王之睿 王炳波

摘要：面向不方便行動或無法發(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，并將信號進(jìn)行識別為撥號指令后，用無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)計了一鍵模式和數(shù)字模式兩種編碼撥號方式。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?/p>

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）33-0201-02

腦控技術(shù)，指利用人的腦部信號來控制機(jī)器等外部事物。它主要通過檢測腦電波的變化，然后對收集到的信號進(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)對機(jī)器等外部設(shè)備的控制。

電話撥號對于普通人是比較簡單的操作，但對于病人有時卻會存在困難，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了語音撥號等技術(shù)，但在某些場景中還是不能完全滿足人們的需求，一方面，對于類似“漸凍人”等病人在遇到困難需要幫助的時候，腦控?fù)芴柨梢詽M足他們緊急求助的需求。另一方面，對于普通人在一些特殊場景，如無法手動撥號或語音撥號的時候，采用腦控?fù)芴栆部梢苑奖闼麄兊纳睢?/p>

1研究現(xiàn)狀

腦控技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，在國外，2004年美國國防部國防高級研究計劃局就進(jìn)行了“思維控制機(jī)器人”的研究。通過用腦控假肢來實(shí)現(xiàn)“機(jī)器士兵”。隨著時間發(fā)展，多個國家開始了腦控理論與技術(shù)的開發(fā)研究，在2017年世界機(jī)器人大會上還舉辦了“BCI腦控機(jī)器人比賽”。在我國，2014年國防科技大學(xué)開始探索研發(fā)腦控機(jī)器人，通過將實(shí)驗(yàn)者腦電信號轉(zhuǎn)換成指揮機(jī)器人的指令，實(shí)現(xiàn)用人腦指揮機(jī)器的動作。

目前腦控技術(shù)已經(jīng)被開始應(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)能買到價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信息：1）實(shí)驗(yàn)者通過想象推/拉等動作，引起腦部電極信號的變化信息，但這種方式對實(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），這些動作可以對腦部電極信號產(chǎn)生相對穩(wěn)定的影響，通過采集這些信號可以推測人的表情動作。這種方式相對比較可靠，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)主要面對的潛在使用者是身體活動被制約程度較大的病人，為提高電話撥號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。

2腦控電話系統(tǒng)設(shè)計方案

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線方式交互，設(shè)計了指令編碼及發(fā)送系統(tǒng)，開發(fā)了基于安卓系統(tǒng)自動撥號APP軟件，實(shí)現(xiàn)了腦控電話撥號。

2.1腦控電話系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖1所示系統(tǒng)總體設(shè)計如下：

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，并使用藍(lán)牙信道發(fā)送給個人電腦;

3）個人電腦接收信號后，利用頭盔系統(tǒng)的配套軟件推測腦電信號所對應(yīng)的病人意圖，得到對應(yīng)的響應(yīng)字符;

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

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

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

7）救助人員接收病人的請求并及時給予響應(yīng)。

2.2指令編碼方案設(shè)計

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

2.2.1意念控制器頭盔可感知面部動作類型及響應(yīng)

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

2.2.2指令編碼

根據(jù)具體的腦控?fù)芴柺褂脠鼍安煌?，本文設(shè)計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)相對簡單，成功率高，但病人只能撥打提前設(shè)置好的電話號碼。

如表3，為了讓病人可以撥出任意電話號碼，采用了4位二進(jìn)制表示電話號碼中的0-9這10個數(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)送來的腦電信號，并識別為特定的響應(yīng)字符;

b）將響應(yīng)字符通過“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，并通過藍(lán)牙模塊發(fā)送給手機(jī);

d）在手機(jī)（安卓）上開發(fā)自動撥號APP，接受Arduino單板機(jī)發(fā)來的指令;

e）自動撥號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別技術(shù)中存在的角度和遮擋問題，更符合病人的實(shí)際情況，具有一定的實(shí)用性，實(shí)際測試中：一鍵撥號模式的成功率可以達(dá)到92%以上，但數(shù)字撥號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，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)一定會顛覆性的改變我們每個人的生活。