北京信息科技大学参赛团队的“脑控+眼控”轮椅机器人

北京信息科技大学参赛团队的“脑控+眼控”轮椅机器人

张鑫等本科生还另辟蹊径，创新研发出了脑控智能餐桌

在最近举行的华北五省市区高校机器人大赛上，北京信息科技大学参赛团队的“脑控+眼控”轮椅机器人、餐桌机器人就具备了上述功能。记者了解到，脑控轮椅、餐桌机器人两个项目的研发历时近两年，前后有数十名本科生、研究生参与其中。未来，研究团队还将对两款机器人进行完善，加入健康大数据监测、云控制与定位、自主行驶与避障等功能，并开发周边产品，真正打造出一个智能家居服务的机器人生态系统。

起因是帮中风病人改善生活

开发这些智能轮椅、餐桌机器人的是来自北信科自动化学院的学生，吴迎年是他们的指导老师。吴老师告诉记者，这是几代热爱智能机器人的大学生前赴后继的“事业”。 

研发最早可以追溯到2014年。当时英国机械工程师学会举办了一项竞赛，主题是为中风病人设计一种生活辅助工具，帮助他们改善生活，工具的具体形式则没有限制。“我们鼓励学生参与这样的高水平比赛，拿到赛题后大家就一起商量做个什么工具。”吴迎年说，经过讨论，大家发现轮椅是不错的选择，“中风病人最大的特点就是肢体行动不便，一部能够自我控制的轮椅对他们来说无疑是个福音。” 

吴迎年说，通过检测脑电波信号来感知人的意念，从而支配驱动机械设备，这在技术上原理上已经可行，关键是要设计出可靠且高效运行的算法程序和控制系统，来完成脑电波信息与实体设备的匹配，从而准确执行大脑的命令，“这也是最锻炼大学生的地方。”说干就干，几名本科生组成团队很快投入行动。他们买来了轮椅、脑电波传感器等设备，开始设计、改造、组装、调试，用时近一年才得以完成。 

他坦言，现在回过头看，这台最早的脑电波控制智能轮椅并不理想，首先轮椅上加载的智能设备采用一束束导线直接连接，使得轮椅的整体美观程度大打折扣，另外各部件之间过多的导线连接也导致整个系统的可靠性下降，加上算法和控制系统设计尚不到位，轮椅在移动过程中，线一松动，轮椅就无法执行脑电波的意图命令。 

让轮椅机器人跟着眼球“转”

一晃到了2015年。这一年北信科自动化学院收到邀请，智能轮椅参加在北京国际展览中心举行的中国国际福祉博览会。“参加国际博览会，现有的这版智能轮椅肯定不行，得完善。”吴迎年说。此时上一批参与研发的学生因为面临毕业、考研等因素已经离开，新组建的团队中首次出现了研究生面孔，“他们拥有扎实的知识基础，可以帮带本科生，助力科研攻关。”吴迎年解释道。 

导航制导与控制专业的项伟就是研究生成员中的骨干。他在2015年考入北信科之前，已经有两年的自动化控制领域工作经验。随着科研力量的充实，第二代脑控轮椅的研发明显加速，学生们首先把智能轮椅的脑控信号传输由线缆改为无线模块，其次就是全面改进控制程序和算法，提高脑电波命令传输、执行的可靠性。他们加班加点，仅用了不到半年时间就完成了智能轮椅的更新换代。在2015年10月的展览中，这部脑控智能轮椅机器人受到许多参观嘉宾和科学家的好评。 

今年初，吴迎年团队获得了学校的科研平台资助。他首先想到的就是把这笔经费用在学生们继续研发智能轮椅上面，开始研发更高级别的“多信息源融合控制的轮椅式机器人系统”。“不仅可以用大脑，还要加入眼球识别控制功能，让智能轮椅的使用更加随心所欲。”项伟对记者说，为此今年整个暑假他和几位骨干成员都没有回家，一心泡在了实验室。有一次，为了测试轮椅的可靠性，他坐着把轮椅从龙岗路校区“开”回了小营小区，“据说当时成了街头一道亮丽的风景线。”他笑道。 

除了“多信息源融合控制的轮椅式机器人系统”，团队中的张鑫等本科生还另辟蹊径，创新研发出了脑控智能餐桌，他们除了开发程序外，还要自主完成餐桌的设计：三部可以自由运行的全向轮、有机玻璃的桌面板、圆形平台……无不凝聚着学生们的智慧。

16个“探头”让大脑随意控制

最近在北信科自动化学院的实验室，记者见到了多信息源控制的智能轮椅和智能餐桌。智能轮椅采用全电力驱动，扶手上面安装有平板电脑、眼动仪、脑电波传感器等设备，车轮的一侧则装有轮椅的控制系统模块。

团队成员、导航专业的研究生杨弃演示了轮椅的运行过程。只见他头部戴上了一个如同理发店里烫发器一样的“头盔”，“头盔”上的16个触角扣住了大脑的各个部位，然后靠坐在了轮椅上，手脚再无其他动作，只有眼睛注视着屏幕。神奇的一幕发生了，轮椅开始缓慢向前移动，不时还能向左、向右转弯，“为了确保安全，我们目前设置轮椅的移动速度是很慢的，一段一段前行，每段只有大约0.5米，转弯也是分步完成。”站在一旁的项伟解释道。

在另一个实验室，张鑫同样带上了有触角的“头盔”，然后一动不动开始“发功”。只见身前那张直径约0.5米的白色桌椅开始自主移动，向他靠拢。在全向轮的控制下，餐椅移动平稳缓慢，速度大约每秒0.3米，“这个速度在室内使用足够，也保证了桌上的餐食不会倾洒打翻。”他告诉记者。

项伟说，无论是智能轮椅还是智能餐桌，都应用了脑电波控制技术。用户在正式使用之前需要先带上“头盔”也就是脑电波传感器进行“学习”。“学习”的目的是让机器明白你大脑发出前进、后退、向左、向右等意念时对应的不同脑电波波形。当传感器完成了“学习”后，用户再次发出信号，传感器就会根据这些信号代表的含义向轮椅的控制装置发出指令。“正常情况下，用户只要‘学习’大约半个小时，轮椅、餐桌就能记住用户的脑电指令。之后随着用户日常使用中意念对于脑电波的反复强化，轮椅、餐桌还会变得越来越聪明，连接更快，操控更灵敏。”项伟说。

将打造智能居家机器人系统

在华北五省市区高校机器人大赛上，脑控轮椅机器人最终拿到了机器人创意设计赛一等奖，并参加了该大赛优秀创业团队评选答辩，获得了第1名，脑控餐椅也受到了专家评委的好评。不过对于北信科的大学生团队来说，研发还远未停止。

吴迎年说，除了脑电波控制和眼球控制，未来学生们还打算为这些智能设备增加语音控制的功能，让智能设备的使用更加灵敏可靠。同时，基于智能感知与大数据技术的心跳血压监测、自主行驶与避障等技术也会在上面得到应用，加上意识、手势、表情控制等人机自然交互技术在灯饰、家用电器等一些周边产品的应用，最后真正实现一个智能的居家服务机器人系统。“到时候，无论是老年人、病人，还是其他人群，都可以如同‘阿凡达’那样用意念和人机自然交互方式随心所欲地操控各种设备，服务我们的生活。”吴迎年说。

记者了解到，学生们的这一创新项目将得到北信科的创业支持，包括场地、资金等。据悉，为鼓励学生积极参与创新创业，北信科特别规定学生参与创新创业活动可获得学分。具体是：学生注册成立公司，团队每位成员可获得1个学分；获得学校创业基金，团队每位成员可获得2个学分；获得风险投资，团队每位成员可获得3个学分。

来源：北京晚报 北晚新视觉网  记者 张航 文并图