Diseño y control de un robot mediante interfaz cerebro-máquina usando la tecnología SSVEP

The increasing technological advances as well as the pursuit of new communication mechanisms for people with severe disabilities have made biological signaling device control to be a booming subject nowadays. This area especially related to medicine has promoted the present research with the aim of finding and providing a means of communication adapted to the user for disabled persons. In this project we approach the design, construction and control of a basic robot through a Brain Computer Interface, which is able to adjust to each user. We have tried to optimize the robot control to provide a means of communication to severe motors disabled persons, such as people with disability to move their body and speech problems. This user adaptation will be achieved through a process of visual stimuli selection which can elicit specific measurable events with a low cost EEG cap. For this task we use a protocol which looks for four compatible visual stimulation frequencies to control the robot. The elicited events of this visual stimulation are called SSVEPs (Steady State Visually Evoked Potentials). This way, we will begin carrying out a study about the state of the art of brain computer interfaces. We will describe the different types and applications of the acquisition and stimulation systems used nowadays and we will decide which of them are more adequate for our goal in this project. Once we have described the current scene and the need for such interfaces and systems, we will approach the design and construction of a basic robot, which will move according to four degrees of freedom: frontwards stop, leftwards and rightwards. We will justify our choices for the means and hardware used in the development of this project as well. We will detail all the process from the acquisition of brain signals with a low cost EEG cap, their processing the generation of a command that we will send wirelessly to the robot, to the management of this command in the robot to achieve its locomotion. Once this system is developed, the operation of the interface will be validated, especially the user-specific frequency selection and the robot control phase. The system is tested in a total of 10 volunteers, including the frequency analysis and the control with three experiments based on the receptions of three command chains. Finally, we draw several conclusions in the light of the data obtained and we discuss some interesting options to integrate extra modules or future investigations in this kind of systems based in user-specific adaptation.El avance tecnológico así como la búsqueda de mecanismos de comunicación para personas con discapacidades severas han propiciado, hoy en día, que el control de dispositivos con señalización biológica sea un tema de investigación en auge. Este ámbito, especialmente relacionado con la medicina, ha sido el impulsor de la presente investigación cuyo objetivo es encontrar y proveer un medio de comunicación adaptado al usuario para todas estas personas con discapacidades. En este proyecto se aborda el diseño, construcción y control de un robot básico a través de una interfaz cerebro-máquina que sea capaz de adaptarse a cada usuario. Hemos intentado optimizar el control del robot a fin de aportar un medio de comunicación a personas con discapacidades motoras severas que les impidan el movimiento de alguna parte del cuerpo o el habla. Esta adaptación al usuario se conseguirá a través de un proceso de selección de estímulos visuales que evoquen eventos específicos registrables con un casco de EEG de bajo coste. Para esta tarea, se utiliza un protocolo que busca, las cuatro frecuencias de estimulación visual más compatibles para controlar el robot. Los eventos evocados mediante esta estimulación visual se denominan SSVEP (Steady State Visually Evoked Potentials). Se empezará realizando un estudio acerca de la situación actual de las interfaces cerebro-máquina, describiremos los distintos tipos y aplicaciones y expondremos cuáles son los sistemas de adquisición y estimulación utilizados hoy en día. Una vez percatados del panorama actual y de la necesidad de este tipo de sistemas e interfaces, abordaremos el diseño y construcción de un robot básico, que se moverá de acuerdo a cuatro grados de libertad: adelante, parar, izquierda y derecha. Igualmente justificaremos las elecciones de los medios y del material usado para el desarrollo de este proyecto. Además, detallaremos todo el proceso, desde que adquirimos las señales cerebrales con un casco de EEG de bajo coste, su procesamiento, pasando por la transformación a un comando que enviaremos de forma inalámbrica al robot, hasta llegar a la gestión de este comando en el robot para conseguir su locomoción. Con el sistema desarrollado se validará el funcionamiento de esta interfaz, especialmente la parte de selección de frecuencias adaptada al usuario y el control del robot. Hemos adaptado el sistema a un total de 10 sujetos voluntarios, haciendo un análisis de las frecuencias elegidas y probando el control del robot con 3 experimentos basados en la recepción de cadenas de comandos. Para finalizar, expondremos unas conclusiones a la vista de los datos obtenidos y discutiremos algunas opciones interesantes de módulos a integrar o investigaciones futuras en este tipo de sistemas basados en la adaptación al usuario