基于腦電波信號的Mini機械臂無線控制系統(tǒng)

黃賀誠 姚逸文 張孟珂

摘 要 為實現(xiàn)人腦直接控制外部設備的目的，本文設計了一種利用人體腦電波信號作為控制命令來源，通過無線方式傳遞控制者實際操作信息，最終實現(xiàn)對Mini機械臂的智能動作操作系統(tǒng);本系統(tǒng)提供了一種新的人機交互方式，拓展了腦電采集及控制設備在工業(yè)生產(chǎn)、健康醫(yī)療、生活等領域的應用前景。

關鍵詞 腦電波 機械臂 動作

中圖分類號：TP368.2文獻標識碼：A

0引言

腦機接口（Brain Computer Interface， BCI）技術主要是基于人腦電波進行操控的一種新型技術，其采用意念控制方式達到了基本的人機互動要求，基于腦電波（Electroencephalogram，以下簡稱EEG）的控制系統(tǒng)能夠通過特定的測量技術手段提取大腦內部的思維活動信息，然后通過嵌入式平臺分析該信息中包含的人腦真實意圖，并將其轉化為對外部設備的控制命令，最終實現(xiàn)人腦直接控制外設的目的。

本文設計了一種通過獲取意念腦電波信號并作為處理對象，在提取信號特征后構建訓練庫，并最終實現(xiàn)對小型機械臂動作進行精確控制的系統(tǒng)，操作者能夠使用意念操作機械臂按需運動，突破了傳統(tǒng)的物理按鍵作為控制端的局限性。

1系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)原理如圖1所示，BCI系統(tǒng)首先采集EEG信號，并通過無線藍牙方式傳送至嵌入式系統(tǒng)平臺，經(jīng)過信號濾波等處理后輸入至特征提取模塊，待提取到能夠有效反映出操作者真實意圖的特征量后，送往分類器進行分類識別，最后將分類結果轉換為實際的Mini機械臂控制指令。

2系統(tǒng)功能模塊設計

2.1腦電波信號采集

本系統(tǒng)通過無創(chuàng)方式采集操作者大腦皮層的腦電波信號，然后利用無線藍牙模塊將EEG數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式主控平臺。EEG信號是一種由大腦中的神經(jīng)元之間以電離子形式傳遞信息而產(chǎn)生的生物電現(xiàn)象，具有較為明顯的頻率特性，其頻率變動范圍通常在0.1Hz-50Hz之間，不同頻帶分別表示不同的精神狀態(tài)，例如放松、集中、思考、無意識等。

2.2腦電波信號預處理

由于采集到的大腦皮層上的EEG信號是由大量神經(jīng)源共同放電產(chǎn)生的，因此存在一定的頻率重疊、且具很高的敏感性，本系統(tǒng)利用硬件濾波器濾除工頻干擾噪聲，而其他生物電噪聲、環(huán)境噪聲等，通過軟件算法進行消除。

2.3腦電波信號特征提取

為從EEG信號中提取出能夠有效地表征操作者實際意圖的特征向量，本系統(tǒng)針對100個基準樣本進行EEG頻帶能量分析，針對每個樣本使用周期圖法計算各頻段的能量和能量占比，以實現(xiàn)對不同頻段EEG信號的特征提取。

2.4腦電波信號訓練庫

根據(jù)得到的EEG信號的特征集合，在嵌入式平臺上完成EEG信號特征數(shù)據(jù)庫的神經(jīng)網(wǎng)絡訓練模型的構建。

2.5腦電波信號分類識別

EEG信號分類識別的準確率直接反映了控制系統(tǒng)性能的好壞，因此對提取到的EEG信號進行特征選擇，通過最佳分類器對實時采集到EEG信號進行識別，得出操作者的真實意圖信息。

2.6機械臂控制信號轉換

最后將解析出的操作者實際控制意圖轉換成Mini機械臂操控指令，如：舵機自由度、運動方向及角度、速度等，實現(xiàn)控制機械臂做出不同的動作。

3結論

本系統(tǒng)將采集到的腦電波信號以無線方式傳輸至嵌入式系統(tǒng)平臺，然后對EEG信號進行解析，判斷出對應的命令狀態(tài)，進而去控制Mini機械臂做出對應動作，本系統(tǒng)結構簡單，應用方便，可廣泛應用于各個工程領域。

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目“基于腦電信號的智能Mini機械臂控制系統(tǒng)的研究”（201910058027）。

參考文獻

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