基于脑机接口的机械臂控制系统研究

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许多患有精神症状或者神经退行性疾病的患者失去了大脑至脊髓以及肌肉的正常的信息交流的能力,最终影响人的行动意识,导致肢体不受人脑的控制。这些疾病严重影响着患者的正常生活。他们失去了与外界进行沟通的途径成为了一个自我封闭的个体。脑机接口(Brain—Computer Interface,BCI)能够为大脑提供一个全新的非肌肉通信通道,使人可以通过大脑直接与外界环境进行交流。BCI的研究不仅能够为患者提供一种大脑与外界进行交流的新途径,也为肢体残疾的病人带来拥有智能假肢的希望。  全球范围内对于生物工程领域的研究已经进行了多年,尤其是近年来对于BCI的研究得到了各个国家科研工作者的广泛关注。目前,国内外在BCI这一领域的研究仍然处于理论探索实验阶段,对于脑电信号的采集以及脑电特征信号的提取仍然需要进一步研究。机械臂作为一种重要的执行机构,在空间探索、军事侦查以及家庭服务等领域都一直占据着重要地位。由于机械臂具有非线性、强耦合和时变性等特点,机械臂控制系统的研究是众多现代控制研究和工程实践的一个良好的平台。  本课题研究基于脑机接口的机械臂控制系统,实现了人脑对机械臂的控制。首先,由于国内外对于BCI的研究还没有统一的标准,本课题基于E-Prime软件设计了脑电采集的实验范式,研究了脑电信号的采集以及脑电特征提取,通过非侵入式脑电采集方式,对主动想象信号进行了采集分析,对脑电特征提取算法进行了改进,并设计了基于脑机接口的控制器。其次,针对目前残疾人假肢大多为一个装饰或者功能性不强的特点,研究设计了类人机械臂,建立了三维模型并进行了分析改进,将机械臂各零部件加工成型,成功的完成了机械臂的装配和调试。研究了机械臂的正逆运动学理论以及轨迹规划方法,通过MATLAB软件建立了三维仿真模型,并进行了运动学和动力学仿真研究,验证了设计方案的可行性,为编写机械臂的控制算法提供理论依据。然后,设计了机械臂的控制硬件电路系统,对各个硬件电路模块进行了研究和改进,开发了机械臂控制板。最后,将机械臂加工成型为科研样机,按照总体设计方案连接好控制电路,搭建了基于脑机接口的机械臂控制系统平台。通过实验调试,实现了人脑对机械臂的控制。
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