一种头控装置及其方法
一种头控装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种智能穿戴设备，特别是一种基于头部生物电信号采集和头部动作姿态传感的可用于实时人机交互的头控装置。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的不断发展，个人移动设备产品已经得到普及，并已经具有了个人计算机的很多功能，而且更加趋于便携。个人移动设备产品一直在向穿戴式方向发展，相信在不久的将来，个人移动设备将像一副眼镜一样方便地戴在脸上。
[0003]然而这种穿戴式的智能设备的人机交互方式，却不能像手持式智能设备那样可以采用传统的触摸屏或者键盘输入的方法。基于这种传统的人机交互方式无法在智能穿戴设备上使用的情况，科技工作者也已经做了大量的工作，研发了包括语音交互、手势输入、脑机交互、眼球追踪等适用于这种穿戴式智能设备的人机交互方法和设备。
[0004]其中与生物电信号有关的智能设备也出现了不少，有用于提高玩家游戏反应速度的卩00.118头环，有用脑电信号进行控制的头环产品，比如組11(^]^和1^1；[111^111^等。
[0005]然而这些现有设备都是读取和使用头部生物电信号中的脑电信号(EEG)，其主要的功能就是专注度和放松度的检测，在控制上功能单一，再加上专注度和放松度并不适用于实时控制，所以给用户带来的使用感觉一般。
[0006]而事实上，在做脑电信号采集的时候，同时还可以采集到眼电信号(E0G)、肌电信号(EMG)等可以利用的生物电信号，而且眼电信号(E0G)和肌电信号相(EMG)比脑电的专注度和放松度来讲具有相当优秀的实时性，经处理后完全可以用于实时控制。
[0007]现有技术中，有几项与“头控鼠标”有关的专利技术，多是基于摄像头和/或动作姿态传感器的技术解决方案。
[0008]现有技术中，还有一项申请号为201510278763.7名称为“一种无线干电极脑电采集及动作识别方法及系统”的专利技术，这项技术中，采用了姿态传感器加脑电采集电路结合的方式，提高了头部控制的维度。但是，因为此专利技术依旧只是在姿态传感器的基础上增加了脑电信号(EEG)采集的功能，并未对眼电信号(E0G)和肌电信号(EMG)加以检测和利用，使得整项技术在控制功能上依旧有很大的提升空间。
【发明内容】
[0009]基于现有技术中的不足，本发明的任务是提供一种用于人机交互的基于生物电信号传感的头控装置，其主要特征包括:生物电信号传感模块，CPU，通讯模块，电源模块和可穿戴载体。
[0010]其中，所述生物电信号传感模块采集的数据包括脑电信号(EEG)、眼电信号(E0G)和肌电信号(EMG)。
[0011]其中，所述CPU、生物电信号传感模块通讯模块、电源模块之间电气连接，并与所述可穿戴载体物理连接成为一体。
[0012]其中，所述生物电信号传感模块采集的信号数据，经CPU处理后通过通讯模块传输到受控设备用于人机交互功能。
[0013]其中，所述脑电信号(EEG)，包括专注度与放松度，所述专注度与放松度为用户大脑的专注和放松状态反应在生物电信号上的数据;所述面部肌电信号(EMG)，包括用户的皱眉、咬牙等面部动作产生的生物电信号;所述眼电信号(E0G)，包括眨眼、水平眼动等眼部动作产生的生物电信号。
[0014]其中，所述CPU分别与生物电信号传感模块、通讯模块和电源模块连接。所述生物电信号传感模块采集到的信号经CHJ处理后通过通讯模块传输到远端的受控设备。
[0015]优选的，所述生物电信号传感模块包括电极和生物电信号预处理模块。所述电极为与人体皮肤接触的电极，用于探测人体皮肤表面的生物电信号;所述生物电信号预处理模块包括模拟信号放大电路、对消电路、模拟信号滤波电路和AD转换电路。
[0016]优选的，所述电极包括探测电极、参考电极、地电极。优选的，所述探测电极的位置为用户前额，优选国际脑电图学会标定的10/20电极导联定位标准中的Fpl和Fp2中的一个，所述参考电极和地电极的位置可分别位于距离探测电极较远的用户前额或用户耳后乳突处或用户耳垂上。
[0017]优选的，所述生物电信号预处理模块中的模拟信号放大电路，同时连接所述探测电极和参考电极，其中探测电极和参考电极连接在所述模拟信号放大电路的两个差分输入端，用于放大生物电信号。所述模拟信号处理模块中的对消电路(右腿驱动电路)的输入端连接模拟信号放大电路，输出端连接地电极，用于有效抑制工频干扰。所述模拟信号放大电路输出的信号经滤波电路滤波和AD转换电路进行AD转换后，传给所述CPU进行处理。
[0018]优选的，所述CPU接收到AD转换后的生物电信号，直接通过通讯模块传输到受控设备，由受控设备上的程序进行必要的去基线漂移和工频陷波，以及对特征信号的提取和处理，并最终用于控制功能。
[0019]优选的，所述CPU接收到AD转换后的生物电信号，进行必要的去基线漂移和工频陷波后，直接通过通讯模块传输到受控设备，由受控设备上的程序进行特征信号的提取和处理，并最终用于控制功能。
[0020]优选的，所述CPU中还有特征信号提取模块，所述特征信号提取模块从生物电信号传感模块接收到的生物电信号中解析出可用的脑电信号、眼电信号和肌电信号，然后通过通讯模块传输到受控设备，由受控设备上的程序进行特征信号处理，并最终用于控制功能。
[0021]优选的，所述CPU中还有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生物电信号传感模块接收到的生物电信号中解析出可用的脑电信号、眼电信号和肌电信号;所述特征信号处理模块分别对所述脑电信号、眼电信号和肌电信号进行处理，经过所述特征信号处理模块处理后的脑电信号、眼电信号和肌电信号，通过通讯模块传输到受控设备，用于控制功能。
[0022]优选的，所述通讯模块为无线通讯模块，在用户佩戴时可以免除连线的干扰，让用户具有更大的活动空间。
[0023]优选的，所述无线通讯模块包括蓝牙模块和/或WiFi模块，其中所述蓝牙模块还可以包括电脑端的蓝牙适配器。
[0024]优选的，所述电源模块包括可充电电池和充电电路，所述可充电电池在为所述电路供电时不会像外接电源那样引入复杂的纹波，优选的，所述充电电路为USB充电电路，在所述可充电电池电量不足时，可以通过USB线连接电脑，一边使用一边对所述可充电电池充电。
[0025]优选的，所述电源模块为隔离电源模块，所述隔离电源模块通过外接电源供电，所述隔离电源模块可以在外接电源给头环供电时，减少供电电源引入的杂波，还可以防止外部电源对用户头部产生电击，让用户正常使用时足够安全。
[0026]优选的，所述电源模块包括可充电电池和发电模块，其中所述发电模块包括光伏发电模块和/或温差发电模块。其中，优选的，所述光伏发电模块为在光线不够充足的环境下也能高效发电的染料敏化型光伏发电模块，使得用户在佩戴本发明所述装置时可以随时充电。所述温差发电模块在人体表面温度与环境温差大的时候也可以为所述可充电电池充电。
[0027]优选的，所述电源模块为可更换电池，通过快速更换电池可以节省头环在线充电的时间。
[0028]优选的，所述可穿戴载体为弹性头带，所述头带在佩戴时可以轻松拉开，佩戴好后可以通过弹性头带的收缩使头带固定在用户的头部并同时使得各个电极稳定地与用户头部皮肤接触。
[0029]优选的，所述可穿戴载体为软头带，头带后方有用于固定和收紧的魔术贴。
[0030]优选的，所述可穿戴载体为硬头带，所述硬头带的后方有松紧调节装置。
[0031]优选的，所述可穿戴载体为头盔、帽子等，所述探测电极、参考电极和地电极固定在头盔或帽子的内部，用户在穿戴头盔或帽子时所述探测电极、参考电极和地电极都可以和用户头部皮肤稳定接触。
[0032]优选的，所述可穿戴载体为头戴式耳机，所述探测电极从耳机头带引到用户前额，所述参考电极和地电极固定在耳机的海绵套上，用户佩戴时，所述参考电极和地电极可以稳定地压在用户的耳垂附近。
[0033]相应的，一种基于头部生物电信号的头控方法，其特征为，包括如下步骤:
a.通过位于用户前额的探测电极和分别位于用户前额远离探测电极的一侧或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户耳垂上的参考电极和地电极，采集用户头部的生物电信号；
b.生物电信号预处理模块对步骤a中得到的生物电信号进行放大、滤波；
c.AD转换模块对经过步骤b处理后的信号进行AD转换，并将数字化的信号传给CPU进行处理；
d.CPU中的数字信号预处理模块对AD转换后的信号进行去基线漂移和工频陷波；
e.CPU中的特征信号提取模块从步骤d处理后的信号中提取脑电信号、眼电信号和肌电信号，供特征信号处理模块处理；
f.CPU中的特征信号处理模块分别对脑电信号、眼电信号和肌电信号进行处理并生成相应的控制信号；
g.将步骤f中得到 的控制信号传输到受控设备实现控制功能。
[0034]其中，所述d、e、f三个步骤，并不局限于在CPU中完成，还可以部分或者全部在受控设备中完成。
[0035]本发明的另一任务是提供一种用于人机交互的基于生物电信号和头部动作姿态传感的头控装置，其特征为:在上述基于生物电信号传感的头控装置的基础上，还包括动作姿态传感模块。
[0036]其中，所述CPU、生物电信号传感模块、动作姿态传感模块、通讯模块、电源模块之间电气连接，并与所述可穿戴载体物理连接成为一体。
[0037]其中，所述生物电信号传感模块和动作姿态传感模块采集的信号数据，经CPU处理后通过通讯模块传输到受控设备用于人机交互功能。
[0038]其中，所述生物电信号传感模块和动作姿态传感模块采集的信号数据，经CPU接收后，不做任何处理，直接通过通讯模块传输到受控设备，由受控设备上的程序进行必要的处理后用于人机交互功能。
[0039]其中，优选的，所述动作姿态传感模块采集的数据包括用户头部的动作数据、姿态数据以及人体位移数据。
[0040]其中，优选的，所述动作姿态传感模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和磁力计中的一个、两个或三个。
[0041]相应的，一种基于头部生物电信号和头部动作姿态的头控方法，其特征为，包括如下步骤:
a.通过位于用户前额的探测电极和分别位于用户前额远离探测电极的一侧或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户耳垂上的参考电极和地电极，采集用户头部的生物电信号;通过动作姿态传感器采集用户头部的动作姿态信号以及位移数据；
b.生物电信号预处理模块对步骤a中得到的生物电信号进行放大、滤波、抑制工频干扰等初步处理；
c.AD转换模块对经过步骤b处理后的信号进行AD转换，并将数字化的信号传给CPU进行处理；
d.CPU中的数字信号预处理模块对AD转换后的信号进行去基线漂移和工频陷波；
e.CPU中的特征信号提取模块从步骤d处理后的信号中提取脑电信号、眼电信号和肌电信号，供特征信号处理模块处理；
f.CPU中的特征信号处理模块分别对脑电信号、眼电信号和肌电信号进行处理并结合动作姿态传感器采集的用户头部动作姿态信号生成相应的控制信号；
g.将步骤f中得到的控制信号传输到受控设备实现控制功能。
[0042]其中，所述d、e、f三个步骤，并不局限于在CPU中完成，还可以部分或者全部在受控设备中完成。
[0043]本发明的有益效果是，通过生物电信号传感模块采集用户的脑电信号(EEG)、眼电信号(E0G)、肌电信号(EMG)，并将这些信号数据处理后传输到受控设备用于人机交互控制，实现了人机交互方式的多元化，丰富了用户的人机交互体验。本发明的另一技术方案，通过同时集用户的脑电信号(EEG)、眼电信号(E0G)、肌电信号(EMG)、头部动作信号、姿态信号、人体位移信号等数据，并将这些信号数据处理后传输到受控设备用于人机交互控制，进一步实现了人机交互方式的参数多元化，也进一步加强了用户的人机交互体验。
【附图说明】
[0044]图1:国际脑电图学会标定的10/20电极导联定位标准。
[0045]图2:本发明所述的基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的一种头环式优选实施方式基本结构图。
[0046]图3:所述基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的弹性头带式头环的一种优选实施方式外观结构图。
[0047]图4:所述基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的软头带式头环的一种优选实施方式外观结构图。
[0048]图5:所述基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的硬头带式头环的一种优选实施方式外观结构图。
[0049]图6:所述基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的硬头带式头环的另一种优选实施方式外观结构图。
[0050]图7:所述基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的耳夹电极式头环的一种优选实施方式外观结构图。
【具体实施方式】
[0051]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。
[0052]实施例一:
图2所示为实施例一的一种基于头部动作姿态和生物电信号的人机交互装置的一种头环式优选实施方式基本结构图，其中001为头带，002为头环主机，头环主机002中的003为主机线路板，004为电源模块，005为九轴传感器模块，006为生物电信号预处理模块，007为CPU，008为无线通讯模块，009为探测电极，010为地电极(GND)，011为参考电极(REF)。
[0053]图3所示为实施例一的基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的弹性头带式头环的一种优选实施方式外观结构图，其中编号与图2中编号一致的特征为同一特征。
[0054]本实施例中，CPU007分别与电源模块004、九轴传感器模块005、生物电信号预处理模块006、无线通讯模块008连接。
[0055]本实施例中，头环主机002内侧采用贴合用户头部的曲面设计，在头环主机的内侧设置有三个电极，分别为探测电极009，地电极010，参考电极011。
[0056]本实施例中，头带001为宽松紧带，用户佩戴时可以轻松拉开，佩戴后头带001收缩使探测电极009、地电极010以及参考电极011可以有效和用户前额接触。
[0057]本实施例中，生物电信号预处理模块006从探测电极009、地电极010、参考电极011获取用户前额的原始生物电信号，进行差分放大、滤波、AD转换等预处理后送入CPU007，CPU007对数字化信号再次处理后通过无线通讯模块008传输给远端的受控设备。
[0058]本实施例中，CPU007中还有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生物电信号传感模块接收到的生物电信号中解析出可用的脑电信号、眼电信号和肌电信号;所述特征信号处理模块分别对所述脑电信号、眼电信号和肌电信号进行处理，经过所述特征信号处理模块处理后的脑电信号、眼电信号和肌电信号，通过通讯模块传输到受控设备，用于控制功能。其中，所述特征信号提取模块和特征信号处理模块可以在CPU007中也可以在受控设备中。
[0059]本实施例中，所述生物电信号包括脑电信号(EEG)、肌电信号(EMG)、眼电信号(EOG)，所述脑电信号(EEG)包括用户的专注度与放松度;所述肌电信号(EMG)包括用户的皱眉、咬牙等特征面部动作产生的特征肌电信号;所述眼电信号(EOG)包括向水平眼动、眨眼等眼部动作产生的特征眼电信号。其中所述专注度、放松度信号可以用于用户精神状态的评估以及基于精神状态调整的一些实时性要求不高的控制功能;所述皱眉、咬牙等面部肌电信号，可以根据肌电信号的强弱绑定鼠标左键和键盘W键;所述水平眼动，也可以绑定键盘A和D按键，眨眼动作可以绑定键盘空格键;头部运动可以绑定光标的移动，提高用户在游戏中的反应速度等。
[0060]本实施例中，九轴传感器模块005监测用户的头部运动状态、头部姿态和人体位移，并通过CPU007对九轴传感器所测得的数据做预处理，之后再经过无线通讯模块008传输给远端的受控设备。
[0061]本实施例中，无线通讯模块008为蓝牙模块，可以连接手机、平板电脑等个人移动设备，也可以连接笔记本电脑甚至通过配备一个蓝牙适配器连接台式机电脑。
[0062]本实施例中，电极采用导电硅胶材质，具有优秀的舒适性和传感效率，电极的摆放采用Fpl摆放探测电极009，Fp2两侧摆放参考电极011和地电极010的方式，其中靠近眉心处为地电极(GND)O1，用于抑制工频干扰，靠近聂侧为参考电极(REF)Oll。通过差分放大探测电极009与参考电极011之间的电势信号得到载有脑电信号(EEG)、眼电信号(E0G)、面部肌电信号(EMG)的生物电信号。
[0063]本实施例中，电源模块004可以为可充电电池与充电电路的组合或为隔离电源模块与USB供电电路的组合或为可充电电池与发电模块的组合或为可更换电池；其中，所述USB供电电路对所述隔离电源模块输入端供电，所述发电模块包括光伏发电模块和/或温差发电模块。
[0064]本实施例中，生物电信号预处理模块006，接收来自电极的包含脑电、肌电、眼电等多种信号的生物电信号，通过差分放大、滤波、AD转换等预处理得到载有脑电信号(EEG)、面部肌电信号(EMG)、眼电信号(E0G)的可用波形信号，并最终将此可用的波形信号经过处理，通过无线通讯模块008传输到受控设备。
[0065]本实施例中，通过九轴传感器005传感人体头部的姿态、运动状态、人体位移等信息，并将此信息经过CPU007预处理后通过无线通讯模块008传输到受控设备用于人机交互。
[0066]实施例二:
如图4所示为 基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的软头带式头环的一种优选实施方式外观结构图，其中101为软头带，102为主机，103为为探测电极，104为地电极，105为参考电极，106为主机102上的USB接口。
[0067]实施例二与实施例一的电气结构是一致的，不同点有两个:头带方面，实施例2采用具有一定透气性的软头带101环绕用户头部，通过软头带101两端固定的魔术贴在脑后连接软头带的两端；主机102固定在软头带101的一端，并在用户佩戴后处于脑后;探测电极103、地电极104、参考电极105通过屏蔽线引到用户的前额，所述探测电极103、地电极104、参考电极105的屏蔽线埋在软头带101中。
[0068]本实施例的另一优选方式，可以将主机102固定在软头带101的中间部分，使得用户在佩戴时头环主机102位于用户的前额或聂侧，这样方便用户躺着使用。
[0069]实施例三:
如图5所示为基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的硬头带式头环的一种优选实施方式外观结构图，图中201为硬头带，202为头环主机，203为探测电极，204为地电极，205为参考电极，206为头环调节器，207为头环调节手轮。
[0070]本实施例与实施例一的电气结构和原理是一致的，不同点在于，采用硬头带设计，硬头带201的曲率弧度为贴合人体头部的曲面设计，硬头带201的前端用户前额部分固定着头环主机202，硬头带201的后端用户后脑部分固定着头环调节器206，用户佩戴好头环后，可以通过头环调节器206上的调节手轮207调节头带201的松紧。
[0071]本实施例的另一优选方式，还可以将头环调节器设置在前额的头环主机上，这样设计便于用户躺着使用，在头部靠在枕头或靠枕上时不至于不舒服。
[0072]实施例四:
如图6所示为基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的硬头带式头环的另一种优选实施方式外观结构图，图中301为硬头带，302为头环主机，303为头环调节器，304为探查电极，305为参考电极，306为地电极，307为头环调节手轮。
[0073]本实施例与实施例一的电气结构和原理是一致的，不同点在于，头环主机302所在位置为用户耳边，地电极306和参考电极305固定在头环主机302的内侧，用户佩戴时可以压在用户的耳后乳突附近。
[0074]实施例五:
如图7所示为基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的耳夹电极式头环的一种优选实施方式外观结构图，图中编号与图3中编号一致的特征为同一特征;其中107为耳夹，108为耳夹电极屏蔽线，109为耳夹电极接头。
[0075]本实施例与实施例2基本一致，不同点在于，参考电极105和地电极104同时移到了耳夹的两瓣上。用户佩戴时通过将耳夹107夹在耳垂上，可以实现参考电极和地电极同时稳定地与用户的耳垂接触。
[0076]实施例六:
本实施例包含实施例一中除九轴传感模块005以外的其它所有特征，本实施例通过生物电信号预处理模块006，接收来自电极的包含脑电、肌电、眼电等多种信号的生物电信号，通过差分放大、滤波、AD转换等预处理得到载有脑电信号(EEG)、面部肌电信号(EMG)、眼电信号(E0G)的可用波形信号，并最终将此可用的波形信号经过处理，通过无线通讯模块008传输到受控设备。
[0077]上述实施例仅为本发明所述装置的部分优选实施方式，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】
1.一种基于头部生物电信号的头控装置，其特征包括:生物电信号传感模块、CPU、通讯模块、电源模块、可穿戴载体； 所述CPU、生物电信号传感模块、通讯模块、电源模块之间电气连接，并与所述可穿戴载体物理连接成为一体； 所述生物电信号传感模块采集的数据包括脑电信号、眼电信号和肌电信号，所述生物电信号传感模块采集的脑电信号、眼电信号和肌电信号数据，经CHJ处理后通过通讯模块传输到受控设备用于人机交互功能。2.根据权利要求1所述的一种基于头部生物电信号的头控装置，其特征为，所述生物电信号传感模块包括电极和生物电信号预处理模块，所述生物电信号传感模块通过跟头部皮肤接触的电极采集头部皮肤的生物电信号，所述生物电信号预处理模块包括模拟信号放大电路和模拟信号滤波电路。3.根据权利要求2所述的一种基于头部生物电信号的头控装置，其特征为，所述电极包括探测电极、参考电极和地电极； 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前额远离探测电极的一侧或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户的耳垂上。4.根据权利要求1或2所述的一种基于头部生物电信号的头控装置，其特征为，所述CPU中有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生物电信号传感模块接收到的生物电信号中解析出可用的脑电信号、眼电信号和肌电信号； 所述特征信号处理模块分别对所述脑电信号、眼电信号和肌电信号进行处理，经过所述特征信号处理模块处理后的脑电信号、眼电信号和肌电信号，通过通讯模块传输到受控设备。5.根据权利要求1、2或3所述的一种基于头部生物电信号的头控装置，其特征为，所述通讯模块为无线通讯模块。6.根据权利要求1、2或3所述的一种基于头部生物电信号的头控装置，其特征为，所述电源模块为可充电电池与充电电路的组合或为隔离电源模块与USB供电电路的组合或为可充电电池与发电模块的组合或为可更换电池； 其中，所述USB供电电路对所述隔离电源模块输入端供电，所述发电模块包括光伏发电模块和/或温差发电模块。7.根据权利要求1、2或3所述的一种基于头部生物电信号的头控装置，其特征为，所述可穿戴载体为头带或帽子或头盔或头戴式耳机;其中所述头带可以为弹性头带或硬头带或软头带。8.一种基于头部生物电信号的头控方法，其特征为，包括如下步骤: a.采集用户头部的生物电信号； b.对步骤a中得到的生物电信号进行放大、滤波、抑制工频干扰； c.对经过步骤b处理后的信号进行AD转换； d.对AD转换后的信号进行去基线漂移和工频陷波； e.从步骤d处理后的信号中提取脑电信号、眼电信号和肌电信号； f.分别对脑电信号、眼电信号和肌电信号进行处理并生成相应的控制信号 g.将步骤f中得到的控制信号传输到受控设备实现控制功能。9.一种基于头部生物电信号和头部动作姿态的头控装置，包括权利要求1到7中任意一项所述的全部技术特征，其特征为:还包括用于采集头部动作姿态的动作姿态传感模块； 所述CPU、生物电信号传感模块、动作姿态传感模块、通讯模块、电源模块之间电气连接，并与所述可穿戴载体物理连接成为一体； 所述生物电信号传感模块和动作姿态传感模块采集的信号数据，经CPU处理后通过通讯模块传输到受控设备用于人机交互功能； 或者，所述生物电信号传感模块和动作姿态传感模块采集的信号数据，经CPU接收后，直接通过通讯模块传输到受控设备，由受控设备进行处理，并最终用于人机交互功能。10.根据权利要求9所述的一种基于头部生物电信号和头部动作姿态的头控装置，其特征为，所述用于采集头部动作姿态的动作姿态传感模块，包括三轴陀螺仪和/或三轴加速度i+o11.一种基于头部生物电信号和头部动作姿态的头控方法，其特征为，包括如下步骤: a.采集用户头部的生物电信号和头部动作姿态信号； b.对步骤a中得到的生物电信号进行放大、滤波、抑制工频干扰； c.对经过步骤b处理后的信号进行AD转换； d.对AD转换后的信号进行去基线漂移和工频陷波； e.从步骤d处理后的信号中提取脑电信号、眼电信号和肌电信号； f.分别对脑电信号、眼电信号和肌电信号进行处理并结合头部动作姿态信号生成相应的控制信号； g.将步骤f中得到的控制信号传输到受控设备实现控制功能。
【专利摘要】本发明涉及一种智能穿戴装置，特别是一种基于头部生物电信号采集和头部动作姿态传感的具有实时人机交互功能的智能装置。本发明所述设备，通过生物电信号传感模块和动作姿态传感模块同时采集用户头部的生物电信号和头部动作姿态信号，用于人机交互。本发明所述装置，通过充分利用生物电信号的中的脑电信号、眼电信号和肌电信号和同时利用头部动作姿态信号，实现包括脑电交互、眼电交互、肌电交互、头部动作姿态交互等多种方式的人机交互功能。本发明所述人机交互装置，适用于智能穿戴设备、智能手持设备、电脑等智能终端的人机交互，丰富了人机交互方式的同时也提高了用户的体验效果。
【IPC分类】A61B5/0496, A61B5/0488, A61B5/0476, A61B5/11, G06F3/01
【公开号】CN105487674
【申请号】CN201610026838
【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，特别是一种基于头部生物电信号采集和头部动作姿态传感的可用于实时人机交互的头控装置。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的不断发展，个人移动设备产品已经得到普及，并已经具有了个人计算机的很多功能，而且更加趋于便携。个人移动设备产品一直在向穿戴式方向发展，相信在不久的将来，个人移动设备将像一副眼镜一样方便地戴在脸上。
[0003]然而这种穿戴式的智能设备的人机交互方式，却不能像手持式智能设备那样可以采用传统的触摸屏或者键盘输入的方法。基于这种传统的人机交互方式无法在智能穿戴设备上使用的情况，科技工作者也已经做了大量的工作，研发了包括语音交互、手势输入、脑机交互、眼球追踪等适用于这种穿戴式智能设备的人机交互方法和设备。
[0004]其中与生物电信号有关的智能设备也出现了不少，有用于提高玩家游戏反应速度的卩00.118头环，有用脑电信号进行控制的头环产品，比如組11(^]^和1^1；[111^111^等。
[0005]然而这些现有设备都是读取和使用头部生物电信号中的脑电信号(EEG)，其主要的功能就是专注度和放松度的检测，在控制上功能单一，再加上专注度和放松度并不适用于实时控制，所以给用户带来的使用感觉一般。
[0006]而事实上，在做脑电信号采集的时候，同时还可以采集到眼电信号(E0G)、肌电信号(EMG)等可以利用的生物电信号，而且眼电信号(E0G)和肌电信号相(EMG)比脑电的专注度和放松度来讲具有相当优秀的实时性，经处理后完全可以用于实时控制。
[0007]现有技术中，有几项与“头控鼠标”有关的专利技术，多是基于摄像头和/或动作姿态传感器的技术解决方案。
[0008]现有技术中，还有一项申请号为201510278763.7名称为“一种无线干电极脑电采集及动作识别方法及系统”的专利技术，这项技术中，采用了姿态传感器加脑电采集电路结合的方式，提高了头部控制的维度。但是，因为此专利技术依旧只是在姿态传感器的基础上增加了脑电信号(EEG)采集的功能，并未对眼电信号(E0G)和肌电信号(EMG)加以检测和利用，使得整项技术在控制功能上依旧有很大的提升空间。
【发明内容】
[0009]基于现有技术中的不足，本发明的任务是提供一种用于人机交互的基于生物电信号传感的头控装置，其主要特征包括:生物电信号传感模块，CPU，通讯模块，电源模块和可穿戴载体。
[0010]其中，所述生物电信号传感模块采集的数据包括脑电信号(EEG)、眼电信号(E0G)和肌电信号(EMG)。
[0011]其中，所述CPU、生物电信号传感模块通讯模块、电源模块之间电气连接，并与所述可穿戴载体物理连接成为一体。
[0012]其中，所述生物电信号传感模块采集的信号数据，经CPU处理后通过通讯模块传输到受控设备用于人机交互功能。
[0013]其中，所述脑电信号(EEG)，包括专注度与放松度，所述专注度与放松度为用户大脑的专注和放松状态反应在生物电信号上的数据;所述面部肌电信号(EMG)，包括用户的皱眉、咬牙等面部动作产生的生物电信号;所述眼电信号(E0G)，包括眨眼、水平眼动等眼部动作产生的生物电信号。
[0014]其中，所述CPU分别与生物电信号传感模块、通讯模块和电源模块连接。所述生物电信号传感模块采集到的信号经CHJ处理后通过通讯模块传输到远端的受控设备。
[0015]优选的，所述生物电信号传感模块包括电极和生物电信号预处理模块。所述电极为与人体皮肤接触的电极，用于探测人体皮肤表面的生物电信号;所述生物电信号预处理模块包括模拟信号放大电路、对消电路、模拟信号滤波电路和AD转换电路。
[0016]优选的，所述电极包括探测电极、参考电极、地电极。优选的，所述探测电极的位置为用户前额，优选国际脑电图学会标定的10/20电极导联定位标准中的Fpl和Fp2中的一个，所述参考电极和地电极的位置可分别位于距离探测电极较远的用户前额或用户耳后乳突处或用户耳垂上。
[0017]优选的，所述生物电信号预处理模块中的模拟信号放大电路，同时连接所述探测电极和参考电极，其中探测电极和参考电极连接在所述模拟信号放大电路的两个差分输入端，用于放大生物电信号。所述模拟信号处理模块中的对消电路(右腿驱动电路)的输入端连接模拟信号放大电路，输出端连接地电极，用于有效抑制工频干扰。所述模拟信号放大电路输出的信号经滤波电路滤波和AD转换电路进行AD转换后，传给所述CPU进行处理。
[0018]优选的，所述CPU接收到AD转换后的生物电信号，直接通过通讯模块传输到受控设备，由受控设备上的程序进行必要的去基线漂移和工频陷波，以及对特征信号的提取和处理，并最终用于控制功能。
[0019]优选的，所述CPU接收到AD转换后的生物电信号，进行必要的去基线漂移和工频陷波后，直接通过通讯模块传输到受控设备，由受控设备上的程序进行特征信号的提取和处理，并最终用于控制功能。
[0020]优选的，所述CPU中还有特征信号提取模块，所述特征信号提取模块从生物电信号传感模块接收到的生物电信号中解析出可用的脑电信号、眼电信号和肌电信号，然后通过通讯模块传输到受控设备，由受控设备上的程序进行特征信号处理，并最终用于控制功能。
[0021]优选的，所述CPU中还有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生物电信号传感模块接收到的生物电信号中解析出可用的脑电信号、眼电信号和肌电信号;所述特征信号处理模块分别对所述脑电信号、眼电信号和肌电信号进行处理，经过所述特征信号处理模块处理后的脑电信号、眼电信号和肌电信号，通过通讯模块传输到受控设备，用于控制功能。
[0022]优选的，所述通讯模块为无线通讯模块，在用户佩戴时可以免除连线的干扰，让用户具有更大的活动空间。
[0023]优选的，所述无线通讯模块包括蓝牙模块和/或WiFi模块，其中所述蓝牙模块还可以包括电脑端的蓝牙适配器。
[0024]优选的，所述电源模块包括可充电电池和充电电路，所述可充电电池在为所述电路供电时不会像外接电源那样引入复杂的纹波，优选的，所述充电电路为USB充电电路，在所述可充电电池电量不足时，可以通过USB线连接电脑，一边使用一边对所述可充电电池充电。
[0025]优选的，所述电源模块为隔离电源模块，所述隔离电源模块通过外接电源供电，所述隔离电源模块可以在外接电源给头环供电时，减少供电电源引入的杂波，还可以防止外部电源对用户头部产生电击，让用户正常使用时足够安全。
[0026]优选的，所述电源模块包括可充电电池和发电模块，其中所述发电模块包括光伏发电模块和/或温差发电模块。其中，优选的，所述光伏发电模块为在光线不够充足的环境下也能高效发电的染料敏化型光伏发电模块，使得用户在佩戴本发明所述装置时可以随时充电。所述温差发电模块在人体表面温度与环境温差大的时候也可以为所述可充电电池充电。
[0027]优选的，所述电源模块为可更换电池，通过快速更换电池可以节省头环在线充电的时间。
[0028]优选的，所述可穿戴载体为弹性头带，所述头带在佩戴时可以轻松拉开，佩戴好后可以通过弹性头带的收缩使头带固定在用户的头部并同时使得各个电极稳定地与用户头部皮肤接触。
[0029]优选的，所述可穿戴载体为软头带，头带后方有用于固定和收紧的魔术贴。
[0030]优选的，所述可穿戴载体为硬头带，所述硬头带的后方有松紧调节装置。
[0031]优选的，所述可穿戴载体为头盔、帽子等，所述探测电极、参考电极和地电极固定在头盔或帽子的内部，用户在穿戴头盔或帽子时所述探测电极、参考电极和地电极都可以和用户头部皮肤稳定接触。
[0032]优选的，所述可穿戴载体为头戴式耳机，所述探测电极从耳机头带引到用户前额，所述参考电极和地电极固定在耳机的海绵套上，用户佩戴时，所述参考电极和地电极可以稳定地压在用户的耳垂附近。
[0033]相应的，一种基于头部生物电信号的头控方法，其特征为，包括如下步骤:
a.通过位于用户前额的探测电极和分别位于用户前额远离探测电极的一侧或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户耳垂上的参考电极和地电极，采集用户头部的生物电信号；
b.生物电信号预处理模块对步骤a中得到的生物电信号进行放大、滤波；
c.AD转换模块对经过步骤b处理后的信号进行AD转换，并将数字化的信号传给CPU进行处理；
d.CPU中的数字信号预处理模块对AD转换后的信号进行去基线漂移和工频陷波；
e.CPU中的特征信号提取模块从步骤d处理后的信号中提取脑电信号、眼电信号和肌电信号，供特征信号处理模块处理；
f.CPU中的特征信号处理模块分别对脑电信号、眼电信号和肌电信号进行处理并生成相应的控制信号；
g.将步骤f中得到 的控制信号传输到受控设备实现控制功能。
[0034]其中，所述d、e、f三个步骤，并不局限于在CPU中完成，还可以部分或者全部在受控设备中完成。
[0035]本发明的另一任务是提供一种用于人机交互的基于生物电信号和头部动作姿态传感的头控装置，其特征为:在上述基于生物电信号传感的头控装置的基础上，还包括动作姿态传感模块。
[0036]其中，所述CPU、生物电信号传感模块、动作姿态传感模块、通讯模块、电源模块之间电气连接，并与所述可穿戴载体物理连接成为一体。
[0037]其中，所述生物电信号传感模块和动作姿态传感模块采集的信号数据，经CPU处理后通过通讯模块传输到受控设备用于人机交互功能。
[0038]其中，所述生物电信号传感模块和动作姿态传感模块采集的信号数据，经CPU接收后，不做任何处理，直接通过通讯模块传输到受控设备，由受控设备上的程序进行必要的处理后用于人机交互功能。
[0039]其中，优选的，所述动作姿态传感模块采集的数据包括用户头部的动作数据、姿态数据以及人体位移数据。
[0040]其中，优选的，所述动作姿态传感模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和磁力计中的一个、两个或三个。
[0041]相应的，一种基于头部生物电信号和头部动作姿态的头控方法，其特征为，包括如下步骤:
a.通过位于用户前额的探测电极和分别位于用户前额远离探测电极的一侧或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户耳垂上的参考电极和地电极，采集用户头部的生物电信号;通过动作姿态传感器采集用户头部的动作姿态信号以及位移数据；
b.生物电信号预处理模块对步骤a中得到的生物电信号进行放大、滤波、抑制工频干扰等初步处理；
c.AD转换模块对经过步骤b处理后的信号进行AD转换，并将数字化的信号传给CPU进行处理；
d.CPU中的数字信号预处理模块对AD转换后的信号进行去基线漂移和工频陷波；
e.CPU中的特征信号提取模块从步骤d处理后的信号中提取脑电信号、眼电信号和肌电信号，供特征信号处理模块处理；
f.CPU中的特征信号处理模块分别对脑电信号、眼电信号和肌电信号进行处理并结合动作姿态传感器采集的用户头部动作姿态信号生成相应的控制信号；
g.将步骤f中得到的控制信号传输到受控设备实现控制功能。
[0042]其中，所述d、e、f三个步骤，并不局限于在CPU中完成，还可以部分或者全部在受控设备中完成。
[0043]本发明的有益效果是，通过生物电信号传感模块采集用户的脑电信号(EEG)、眼电信号(E0G)、肌电信号(EMG)，并将这些信号数据处理后传输到受控设备用于人机交互控制，实现了人机交互方式的多元化，丰富了用户的人机交互体验。本发明的另一技术方案，通过同时集用户的脑电信号(EEG)、眼电信号(E0G)、肌电信号(EMG)、头部动作信号、姿态信号、人体位移信号等数据，并将这些信号数据处理后传输到受控设备用于人机交互控制，进一步实现了人机交互方式的参数多元化，也进一步加强了用户的人机交互体验。
【附图说明】
[0044]图1:国际脑电图学会标定的10/20电极导联定位标准。
[0045]图2:本发明所述的基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的一种头环式优选实施方式基本结构图。
[0046]图3:所述基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的弹性头带式头环的一种优选实施方式外观结构图。
[0047]图4:所述基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的软头带式头环的一种优选实施方式外观结构图。
[0048]图5:所述基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的硬头带式头环的一种优选实施方式外观结构图。
[0049]图6:所述基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的硬头带式头环的另一种优选实施方式外观结构图。
[0050]图7:所述基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的耳夹电极式头环的一种优选实施方式外观结构图。
【具体实施方式】
[0051]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。
[0052]实施例一:
图2所示为实施例一的一种基于头部动作姿态和生物电信号的人机交互装置的一种头环式优选实施方式基本结构图，其中001为头带，002为头环主机，头环主机002中的003为主机线路板，004为电源模块，005为九轴传感器模块，006为生物电信号预处理模块，007为CPU，008为无线通讯模块，009为探测电极，010为地电极(GND)，011为参考电极(REF)。
[0053]图3所示为实施例一的基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的弹性头带式头环的一种优选实施方式外观结构图，其中编号与图2中编号一致的特征为同一特征。
[0054]本实施例中，CPU007分别与电源模块004、九轴传感器模块005、生物电信号预处理模块006、无线通讯模块008连接。
[0055]本实施例中，头环主机002内侧采用贴合用户头部的曲面设计，在头环主机的内侧设置有三个电极，分别为探测电极009，地电极010，参考电极011。
[0056]本实施例中，头带001为宽松紧带，用户佩戴时可以轻松拉开，佩戴后头带001收缩使探测电极009、地电极010以及参考电极011可以有效和用户前额接触。
[0057]本实施例中，生物电信号预处理模块006从探测电极009、地电极010、参考电极011获取用户前额的原始生物电信号，进行差分放大、滤波、AD转换等预处理后送入CPU007，CPU007对数字化信号再次处理后通过无线通讯模块008传输给远端的受控设备。
[0058]本实施例中，CPU007中还有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生物电信号传感模块接收到的生物电信号中解析出可用的脑电信号、眼电信号和肌电信号;所述特征信号处理模块分别对所述脑电信号、眼电信号和肌电信号进行处理，经过所述特征信号处理模块处理后的脑电信号、眼电信号和肌电信号，通过通讯模块传输到受控设备，用于控制功能。其中，所述特征信号提取模块和特征信号处理模块可以在CPU007中也可以在受控设备中。
[0059]本实施例中，所述生物电信号包括脑电信号(EEG)、肌电信号(EMG)、眼电信号(EOG)，所述脑电信号(EEG)包括用户的专注度与放松度;所述肌电信号(EMG)包括用户的皱眉、咬牙等特征面部动作产生的特征肌电信号;所述眼电信号(EOG)包括向水平眼动、眨眼等眼部动作产生的特征眼电信号。其中所述专注度、放松度信号可以用于用户精神状态的评估以及基于精神状态调整的一些实时性要求不高的控制功能;所述皱眉、咬牙等面部肌电信号，可以根据肌电信号的强弱绑定鼠标左键和键盘W键;所述水平眼动，也可以绑定键盘A和D按键，眨眼动作可以绑定键盘空格键;头部运动可以绑定光标的移动，提高用户在游戏中的反应速度等。
[0060]本实施例中，九轴传感器模块005监测用户的头部运动状态、头部姿态和人体位移，并通过CPU007对九轴传感器所测得的数据做预处理，之后再经过无线通讯模块008传输给远端的受控设备。
[0061]本实施例中，无线通讯模块008为蓝牙模块，可以连接手机、平板电脑等个人移动设备，也可以连接笔记本电脑甚至通过配备一个蓝牙适配器连接台式机电脑。
[0062]本实施例中，电极采用导电硅胶材质，具有优秀的舒适性和传感效率，电极的摆放采用Fpl摆放探测电极009，Fp2两侧摆放参考电极011和地电极010的方式，其中靠近眉心处为地电极(GND)O1，用于抑制工频干扰，靠近聂侧为参考电极(REF)Oll。通过差分放大探测电极009与参考电极011之间的电势信号得到载有脑电信号(EEG)、眼电信号(E0G)、面部肌电信号(EMG)的生物电信号。
[0063]本实施例中，电源模块004可以为可充电电池与充电电路的组合或为隔离电源模块与USB供电电路的组合或为可充电电池与发电模块的组合或为可更换电池；其中，所述USB供电电路对所述隔离电源模块输入端供电，所述发电模块包括光伏发电模块和/或温差发电模块。
[0064]本实施例中，生物电信号预处理模块006，接收来自电极的包含脑电、肌电、眼电等多种信号的生物电信号，通过差分放大、滤波、AD转换等预处理得到载有脑电信号(EEG)、面部肌电信号(EMG)、眼电信号(E0G)的可用波形信号，并最终将此可用的波形信号经过处理，通过无线通讯模块008传输到受控设备。
[0065]本实施例中，通过九轴传感器005传感人体头部的姿态、运动状态、人体位移等信息，并将此信息经过CPU007预处理后通过无线通讯模块008传输到受控设备用于人机交互。
[0066]实施例二:
如图4所示为 基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的软头带式头环的一种优选实施方式外观结构图，其中101为软头带，102为主机，103为为探测电极，104为地电极，105为参考电极，106为主机102上的USB接口。
[0067]实施例二与实施例一的电气结构是一致的，不同点有两个:头带方面，实施例2采用具有一定透气性的软头带101环绕用户头部，通过软头带101两端固定的魔术贴在脑后连接软头带的两端；主机102固定在软头带101的一端，并在用户佩戴后处于脑后;探测电极103、地电极104、参考电极105通过屏蔽线引到用户的前额，所述探测电极103、地电极104、参考电极105的屏蔽线埋在软头带101中。
[0068]本实施例的另一优选方式，可以将主机102固定在软头带101的中间部分，使得用户在佩戴时头环主机102位于用户的前额或聂侧，这样方便用户躺着使用。
[0069]实施例三:
如图5所示为基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的硬头带式头环的一种优选实施方式外观结构图，图中201为硬头带，202为头环主机，203为探测电极，204为地电极，205为参考电极，206为头环调节器，207为头环调节手轮。
[0070]本实施例与实施例一的电气结构和原理是一致的，不同点在于，采用硬头带设计，硬头带201的曲率弧度为贴合人体头部的曲面设计，硬头带201的前端用户前额部分固定着头环主机202，硬头带201的后端用户后脑部分固定着头环调节器206，用户佩戴好头环后，可以通过头环调节器206上的调节手轮207调节头带201的松紧。
[0071]本实施例的另一优选方式，还可以将头环调节器设置在前额的头环主机上，这样设计便于用户躺着使用，在头部靠在枕头或靠枕上时不至于不舒服。
[0072]实施例四:
如图6所示为基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的硬头带式头环的另一种优选实施方式外观结构图，图中301为硬头带，302为头环主机，303为头环调节器，304为探查电极，305为参考电极，306为地电极，307为头环调节手轮。
[0073]本实施例与实施例一的电气结构和原理是一致的，不同点在于，头环主机302所在位置为用户耳边，地电极306和参考电极305固定在头环主机302的内侧，用户佩戴时可以压在用户的耳后乳突附近。
[0074]实施例五:
如图7所示为基于头部动作姿态和头部生物电信号的人机交互装置的耳夹电极式头环的一种优选实施方式外观结构图，图中编号与图3中编号一致的特征为同一特征;其中107为耳夹，108为耳夹电极屏蔽线，109为耳夹电极接头。
[0075]本实施例与实施例2基本一致，不同点在于，参考电极105和地电极104同时移到了耳夹的两瓣上。用户佩戴时通过将耳夹107夹在耳垂上，可以实现参考电极和地电极同时稳定地与用户的耳垂接触。
[0076]实施例六:
本实施例包含实施例一中除九轴传感模块005以外的其它所有特征，本实施例通过生物电信号预处理模块006，接收来自电极的包含脑电、肌电、眼电等多种信号的生物电信号，通过差分放大、滤波、AD转换等预处理得到载有脑电信号(EEG)、面部肌电信号(EMG)、眼电信号(E0G)的可用波形信号，并最终将此可用的波形信号经过处理，通过无线通讯模块008传输到受控设备。
[0077]上述实施例仅为本发明所述装置的部分优选实施方式，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】
1.一种基于头部生物电信号的头控装置，其特征包括:生物电信号传感模块、CPU、通讯模块、电源模块、可穿戴载体； 所述CPU、生物电信号传感模块、通讯模块、电源模块之间电气连接，并与所述可穿戴载体物理连接成为一体； 所述生物电信号传感模块采集的数据包括脑电信号、眼电信号和肌电信号，所述生物电信号传感模块采集的脑电信号、眼电信号和肌电信号数据，经CHJ处理后通过通讯模块传输到受控设备用于人机交互功能。2.根据权利要求1所述的一种基于头部生物电信号的头控装置，其特征为，所述生物电信号传感模块包括电极和生物电信号预处理模块，所述生物电信号传感模块通过跟头部皮肤接触的电极采集头部皮肤的生物电信号，所述生物电信号预处理模块包括模拟信号放大电路和模拟信号滤波电路。3.根据权利要求2所述的一种基于头部生物电信号的头控装置，其特征为，所述电极包括探测电极、参考电极和地电极； 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前额远离探测电极的一侧或在用户的耳后乳突附近或通过耳夹夹在用户的耳垂上。4.根据权利要求1或2所述的一种基于头部生物电信号的头控装置，其特征为，所述CPU中有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生物电信号传感模块接收到的生物电信号中解析出可用的脑电信号、眼电信号和肌电信号； 所述特征信号处理模块分别对所述脑电信号、眼电信号和肌电信号进行处理，经过所述特征信号处理模块处理后的脑电信号、眼电信号和肌电信号，通过通讯模块传输到受控设备。5.根据权利要求1、2或3所述的一种基于头部生物电信号的头控装置，其特征为，所述通讯模块为无线通讯模块。6.根据权利要求1、2或3所述的一种基于头部生物电信号的头控装置，其特征为，所述电源模块为可充电电池与充电电路的组合或为隔离电源模块与USB供电电路的组合或为可充电电池与发电模块的组合或为可更换电池； 其中，所述USB供电电路对所述隔离电源模块输入端供电，所述发电模块包括光伏发电模块和/或温差发电模块。7.根据权利要求1、2或3所述的一种基于头部生物电信号的头控装置，其特征为，所述可穿戴载体为头带或帽子或头盔或头戴式耳机;其中所述头带可以为弹性头带或硬头带或软头带。8.一种基于头部生物电信号的头控方法，其特征为，包括如下步骤: a.采集用户头部的生物电信号； b.对步骤a中得到的生物电信号进行放大、滤波、抑制工频干扰； c.对经过步骤b处理后的信号进行AD转换； d.对AD转换后的信号进行去基线漂移和工频陷波； e.从步骤d处理后的信号中提取脑电信号、眼电信号和肌电信号； f.分别对脑电信号、眼电信号和肌电信号进行处理并生成相应的控制信号 g.将步骤f中得到的控制信号传输到受控设备实现控制功能。9.一种基于头部生物电信号和头部动作姿态的头控装置，包括权利要求1到7中任意一项所述的全部技术特征，其特征为:还包括用于采集头部动作姿态的动作姿态传感模块； 所述CPU、生物电信号传感模块、动作姿态传感模块、通讯模块、电源模块之间电气连接，并与所述可穿戴载体物理连接成为一体； 所述生物电信号传感模块和动作姿态传感模块采集的信号数据，经CPU处理后通过通讯模块传输到受控设备用于人机交互功能； 或者，所述生物电信号传感模块和动作姿态传感模块采集的信号数据，经CPU接收后，直接通过通讯模块传输到受控设备，由受控设备进行处理，并最终用于人机交互功能。10.根据权利要求9所述的一种基于头部生物电信号和头部动作姿态的头控装置，其特征为，所述用于采集头部动作姿态的动作姿态传感模块，包括三轴陀螺仪和/或三轴加速度i+o11.一种基于头部生物电信号和头部动作姿态的头控方法，其特征为，包括如下步骤: a.采集用户头部的生物电信号和头部动作姿态信号； b.对步骤a中得到的生物电信号进行放大、滤波、抑制工频干扰； c.对经过步骤b处理后的信号进行AD转换； d.对AD转换后的信号进行去基线漂移和工频陷波； e.从步骤d处理后的信号中提取脑电信号、眼电信号和肌电信号； f.分别对脑电信号、眼电信号和肌电信号进行处理并结合头部动作姿态信号生成相应的控制信号； g.将步骤f中得到的控制信号传输到受控设备实现控制功能。
【专利摘要】本发明涉及一种智能穿戴装置，特别是一种基于头部生物电信号采集和头部动作姿态传感的具有实时人机交互功能的智能装置。本发明所述设备，通过生物电信号传感模块和动作姿态传感模块同时采集用户头部的生物电信号和头部动作姿态信号，用于人机交互。本发明所述装置，通过充分利用生物电信号的中的脑电信号、眼电信号和肌电信号和同时利用头部动作姿态信号，实现包括脑电交互、眼电交互、肌电交互、头部动作姿态交互等多种方式的人机交互功能。本发明所述人机交互装置，适用于智能穿戴设备、智能手持设备、电脑等智能终端的人机交互，丰富了人机交互方式的同时也提高了用户的体验效果。
【IPC分类】A61B5/0496, A61B5/0488, A61B5/0476, A61B5/11, G06F3/01
【公开号】CN105487674
【申请号】CN201610026838
【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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