基于意念控制头盔的脑控电话系统

王之睿 王炳波

摘要：面向不方便行动或无法发声的特殊人群的需求，脑控电话可以给他们提供方便。采用Emotiv-Epoc意念控制器头盔收集人的脑部信号，并将信号进行识别为拨号指令后，用无线信道把指令传递到手机端拨打电话或发送信息，具体设计了一键模式和数字模式两种编码拨号方式。脑控电话可以让特殊人群更容易的取得其他人的帮助，同时也可以方便普通人的生活。

关键词：意念控制头盔;指令编码;蓝牙信道;Arduino单板机;脑控拨号

中图分类号：TP391 文献标识碼：A

文章编号：1009-3044（2019）33-0201-02

脑控技术，指利用人的脑部信号来控制机器等外部事物。它主要通过检测脑电波的变化，然后对收集到的信号进行分析，最后将分析的结果发送给需要控制的设备，实现对机器等外部设备的控制。

电话拨号对于普通人是比较简单的操作，但对于病人有时却会存在困难，现在已经出现了语音拨号等技术，但在某些场景中还是不能完全满足人们的需求，一方面，对于类似“渐冻人”等病人在遇到困难需要帮助的时候，脑控拨号可以满足他们紧急求助的需求。另一方面，对于普通人在一些特殊场景，如无法手动拨号或语音拨号的时候，采用脑控拨号也可以方便他们的生活。

1研究现状

脑控技术已经发展多年，在国外，2004年美国国防部国防高级研究计划局就进行了“思维控制机器人”的研究。通过用脑控假肢来实现“机器士兵”。随着时间发展，多个国家开始了脑控理论与技术的开发研究，在2017年世界机器人大会上还举办了“BCI脑控机器人比赛”。在我国，2014年国防科技大学开始探索研发脑控机器人，通过将实验者脑电信号转换成指挥机器人的指令，实现用人脑指挥机器的动作。

目前脑控技术已经被开始应用在包括军事在内的很多方面，尤其是在工程领域，随着脑控设备的逐渐成熟，硬件成本不断下降，普通人已经能买到价格可以接受的脑控设备，脑控应用进入我们的日常生活成为可能。

Emofiv Epoc意念控制头盔是美国加州旧金山的神经科技公司推出的意念控制头盔，实验者戴上之后，意念控制器可以收集两类信息：1）实验者通过想象推/拉等动作，引起脑部电极信号的变化信息，但这种方式对实验人提出了比较高的要求，而且需要大量的训练，准确度还有待进一步提高。2）实验者可以做出某种表情（如：眨眼、皱眉等），这些动作可以对脑部电极信号产生相对稳定的影响，通过采集这些信号可以推测人的表情动作。这种方式相对比较可靠，实验人不需要进行太多的训练就可以达到较高的准确度。考虑到本系统主要面对的潜在使用者是身体活动被制约程度较大的病人，为提高电话拨号的可靠性并减少使用者的负担，采用了第2种控制方式进行脑控电话的设计。

2脑控电话系统设计方案

本系统硬件由：Emotiv-Epoc意念控制头盔、pc机、Arduino单板机和安卓手机组成，救助人员和病人可以使用无线方式交互，设计了指令编码及发送系统，开发了基于安卓系统自动拨号APP软件，实现了脑控电话拨号。

2.1脑控电话系统总体设计

如图1所示系统总体设计如下：

1）病人佩戴可以采集脑部信息的头盔，按照指令编码方案做出相应的表情，产生脑部电极信号的变化;

2）脑控头盔利用接触脑部的传感器采集脑部微弱变化的电信号，并使用蓝牙信道发送给个人电脑;

3）个人电脑接收信号后，利用头盔系统的配套软件推测脑电信号所对应的病人意图，得到对应的响应字符;

4）个人电脑将病人意图对应的响应字符发送给连接在个人电脑USB接口的Arduino单板机;

5）Arduino单板机接受对应的响应字符后，进行指令编码，采用蓝牙信道将指令无线发送给手机（安卓）上我们开发的自动拨号APP软件;

6）自动拨号APP软件接收指令后，进行拨号或发送信息到救助人员手机;

7）救助人员接收病人的请求并及时给予响应。

2.2指令编码方案设计

为提高拨号的可靠性，本系统采用了由用户做出某种面部动作触发拨号的方式。为了提高脑控拨号的成功率，主要使用部分识别正确率比较高的面部动作（如：Blink眨双眼等）进行组合编码，作为拨号的指令。

2.2.1意念控制器头盔可感知面部动作类型及响应

佩戴Emotiv Epoc意念控制器头盔，当实验者完成某种面部动作时会造成脑部电流的变化，系统通过佩戴在实验者头上的电极收集信息，利用头盔系统事先训练的分类器进行判断，并给出字符响应作为输出。主要面部动作类型与响应字符对应如表1所示：

2.2.2指令编码

根据具体的脑控拨号使用场景不同，本文设计了两套指令编码方式：

如表2，病人可以采用连续眨眼，发出拨号指令获得帮助;也可以使用连续皱眉，发出挂断指令。这种方式实现相对简单，成功率高，但病人只能拨打提前设置好的电话号码。

如表3，为了让病人可以拨出任意电话号码，采用了4位二进制表示电话号码中的0-9这10个数字，采用这种方式的优点是灵活性较好，但操作复杂，且成功率不如一键拨号方式，不适合危重病人。

2.3指令传送执行方式

如图2所示指令传送执行方式如下：

a）由PC上安装的Emotiv-Epoe头盔的控制软件接收头盔发送来的脑电信号，并识别为特定的响应字符;

b）将响应字符通过“焦点”设置传送给Arduino单板机;

c）在Arduino单板机上编程，将字符转换为指令，并通过蓝牙模块发送给手机;

d）在手机（安卓）上开发自动拨号APP，接受Arduino单板机发来的指令;

e）自动拨号APP解码指令后，拨打指定的电话或发送信息。

3结论

本系统克服了采用面部图像识别技术中存在的角度和遮挡问题，更符合病人的实际情况，具有一定的实用性，实际测试中：一键拨号模式的成功率可以达到92%以上，但数字拨号模式中的方便性和准确性还有待进一步提高。

脑控技术的发展仍然还处于探索中，让普通人方便地用意念控制日常生活中各种复杂的外部设备还有很大的难度。但可以预见，随着脑控科学理论和方法的不断研究，新的软硬件技术的快速发展，脑控技术一定会颠覆性的改变我们每个人的生活。