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脑控机器人系统可以帮助患者完成日常生活中的活动,受到了研究学者的广泛关注。如何充分结合脑-机接口(Brain-Computer Interface,BCI)系统与传统机器人控制系统的优势,构建具有较高环境适应度、高易用性的脑控机器人系统是本领域的发展趋势。由此衍生了共享控制型脑控机器人系统,该类型系统充分的融合了人与机器的智能。目前,基于稳态视觉诱发电位(Steady-State Visual Evoked Potential, SSVEP)的BCI系统已经能够实现非常高的信息传输速率和正确率,配合增强现实(Argument Reality, AR)技术能够让交互过程更加自然,但现有研究中刺激都是在二维空间中呈现的,需要更新刺激手段,对三维AR视觉刺激技术进行探究,增加交互过程的沉浸感和自然性。
本文对基于SSVEP的纯三维空间机械臂共享控制系统进行了探究,并设计实验验证了本文提出的实现方法的可行性。
首先,本文搭建了基于SSVEP的纯三维空间机械臂共享控制系统,主要功能如下:BCI系统通过自研便携式脑电采集系统对脑电信号进行采集,随后对其解码,三维测量系统对目标物体进行识别与定位,三维AR刺激系统在三维空间呈现刺激和反馈信息,机械手臂控制系统负责对机械臂的高效精确控制,共享控制系统使用目标-过程共享控制方式,负责各个子系统之间的协调与调度。
其次,本文针对首次提出的三维AR刺激系统设计了三维AR刺激可行性验证实验。实验中设置了屏幕和三维AR刺激两种刺激条件,使用基于滤波器组的任务相关成分分析算法,在1s脑电数据条件下,十名健康受试者离线平均分类正确率依次为96.22%、97.5%,在线平均分类正确率依次为95.67%、96.67%,两种刺激条件下正确率不存在显著差异,验证了三维AR刺激系统的可行性。
最后,本文设计了目标物体抓取和放回两个机械臂在线控制实验任务。目标物体抓取实验中,三维AR刺激系统将SSVEP刺激叠加在目标物体上,共享控制器综合BCI和三维测量系统的结果,控制机械臂完成目标抓取任务。目标物体放回实验中,通过空间四分实验范式和迭代定位实验范式的组合定位被试期望的目的地,共享控制器控制机械臂将目标物体放置于该位置。十名健康受试者均能以很高的正确率完成两个实验任务,验证了本文提出的实现方法的可行性。
本文对基于SSVEP的纯三维空间机械臂共享控制系统进行了探究,并设计实验验证了本文提出的实现方法的可行性。
首先,本文搭建了基于SSVEP的纯三维空间机械臂共享控制系统,主要功能如下:BCI系统通过自研便携式脑电采集系统对脑电信号进行采集,随后对其解码,三维测量系统对目标物体进行识别与定位,三维AR刺激系统在三维空间呈现刺激和反馈信息,机械手臂控制系统负责对机械臂的高效精确控制,共享控制系统使用目标-过程共享控制方式,负责各个子系统之间的协调与调度。
其次,本文针对首次提出的三维AR刺激系统设计了三维AR刺激可行性验证实验。实验中设置了屏幕和三维AR刺激两种刺激条件,使用基于滤波器组的任务相关成分分析算法,在1s脑电数据条件下,十名健康受试者离线平均分类正确率依次为96.22%、97.5%,在线平均分类正确率依次为95.67%、96.67%,两种刺激条件下正确率不存在显著差异,验证了三维AR刺激系统的可行性。
最后,本文设计了目标物体抓取和放回两个机械臂在线控制实验任务。目标物体抓取实验中,三维AR刺激系统将SSVEP刺激叠加在目标物体上,共享控制器综合BCI和三维测量系统的结果,控制机械臂完成目标抓取任务。目标物体放回实验中,通过空间四分实验范式和迭代定位实验范式的组合定位被试期望的目的地,共享控制器控制机械臂将目标物体放置于该位置。十名健康受试者均能以很高的正确率完成两个实验任务,验证了本文提出的实现方法的可行性。