基于稳态视觉诱发电位的多自由度机械手实时控制系统

　　0　引言

　　视觉诱发电位(Visual Evoked Potentia,l VEP)根据刺激信号的不同可以分为瞬态视觉诱发电位和稳态视觉诱发电位(Steady State VEP, SSVEP)。瞬态诱发电位的刺激频率一般不超过4Hz,当新刺激来到之前,上一个刺激响应已经结束,各次刺激形成的响应在时间上互不重叠。当刺激频率超过6Hz,各次刺激引起的响应在时间上发生重叠,就形成了SSVEP[1]。SSEVP是一种非损伤性BCI输入特征,它具有高信息传输率、较短训练时间及特征易于提取等优点,因而, SSEVP是一种非常实用智能控制系统的输入信号。

　　本文作者设计了基于稳态视觉诱发电位的多自由度机械手实时控制系统,实现了脑电信号对机械手四个运动方向的实时控制。系统通过检测脑电信号中的稳态视觉诱发电位成分,通过离散平稳小波去噪和短时傅立叶变换等信号处理过程进行诱发电位的特征提取和模式识别,将其转换为外部机械手的控制命令。实验表明,控制系统可以完成对机械手的实时控制。该系统的实现为延伸和提高人类对机器人的行为控制能力提供了一种新的探索。

　　1　系统构建

　　基于SSEVP多自由度机械手控制系统包括SSEVP诱发、信号采集、信号处理、输出控制机械手四个环节。系统组成如图1所示。

　　系统硬件包括自行研制的视觉刺激器、数字脑电图仪及机械手。视觉刺激器是由AT89S52单片机控制的四个白色LED发光块,发光块大小为2cm×2cm,相邻发光块间间隔2·5cm,每个发光块刺激频率在7~20Hz之间可调,频率误差在0·1Hz以下。数字脑电图仪采用北京中科新拓仪器有限公司生产的NT9200系列数字脑电图仪, 16位AD精度,电压测量误差不超过10%。机械手部分包括一个旋转关节和两个移动关节,可以上、下、左、右移动,系统使用的机械手结构如图2所示[4]。

　　从脑电中提取的视觉诱发特征信号通过串口使用D-link无线网络与机械手通信。为提升网络传输速率和收发能力,采用了多进多出(Multiple InputMulti-pleOutput, MIMO)技术。由脑电信号处理模块产生的特征信号通过一系列开关量和其组合进行再编码,从而得到可以表达运动含义的运动控制指令。通讯中,主机与机械手之间采用严格的“一问一答”式的通讯机制,如果有数据反馈,就反馈应返回的数据;如果无数据反馈,就返回“空指令”。串口波特率设置为19 200bps, 8数据位, 1停止位,无校验位。

　　系统软件编程主要基于LabVIEW平台完成,主要包括多自由度机械手控制系统人机界面。人机界面主要包括试验参数设置、脑电实时显示和试验结果反馈。在试验参数设置区域,可以完成脑电采集通道,采样频率及时间的设置。脑电显示区域可以显示实时脑电图、去噪后的脑电以及脑电的实时频谱图。试验结果反馈区域是一个动画反馈界面,当特征量能够成功控制机械手的时候,动画反馈界面会以动画的形式反馈机械手的运动情况,即屏幕上的小球会沿上、下、左、右方向滚动。