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1、意念控制仿生机器鱼学校名称：吕梁学院参赛学生：张林 刘镕玮 杨世强 高京 王晋荣二零一七年七月目录第一章 引言11.1 研究背景11.2 设计意义11.3 作品简介1第二章 研究现状22.1 类似产品22.2 作品创新点3第三章 方案设计与制作43.1 控制系统设计43.2 仿生机器鱼设计63.3 运动设计8第四章 实验测试8第五章 结论与应用前景95.1 结论95.2 应用前景9摘要伴随着科技的高速发展，玩具行业在技术上也是突飞猛进。各色声光电玩具 充斥市场，大大的满足了消费者的需求，天上飞的、水里游的、地上跑的，装上 电池，通过遥控器，可爱的玩具就可上天入地。但如今，这些遥控玩具显然已经
2、不能引领消费者的最新需求了。本作品是一条基于意念控制的仿生机器鱼，该机 器鱼由脑波模块，蓝牙模块和主控计算机组成，通过对采集得到的人体脑电波分 析建模，给出控制指令，从而实现对机器鱼的启停、游动速度及花样游泳的控制， 并开发出单人竞速、双人对抗两种模式的脑电波意念对抗游戏。作品能实现儿童 通过意念对仿生机器鱼的直接控制，具有很高的娱乐性和创新性。可帮助儿童进 行适当的大脑锻炼，提高注意力，改善注意力不集中、多动等问题。本作品的出 现，无疑将引领新一代玩具产品的趋势。关键字：意念控制；仿生机器鱼；玩具；脑电波第一章 引言1.1研究背景随着经济的发展、技术进步和高性能低功耗处理芯片的推出等。人们的
3、控制 方式已经由传统的人机交互控制方式，如按键控制等，发展为更智能化，便捷化 的装置。虽然这项研究的初衷是为了帮助那些丧失了运动能力但大脑功能正常的 残疾人、老年人，用自己的思维直接操控轮椅、假肢、家用电器。但时至今日， 国外的研究不仅限于服务残疾人，也在人工智能、军事、娱乐、医疗等方面有初 步实验性应用。欧洲的研究者中，已经有人开始尝试利用脑-机接口技术，帮助 中风、癫痫、自闭症等神经性疾病患者更快地康复。在娱乐方面，意念控制技术衍生各类意念玩具，如脑控玩具飞机、脑控汽车 及脑控玩具娃娃，目前在北美和欧洲，及日本等发达国家已经成为了一种热潮。 随着人民生活水平的快速提高，意念玩具的出现，将成
4、为玩具企业在激烈的内销 市场上提升对电子玩具市场的竞争力。1.2 设计意义脑电波活动具有一定的规律性特征，和大脑的意识存在某种程度的对应关 系。人在兴奋、紧张、昏迷等不同状态之下，脑电波的频率会有明显的不同，如 果能够通过一个设备精准捕捉并破译脑电波，转化为具体的控制指令，就可以实 现我们期待许久的“意念控制”。意念控制机器鱼不但适用于儿童，也广泛适用 于游戏玩家、运动员等各类需要脑力训练开发的特殊行业人员，具有开发训练人 体注意力强度等功能。有幼教专家表示，通过脑电波来控制玩具的表现形式，一定程度对培养孩子 脑部与手部的协调，以及诱导孩子集中注意力从而在治疗“儿童多动症”方面将 起到一定的疗
5、效。目前，国内家长对玩具在“益智”方面的要求越来越高，意念 玩具的出现，定将引领新一代玩具产品的趋势。1.3 作品简介意念控制仿生机器鱼，是由脑波模块，蓝牙模块和主控计算机组成，通过 TGAM 内核的脑电波信号采集模块，再将采集到的数据通过硬件滤波剔除杂波的 方式，将原始脑电波信号线性模拟后放大处理，采集到的数据最后会经过算法转 为所需数据，经蓝牙串口传输到单片机进行分析处理，并执行相应指令，给出控 制指令，从而实现对仿生机器鱼的启停、游动速度及花样游泳的控制，并开发出 单人竞速、双人对抗两种模式的脑电波意念对抗游戏，具有很高的娱乐性和创新 性。下图为意念控制的理论过程：第二章 研究现状2.1
6、 类似产品日本电子公司 Neurowear 研制出一种猫耳造型的头箍，可通过传感器对佩戴 者的情绪变化作出反应。如果佩戴者情绪沮丧，猫耳便会倒下；注意力集中时， 猫耳会竖起；心情愉快时，猫耳会来回摆动。继 Necomimi 脑控猫耳之后， Neurowear又推出了一款名为Shippo（天使之尾）的脑控猫尾巴。尾巴内置脑电波 感应器，当佩戴者情绪放松时尾巴会缓慢摇摆，情绪激动时摇摆速度就会变快。脑电波技术还应用驾驶过程中的报警系统，通过检测人的脑电波检测出大脑 是否疲劳，从而发出警报；在运动员训练、脑控玩具方面也已经有所应用，比如 Brainathlete 运动员训练仪及 Mattel 美泰公
7、司生产的 MindFlex 玩具。2008 年，美国加利福尼亚州的圣荷西风险公司研制出一种利用传感器读取 人脑波并用于手机各种应用的“耳机式”系统装置。该装置通过接触手机用户的 额头来读取脑电波，进而掌握用户大脑的放松程度和集中程度，并将检测到的脑 波信息显示在手机画面上，以及用意念操控游戏和卡通形象等。2013 年 6 月，美国明尼苏达大学的华人科学家贺斌教授带领的研究团队展 示了他的意念控制研究成果。与以往需要在大脑中植入电极的意念控制技术不 同。贺斌教授最新的意念控制技术完全是无创的，无需进行大脑植入操作。使用 者只需戴上一个帽子，通过帽子上的电极即可记录下使用者的脑电波。在这个脑 电图
8、扫描帽具有 64 个紧贴头皮的电极。这些电极监控来自大脑的电活动并将信 号（或信号中断）传递给电脑。电脑对这些数据进行处理后将之转化为另一种电 子信号，通过Wifi传递至飞行器的接收器，从而控制飞行器的飞行动作。贺斌 教授团队展示了如何利用自己的意念操控一架模型直升机在空中飞行、俯冲、上 升，甚至可以毫无困难地穿越以气球做成的环形形障碍物。2009 年，日本研究人员开发出了一种应用于电动轮椅的脑电波控制系统，可通过检测脑电波了解人的意图，然后控制电动仪器做出相应反应，用意念操纵 电动轮椅活动。据说，将这种脑电波系统装在电动轮椅上，坐在轮椅上的人只要 脑中想“走”的时候，轮椅就会前进不过，如果想
9、要停止的话，则需要通过面颊 的肌肉来控制。2009年，第一款玩具类产品意念小球推向市场，在美国供售出 100 多万套， 是当年亚马逊圣诞节玩具销量冠军。目前，运用脑控技术的产品多围绕四个领域 展开教育产业、健康产业、娱乐产业和竞技体育领域。比如美国、韩国和欧 洲一些国家的专业射箭运动员就在使用脑控产品来练习大脑的精神集中度。近 10 年来，各国科学家在开发利用脑电波方面取得了不少令人惊叹的进 展，技术前沿也不断被挑战和革新，意念控制这项技术在医疗保健、教育、工程 建设和日常生活中将给人们带来极大地便利。2.2 作品创新点 该作品是将当今市场上原有的传统儿童玩具形式与脑电波思维训练创意整 合设计
10、，针对目前一些儿童注意力不集中，无法专心学习的现象，整合设计了儿 童注意力培养与脑机交换技术的一款具有实际意义，能辅助注意力训练的玩具。 设计过程中始终以儿童的角度思考问题，考虑儿童喜好与其行为特征，逐步确立 并完善产品形式与产品结构。与其他同类型玩具产品相比较，本作品具有以下创 新点：1. 目前市面上对儿童智力开发与注意力的培养方面的产品形式十分单一，缺 乏实质性作用，而通过思维控制技术训练注意力的产品就更加缺乏。开发有效的、 互动性强的儿童益智产品成为非常必要的事情，意念控制仿生机器鱼的出现正好 弥补了这一方面。2. 通过脑电波来控制玩具的表现形式可以极大的培养孩子注意力，弱化儿童 注意力
11、障碍，减轻生活中因为意力不集中而产生的负面影响。3. 仿生机器鱼的外观的设计上要偏向可爱圆润的造型，避免出现锋利的直角 造型，既能激发使用群体的兴趣又能保证他们的安全，同时又不分散注意力，成 功的进行思维集中训练。4. TGAM模块应用广泛，现已成功推广，且该芯片制作成本较低，价格较低, 仿生机器鱼主要由 3D 打印及软体橡胶制作而成，所以本作品成本较低，而且潜 在市场需求很大，有着良好的应用前景和推广价值。第三章 方案设计与制作3.1 控制系统设计3.1.1 脑电信号的处理1. 大脑电信号的产生在人的大脑皮层中存在着频繁的电活动 ,这种电活动是自发的 ,在大脑活动 时脑皮质细胞群之间形成电位
12、差 ,电位是随着时间发生变化的,用电极将这种电 位随时间变化的波形提取出来 ,并加以记录就得到脑电图.脑电信号是大脑皮层 或头皮表面记录到的大脑皮层神经元群突触后电位的总和.2. 建立大脑电压与原始数据之间的关系我们采用神念科技TGAM模块采集脑电信号，TGAM模块包括了一个高度集成 的单一芯片脑电传感器，可以将至于前额和耳根的电极片采集的脑电信号进行前 置放大，高通滤波，去除50Hz工频干扰,40Hz低通滤波，电平迁移以及后级放大。 使用A/D转换电路，转化为数字信号。经过电压转换，通过串口即可上传至上位机, 便于人们在上位机对信号进行处理和分析。信号通过HC-05蓝牙模块实现无线通 信，
13、采用 HC-05 蓝牙模块来构成无线发射和无线接收电路的核心单元。这样我们利用TGAM模块建立了原始数据rawdata与电压之间的关系：放大后的电压二rawda ta*( 1.8/4096)前额皮肤的实时电压二rawda ta* (1.8/4096)/2000。3. 用原始数据 rawdata 计算出数据包TGAM 大约每秒钟发送 513 个数据包，意思就是发送包的个数是不会变的， 只是发送513个包所花费的时间是一秒左右。发送的513个数据包含有512个小 包和1个大包，我们用前512个小包计算“丢包率”，“丢包率”是指对信号产生干扰的，不集中的无效数据占总数据的百分比。小包的格式是 AA
14、AA 04 80 02 xxHigh xxLow xxCheckSum, 其中前 面的AA AA 04 8002是不变的，后三个字节是一直变化的xxHigh和xxLow组成原始数据rawdata, xxCheckSum是用来校验的，把数据包中04后边的字节加 起来，取反再取低八位sum=(Ox80+0xO2+ xxHigh+ xxLow厂0XFFFFFFFF)&0XFF与校验和 xxCheckSum 进行对比,如果结果一致,证明数据包是正确的。 原始数据求解计算公式如下：rawdata=(xxHigh32768)rawdata-=65536；这样，我们就得出了有效的第513个数据包，数据如下：
15、AA AA 20 02 C0 83 18 00 4A 94 00 61 68 00 40 79 00 11 4F 00 39 D8 00 19 74 00 0D 7D 00 22 81 04 35 05 1A 7F数据解析:AA：同步AA：同步20：十进制中的32,即有32字节的playload 02：表示信号值signal C0：表示信号的值 83：表示EEG Power开始 18： 16进制中的24说明EEG Power是由24个字节组成的 04:代表专注度(attent ion) 35:专注度的值(0100)05：代表放松度(medi tat ion) 1A:放松度的值(0100) 7F：校验和。4. 从有效的数据包中提取 attention我们通过 arduino 单片机对第 513 个数据包进行处理，从而得到有效的 attention 有效值，进而控制仿生机器鱼的运动。3.1.2脑波模块的电路设计下图为脑波模块的电路设计示意图：TGAM模块硬件连接示意图1.蓝牙主从机建立联系后的表现当脑波模块上的蓝牙从机与 arduino 上的蓝牙主机连接上后，蓝牙主机会每 隔一定的时间快闪两次，同时arduino上的第13 口所对应的LED灯会亮。2.建立联系后的注意力值的传输当建立联系后TGAM模块会把提取到的脑电值传至arduino
