意念控制機(jī)械臂設(shè)計(jì)

蔣翔宇 支程昊 張振

0 引言

隨著認(rèn)知水平的提高，人類(lèi)對(duì)大腦的研究越來(lái)越深入。腦電信號(hào)記錄大腦活動(dòng)過(guò)程中的腦電波變化情況，是大腦神經(jīng)細(xì)胞電生理活動(dòng)在大腦皮層或頭皮表面的總體反應(yīng)【1-2】。

腦-機(jī)接口（Brain-computer interface，BCI）是指一種在人體外圍神經(jīng)與肌肉不參與的情況下，通過(guò)腦電信號(hào)產(chǎn)生控制信息的軟硬件通訊系統(tǒng)【3】。

對(duì)于需要人為控制的對(duì)象的控制，采用基于意念控制的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以將人的雙手解放出來(lái)，對(duì)于普通人而言，既可以使控制具有更強(qiáng)的娛樂(lè)性，同時(shí)也可以讓解放的雙手從事其他作業(yè)。對(duì)于殘障人士而言，這是一種可以提高他們生活質(zhì)量的方法。而腦-機(jī)接口技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的極佳途徑。

在應(yīng)用前景方面，該技術(shù)具有多種應(yīng)用場(chǎng)合?？梢栽卺t(yī)院或者康復(fù)機(jī)構(gòu)推廣以幫+助手臂殘疾患者。同時(shí)也可以在某些環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下完成某些工作，提高作業(yè)能力，應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛。

本項(xiàng)目所研制的意念控制機(jī)械助力臂，特點(diǎn)是輕便、成本較低、能耗少，運(yùn)動(dòng)靈活。目的是幫助傷殘人士只要通過(guò)意念就可以控制助力臂，完成抓取、點(diǎn)擊等動(dòng)作，方便其康復(fù)和生活。

1 腦機(jī)接口系統(tǒng)組成和分類(lèi)

腦電活動(dòng)來(lái)源于神經(jīng)元本身的膜電位及其波動(dòng)、神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)和突觸傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的突觸后電位。腦電分為自發(fā)腦電和皮層誘發(fā)電位兩種。自發(fā)腦電是指在無(wú)明顯外部刺激的情況下，大腦皮層某個(gè)區(qū)域自發(fā)產(chǎn)生的節(jié)律性電位變化。皮層誘發(fā)電位是指在人受到外部刺激后，大腦皮層某個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的電位變化【4】。

BCI系統(tǒng)主要由信號(hào)采集、信號(hào)處理和控制器三個(gè)模塊組成【4】。首先用電極傳感器采集原始腦電信號(hào)，再通過(guò)腦電放大器進(jìn)行放大和濾波，最后由信號(hào)采集卡將腦電信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，完成信號(hào)采集工作。信號(hào)處理部分包括預(yù)處理、特征提取和特征分類(lèi)三個(gè)步驟。控制器部分根據(jù)不同的腦電特征產(chǎn)生不同的控制效果。

BCI系統(tǒng)可以有很多種分類(lèi)方式。

根據(jù)電極傳感器位置不同可分為植入式BCI和非植入式BCI。植入式BCI將采集電極植入人腦顱內(nèi)，直接采集大腦皮層的腦電信號(hào)。該方法可以采集到較為強(qiáng)烈的腦電信號(hào)，還可以減弱眼動(dòng)信號(hào)和面部肌電信號(hào)的干擾。但是植入式BCI會(huì)對(duì)個(gè)體造成巨大傷害，一般很少在人身上使用【5】。非植入式BCI將電極傳感器放置在人腦皮膚表面，采集頭皮上的腦電信號(hào)。目前所采取的研究方法主要有視覺(jué)誘發(fā)電位法、P300電位法和運(yùn)動(dòng)想象法等等。目前被廣泛使用的是10-20導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。非植入BCI使用起來(lái)成本低，操作方便并且對(duì)人體幾乎沒(méi)有傷害，所以它是主流的BCI系統(tǒng)。

2腦電信號(hào)的特點(diǎn)

腦電信號(hào)是一種節(jié)律性很強(qiáng)的生物電信號(hào)。主要有以下特點(diǎn)【6】：

第一，腦電信號(hào)強(qiáng)度一般在200μV以?xún)?nèi)，非常微弱，并且非常容易受到人體動(dòng)作和環(huán)境噪聲干擾。面部肌肉運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的肌電信號(hào)（mV級(jí)）對(duì)腦電信號(hào)的干擾及其強(qiáng)烈。一個(gè)輕微的眨眼動(dòng)作在腦電圖上就是一個(gè)突出的尖峰。

第二，腦電信號(hào)是非線性信號(hào)，它產(chǎn)生于人腦這個(gè)非線性系統(tǒng)。同時(shí)也是非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，隨著時(shí)間的變化信號(hào)特征也不斷變化。當(dāng)采用多個(gè)電極導(dǎo)聯(lián)采集腦電信號(hào)時(shí)，得到的腦電信號(hào)是多維的，維間信息存在冗余。所以說(shuō)，腦電信號(hào)具有很高的復(fù)雜度。

第三，腦電信號(hào)可以分為不同頻率的信號(hào)，主要由δ波（1-3Hz）、θ波（4-7Hz）、α波（8-16Hz）、β波（14-30Hz）和γ波（30Hz以上）。不同波段信號(hào)分別表征人腦不同的狀態(tài)。

綜合以上三點(diǎn)特點(diǎn)，微弱信號(hào)，易受干擾，復(fù)雜度高和波段的選擇，都將成為本次項(xiàng)目實(shí)施的難題所在。

3研究技術(shù)路線

本項(xiàng)目擬采用的技術(shù)路線如下圖3-1所示。本方案綜合運(yùn)用了所學(xué)的機(jī)械工程、系統(tǒng)控制工程、力學(xué)以及計(jì)算機(jī)等方面的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，采用運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化應(yīng)用、樣機(jī)加工及其測(cè)試優(yōu)化的主線，進(jìn)行意念控制助力臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。

意念控制機(jī)械臂整體主要由四部分組成，分別為：

圖3-1技術(shù)路線

4控制部分

4.1選定所需的驅(qū)動(dòng)

1.驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制采用51單片機(jī)+Arduino的方式，單片機(jī)負(fù)責(zé)采樣腦波并輸出數(shù)字信號(hào)和控制主電機(jī)，輸出的數(shù)字信號(hào)作為輸入來(lái)控制Arduino上的兩個(gè)從電機(jī)。

我們用的是L298N驅(qū)動(dòng)板，L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A;額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載;采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制;具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作;可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。

2.步進(jìn)電機(jī)選型

該步進(jìn)電機(jī)為四相八拍步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.AD模塊

ADC0832是8腳雙列直插式雙通道A/D轉(zhuǎn)換器，能分別對(duì)兩路模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)?！獢?shù)轉(zhuǎn)換，可以用在單端輸入方式和差分方式下工作。ADC0832采用串行通信方式，通過(guò)DI 數(shù)據(jù)輸入端進(jìn)行通道選擇、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳送。8位的分辨率（最高分辨可達(dá)256級(jí)），可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V之間。具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。

正常情況下ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)使用并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以在I/O口資源緊張時(shí)可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘（CLK）輸入端輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第二、三個(gè)脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入兩位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。

4.2設(shè)計(jì)原理圖的仿真

1.主電機(jī)的仿真

運(yùn)用滑動(dòng)變阻器來(lái)模擬經(jīng)運(yùn)放處理過(guò)的腦波的模擬信號(hào)，通過(guò)ADC0832，與預(yù)設(shè)集中度進(jìn)行比較，大于集中度則視為“輸入”，小于等于集中度則不響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)“想某一控制指令——集中意念——集中度檢測(cè)——數(shù)字指令輸入——電機(jī)執(zhí)行指令”這一過(guò)程。

2.從電機(jī)的設(shè)計(jì)

以單個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制為例，我們利用Arduino的數(shù)字接口來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，一個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)需要用到四個(gè)接口，和兩個(gè)數(shù)字輸入口（代表正反轉(zhuǎn)），因此一個(gè)ardunio控制板可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制。

5 腦波部分

1.腦電波采集方式確定

采用藍(lán)牙夾持耳廓獲取波形方式。

2.腦電波波形分析及判斷方式確定

對(duì)3種腦電波波形的各種特征值進(jìn)行分析，將各種特征值都偏大的波確定為腦電活躍波。

3.腦電波與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換

編寫(xiě)代碼使之與單片機(jī)控制部分聯(lián)通并準(zhǔn)確傳輸信號(hào)。

4.腦電波特征值分析

由圖片可以看出，噪聲對(duì)腦電波采集影響非常大，我們一開(kāi)始嘗試用αβγ三種波中幅值較大的波來(lái)判斷指令，由于幅值波動(dòng)較大，我們將思路改為求波形的積分面積進(jìn)行比較，占較大面積的波形即為指令波。

若所檢測(cè)的三種波形中有積分面積率先到達(dá)設(shè)定值，該指令波將發(fā)出信號(hào)觸發(fā)外接單片機(jī)進(jìn)行控制。

6 機(jī)械部分

機(jī)械臂部分先進(jìn)行三維建模，利用3D打印技術(shù)制作出來(lái)，最后確定機(jī)械臂與腦電波的連接方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]張海軍，王浩川，多導(dǎo)聯(lián)EEG信號(hào)分類(lèi)識(shí)別研究【J】.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2008，44（24）：228-230.

[2]徐琳，許百華.非線性動(dòng)力學(xué)腦電信號(hào)分析方法的研究與應(yīng)用【J】.心理科學(xué)，2005，28（2）：761-763.

[3]Wolpaw JR，Birbaumer N，McFarland，et al. Brain-computer interface for communication and control[【J】.Clinical Neurophysiology，2002，113（6）：767-791.

[4]朱大年主編.生理學(xué)（第七版）【M】.北京：人民衛(wèi)生出版社，2009.

[5]綦宏志，萬(wàn)柏坤，高揚(yáng).腦機(jī)接口：大腦對(duì)外信息交流的新途徑[J].國(guó)外醫(yī)學(xué).生物醫(yī)學(xué)工程分冊(cè)，2005，（01）：4-9.

[6]Li Jukang，F(xiàn)or the Academic Degree of Master of Engineering，Southeast University，May 2016