脑机接口,让外骨骼机器人更能读懂人的意图

近日,傅利叶智能与西安交通大学合作,首次将自主脑控技术应用于下肢外骨骼机器人,通过“意念”控制外骨骼机器人行走。

2018年09月07日



如果说当今什么技术最接近科幻,那一定是脑机接口(BCI)。它会让我们“想象”的一切都变为现实!而近日,傅利叶智能与西安交通大学徐光华教授团队一起合作,首次将视觉诱发增强的自主脑控技术应用于下肢外骨骼机器人,让人通过“意念”就能控制外骨骼机器人行走。

什么是脑机接口?

脑机接口(Brain-computer interface, BCI),是一种非肌肉控制的通讯技术,将人脑的信号直接转换成控制外部设备的命令,信息的传递无需经过外周神经和肌肉组织。其基本原理在于:大脑在进行思维活动、产生动作意识,或者受到外部感觉刺激时伴随有神经系统的一系列活动,通过检测这些神经活动,再经过信号处理,从中辨别出人的控制意图。

▲ 图1:脑机接口系统

如图 1 所示,典型的 BCI 系统通常包括信号采集、信号处理与模式识别和设备控制三个部分。信号采集为系统的输入部分,负责采集大脑活动信号;特征提取部分负责从采集到的信号中提取大脑特定活动特征,然后通过特征判别将其翻译为控制外部设备的命令;控制部分根据控制命令来执行对外部设备的操作。

BCI 技术的初衷是帮助重度瘫痪病人(如脊髓损伤、脊髓侧索硬化症、脑干中风、肌萎缩等患者)提高自主能力,改善他们的生活,同时减轻家庭和社会的负担。

什么是外骨骼机器人?

外骨骼机器人是一种可穿戴式的下肢康复训练与评估系统,主要针对脑卒中等神经损伤患者,进行安全,定量的多步态行走训练。

▲ 图2:Fourier X1外骨骼机器人

傅利叶智能X1外骨骼机器人能将外界力学环境实时输入到预定步态当中并动态调整运动轨迹,根据检测患者下肢各个关节力矩大小,并智能化地根据患者主动力的大小而动态调整辅助量。还可为机器人配以合适的生物信息传感系统,实现生物反馈控制,以提高康复过程中的评估和效果。

▲ 图3:Fourier X1 基于力反馈的控制系统示意图

脑机接口系统常用方法

目前,基于脑电(EEG)的脑机接口系统,依据EEG的产生是否需要外界刺激,可分为自发EEG和诱发EEG脑机接口系统。诱发EEG脑机接口系统包括:(1) 稳态视觉诱发电位(SSVEP);(2)稳态运动视觉诱发电位(SSMVEP)。

(1) 稳态视觉诱发电位(SSVEP)的脑机接口

稳态视觉诱发电位SSVEP是由频率较高的周期性刺激(通常≥3Hz)诱发,在重组方式上表现为多个瞬态响应的叠加。由于刺激具有恒定的频率,由此诱发的叠加效应使得SSVEP具有与周期性刺激相近的频率分量及其谐波。传统的SSVEP-BCI采用一系列频率不同的光闪烁模块作为刺激源,每一个刺激源对应一个操作命令。当使用者注视其中一个刺激源时,大脑皮层活动将被调制,并主要在大脑皮层枕叶区产生与刺激源频率相同的周期性节律。通过识别诱发出的脑电信号的峰值频率就能推断出使用者正在注视的目标,从而推断出使用者可能的操作意图,如图4所示。

▲ 图4:SSVEP诱发机制及特性

(2) 稳态运动视觉诱发电位(SSMVEP)的脑机接口

为避免光闪烁的刺激模式容易引起使用者的视觉疲劳的问题。西安交通大学徐光华教授课题组提出了通过运动方式代替光闪烁方式的稳态运动视觉诱发电位方法,设了径向收缩-扩张运动的牛顿环和棋盘格范式,见图5。在满足BCI性能要求的同时有效的减轻了使用者的视觉疲劳。

图5: 棋盘格收缩-扩张运动刺激范式

图5: 牛顿环收缩-扩张运动刺激范式

相比较而言,SSVEP与SSMVEP的优势在于可以控制目标数目较多、所需电极数目少、不需要受试者进行训练、辨识准确率与信息传输率高。

BCI系统应用实现

目前,BCI技术在动作控制与医疗康复领域取得了丰硕成果。在动作控制应用中,通过BCI系统自主控制轮椅、下肢外骨骼、机械手臂等对于提升运动障碍患者的生活质量具有重要的意义。国内有西安交通大学开发的基于SSMVEP的脑控轮椅系统以及华南理工开发的基于P300与MI结合的脑控轮椅系统。基于脑机接口的动作控制应用不仅可以服务于用户的控制需求,还可能有更多的医学意义。

除此之外,西安交通大学徐光华教授团队与傅利叶智能联合开发的基于视觉诱发增强的自主脑控下肢康复机器人是其中的典型应用。

▲ 图6:西交大学生正在调试EEG采集帽

该款自主脑控下肢康复机器人系统由AR眼镜、无线脑电采集设备、外骨骼机器人和无线终端组成。结合运动康复理论、脑机接口、和外骨骼机器人技术,采用AR视觉增强技术呈现刺激,诱发出患者的脑电信号后,无线脑电采集设备会提取大脑的诱发特征并通过无线模块将数据传送给计算机并利用特征识别方法对持续采集到的脑电信号进行模式识别,当识别结果为行走时,外骨骼开始动作。

▲ 图7:西安交大与傅利叶智能联合开发的脑控下肢外骨骼系统

目前,联合开发的脑控外骨骼可实现走、站、坐三种运动形态,可支持中风偏瘫或截瘫患者实现外骨骼辅助下的脑控自主意念控制,不仅可以实现患者的康复训练,也可对患者进行运动功能辅助,达到功能辅助与康复训练一体化的理想目标。西安交大徐光华教授团队有着深厚的BCI研究基础,傅利叶智能在康复机器人领域处于国际领先水平,两家单位的联合势必会为运动障碍患者带来更多的福音。

▲ 图8:试用者通过脑电技术实现外骨骼机器人的行走动作

▲ 图9:试用者通过脑电技术实现外骨骼机器人的坐下动作

BCI技术发展趋势与展望

随着全球老龄化的到来,脑卒中、阿尔茨海默综合症、帕金森综合症等疾病日益成为人类的健康负担,我们迫切地希望知道大脑是如何工作的。欧美等科研强国纷纷吹响了探索大脑奥秘的号角。2013年4月2日,美国总统奥巴马宣布启动脑科学计划(BRAIN Initiative),欧盟、日本随即予以响应,分别启动欧洲脑计划(The Human Brain Project)以及日本脑计划(Brain/Minds Project)。中国脑计划也将出台,投资规模比肩美国。而脑机接口(BCI)技术无疑是人类解读大脑奥秘的重要研究工具。

与此同时,脑机接口领域也面临着挑战,当前需要解决几个重大问题,包括脑机接口系统如何在日常应用中保持性能稳定,如何设计并实现多通道、低功耗、长使用寿命的无线脑电植入设备,如何将脑机接口推向临床实践等。

此次傅利叶智能与西安交通大学的研究成果证明了脑机接口和外骨骼辅助行走技术的结合具有临床可行性,未来能够转化为商业化的产品,从而造福更多瘫痪人群,使他们摆脱轮椅,如同控制自己的肢体一样完成站立行走。

傅利叶是谁? 
傅利叶是19世纪伟大的数学家,而21世纪的傅利叶智能则是工匠,科学家和艺术家们的组合。傅利叶智能成立于2015年7月,是中国顶尖的智能机器人研发和产业的创新型科技企业。

我们的愿景是什么?                    
成为世界一流的机器人公司,致力于让全球用户能够享受到优质的机器人产品是傅利叶智能的愿景。
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