基于EEG技術(shù)對(duì)腦控?zé)o人設(shè)備的研究

張鈞博 許奇科

摘 要：目前，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的新型革命，自然界很多未知的事物不斷被開發(fā)出來(lái)。自然界中最神奇的東西莫過(guò)于人類大腦，人們對(duì)于大腦的研究從未停止過(guò)，我們希望能夠直接通過(guò)腦電信號(hào)去控制一些物體，從一定程度上解放雙手，控制萬(wàn)物。這可以使得手腳不方便的病人重新獲得自由，讓戰(zhàn)爭(zhēng)真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人化對(duì)抗。本課題在于提出一套基于腦機(jī)接口的無(wú)人化操作平臺(tái)從而實(shí)現(xiàn)腦電控制無(wú)人設(shè)備的二自由度的控制。

關(guān)鍵詞：腦電波；腦電信號(hào)；腦—機(jī)接口

1 研究背景和意義

隨著科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，腦-機(jī)接口日趨便攜化和智能化，人們通過(guò)腦電波采集設(shè)備采集腦電信號(hào)并轉(zhuǎn)化為設(shè)備的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而達(dá)到用大腦思維控制外部設(shè)備的目的。人們對(duì)大腦意識(shí)的提取從未終止過(guò)，相繼開發(fā)出基于視覺(jué)誘發(fā)電位、皮層慢電位、運(yùn)動(dòng)想象與思維等一系列腦-機(jī)接口方式。基于EEG特征的提取與應(yīng)用技術(shù)成為一種新興的多學(xué)科交叉的研究課題，在醫(yī)療領(lǐng)域、娛樂(lè)領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

2 基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口設(shè)計(jì)原理

2.1 總體框架設(shè)計(jì)

基于TGAM傳感器的腦機(jī)接口系統(tǒng)主要有三個(gè)部分構(gòu)成：腦電波信號(hào)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理中心，外界響應(yīng)設(shè)備。其中數(shù)據(jù)處理中心（以安卓版手機(jī)端為最優(yōu)設(shè)備）又可以分為：EEG信號(hào)處理部分、數(shù)據(jù)通信部分、設(shè)備響應(yīng)部分。

2.2 各模塊的軟件設(shè)計(jì)

2.2.1腦電信號(hào)采集系統(tǒng)

腦電信號(hào)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)以下兩個(gè)功能：

（1）采集數(shù)據(jù)：通過(guò)腦點(diǎn)波采集設(shè)備從實(shí)驗(yàn)者大腦捕獲腦電信號(hào)； （2）放大濾波：對(duì)微弱的腦電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波等預(yù)處理。

2.2.2數(shù)據(jù)處理中心

（1）EEG信號(hào)處理部分：①讀取經(jīng)過(guò)放大、濾波處理的EEG數(shù)據(jù)；②分析處理EEG數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生其信號(hào)波形；③對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行分類，產(chǎn)生決策結(jié)果。（2）數(shù)據(jù)通信部分。數(shù)據(jù)通信模塊的功能是將決策結(jié)果發(fā)送給響應(yīng)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)最終的控制。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以根據(jù)不同的應(yīng)用模塊設(shè)計(jì)不同的通信方式。（3）設(shè)備響應(yīng)部分。識(shí)別決策指令，將決策指令配適到響應(yīng)設(shè)備，符合設(shè)備與設(shè)備間的通訊協(xié)議。

2.3 外界響應(yīng)設(shè)備

此課題設(shè)置兩至三個(gè)響應(yīng)設(shè)備，基于原有無(wú)人移動(dòng)可操作設(shè)備進(jìn)行腦控化改裝，以確保可以正常執(zhí)行腦控決策。

3 基于EEG技術(shù)的腦控?zé)o人設(shè)備設(shè)計(jì)

3.1 整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單明了的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)腦電波采集設(shè)備捕獲大腦產(chǎn)生的生物電信號(hào)，并由TGAM模塊處理信號(hào)發(fā)送給手機(jī)端，手機(jī)端通過(guò)藍(lán)牙模塊與響應(yīng)設(shè)備連接，手機(jī)端APP發(fā)送指令給控制模塊，改變其工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定設(shè)計(jì)方案； （2）將各個(gè)模塊進(jìn)行組裝并進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)試；（3）畫出程序流程圖，使用編程軟件進(jìn)行編程；（4）將程序燒錄到各單獨(dú)模塊里； （5）進(jìn)行調(diào)試以實(shí)現(xiàn)控制功能。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及說(shuō)明

腦控?zé)o人智能車說(shuō)明：

（1）大腦額頭的電極（包括耳夾）捕獲大腦的生物電流傳送到TGAM模塊信號(hào)處理并通過(guò)其硬件電路濾波，完成腦電信號(hào)的預(yù)處理。（2）預(yù)處理的腦電信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙通訊傳輸?shù)绞謾C(jī)及其類似處理器中，從中提取腦電特征生成專注度和放松度兩個(gè)值域，根據(jù)這兩個(gè)值域來(lái)進(jìn)行軌道車的加速與減速。即關(guān)注度越高速度越快，關(guān)注度越低（放松度越高）速度越低，當(dāng)專注度閾值低于40（滿值為100）則軌道車失去動(dòng)力停止運(yùn)行。（3）手機(jī)將指令通過(guò)藍(lán)牙通訊發(fā)送至智能小車分系統(tǒng)的控制模塊，即Arduino模塊，控制模塊識(shí)別指令并解析控制L298N模塊。（4） L298N模塊根據(jù)發(fā)來(lái)的指令控制電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。

腦控?zé)o人軌道系統(tǒng)說(shuō)明：

（1）大腦額頭的電極（包括耳夾）捕獲大腦的生物電流傳送到TGAM模塊信號(hào)處理并通過(guò)其硬件電路濾波，完成腦電信號(hào)的預(yù)處理。（2）預(yù)處理的腦電信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙通訊傳輸?shù)绞謾C(jī)及其類似處理器中，從中提取腦電特征生成專注度和放松度兩個(gè)值域，根據(jù)這兩個(gè)值域來(lái)進(jìn)行軌道車的加速與減速。即關(guān)注度越高速度越快，關(guān)注度越低（放松度越高）速度越低，當(dāng)專注度閾值低于40（滿值為100）則軌道車失去動(dòng)力停止運(yùn)行。（3）手機(jī)將指令通過(guò)WiFi通訊發(fā)送至軌道分系統(tǒng)的控制模塊，即MCU模塊。控制模塊識(shí)別指令并解析控制PWM模塊。（4）PWM模塊根據(jù)發(fā)來(lái)的指令調(diào)節(jié)軌道電壓值。（5）軌道通過(guò)電刷導(dǎo)電將電量傳遞給軌道車電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。

4 總結(jié)和展望

本課題研究主要是實(shí)現(xiàn)一種基于運(yùn)動(dòng)想象的用腦電波控制的無(wú)人設(shè)備。在我們本次的研究課題中，我們共完成了兩套設(shè)備。第一套是利用發(fā)帶提取腦電波信號(hào)，直接對(duì)無(wú)人車的單緯度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動(dòng)和停止。第二套設(shè)備是利用發(fā)帶提取腦電波信號(hào)，分析當(dāng)前的專注度，根據(jù)專注度控制軌道的電流大小，從而控制軌道車的運(yùn)動(dòng)速度。

本次課題基本實(shí)現(xiàn)了我們的預(yù)期目標(biāo)，在課題研究的過(guò)程中，我們也遇到了一些問(wèn)題，如如何實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口，如何將腦電信號(hào)傳輸?shù)叫≤嚿希瑥亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)小車的控制等。

隨著機(jī)器人擬人化的發(fā)展趨勢(shì)，由EEG信號(hào)的工程應(yīng)用而產(chǎn)生的腦控技術(shù)，由于能夠直接、預(yù)先反映人的意念或意圖，必將在神經(jīng)義肢、移動(dòng)機(jī)器人以及外骨骼康復(fù)機(jī)器人等精密運(yùn)動(dòng)的控制中發(fā)揮重要作用。