基于意念控制頭盔的腦控電話系統(tǒng)

王之睿 王炳波

摘要：面向不方便行動(dòng)或無(wú)法發(fā)聲的特殊人群的需求，腦控電話可以給他們提供方便。采用Emotiv-Epoc意念控制器頭盔收集人的腦部信號(hào)，并將信號(hào)進(jìn)行識(shí)別為撥號(hào)指令后，用無(wú)線信道把指令傳遞到手機(jī)端撥打電話或發(fā)送信息，具體設(shè)計(jì)了一鍵模式和數(shù)字模式兩種編碼撥號(hào)方式。腦控電話可以讓特殊人群更容易的取得其他人的幫助，同時(shí)也可以方便普通人的生活。

關(guān)鍵詞：意念控制頭盔;指令編碼;藍(lán)牙信道;Arduino單板機(jī);腦控?fù)芴?hào)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）33-0201-02

腦控技術(shù)，指利用人的腦部信號(hào)來(lái)控制機(jī)器等外部事物。它主要通過(guò)檢測(cè)腦電波的變化，然后對(duì)收集到的信號(hào)進(jìn)行分析，最后將分析的結(jié)果發(fā)送給需要控制的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器等外部設(shè)備的控制。

電話撥號(hào)對(duì)于普通人是比較簡(jiǎn)單的操作，但對(duì)于病人有時(shí)卻會(huì)存在困難，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了語(yǔ)音撥號(hào)等技術(shù)，但在某些場(chǎng)景中還是不能完全滿足人們的需求，一方面，對(duì)于類(lèi)似“漸凍人”等病人在遇到困難需要幫助的時(shí)候，腦控?fù)芴?hào)可以滿足他們緊急求助的需求。另一方面，對(duì)于普通人在一些特殊場(chǎng)景，如無(wú)法手動(dòng)撥號(hào)或語(yǔ)音撥號(hào)的時(shí)候，采用腦控?fù)芴?hào)也可以方便他們的生活。

1研究現(xiàn)狀

腦控技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，在國(guó)外，2004年美國(guó)國(guó)防部國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局就進(jìn)行了“思維控制機(jī)器人”的研究。通過(guò)用腦控假肢來(lái)實(shí)現(xiàn)“機(jī)器士兵”。隨著時(shí)間發(fā)展，多個(gè)國(guó)家開(kāi)始了腦控理論與技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，在2017年世界機(jī)器人大會(huì)上還舉辦了“BCI腦控機(jī)器人比賽”。在我國(guó)，2014年國(guó)防科技大學(xué)開(kāi)始探索研發(fā)腦控機(jī)器人，通過(guò)將實(shí)驗(yàn)者腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換成指揮機(jī)器人的指令，實(shí)現(xiàn)用人腦指揮機(jī)器的動(dòng)作。

目前腦控技術(shù)已經(jīng)被開(kāi)始應(yīng)用在包括軍事在內(nèi)的很多方面，尤其是在工程領(lǐng)域，隨著腦控設(shè)備的逐漸成熟，硬件成本不斷下降，普通人已經(jīng)能買(mǎi)到價(jià)格可以接受的腦控設(shè)備，腦控應(yīng)用進(jìn)入我們的日常生活成為可能。

Emofiv Epoc意念控制頭盔是美國(guó)加州舊金山的神經(jīng)科技公司推出的意念控制頭盔，實(shí)驗(yàn)者戴上之后，意念控制器可以收集兩類(lèi)信息：1）實(shí)驗(yàn)者通過(guò)想象推/拉等動(dòng)作，引起腦部電極信號(hào)的變化信息，但這種方式對(duì)實(shí)驗(yàn)人提出了比較高的要求，而且需要大量的訓(xùn)練，準(zhǔn)確度還有待進(jìn)一步提高。2）實(shí)驗(yàn)者可以做出某種表情（如：眨眼、皺眉等），這些動(dòng)作可以對(duì)腦部電極信號(hào)產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的影響，通過(guò)采集這些信號(hào)可以推測(cè)人的表情動(dòng)作。這種方式相對(duì)比較可靠，實(shí)驗(yàn)人不需要進(jìn)行太多的訓(xùn)練就可以達(dá)到較高的準(zhǔn)確度?？紤]到本系統(tǒng)主要面對(duì)的潛在使用者是身體活動(dòng)被制約程度較大的病人，為提高電話撥號(hào)的可靠性并減少使用者的負(fù)擔(dān)，采用了第2種控制方式進(jìn)行腦控電話的設(shè)計(jì)。

2腦控電話系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)硬件由：Emotiv-Epoc意念控制頭盔、pc機(jī)、Arduino單板機(jī)和安卓手機(jī)組成，救助人員和病人可以使用無(wú)線方式交互，設(shè)計(jì)了指令編碼及發(fā)送系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了基于安卓系統(tǒng)自動(dòng)撥號(hào)APP軟件，實(shí)現(xiàn)了腦控電話撥號(hào)。

2.1腦控電話系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如下：

1）病人佩戴可以采集腦部信息的頭盔，按照指令編碼方案做出相應(yīng)的表情，產(chǎn)生腦部電極信號(hào)的變化;

2）腦控頭盔利用接觸腦部的傳感器采集腦部微弱變化的電信號(hào)，并使用藍(lán)牙信道發(fā)送給個(gè)人電腦;

3）個(gè)人電腦接收信號(hào)后，利用頭盔系統(tǒng)的配套軟件推測(cè)腦電信號(hào)所對(duì)應(yīng)的病人意圖，得到對(duì)應(yīng)的響應(yīng)字符;

4）個(gè)人電腦將病人意圖對(duì)應(yīng)的響應(yīng)字符發(fā)送給連接在個(gè)人電腦USB接口的Arduino單板機(jī);

5）Arduino單板機(jī)接受對(duì)應(yīng)的響應(yīng)字符后，進(jìn)行指令編碼，采用藍(lán)牙信道將指令無(wú)線發(fā)送給手機(jī)（安卓）上我們開(kāi)發(fā)的自動(dòng)撥號(hào)APP軟件;

6）自動(dòng)撥號(hào)APP軟件接收指令后，進(jìn)行撥號(hào)或發(fā)送信息到救助人員手機(jī);

7）救助人員接收病人的請(qǐng)求并及時(shí)給予響應(yīng)。

2.2指令編碼方案設(shè)計(jì)

為提高撥號(hào)的可靠性，本系統(tǒng)采用了由用戶做出某種面部動(dòng)作觸發(fā)撥號(hào)的方式。為了提高腦控?fù)芴?hào)的成功率，主要使用部分識(shí)別正確率比較高的面部動(dòng)作（如：Blink眨雙眼等）進(jìn)行組合編碼，作為撥號(hào)的指令。

2.2.1意念控制器頭盔可感知面部動(dòng)作類(lèi)型及響應(yīng)

佩戴Emotiv Epoc意念控制器頭盔，當(dāng)實(shí)驗(yàn)者完成某種面部動(dòng)作時(shí)會(huì)造成腦部電流的變化，系統(tǒng)通過(guò)佩戴在實(shí)驗(yàn)者頭上的電極收集信息，利用頭盔系統(tǒng)事先訓(xùn)練的分類(lèi)器進(jìn)行判斷，并給出字符響應(yīng)作為輸出。主要面部動(dòng)作類(lèi)型與響應(yīng)字符對(duì)應(yīng)如表1所示：

2.2.2指令編碼

根據(jù)具體的腦控?fù)芴?hào)使用場(chǎng)景不同，本文設(shè)計(jì)了兩套指令編碼方式：

如表2，病人可以采用連續(xù)眨眼，發(fā)出撥號(hào)指令獲得幫助;也可以使用連續(xù)皺眉，發(fā)出掛斷指令。這種方式實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，成功率高，但病人只能撥打提前設(shè)置好的電話號(hào)碼。

如表3，為了讓病人可以撥出任意電話號(hào)碼，采用了4位二進(jìn)制表示電話號(hào)碼中的0-9這10個(gè)數(shù)字，采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是靈活性較好，但操作復(fù)雜，且成功率不如一鍵撥號(hào)方式，不適合危重病人。

2.3指令傳送執(zhí)行方式

如圖2所示指令傳送執(zhí)行方式如下：

a）由PC上安裝的Emotiv-Epoe頭盔的控制軟件接收頭盔發(fā)送來(lái)的腦電信號(hào)，并識(shí)別為特定的響應(yīng)字符;

b）將響應(yīng)字符通過(guò)“焦點(diǎn)”設(shè)置傳送給Arduino單板機(jī);

c）在Arduino單板機(jī)上編程，將字符轉(zhuǎn)換為指令，并通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送給手機(jī);

d）在手機(jī)（安卓）上開(kāi)發(fā)自動(dòng)撥號(hào)APP，接受Arduino單板機(jī)發(fā)來(lái)的指令;

e）自動(dòng)撥號(hào)APP解碼指令后，撥打指定的電話或發(fā)送信息。

3結(jié)論

本系統(tǒng)克服了采用面部圖像識(shí)別技術(shù)中存在的角度和遮擋問(wèn)題，更符合病人的實(shí)際情況，具有一定的實(shí)用性，實(shí)際測(cè)試中：一鍵撥號(hào)模式的成功率可以達(dá)到92%以上，但數(shù)字撥號(hào)模式中的方便性和準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步提高。

腦控技術(shù)的發(fā)展仍然還處于探索中，讓普通人方便地用意念控制日常生活中各種復(fù)雜的外部設(shè)備還有很大的難度。但可以預(yù)見(jiàn)，隨著腦控科學(xué)理論和方法的不斷研究，新的軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，腦控技術(shù)一定會(huì)顛覆性的改變我們每個(gè)人的生活。