基于运动想象脑机接口的外骨骼控制系统研究
发布时间：2022-01-01 04:32
目的为提高人机系统作业绩效,降低操作者的体力、脑力负荷,设计基于运动想象脑机接口的外骨骼控制系统。方法外骨骼控制系统采用舱外航天服上肢作为受力外骨骼,开源脑电采集板卡OpenBCI Cyton Borad充当操作者与外骨骼的控制链接,信号处理与控制软件在笔记本电脑上完成。设计想象左手、想象右手两指令的运动想象脑机接口范式,并招募5名受试者参加实验,对系统有效性进行验证。结果5名受试者同步模式识别正确率为82.5%,选取表现最佳的受试者进行异步模式测试,基于40个刺激的空白数据中检测想象状态识别正确率达到100%,指令输出延时2s左右,想象左、右手识别正确率为70%。结论实验结果验证了设计的外骨骼控制系统的有效性,并可为舱外服外骨骼控制和后续空间遥操作类任务的人机交互方式提供新的思路。
【文章来源】：航天医学与医学工程. 2020,33(03)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
系统框图
Open-BCI Cyton Borad是一款低功耗、多通道的可编程生物信号采集平台，包括开源脑电信号放大板组、无线蓝牙串口、多电极脑电帽以及数据分析软件，实物图如图2所示。脑电信号采集通过Open-BCI Cyton Borad完成，本系统中脑电帽电极位置参照国际通用标准10～20系统[12]排列，研究中主要考察运动及视觉功能区域的脑电变化，故选取C3、C4、P3、P4和头顶中间连线上的Fz、Cz、Pz、POz、Oz共10个电极进行分析，参考电极位于CPz附近，AFz电极接地。1.2 实验设计
实验设计2个指令（想象左手、右手运动）的运动想象范式，流程如图3所示。实验总持续为45min左右，包含6组，前5组为同步训练，最后1组为异步测试。同步训练每组实验持续7min左右，异步测试组持续4min，每两组实验之间留有1min休息时间。每组实验包含40个想象左手、想象右手指令，每个指令历时10s，刺激开始前4s受试者处于休息状态（将该阶段的脑电响应称为空白阶段），受试者保持静息状态。电脑屏幕中间出现“+”，提示受试者立即开始运动想象。当屏幕上出现“<<<”时，受试者开始想象左手运动，当屏幕上出现“>>>”时，受试者开始想象右手运动，想象时间为4s。实验过程中，受试者以尽量舒适的坐姿水平注视电脑屏幕中央区域，并尽量减少眼睛和任何其他肢体的移动。实验全程通过Open-BCI Cyton Borad脑电采集系统采集受试者的脑电数据，电极配置情况如图2(b）所示，信号采样频率为128Hz，所有电极的阻抗控制在20kΩ以下。采集到的信号通过蓝牙发送至笔记本电脑进行分析处理，生成控制命令。
【参考文献】：
期刊论文
[1]运动想象在脑卒中上肢功能康复的应用进展[J]. 高家欢,胡昔权. 中国康复理论与实践. 2017(09)
[2]基于人机信息交互的助行外骨骼机器人技术进展[J]. 明东,蒋晟龙,王忠鹏,綦宏志,万柏坤. 自动化学报. 2017(07)
[3]基于运动想象脑电信号分类的上肢康复外骨骼控制方法研究[J]. 唐智川,孙守迁,张克俊. 机械工程学报. 2017(10)
[4]基于深度卷积神经网络的运动想象分类及其在脑控外骨骼中的应用[J]. 唐智川,张克俊,李超,孙守迁,黄琦,张三元. 计算机学报. 2017(06)
[5]我国空间站工程总体构想[J]. 周建平. 载人航天. 2013(02)
[6]外骨骼机器人控制方法综述[J]. 杨智勇,张静,归丽华,张远山,杨秀霞. 海军航空工程学院学报. 2009(05)
硕士论文
[1]基于左右手运动想象脑电特征提取与识别研究[D]. 郭晓梅.太原理工大学 2018
本文编号：3561627
【文章来源】：航天医学与医学工程. 2020,33(03)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
系统框图
Open-BCI Cyton Borad是一款低功耗、多通道的可编程生物信号采集平台，包括开源脑电信号放大板组、无线蓝牙串口、多电极脑电帽以及数据分析软件，实物图如图2所示。脑电信号采集通过Open-BCI Cyton Borad完成，本系统中脑电帽电极位置参照国际通用标准10～20系统[12]排列，研究中主要考察运动及视觉功能区域的脑电变化，故选取C3、C4、P3、P4和头顶中间连线上的Fz、Cz、Pz、POz、Oz共10个电极进行分析，参考电极位于CPz附近，AFz电极接地。1.2 实验设计
实验设计2个指令（想象左手、右手运动）的运动想象范式，流程如图3所示。实验总持续为45min左右，包含6组，前5组为同步训练，最后1组为异步测试。同步训练每组实验持续7min左右，异步测试组持续4min，每两组实验之间留有1min休息时间。每组实验包含40个想象左手、想象右手指令，每个指令历时10s，刺激开始前4s受试者处于休息状态（将该阶段的脑电响应称为空白阶段），受试者保持静息状态。电脑屏幕中间出现“+”，提示受试者立即开始运动想象。当屏幕上出现“<<<”时，受试者开始想象左手运动，当屏幕上出现“>>>”时，受试者开始想象右手运动，想象时间为4s。实验过程中，受试者以尽量舒适的坐姿水平注视电脑屏幕中央区域，并尽量减少眼睛和任何其他肢体的移动。实验全程通过Open-BCI Cyton Borad脑电采集系统采集受试者的脑电数据，电极配置情况如图2(b）所示，信号采样频率为128Hz，所有电极的阻抗控制在20kΩ以下。采集到的信号通过蓝牙发送至笔记本电脑进行分析处理，生成控制命令。
【参考文献】：
期刊论文
[1]运动想象在脑卒中上肢功能康复的应用进展[J]. 高家欢,胡昔权. 中国康复理论与实践. 2017(09)
[2]基于人机信息交互的助行外骨骼机器人技术进展[J]. 明东,蒋晟龙,王忠鹏,綦宏志,万柏坤. 自动化学报. 2017(07)
[3]基于运动想象脑电信号分类的上肢康复外骨骼控制方法研究[J]. 唐智川,孙守迁,张克俊. 机械工程学报. 2017(10)
[4]基于深度卷积神经网络的运动想象分类及其在脑控外骨骼中的应用[J]. 唐智川,张克俊,李超,孙守迁,黄琦,张三元. 计算机学报. 2017(06)
[5]我国空间站工程总体构想[J]. 周建平. 载人航天. 2013(02)
[6]外骨骼机器人控制方法综述[J]. 杨智勇,张静,归丽华,张远山,杨秀霞. 海军航空工程学院学报. 2009(05)
硕士论文
[1]基于左右手运动想象脑电特征提取与识别研究[D]. 郭晓梅.太原理工大学 2018
本文编号：3561627
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/xinxigongchenglunwen/3561627.html
