Desarrollo de interfaz BCI usando redes neuronales por la activación de piezas robóticas

Abstract

En este trabajo fin de grado se presenta un proyecto que trata el desarrollo de una interfaz máquina-cerebro (IMC o Brain Computer Interface, BCI), teniendo como objetivo activar piezas robóticas. Para ello se usan las variaciones registradas en la actividad cerebral a partir de las ondas cerebrales, las cuales cambian según la concentración del usuario. Para ello se va a emplear un sensor EGG (enñectroencefalograma) no invasivo y de bajo coste el cual el monopolar, ya que se compone de un electrodo principal y dos referencias. Con su empleo se obtienen lecturas representativas del valor de las ondas cerebrales que genera el sujeto que lleva el censor. Son útiles para conocer la actividad cerebral en procesos en los que se emplea todo el cerebro, como es el caso de la concentración y la relajación, no para acciones concretas; para ello harían falta más electrodos de referencia o dispositivos que emplean técnicas invasivas que conllevan riesgos. Además, es necesario para el desarrollo del proyecto emplear dos microcontroladores conectados vía wifi, los cuales pretenden comunicar el sensor EEG con el efector final robótico. El primer microcontrolador actuará como servidor tomando los datos de las ondas y esperando peticiones por parte del cliente. El segundo microcontrolador se encontrará en la pieza robótica en la que se quiere intervenir, que en este caso será un robot diferencial. Para la interpretación de la variación de las ondas cerebrales y la correlación de todas ellas con la relajación o concentración del usuario, se va a emplear una red neuronal artificial que proporcione una salido concluyendo si el sujeto está concentrado o no. De este modo, el robot diferencial avanzará a una mayor velocidad cuanto mayor sea la concentración del usuario. El campo de la neurociencia es muy extenso y complejo y el funcionamiento de las BCIs conllevan conocimientos tanto en el ámbito de la ingeniería como en el de la biología. El objetivo de este proyecto es realizar una interfaz accesible sobre la cual puedan trabajar más personas mejorándola y aumentando las posibilidades de alcance de su uso. Para ser empleado para el uso de personas con discapacidad física, permitiéndoles el control de una silla de ruedas, de elementos de una vivienda, o de robots inalámbricos. También para terapias con niños con déficit de atención en las que tengan que entrenar su capacidad de concentración.

This final degree project presents a project that deals with the development of a machine-brain interface (IMC or Brain Computer Interface, BCI), with the objective of activating robotic parts. For this, the variations registered in brain activity from brain waves are used, which change according to the user's concentration. For this, a non-invasive and low-cost EGG (ennectroencephalogram) sensor will be used, which is monopolar, since it consists of a main electrode and two references. With its use, representative readings of the value of the brain waves generated by the subject wearing the sensor are obtained. They are useful to know brain activity in processes in which the whole brain is used, such as concentration and relaxation, not for specific actions; This would require more reference electrodes or devices that use invasive techniques that carry risks. In addition, it is necessary for the development of the project to use two microcontrollers connected via Wi-Fi, which intend to communicate the EEG sensor with the robotic end effector. The first microcontroller will act as a server taking the data from the waves and waiting for requests from the client. The second microcontroller will be in the robotic part in which you want to intervene, which in this case will be a differential robot. For the interpretation of the variation of the brain waves and the correlation of all of them with the relaxation or concentration of the user, an artificial neural network will be used that provides an output concluding whether the subject is concentrated or not. In this way, the differential robot will advance at a higher speed the higher the concentration of the user. The field of neuroscience is very extensive and complex, and the operation of BCIs involves knowledge both in engineering and biology. The objective of this project is to create an accessible interface on which more people can work, improving it and increasing the scope of its use. To be used for the use of people with physical disabilities, allowing them to control a wheelchair, elements of a home, or wireless robots. Also for therapies with children with attention deficit in which they have to train their ability to concentrate.