一種基于視覺誘發(fā)腦機接口的國畫機器手及其繪圖方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及嵌入式信號處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于視覺誘發(fā)腦機接口的國畫機器手。本發(fā)明還涉及一種基于視覺誘發(fā)腦機接口的國畫機器手的繪圖方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人類大腦作為協(xié)調(diào)身體與精神活動的神經(jīng)系統(tǒng)控制中樞，它管理著人體與外界進行交互通信的各項神經(jīng)系統(tǒng)。當今世界上，腦中風、各種癱瘓、失語癥、帕氏綜合征困擾著越來越多人，醫(yī)療水平的不斷提高，有利于延長這些患者的生命周期，但由于缺失對肌肉的控制力，他們無法與外界進行正常交流和有效控制，生活質(zhì)量無法得到保障，這給患者自身和社會帶來了沉重的負擔。腦-機接口(brain-computer interface，BCI)是一種將具有意圖的腦電信號轉(zhuǎn)換成計算機指令的系統(tǒng)，它不同于人體大腦與肌肉組織的通訊方式，利用可識別的腦電信號實現(xiàn)人腦直接與外部設(shè)備通訊，涉及生物醫(yī)學(xué)工程、電生理學(xué)、腦神經(jīng)科學(xué)、信號處理技術(shù)和計算機科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域交叉。除康復(fù)醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，對于范圍更廣泛的健康用戶，在人機交互和多媒體娛樂通訊等相關(guān)領(lǐng)域，腦機接口可以結(jié)合傳統(tǒng)的視覺、聽覺等通信方式構(gòu)成全新的通信交流方式，從而擴充人類對外通信和環(huán)境控制的能力。目前腦機接口系統(tǒng)基本上都是基于PC機實現(xiàn)的，為了提高腦-機接口系統(tǒng)的實用性，腦-機接口系統(tǒng)必將朝著小型化方向發(fā)展，但目前國內(nèi)現(xiàn)有腦機接口系統(tǒng)大多數(shù)基于PC機實現(xiàn)，系統(tǒng)體積龐大，實用性不強。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的之一在于提供一種小型化、便攜性、藝術(shù)性、實用性強的基于視覺誘發(fā)腦機接口的國畫機器手。
[0004]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于視覺誘發(fā)腦機接口的國畫機器手的繪圖方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的基于視覺誘發(fā)腦機接口的國畫機器手的技術(shù)方案是:
[0006]一種基于視覺誘發(fā)腦機接口的國畫機器手，包括視覺刺激器，采用穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電信號，根據(jù)穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的原理，使用基于白色發(fā)光二極管LED實現(xiàn)視覺刺激；腦電信號采集模塊，采用便攜式信號采集放大器對腦電信號進行采集；腦電數(shù)據(jù)傳輸模塊，在現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA的設(shè)計中使用VHDL將通用異步收發(fā)器功能集成到FPGA內(nèi)部，實現(xiàn)FPGA開發(fā)板與信號采集放大器之間的數(shù)據(jù)傳輸中設(shè)置環(huán)形緩沖區(qū)用于不斷的從信號采集放大器接收腦電數(shù)據(jù)塊，并存儲起來，同時設(shè)置邏輯控制子模塊接收環(huán)形緩沖區(qū)提供的觸發(fā)，并通過邏輯控制，決定是否可以觸發(fā)信號處理；信號處理模塊，信號預(yù)處理:采用Matlab中的FADTooI生成FIR帶通濾波器系數(shù)和對應(yīng)的VHDL程序，然后把VHDL程序在FPGA里面生成對應(yīng)的FIR帶通濾波器模塊，從而實現(xiàn)對原始腦電信號的濾波；信號特征提取與識別:采用功率譜估計實現(xiàn)對視覺誘發(fā)腦電信號進行誘發(fā)電位特征提取，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別視覺誘發(fā)電位特征；控制指令輸出模塊，通過信號處理模塊識別出的刺激頻率匹配國畫機械手指令庫進而轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的控制指令來實現(xiàn)機械手繪圖動作，同時在FPGA中顯示將要繪制的指令；國畫機械手模塊，采用由六個伺服電機驅(qū)動的AVR編程機械手，Atmegal68單片機控制器控制機械手的運動，并通過串口的方式與FPGA進行實時通訊。
[0007]作為上述技術(shù)方案的改進，所述視覺刺激器包括:視覺刺激器主控模板，采用FPGA針對同一個50MHZ有源晶振進行整數(shù)倍分頻，然后通過并行控制使每組LED燈獨立閃爍，在Quartus II軟件上使用VHDL語言編寫一個分頻模塊文件，設(shè)置分頻基數(shù)參數(shù)來獲得所需頻率；視覺刺激器面板模塊，國畫機器手的視覺刺激器面板由12個以不同頻率閃爍的方塊組成，包含上、下、左、右4個方位命令和豎線、斜線、鋸齒線、波浪線、實心點、返回、繪制、結(jié)束8個繪圖命令，LED刺激器采用ULN2003驅(qū)動芯片，每個方塊采用白色樹脂封裝保證所有的刺激方塊穩(wěn)定正常閃爍，將12個LED以6串6并的方式組合來增加每個刺激方塊的發(fā)光面積。
[0008]作為上述方案的改進，所述便攜式信號采集放大器為NeuroX.BC便攜式信號采集放大器，支持藍牙傳輸腦電信號數(shù)據(jù)。
[0009]進一步地，本發(fā)明的基于視覺誘發(fā)腦機接口的國畫機器手還包括實時反饋模塊，通過視頻監(jiān)控實現(xiàn)繪圖的實時反饋，實時反饋模塊包括:圖像采集模塊，采用0V9650型號的傳感器，對彩色圖像進行處理；數(shù)據(jù)傳輸模塊，根據(jù)Altera Cyclone和SOC Bulider相關(guān)理論在FPGA中建立數(shù)據(jù)傳輸模塊。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的基于視覺誘發(fā)腦機接口的國畫機器手繪圖的具體方法如下:
[0011]—、整個實驗在安靜、遠離電磁干擾的環(huán)境中進行，受試者頭戴電極帽，坐在距離視覺刺激器50cm處，雙眼平視視覺刺激器；當刺激器開始閃爍時，受試者雙眼注視所要代表繪制筆畫的LED燈；
[0012]二、開啟信號采集放大器進行信號采集，并將原始腦電信號送入FPGA的緩沖區(qū)中進行實時存儲，在FPGA中設(shè)置環(huán)形緩沖區(qū)用于不斷的從信號采集放大器接收腦電數(shù)據(jù)塊，同時設(shè)置邏輯控制子模塊接收環(huán)形緩沖區(qū)提供的觸發(fā)，并通過邏輯控制，決定是否可以觸發(fā)信號處理；
[0013]三、經(jīng)過FPGA信號處理后的數(shù)據(jù)將經(jīng)過串口方式傳輸給國畫機械手；首先FPGA顯示信號處理模塊識別出代表繪制筆畫的刺激頻率，受試者根據(jù)實時反饋做出進一步的判斷；繪圖機械手將結(jié)合控制指令以及受試者的設(shè)置完成以下三個動作:
[0014]1、刺激頻率不匹配控制指令庫內(nèi)的數(shù)據(jù)，繪圖機械手處于靜止狀態(tài)，受試者將觸發(fā)邏輯控制接受新的腦電信號進行處理；
[0015]2、刺激頻率匹配控制指令庫的數(shù)據(jù)時，繪圖機械手將發(fā)出工作提示，受試者根據(jù)實時反饋的繪圖動作決定是否繪制國畫；
[0016]3、刺激頻率匹配控制指令庫的數(shù)據(jù)且機械手已經(jīng)繪制國畫部分時，受試者根據(jù)實時的繪圖視頻顯示來調(diào)整繪圖機械手的位置與動作。
[0017]實施本發(fā)明實施例，具有如下有益效果:本發(fā)明的基于視覺誘發(fā)腦機接口的國畫機器手中的腦電信號采集端采用便攜式藍牙信號傳輸，大大提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性和網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，在很大程度上提高腦機接口系統(tǒng)的實用性；腦電信號處理端采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)，擺脫了傳統(tǒng)腦機接口對PC機依賴，實現(xiàn)腦機接口系統(tǒng)的小型化、便攜性。本發(fā)明實現(xiàn)機械手繪制山水畫國畫，提高控制精度的同時提升了文化內(nèi)涵，最終的小型化道路必將落實到腦-機接口系統(tǒng)的嵌入式實現(xiàn)，便攜式腦-機接口系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例的附圖作簡單地介紹。
[0019]圖1是本發(fā)明的基于視覺誘發(fā)腦機接口的國畫機器手的工作原理圖。
[0020]圖2是本發(fā)明的基于視覺誘發(fā)腦機接口的國畫機器手的繪圖步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖進一步詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0022]如圖1-2所示，本發(fā)明一種基于視覺誘發(fā)腦機接口的國畫機器手的實施例，包括:
[0023](I)視覺刺激器:本發(fā)明采用穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電信號，根據(jù)穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的原理，使用基于白色發(fā)光二極管(Light Emitting D1de，LED)實現(xiàn)視覺刺激器。
[0024]視覺刺激器主控模塊:為了實現(xiàn)LED閃爍頻率控制，采用FPGA針對同一個50MHZ有源晶振進行整數(shù)倍分頻，然后通過并行控制使每組LED燈獨立閃爍。在Quartus II軟件上使用VHDL語言編寫一個分頻模塊文件，設(shè)置分頻基數(shù)參數(shù)來獲得所需頻率。
[0025]視覺刺激器面板模塊:國畫機器手的視覺刺激器面板由12個以不同頻率閃爍的方塊組成。包含上、下、左、右4個方位命令和豎線、斜線、鋸齒線、波浪線、實心點、返回、繪制、結(jié)束8個繪圖命令。LED刺激器采用ULN2003驅(qū)動芯片，每個方塊采用白色樹脂封裝保證所有的刺激方塊穩(wěn)定正常閃爍，將12個LED以6串6并的方式組合來增加每個刺激方塊的發(fā)光面積。
[0026](2)腦電信號采集模塊:腦電波是yV量級微弱生物醫(yī)學(xué)信號，本發(fā)明采用NeuroX.BC便攜式信號采集放大器，該放大器具有小型化、抗干擾性強、無線傳輸?shù)裙δ?。腦電放大器的采樣率是1000Hz，使用過程中性能穩(wěn)定，可有效傳導(dǎo)人體皮膚表面的如腦電信號(EEG)、心電信號(ECG)、眼電信號(EOG)等微弱生物電信號。
[0027](3)實時控制模塊:實時控制是本系統(tǒng)的核心部分，包括腦電數(shù)據(jù)傳輸模塊、信號處理模塊、控制指令輸出模塊。
[0028]腦電數(shù)據(jù)傳輸模塊:本發(fā)明采用的信號采集放大器NeuroX.BC支持藍牙傳輸腦電信號數(shù)據(jù)，在FPGA的設(shè)計中使用VHDL將通用異步收發(fā)器(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter, UART)功能集成到FPGA內(nèi)部，實現(xiàn)FPGA開發(fā)板與信號采集放大器之間的數(shù)據(jù)傳輸。在FPGA中設(shè)置環(huán)形緩沖區(qū)用于不斷的從信號采集放大器接收腦電數(shù)據(jù)塊，并存儲起來。同時設(shè)置邏輯控制子模塊接收環(huán)形緩沖區(qū)提供的觸發(fā)，并通過邏輯控制，決定是否可以觸發(fā)信號處理。
[0029]信號處理模塊:信號處理包含信號預(yù)處理和特征提取與識別兩部分。該模塊包含以下步驟:
[0030]1.采用Matlab中