一種腦電波頭戴裝置及遙控機器人和鍛煉大腦的方法與流程
本發明涉及人工智能機器人技術領域，具體是一種腦電波頭戴裝置及遙控機器人和鍛煉大腦的方法。
背景技術：
腦電波人類在進行思維活動時在大腦產生的生物電信號，主要是由皮層內大量神經元突觸后電位同步總和所形成的，是許多神經元共同活動的結果。我們的大腦無時無刻不在產生腦電波。如表1和圖1所示，這些自發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，并根據腦電波信號各頻段的強度對外部設備進行控制。人的精神活動狀況可以在這四種腦波信號上反應出來。腦電技術的發展使腦電信號可以應用在多種領域，例如生物檢測、醫學康復、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
技術實現要素：
本發明要解決的問題是提供一種腦電波頭戴裝置及遙控機器人和鍛煉大腦的方法，該腦電波頭戴裝置及遙控機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，根據相應腦電波信號的特征值實現對機器人的遠程控制或通過神經反饋來鍛煉人的大腦神經。
為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：
一種腦電波頭戴裝置，包括半圓環形框架，在框架上設置電極傳感器，所述電極傳感器連接有參考電極。腦電波頭戴裝置內部模塊包括dsp運算單元，以及與dsp運算單元相連接的藍牙收發模塊、人機交互單元、腦電波信號放大濾波模塊等。藍牙收發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器人的方法，包括以下步驟：
1)采集腦電波信號；運用安置在頭皮上的電極傳感器，每間隔1-10毫秒測量腦神經元放電在頭皮上產生的電位差，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轉換模塊轉換為數字信號，進行數字低通濾波，去除與腦電波無關的雜波和噪音，然后將數字信號數字加窗得到有限長序列x(n)；進行快速傅立葉變換(fft)，得頻譜x(k)
取頻譜幅度的平方，并除以采樣點數n，得到x(n)的功率譜密度s(k)：
s(k)＝x(k)2/n(2)；
3)根據功率譜密度計算得出相應δ波、θ波、α波和β波在當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，
4)所述腦電波頭戴裝置將人腦活躍度指數發送給機器人主控系統；所述機器人主控系統將當前活躍度指數與機器人已學習的用戶特定腦波狀態活躍度區間進行比較，計算活躍度是否在區間[vmax,vmin]內，當活躍度處于已學習的特定活躍度范圍時，生成相應的控制指令，并對機器人的動作進行控制；如果人腦活躍度不在已學習的特定活躍度范圍，返回步驟1)。
進一步的，所述機器人已學習的用戶特定腦波狀態活躍度的方法包括以下過程：使用者保持特定的精神狀態，采集腦波活躍度n次，讀取并保存此時的大腦活躍度范圍，保存特定狀態活躍度最大值vmax與最小值vmin區間[vmax,vmin]。
一種利用上述腦電波頭戴裝置鍛煉大腦神經的方法，包括以下步驟：
實時讀取大腦活躍度指數，當大腦β波能量較強，且大腦過度活躍時(v值超過設定的閥值)，我們通常處于憤怒、激動、緊張及焦慮的狀態，神經元衰亡數量將持續增多，大腦耗氧加速，人體免疫下降，這種狀態很難控制自己，機器人提示用戶保持冷靜；當θ波、δ波能量較強，且大腦活躍度較低時(v值低于設定的閥值)，通常處于注意力不集中，困倦，疲勞，散漫，瞌睡狀態，機器人可提示用戶保持注意力集中。用戶通過鍛煉大腦神經，學會控制自己的情緒和精神狀態，使自己經常保持優秀健康的α波狀態。
本發明的一種腦電波頭戴裝置及遙控機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，根據各個頻段腦電信號的功率譜密度，得出人腦活躍度指數，并將人腦活躍度指數傳輸給機器人主控系統，機器人主控系統生成控制指令對機器人的動作進行控制。也可通過神經反饋來鍛煉大腦神經，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。本發明的裝置結構簡單，方法簡單易行，為生物檢測、醫學康復、意念游戲、智能家居、智能控制等領域的發展奠定了基礎。
附圖說明
圖1為腦電波各頻段波形示意圖；
圖2為本發明腦電波頭戴裝置結構示意圖；
圖3為本發明腦電波頭戴裝置內部模塊示意圖；
圖4為本發明機器人內部系統模塊示意圖；
圖5為本發明腦電波頭戴裝置工作流程圖；
圖6為本發明機器人執行腦波指令流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明提出的一種腦電波頭戴裝置及遙控機器人和鍛煉大腦的方法。
如圖2所示，一種腦電波頭戴裝置，包括半圓環形框架，在框架上設置電極傳感器，所述電極傳感器連接有參考電極。如圖3和4所示，腦電波頭戴裝置內部模塊包括dsp運算單元，以及與dsp運算單元相連接的藍牙收發模塊、人機交互單元、腦電波信號放大濾波模塊等。藍牙收發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換為數字信號，進行數字低通濾波，去除與腦電波無關的雜波和噪音，然后將數字信號數字加窗得到有限長序列x(n)；進行快速傅立葉變換(fft)，得頻譜x(k)
取頻譜幅度的平方，并除以采樣點數n，得到x(n)的功率譜密度s(k)：
s(k)＝x(k)2/n(2)；
3)根據功率譜密度計算得出相應δ波、θ波、α波和β波在當前腦波中所占的比重，從而得出用戶大腦活躍度；當α波和β波呈主導優勢時，表明人的意識是清醒的，大腦活躍；而當θ波和δ波占主導優勢時，則表明了人的意識模糊甚至輕微睡眠的出現。因此，α波和β波信號反應大腦活躍程度，θ波和δ波反應了大腦的遲鈍程度，這四個波段的能量會隨著大腦活躍度的變化而變化，而當人處于一種特定狀態時，人腦的活躍度指數也相對穩定，頭戴裝置將人腦活躍度指數通過藍牙發送給機器人主控系統。機器人組成模塊如圖4所示，機器人主控系統的工作流程如圖6所示。所述δ波、θ波、α波、β波所對應的能量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，
4)所述腦電波頭戴裝置將人腦活躍度指數發送給機器人主控系統；人腦活躍度范圍可設為0≤v≤100；所述機器人主控系統將當前活躍度指數與機器人已學習的用戶特定腦波狀態活躍度區間進行比較，計算活躍度是否在區間[vmax,vmin]內，當活躍度處于已學習的特定活躍度范圍時，生成相應的控制指令，并對機器人的動作進行控制，如前進，后退，揮手，唱歌，說話，跳舞等；如果人腦活躍度不在已學習的特定活躍度范圍，返回步驟1)。
所述機器人已學習的用戶特定腦波狀態活躍度的方法包括以下過程：使用者保持特定的精神狀態，采集腦波活躍度n次，讀取并保存此時的大腦活躍度范圍，保存特定狀態活躍度最大值vmax與最小值vmin區間[vmax,vmin]。
一種利用上述腦電波頭戴裝置鍛煉大腦神經的方法，包括以下步驟：
實時讀取大腦活躍度指數，當大腦β波能量較強，且大腦過度活躍時(v值超過設定的閥值)，我們通常處于憤怒、激動、緊張及焦慮的狀態，神經元衰亡數量將持續增多，大腦耗氧加速，人體免疫下降，這種狀態很難控制自己，機器人提示用戶保持冷靜；當θ波、δ波能量較強，且大腦活躍度較低時(v值低于設定的閥值)，通常處于注意力不集中，困倦，疲勞，散漫，瞌睡狀態，機器人可提示用戶保持注意力集中。用戶通過鍛煉大腦神經，學會控制自己的情緒和精神狀態，使自己經常保持優秀健康的α波狀態。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
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