采用Arduino平臺腦電控制輪椅運動的研究

白惠熔　劉旭　吳佳桐

摘要 本論文主要是基于Arduino平臺設(shè)計了一種智能控制輪椅的控制系統(tǒng)。主要進行了腦電波的采集并對后期輸出的數(shù)據(jù)進行解析，采用Arduino uno解析數(shù)據(jù)及控制小車，最終實現(xiàn)了利用專注度和放松度的不同來控制輪椅運動狀態(tài)。

關(guān)鍵詞 腦電波；mindband；Arduino語言

中圖分類號 TP3 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）159-0083-01

隨著社會老齡化進程的加快以及各種工傷事故的增加。智能輪椅收到了世界各國研究者的廣泛關(guān)注。

腦機接口（braincomputerinterface，簡稱BCI）有時也稱作“大腦端口”或者“腦機融合感知”，它是在人或動物腦（或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物）與外部設(shè)備間建立的直接連接通路。在單向腦機接口的情況下，計算機或者接受腦傳來的命令，或者發(fā)送信號到腦（例如視頻重建），但不能同時發(fā)送和接收信號，而雙向腦機接口允許腦和外部設(shè)備間的雙向信息交換。本設(shè)計最終達到通過專注度的不同數(shù)值達到控制輪椅運動狀態(tài)的控制。

1 系統(tǒng)控制原理

本設(shè)計由Mindband腦電波傳感器采集腦電波數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部ThinkGear芯片對采集數(shù)據(jù)進行處理，由內(nèi)置藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)。小車接收部分采用藍(lán)牙模塊，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過arduino uno處理后輸出給小車驅(qū)動電路，進而實現(xiàn)腦電波控制小車的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 腦電信號的采集

本系統(tǒng)采用的腦電信號采集設(shè)備是NeuroSky公司開發(fā)的TGAM芯片，通過計算參考電勢來消除干擾，幫助降噪。

2.2 腦電信號去噪

傳感器采集的腦電信號雖然經(jīng)過了放大和濾波等處理，但是還會伴有各種生理干擾，如眼電、心電和肌電等偽跡信號。為了降低偽跡信號對腦電信號分析的影響，我們要對腦電信號進行去噪。ThinkGear采用一字節(jié)無符號整型數(shù)值描述信號噪聲，噪聲范圍在0到200之間。0表示在整個通信過程中沒有噪聲輸出。通常，數(shù)值越高，表示噪聲越多。然而，當(dāng)噪聲值達到200時，有著特殊的含義，表示ThinkGear沒有與使用者的皮膚接觸。

eSense是NeuroSky用于以數(shù)字化參數(shù)方式對人的當(dāng)前精神狀態(tài)進行度量的專利算法。eSense參數(shù)用于描述被試者進入專注狀態(tài)（類似于注意力集中程度）或者冥想狀態(tài)（類似于精神放松程度）的程度。即使NeuroSky的濾波技術(shù)和其特有的eSense算法已經(jīng)偵測、修正和補償方面做了努力，其中包含了多種非正常腦電噪聲，不過一些噪聲還是不可避免的。

2.3 特征提取

腦電的特征提取是腦機接口系統(tǒng)的重要組成部分，腦電信號的特征提取的目的就是將記錄的腦電信號轉(zhuǎn)換為能表達不同意識任務(wù)的特征向量，從而將分類器提供最優(yōu)的輸入。

2.4 控制實現(xiàn)

2.4.1 原始腦電波數(shù)值（RAW）

原始腦電數(shù)據(jù)由2字節(jié)構(gòu)成，有符號的16位整型范圍由32768到32768。第1個字節(jié)代表高八位，第2個字節(jié)代表低8位。通常情況下，每秒鐘輸出512次raw，大約每2ms輸出一次。

2.4.2 ThinkGear數(shù)據(jù)包格式

ThinkGear數(shù)據(jù)包格式由3部分組成：數(shù)據(jù)包頭、信息有效數(shù)據(jù)載荷、有效數(shù)據(jù)校驗和。ThinkGear數(shù)據(jù)包被用來從ThinkGear模塊組件向任意一個接收設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包發(fā)送的是異步串行數(shù)據(jù)，其發(fā)送媒介可能是UART、串行COM、USB、藍(lán)牙、或者是其他任何能夠傳遞數(shù)據(jù)流的機制。

2.4.3 TGAM芯片與輪椅的調(diào)試

經(jīng)過特征分類后，Emotiv的應(yīng)用程序編程接口將分類結(jié)果：人為地有意識地做冥想、放松、集中注意力、保持松懈4種思維運動，從而控制Attention（專注度）和Meditation（放松度）兩類特征參數(shù)，并通過串口藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳到輪椅控制終端。輪椅搭載krduinoUNOR3開發(fā)板，通過ArduinoIDE將數(shù)據(jù)處理及機械控制程序?qū)懭腴_發(fā)板，利用上述兩類特征參數(shù)的變化進行輪椅的二維運動控制，上述的4種思維運動分別對應(yīng)4個運動控制指令：左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進和停止。

對于以上關(guān)系在此做一些說明：運動想象和輪椅運