CN102323771A

CN102323771A - 基于脑机接口的车模控制装置

Info

Publication number: CN102323771A
Application number: CN201110196355A
Authority: CN
Inventors: 李远清; 王洪涛
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明公开了一种基于脑机接口的车模控制装置，包括电极帽、脑电采集仪、计算机、无线发射模块、无线接收模块以及车模运动控制系统；其中，电极帽与使用者的脑头皮相接采集头皮脑电信号，电极帽与脑电采集仪信号相连；所述计算机内部设有依次连接的脑电信号预处理模块、特征提取模块和分类识别模块，再通过计算机上的I/O接口传输给无线发射模块，无线发射模块与无线接收模块之间通过天线实现数据传递，再控制车模运动控制系统相对应的运动。本发明装置可以为身体瘫痪且语言功能受损的严重残疾病患提供与他人进行交流的途径，并且对其外围功能加以延伸后可以让患者实现轮椅等机械装置的控制，这在医疗康复、医学生理实验等方面具有诸多价值。

Description

基于脑机接口的车模控制装置

技术领域

本发明涉及脑机接口的应用研究领域，具体是一种基于脑机接口的车模控制装置。

背景技术

脑-机接口( Brain-Computer Interface，BCI)是在人脑和计算机或其他电子设备之间建立一种不依赖于常规大脑输出通路（外周神经和肌肉组织）的直接信息交流和控制通道，是一种全新的人-机交互系统。脑-机接口作为一种全新的信息交换和控制技术，将为瘫痪病人，特别是那些丧失了基本肢体运动功能但思维正常的患者，提供一种与外界进行信息交流和控制的新途径。BCI系统根据脑信号获取的方式可分为侵入式和非侵入式，若植入电极到脑壳内称为侵入式系统；若从头皮采集信号则称为非侵入式系统。脑电(Electroencephalography, EEG)是脑细胞群体发放电所产生的宏观现象，当大脑活动的时候，会产生特定的脑电信号。非侵入式脑机接口由于无需做手术，因此其研究较为普遍。

基于运动想象的BCI是最为广泛的一类，国际上很多研究机构在进行这方面的研究。清醒的受试者在从事任何与感觉运动相关的活动时，感觉运动皮层区域能够检测到8-12 Hz节律的脑电波，这种节律称为Mu节律。通常Mu节律出现的同时，伴随18-26Hz的Beta节律出现。Beta节律的一部分是Mu节律的倍频，另外一部分是独立的脑电特征，因此许多BCI系统都会采用这两个节律作为脑电特征。Mu和Beta节律与脑的运动区域有关联，准备运动或实际运动伴随着对侧的Mu和Beta节律的下降，称为事件相关去同步（Event-related desynchronization, RED），而运动的结束伴随着这两个节律的上升，称为事件相关同步（Event-related synchronization, ERS），基于运动想象的脑机接口比较容易掌握，且相应的信号特征获取方法多，其中具有代表的是共空域模式法（Common spatial patterns, CSP）CSP，自适应回归（Adaptive autoregressive, ARR）模型和匹配跟踪等。

另外基于事件相关电位(Event related Potential，ERP)的研究也是一个重要方向。P300是由小概率事件（视觉、听觉、触觉等形式）诱发的一种ERP，因对应于事件发生约300毫秒后EEG中的一个正电位波形而得名。基于P300电位的BCI利用特定的事件刺激序列，诱发使用者的P300电位，通过P300的发生时刻来判断用户的意识活动，这种类型的BCI特别适合从多个选择中选择一个目标的操作。实验表明：相关事件出现的概率越小，所引起的P300越显著，并在头部的顶骨区(中部或后部)最为显著。

目前融合多个脑机接口是目前脑机接口重要的研究方向，比如融合事件关联电位和运动想象电位实现多自由度指令提取。以此来控制外部设备如：车模、机械手、机器人、轮椅等。

国际机器人联合会给服务机器人的定义为：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务和工作，但不包括从事生产的设备。在我国服务机器人的涵盖范围较广，其定义为：工业机器人之外的各种机器人，主要应用于第三产业，包括家庭机器人(Home Robot)与野外机器人(Field Robot)两大类。服务机器人正在为人们提供越来越多方便、舒适的服务，引领人类生活方式发生变革，为人口老龄化等带来的重大社会服务问题提供解决方案，为第三产业发展提供新的动力。目前我国60岁以上人口已达到1. 34亿，残疾人数量高达5千多万，在不远的将来，老年人和残疾人的护理将成为社会的一个重要负担，迫切需要一大批服务机器人提供家用智能服务，诸如清洁、取物、远程医疗、家庭保安、娱乐等，提高他们的生活质量，满足整个社会对护理人员数量和质量的需求。

国家中长期科技发展规划纲要提出，2015年我国实现“人人享有康复服务”的国家战略目标，并且把“康复工程”作为国家科技支撑计划重点资助项目。目前作为新的学科制高点与经济增长点，助残与康复工程正在逐渐成为国家重点扶持产业，这给脑机接口研究由理论向产品转化带来新的契机，有利于相关研究进一步深入。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于脑机接口的车模控制装置，本发明装置能根据受试者的脑电信号，判断出受试者的控制意图，通过无线通讯的方式，控制车模启动、停止、加、减档及左、右转向操作。

实现本发明目的所采用的技术方案包括：

基于脑机接口的车模控制装置，包括电极帽、脑电采集仪、计算机、无线发射模块、无线接收模块以及车模运动控制系统；其中，电极帽与使用者的脑头皮相接采集头皮脑电信号，电极帽与脑电采集仪信号相连并对信号进行滤波、放大及模数转换的处理；所述计算机内部设有依次连接的脑电信号预处理模块、特征提取模块和分类识别模块，上述经过脑电采集仪进行处理后的信号通过计算机上的I/O接口传递到脑电信号预处理模块进行进一步滤波处理后，再传递到特征提取模块分别提取出P300特征信息和ERD/ERS特征信息，分类识别模块再分别对P300特征信息和ERD/ERS特征信息进行信号识别，并转换成指令，该指令再通过计算机上的I/O接口传输给无线发射模块，无线发射模块与无线接收模块之间通过天线实现数据传递，无线接收模块接收到指令后，控制车模运动控制系统相对应的运动。

所述指令和车模运动控制系统相对应的运动均包括加速、减速、左转以及右转。

所述无线接收模块接收到指令后通过数字编码芯片产生序列脉冲，经过ASK调频方式调制后以315Mhz载波经天线发送，天线接收到信号后通过解调接收器将调频接收的信号还原为序列脉冲，经过数字解码芯片解码为指令，传送给车模运动控制系统并控制其运动，还可以控制车模顶部的四个对应加档、减档、左转、右转的LED指令指示灯，作为脑机接口系统的反馈，组成了闭环控制。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）脑电信号记录采用头戴电极帽的无创方式。

（2）脑电信号处理算法采用融合事件关联电位和运动想象电位的方式，可从脑电信号中提取更多的指令，同时可有效提高系统信息传输速率。

（3）车模控制采用无线传输方式，提高了操作灵活性及对环境的适应性。

附图说明

图1是本发明装置工作流程图；

图2是本发明视觉刺激工作界面；

图3是本发明上位机指令无线发射模块硬件原理图；

图4 是本发明车模运动控制系统硬件原理图；

图5 是本发明车模控制主程序流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

如图1所示，具体过程为：在系统启动后，受试者通过注视带有闪烁键的视觉刺激界面和进行左、右运动想象，来表示受试者的控制意图，同时脑电信号经过电极帽与使用者的脑头皮相接采集头皮脑电信号，电极帽与脑电采集仪信号相连并对信号进行滤波、放大及模数转换的处理后，通过计算机上的I/O接口传递到脑电信号预处理模块进行进一步滤波处理后，再传递到特征提取模块分别提取出P300特征信息和ERD/ERS特征信息，分类识别模块再分别对P300特征信息和ERD/ERS特征信息进行信号识别，并转换成指令，该指令再通过计算机上的I/O接口传输给无线发射模块，无线发射模块与无线接收模块之间通过天线实现数据传递，无线接收模块接收到指令后，控制车模运动控制系统执行相应运动控制，受试者可以通过车模装置上的视觉反馈LED灯，对比自己的控制意图是否正确，从而实现了闭环控制。

如图2所示，事件关联电位视觉刺激界面有4个P300闪烁键，其中一个键“start”键指示车模启动，一个键“stop” 键指示车模启动，一个键“Forward”键指示车模加档，一个键“Back”键指示车模减档。在系统启动后，使用者通过注视闪烁键和进行左右手运动想象来实现车模运动控制。

如图3所示，上位机指令无线发射模块，ATmega8L作为核心芯片，串口转换芯片PL2303接收来自USB的指令，经过数字编码芯片PT2262产生序列脉冲，通过ASK调频方式调制后以315Mhz载波经过天线发送。

如图4所示，车模运动控制系统以ATmega16L为核心微处理器。天线接收到信号后通过解调接收器将接收的信号还原为序列脉冲，经过数字解码芯片PT2272解码为指令，传送到ATmega16L，根据指令，输出两路PWM信号，经电机驱动电路L298N，驱动双电机转动。此外霍尔传感器作为电机的输出反馈，形成闭环控制，以提高车模的性能。此外车模还设计有ISP程序下载电路，电源电路，霍尔传感器测速电路等。

如图5所示，车模主控制程序完成系统初始化后，采用查询寄存器的方式，根据无线接收子程序接收到的指令分别转到相应的子程序，如接收到30H转入前进子程序，该子程序中含有加、减档子程序：31H加档子程序；32H减档子程序；接收到33H转入左转子程序；接收到34H转入右转子程序；接收到35H转入停止子程序；接收到36H转入后腿子程序，在执行完子程序后返回继续查询寄存器。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.基于脑机接口的车模控制装置，其特征在于，包括电极帽、脑电采集仪、计算机、无线发射模块、无线接收模块以及车模运动控制系统；其中，电极帽与使用者的脑头皮相接采集头皮脑电信号，电极帽与脑电采集仪信号相连并对信号进行滤波、放大及模数转换的处理；所述计算机内部设有依次连接的脑电信号预处理模块、特征提取模块和分类识别模块，上述经过脑电采集仪进行处理后的信号通过计算机上的I/O接口传递到脑电信号预处理模块进行进一步滤波处理后，再传递到特征提取模块分别提取出P300特征信息和ERD/ERS特征信息，分类识别模块再分别对P300特征信息和ERD/ERS特征信息进行信号识别，并转换成指令，该指令再通过计算机上的I/O接口传输给无线发射模块，无线发射模块与无线接收模块之间通过天线实现数据传递，无线接收模块接收到指令后，控制车模运动控制系统相对应的运动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述指令和车模运动控制系统相对应的运动均包括加速、减速、左转以及右转。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述无线接收模块接收到指令后通过数字编码芯片产生序列脉冲，经过ASK调频方式调制后以315Mhz载波经天线发送，天线接收到信号后通过解调接收器将调频接收的信号还原为序列脉冲，经过数字解码芯片解码为指令，传送给车模运动控制系统并控制其运动。