一種頭控裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種智能穿戴設備，特別是一種基于頭部生物電信號采集和頭部動作姿態傳感的可用于實時人機交互的頭控裝置。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的不斷發展，個人移動設備產品已經得到普及，并已經具有了個人計算機的很多功能，而且更加趨于便攜。個人移動設備產品一直在向穿戴式方向發展，相信在不久的將來，個人移動設備將像一副眼鏡一樣方便地戴在臉上。
[0003]然而這種穿戴式的智能設備的人機交互方式，卻不能像手持式智能設備那樣可以采用傳統的觸摸屏或者鍵盤輸入的方法。基于這種傳統的人機交互方式無法在智能穿戴設備上使用的情況，科技工作者也已經做了大量的工作，研發了包括語音交互、手勢輸入、腦機交互、眼球追蹤等適用于這種穿戴式智能設備的人機交互方法和設備。
[0004]其中與生物電信號有關的智能設備也出現了不少，有用于提高玩家游戲反應速度的卩00.118頭環，有用腦電信號進行控制的頭環產品，比如組11(^]^和1^1；[111^111^等。
[0005]然而這些現有設備都是讀取和使用頭部生物電信號中的腦電信號(EEG)，其主要的功能就是專注度和放松度的檢測，在控制上功能單一，再加上專注度和放松度并不適用于實時控制，所以給用戶帶來的使用感覺一般。
[0006]而事實上，在做腦電信號采集的時候，同時還可以采集到眼電信號(E0G)、肌電信號(EMG)等可以利用的生物電信號，而且眼電信號(E0G)和肌電信號相(EMG)比腦電的專注度和放松度來講具有相當優秀的實時性，經處理后完全可以用于實時控制。
[0007]現有技術中，有幾項與“頭控鼠標”有關的專利技術，多是基于攝像頭和/或動作姿態傳感器的技術解決方案。
[0008]現有技術中，還有一項申請號為201510278763.7名稱為“一種無線干電極腦電采集及動作識別方法及系統”的專利技術，這項技術中，采用了姿態傳感器加腦電采集電路結合的方式，提高了頭部控制的維度。但是，因為此專利技術依舊只是在姿態傳感器的基礎上增加了腦電信號(EEG)采集的功能，并未對眼電信號(E0G)和肌電信號(EMG)加以檢測和利用，使得整項技術在控制功能上依舊有很大的提升空間。

【發明內容】

[0009]基于現有技術中的不足，本發明的任務是提供一種用于人機交互的基于生物電信號傳感的頭控裝置，其主要特征包括:生物電信號傳感模塊，CPU，通訊模塊，電源模塊和可穿戴載體。
[0010]其中，所述生物電信號傳感模塊采集的數據包括腦電信號(EEG)、眼電信號(E0G)和肌電信號(EMG)。
[0011]其中，所述CPU、生物電信號傳感模塊通訊模塊、電源模塊之間電氣連接，并與所述可穿戴載體物理連接成為一體。
[0012]其中，所述生物電信號傳感模塊采集的信號數據，經CPU處理后通過通訊模塊傳輸到受控設備用于人機交互功能。
[0013]其中，所述腦電信號(EEG)，包括專注度與放松度，所述專注度與放松度為用戶大腦的專注和放松狀態反應在生物電信號上的數據;所述面部肌電信號(EMG)，包括用戶的皺眉、咬牙等面部動作產生的生物電信號;所述眼電信號(E0G)，包括眨眼、水平眼動等眼部動作產生的生物電信號。
[0014]其中，所述CPU分別與生物電信號傳感模塊、通訊模塊和電源模塊連接。所述生物電信號傳感模塊采集到的信號經CHJ處理后通過通訊模塊傳輸到遠端的受控設備。
[0015]優選的，所述生物電信號傳感模塊包括電極和生物電信號預處理模塊。所述電極為與人體皮膚接觸的電極，用于探測人體皮膚表面的生物電信號;所述生物電信號預處理模塊包括模擬信號放大電路、對消電路、模擬信號濾波電路和AD轉換電路。
[0016]優選的，所述電極包括探測電極、參考電極、地電極。優選的，所述探測電極的位置為用戶前額，優選國際腦電圖學會標定的10/20電極導聯定位標準中的Fpl和Fp2中的一個，所述參考電極和地電極的位置可分別位于距離探測電極較遠的用戶前額或用戶耳后乳突處或用戶耳垂上。
[0017]優選的，所述生物電信號預處理模塊中的模擬信號放大電路，同時連接所述探測電極和參考電極，其中探測電極和參考電極連接在所述模擬信號放大電路的兩個差分輸入端，用于放大生物電信號。所述模擬信號處理模塊中的對消電路(右腿驅動電路)的輸入端連接模擬信號放大電路，輸出端連接地電極，用于有效抑制工頻干擾。所述模擬信號放大電路輸出的信號經濾波電路濾波和AD轉換電路進行AD轉換后，傳給所述CPU進行處理。
[0018]優選的，所述CPU接收到AD轉換后的生物電信號，直接通過通訊模塊傳輸到受控設備，由受控設備上的程序進行必要的去基線漂移和工頻陷波，以及對特征信號的提取和處理，并最終用于控制功能。
[0019]優選的，所述CPU接收到AD轉換后的生物電信號，進行必要的去基線漂移和工頻陷波后，直接通過通訊模塊傳輸到受控設備，由受控設備上的程序進行特征信號的提取和處理，并最終用于控制功能。
[0020]優選的，所述CPU中還有特征信號提取模塊，所述特征信號提取模塊從生物電信號傳感模塊接收到的生物電信號中解析出可用的腦電信號、眼電信號和肌電信號，然后通過通訊模塊傳輸到受控設備，由受控設備上的程序進行特征信號處理，并最終用于控制功能。
[0021]優選的，所述CPU中還有特征信號提取模塊和特征信號處理模塊;所述特征信號提取模塊從生物電信號傳感模塊接收到的生物電信號中解析出可用的腦電信號、眼電信號和肌電信號;所述特征信號處理模塊分別對所述腦電信號、眼電信號和肌電信號進行處理，經過所述特征信號處理模塊處理后的腦電信號、眼電信號和肌電信號，通過通訊模塊傳輸到受控設備，用于控制功能。
[0022]優選的，所述通訊模塊為無線通訊模塊，在用戶佩戴時可以免除連線的干擾，讓用戶具有更大的活動空間。
[0023]優選的，所述無線通訊模塊包括藍牙模塊和/或WiFi模塊，其中所述藍牙模塊還可以包括電腦端的藍牙適配器。
[0024]優選的，所述電源模塊包括可充電電池和充電電路，所述可充電電池在為所述電路供電時不會像外接電源那樣引入復雜的紋波，優選的，所述充電電路為USB充電電路，在所述可充電電池電量不足時，可以通過USB線連接電腦，一邊使用一邊對所述可充電電池充電。
[0025]優選的，所述電源模塊為隔離電源模塊，所述隔離電源模塊通過外接電源供電，所述隔離電源模塊可以在外接電源給頭環供電時，減少供電電源引入的雜波，還可以防止外部電源對用戶頭部產生電擊，讓用戶正常使用時足夠安全。
[0026]優選的，所述電源模塊包括可充電電池和發電模塊，其中所述發電模塊包括光伏發電模塊和/或溫差發電模塊。其中，優選的，所述光伏發電模塊為在光線不夠充足的環境下也能高效發電的染料敏化型光伏發電模塊，使得用戶在佩戴本發明所述裝置時可以隨時充電。所述溫差發電模塊在人體表面溫度與環境溫差大的時候也可以為所述可充電電池充電。
[0027]優選的，所述電源模塊為可更換電池，通過快速更換電池可以節省頭環在線充電的時間。
[0028]優選的，所述可穿戴載體為彈性頭帶，所述頭帶在佩戴時可以輕松拉開，佩戴好后可以通過彈性頭帶的收縮使頭帶固定在用戶的頭部并同時使得各個電極穩定地與用戶頭部皮膚接觸。
[0029]優選的，所述可穿戴載體為軟頭帶，頭帶后方有用于固定和收緊的魔術貼。
[0030]優選的，所述可穿戴載體為硬頭帶，所述硬頭帶的后方有松緊調節裝置。
[0031]優選的，所述可穿戴載體為頭盔、帽子等，所述探測電極、參考電極和地電極固定在頭盔或帽子的內部，用戶在穿戴頭盔或帽子時所述探測電極、參考電極和地電極都可以和用戶頭部皮膚穩定接觸。
[0032]優選的，所述可穿戴載體為頭戴式耳機，所述探測電極從耳機頭帶引到用戶前額，所述參考電極和地電極固定在耳機的海綿套上，用戶佩戴時，所述參考電極和地電極可以穩定地壓在用戶的耳垂附近。
[0033]相應的，一種基于頭部生物電信號的頭控方法，其特征為，包括如下步驟:
a.通過位于用戶前額的探測電極和分別位于用戶前額遠離探測電極的一側或在用戶的耳后乳突附近或通過耳夾夾在用戶耳垂上的參考電極和地電極，采集用戶頭部的生物電信號；
b.生物電信號預處理模塊對步驟a中得到的生物電信號進行放大、濾波；
c.AD轉換模塊對經過步驟b處理后的信號進行AD轉換，并將數字化的信號傳給CPU進行處理；
d.CPU中的數字信號預處理模塊對AD轉換后的信號進行去基線漂移和工頻陷波；
e.CPU中的特征信號提取模塊從步驟d處理后的信號中提取腦電信號、眼電信號和肌電信號，供特征信號處理模塊處理；
f.CPU中的特征信號處理模塊分別對腦電信號、眼電信號和肌電信號進行處理并生成相應的控制信號；
g.將步驟f中得到