意念控制機(jī)械臂設(shè)計

1、    意念控制機(jī)械臂設(shè)計    蔣翔宇 支程昊 張振0 引言隨著認(rèn)知水平的提高，人類對大腦的研究越來越深入。腦電信號記錄大腦活動過程中的腦電波變化情況，是大腦神經(jīng)細(xì)胞電生理活動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，通過腦電信號產(chǎn)生控制信息的軟硬件通訊系統(tǒng)【3】。對于需要人為控制的對象的控制，采用基于意念控制的運(yùn)動控制系統(tǒng)可以將人的雙手解放出來，對于普通人而言，既可以使控制具有更強(qiáng)的娛樂性，同時也可以讓解放的雙手從事其他作業(yè)。對于殘障人士

2、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)動靈活。目的是幫助傷殘人士只要通過意念就可以控制助力臂，完成抓取、點(diǎn)擊等動作，方便其康復(fù)和生活。1 腦機(jī)接口系統(tǒng)組成和分類腦電活動來源于神經(jīng)元本身的膜電位及其波動、神經(jīng)沖動的傳導(dǎo)和突觸傳遞過程中產(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)腦電是指在無明顯外部刺激的

3、情況下，大腦皮層某個區(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，大腦皮層某個區(qū)域產(chǎn)生的電位變化【4】。bci系統(tǒng)主要由信號采集、信號處理和控制器三個模塊組成【4】。首先用電極傳感器采集原始腦電信號，再通過腦電放大器進(jìn)行放大和濾波，最后由信號采集卡將腦電信號輸入計算機(jī)，完成信號采集工作。信號處理部分包括預(yù)處理、特征提取和特征分類三個步驟。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。該方法可以采集到較為強(qiáng)烈的腦電信號，還

4、可以減弱眼動信號和面部肌電信號的干擾。但是植入式bci會對個體造成巨大傷害，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。目前所采取的研究方法主要有視覺誘發(fā)電位法、p300電位法和運(yùn)動想象法等等。目前被廣泛使用的是10-20導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。非植入bci使用起來成本低，操作方便并且對人體幾乎沒有傷害，所以它是主流的bci系統(tǒng)。2腦電信號的特點(diǎn)腦電信號是一種節(jié)律性很強(qiáng)的生物電信號。主要有以下特點(diǎn)【6】：第一，腦電信號強(qiáng)度一般在200v以內(nèi)，非常微弱，并且非常容易受到人體動作和環(huán)境噪聲干擾。面部肌肉運(yùn)動所產(chǎn)生的肌電信號（mv級）對腦電信號的干擾及其強(qiáng)烈。一

5、個輕微的眨眼動作在腦電圖上就是一個突出的尖峰。第二，腦電信號是非線性信號，它產(chǎn)生于人腦這個非線性系統(tǒng)。同時也是非平穩(wěn)隨機(jī)信號，隨著時間的變化信號特征也不斷變化。當(dāng)采用多個電極導(dǎo)聯(lián)采集腦電信號時，得到的腦電信號是多維的，維間信息存在冗余。所以說，腦電信號具有很高的復(fù)雜度。第三，腦電信號可以分為不同頻率的信號，主要由波（1-3hz）、波（4-7hz）、波（8-16hz）、波（14-30hz）和波（30hz以上）。不同波段信號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，易受干擾，復(fù)雜度高和波段的選擇，都將成為本次項目實施的難題所在。3研究技術(shù)路線本項目擬采用的技術(shù)路線如下圖3-1所示。本方案

6、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)以及計算機(jī)等方面的專業(yè)領(lǐng)域知識，采用運(yùn)動和動力學(xué)仿真及優(yōu)化設(shè)計、仿真的控制系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化應(yīng)用、樣機(jī)加工及其測試優(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1.驅(qū)動部分設(shè)計對于步進(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)字信號和控制主電機(jī)，輸出的數(shù)字信號作為輸入來控制arduino上的兩個從電機(jī)。我們用的是l298n驅(qū)動板，l298n是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。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)

7、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h橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載;采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制;具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作;可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 l298n芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動兩臺直流電機(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。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動。

8、3.ad模塊adc0832是8腳雙列直插式雙通道a/d轉(zhuǎn)換器，能分別對兩路模擬信號實現(xiàn)模數(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），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05v之間。具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，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

9、并未同時使用并與單片機(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未工作時其cs輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，clk 和do/di 的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換時，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。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘（clk）輸入端輸入時鐘脈沖，do/di端則使用di端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第一個時鐘脈沖的下沉之前di端必須是高電平，表示啟始信號。在第二、三個脈沖下沉之前di端應(yīng)輸入兩位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。4.2設(shè)計原理圖的仿真1.主電機(jī)的仿真運(yùn)用滑動變阻器來模擬經(jīng)運(yùn)放處理過的

10、腦波的模擬信號，通過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)，從而實現(xiàn)“想某一控制指令集中意念集中度檢測數(shù)字指令輸入電機(jī)執(zhí)行指令”這一過程。2.從電機(jī)的設(shè)計以單個步進(jìn)電機(jī)控制為例，我們利用arduino的數(shù)字接口來實現(xiàn)控制，一個四相步進(jìn)電機(jī)需要用到四個接口，和兩個數(shù)字輸入口（代表正反轉(zhuǎn)），因此一個ardunio控制板可以實現(xiàn)對兩個步進(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)字信號的轉(zhuǎn)換編寫代

11、碼使之與單片機(jī)控制部分聯(lián)通并準(zhǔn)確傳輸信號。4.腦電波特征值分析由圖片可以看出，噪聲對腦電波采集影響非常大，我們一開始嘗試用三種波中幅值較大的波來判斷指令，由于幅值波動較大，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，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信號分類識別研究【j】.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2008，44（24）：228-230.2徐琳，許百華.非線性動力學(xué)腦電信號分析方法的研究與應(yīng)用【j】.心理科學(xué)，2005，28（2）：761-763.3wolpaw 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