基于脑机接口智能轮椅原型机与研究.doc

本科毕业设计（论文）基于脑机接口的智能轮椅原型机的研究赵玉超燕 山 大 学2010年 5 月 本科毕业设计（论文）基于脑机接口的智能轮椅原型机的研究学院（系）：信息科学与工程学院 专 业：通信工程专业 学生 姓名：赵玉超 学 号：060104030065 指导 教师： 王金甲 答辩 日期： 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：信息科学与工程学院 系级教学单位：电子与通信工程系 学号学生姓名赵玉超专 业班 级通信3班题目题目名称基于脑机接口的智能轮椅原型机的研究题目性质1.理工类：工程设计（ ）；工程技术实验研究型（√ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）。

题目类别1.毕业设计（ √ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ √ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容脑机接口(BCI)是在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接的交流和控制通道，通过这种通道，人就可以直接通过脑来表达想法或操纵设备，而不需要语言或动作，这可以有效增强身体严重残疾的患者与外界交流或控制外部环境的能力，以提高患者的生活质量设计一台基于Gtec的8通道脑电图EEG脑机接口的智能轮椅原型机，涉及智能轮椅的单片机设计，上位机和单片机的通信，上位机和gtec脑机接口的通信，等等基本要求1. 设计并实现基于单片机的智能轮椅原型机2. 实现智能轮椅和计算机的无线通信3. gtec脑机接口的操作4. 最终实现gtec脑机接口对智能轮椅的控制参考资料1. gtec脑机接口说明书2. 单片机设计3. 无线通信方式如RF，蓝牙技术等4. 魏庆国，基于运动想象的脑—机接口分类算法的研究，清华大学，博士论文周 次1—4周5—8周9—12周13—16周17—18周应完成的内容查阅文献资料、了解和掌握基本知识设计系统编程实现完善系统完成论文指导教师：王金甲职称：副教授 2010年3月1日系级教学单位审批： 2010年3月1日注：表题黑体小三号字，内容五号字，行距18磅。

此行文字阅后删除）.---摘要脑机接口（BCI Brain-Computer Interface）系统包含三大模块，脑电信号采集，信号处理以及设备控制,其中脑电信号的采集作为系统的第一步，对后续的影响是非常大的设备控制作为脑机接口（BCI）技术的最终目的，在BCI系统中扮演着很重要的角色本文在查阅大量国内外文献的基础上，吸收现有的BCI技术，制作出完整的基于脑机接口技术的智能轮椅的原型机，主要工作如下： 1、充分阅读国内外文献，了解BCI系统的实现模式，同时紧密跟随国际上BCI软件发展，了解软件功能； 2、研究开源软件BCI2000，结合g.tec公司的脑电信号放大器g.MOBllab+(8通道的EEG版本)建立脑电信号的采集环境，获取EEG信号； 3、建立信号处理系统，对脑电信号进行处理； 4、制作模拟轮椅系统； 5、实现BCI系统各个模块之间的联调关键词　脑机接口（BCI）；轮椅；无线传输；通信 .---AbstractBrain-Computer Interface system is consist of three modules,which are EEG acquisition,signal processing and equipment control.Among the three modules,EEG aquipment,as the first step of the system,has a great effect on other modules.To control equipments is the final purpose of BCI system,and it plays avery important role.I have read many relative documents and make a reference to nowadays technology to write this paper,and a wheelchair based on BCI technology will be shown by the text.The main work of the paper is as the following: 1、reading as many documents as enogh to study nowadays BCI system,at the same time, following the step closely of the BCI software,studying the fuction of the software; 2、to study BCI2000,an open source software,and establishing the module of data acquisition with the EEG amplifier g.MOBllab+,which has eight channels, produced by g.tec; 3、to set up signal preocessing system to process the EEG signal; 4、to manufacture the model of wheelchair； 5、to implement uniting and adjustment of every module of BCI system。

Keywords　Brain-computer(BCI); wheelchair; wireless transmission; communication .--- 目 录摘要 IAbstract II第1章 绪论 51.1 课题背景及意义 51.2 本文结构以及主要研究工作 9第2章 系统整体设计方案 102.1 系统方案 102.2 硬件的选型 112.2 本章小结 11第3章 系统硬件设计 123.1数据获取 123.2数据处理与控制输出 143.3模拟轮椅 173.4 本章小结 19第4章 系统软件设计 204.1 Borland C++Builder简介 204.2 BCI2000 214.2.1 BCI2000简介 214.2.2 BCI2000源代码结构 234.3 g.MOBIlab+获取脑电信号的软件设计 244.4 数据处理以及控制命令输出的软件设计 254.4.1 上位机部分 254.4.2 下位机部分 274.5 模拟轮椅的软件设计 314.5.1 命令的无线接收 314.5.2 模拟轮椅的控制 334.6 本章小结 34第5章 系统测试 355.1系统参数的设定 355.2系统测试方案以及结果分析 355.3 本章小结 36结论 37参考文献 3致谢 4附录1 5附录2 6.---第1章 绪论1.1 课题背景及意义智能轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅，融合多种领域的研究，包括机器人导航和定位、模式识别、多传感器融合及人--机接口等，涉及机械、控制、传感器、人工智能、通讯等技术，也称智能轮椅式移动机器人。

它在运动上实现了真正意义上的在几乎无回转半径下的全方向运动，特别是在保持人体姿势不变条件下的位置调整，对于行走能力弱的人来说是极大的进步，在无需别人照顾的条件下可以自由出入需要的空间，解决了普通轮椅移动要大空间的难题同时如果在轮椅上设计出更多的健康增进功能实现人工智能化(例如人性化的人机界面、导航和避障功能等)，这种轮椅将有更广阔的前景[1]研制智能轮椅不能简单照搬传统机器人的设计方法和理论，必须真正做到以“人”为中心，重点研究智能人机交互问题与工业机器人不同，智能轮椅不是执行特定生产任务的电动机械，它的所有服务行为必须通过与人的交互来实现，“人机感知接口”使轮椅能看、能听，能融合多种通道的信息实现对外界环境的认知；也使人能以更方便自然的方式如面部姿态、表情、手势和语音等与轮椅智能交互，将自身的知识和感受传达给轮椅勿庸置疑，人机交互问题如果解决不好，将会成为制约智能轮椅发展的瓶颈大脑是人身体中的高级神经活动中枢，控制着人体这个复杂而精密的系统，对人脑高级功能及其神经机制进行多学科，多层次的综合研究已经成为当代脑科学发展的热点方向之一人的感知、思维、语言以及运动能力，均是通过大脑对人体器官和相应的肌肉群的有效控制来实现。

现实生活中有不少运动功能缺失的残障人士，其中的全身瘫痪者，虽有完整的意识，但已丧失了通过语言或肢体与外界沟通的能力脑机接口研究旨在帮助这些残障人士自七十年代起，研究人员就尝试构建通过脑波与外界交流的系统随着电子和信息技术的发展，脑机接口研究在近十年取得了长足的进步目前，脑机接口的应用已由医疗康复领域迅速延展到社会生活的诸多方面鉴于脑电信号的复杂性，目前所展示的脑机接口系统均远未成熟，但人们从来就没有放弃利用大脑直接控制外部设备（如轮椅）第一次BCI国际会议给出的BCI定义是：“脑-计算机接口(Brain-Computer Interface)”是一种不依赖于正常的由外围神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统[2]BCI是一种连接大脑和外部设备的实时通信系统，它可以把大脑发出的信息直接转换成能够驱动外部设备的命令，并代替人的肢体或语言器官实现人与外界的交流以及对外部环境的控制换言之，BCI系统可以代替正常外围神经和肌肉组织，实现人与计算机之间或人与外部环境之间的通信脑电是通过电极在头皮或颅内记录下来的脑细胞群的节律性电活动，是Berger在1929年发现的[3]自发现以来，脑电的主要应用有：①脑功能研究；②疾病诊断；③生物反馈治疗；④推断人的想法或目的，从而构造脑机接口。

脑机接口是脑电的第四种应用脑计算机接口(Brain Computer Interface， BCI)，简称脑机接口，是指一种不依赖于脑的正常输出通路(即外周神经和肌肉)的脑一机(计算机或其他装置)通讯系统脑机接口的出现，使得用人脑信号直接控制外部设备的想法成为可能基于脑机接口原理设计的装置有望帮助神经肌肉系统瘫痪的病人实现与外界的交流(例如环境控制、轮椅控制、操作计算机等)BCI的出现，使得用人脑。