具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备的制造方法
具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种智能穿戴设备，特别是一种可以检测用户头部生物电信号和利用头部生物电信号进行人机交互的虚拟现实(VR)设备。
【背景技术】
[0002]虚拟现实(VR)头显设备，是指一种通过头戴式显示设备将人的对外界的视觉、听觉封闭，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉的头显设备。
[0003]近两年，虚拟现实已经逐渐被大众所了解，市场上也已经涌现出不少虚拟现实产品，大众比较熟悉的包括Oculus Rift、Project Morpheus、HTC Vive等。现有产品的人机交互方式有体感交互，手势交互，语音交互以及外接交互设备交互等，目前尚没有一款虚拟现实(VR)头显设备具有基于头部多种生物电信号的人机交互功能。
【发明内容】
[0004]本发明的任务是提供一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实(VR)设备，包括虚拟现实设备的主机电路，其特征为，还包括生物电信号采集电极，生物电信号处理模块。
[0005]所述生物电信号采集电极连接所述生物电信号处理模块，所述生物电信号处理模块与所述虚拟现实设备的主机电路电气连接，所述生物电信号处理模块接收并处理所述生物电信号采集电极采集到的生物电信号，所述虚拟现实设备的主机电路接收所述生物电信号采集电极处理后的信号并用于所述虚拟现实设备的人机交互控制中。
[0006]优选的，所述生物电信号采集电极，根据用途划分有三种，包括探测电极、参考电极和地电极。所述探测电极、参考电极和地电极分别可以有一个或多个。
[0007]优选的，所述生物电信号处理模块，包括模拟信号处理模块、模数转换模块和数字信号处理模块。所述模拟信号处理模块对生物电信号采集电极采集到的信号进行差分放大、滤波等处理，所述模数转换模块将模拟信号处理模块处理后的模拟量信号数字化后传给数字信号处理模块处理。
[0008]其中，所述数字信号处理模块可以是微处理器中运行的部分功能函数，也可以是独立的数字信号处理模块。所述数字信号处理模块对数字化后的信号进行去基线漂移、工频陷波等处理，并将处理后的数据传输给虚拟现实设备的主机电路，用于所述虚拟现实设备的人机交互控制中。
[0009]其中，所述探测电极、参考电极通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块的差分输入端;所述地电极通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块的对消电路信号输出端。
[0010]优选的，所述生物电信号米集电极有三个，包括一个探测电极、一个参考电极和一个地电极;所述探测电极位于用户的前额，与用户的前额皮肤紧密接触，作为所述模拟信号处理模块中的差分放大电路的一个差分输入端，用于探测生物电信号;所述参考电极位于用户前额离探测电极较远的区域或位于用户耳垂或位于用户耳后乳突处，作为所述模拟信号处理模块中差分放大电路的另一个差分输入端，提供参考电势。所述生物电信号处理模块从所述探测电极与所述参考电极之间测得所需的生物电信号。
[0011]优选的，所述地电极位于用户前额离探测电极较远的区域或位于用户耳垂或位于用户耳后乳突处，与所述模拟信号处理模块的对消电路信号输出端连接，可有效抑制工频干扰。
[0012]优选的，所述生物电信号采集电极有四个，包括探测电极、参考电极1、参考电极2和地电极;所述探测电极在用户的前额，所述参考电极1在所述探测电极的水平方向，所述参考电极2在所述探测电极的竖直方向，所述地电极在用户面部或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户的耳垂上;所述生物电信号处理模块从所述探测电极与所述参考电极1之间测得所需的生物电信号，从所述探测电极与所述参考电极2直接获得所述探测电极与所述参考电极1之间难以测得的生物电信号作为补充。
[0013]优选的，所述生物电信号采集电极有五个，包括探测电极1、探测电极2、参考电极1、参考电极2和地电极;所述探测电极1和探测电极2分别在用户的前额或聂侧，所述参考电极1、参考电极2和地电极分别在用户面部或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户的耳垂上;所述生物电信号处理模块从所述探测电极1与所述参考电极1之间测得所需的生物电信号，从所述探测电极2与所述参考电极2之间测得探测电极1与参考电极1之间不易测得的生物电信号作为补充。
[0014]优选的，所述生物电信号采集电极有多套，每套生物电信号采集电极分别包括探测电极、参考电极和地电极;所述各套生物电信号采集电极之间不相联通，每套生物电信号采集电极分别各自独立地连接一套模拟信号处理模块，分别各自独立地采集生物电信号。
[0015]优选的，所述生物电信号采集电极有多套，每套生物电信号采集电极分别包括探测电极、参考电极和地电极;所述各套生物电信号采集电极之间共用地电极，每套生物电信号采集电极分别各自独立地连接一套模拟信号处理模块，分别各自独立地采集生物电信号。
[0016]其中，所述模拟信号处理模块，包括放大电路和滤波电路，所述放大电路同时连接探测电极、参考电极，通过差分放大所述探测电极和参考电极间的电势差，可以得到含有生物电信号的模拟信号;再通过所述滤波电路滤波处理后，得到较干净的模拟量生物电信号。
[0017]其中，所述模数转换模块可以是微处理器内部的片内功能模块，也可以是独立的模数转换器。通过使用所述模数转换模块，以每秒钟几百到几千次的采样频率对所述模拟量生物电信号进行采样，将模拟量生物电信号转换为数字量生物电信号。
[0018]其中，所述数字信号处理模块包括:数字信号预处理模块、特征信号提取模块和特征信号处理模块。
[0019]其中，所述数字信号预处理模块对数字化后的生物电信号进行去基线飘移、工频陷波等处理，得到更干净的数字信号;所述特征信号提取模块，从干净的数字信号中提取出脑电成分、肌电成分和眼电成分，获得脑电信号、肌电信号和眼电信号;所述特征信号处理模块分别对所述脑电信号、肌电信号和眼电信号进行处理。
[0020]所述脑电信号、肌电信号和眼电信号经过特征信号处理模块处理后即可传输给虚拟现实主体内的主机电路用于用户和虚拟现实设备之间的人机交互。
[0021]本发明同时公开了一种在虚拟现实设备中实现基于头部生物电信号的人机交互功能的方法，所述方法的特征在于，使用了上述具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备的电气结构。
[0022]本发明的有益效果是，通过在虚拟现实设备上增加生物电信号采集电极和生物电信号处理模块，在用户佩戴本发明所述虚拟现实设备时，即可同时采集用户的脑电信号、目艮电信号和肌电信号并用于人机交互，增加了虚拟现实设备的人机交互方式，实现了虚拟现实设备的人机交互方式的多元化。
【附图说明】
[0023]图1:具有基于生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备的基本结构图。
[0024]图2:实施例一的基本结构图。
[0025]图3:实施例一的电极布置方式1。
[0026]图4:实施例一的电极布置方式2。
[0027]图5:实施例二的基本结构图。
[0028]图6:实施例二的电极布置方式1。
[0029]图7:实施例二的电极布置方式2。
[0030]图8:实施例二的电极布置方式3。
[0031]图9:实施例三的基本结构图。
[0032]图10:实施例三的电极布置方式1。
[0033]图11:实施例三的电极布置方式2。
[0034]图12:实施例三的电极布置方式3。
[0035]图13:实施例三的电极布置方式4。
[0036]图14:实施例四的基本结构图。
[0037]图15:实施例四的电极布置方式1。
[0038]图16:实施例四的电极布置方式2。
[0039]图17:实施例四的电极布置方式3。
[0040]图18:实施例五的基本结构图。
[0041]图19:实施例 五的电极布置方式1。
[0042]图20:实施例五的电极布置方式2。
【具体实施方式】
[0043]为了使本领域技术人员能够更加清楚地理解本发明的内容，下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。下述实施例中，编号一致的特征为相同或相应的技术特征。
[0044]实施例一:
图2所示为本实施例的基本结构图，如图中所示，本实施例所述的具有基于生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，包括探测电极、参考电极、地电极、模拟信号处理模块，模拟数字转换模块，数字信号处理模块和虚拟现实主机电路。
[0045]图3与图4所示为本实施例的电极布置方式示意图，图中001为虚拟现实设备的主体，002为虚拟现实设备的头带，003为虚拟现实设备的海绵，101为探测电极，102为参考电极，103为地电极。
[0046]本实施例中，所述虚拟现实设备的主体001内有虚拟现实设备的主机电路，所述探测电极101、参考电极102和地电极103，通过屏蔽线连接在所述模拟信号处理模块的差分输入端和接地端。所述模拟信号处理模块处理后的信号经模拟数字转换模块处理后传给数字信号处理模块进行处理，所述虚拟现实设备的主机电路接收所述数字信号处理模块处理后的信号并用于所述虚拟现实设备的人机交互控制中。
[0047]本实施例中，所述探测电极101位于用户的前额，与用户的前额皮肤紧密接触，作为所述模拟信号处理模块中的运放电路的一个差分输入端，用于探测生物电信号。
[0048]本实施例电极布置方式如图3时，所述参考电极102位于与探测电极101水平方向且原理探测电极101的区域，作为所述模拟信号处理模块中运算放大电路的另一个差分输入端，提供参考电势。相对探测电极101水平方向上布置参考电极102有助于有效探测水平眼动信号。
[0049]本实施例电极布置方式如图4时，所述参考电极102位于探测电极101的正下方，作为所述模拟信号处理模块中运算放大电路的另一个差分输入端，提供参考电势。相对探测电极101竖直方向上布置参考电极102有助于有效探测垂直眼动信号。
[0050]本实施例中，所述地电极103位于用户前额离探测电极101较远的区域，可有效抑制工频干扰。
[0051]本实施例中，所述模拟信号处理模块，包括放大电路和滤波电路，所述放大电路同时连接探测电极101、参考电极102，通过差分放大所述探测电极101和参考电极102间的电势差，并通过地电极103有效抑制工频干扰，可以得到含有生物电信号的模拟信号;再通过所述滤波电路滤波处理后，得到较干净的模拟量生物电信号。
[0052]本实施例中，所述模拟数字转换模块可以是微处理器内部的片内功能模块，也可以是独立的模数转换器。通过使用所述模数转换模块，以每秒钟几百到几千次的采样频率对所述模拟量生物电信号进行转换，将模拟量生物电信号转换为数字量生物电信号。
[0053]本实施例中，所述数字信号预处理模块对数字化后的生物电信号进行去基线飘移、工频陷波等处理，得到更干净的数字信号;所述特征信号提取模块，从干净的数字信号中提取出脑电成分、肌电成分和眼电成分，分别获得脑电信号、肌电信号和眼电信号;所述特征信号处理模块分别对所述脑电信号、肌电信号和眼电信号进行处理后即可用于用户和虚拟现实设备之间的人机交互。
[0054]实施例二:
图5所示为实施例二的基本结构图，如图中所示，本实施例所述的具有基于生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，包括探测电极、参考电极1、参考电极2、地电极、模拟信号处理模块，模拟数字转换模块，数字信号处理模块和虚拟现实主机电路。
[0055]图6、图7和图8为实施例二的电极分布方式示例，其中107为参考电极I，106为参考电极2。
[0056]本实施例中，所述虚拟现实设备的主体001内有虚拟现实设备的主机电路，所述探测电极101和参考电极I通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块中的一个放大电路的差分输入端，所述探测电极101同时还和参考电极2通过屏蔽线连接在所述模拟信号处理模块中的另一个放大电路的差分输入端;地电极连接所述模拟信号处理模块中的对消电路。所述模拟信号处理模块处理后的信号经模拟数字转换模块处理后传给数字信号处理模块进行处理，所述虚拟现实设备的主机电路接收所述数字信号处理模块处理后的信号并用于所述虚拟现实设备的人机交互控制中。
[0057]本实施例中，通过放大探测电极101和参考电极I之间的电势差获得包含脑电、眼电和肌电信号的生物电信号，通过放大探测电极101和参考电极2之间的电势差获得所述探测电极101和参考电极I之间难以探测的信号。如图6和图7中的情形，在探测电极101和参考电极I之间可以有效地探测脑电信号、肌电信号、眨眼和水平眼动信号等，却难以探测到有效的垂直眼动信号，这个时候通过放大探测电极101与参考电极2之间的电势差，可以探测到有效的垂直眼动信号。图8的情形中，虽然在探测电极101与参考电极I之间探测到水平眼动的同时，还可以探测到一定强度的垂直眼动信号，但水平眼动和垂直眼动并不好区分，这个时候通过放大探测电极101与在其垂直方向设置的参考电极2之间的电势差，可以得到有效的垂直眼动信号，从而将水平眼动信号与垂直眼动信号有效地区分开。
[0058]本实施例中，模拟信号处理模块、模拟数字转换模块、数字信号处理模块和虚拟现实主机电路之间的连接关系和信号关系是一致的，不同点在于，本实施例相对实施例一，可以同时区分和提取垂直眼动信号和水平眼动信号。
[0059]实施例三:
图9所示为实施例三的基本结构图，如图中所示，本实施例所述的具有基于生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，包括探测电极1、探测电极2、参考电极1、参考电极2、地电极、模拟信号处理模块，模拟数字转换模块，数字信号处理模块和虚拟现实主机电路。
[0060]图10、图11、图12和图13为实施例三的电极分布方案示例，其中108为探测电极I，109为探测电极2。
[0061]本实施例中，所述虚拟现实设备的主体001内有虚拟现实设备的主机电路，所述探测电极I和参考电极I通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块中的一个放大电路的差分输入端，所述探测电极2和参考电极2通过屏蔽线连接在所述模拟信号处理模块中的另一个放大电路的差分输入端;地电极连接所述模拟信号处理模块中的对消电路。所述模拟信号处理模块处理后的信号经模拟数字转换模块处理后传给数字信号处理模块进行处理，所述虚拟现实设备的主机电路接收所述数字信号处理模块处理后的信号并用于所述虚拟现实设备的人机交互控制中。
[0062]本实施例中，探测电极1、探测电极2、参考电极I和参考电极2之间可以有多种连接关系。如图10和图11中的情形，探测电极I和参考电极I连接一个放大器，探测电极2和参考电极2之间连接一个放大器，在这两组放大器中可以同时测得脑电信号，肌电信号眨眼和垂直眼动信号，通过将探测电极I与探测电极2之间连接放大电路，可以测得水平眼动信号，同时通过在探测电极I与探测电极2之间提取水平眼动信号的时候可以屏蔽掉部分脑电信号。图12的情形中，可以在探测电极I与参考电极I之间提取垂直眼动信号和眨眼信号，在探测电极2与参考电极2之间提取脑电信号、肌电信号，水平眼动等信号。图13的情形中，可以在探测电极I和参考电极I之间提取脑电信号、垂直眼动信号、眨眼信号等，在探测电极2与参考电极2之间提取水平眼动信号、面部肌电信号等，同时，在探测电极I与参考电极2之间还可以提取脑电信号等。电极的各种布置方式分别有助于提取特定的生物电信号，因此可以根据需要通过改换电极的位置来提取所需的生物电信号。
[0063]本实施例中，模拟信号处理模块、模拟数字转换模块、数字信号处理模块和虚拟现实主机电路之间的连接关系和信号关系与实施例一是一致的，不同点在于，本实施例相对实施例一，通过分别设置两个探测电极和两个参考电极，可以同时区分和提取垂直眼动信号和水平眼动信号;相比实施例二，可以有更多更灵活的电极位置设置 方式，可以获得更优的特征信号。
[0064]实施例四:
图14所示为实施例四的基本结构图，如图中所示，本实施例所述的具有基于生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，包括探测电极1、探测电极2、参考电极1、参考电极2、地电极1、地电极2、模拟信号处理模块，模拟数字转换模块，数字信号处理模块和虚拟现实主机电路。
[0065]图15、图16和图17为实施例四的电极分布方案示例，其中110为地电极I，111为地电极2。
[0066]本实施例中，所述虚拟现实设备的主体001内有虚拟现实设备的主机电路，所述探测电极I和参考电极I通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块中的一个放大电路的差分输入端，所述探测电极2和参考电极2通过屏蔽线连接在所述模拟信号处理模块中的另一个放大电路的差分输入端;地电极I和地电极2之间不短接，分别连接一个对消电路，相比于实施例一，相当于具有两套独立的实施例一中所述的生物电信号探测电路。
[0067]本实施例中，具有两套独立的生物电信号探测电路，可以通过设置两套生物电信号探测电路探测用户左右两侧完全对称的信号，两组信号相互印证，让信号更加稳定，也可以将两套生物生物电信号设置在不同的位置，用于探测完全不同的信号。
[0068]图15和图16的情形中，所述探测电极1、参考电极1、地电极I与所述探测电极2、参考电极2、地电极2之间完全对称布置，两组生物电信号探测电路探测完全对称的信号，可以通过计算得到更加稳定的控制效果。图17的情形中，探测电极I与参考电极I之间可以提取脑电信号、水平眼动信号、眨眼以及肌电信号;探测电极2与参考电极2之间可以提取脑电信号、垂直眼动信号、眨眼信号以及肌电信号;分别从两套生物电信号探测电路中提取的信号可以相互补充和相互印证。
[0069]实施例五:
图18所示为实施例五的基本结构图，如图中所示，本实施例所述的具有基于生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，包括探测电极右1、探测电极右2、探测电极左1、探测电极左2、参考电极左、参考电极右、地电极左、地电极右、模拟信号处理模块，模拟数字转换模块，数字信号处理模块和虚拟现实主机电路。
[0070]图19和图20为实施例五的两种电极分布方案示例，其中112为探测电极右I，113为探测电极右2，114为探测电极左I，115为探测电极左2，116为参考电极右，117为参考电极左，118为地电极右，119为地电极左。
[0071]本实施例中，针对用户的左右半脑和左右眼，分别具有各自的两个探测电极和各自的参考电极和地电极，根据需要，具有更加丰富的电极排布方式。本实施例，可以在同时测量脑电信号的时候，同时分别测得左眼眼动信号、左面部肌电信号、右眼眼动信号和右面部肌电信号，从而可以提取出更加丰富的生物电信号用于控制。
[0072]上述实施例仅为本发明所述的具有基于生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备的部分优选实施方式，并非本发明所述技术方案的穷举，任何本领域技术人员，都可以在不付出创造性劳动的情况下，在本发明公开的范围内得到其它的实施方式，因此，上述实施例并不对本发明的保护范围形成限制，本发明的实际保护范围应该以权利要求书为准。
【主权项】
1.一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，包括虚拟现实设备的主机电路，其特征在于，还包括生物电信号采集电极和生物电信号处理模块； 所述生物电信号采集电极与所述生物电信号处理模块电气连接，所述生物电信号处理模块与所述虚拟现实设备的主机电路电气连接； 所述生物电信号处理模块接收并处理所述生物电信号采集电极采集到的生物电信号，所述虚拟现实设备的主机电路接收所述生物电信号处理模块处理后的信号并用于所述虚拟现实设备的人机交互控制中。2.根据权利要求1所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述生物电信号采集电极包括探测电极、参考电极和地电极； 所述生物电信号处理模块从所述探测电极与参考电极之间测得所需的生物电信号。3.根据权利要求2所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述生物电信号米集电极有三个，包括一个探测电极、一个参考电极和一个地电极； 所述探测电极在用户的前额，所述参考电极和地电极分别在用户面部或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户的耳垂上； 所述生物电信号处理模块从所述探测电极与所述参考电极之间测得所需的生物电信号。4.根据权利要求2所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述生物电信号采集电极有四个，包括探测电极、参考电极1、参考电极2和地电极； 所述探测电极在用户的前额，所述参考电极1在所述探测电极的水平方向，所述参考电极2在所述探测电极的竖直方向，所述地电极在用户面部或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户的耳垂上； 所述生物电信号处理模块从所述探测电极与所述参考电极1之间测得所需的生物电信号，从所述探测电极与所述参考电极2直接获得所述探测电极与所述参考电极1之间难以测得的生物电信号作为补充。5.根据权利要求2所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述生物电信号采集电极有五个，包括探测电极1、探测电极2、参考电极1、参考电极2和地电极； 所述探测电极1和探测电极2分别在用户的前额或聂侧，所述参考电极1、参考电极2和地电极分别在用户面部或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户的耳垂上； 所述生物电信号处理模块从所述探测电极1与所述参考电极1之间测得所需的生物电信号，从所述探测电极2与所述参考电极2之间测得探测电极1与参考电极1之间不易测得的生物电信号作为补充。6.根据权利要求2所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述生物电信号采集电极有多套，每套生物电信号采集电极分别包括探测电极、参考电极和地电极； 所述各套生物电信号采集电极之间不相联通，分别各自独立地采集生物电信号。7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述生物电信号处理模块，包括模拟信号处理模块、模数转换模块和数字信号处理模块； 所述模拟信号处理模块对生物电信号采集电极采集到的信号进行处理，所述模数转换模块将模拟信号处理模块处理后的模拟量信号数字化后传给数字信号处理模块处理。8.根据权利要求7所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述探测电极和参考电极通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块的差分输入端;所述地电极通过屏蔽线连接在所述模拟信号处理模块的对消电路信号输出端。9.根据权利要求7所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述数字信号处理模块包括数字信号预处理模块、特征信号提取模块和特征信号处理模块； 所述特征信号提取模块从经过数字信号预处理模块处理后的生物电信号中提取出脑电信号、眼电信号和肌电信号，并传输给所述特征信号处理模块分别进行处理。10.—种在虚拟现实设备中实现基于头部生物电信号的人机交互功能的方法，其特征在于，使用了权利要求1?9中任意一项所述的虚拟现实设备的电气结构。
【专利摘要】本发明涉及一种智能穿戴设备，特别是一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备。本发明所述虚拟现实设备，通过将生物电信号采集模块加入到传统的虚拟现实设备中，并通过所述生物电信号采集模块同时采集用户的脑电信号（EEG）、眼电信号（EOG）和肌电信号（EMG），通过对这三种特征信号的分析计算，可以在虚拟现实设备上实现包括脑电交互、眼电交互、肌电交互以及它们的组合等多种方式的人机交互功能。
【IPC分类】G06F3/01
【公开号】CN105487676
【申请号】CN201610026841
【发明人】仲佳, 鲁呈虎, 钱源, 卓成强
【申请人】仲佳, 鲁呈虎
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月17日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种智能穿戴设备，特别是一种可以检测用户头部生物电信号和利用头部生物电信号进行人机交互的虚拟现实(VR)设备。
【背景技术】
[0002]虚拟现实(VR)头显设备，是指一种通过头戴式显示设备将人的对外界的视觉、听觉封闭，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉的头显设备。
[0003]近两年，虚拟现实已经逐渐被大众所了解，市场上也已经涌现出不少虚拟现实产品，大众比较熟悉的包括Oculus Rift、Project Morpheus、HTC Vive等。现有产品的人机交互方式有体感交互，手势交互，语音交互以及外接交互设备交互等，目前尚没有一款虚拟现实(VR)头显设备具有基于头部多种生物电信号的人机交互功能。
【发明内容】
[0004]本发明的任务是提供一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实(VR)设备，包括虚拟现实设备的主机电路，其特征为，还包括生物电信号采集电极，生物电信号处理模块。
[0005]所述生物电信号采集电极连接所述生物电信号处理模块，所述生物电信号处理模块与所述虚拟现实设备的主机电路电气连接，所述生物电信号处理模块接收并处理所述生物电信号采集电极采集到的生物电信号，所述虚拟现实设备的主机电路接收所述生物电信号采集电极处理后的信号并用于所述虚拟现实设备的人机交互控制中。
[0006]优选的，所述生物电信号采集电极，根据用途划分有三种，包括探测电极、参考电极和地电极。所述探测电极、参考电极和地电极分别可以有一个或多个。
[0007]优选的，所述生物电信号处理模块，包括模拟信号处理模块、模数转换模块和数字信号处理模块。所述模拟信号处理模块对生物电信号采集电极采集到的信号进行差分放大、滤波等处理，所述模数转换模块将模拟信号处理模块处理后的模拟量信号数字化后传给数字信号处理模块处理。
[0008]其中，所述数字信号处理模块可以是微处理器中运行的部分功能函数，也可以是独立的数字信号处理模块。所述数字信号处理模块对数字化后的信号进行去基线漂移、工频陷波等处理，并将处理后的数据传输给虚拟现实设备的主机电路，用于所述虚拟现实设备的人机交互控制中。
[0009]其中，所述探测电极、参考电极通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块的差分输入端;所述地电极通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块的对消电路信号输出端。
[0010]优选的，所述生物电信号米集电极有三个，包括一个探测电极、一个参考电极和一个地电极;所述探测电极位于用户的前额，与用户的前额皮肤紧密接触，作为所述模拟信号处理模块中的差分放大电路的一个差分输入端，用于探测生物电信号;所述参考电极位于用户前额离探测电极较远的区域或位于用户耳垂或位于用户耳后乳突处，作为所述模拟信号处理模块中差分放大电路的另一个差分输入端，提供参考电势。所述生物电信号处理模块从所述探测电极与所述参考电极之间测得所需的生物电信号。
[0011]优选的，所述地电极位于用户前额离探测电极较远的区域或位于用户耳垂或位于用户耳后乳突处，与所述模拟信号处理模块的对消电路信号输出端连接，可有效抑制工频干扰。
[0012]优选的，所述生物电信号采集电极有四个，包括探测电极、参考电极1、参考电极2和地电极;所述探测电极在用户的前额，所述参考电极1在所述探测电极的水平方向，所述参考电极2在所述探测电极的竖直方向，所述地电极在用户面部或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户的耳垂上;所述生物电信号处理模块从所述探测电极与所述参考电极1之间测得所需的生物电信号，从所述探测电极与所述参考电极2直接获得所述探测电极与所述参考电极1之间难以测得的生物电信号作为补充。
[0013]优选的，所述生物电信号采集电极有五个，包括探测电极1、探测电极2、参考电极1、参考电极2和地电极;所述探测电极1和探测电极2分别在用户的前额或聂侧，所述参考电极1、参考电极2和地电极分别在用户面部或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户的耳垂上;所述生物电信号处理模块从所述探测电极1与所述参考电极1之间测得所需的生物电信号，从所述探测电极2与所述参考电极2之间测得探测电极1与参考电极1之间不易测得的生物电信号作为补充。
[0014]优选的，所述生物电信号采集电极有多套，每套生物电信号采集电极分别包括探测电极、参考电极和地电极;所述各套生物电信号采集电极之间不相联通，每套生物电信号采集电极分别各自独立地连接一套模拟信号处理模块，分别各自独立地采集生物电信号。
[0015]优选的，所述生物电信号采集电极有多套，每套生物电信号采集电极分别包括探测电极、参考电极和地电极;所述各套生物电信号采集电极之间共用地电极，每套生物电信号采集电极分别各自独立地连接一套模拟信号处理模块，分别各自独立地采集生物电信号。
[0016]其中，所述模拟信号处理模块，包括放大电路和滤波电路，所述放大电路同时连接探测电极、参考电极，通过差分放大所述探测电极和参考电极间的电势差，可以得到含有生物电信号的模拟信号;再通过所述滤波电路滤波处理后，得到较干净的模拟量生物电信号。
[0017]其中，所述模数转换模块可以是微处理器内部的片内功能模块，也可以是独立的模数转换器。通过使用所述模数转换模块，以每秒钟几百到几千次的采样频率对所述模拟量生物电信号进行采样，将模拟量生物电信号转换为数字量生物电信号。
[0018]其中，所述数字信号处理模块包括:数字信号预处理模块、特征信号提取模块和特征信号处理模块。
[0019]其中，所述数字信号预处理模块对数字化后的生物电信号进行去基线飘移、工频陷波等处理，得到更干净的数字信号;所述特征信号提取模块，从干净的数字信号中提取出脑电成分、肌电成分和眼电成分，获得脑电信号、肌电信号和眼电信号;所述特征信号处理模块分别对所述脑电信号、肌电信号和眼电信号进行处理。
[0020]所述脑电信号、肌电信号和眼电信号经过特征信号处理模块处理后即可传输给虚拟现实主体内的主机电路用于用户和虚拟现实设备之间的人机交互。
[0021]本发明同时公开了一种在虚拟现实设备中实现基于头部生物电信号的人机交互功能的方法，所述方法的特征在于，使用了上述具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备的电气结构。
[0022]本发明的有益效果是，通过在虚拟现实设备上增加生物电信号采集电极和生物电信号处理模块，在用户佩戴本发明所述虚拟现实设备时，即可同时采集用户的脑电信号、目艮电信号和肌电信号并用于人机交互，增加了虚拟现实设备的人机交互方式，实现了虚拟现实设备的人机交互方式的多元化。
【附图说明】
[0023]图1:具有基于生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备的基本结构图。
[0024]图2:实施例一的基本结构图。
[0025]图3:实施例一的电极布置方式1。
[0026]图4:实施例一的电极布置方式2。
[0027]图5:实施例二的基本结构图。
[0028]图6:实施例二的电极布置方式1。
[0029]图7:实施例二的电极布置方式2。
[0030]图8:实施例二的电极布置方式3。
[0031]图9:实施例三的基本结构图。
[0032]图10:实施例三的电极布置方式1。
[0033]图11:实施例三的电极布置方式2。
[0034]图12:实施例三的电极布置方式3。
[0035]图13:实施例三的电极布置方式4。
[0036]图14:实施例四的基本结构图。
[0037]图15:实施例四的电极布置方式1。
[0038]图16:实施例四的电极布置方式2。
[0039]图17:实施例四的电极布置方式3。
[0040]图18:实施例五的基本结构图。
[0041]图19:实施例 五的电极布置方式1。
[0042]图20:实施例五的电极布置方式2。
【具体实施方式】
[0043]为了使本领域技术人员能够更加清楚地理解本发明的内容，下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。下述实施例中，编号一致的特征为相同或相应的技术特征。
[0044]实施例一:
图2所示为本实施例的基本结构图，如图中所示，本实施例所述的具有基于生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，包括探测电极、参考电极、地电极、模拟信号处理模块，模拟数字转换模块，数字信号处理模块和虚拟现实主机电路。
[0045]图3与图4所示为本实施例的电极布置方式示意图，图中001为虚拟现实设备的主体，002为虚拟现实设备的头带，003为虚拟现实设备的海绵，101为探测电极，102为参考电极，103为地电极。
[0046]本实施例中，所述虚拟现实设备的主体001内有虚拟现实设备的主机电路，所述探测电极101、参考电极102和地电极103，通过屏蔽线连接在所述模拟信号处理模块的差分输入端和接地端。所述模拟信号处理模块处理后的信号经模拟数字转换模块处理后传给数字信号处理模块进行处理，所述虚拟现实设备的主机电路接收所述数字信号处理模块处理后的信号并用于所述虚拟现实设备的人机交互控制中。
[0047]本实施例中，所述探测电极101位于用户的前额，与用户的前额皮肤紧密接触，作为所述模拟信号处理模块中的运放电路的一个差分输入端，用于探测生物电信号。
[0048]本实施例电极布置方式如图3时，所述参考电极102位于与探测电极101水平方向且原理探测电极101的区域，作为所述模拟信号处理模块中运算放大电路的另一个差分输入端，提供参考电势。相对探测电极101水平方向上布置参考电极102有助于有效探测水平眼动信号。
[0049]本实施例电极布置方式如图4时，所述参考电极102位于探测电极101的正下方，作为所述模拟信号处理模块中运算放大电路的另一个差分输入端，提供参考电势。相对探测电极101竖直方向上布置参考电极102有助于有效探测垂直眼动信号。
[0050]本实施例中，所述地电极103位于用户前额离探测电极101较远的区域，可有效抑制工频干扰。
[0051]本实施例中，所述模拟信号处理模块，包括放大电路和滤波电路，所述放大电路同时连接探测电极101、参考电极102，通过差分放大所述探测电极101和参考电极102间的电势差，并通过地电极103有效抑制工频干扰，可以得到含有生物电信号的模拟信号;再通过所述滤波电路滤波处理后，得到较干净的模拟量生物电信号。
[0052]本实施例中，所述模拟数字转换模块可以是微处理器内部的片内功能模块，也可以是独立的模数转换器。通过使用所述模数转换模块，以每秒钟几百到几千次的采样频率对所述模拟量生物电信号进行转换，将模拟量生物电信号转换为数字量生物电信号。
[0053]本实施例中，所述数字信号预处理模块对数字化后的生物电信号进行去基线飘移、工频陷波等处理，得到更干净的数字信号;所述特征信号提取模块，从干净的数字信号中提取出脑电成分、肌电成分和眼电成分，分别获得脑电信号、肌电信号和眼电信号;所述特征信号处理模块分别对所述脑电信号、肌电信号和眼电信号进行处理后即可用于用户和虚拟现实设备之间的人机交互。
[0054]实施例二:
图5所示为实施例二的基本结构图，如图中所示，本实施例所述的具有基于生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，包括探测电极、参考电极1、参考电极2、地电极、模拟信号处理模块，模拟数字转换模块，数字信号处理模块和虚拟现实主机电路。
[0055]图6、图7和图8为实施例二的电极分布方式示例，其中107为参考电极I，106为参考电极2。
[0056]本实施例中，所述虚拟现实设备的主体001内有虚拟现实设备的主机电路，所述探测电极101和参考电极I通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块中的一个放大电路的差分输入端，所述探测电极101同时还和参考电极2通过屏蔽线连接在所述模拟信号处理模块中的另一个放大电路的差分输入端;地电极连接所述模拟信号处理模块中的对消电路。所述模拟信号处理模块处理后的信号经模拟数字转换模块处理后传给数字信号处理模块进行处理，所述虚拟现实设备的主机电路接收所述数字信号处理模块处理后的信号并用于所述虚拟现实设备的人机交互控制中。
[0057]本实施例中，通过放大探测电极101和参考电极I之间的电势差获得包含脑电、眼电和肌电信号的生物电信号，通过放大探测电极101和参考电极2之间的电势差获得所述探测电极101和参考电极I之间难以探测的信号。如图6和图7中的情形，在探测电极101和参考电极I之间可以有效地探测脑电信号、肌电信号、眨眼和水平眼动信号等，却难以探测到有效的垂直眼动信号，这个时候通过放大探测电极101与参考电极2之间的电势差，可以探测到有效的垂直眼动信号。图8的情形中，虽然在探测电极101与参考电极I之间探测到水平眼动的同时，还可以探测到一定强度的垂直眼动信号，但水平眼动和垂直眼动并不好区分，这个时候通过放大探测电极101与在其垂直方向设置的参考电极2之间的电势差，可以得到有效的垂直眼动信号，从而将水平眼动信号与垂直眼动信号有效地区分开。
[0058]本实施例中，模拟信号处理模块、模拟数字转换模块、数字信号处理模块和虚拟现实主机电路之间的连接关系和信号关系是一致的，不同点在于，本实施例相对实施例一，可以同时区分和提取垂直眼动信号和水平眼动信号。
[0059]实施例三:
图9所示为实施例三的基本结构图，如图中所示，本实施例所述的具有基于生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，包括探测电极1、探测电极2、参考电极1、参考电极2、地电极、模拟信号处理模块，模拟数字转换模块，数字信号处理模块和虚拟现实主机电路。
[0060]图10、图11、图12和图13为实施例三的电极分布方案示例，其中108为探测电极I，109为探测电极2。
[0061]本实施例中，所述虚拟现实设备的主体001内有虚拟现实设备的主机电路，所述探测电极I和参考电极I通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块中的一个放大电路的差分输入端，所述探测电极2和参考电极2通过屏蔽线连接在所述模拟信号处理模块中的另一个放大电路的差分输入端;地电极连接所述模拟信号处理模块中的对消电路。所述模拟信号处理模块处理后的信号经模拟数字转换模块处理后传给数字信号处理模块进行处理，所述虚拟现实设备的主机电路接收所述数字信号处理模块处理后的信号并用于所述虚拟现实设备的人机交互控制中。
[0062]本实施例中，探测电极1、探测电极2、参考电极I和参考电极2之间可以有多种连接关系。如图10和图11中的情形，探测电极I和参考电极I连接一个放大器，探测电极2和参考电极2之间连接一个放大器，在这两组放大器中可以同时测得脑电信号，肌电信号眨眼和垂直眼动信号，通过将探测电极I与探测电极2之间连接放大电路，可以测得水平眼动信号，同时通过在探测电极I与探测电极2之间提取水平眼动信号的时候可以屏蔽掉部分脑电信号。图12的情形中，可以在探测电极I与参考电极I之间提取垂直眼动信号和眨眼信号，在探测电极2与参考电极2之间提取脑电信号、肌电信号，水平眼动等信号。图13的情形中，可以在探测电极I和参考电极I之间提取脑电信号、垂直眼动信号、眨眼信号等，在探测电极2与参考电极2之间提取水平眼动信号、面部肌电信号等，同时，在探测电极I与参考电极2之间还可以提取脑电信号等。电极的各种布置方式分别有助于提取特定的生物电信号，因此可以根据需要通过改换电极的位置来提取所需的生物电信号。
[0063]本实施例中，模拟信号处理模块、模拟数字转换模块、数字信号处理模块和虚拟现实主机电路之间的连接关系和信号关系与实施例一是一致的，不同点在于，本实施例相对实施例一，通过分别设置两个探测电极和两个参考电极，可以同时区分和提取垂直眼动信号和水平眼动信号;相比实施例二，可以有更多更灵活的电极位置设置 方式，可以获得更优的特征信号。
[0064]实施例四:
图14所示为实施例四的基本结构图，如图中所示，本实施例所述的具有基于生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，包括探测电极1、探测电极2、参考电极1、参考电极2、地电极1、地电极2、模拟信号处理模块，模拟数字转换模块，数字信号处理模块和虚拟现实主机电路。
[0065]图15、图16和图17为实施例四的电极分布方案示例，其中110为地电极I，111为地电极2。
[0066]本实施例中，所述虚拟现实设备的主体001内有虚拟现实设备的主机电路，所述探测电极I和参考电极I通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块中的一个放大电路的差分输入端，所述探测电极2和参考电极2通过屏蔽线连接在所述模拟信号处理模块中的另一个放大电路的差分输入端;地电极I和地电极2之间不短接，分别连接一个对消电路，相比于实施例一，相当于具有两套独立的实施例一中所述的生物电信号探测电路。
[0067]本实施例中，具有两套独立的生物电信号探测电路，可以通过设置两套生物电信号探测电路探测用户左右两侧完全对称的信号，两组信号相互印证，让信号更加稳定，也可以将两套生物生物电信号设置在不同的位置，用于探测完全不同的信号。
[0068]图15和图16的情形中，所述探测电极1、参考电极1、地电极I与所述探测电极2、参考电极2、地电极2之间完全对称布置，两组生物电信号探测电路探测完全对称的信号，可以通过计算得到更加稳定的控制效果。图17的情形中，探测电极I与参考电极I之间可以提取脑电信号、水平眼动信号、眨眼以及肌电信号;探测电极2与参考电极2之间可以提取脑电信号、垂直眼动信号、眨眼信号以及肌电信号;分别从两套生物电信号探测电路中提取的信号可以相互补充和相互印证。
[0069]实施例五:
图18所示为实施例五的基本结构图，如图中所示，本实施例所述的具有基于生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，包括探测电极右1、探测电极右2、探测电极左1、探测电极左2、参考电极左、参考电极右、地电极左、地电极右、模拟信号处理模块，模拟数字转换模块，数字信号处理模块和虚拟现实主机电路。
[0070]图19和图20为实施例五的两种电极分布方案示例，其中112为探测电极右I，113为探测电极右2，114为探测电极左I，115为探测电极左2，116为参考电极右，117为参考电极左，118为地电极右，119为地电极左。
[0071]本实施例中，针对用户的左右半脑和左右眼，分别具有各自的两个探测电极和各自的参考电极和地电极，根据需要，具有更加丰富的电极排布方式。本实施例，可以在同时测量脑电信号的时候，同时分别测得左眼眼动信号、左面部肌电信号、右眼眼动信号和右面部肌电信号，从而可以提取出更加丰富的生物电信号用于控制。
[0072]上述实施例仅为本发明所述的具有基于生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备的部分优选实施方式，并非本发明所述技术方案的穷举，任何本领域技术人员，都可以在不付出创造性劳动的情况下，在本发明公开的范围内得到其它的实施方式，因此，上述实施例并不对本发明的保护范围形成限制，本发明的实际保护范围应该以权利要求书为准。
【主权项】
1.一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，包括虚拟现实设备的主机电路，其特征在于，还包括生物电信号采集电极和生物电信号处理模块； 所述生物电信号采集电极与所述生物电信号处理模块电气连接，所述生物电信号处理模块与所述虚拟现实设备的主机电路电气连接； 所述生物电信号处理模块接收并处理所述生物电信号采集电极采集到的生物电信号，所述虚拟现实设备的主机电路接收所述生物电信号处理模块处理后的信号并用于所述虚拟现实设备的人机交互控制中。2.根据权利要求1所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述生物电信号采集电极包括探测电极、参考电极和地电极； 所述生物电信号处理模块从所述探测电极与参考电极之间测得所需的生物电信号。3.根据权利要求2所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述生物电信号米集电极有三个，包括一个探测电极、一个参考电极和一个地电极； 所述探测电极在用户的前额，所述参考电极和地电极分别在用户面部或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户的耳垂上； 所述生物电信号处理模块从所述探测电极与所述参考电极之间测得所需的生物电信号。4.根据权利要求2所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述生物电信号采集电极有四个，包括探测电极、参考电极1、参考电极2和地电极； 所述探测电极在用户的前额，所述参考电极1在所述探测电极的水平方向，所述参考电极2在所述探测电极的竖直方向，所述地电极在用户面部或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户的耳垂上； 所述生物电信号处理模块从所述探测电极与所述参考电极1之间测得所需的生物电信号，从所述探测电极与所述参考电极2直接获得所述探测电极与所述参考电极1之间难以测得的生物电信号作为补充。5.根据权利要求2所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述生物电信号采集电极有五个，包括探测电极1、探测电极2、参考电极1、参考电极2和地电极； 所述探测电极1和探测电极2分别在用户的前额或聂侧，所述参考电极1、参考电极2和地电极分别在用户面部或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户的耳垂上； 所述生物电信号处理模块从所述探测电极1与所述参考电极1之间测得所需的生物电信号，从所述探测电极2与所述参考电极2之间测得探测电极1与参考电极1之间不易测得的生物电信号作为补充。6.根据权利要求2所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述生物电信号采集电极有多套，每套生物电信号采集电极分别包括探测电极、参考电极和地电极； 所述各套生物电信号采集电极之间不相联通，分别各自独立地采集生物电信号。7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述生物电信号处理模块，包括模拟信号处理模块、模数转换模块和数字信号处理模块； 所述模拟信号处理模块对生物电信号采集电极采集到的信号进行处理，所述模数转换模块将模拟信号处理模块处理后的模拟量信号数字化后传给数字信号处理模块处理。8.根据权利要求7所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述探测电极和参考电极通过屏蔽线连接所述模拟信号处理模块的差分输入端;所述地电极通过屏蔽线连接在所述模拟信号处理模块的对消电路信号输出端。9.根据权利要求7所述的一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备，其特征为，所述数字信号处理模块包括数字信号预处理模块、特征信号提取模块和特征信号处理模块； 所述特征信号提取模块从经过数字信号预处理模块处理后的生物电信号中提取出脑电信号、眼电信号和肌电信号，并传输给所述特征信号处理模块分别进行处理。10.—种在虚拟现实设备中实现基于头部生物电信号的人机交互功能的方法，其特征在于，使用了权利要求1?9中任意一项所述的虚拟现实设备的电气结构。
【专利摘要】本发明涉及一种智能穿戴设备，特别是一种具有基于头部生物电信号的人机交互功能的虚拟现实设备。本发明所述虚拟现实设备，通过将生物电信号采集模块加入到传统的虚拟现实设备中，并通过所述生物电信号采集模块同时采集用户的脑电信号（EEG）、眼电信号（EOG）和肌电信号（EMG），通过对这三种特征信号的分析计算，可以在虚拟现实设备上实现包括脑电交互、眼电交互、肌电交互以及它们的组合等多种方式的人机交互功能。
【IPC分类】G06F3/01
【公开号】CN105487676
【申请号】CN201610026841
【发明人】仲佳, 鲁呈虎, 钱源, 卓成强
【申请人】仲佳, 鲁呈虎
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月17日
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