CN105137830B - 一种基于视觉诱发脑机接口的国画机器手及其绘图方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视觉诱发脑机接口的国画机器手，包括视觉刺激器主控模块，视觉刺激器面板模块，脑电信号采集模块，脑电数据传输模块，信号处理模块，国画机械手模块，采用由六个伺服电机驱动的AVR编程机械手，Atmega168单片机控制器控制机械手的运动，并通过串口的方式与FPGA进行实时通讯。本发明国画机器手中的脑电信号采集端采用便携式蓝牙信号传输，大大提升了数据传输的灵活性和网络传输速度，提高脑机接口系统的实用性，提高控制精度的同时提升了文化内涵，最终的小型化道路必将落实到脑‑机接口系统的嵌入式实现，便携式脑‑机接口系统具有广泛的应用前景。本发明还公开了一种基于视觉诱发脑机接口的国画机器手的绘图方法。
Description
技术领域
本发明涉及嵌入式信号处理技术领域，尤其涉及一种基于视觉诱发脑机接口的国画机器手。本发明还涉及一种基于视觉诱发脑机接口的国画机器手的绘图方法。
背景技术
人类大脑作为协调身体与精神活动的神经系统控制中枢，它管理着人体与外界进行交互通信的各项神经系统。当今世界上，脑中风、各种瘫痪、失语症、帕氏综合征困扰着越来越多人，医疗水平的不断提高，有利于延长这些患者的生命周期，但由于缺失对肌肉的控制力，他们无法与外界进行正常交流和有效控制，生活质量无法得到保障，这给患者自身和社会带来了沉重的负担。脑-机接口(brain-computer interface，BCI)是一种将具有意图的脑电信号转换成计算机指令的系统，它不同于人体大脑与肌肉组织的通讯方式，利用可识别的脑电信号实现人脑直接与外部设备通讯，涉及生物医学工程、电生理学、脑神经科学、信号处理技术和计算机科学等多学科领域交叉。除康复医学工程领域，对于范围更广泛的健康用户，在人机交互和多媒体娱乐通讯等相关领域，脑机接口可以结合传统的视觉、听觉等通信方式构成全新的通信交流方式，从而扩充人类对外通信和环境控制的能力。目前脑机接口系统基本上都是基于PC机实现的，为了提高脑-机接口系统的实用性，脑-机接口系统必将朝着小型化方向发展，但目前国内现有脑机接口系统大多数基于PC机实现，系统体积庞大，实用性不强。
发明内容
为克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种小型化、便携性、艺术性、实用性强的基于视觉诱发脑机接口的国画机器手。
本发明的另一个目的在于提供一种基于视觉诱发脑机接口的国画机器手的绘图方法。
为实现上述目的，本发明的基于视觉诱发脑机接口的国画机器手的技术方案是：
一种基于视觉诱发脑机接口的国画机器手，包括视觉刺激器，采用稳态视觉诱发脑电信号，根据稳态视觉诱发电位的原理，使用基于白色发光二极管LED实现视觉刺激；脑电信号采集模块，采用便携式信号采集放大器对脑电信号进行采集；脑电数据传输模块，在现场可编程逻辑门阵列FPGA的设计中使用VHDL将通用异步收发器功能集成到FPGA内部，实现FPGA开发板与信号采集放大器之间的数据传输；在FPGA中设置环形缓冲区用于不断的从信号采集放大器接收脑电数据块，并存储起来，同时设置逻辑控制子模块接收环形缓冲区提供的触发，并通过逻辑控制，决定是否可以触发信号处理；信号处理模块，信号预处理：采用Matlab中的FADTool生成FIR带通滤波器系数和对应的VHDL程序，然后把VHDL程序在FPGA里面生成对应的FIR带通滤波器模块，从而实现对原始脑电信号的滤波；信号特征提取与识别：采用功率谱估计实现对视觉诱发脑电信号进行诱发电位特征提取，用BP神经网络识别视觉诱发电位特征；控制指令输出模块，通过信号处理模块识别出的刺激频率匹配国画机械手指令库进而转换为相对应的控制指令来实现机械手绘图动作，同时在FPGA中显示将要绘制的指令；国画机械手模块，采用由六个伺服电机驱动的AVR编程机械手，Atmega168单片机控制器控制机械手的运动，并通过串口的方式与FPGA进行实时通讯。
作为上述技术方案的改进，所述视觉刺激器包括：视觉刺激器主控模板，采用FPGA针对同一个50MHZ有源晶振进行整数倍分频，然后通过并行控制使每组LED灯独立闪烁，在Quartus II软件上使用VHDL语言编写一个分频模块文件，设置分频基数参数来获得所需频率；视觉刺激器面板模块，国画机器手的视觉刺激器面板由12个以不同频率闪烁的方块组成，包含上、下、左、右4个方位命令和竖线、斜线、锯齿线、波浪线、实心点、返回、绘制、结束8个绘图命令，LED刺激器采用ULN2003驱动芯片，每个方块采用白色树脂封装保证所有的刺激方块稳定正常闪烁，将12个LED以6串6并的方式组合来增加每个刺激方块的发光面积。
作为上述方案的改进，所述便携式信号采集放大器为NeuroX.BC便携式信号采集放大器，支持蓝牙传输脑电信号数据。
进一步地，本发明的基于视觉诱发脑机接口的国画机器手还包括实时反馈模块，通过视频监控实现绘图的实时反馈，实时反馈模块包括：图像采集模块，采用OV9650型号的传感器，对彩色图像进行处理；数据传输模块，根据Altera Cyclone和SOC Bulider相关理论在FPGA中建立数据传输模块。
为实现上述目的，本发明的基于视觉诱发脑机接口的国画机器手绘图的具体方法如下：
一、整个实验在安静、远离电磁干扰的环境中进行，受试者头戴电极帽，坐在距离视觉刺激器50cm处，双眼平视视觉刺激器；当刺激器开始闪烁时，受试者双眼注视所要代表绘制笔画的LED灯；
二、开启信号采集放大器进行信号采集，并将原始脑电信号送入FPGA的缓冲区中进行实时存储，在FPGA中设置环形缓冲区用于不断的从信号采集放大器接收脑电数据块，同时设置逻辑控制子模块接收环形缓冲区提供的触发，并通过逻辑控制，决定是否可以触发信号处理；
三、经过FPGA信号处理后的数据将经过串口方式传输给国画机械手；首先FPGA显示信号处理模块识别出代表绘制笔画的刺激频率，受试者根据实时反馈做出进一步的判断；绘图机械手将结合控制指令以及受试者的设置完成以下三个动作：
1、刺激频率不匹配控制指令库内的数据，绘图机械手处于静止状态，受试者将触发逻辑控制接受新的脑电信号进行处理；
2、刺激频率匹配控制指令库的数据时，绘图机械手将发出工作提示，受试者根据实时反馈的绘图动作决定是否绘制国画；
3、刺激频率匹配控制指令库的数据且机械手已经绘制国画部分时，受试者根据实时的绘图视频显示来调整绘图机械手的位置与动作。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明的基于视觉诱发脑机接口的国画机器手中的脑电信号采集端采用便携式蓝牙信号传输，大大提升了数据传输的灵活性和网络传输速度，在很大程度上提高脑机接口系统的实用性；脑电信号处理端采用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)，摆脱了传统脑机接口对PC机依赖，实现脑机接口系统的小型化、便携性。本发明实现机械手绘制山水画国画，提高控制精度的同时提升了文化内涵，最终的小型化道路必将落实到脑-机接口系统的嵌入式实现，便携式脑-机接口系统具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明的基于视觉诱发脑机接口的国画机器手的工作原理图。
图2是本发明的基于视觉诱发脑机接口的国画机器手的绘图步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-2所示，本发明一种基于视觉诱发脑机接口的国画机器手的实施例，包括：
(1)视觉刺激器：本发明采用稳态视觉诱发脑电信号，根据稳态视觉诱发电位的原理，使用基于白色发光二极管(Light Emitting Diode，LED)实现视觉刺激器。
视觉刺激器主控模块：为了实现LED闪烁频率控制，采用FPGA针对同一个50MHZ有源晶振进行整数倍分频，然后通过并行控制使每组LED灯独立闪烁。在Quartus II软件上使用VHDL语言编写一个分频模块文件，设置分频基数参数来获得所需频率。
视觉刺激器面板模块：国画机器手的视觉刺激器面板由12个以不同频率闪烁的方块组成。包含上、下、左、右4个方位命令和竖线、斜线、锯齿线、波浪线、实心点、返回、绘制、结束8个绘图命令。LED刺激器采用ULN2003驱动芯片，每个方块采用白色树脂封装保证所有的刺激方块稳定正常闪烁，将12个LED以6串6并的方式组合来增加每个刺激方块的发光面积。
(2)脑电信号采集模块：脑电波是μV量级微弱生物医学信号，本发明采用NeuroX.BC便携式信号采集放大器，该放大器具有小型化、抗干扰性强、无线传输等功能。脑电放大器的采样率是1000Hz，使用过程中性能稳定，可有效传导人体皮肤表面的如脑电信号(EEG)、心电信号(ECG)、眼电信号(EOG)等微弱生物电信号。
(3)实时控制模块：实时控制是本系统的核心部分，包括脑电数据传输模块、信号处理模块、控制指令输出模块。
脑电数据传输模块：本发明采用的信号采集放大器NeuroX.BC支持蓝牙传输脑电信号数据，在FPGA的设计中使用VHDL将通用异步收发器(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter，UART)功能集成到FPGA内部，实现FPGA开发板与信号采集放大器之间的数据传输。在FPGA中设置环形缓冲区用于不断的从信号采集放大器接收脑电数据块，并存储起来。同时设置逻辑控制子模块接收环形缓冲区提供的触发，并通过逻辑控制，决定是否可以触发信号处理。
信号处理模块：信号处理包含信号预处理和特征提取与识别两部分。该模块包含以下步骤：
1.采用Matlab中的FADTool生成FIR带通滤波器系数和对应的VHDL程序，然后把VHDL程序在FPGA里面生成对应的FIR带通滤波器模块，从而实现对原始脑电信号的滤波。
2.采用功率谱估计实现对视觉诱发脑电信号进行诱发电位特征提取，用BP神经网络识别视觉诱发电位特征。在FPGA中通过SOPC技术、VHDL编程、DSP运算IP核和嵌入式乘法器实现信号处理算法。
控制指令输出模块：通过信号处理模块识别出的刺激频率匹配国画机械手指令库进而转换为相对应的控制指令来实现机械手绘图动作，同时在FPGA中显示将要绘制的指令。
(4)实时反馈模块：通过视频监控实现绘图的实时反馈，包括图像采集模块、数据传输模块。
图像采集模块：图像采集设备采用OV9650型号的传感器。该传感器具有彩色图像处理功能，能够提高彩色图像的处理效率，减少系统占用的存储空间。
数据传输模块：根据Altera Cyclone和SOC Bulider相关理论在FPGA中建立数据传输模块。
(5)国画机械手模块：采用由六个伺服电机驱动的AVR编程机械手，控制机械手运动的是基于Atmega168单片机控制器，并通过串口的方式与FPGA进行实时通讯。
作为多样化应用此技术本发明也支持搭载嵌入式操作系统的其它便携式开发设备，例如ARM，DSP等。
下面对于本发明的基于视觉诱发脑机接口的国画机器手的绘图方法实施例进行说明。
首先受试者双眼平视LED灯刺激器，视觉刺激器进行视觉刺激，原始脑电信号将在信号采集中进行放大和滤波处理，通过无线蓝牙传输到FPGA中进行实时诱发电位信号预处理并进一步提取诱发电位特征和识别，再将输出指令通过串口传输到绘图机械手，绘图机械手将根据具体的绘制指令绘制国画。
具体地，本发明的基于视觉诱发脑机接口的国画机器手的绘图方法，包括以下步骤：
一、整个实验在安静、远离电磁干扰的环境中进行。受试者头戴电极帽，坐在距离视觉刺激器50cm处，双眼平视视觉刺激器；当刺激器开始闪烁时，受试者双眼注视所要代表绘制笔画的LED灯。
二、开启脑电放大器则进行信号采集，并将原始脑电信号送入FPGA的缓冲区中进行实时存储；为了提高国画绘制准确度的要求，在FPGA中设置环形缓冲区用于不断的从信号采集放大器接收脑电数据块；同时设置逻辑控制子模块接收环形缓冲区提供的触发，并通过逻辑控制，决定是否可以触发信号处理等技术。
三、经过FPGA信号处理后的数据将经过串口方式传输给绘图机械手；首先FPGA显示信号处理模块识别出代表绘制笔画的刺激频率，受试者根据实时反馈做出进一步的判断；绘图机械手将结合控制指令以及受试者的设置完成以下三个动作：
1、刺激频率不匹配控制指令库内的数据，绘图机械手处于静止状态，受试者将触发逻辑控制接受新的脑电信号进行处理。
2、刺激频率匹配控制指令库的数据时，绘图机械手将发出工作提示，受试者根据实时反馈的绘图动作决定是否绘制国画。
3、刺激频率匹配控制指令库的数据且机械手已经绘制国画部分时，受试者根据实时的绘图视频显示来调整绘图机械手的位置与动作。
以上为本发明在嵌入式FPGA上的实施案例，但并不限制本发明在其他嵌入式设备上的应用。
本发明提供的基于视觉诱发脑机接口的国画机器手中的脑电信号采集端采用便携式蓝牙信号传输，大大提升了数据传输的灵活性和网络传输速度，在很大程度上提高脑机接口系统的实用性；脑电信号处理端采用现场可编程逻辑门阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)，摆脱了传统脑机接口对PC机依赖，实现脑机接口系统的小型化、便携性。本发明实现机械手绘制山水画国画，提高控制精度的同时提升了文化内涵，最终的小型化道路必将落实到脑-机接口系统的嵌入式实现，便携式脑-机接口系统具有广泛的应用前景。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (3)
1.一种基于视觉诱发脑机接口的国画机器手，其特征在于，包括：
视觉刺激器，采用稳态视觉诱发脑电信号，根据稳态视觉诱发电位的原理，使用基于白色发光二极管LED实现视觉刺激；
脑电信号采集模块，采用便携式信号采集放大器对脑电信号进行采集；
脑电数据传输模块，在现场可编程逻辑门阵列FPGA的设计中使用VHDL将通用异步收发器功能集成到FPGA内部，实现FPGA开发板与信号采集放大器之间的数据传输；在FPGA中设置环形缓冲区用于不断的从信号采集放大器接收脑电数据块，并存储起来，同时设置逻辑控制子模块接收环形缓冲区提供的触发，并通过逻辑控制，决定是否可以触发信号处理；
信号处理模块，信号预处理：采用Matlab中的FADTool生成FIR带通滤波器系数和对应的VHDL程序，然后把VHDL程序在FPGA里面生成对应的FIR带通滤波器模块，从而实现对原始脑电信号的滤波；信号特征提取与识别：采用功率谱估计实现对视觉诱发脑电信号进行诱发电位特征提取，用BP神经网络识别视觉诱发电位特征；
控制指令输出模块，通过信号处理模块识别出的刺激频率匹配国画机械手指令库进而转换为相对应的控制指令来实现机械手绘图动作，同时在FPGA中显示将要绘制的指令；
国画机械手模块，采用由六个伺服电机驱动的AVR编程机械手，Atmega168单片机控制器控制机械手的运动，并通过串口的方式与FPGA进行实时通讯；
视觉刺激器主控模板，采用FPGA针对同一个50MHZ有源晶振进行整数倍分频，然后通过并行控制使每组LED灯独立闪烁，在Quartus II软件上使用VHDL语言编写一个分频模块文件，设置分频基数参数来获得所需频率；
视觉刺激器面板模块，国画机器手的视觉刺激器面板由12个以不同频率闪烁的方块组成，包含上、下、左、右4个方位命令和竖线、斜线、锯齿线、波浪线、实心点、返回、绘制、结束8个绘图命令，LED刺激器采用ULN2003驱动芯片，每个方块采用白色树脂封装保证所有的刺激方块稳定正常闪烁，将12个LED以6串6并的方式组合来增加每个刺激方块的发光面积；
所述便携式信号采集放大器为NeuroX.BC便携式信号采集放大器，支持蓝牙传输脑电信号数据。
2.如权利要求1所述的基于视觉诱发脑机接口的国画机器手，其特征在于：还包括实时反馈模块，通过视频监控实现绘图的实时反馈，实时反馈模块包括：
图像采集模块，采用OV9650型号的传感器，对彩色图像进行处理；
数据传输模块，根据Altera Cyclone和SOC Bulider相关理论在FPGA中建立数据传输模块。
3.一种如权利要求2所述的基于视觉诱发脑机接口的国画机器手的绘图方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、整个实验在安静、远离电磁干扰的环境中进行，受试者头戴电极帽，坐在距离视觉刺激器50cm处，双眼平视视觉刺激器；当刺激器开始闪烁时，受试者双眼注视所要代表绘制笔画的LED灯；
二、开启信号采集放大器进行信号采集，并将原始脑电信号送入FPGA的缓冲区中进行实时存储，在FPGA中设置环形缓冲区用于不断的从信号采集放大器接收脑电数据块，同时设置逻辑控制子模块接收环形缓冲区提供的触发，并通过逻辑控制，决定是否可以触发信号处理；
三、经过FPGA信号处理后的数据将经过串口方式传输给国画机械手；首先FPGA显示信号处理模块识别出代表绘制笔画的刺激频率，受试者根据实时反馈做出进一步的判断；国画机械手将结合控制指令以及受试者的设置完成以下三个动作：
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