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一種可實現腦電檢測的健康服務機器人.pdf

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一種 實現 檢測 健康 服務 機器人
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摘要
申請專利號:

CN201510523162.8

申請日:

20150824

公開號:

CN105078450B

公開日:

20180227

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A61B5/0476 主分類號: A61B5/0476
申請人: 華南理工大學,廣州綠松生物科技有限公司
發明人: 吳凱,薛俊偉,崔海龍
地址: 510640 廣東省廣州市天河區五山路381號
優先權:
專利代理機構: 廣州市華學知識產權代理有限公司 代理人: 裘暉
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510523162.8

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法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明公開了一種可實現腦電檢測的健康服務機器人,包括機器人本體、主控制單元、運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元、電源供電單元以及醫療檢測單元;所述醫療檢測單元包括獨立于機器人本體的腦電檢測裝置;所述主控制單元通過總線通信協議和串口通信協議分別與運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元相連;所述電源供電單元用于為主控制單元、運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元和環境感知傳感器單元供電。本發明的健康服務機器人與腦電檢測裝置相結合,結合機器人移動技術和醫療檢測技術,能夠很大程度提高腦電檢測裝置的移動便攜性能。

權利要求書

1.一種可實現腦電檢測的健康服務機器人,包括機器人本體,其特征在于:還包括主控制單元、運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元、電源供電單元以及醫療檢測單元;所述機器人本體的底層操作系統采用開源機器人操作系統,其包括硬件抽象描述、底層驅動程序管理、共用功能的執行、程序間的消息傳遞、程序發行包管理、分布式的進程框架以及支持代碼庫的系統聯合;開源機器人操作系統搭載在Linux內核的ubuntu系統下,通過串口與主控制單元進行通信,進而控制運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元的工作方式;所述主控制單元、運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元和環境感知傳感器單元設置在機器人本體上;所述醫療檢測單元包括獨立于機器人本體的腦電檢測裝置;所述主控制單元通過總線通信協議和串口通信協議分別與運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元相連;所述電源供電單元用于為主控制單元、運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元和環境感知傳感器單元供電;人機交互單元包括觸控顯示模塊和語音交互模塊,所述觸控顯示模塊用于視頻交互以及運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元的狀態顯示,還通過無線信號與外部移動終端相連,還與腦電檢測裝置進行連接,在觸控顯示模塊中分析和處理計算復雜度較高的腦電數據;所述語音交互模塊包括語音識別單元、語音合成單元、語音提示單元,所述語音識別單元用于識別來自用戶的語音指令;所述語音合成單元用于對識別的語音數據進行處理,合成機器碼,發送給主控制單元進行決策;所述語音提示單元可以采用語音提示器,用于接收主控制單元發送過來的控制指令,對用戶進行語音提示,實現用戶與機器人之間的交互功能;所述觸控顯示模塊提供了可視化界面,通過觸控顯示模塊的攝像頭功能為用戶與醫療工作者建立遠程醫療的交互界面,同時提供拍照、攝像、錄影和影音播放娛樂服務,并與外部移動終端能夠保持云端同步以及個性化功能自定義,并能提供短信、郵件的收發功能;所述語音提示單元可以提醒用戶吃藥、進行生理信息的播報,以及進行數據分析后的建議提示的語音播報,同時能夠為用戶提供MP3娛樂功能,所述語音識別單元可以識別用戶語音,通過語音處理技術控制相關功能單元提供服務功能。2.根據權利要求1所述的一種可實現腦電檢測的健康服務機器人,其特征在于:所述主控制單元包括中央處理器、通用外圍設備接口模塊、存儲器模塊、通信接口模塊;所述中央處理器通過通用外圍設備接口模塊或通信接口模塊接收來自運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元的數據信息,對數據進行整合處理,然后進行判斷決策并將數據存儲在存儲器模塊中,所述中央處理器通過通信接口模塊進行指令的收發,進而控制運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元的工作方式。3.根據權利要求1所述的一種可實現腦電檢測的健康服務機器人,其特征在于:所述運動控制單元包括電機驅動模塊、光耦隔離模塊、電機組和測速編碼器;所述電機驅動模塊用于接收主控制單元發送的PWM控制信號,驅動電機組轉動,且所述電機驅動模塊與主控制單元之間通過光耦隔離模塊隔離;所述測速編碼器與電機組相連,用于實時反饋電機組的位置信息和轉速信息,實現電機組位置和轉速的閉環控制;所述電機組用于控制機器人本體的頭部轉動、腰部轉動、機械臂動作以及底盤運動。4.根據權利要求1所述的一種可實現腦電檢測的健康服務機器人,其特征在于:所述雙目視覺捕捉單元選用微軟公司的Kinect體感傳感器,用于實現機器人本體的導航與定位功能,以及最優路徑的規劃。5.根據權利要求1所述的一種可實現腦電檢測的健康服務機器人,其特征在于:所述環境感知傳感器單元包括光電開關、陀螺儀傳感器、觸碰傳感器、紅外傳感器和超聲波傳感器;所述光電開關、觸碰傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器協同工作,進行障礙物的識別與躲避;所述陀螺儀傳感器對機器人本體進行姿態解讀;所述環境感知傳感器單元采用多傳感器信息融合技術對感知回來的數據進行處理,通過主控制單元進行反饋控制。6.根據權利要求1所述的一種可實現腦電檢測的健康服務機器人,其特征在于:所述電源供電單元包括充電底座、蓄電池充電接口、蓄電池、電壓變換模塊;所述蓄電池充電接口、蓄電池和電壓變換模塊集成到機器人本體內,所述充電底座固定在室內;在機器人本體工作時,所述電壓變換模塊將蓄電池提供的電壓轉換成主控制單元、運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元和環境感知傳感器單元所需要的電壓,當蓄電池電量低于設定的閾值時,機器人本體通過環境感知傳感器單元自動回到充電底座處進行充電。7.根據權利要求1所述的一種可實現腦電檢測的健康服務機器人,其特征在于:所述腦電檢測裝置包括帽子、腦電傳感器、集成模擬前端、混合信號微控制器、藍牙模塊、輸入模塊、指示燈模塊以及電源模塊;所述腦電傳感器置于帽子內側,與用戶的額頭接觸,并與集成模擬前端相連;所述集成模擬前端通過SPI與混合信號微控制器相連;所述藍牙模塊通過UART與混合信號微控制器相連,該藍牙模塊用于與外部設備連接;所述電源模塊用于為腦電傳感器、集成模擬前端、混合信號微控制器、藍牙模塊和指示燈模塊供電;所述輸入模塊和指示燈模塊分別與混合信號微控制器相連,所述輸入模塊為腦電檢測裝置的開關,所述指示燈模塊用于顯示腦電檢測裝置與主控制單元的連接狀態,以及腦電檢測裝置的腦電檢測功能狀態;所述藍牙模塊包括主控制模塊、射頻核心模塊、通用外圍設備接口模塊和傳感器接口模塊;所述主控制模塊用于接收、存儲混合信號微控制器傳來的信號,并在信號需要向外傳輸時,將信號傳入射頻核心模塊,該主控制模塊包括導線相連的主控制器、JTAG、ROM、閃存和SRAM;所述射頻核心模塊用于在信號需要向外傳輸時,接收主控制模塊傳入的信號,并將信號由天線向外傳輸,該射頻核心模塊包括導線相連的協控制器、數字鎖相環、DSP調制解調器、SRAM、ROM和放大器,所述放大器與天線相接;所述通用外圍設備接口模塊包括導線相連的IC、UART和SPI;所述傳感器接口模塊包括導線相連的傳感器控制器、ADC和比較器;所述主控制模塊分別通過導線與射頻核心模塊、通用外圍設備接口模塊和傳感器接口模塊相連。8.根據權利要求7所述的一種可實現腦電檢測的健康服務機器人,其特征在于:所述集成模擬前端用于對腦電傳感器采集到的腦電信號進行濾波、自動增益、AD轉換;所述混合信號微控制器用于對集成模擬前端預處理后的信號采用LMS自適應算法消除工頻干擾,采用閾值過濾、重構信號的方法消除眼電偽跡,采用模極大值法消除肌電偽跡,采用小波消噪算法消除噪聲,采用正交小波變換算法消除腦電脈沖干擾,并進一步采用運動補償算法去除運動過程中產生的運動偽差。

說明書

技術領域

本發明涉及一種服務機器人,尤其是一種可實現腦電檢測的健康服務機器人,屬于服務機器人和生命體征參數檢測技術領域。

背景技術

隨著人們生活水平的提高,人們的健康意識日益增強,隨時隨地無負荷檢測生理參數的需求隨之出現,近幾年,發展迅速的服務機器人正是滿足這種需求的理想載體,利用機器人終端采集用戶的腦電信息是移動醫療和遠程醫療的未來發展方向,隨著將腦電檢測功能移植到服務機器人上,并且深度整合成熟的可穿戴醫療產品,一方面可以實時監測癲癇、精神性疾病,對腦外疾病如代謝和內分泌紊亂及中毒等所引起的中樞神經系統變化進行監測,方便使用者進行自我健康狀況評估,及時獲得發病信息,從而及早采取救治措施,減輕痛苦,降低健康危害,甚至是生命危險,同時,可以進行睡眠監護,通過連續的腦電信號采集,能夠幫助使用者分析自己的睡眠狀態,從而為睡眠障礙疾病和睡眠呼吸暫停綜合癥的預防和診治提供依據。另一方面,能夠客觀地監測生理與心理疲勞,更直接地反映大腦本身的活動,形成警覺度客觀的判別模型,實現疾病和危險因素的預警。

目前市場上還未出現將腦電檢測與服務機器人結合的新型醫療產品。當前市場上已經出現了一系列可穿戴式腦電檢測裝置,但大部分都采取由多電極形成的多個通道組成的腦電采集系統,并通過設備轉接線連接到腦電圖儀進行顯示,這種連接的局限性使得腦電電極放置難以獨立完成,同時會很大程度地限制腦電的實時監測和穩定性,從而影響到監測結果的準確性和實時性。結合可穿戴技術的可實現腦電檢測的健康服務機器人,可以為行動不便的老人和孩子進行隨時隨地的健康檢測,并通過語音的交互、結果的語音播報進一步簡化操作。

目前,腦電檢測功能常見于各種監護儀或者監測儀中,為監護、健康評價提供了一種客觀的生命體征參數,然而,這些市場上常見的腦電檢測裝置大多采用多導聯腦電檢測方法,不僅體積大、操作不便、舒適度差,更會造成檢測時的緊張感,給檢測者帶來心理壓力和生理負荷,從而導致結果失真,且這些檢測設備大多集中在大型醫院里面,不利于遠程醫療系統的構建和移動醫療的便捷指標,難以在家庭中推廣,也難以實現用戶與醫生進行遠程互動。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述現有技術的缺陷,提供了一種可實現腦電檢測的健康服務機器人,該健康服務機器人可以實現腦電檢測,具有良好的人機交互、便于移動、使用方便、使用時間長的優點。

本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到:

一種可實現腦電檢測的健康服務機器人,包括機器人本體、主控制單元、運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元、電源供電單元以及醫療檢測單元;

所述主控制單元、運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和電源供電單元設置在機器人本體上;所述醫療檢測單元包括獨立于機器人本體的腦電檢測裝置;

所述主控制單元通過總線通信協議和串口通信協議分別與運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元相連;

所述電源供電單元用于為主控制單元、運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元和環境感知傳感器單元供電。

優選的,所述主控制單元包括中央處理器、通用外圍設備接口模塊、存儲器模塊、通信接口模塊;所述中央處理器通過通用外圍設備接口模塊或通信接口模塊接收來自運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元的數據信息,對數據進行整合處理,然后進行判斷決策并將數據存儲在存儲器模塊中,所述中央處理器通過通信接口模塊進行指令的收發,進而控制運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元的工作方式。

優選的,所述運動控制單元包括電機驅動模塊、光耦隔離模塊、電機組和測速編碼器;所述電機驅動模塊用于接收主控制單元發送的PWM控制信號,驅動電機組轉動,且所述電機驅動模塊與主控制單元之間通過光耦隔離模塊隔離;所述測速編碼器與電機組相連,用于實時反饋電機組的位置信息和轉速信息,實現電機組位置和轉速的閉環控制;所述電機組用于控制機器人本體的頭部轉動、腰部轉動、機械臂動作以及底盤運動。

優選的,所述雙目視覺捕捉單元選用微軟公司的Kinect體感傳感器,用于實現機器人的導航與定位功能,以及最優路徑的規劃。

優選的,所述人機交互單元包括觸控顯示模塊和語音交互模塊,所述觸控顯示模塊用于視頻交互以及運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元的狀態顯示,還通過無線信號與外部移動終端相連;所述語音交互模塊包括語音識別單元、語音合成單元、語音提示單元,所述語音識別單元用于識別來自用戶的語音指令;所述語音合成單元用于對識別的語音數據進行處理,合成機器碼,發送給主控制單元進行決策;所述語音提示單元用于接收主控制單元發送過來的控制指令,對用戶進行語音提示,實現用戶與機器人之間的交互功能。

優選的,所述環境感知傳感器單元包括光電開關、陀螺儀傳感器、觸碰傳感器、紅外傳感器和超聲波傳感器;所述光電開關、觸碰傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器協同工作,進行障礙物的識別與躲避;所述陀螺儀傳感器對機器人本體進行姿態解讀;所述環境感知傳感器單元采用多傳感器信息融合技術對感知回來的數據進行處理,通過主控制單元進行反饋控制。

優選的,所述電源供電單元包括充電底座、蓄電池充電接口、蓄電池、電壓變換模塊;所述蓄電池充電接口、蓄電池和電壓變換模塊集成到機器人本體內,所述充電底座固定在室內;在機器人工作時,所述電壓變換模塊將蓄電池提供的電壓轉換成主控制單元、運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元和環境感知傳感器單元所需要的電壓,當蓄電池電量低于設定的閾值時,機器人通過環境感知傳感器單元自動回到充電底座處進行充電。

優選的,所述腦電檢測裝置包括帽子、腦電傳感器、集成模擬前端、混合信號微控制器、藍牙模塊、輸入模塊、指示燈模塊以及電源模塊;所述腦電傳感器置于帽子內側,與用戶的額頭接觸,并與集成模擬前端相連;所述集成模擬前端通過SPI與混合信號微控制器相連;所述藍牙模塊通過UART與混合信號微控制器相連,該藍牙模塊用于與外部設備連接;所述電源模塊用于為腦電傳感器、集成模擬前端、混合信號微控制器、藍牙模塊和指示燈模塊供電;所述輸入模塊和指示燈模塊分別與混合信號微控制器相連,所述輸入模塊為腦電檢測裝置的開關,所述指示燈模塊用于顯示腦電檢測裝置與主控制單元的連接狀態,以及腦電檢測裝置的腦電檢測功能狀態;

所述藍牙模塊包括主控制模塊、射頻核心模塊、通用外圍設備接口模塊和傳感器接口模塊;所述主控制模塊用于接收、存儲混合信號微控制器傳來的信號,并在信號需要向外傳輸時,將信號傳入射頻核心模塊,該主控制模塊包括導線相連的主控制器、JTAG、ROM、閃存和SRAM;所述射頻核心模塊用于在信號需要向外傳輸時,接收主控制模塊傳入的信號,并將信號由天線向外傳輸,該射頻核心模塊包括導線相連的協控制器、數字鎖相環、DSP調制解調器、SRAM、ROM和放大器,所述放大器與天線相接;所述通用外圍設備接口模塊包括導線相連的I2C、UART和SPI;所述傳感器接口模塊包括導線相連的傳感器控制器、ADC和比較器;所述主控制模塊分別通過導線與射頻核心模塊、通用外圍設備接口模塊和傳感器接口模塊相連。

優選的,所述集成模擬前端用于對腦電傳感器采集到的腦電信號進行濾波、自動增益、AD轉換;所述混合信號微控制器用于對集成模擬前端處理后的信號采用LMS自適應算法消除工頻干擾,采用閾值過濾、重構信號的方法消除眼電偽跡,采用模極大值法消除肌電偽跡,采用小波消噪算法消除噪聲,采用正交小波變換算法消除腦電脈沖干擾,并進一步采用運動補償算法去除運動過程中產生的運動偽差。

優選的,所述機器人本體的操作系統采用開源機器人操作系統,其搭載在Linux內核的ubuntu系統下,通過串口與主控制單元進行通信,進而控制運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元的工作方式。

本發明相對于現有技術具有如下的有益效果:

1、本發明的健康服務機器人與腦電檢測裝置相結合,結合機器人移動技術和醫療檢測技術,能夠很大程度提高腦電檢測裝置的移動便攜性能,方便了用戶隨時隨地進行醫療檢測,為用戶帶來更好的醫療體驗。

2、本發明的雙目視覺捕捉單元采用微軟公司的Kinect體感傳感器,克服了傳統環境建模與分析方面的局限性,Kinect體感傳感器通過三攝像頭能夠有效的建立3D立體環境,從而提高主控制單元的決策判斷能力。

3、本發明的電源供電單元采用固定充電底座與蓄電池充電接口的方式,當蓄電池電量過低的時候能夠通過環境感知傳感器單元自動識別路線,回到充電底座處進行充電,這種自動充電方式省去了用戶花費在機器人充電環節上的時間和精力。

4、本發明的健康服務機器人的操作系統采用搭載Linux內核的ubuntu操作系統,開源機器人操作系統ROS運行于ubuntu系統上,運用ROS自帶的庫與工具包集,能夠簡化計算機視覺算法、以及導航定位和路徑規劃算法,可以有效提高開發效率,減短系統的開發周期。

5、本發明的電源模塊分別是:機器人本體采用大容量蓄電池供電,腦電檢測裝置采用低容量鋰電池供電,保證了相對獨立的、持久的供電性能,與現有技術相比,當機器人工作時,電壓變換模塊將蓄電池提供的電壓轉換成各個功能單元所需要的電壓,當蓄電池電量過低時,機器人本體通過環境感知傳感器單元能夠自動回到固定充電底座處進行充電;可穿戴腦電檢測裝置利用鋰電池供電,低功耗的模塊,使得其保證了較長時間的穩定工作。

6、本發明的腦電檢測裝置基于健康服務機器人和可穿戴裝置,克服了傳統腦電檢測裝置由多電極形成的多通道連接采集腦電而帶來的使用局限性,并且通過移動機器人可以實現隨時隨地的腦電檢測,移動便捷,結果準確,功耗極低。

7、本發明的腦電檢測裝置包括腦電傳感器,腦電傳感器置于帽子內側,與用戶的額頭接觸,可通過屏蔽電纜和音頻接口連接器與可穿戴裝置相連,與現有技術相比,突破了多電極形成的多通道連接采集腦電的束縛,使用方便,體積小巧,便于實時監測。

8、本發明的腦電檢測裝置中的藍牙模塊,采用超低功耗藍牙模塊BLE,配有自主的超低功耗傳感器控制器,可以自主感知可穿戴腦電檢測裝置的工作狀態,能夠自動識別傳感器工作狀態,從而自動進入睡眠狀態減小功耗,而且喚醒時間短,待機時間長,能夠很好的滿足工作要求。

9、本發明的腦電檢測裝置采用藍牙模塊可以將檢測結果發送到醫療檢測單元的處理器,進而減小主控制單元的運算負擔,實現本發明與其他來自全球制造商不同設備之間的信息交互,進一步計算得到健康參數,更可以通過外部移動終端為遠程醫療監護和遠程醫療診斷提供有力支持,通過藍牙技術和機器人移動技術可以大大減小醫療設備的體積和移動性能,從而給使用者帶來更好的、更準確的、更實用的醫療體驗。

10、本發明的腦電檢測裝置采用集成模擬前端,使得信號處理效率更高,穩定性明顯增強,克服了以往檢測裝置中測試裝置復雜,需要使用大量電子元件,不易于實現便攜化的缺點,此外,現有技術中腦電采集器采集到腦電信號后以模擬電壓信號的方式向下一級傳輸,直到A/D轉換處才實現數字化,這個過程中信號極易受到外界的干擾而引入噪聲,通過采用集成模擬前端,克服了這個缺陷,極大提高了測量結果的準確性。

附圖說明

圖1為本發明的健康服務機器人的組成結構框圖。

圖2為本發明的運動控制單元的功能原理圖。

圖3為本發明的人機交互單元與腦電檢測裝置、外部移動終端的關系示意圖。

圖4為本發明的腦電檢測裝置的組成結構框圖。

圖5為本發明的腦電檢測裝置中藍牙模塊的組成結構框圖。

圖6為本實施例的健康服務機器人啟動工作流程圖。

圖7為本實施例的腦電檢測裝置中混合信號微控制器工作流程圖。

具體實施方式

實施例1:

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述,但本發明的實施方式不限于此。

如圖1所示,本實施例的健康服務機器人包括機器人本體、主控制單元、運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元、電源供電單元以及醫療檢測單元,所述主控制單元、運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和電源供電單元設置在機器人本體上;所述醫療檢測單元包括獨立于機器人本體的腦電檢測裝置;所述主控制單元通過總線通信協議和串口通信協議分別與運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元相連;其中,運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元為頂層的功能單元。

所述機器人本體的底層操作系統(軟件處理平臺)采用開源機器人操作系統(Robot Operating System,ROS),其包括硬件抽象描述、底層驅動程序管理、共用功能的執行、程序間的消息傳遞、程序發行包管理、分布式的進程框架以及支持代碼庫的系統聯合;開源機器人操作系統搭載在Linux內核的ubuntu(烏班圖)系統下,通過串口與主控制單元進行通信,進而控制運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元的工作方式。

所述主控制單元包括中央處理器(CPU)、通用外圍設備接口模塊、存儲器模塊、通信接口模塊;所述中央處理器通過通用外圍設備接口模塊或通信接口模塊接收來自運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元的數據信息,對數據進行整合處理,所述數據整合處理包括濾波算法、神經網絡算法、模糊控制算法,然后進行判斷決策并將數據存儲在存儲器模塊中,所述中央處理器通過通信接口模塊進行指令的收發,進而控制運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元的工作方式;所述通信接口模塊包括I2C(Inter-Integrated Circuit)、CAN(Controller Area Network,控制器局域網絡)總線和UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通用異步收發傳輸器)和SPI(Serial Peripheral Interface,串行外設接口)串口通信模塊,以滿足不同功能單元之間的通信接口要求;所述中央處理器能夠與操作系統進行通信,完成運動控制、導航與定位、人機交互、數據通信的功能要求。

如圖2所示,所述運動控制單元包括電機驅動模塊、光耦隔離模塊、電機組和測速編碼器;所述電機驅動模塊用于接收主控制單元發送的PWM(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調制)控制信號,驅動電機組轉動,且所述電機驅動模塊與主控制單元之間通過光耦隔離模塊隔離,保護主控制單元不受電機電壓波動的影響;所述測速編碼器與電機組相連,用于實時反饋電機組的位置信息和轉速信息,實現電機組位置和轉速的閉環控制;所述電機組可以由伺服電機、直流電機、步進電機、大力矩舵機組成,用于控制機器人本體的頭部轉動、腰部轉動、機械臂動作以及底盤運動。

所述雙目視覺捕捉單元選用微軟公司的Kinect體感傳感器,該Kinect體感傳感器用于通過三攝像頭建立3D立體環境,并通過圖像識別與處理,實現機器人的導航與定位功能,以及最優路徑的規劃,從而提高主控制單元的決策判斷能力。

如圖3所示,所述人機交互單元包括觸控顯示模塊1和語音交互模塊2,所述觸控顯示模塊1為平板電腦,該平板電腦置于機器人本體3的胸前,用于視頻交互以及運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、環境感知傳感器單元和醫療檢測單元的狀態顯示,它為用戶提供了個性化的選擇服務,用戶通過觸控顯示模塊1與機器人進行交互,并將交互結果反饋給觸控顯示模塊1,觸控顯示模塊1還通過無線信號(數據通道可以選擇蜂窩網絡/無線局域網/藍牙)與外部移動終端4相連,還可以與腦電檢測裝置5的藍牙模塊進行連接,在觸控顯示模塊1中可以分析和處理計算復雜度較高的腦電數據;所述語音交互模塊2包括語音識別單元、語音合成單元、語音提示單元,所述語音識別單元用于識別來自用戶的語音指令;所述語音合成單元用于對識別的語音數據進行處理,合成機器碼(能被頂層各功能單元識別),發送給主控制單元進行決策;所述語音提示單元可以采用語音提示器,用于接收主控制單元發送過來的控制指令,對用戶進行語音提示,實現用戶與機器人之間的交互功能;

所述觸控顯示模塊1提供了可視化界面,便于用戶進行交互界面控制,通過觸控顯示模塊1的攝像頭功能為用戶與醫療工作者建立遠程醫療的交互界面,同時提供拍照、攝像、錄影和影音播放娛樂服務,并與外部移動終端4能夠保持云端同步以及個性化功能自定義,并能提供短信、郵件的收發功能,便于為用戶提供良好的交互體驗;所述語音提示單元可以提醒用戶吃藥、進行生理信息的播報,以及進行數據分析后的建議提示的語音播報,同時能夠為用戶提供MP3娛樂功能,所述語音識別單元可以識別用戶語音,通過語音處理技術控制相關功能單元提供服務功能。

所述環境感知傳感器單元包括光電開關、陀螺儀傳感器、觸碰傳感器、紅外傳感器和超聲波傳感器;所述光電開關、觸碰傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器協同工作,進行障礙物的識別與躲避;所述陀螺儀傳感器對機器人本體進行姿態解讀;所述環境感知傳感器單元采用多傳感器信息融合技術對感知回來的數據進行處理,通過主控制單元進行反饋控制。

所述電源供電單元用于為主控制單元、運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元和環境感知傳感器單元供電,其包括充電底座、蓄電池充電接口、蓄電池、電壓變換模塊;所述蓄電池充電接口、蓄電池和電壓變換模塊集成到機器人本體內,所述充電底座固定在室內;在機器人工作時,所述電壓變換模塊將蓄電池提供的電壓轉換成主控制單元、運動控制單元、雙目視覺捕捉單元、人機交互單元和環境感知傳感器單元所需要的電壓,當蓄電池電量低于設定的閾值時,即蓄電池電量過低時,機器人通過環境感知傳感器單元自動回到充電底座處進行充電。

如圖4所示,所述腦電檢測裝置為低功耗、高精度,采用單導聯檢測的可穿戴式裝置,其包括帽子(圖中未示出)、腦電傳感器、集成模擬前端、混合信號微控制器、藍牙模塊、輸入模塊(即按鍵)、指示燈模塊以及電源模塊;所述腦電傳感器置于帽子內側,與用戶的額頭接觸,并與集成模擬前端相連;所述集成模擬前端通過SPI與混合信號微控制器相連;所述藍牙模塊通過UART與混合信號微控制器相連,該藍牙模塊用于與外部設備連接;所述電源模塊用于為腦電傳感器、集成模擬前端、混合信號微控制器、藍牙模塊和指示燈模塊供電;所述輸入模塊和指示燈模塊分別與混合信號微控制器相連,所述輸入模塊為腦電檢測裝置的開關,所述指示燈模塊用于顯示腦電檢測裝置與主控制單元的連接狀態,以及腦電檢測裝置的腦電檢測功能狀態。

所述集成模擬前端選用TI公司的ADS1291芯片,用于對腦電傳感器采集到的腦電信號進行預處理,即進行濾波、自動增益、AD轉換,通過SPI將數據傳輸給混合信號微控制器。

所述混合信號微控制器選用MSP430FR5739微控制器,該微控制器為超低功耗型,用于對集成模擬前端預處理后的信號做進一步的處理,即采用LMS(Least Mean Square,最小均方)自適應算法消除工頻干擾,采用閾值過濾、重構信號的方法消除眼電偽跡,采用模極大值法消除肌電偽跡,采用小波消噪算法消除噪聲,采用正交小波變換算法消除腦電脈沖干擾,并進一步采用運動補償算法去除運動過程中產生的運動偽差。

如圖5所示,所述藍牙模塊采用低功耗藍牙標準V4.0設備,既能保證高速傳輸,又能解決功耗過大的問題,其包括主控制模塊、射頻核心模塊、通用外圍設備接口模塊和傳感器接口模塊;所述主控制模塊用于接收、存儲混合信號微控制器傳來的信號,并在信號需要向外傳輸時,將信號傳入射頻核心模塊,該主控制模塊包括導線相連的主控制器、JTAG(Joint Test Action Group,聯合測試工作組)、ROM(Read-Only Memory,只讀存儲器)、閃存和SRAM(Static Random Access Memory,靜態隨機存取存儲器);所述射頻核心模塊用于在信號需要向外傳輸時,接收主控制模塊傳入的信號,并將信號由天線向外傳輸,該射頻核心模塊包括導線相連的協控制器、數字鎖相環、DSP調制解調器、SRAM、ROM和放大器,所述放大器與天線相接;所述通用外圍設備接口模塊包括導線相連的I2C、UART和低功耗SPI;所述傳感器接口模塊包括導線相連的傳感器控制器、ADC(Analog to Digital Converter,模擬數字轉換器)和低功耗比較器;所述主控制模塊分別通過導線與射頻核心模塊、通用外圍設備接口模塊和傳感器接口模塊相連。

利用本實施例的腦電檢測裝置采集得到的腦電信號可以通過醫療檢測單元的處理器進一步計算其他健康參數,并通過藍牙模塊發送到將結果發送回機器人本體胸前的觸控顯示模塊(即平板電腦)進行顯示;同時,也可以將檢測結果和計算得到的健康參數發送到外部移動終端,由外部移動終端的無線網絡傳送到遠程醫療監護中心和醫院,實現遠程監護和遠程醫療。

如圖6所示,本實施例的健康服務機器人啟動工作流程如下:

通過語音指令、平板電腦操作界面或利用外部移動終端發送遙控命令啟動機器人工作后,通過按動腦電檢測裝置上的按鍵可快速喚醒腦電檢測裝置工作,系統初始化,腦電檢測功能開啟,腦電檢測功能開啟后,若滿足定時條件則集成模擬前端對腦電傳感器采集的腦電信號進行濾波、自動增益、AD轉換,否則返回繼續執行采集,處理后的信號進入混合信號微控制器進行存儲、運算,運算結果可發送至藍牙模塊進行數據發送,此時控制系統結束任務。

如圖7所示,本實施例的腦電檢測裝置中混合信號微控制器工作流程如下:

當接收到來自集成模擬前端的數字信號后,混合信號微控制器依次對集成模擬前端預處理后的信號采用LMS自適應算法消除工頻干擾,采用閾值過濾、重構信號的方法消除眼電偽跡,采用模極大值法消除肌電偽跡,采用小波消噪算法消除噪聲,采用正交小波變換算法消除腦電脈沖干擾,并進一步采用運動補償算法去除運動過程中產生的運動偽差;若混合信號微控制器無法完成其中某些復雜度較高的運算,則將數據發送到機器人本體胸前的平板電腦,利用平板電腦的CPU進行數據的二次處理,進一步完成腦電信號的數據分析,將單導腦電圖和相關分析結果顯示在平板電腦上,并通過語音交互模塊實時播報分析結果,隨即系統結束任務,否則繼續接收集成模擬前端傳輸的數字信號。

上述實施例中的移動終端可以是智能手機、PDA手持終端等。

綜上所述,本發明的健康服務機器人與腦電檢測裝置相結合,結合機器人移動技術和醫療檢測技術,能夠很大程度提高腦電檢測裝置的移動便攜性能,方便了用戶隨時隨地進行醫療檢測,為用戶帶來更好的醫療體驗。

以上所述,僅為本發明專利較佳的實施例,但本發明專利的保護范圍并不局限于此,任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明專利所公開的范圍內,根據本發明專利的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變,都屬于本發明專利的保護范圍。

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