基于意念控制頭盔的腦控電話系統

王之睿 王炳波

摘要：面向不方便行動或無法發聲的特殊人群的需求，腦控電話可以給他們提供方便。采用Emotiv-Epoc意念控制器頭盔收集人的腦部信號，并將信號進行識別為撥號指令后，用無線信道把指令傳遞到手機端撥打電話或發送信息，具體設計了一鍵模式和數字模式兩種編碼撥號方式。腦控電話可以讓特殊人群更容易的取得其他人的幫助，同時也可以方便普通人的生活。

關鍵詞：意念控制頭盔;指令編碼;藍牙信道;Arduino單板機;腦控撥號

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）33-0201-02

腦控技術，指利用人的腦部信號來控制機器等外部事物。它主要通過檢測腦電波的變化，然后對收集到的信號進行分析，最后將分析的結果發送給需要控制的設備，實現對機器等外部設備的控制。

電話撥號對于普通人是比較簡單的操作，但對于病人有時卻會存在困難，現在已經出現了語音撥號等技術，但在某些場景中還是不能完全滿足人們的需求，一方面，對于類似“漸凍人”等病人在遇到困難需要幫助的時候，腦控撥號可以滿足他們緊急求助的需求。另一方面，對于普通人在一些特殊場景，如無法手動撥號或語音撥號的時候，采用腦控撥號也可以方便他們的生活。

1研究現狀

腦控技術已經發展多年，在國外，2004年美國國防部國防高級研究計劃局就進行了“思維控制機器人”的研究。通過用腦控假肢來實現“機器士兵”。隨著時間發展，多個國家開始了腦控理論與技術的開發研究，在2017年世界機器人大會上還舉辦了“BCI腦控機器人比賽”。在我國，2014年國防科技大學開始探索研發腦控機器人，通過將實驗者腦電信號轉換成指揮機器人的指令，實現用人腦指揮機器的動作。

目前腦控技術已經被開始應用在包括軍事在內的很多方面，尤其是在工程領域，隨著腦控設備的逐漸成熟，硬件成本不斷下降，普通人已經能買到價格可以接受的腦控設備，腦控應用進入我們的日常生活成為可能。

Emofiv Epoc意念控制頭盔是美國加州舊金山的神經科技公司推出的意念控制頭盔，實驗者戴上之后，意念控制器可以收集兩類信息：1）實驗者通過想象推/拉等動作，引起腦部電極信號的變化信息，但這種方式對實驗人提出了比較高的要求，而且需要大量的訓練，準確度還有待進一步提高。2）實驗者可以做出某種表情（如：眨眼、皺眉等），這些動作可以對腦部電極信號產生相對穩定的影響，通過采集這些信號可以推測人的表情動作。這種方式相對比較可靠，實驗人不需要進行太多的訓練就可以達到較高的準確度。考慮到本系統主要面對的潛在使用者是身體活動被制約程度較大的病人，為提高電話撥號的可靠性并減少使用者的負擔，采用了第2種控制方式進行腦控電話的設計。

2腦控電話系統設計方案

本系統硬件由：Emotiv-Epoc意念控制頭盔、pc機、Arduino單板機和安卓手機組成，救助人員和病人可以使用無線方式交互，設計了指令編碼及發送系統，開發了基于安卓系統自動撥號APP軟件，實現了腦控電話撥號。

2.1腦控電話系統總體設計

如圖1所示系統總體設計如下：

1）病人佩戴可以采集腦部信息的頭盔，按照指令編碼方案做出相應的表情，產生腦部電極信號的變化;

2）腦控頭盔利用接觸腦部的傳感器采集腦部微弱變化的電信號，并使用藍牙信道發送給個人電腦;

3）個人電腦接收信號后，利用頭盔系統的配套軟件推測腦電信號所對應的病人意圖，得到對應的響應字符;

4）個人電腦將病人意圖對應的響應字符發送給連接在個人電腦USB接口的Arduino單板機;

5）Arduino單板機接受對應的響應字符后，進行指令編碼，采用藍牙信道將指令無線發送給手機（安卓）上我們開發的自動撥號APP軟件;

6）自動撥號APP軟件接收指令后，進行撥號或發送信息到救助人員手機;

7）救助人員接收病人的請求并及時給予響應。

2.2指令編碼方案設計

為提高撥號的可靠性，本系統采用了由用戶做出某種面部動作觸發撥號的方式。為了提高腦控撥號的成功率，主要使用部分識別正確率比較高的面部動作（如：Blink眨雙眼等）進行組合編碼，作為撥號的指令。

2.2.1意念控制器頭盔可感知面部動作類型及響應

佩戴Emotiv Epoc意念控制器頭盔，當實驗者完成某種面部動作時會造成腦部電流的變化，系統通過佩戴在實驗者頭上的電極收集信息，利用頭盔系統事先訓練的分類器進行判斷，并給出字符響應作為輸出。主要面部動作類型與響應字符對應如表1所示：

2.2.2指令編碼

根據具體的腦控撥號使用場景不同，本文設計了兩套指令編碼方式：

如表2，病人可以采用連續眨眼，發出撥號指令獲得幫助;也可以使用連續皺眉，發出掛斷指令。這種方式實現相對簡單，成功率高，但病人只能撥打提前設置好的電話號碼。

如表3，為了讓病人可以撥出任意電話號碼，采用了4位二進制表示電話號碼中的0-9這10個數字，采用這種方式的優點是靈活性較好，但操作復雜，且成功率不如一鍵撥號方式，不適合危重病人。

2.3指令傳送執行方式

如圖2所示指令傳送執行方式如下：

a）由PC上安裝的Emotiv-Epoe頭盔的控制軟件接收頭盔發送來的腦電信號，并識別為特定的響應字符;

b）將響應字符通過“焦點”設置傳送給Arduino單板機;

c）在Arduino單板機上編程，將字符轉換為指令，并通過藍牙模塊發送給手機;

d）在手機（安卓）上開發自動撥號APP，接受Arduino單板機發來的指令;

e）自動撥號APP解碼指令后，撥打指定的電話或發送信息。

3結論

本系統克服了采用面部圖像識別技術中存在的角度和遮擋問題，更符合病人的實際情況，具有一定的實用性，實際測試中：一鍵撥號模式的成功率可以達到92%以上，但數字撥號模式中的方便性和準確性還有待進一步提高。

腦控技術的發展仍然還處于探索中，讓普通人方便地用意念控制日常生活中各種復雜的外部設備還有很大的難度。但可以預見，隨著腦控科學理論和方法的不斷研究，新的軟硬件技術的快速發展，腦控技術一定會顛覆性的改變我們每個人的生活。