函数即可获得专注度和眨眼信号。

[0033] 专注度插值算法

[0034] 参照图1，已知一条曲线y=f(x)上的三点A(x0,y0)，B(x1,y1)，C(x2,y2)，过此三点可以作一条抛物线，即一条二次曲线g(x)，而且是唯一的。

[0035] 设g(x)=ax2+bx+c

[0036] 已知g(xi)=f(xi),(i=0,1,2)

[0037] 可以代入A(x0,y0)，B(x1,y1)，C(x2,y2)三点的坐标到g(x)的表达式确定出系数a、b和c，但这样很麻烦。本发明采用逐次线性插值的方法确定g(x)的表达式，使得在计算机上很容易计算。

[0038] 已知三点A(x0,y0)，B(x1,y1)，C(x2,y2)及插值点(x,y)。

[0039] 用直线的点斜式方程：

[0040] 第一步：过点A(x0,y0)，B(x1,y1)做直线L01，即

[0041]

[0042] 第二步：过点A(x0,y0)，C(x2,y2)做直线L02，即

[0043]

[0044] 第三步：将(x1,L01)，(x2,L02)也理解为“点”，过这两点做“直线”，记为L012，即[0045]

[0046] 第四步：把式（1）和（2）代入式（3），得

[0047]

[0048] 不难看出，L012是关于x的函数，且满足L012(xi)=yi,(i=0,1,2)，所以，L012就是所要求的二次插值多项式g(x)，将插值点的x坐标代入即可就得对应的y值。

[0049] 从脑波传感器获得的专注度及眨眼信号是以1秒为间隔的离散点，专注度的幅值在0到100之间，眨眼信号的幅值在1到255之间。t表示时间，n表示整数时刻，t1表示第一秒时刻，t2表示第二秒时刻，以此类推，tn表示第n秒时刻；a1表示t1时刻获得的专注度，w1表示t1时刻获得的眨眼信号值，a2表示t2时刻获得的专注度，w2表示t2时刻获得的眨眼信号值，以此类推，an表示tn时刻获得的专注度，wn表示tn时刻获得的眨眼信号值。

[0050] 算法中在每两个专注度之间插入3个值，即每隔250ms有一个专注度值。b(t)表示得到的插值函数。以t1和t2之间插值为例，b(t1)=a1，b(t1.25)表示1.25秒时刻的专注度，b(t1.5)表示1.5秒时刻的专注度，b(t1.75)表示1.75秒时刻的专注度，b(t1.25)、b(t1.5)和b(t1.75)均由插值函数b(t)计算，b(t2)=a2。

[0051] 参考图2，专注度的具体插值步骤如下：

[0052] 步骤1:

[0053] 根据上述抛物线插值算法，获取三个时刻的专注度值，以时刻代替横坐标x，专注度代替纵坐标y，代入公式（4）即可求得插值函数b(t)。根据插值函数b(t)即可得到要插值时刻的专注度。

[0054] 初始化n=3，获取第n-2秒、第n-1秒和第n秒时刻的专注度以及第n秒时刻的眨眼信号值，分别表示为an-2,an-1,an,wn。以点(tn-2,an-2)代替其中的点A(x0,y0)，以点(tn-1,an-1)代替其中的点B(x1,y1)，以点(tn,an)代替其中的点C(x2,y2)。将点
(tn-2,an-2),(tn-1,an-1),(tn,an)坐标代入公式（4），得

[0055]

[0056] b(t)是关于t的函数，且满足b(ti)=ai,i=n-2,n-1,n，从而b(t)即为所求的插值函数。

[0057] 步骤2:

[0058] 由步骤1，tn-2=n-2、tn-1=n-1及tn=n时刻的专注度已知，分别为an-2、an-1和an。令tn-2+0.25=n-2+0.25、tn-2+0.5=n-2+0.5、tn-2+0.75=n-2+0.75代入（5）式，分别求得(n-2+0.25)秒时刻的专注度b(tn-2+0.25)，(n-2+0.5)秒时刻的专注度b(tn-2+0.5)，(n-2+0.75)秒时刻的专注度b(tn-2+0.75)。将an-2、b(tn-2+0.25)、b(tn-2+0.5)、b(tn-2+0.75)、an-1及眨眼信号值wn组成一个数据包，加上数据包头和校验和，通过无线串口发送给冰雪机器人。

[0059] 步骤3:

[0060] 获取(n+1)秒时刻的专注度an+1及眨眼信号值wn+1，以点(tn-1,an-1)、(tn,an)、(tn+1,an+1)坐标分别代替公式（4）中的点(x0,y0)、(x1,y1)和(x2,y2)，得

[0061]

[0062] 步骤4:

[0063] 令tn-1+0.25=n-1+0.25、tn-1+0.5=n-1+0.5、tn-1+0.75=n-1+0.75代入（6）式，分别求得(n-1+0.25)秒时刻的专注度b(tn-1+0.25)，(n-1+0.5)秒时刻的专注度b(tn-1+0.5)，(n-1+0.75)秒时刻的专注度b(tn-1+0.75)。将an-1、b(tn-1+0.25)、b(tn-1+0.5)、b(tn-1+0.75)、an及眨眼信号值wn+1组成一个数据包，加上数据包头和校验和，通过无线串口发送给冰雪机器人，n加1。

[0064] 步骤5:

[0065] 由于n是整数，当n加1达到整数类型所能表示的最大范围时，n自动清零。算法中判断n的值，如果不为0，则返回步骤3；否则将n赋值为3，返回步骤1。

[0066] 机器人具体控制方式：

[0067] 机器人底盘是个小车，通过脉宽调制方式实现冰雪机器人电机调速。冰雪机器人主控器上设置一定时器，定时时间为250ms，在定时中断函数中设置电机速度及控制机器人转向，即每隔250ms更新一次电机速度。因为脑波传感器每隔一秒给电脑发送一次专注度，根据专注度插值算法，每2个专注度之间插入3个值，共5个专注度，即每隔250ms就有一个可用的专注度。

[0068] {xm},m=1,2,3,4,5,6表示冰雪机器人接收到电脑发送的脑波数据，x1,x2,x3,x4,x5表示电脑发送的5个专注度，x6表示眨眼信号值。电脑向机器人发送一次数据，机器人就更新当前{xm},m=1,2,3,4,5,6的值，每隔250ms机器人就依次取x1,x2,x3,x4,x5专注度数据并转化为脉宽调制信号实现冰雪机器人电机调速，最终使冰雪机器人的运动速度能够跟踪用户专注度的变化，例如用户注意力越集中，冰雪机器人运动速度越快，反之机器人运动越慢。

[0069] 眨眼信号用于控制冰雪机器人转向，s表示冰雪机器人主控器设定的眨眼信号阈值，当冰雪机器人接收到的眨眼信号值大于s时，主控器控制冰雪机器人原地左转一次，从而通过多次眨眼可控制机器人转到各个方向。

[0070] 参考图3，机器人控制的方法包括如下步骤：

[0071] 步骤1:

[0072] 冰雪机器人主控器初始化，定义索引变量m，初始化m=1，眨眼信号阈值s=100。

[0073] 步骤2:

[0074] 等待电脑发送的专注度和眨眼信号值数据包到达，数据包到达后以中断的方式通知主控器，主控器读取整个数据包后计算校验和，如果和上位机发送的校验和相同，则该数据包有效，对数据包进行解析，更新{xm},m=1,2,3,4,5,6的值，取xm专注度数据并转化为脉宽调制信号实现冰雪机器人电机调速，m加1，开启定时器。

[0075] 步骤3:

[0076] 定时时间到，取xm专注度数据并转化为脉宽调制信号实现冰雪机器人电机调速，m加1，如果m>5，m置为1。

[0077] 步骤4:

[0078] 判断x6是否大于s，如果x6>s，冰雪机器人左转一次，否则冰雪机器人一直直行。返回步骤2。

[0079] 按照上述步骤不断地重复，最终，冰雪机器人的运动速度能够稳定、流畅地跟踪用户专注度的变化，同时可以用眨眼控制冰雪机器人的转向。

[0080] 图4是机器人及脑机接口原理框图，用户佩戴脑机接口，脑机接口将获得的用户专注度值及眨眼信号值首先发送至PC（个人电脑）机，PC机将专注度值利用上述算法进行插值，最后将专注度插值结果及眨眼信号值一起通过无线数传模块发送给机器人。机器人收到专注度数据后转化为脉宽调制信号通过电机驱动实现机器人电机调速，而眨眼信号控制机器人的转向。显示单元则用于显示机器人当前运动状态的一些信息。

[0081] 上述内容仅是本发明的优选实施例，在此基础上，本领域技术人员能够做出一些变形，在不偏离本发明的思想的情况下，这些变形也应在本发明的保护范围之内。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种脑机接口系统-专利编号CN106843509B	2020-05-13	561
一种脑机接口方法-专利编号CN108319367A	2020-05-14	567
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脑机接口系统及方法-专利编号CN102985002B	2020-05-11	377
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