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智能轮椅作为性能优越的代步工具,在康复和助残领域应用广泛。人机交互方式作为智能轮椅系统的关键技术之一,越来越受到人们的重视。脑-机接口技术(Brain ComputerInterface,BCI)作为一种涉及神经科学、信号检测、信号处理、模式识别等多学科的人机交互方式,在大脑和外界设备之间建立起直接的通信和控制通道,使严重神经或肌肉伤残患者使用智能轮椅成为可能。
自步调脑-机接口(Self brain computer interface,SBCI)允许用户在任何时候按照自己的意愿控制外接设备,运动想象脑-机接口作为一种典型的自步调脑-机接口,得到了广泛的研究。脑电中存在与运动相关的特异性成分,当人们在运动准备或想象单侧肢体运动(左右手)时,大脑对侧的运动感觉区的μ(8-12Hz)节律和β节律(13—30Hz)能量减小,这就是事件相关去同步(Event—Related Desynchronization,ERD)和事件相关同步(Event—Related Synchronization,ERS)现象。脑电信号的ERD和ERS现象成为运动想象脑-机接口的生理基础。
本文基于运动想象脑-机接口技术,设计并实现了结合脑-机接口技术的智能轮椅系统,其中主要工作有以下几个方面:
首先,设计并实现了便携式脑电采集设备,增强了EEG数据采集的方便性,实现了随时随地的EEG数据采集,扩展了BCI系统的应用范围。在大脑皮层的特定区域放置脑电极获取被试者的脑电,经过信号调理电路放大和滤波以后,由微控制器对脑电信号采样并数字化,通过无线传输技术上传给电脑。
其次,设计并实现了轮椅控制电路。通过对电动轮椅控制原理的研究,对轮椅控制器进行了改造,设计并实现了接口电路,从而实现了脑电分类结果对电动轮椅方向的直接控制。
最后,对便携式脑电采集设备和轮椅控制电路进行了测试。通过测量被试不同注意力情况下的脑电信号,有效检测到了不同任务下alpha波的变化,验证了采集设备的有效性。通过串口发送命令,实现了对轮椅方向的有效控制,验证了轮椅控制电路的有效性。