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脑信号识别及其在机械臂控制系统中的应用

时间:2021-10-26 15:23 | 栏目:机械手臂论文 | 浏览:

硕士论文网第2021-10-26期,本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇机械手臂论文文章《脑信号识别及其在机械臂控制系统中的应用》,供大家在写论文时进行参考。
  摘 要 : 传 统 的 时 频 分 析 方 法 利 用 的 空 间 信 息 少 , 分 类 准 确 率 低 , 针 对 此 问 题 , 本 研 究 采 用 共 空 间 模 式 算法 对 脑 电 信 号 进 行 特 征 提 取 , 并 利 用 支 持 向 量 机 对 特 征 进 行 分 类 , 最 后 通 过 串 口 将 分 类 识 别 的 结 果 用 于 控 制机 械 手 臂 的 运 动 。 实 验 结 果 表 明 , 共 空 间 模 式 算 法 适 用 于 基 于 运 动 想 象 的 脑 电 信 号 特 征 提 取 , 能 有 效 克 服 传统 时 频 特 征 提 取 方 法 空 间 信 息 利 用 不 足 的 缺 点 , 本 次 实 验 中 的 平 均 分 类 精 度 为 86. 1% 。
  关 键 词 : 共 空 间 模 式 ; 支 持 向 量 机 ; 串 口 ; 运 动 想 象 ; 机 械 手 臂
 

  1 引 言

  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 。

  2 系 统 结 构

  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。
机械手臂控制系统结构图

  3 机 械 手 臂 控 制

  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实验 设 计 分 析

  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 。
  4. 4 实 验 分 类 结 果
  对 机 械 手 臂 上 下 两 种 运 动 的 特 征 分 别 贴 上1 和- 1 两 个 标 签 , 给 想 象 手 臂 向 上 运 动 的 特 征 贴 上 标签1, 给 想 象 手 臂 向 下 运 动 的 特 征 贴 上 标 签- 1。 分别 想 象 向 上 和 向 下 两 种 动 作 各 50 组 , 通 过 实 验 发 现想象手臂向上运动的脑电 信 号 识 别 率 为 94% , 想 象手 臂 向 下 运 动 的 脑 电 信 号 识 别 率 为 86% , 想 象 手 臂向 上 和 向 下 两 类 运 动 想 象 的 平 均 识 别 率 即 为 90% 。 了 克 服 单 次 实 验 分 类 识 别 结 果 具 有 的 偶 然性 , 我 们 分 别 对 5 个 正 常 人 进 行 了 实 验 , 可 以 看 出 因 每 个 人 的 集 中 想 象能 力 的 差 异 以 及 环 境 等 外 在 因 素 的 影 响 , 使 得 每 位受 试 者 运 动 想 象 的 平 均 分 类 精 度 略 有 差 异 。 通 过 对5 位 受 试 者 的 识 别 率 进 行 求 取 平 均 值 , 可 得 本 次 实验 的 总 平 均 识 别 率 为86. 1% , 具 有 良 好 的 分 类 效果 。

  5 小 结

  CSP 空 间 滤 波 具 有 排 除 相 同 任 务 成 分 , 提 取 不同 任 务 成 分 的 特 质 , 因 此 在 研 究 脑 电 信 号 控 制 机 械手 臂 上 下 运 动 的 过 程 中 , 利 用CSP 方 法 提 取 的 特 征具 有 明 显 的 差 异 , 对 特 征 的 分 类 更 具 有 针 对 性 。本研 究 通 过 对 脑 电 信 号 采 集 、 预 处 理 、 CSP 滤 波 提 取 特征 向 量 、 SVM 分 类 等 方 法 识 别 出 预 定 的 运 动 想 象 状态 , 并 把 这 种 运 动 想 象 任 务 下 的 运 动 标 签 发 送 到 机械 手 臂 控 制 平 台 , 启 动 相 应 的 程 序 发 送 控 制 命 令 , 通过CAN 总 线 实 现 对 电 机 运 转 的 控 制 , 并 且 利 用Composer 软 件 实 现 机 械 手 臂 运 动 的 实 时 监 测 。本 研 究 设 计 了 基 于 脑 电 信 号 的 上 肢 运 动 控 制 系统 , 将 BCI 技 术 应 用 于 对 机 械 手 臂 的 运 动 控 制 , 为 未来 将 BCI 技 术 应 用 于 残 疾 人 对 外 部 环 境 的 控 制 打 下基 础 。 因 此 , 下 一 步 的 工 作 重 点 是 提 高 机 械 手 臂 的运 动 自 由 度 , 让 机 械 手 臂 不 仅 能 够 实 现 上 下 运 动 , 还能 实 现 抓 、 握 等 其 它 功 能 。
 

参 考 文 献 :

[ 1] 参 考 文 献 : 李 坤 . 运 动 意 识 脑 电 分 类 及 基 于 VC + + 的 脑 机 接 口实 验 系 统 [ D] . 安 徽 : 安 徽 大 学 , 2007.
[ 2] Pfurtscheller G, Neuper C. Motor imagery and direct brain - computer communication[ J] . Proceedings of the IEEE, 2001, 89( 7) : 1123- 1134.
[ 3] Mcfarland D J, Wolpaw J R. Brain - Computer Interface Operation ofRobotic and Prosthetic Devices[ J] . Computer, 2008, 41( 10) : 52 -56.

刘 刚, 李 晓 欧    上 海 理 工 大 学医 疗 器 械 与 食 品 学 院 ,上 海 健 康 医 学 院医 疗 器 械 学 院
 

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