張鈞博 許奇科

摘 要：目前，隨著科學技術(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。自然界中最神奇的東西莫過于人類大腦，人們對于大腦的研究從未停止過，我們希望能夠直接通過腦電信號去控制一些物體，從一定程度上解放雙手，控制萬物。這可以使得手腳不方便的病人重新獲得自由，讓戰(zhàn)爭真正實現(xiàn)無人化對抗。本課題在于提出一套基于腦機接口的無人化操作平臺從而實現(xiàn)腦電控制無人設(shè)備的二自由度的控制。

關(guān)鍵詞：腦電波；腦電信號；腦—機接口

1 研究背景和意義

隨著科學技術(shù)高速發(fā)展，腦-機接口日趨便攜化和智能化，人們通過腦電波采集設(shè)備采集腦電信號并轉(zhuǎn)化為設(shè)備的驅(qū)動信號，從而達到用大腦思維控制外部設(shè)備的目的。人們對大腦意識的提取從未終止過，相繼開發(fā)出基于視覺誘發(fā)電位、皮層慢電位、運動想象與思維等一系列腦-機接口方式?；贓EG特征的提取與應(yīng)用技術(shù)成為一種新興的多學科交叉的研究課題，在醫(yī)療領(lǐng)域、娛樂領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

2 基于運動想象的腦機接口設(shè)計原理

2.1 總體框架設(shè)計

基于TGAM傳感器的腦機接口系統(tǒng)主要有三個部分構(gòu)成：腦電波信號采集系統(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（以安卓版手機端為最優(yōu)設(shè)備）又可以分為：EEG信號處理部分、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

2.2.1腦電信號采集系統(tǒng)

腦電信號采集系統(tǒng)主要負責以下兩個功能：

（1）采集數(shù)據(jù)：通過腦點波采集設(shè)備從實驗者大腦捕獲腦電信號； （2）放大濾波：對微弱的腦電信號經(jīng)過放大、濾波等預(yù)處理。

2.2.2數(shù)據(jù)處理中心

（1）EEG信號處理部分：①讀取經(jīng)過放大、濾波處理的EEG數(shù)據(jù)；②分析處理EEG數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生其信號波形；③對處理后的信號進行分類，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，以實現(xiàn)最終的控制。在設(shè)計過程中，可以根據(jù)不同的應(yīng)用模塊設(shè)計不同的通信方式。（3）設(shè)備響應(yīng)部分。識別決策指令，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)置兩至三個響應(yīng)設(shè)備，基于原有無人移動可操作設(shè)備進行腦控化改裝，以確?？梢哉?zhí)行腦控決策。

3 基于EEG技術(shù)的腦控無人設(shè)備設(shè)計

3.1 整體設(shè)計方案

本系統(tǒng)采用簡單明了的設(shè)計方案。通過腦電波采集設(shè)備捕獲大腦產(chǎn)生的生物電信號，并由TGAM模塊處理信號發(fā)送給手機端，手機端通過藍牙模塊與響應(yīng)設(shè)備連接，手機端APP發(fā)送指令給控制模塊，改變其工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)設(shè)備的運行。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計步驟

（1）根據(jù)設(shè)計要求，確定設(shè)計方案； （2）將各個模塊進行組裝并進行簡單調(diào)試；（3）畫出程序流程圖，使用編程軟件進行編程；（4）將程序燒錄到各單獨模塊里； （5）進行調(diào)試以實現(xiàn)控制功能。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計原理及說明

腦控無人智能車說明：

（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模塊信號處理并通過其硬件電路濾波，完成腦電信號的預(yù)處理。（2）預(yù)處理的腦電信號通過藍牙通訊傳輸?shù)绞謾C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值域，根據(jù)這兩個值域來進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，當專注度閾值低于40（滿值為100）則軌道車失去動力停止運行。（3）手機將指令通過藍牙通訊發(fā)送至智能小車分系統(tǒng)的控制模塊，即Arduino模塊，控制模塊識別指令并解析控制L298N模塊。（4） L298N模塊根據(jù)發(fā)來的指令控制電機，從而驅(qū)動車輛運行。

腦控無人軌道系統(tǒng)說明：

（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模塊信號處理并通過其硬件電路濾波，完成腦電信號的預(yù)處理。（2）預(yù)處理的腦電信號通過藍牙通訊傳輸?shù)绞謾C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值域，根據(jù)這兩個值域來進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，當專注度閾值低于40（滿值為100）則軌道車失去動力停止運行。（3）手機將指令通過WiFi通訊發(fā)送至軌道分系統(tǒng)的控制模塊，即MCU模塊?？刂颇K識別指令并解析控制PWM模塊。（4）PWM模塊根據(jù)發(fā)來的指令調(diào)節(jié)軌道電壓值。（5）軌道通過電刷導(dǎo)電將電量傳遞給軌道車電機，從而驅(qū)動車輛運行。

4 總結(jié)和展望

本課題研究主要是實現(xiàn)一種基于運動想象的用腦電波控制的無人設(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，直接對無人車的單緯度運動進行控制，可以實現(xiàn)小車的運動和停止。第二套設(shè)備是利用發(fā)帶提取腦電波信號，分析當前的專注度，根據(jù)專注度控制軌道的電流大小，從而控制軌道車的運動速度。

本次課題基本實現(xiàn)了我們的預(yù)期目標，在課題研究的過程中，我們也遇到了一些問題，如如何實現(xiàn)腦機接口，如何將腦電信號傳輸?shù)叫≤嚿?，從而實現(xiàn)對小車的控制等。

隨著機器人擬人化的發(fā)展趨勢，由EEG信號的工程應(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、移動機器人以及外骨骼康復(fù)機器人等精密運動的控制中發(fā)揮重要作用。