脑信号识别及其在机械臂控制系统中的应用

  关 键 词 ： 共 空 间 模 式 ； 支 持 向 量 机 ； 串 口 ； 运 动 想 象 ； 机 械 手 臂
 

  脑 机 接 口 （ ｂｒａｉｎ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ， ＢＣＩ） 技 术 是指 不 依 赖 于 正 常 脑 部 神 经 和 肌 肉 响 应 ， 而 直 接 通 过人 脑 与 计 算 机 交 流 的 通 道 。自１９２９ 年Ｈａｎｓ Ｂｅｒｇｅｒ发 现 脑 电 信 号 以 来 ， 人 们 一 直 设 想 是 否 可 以 利 用ＥＥＧ 来 实 现 各 种 外 部 通 讯 和 控 制［ １］ 。随 着 科 技 进步 ， 脑 机 接 口 技 术 使 得 这 一 设 想 成 为 可 能 。基 于 脑电 信 号 对 机 械 手 臂 的 控 制 研 究 ， 一 方 面 要 能 够 将 大脑 发 出 的 信 息 转 换 为 机 械 手 臂 的 驱 动 命 令 ； 另 一 方面 ， 应 该 让 外 部 信 息 （ 如 视 觉 刺 激 ） 可 以 直 接 传 入 大脑 ， 通 过 视 觉 刺 激 直 接 刺 激 大 脑 神 经 来 产 生 脑 电 信号 。 对 于 上 肢 运 动 能 力 较 弱 的 患 者 ， 设 计 脑 机 接 口控 制 系 统 时 ， 应 考 虑 到 其 自 身 的 生 理 状 况 ， 有 针 对 性地 补 偿 其 不 足 ， 发 挥 其 主 观 能 动 性 。一 般 上 肢 运 动障 碍 的 患 者 思 维 与 正 常 人 无 异 ， 因 而 可 以 通 过 分 析其 大 脑 对 肢 体 运 动 的 控 制 意 图 ， 获 取 其 脑 电 信 号 的思 维 活 动 ， 转 化 成 控 制 外 部 机 械 手 臂 的 命 令 ， 进 而 帮助 他 们 实 现 自 主 控 制 的 意 愿 ， 其 研 究 价 值 和 实 施 的可 行 性 得 到 越 来 越 多 的 研 究 机 构 及 相 关 科 研 人 员 的密 切 关 注 。在 脑 电 控 制 机 械 手 臂 的 研 究 中 ， 田 京 提 出 了 一种 基 于 经 验 模 态 分 解 （ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｍｏｄｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＥＭＤ） 小 波 阈 值 消 噪 、 模 糊 熵 算 法 提 取 特 征 并 用 支持 向 量 机 分 类 的 方 法 来 控 制 假 手 。以 上 方 法克 服 了 传 统 ＥＭＤ 去 噪 无 法 保 留 高 频 成 分 中 有 用 信息 的 缺 陷 ， 避 免 了 近 似 熵 及 样 本 熵 使 用 二 值 函 数 方法 缺 乏 连 续 性 、 对 阈 值 的 取 值 敏 感 、 容 易 导 致 熵 值 突变 的 问 题 。 基 于 以 上 理 论 ， 本 研 究 采 用 共 空 间 模 式滤 波 提 取 特 征 ， 结 合 支 持 向 量 机 进 行 分 类 ， 并 利 用 网格 搜 索 法 选 取 最 优 参 数 ， 这 种 方 法 比 用 脑 电 的 频 带能 量 作 为 特 征 的 方 法 具 有 更 好 的 泛 化 能 力 ， 最 后 通过 实 验 方 式 验 证 了 此 方 法 用 于 控 制 机 械 手 臂 的 可 行性 。将 脑 机 接 口 技 术 运 用 于 对 机 械 手 臂 的 控 制 ， 以辅 助 上 肢 行 动 不 便 的 人 士 提 升 自 由 活 动 度 ， 补 偿 弱化 的 机 体 功 能 ， 提 高 自 主 生 活 质 量 ， 对 于 如 何 使 得 残疾 患 者 摆 脱 日 常 生 活 困 扰 有 着 重 大 意 义 。

  基 于 脑 电 信 号 的 上 肢 运 动 控 制 系 统 需 要 实 现 视觉 刺 激 时 脑 电 信 号 的 在 线 采 集 、 特 征 提 取 和 分 类 、 串口 通 信 技 术 、 机 械 手 臂 控 制 等 功 能 。系 统 的 硬 件 部分 由 脑 电 电 极 帽 、 脑 电 导 联 线 、 脑 电 放 大 器 、 ＰＣ机 、串口通信线和机械手臂组成 。采 集 开 始 时 ， 运 行 在ＰＣ 机 上 的 刺 激 图 片 （ 向 上 箭 头 、 向 下 箭 头 、 十 字 、 黑屏 ） 刺 激 患 者 想 象 上 肢 运 动 ， 通 过 脑 电 采 集 帽 和 脑电 放 大 器 采 集 此 时 的 脑 电 信 息 ， 经 特 征 提 取 和 模 式分 类 后 ， 通 过 串 口 通 信 技 术 把 分 类 的 标 签 发 送 到 机械 手 臂 ＶＣ 控 制 平 台 ， 机 械 手 臂 ＶＣ 控 制 平 台 接 收 标签 并 启 动 相 应 的 程 序 发 送 控 制 命 令 ， 控 制 机 械 手 臂运 动 ， 系 统 结 构 见 图１。

  3． １ 机 械 手 臂 工 作 原 理

  机 械 手 臂 由 执 行 机 构 、 驱 动 机 构 和 控 制 机 构 三部 分 组 成 。 执 行 机 构 由 手 部 、 腕 部 、 臂 部 、 手 臂 等 部件 组 成 。 驱 动 机 构 采 用ＥＬＭＯ 无 刷 伺 服 驱 动 器 驱动 。 控 制 机 构 由 每 个 关 节 的 控 制 单 元 模 块 组 成 ， 并与 总 控 制 器 相 连 ， 由 ＰＣ 机 作 为 总 控 制 器 ， 利 用 上 位机 操 作 软 件 来 发 出 控 制 命 令 ， 控 制 命 令 的 选 取 由ＭＡＴＬＡＢ 分 类 识 别 的 动 作 标 签 决 定 ， 分 类 识 别 的 动作 标 签 通 过 串 口 发 送 至 上 位 机 操 作 平 台 。在 本 次 设 计 中 ， 用 到 的 硬 件 设 施 有 Ｅｌｍｏ 无 刷 伺服 驱 动 器 、 旋 转 电 机 和 光 电 式 旋 转 编 码 器 。伺 服 驱动 器 用 来 控 制 电 机 转 动 ， 电 机 每 接 收 到１ 个 脉 冲 ， 就会 旋 转１ 个 脉 冲 对 应 的 角 度 ， 从 而 实 现 位 移 ， 电 机 的转 动 带 动 编 码 器 旋 转 。 光 电 编 码 器 是 用 来 测 量 转 速并 配 合 ＰＷＭ 技 术 可 以 实 现 快 速 调 速 的 装 置 ， 光 电式 旋 转 编 码 器 通 过 光 电 转 换 ， 可 将 输 出 轴 的 角 位 移 、角 速 度 等 机 械 量 转 换 成 相 应 的 电 脉 冲 以 数 字 量 输出 。在 旋 转 的 过 程 中 可 以 检 测 到 电 机 旋 转 的 角 速 度和 角 位 移 并 反 馈 到 机 械 手 臂 控 制 结 构 中 。应 用Ｅｌｍｏ 的 Ｃｏｍｐｏｓｅｒ 软 件 工 具 可 以 设 置 和 调 整 伺 服 驱 动器 ， Ｃｏｍｐｏｓｅｒ 软 件 基 于Ｗｉｎｄｏｗｓ 操 作 系 统 ， 能 使 用户 迅 速 方 便 的 设 定 伺 服 驱 动 器 ， 以 达 到 对 自 己 电 机的 最 佳 应 用 ， 并 且 ， 在 电 机 的 旋 转 过 程 中 可 以 实 时 监控 电 机 转 动 的 角 速 度 和 角 位 移 。

  3． ２ 机 械 手 臂 设 计

  设 计 的 机 械 手 臂 由 ５ 个 关 节 构 成 ， 用 ５ 个 电 机分 别 带 动 ５ 个 活 动 关 节 转 动 ， 可 以 在 两 个 平 面 的 水平 和 垂 直 方 向 运 动 ，在 启 动 机 械 手 臂 运 动之 前 ， 应 用 Ｃｏｍｐｏｓｅｒ 软 件 设 置 每 一 次 脉 冲 发 过 来 时电 机 转 动 的 转 速 与 位 移 。 当 控 制 机 械 手 臂 运 动 的 信号 发 出 后 ， 传 感 部 件 将 物 体 的 位 置 信 号 传 递 给 控 制器 ， 然 后 控 制 器 发 出 控 制 信 号 控 制 电 机 转 动 ， 电 机 带动 关 节 旋 转 。 图 ４ 中 各 个 控 制 关 节 单 元 模 块 与 总 控制 器 相 连 ， 由 ＰＣ 机 作 为 总 控 制 器 ， 利 用 上 位 机 软 件发 送 控 制 命 令 。本 研 究 设 计 的 机 械 手 臂 利 用ＣＡＮ总 线 作 为 各 个 关 节 模 块 的 控 制 网 络 ， 各 个 关 节 模 块为 控 制 网 络 中 的 一 个 节 点 ， 将 这 ５ 个 关 节 模 块 搭 建在 ＣＡＮ 总 线 上 ， 每 个 节 点 的 关 节 模 块 通 过ＣＡＮ 总线 接 口 连 接 在ＣＡＮ Ｂｕｓ 上 ， 各 节 点 从ＣＡＮ 总 线 接收 所 需 要 的 数 据 包 ， 通 过 对 总 线 的 检 测 与 控 制 ， 完 成所 需 要 的 功 能 。 同 时 ， 编 码 器 也 将 机 械 手 臂 动 作 的实 时 信 息 通 过ＣＡＮ 接 口 传 送 到ＣＡＮ Ｂｕｓ 上 ， 形 成闭 环 控 制 系 统 。 与 机 械 手 臂 对 应 的 是ＶＣ 控 制 平 台 的 设 计 ， ＶＣ控 制 平 台 连 接 着 机 械 手 臂 的 硬 件 设 施 ， 通 过 基 于 ＶＣ平 台 的 控 制 界 面 ， 主 要 包 括 初 始 化 、 接 收 串 口 信 息 、发 送 控 制 指 令 功 能 。 机 械 手 臂 的ＶＣ 控 制 界 面 通 过串 口 接 收 到 ＳＶＭ 分 类 的 动 作 标 签 ， 再 启 动 对 应 的 程序 发 送 指 令 ， 电 机 通 过ＣＡＮ 总 线 接 口 从ＣＡＮ Ｂｕｓ上 收 到 指 令 后 开 始 运 转 ， 同 时 ， 编 码 器 实 时 记 录 电 机运 转 的 角 速 度 与 位 移 ， 将 手 臂 实 时 状 态 信 息 再 通 过ＣＡＮ 总 线 接 口 发 送 到 ＣＡＮ Ｂｕｓ 上 ， 从 而 实 现 对 机 械手 臂 的 控 制 与 实 时 监 测 。本 文 中 ， 因 脑 电 信 号 的 分 类 识 别 结 果 用 于 选 择机 械 手 臂 的 控 制 指 令 ， 因 此 ， 对 运 动 想 象 脑 电 信 号 的动 作 识 别 直 接 影 响 机 械 手 臂 能 否 正 确 运 动 。

  4． １ 实 验 平 台

  本 次 实 验 是 按 照 国 际 脑 电 图 学 会 标 定 的１０ ～２０ 电 极 导 联 定 位 标 准 ， 选 用ＦＰ１、 ＦＰ２、 Ｆ３、 Ｆ４、 Ｃ３、Ｃ４、 Ｐ３、 Ｐ４、 Ｏ１、 Ｏ２、 Ｆ７、 Ｆ８、 Ｔ３、 Ｔ４、 Ｔ５、 Ｔ６、 Ｓｐ１、 Ｓｐ２、Ｆｚ、 Ｃｚ、 Ｐｚ、 Ｏｚ 导 联 的 脑 电 数 据 作 为 实 验 数 据 ， 采 样率 为 ５１２ Ｈｚ， 本 次 实 验 的 受 试 者 来 源 于 上 海 理 工 大 学 的 ５ 名男 同 学 ， 年 龄 ２０ 岁－ ２５ 岁 ， 有 自 主 意 识 活 动 ， 均 为健 康 人 。
  4． ２ 实 验 要 求
  由 于 脑 电 信 号 微 弱 ， 容 易 受 到 如 工 频 干 扰 、 采 集设 备 内 部 电 子 器 件 干 扰 以 及 环 境 电 磁 干 扰 等 影 响 ，所 以 在 采 集 数 据 时 应 关 闭 手 机 、 空 调 等 干 扰 设 备 。尽 量 让 室 内 光 线 柔 和 ， 避 免 分 散 受 试 者 注 意 力 。受试 者 在 实 验 时 要 集 中 注 意 力 在 刺 激 界 面 上 ， 中 途 避免 说 话 以 及 眼 部 的 各 种 运 动 ， 以 减 少 其 对 脑 电 信 号的 影 响 。

  4． ３ 实 验 流 程

   刺 激 界 面 由 向 上 箭 头 、 向 下 箭 头 、 十 字 架 和 黑 屏４ 种 图 片 随 机 出 现 ， 实 验 开 始 时 ， 受 试 者 正 视 刺 激 界面 的 正 中 央 ， 根 据 界 面 中 随 机 显 示 的 提 示 进 行 想 象活 动 ， 当 显 示 向 上 箭 头 时 ， 要 求 受 试 者 想 象 手 臂 向 上运 动 ， 显 示 向 下 箭 头 时 ， 要 求 受 试 者 想 象 手 臂 向 下 运动 。每 次 刺 激 持 续 ９ ｓ， 在 训 练 开 始 时 ， 前 ４ ｓ 显 示 黑色 空 白 屏 幕 让 受 试 者 放 空 思 维 ， 静 息 状 态 ， 第 ５ ｓ 开始 随 机 显 示 向 上 或 者 向 下 的 箭 头 ， 此 时 受 试 者 应 按提 示 开 始 想 象 。 从 第 ６ ｓ 至 第 ９ ｓ 刺 激 界 面 显 示 一个 十 字 图 片 ， 此 时 间 段 受 试 者 一 直 处 于 第 ５ ｓ 提 示任 务 的 想 象 状 态 ， 随 后 十 字 架 图 片 消 失 ， 如 此 循 环 刺激 直 至 刺 激 结 束 。