[发明专利]一种基于P300的脑控机器人系统及其实现方法

说明书

本发明属于脑机接口和机器人控制技术领域，一种基于P300的脑控机器人系统及其实现方法，其中系统包括视觉刺激模块并与其依次相连的受试者、电极帽模块、Neuroscan脑电采集模块、信号处理模块、控制接口模块、Pioneer3‑DX型机器人运动模块，所述Pioneer3‑DX型机器人运动模块还与视觉刺激模块相连，控制接口模块还与Pioneer3‑DX型机器人环境检测模块相连。本发明采用图形符号为新刺激类型，组合改进脑机接口属性，诱发更高幅度的P300成分，提高系统传输速率。并结合脑机接口技术和自动控制技术，采用异步控制模式实现脑控和机器人自主控制的交互共享，实现机器人前进、后退、左转、右转和保持不动的运动行为，使系统更加稳定快速。

技术领域

本发明涉及一种基于P300的脑控机器人系统及其实现方法，属于脑机接口和机器人控制技术领域。

背景技术

脑机接口(Brain-Computer Interface，BCI)是在大脑与外部设备之间建立的一种非肌肉通信通道，实现了大脑意图和外界环境之间的交流。BCI作为一种新的人机交互方式，为设备的脑意念控制提供了新思路，成为了智能机器人领域的研究热点，架起了“人脑生物智能”与“人工智能”结合的桥梁。随着BCI技术与机器人自动控制技术的融合，产生了一项新技术—脑控机器人技术。在脑控系统中，根据不同的应用场景，选取的BCI控制信号也不同，其中，基于事件相关电位P300的脑机接口系统因训练时间短，适应性强，成为BCI研究中的重要热点之一。但是由于P300信噪比较低，需要叠加多次才能得到较明显且稳定的波形，限制了系统的传输速率。另外，P300电位是诱发电位，具有一定的潜伏期，目前基于P300的BCI系统主要集中在指令选择的离散同步控制应用上，如拼写任务。针对信噪比较低的问题，主要通过改进信号处理算法和实验范式两个方向进行，即优化特征提取和分类算法以及加强P300成分。本发明主要集中于改进实验范式。经典的P300实验范式是由Farwell和Donchin提出的，所有符号按行列方式进行分组并随机呈现，实验效果容易出现近邻干扰、双闪问题以及重复失明问题。Guan等人提出了单闪实验范式，虽然一定程度上改善了上述现象，但是刺激序列长度过长容易导致受试者疲劳，比较适合小尺寸的符号矩阵。随后研究者使用区域闪(类似两次单闪)提高了准确率。除了刺激闪烁方式的不同，刺激属性也影响实验结果。研究显示大脑对黄绿和绿的觉醒率最高，蓝绿组合变换受试者感觉更舒适，Takano将传统实验范式的符号颜色背景改为蓝色，闪烁为绿色，提高了实验准确率。另外，不少学者也关注刺激类型对系统的影响，用面孔刺激代替符号刺激，诱发得到了P300电位以外的事件相关电位，为BCI系统提供了更多的可能性。针对P300的潜伏期问题，近年来也出现了许多混合脑机接口的研究，如P300+SSVEP脑机接口、P300+Mu/Beta脑机接口等，虽然实现了连续异步控制，但是技术不够成熟，并且增加了系统的复杂性。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种基于P300的脑控机器人系统及其实现方法。本发明通过对刺激属性的组合改进，设计出一种基于5-oddball的P300实验范式，该范式界面简单，易于学习使用，且能诱发较强的P300成分，有效减少叠加次数，提高系统的传输速率。另外本系统根据脑控机器人系统的特点，将脑控和机器人自主控制相结合，实现两种控制命令交互共享异步控制，相比于混合脑机接口，此异步模式的系统复杂性降低，有利于机器人的稳定快速控制。