本發(fā)明涉及人工智能機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種腦電波頭戴裝置及遙控機(jī)器人和鍛煉大腦的方法。

背景技術(shù)：

腦電波人類在進(jìn)行思維活動時在大腦產(chǎn)生的生物電信號，主要是由皮層內(nèi)大量神經(jīng)元突觸后電位同步總和所形成的，是許多神經(jīng)元共同活動的結(jié)果。我們的大腦無時無刻不在產(chǎn)生腦電波。如表1和圖1所示，這些自發(fā)的生物電信號的頻率變動范圍通常在0.1hz-30hz之間，可劃分為幾個波段，delta(0.5-2.75赫茲)，theta(3.5-6.75赫茲)，low-alpha(7.5-9.25赫茲)，high-alpha(10-11.75赫茲)，low-beta(13-16.75赫茲)，high-beta(18-29.75赫茲)，low-gamma(31-39.75赫茲)，mid-gamma(41-49.75赫茲)。因此，可通過放置在頭部的傳感器來測量腦電波信號，并根據(jù)腦電波信號各頻段的強(qiáng)度對外部設(shè)備進(jìn)行控制。人的精神活動狀況可以在這四種腦波信號上反應(yīng)出來。腦電技術(shù)的發(fā)展使腦電信號可以應(yīng)用在多種領(lǐng)域，例如生物檢測、醫(yī)學(xué)康復(fù)、意念游戲、智能家居、智能控制等。

表1腦電波各頻段所代表的精神狀況

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題是提供一種腦電波頭戴裝置及遙控機(jī)器人和鍛煉大腦的方法，該腦電波頭戴裝置及遙控機(jī)器人和鍛煉大腦的方法，可以通過腦電波頭戴裝置采集人的腦電波信號，根據(jù)相應(yīng)腦電波信號的特征值實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制或通過神經(jīng)反饋來鍛煉人的大腦神經(jīng)。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種腦電波頭戴裝置，包括半圓環(huán)形框架，在框架上設(shè)置電極傳感器，所述電極傳感器連接有參考電極。腦電波頭戴裝置內(nèi)部模塊包括dsp運(yùn)算單元，以及與dsp運(yùn)算單元相連接的藍(lán)牙收發(fā)模塊、人機(jī)交互單元、腦電波信號放大濾波模塊等。藍(lán)牙收發(fā)模塊可用其他通訊模塊代替。佩戴時，電極傳感器貼緊人的前額正中，另一個參考電極夾在人的耳垂上。

一種利用上述腦電波頭戴裝置遙控機(jī)器人的方法，包括以下步驟：

1)采集腦電波信號；運(yùn)用安置在頭皮上的電極傳感器，每間隔1-10毫秒測量腦神經(jīng)元放電在頭皮上產(chǎn)生的電位差，從而獲得用來獲取腦電波信號；

2)將接收到的腦電波信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)行數(shù)字低通濾波，去除與腦電波無關(guān)的雜波和噪音，然后將數(shù)字信號數(shù)字加窗得到有限長序列x(n)；進(jìn)行快速傅立葉變換(fft)，得頻譜x(k)

取頻譜幅度的平方，并除以采樣點(diǎn)數(shù)n，得到x(n)的功率譜密度s(k)：

s(k)＝x(k)²/n(2)；

3)根據(jù)功率譜密度計算得出相應(yīng)δ波、θ波、α波和β波在當(dāng)前腦波中所占的比重，從而得出用戶大腦活躍度；所述δ波、θ波、α波、β波所對應(yīng)的能量eδ、eθ、eα、eβ如下式所示：

eδ＝∑s(k),0.1hz≤f(k)≤3hz(3)

eθ＝∑s(k),4hz≤f(k)≤7hz(4)

eα＝∑s(k),8hz≤f(k)≤15hz(5)

eβ＝∑s(k),16hz≤f(k)≤30hz(6)

其中，大腦活躍度v通過α波、β波的能量和與θ波、δ波的能量和的比值來計算：

4)所述腦電波頭戴裝置將人腦活躍度指數(shù)發(fā)送給機(jī)器人主控系統(tǒng)；所述機(jī)器人主控系統(tǒng)將當(dāng)前活躍度指數(shù)與機(jī)器人已學(xué)習(xí)的用戶特定腦波狀態(tài)活躍度區(qū)間進(jìn)行比較，計算活躍度是否在區(qū)間[vmax,vmin]內(nèi)，當(dāng)活躍度處于已學(xué)習(xí)的特定活躍度范圍時，生成相應(yīng)的控制指令，并對機(jī)器人的動作進(jìn)行控制；如果人腦活躍度不在已學(xué)習(xí)的特定活躍度范圍，返回步驟1)。

進(jìn)一步的，所述機(jī)器人已學(xué)習(xí)的用戶特定腦波狀態(tài)活躍度的方法包括以下過程：使用者保持特定的精神狀態(tài)，采集腦波活躍度n次，讀取并保存此時的大腦活躍度范圍，保存特定狀態(tài)活躍度最大值vmax與最小值vmin區(qū)間[vmax,vmin]。

一種利用上述腦電波頭戴裝置鍛煉大腦神經(jīng)的方法，包括以下步驟：

實(shí)時讀取大腦活躍度指數(shù)，當(dāng)大腦β波能量較強(qiáng)，且大腦過度活躍時(v值超過設(shè)定的閥值)，我們通常處于憤怒、激動、緊張及焦慮的狀態(tài)，神經(jīng)元衰亡數(shù)量將持續(xù)增多，大腦耗氧加速，人體免疫下降，這種狀態(tài)很難控制自己，機(jī)器人提示用戶保持冷靜；當(dāng)θ波、δ波能量較強(qiáng)，且大腦活躍度較低時(v值低于設(shè)定的閥值)，通常處于注意力不集中，困倦，疲勞，散漫，瞌睡狀態(tài)，機(jī)器人可提示用戶保持注意力集中。用戶通過鍛煉大腦神經(jīng)，學(xué)會控制自己的情緒和精神狀態(tài)，使自己經(jīng)常保持優(yōu)秀健康的α波狀態(tài)。

本發(fā)明的一種腦電波頭戴裝置及遙控機(jī)器人和鍛煉大腦的方法，通過腦電波頭戴裝置上的電極傳感器采集腦電信號，放大濾波并去除腦波信號中的眼電、肌電及工頻等額外干擾，再經(jīng)過快速傅里葉變換后計算出腦波中多種功率譜密度，并提取特征值，根據(jù)各個頻段腦電信號的功率譜密度，得出人腦活躍度指數(shù)，并將人腦活躍度指數(shù)傳輸給機(jī)器人主控系統(tǒng)，機(jī)器人主控系統(tǒng)生成控制指令對機(jī)器人的動作進(jìn)行控制。也可通過神經(jīng)反饋來鍛煉大腦神經(jīng)，緩解甚至完全解決焦慮，壓抑，緊張及注意力不集中等生理問題。本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，方法簡單易行，為生物檢測、醫(yī)學(xué)康復(fù)、意念游戲、智能家居、智能控制等領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為腦電波各頻段波形示意圖；

圖2為本發(fā)明腦電波頭戴裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明腦電波頭戴裝置內(nèi)部模塊示意圖；

圖4為本發(fā)明機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)模塊示意圖；

圖5為本發(fā)明腦電波頭戴裝置工作流程圖；

圖6為本發(fā)明機(jī)器人執(zhí)行腦波指令流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明提出的一種腦電波頭戴裝置及遙控機(jī)器人和鍛煉大腦的方法。

如圖2所示，一種腦電波頭戴裝置，包括半圓環(huán)形框架，在框架上設(shè)置電極傳感器，所述電極傳感器連接有參考電極。如圖3和4所示，腦電波頭戴裝置內(nèi)部模塊包括dsp運(yùn)算單元，以及與dsp運(yùn)算單元相連接的藍(lán)牙收發(fā)模塊、人機(jī)交互單元、腦電波信號放大濾波模塊等。藍(lán)牙收發(fā)模塊可用其他通訊模塊代替。佩戴時，電極傳感器貼緊人的前額正中，另一個參考電極夾在人的耳垂上。

如圖5和6所示，一種利用上述腦電波頭戴裝置遙控機(jī)器人的方法，包括以下步驟：

1)采集腦電波信號；

2)將接收到的腦電波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)行數(shù)字低通濾波，去除與腦電波無關(guān)的雜波和噪音，然后將數(shù)字信號數(shù)字加窗得到有限長序列x(n)；進(jìn)行快速傅立葉變換(fft)，得頻譜x(k)

取頻譜幅度的平方，并除以采樣點(diǎn)數(shù)n，得到x(n)的功率譜密度s(k)：

s(k)＝x(k)²/n(2)；

3)根據(jù)功率譜密度計算得出相應(yīng)δ波、θ波、α波和β波在當(dāng)前腦波中所占的比重，從而得出用戶大腦活躍度；當(dāng)α波和β波呈主導(dǎo)優(yōu)勢時，表明人的意識是清醒的，大腦活躍；而當(dāng)θ波和δ波占主導(dǎo)優(yōu)勢時，則表明了人的意識模糊甚至輕微睡眠的出現(xiàn)。因此，α波和β波信號反應(yīng)大腦活躍程度，θ波和δ波反應(yīng)了大腦的遲鈍程度，這四個波段的能量會隨著大腦活躍度的變化而變化，而當(dāng)人處于一種特定狀態(tài)時，人腦的活躍度指數(shù)也相對穩(wěn)定，頭戴裝置將人腦活躍度指數(shù)通過藍(lán)牙發(fā)送給機(jī)器人主控系統(tǒng)。機(jī)器人組成模塊如圖4所示，機(jī)器人主控系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。所述δ波、θ波、α波、β波所對應(yīng)的能量eδ、eθ、eα、eβ如下式所示：

eδ＝∑s(k),0.1hz≤f(k)≤3hz(3)

eθ＝∑s(k),4hz≤f(k)≤7hz(4)

eα＝∑s(k),8hz≤f(k)≤15hz(5)

eβ＝∑s(k),16hz≤f(k)≤30hz(6)

其中，大腦活躍度v通過α波、β波的能量和與θ波、δ波的能量和的比值來計算：

4)所述腦電波頭戴裝置將人腦活躍度指數(shù)發(fā)送給機(jī)器人主控系統(tǒng)；人腦活躍度范圍可設(shè)為0≤v≤100；所述機(jī)器人主控系統(tǒng)將當(dāng)前活躍度指數(shù)與機(jī)器人已學(xué)習(xí)的用戶特定腦波狀態(tài)活躍度區(qū)間進(jìn)行比較，計算活躍度是否在區(qū)間[vmax,vmin]內(nèi)，當(dāng)活躍度處于已學(xué)習(xí)的特定活躍度范圍時，生成相應(yīng)的控制指令，并對機(jī)器人的動作進(jìn)行控制，如前進(jìn)，后退，揮手，唱歌，說話，跳舞等；如果人腦活躍度不在已學(xué)習(xí)的特定活躍度范圍，返回步驟1)。

所述機(jī)器人已學(xué)習(xí)的用戶特定腦波狀態(tài)活躍度的方法包括以下過程：使用者保持特定的精神狀態(tài)，采集腦波活躍度n次，讀取并保存此時的大腦活躍度范圍，保存特定狀態(tài)活躍度最大值vmax與最小值vmin區(qū)間[vmax,vmin]。

一種利用上述腦電波頭戴裝置鍛煉大腦神經(jīng)的方法，包括以下步驟：

實(shí)時讀取大腦活躍度指數(shù)，當(dāng)大腦β波能量較強(qiáng)，且大腦過度活躍時(v值超過設(shè)定的閥值)，我們通常處于憤怒、激動、緊張及焦慮的狀態(tài)，神經(jīng)元衰亡數(shù)量將持續(xù)增多，大腦耗氧加速，人體免疫下降，這種狀態(tài)很難控制自己，機(jī)器人提示用戶保持冷靜；當(dāng)θ波、δ波能量較強(qiáng)，且大腦活躍度較低時(v值低于設(shè)定的閥值)，通常處于注意力不集中，困倦，疲勞，散漫，瞌睡狀態(tài)，機(jī)器人可提示用戶保持注意力集中。用戶通過鍛煉大腦神經(jīng)，學(xué)會控制自己的情緒和精神狀態(tài)，使自己經(jīng)常保持優(yōu)秀健康的α波狀態(tài)。

以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。