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Prosesamiento de las señales emitidas por el EEGde NeuroSky Mindwave para generar un

controlador industrialCristhian Gerron, Alex Limaico, David Sandoval

Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPEDepartamento de Electrica y ElectrónicaIngeniería en Automatización y Control

Sangolquí, Ecuador

 Abstract—The Article presents an introduction to the devel-opment of an interface that fed back human brain signals withan industrial process. These signals are perceived by an EEGand thus allows the generation industrial control system, to beapplied in the development of optimal automation where human

error is fully considered. Resumen–-El artículo, presenta una introducción al desarrollo

de una interfáz que realimente las señales cerebrales humanascon un proceso industrial. Se percibe estas señales por mediode un EEG y con ello permita generar un sistema de controlindustrial, para que se aplique en el desarrollo de automatismosóptimos en los que el error humano sea plenamente considerado.

 Index Terms—EEG, Neuro Sky Mindwave, Control Industrial,LOGO

I. INTRODUCCIÓN

El talento humano es un recurso importante en las in-dustrias, ya que por más que se intente automatizar los

procesos, siempre es necesario la supervición de los mismospor una persona. En el desarrollo de los automatismos yde los sistemas de control en las industrias por lo generalno se considera al factor humano en el desarrollo de laingeniería de control, pese a eso es importante resaltar que elser humano puede tener fallas, por ejemplo caer dormido enplena supervición, lo cual puede ocacionar que existan fallasque por lo general se llaman fallas humanas.

El cerebro humano genera ondas electromagnéticas queresponden a ciertos comportamiendos generados ante las cir-cunstancias en las que se situa el individuo. Estas actividadmental puede ser receptada por medio de sensores ya quese ha demostrado que se pueden recibir varias señales con

patrones particulares que varían tanto en frecuencia comoen amplitud. Un dispositivo que brinda esta facilidad paraello se llama Electroencefalograma o sus sigals EEG, elmismo que procesa y trasduce las señales electromagnéticas endatos admisibles por un procesador de datos o un ordenador.NeuroSky Mindwave es un EEG económico y de facil accesoque puede ser empleado por desarrolladores para uso de lasseñales en aplicaciones diversas.

La interfaz que se alcance en este análisis será resultadode la aplicación de un algoritmo que permita comunicardirectamente estas señales y que permitan agregar fallas delos humanos en entronos industriales, para que se da el caso

de desabilitar el proceso industrial o ponerlo en stand-by, paraque se genere una alerta o una acción de control y respuesta alfallo. Entre otras aplicaciones que se pueden realizar incluyenprocesos de control en un vehiculo con acciones inteligentes

que preserven la seguridad de la persona.

II. ANTECEDENTES

A partir de que se ha desarrollado la tecnología que per-mite capturar las señales electroencefalograficas (EEG), se havenido investigando la posibilidad de interpretarlas y usarlascomo un medio de comunicación o control de dispositivos.

Este tipo de tecnología es conocido como BCI por sussiglas en inglés (Brain – Computer Interface). En la actualidadse cuenta con varias alternativas para la implementación deBCIs, pero no se sabe a ciencia cierta cuál es el métodomás efectivo para hacer confiables estos dispositivos, por lo

que el presente trabajo está orientado a analizar los diferentesmétodos de procesamiento de señales EEG para aplicacionesBCI existentes con el objetivo de encontrar el algoritmoóptimo para el desarrollo de aplicaciones de BCI. Las BCI sonutilizadas principalmente para personas discapacitadas. Dentrode esta área de investigación existen muchos puntos que aúnhay que estudiar para así resolver algunos problemas que aúnsiguen vigentes, como lo es la optimización del tiempo deentrenamiento y la precisión para interpretar los comandos delusuario.

Fig. 1. Posicionamiento de los Electrodos [7]

Un gran avance de este método de la tecnología sub vocales cual relaciona las ondas cerebrales con palabras descritaspor dichas ondas.

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Fig. 2. Conección Cerebro con tecnología subvocal[8]

III. METODOLOGÍA

 A. Alcance del Proyecto

El objetivo es obtener datos que sean de utilidad para podergenerar un control a partir de las ondas cerebrales receptadaspor medio del dispositivo NeuroSky MindWave.Se necesitaobtener señales para ser utilizadas en el campo de la industria,tomando al dispositivo antes mencionado como una fuente dedatos externa, para luego ser procesados y realizar un trabajoen específico.

Es necesario desarrollar un módulo de control, utilizandodispositivos electrónicos para la toma de datos, a partir deperiféricos electrónicos, con el fin de obtener un medio co-municante, entre las ondas percibidas por el dispositivo, parapasarlo a una señal digital o analógica que sea capaz de ser

comprendida, sin la necesidad de un computador o de unusuario.

El NeuroSky, tiene aplicaciones, con la característica demostrarnos las ondas recibidas ese instante, pero depende deuna computadora, ya que estas aplicaciones son instalablescon el driver del dispositivo, además que este ya transmite demanera inalámbrica, ya que viene incorporado el dispositivode comunicación conectado a puerto USB del PC.

Al momento de realizar una aplicación, es importante tomaren cuenta los costos y el alcance del proyecto, por lo cual, y eneste caso no es necesario colocar un computador en el proceso,además incluso si se planteara hacer lo mencionado, obtenerlos datos del computador, para luego pasarlo a un dispositivo

es también un reto. Es por este motivo que se utilizara undispositivo electrónico, con un propósito general, como es elcaso de Arduino o similares.

 B. Metodología

La metodología a emplearse es una metodología con unenfoque cualitativo, donde se centra en investigación, y enpruebas experimentales, además de la simple observación.

Debido a que gracias a los programas incorporados quese tiene, se puede realizar una medición de los parámetrosmostrados, se puede realizar mediciones frente a un estímulo

realizado al operario del dispositivo, así también de acuerdoal tipo de ondas receptadas por el aparato. A la hora de laimplementación o de las pruebas, es necesario conocer cómose puede comunicar al aparato, y cuáles son las formas por lascuales las señales llegarían y como, por lo cual es necesariala investigación realizada, para luego poner en práctica losresultados parciales y acoplarlos a un sistema industrial.

C. Recursos Teóricos

Lo primero que se realiza entonces es conocer, las ondascon las cuales se trabaja, para ello es necesario conocer elcomportamiento de las señales, basándose en las señales EGG,a partir de la señal del EEG es posible diferenciar ondasclasificadas en términos de su frecuencia de oscilación y queson denominadas alfa, beta, gama, delta, y theta. [1]

1) Ondas Delta:   Las ondas delta tienen el rango de fre-cuencia de 0,1-4 Hz y son detectables en los recién nacidosy adultos mientras duermen y en la etapa non-REM delinconsciente. Están también presentes en el sueño profundo ypuede ser estado de sonambulismo, de hablar estando dormido.El comportamiento de esta oonda reflejado en un EEG semuestra en la Figura 3.

Fig. 3. Ondas Delta [2]

2) Ondas Theta:   Las ondas theta tienen el rango de fre-cuencia de 4-7 Hz y se obtienen en momentos de creatividad,fantasía y en los sueños que implican imaginación de losniños o de los adultos. Puede ser nivel de clasificación deIdeas que incluyan creatividad asociativa, relajación profunda,y percepción reducida, excepto en personas experimentadasen técnicas de meditación (yoguis, maestros Zen, etc.). Elcomportamiento de esta oonda reflejado en un EEG se muestraen la Figura 4.

Fig. 4. Ondas Theta [2]

3) Ondas Alfa:   Las ondas alfa tienen el espectro de fre-cuencia de 8-12 Hz y se puede medir a partir de la regiónoccipital en una persona despierta en momentos de relajación,pero no dormitación, tranquilidad y conciencia mientras losojos están cerrados. Patológicamente es síntoma de coma.Estas ondas son el reflejo de la “MENTE SUBCONSCIENTE”la cual comprende los niveles de ausencia de estrés, relajación,creatividad, percepción, meditación. Predomina el HEMIS-FERIO DERECHO el cual es de particularidad intuitiva,no-verbal, y tiene mucha influencia en los sentimientos. Elcomportamiento de esta oonda reflejado en un EEG se muestraen la Figura 5.

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Fig. 5. Ondas Alfa [2]

4) Ondas Beta:   Las ondas beta van en el rango de 12-20 Hz, los cuales son detectables en los lóbulos parietales,frontales y pueden ser medidas en el momento de SMRy relajación enfocada. Las ondas beta son el reflejo de la“MENTE CONSCIENTE” ya que recibe señales de los 5sentidos normales Vista (+- 80%), tacto, oído, olfato, gusto,Además está presente en el hecho de desenvolverse en la vidadiaria, estrés, ansiedad, aprensión, tensión, competir. Predom-ina el HEMISFERIO IZQUIERDO el cual es descrito por suparticularidad lógica, racional, verbal. El comportamiento deesta oonda reflejado en un EEG se muestra en la Figura 6.

Fig. 6. Ondas Beta [2]

5) Ondas Gamma :  Las ondas gama pueden alcanzar val-ores que van desde los 30Hz hasta los 100Hz en algunos casos,pero más frecuentemente son de hasta 50Hz, están presentesen periodos cortos de memoria, reconocimiento de sonidos ysensaciones de reconocimientos de objetos.El comportamientode esta oonda reflejado en un EEG se muestra en la Figura 7.

Fig. 7. Ondas Gamma [2]

Se cuenta con este tipo de ondas en el dispositivo, por locual ya se puede encaminar el trabajo hacia las ventajas quese puede obtener de acuerdo a cada tipo de onda medida.

 D. Recursos de Software

Debido a que es un dispositivo creado para utilizarse conun PC, se puede entender que maneja un software, antesde controlar los datos emitidos, primero comprenderemosel software el cual ofrecen los proveedores. En la páginainicial, se ofrecen diferentes aplicaciones creadas, con difer-entes fines, algunas gratis y otras de tipo gratuito, esto sepuede encontrar en la página de App Store de NeuroSky:http://store.neurosky.com/collections/apps

Pero nos centraremos en este caso en analizar las aplica-ciones básicas, donde se puede ver el tipo de ondas emitidas,de esta manera se comprende que es lo que mide, luego seprocederá a la debida interpretación.

Fig. 8. Brainwave Visualizer [3]

En la Figura 8. Se puede observar, que tipo de ondas son lasque percibe, y como las clasifica para ir midiendo su nivel deintensidad en la que varían, además se tiene como resultadosdirectamente el nivel de atención y el nivel de meditación,estos datos son perfectos para la utilización en un sensor oactuador.

Fig. 9. Brain Starter [3]

Brain Starter mostrado en la Figura 9 es una aplicaciónsimilar a la anterior, pero en esta aplicación se puede analizarde manera meticulosa, el comportamiento de cada onda enfunción del tiempo.

 E. Recursos de Hardware

1) Controlador Industrial:   Primeramente, para realizarcualquier control, en el campo industrial es necesario contarcon elementos industriales, pero debido a que se obtienenseñales de tipo electrónicas, es necesario primero procesarestas señales, y luego enviarlas a un actuador, por motivode precisión y por la versatilidad es mejor utilizar un PLC.

El objetivo de utilizar el mismo es que se puede iniciar, odetener un proceso industrial, como el movimiento de unamaquina o un motor, y su entrada puede ser de tipo analógica,para compararla con la salida obtenida y una vez procesadadel circuito electrónico. El PLC a utilizarse sería un PLC, ydependiendo de a dónde se lo vaya a implementar se colocaríael tipo, pero para este caso basta con un LOGO Figura 10..

Instalado este PLC, como controlador de un proceso y comoseñales de entrada las señales recibidas, se puede trabajarmuy bien, las señales que ingresen directamente al PLC, yatienen que ser señales concretas, y no oscilantes ni variantes demaneras bruscas, por lo cual es arduino se encarga de aquello,

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Fig. 10. LOGO Siemens 12/24 v

ya que enviaría señales solo si se supera ciertos límites en lamedición o casos similares.

2) Condicionamiento de la señal:   Se determinó que elARDUINO es el perfecto condicionante de la señal, debidoa que este si puede trabajar con las señales recibidas, tanto sise trata de información, o como de entradas analógicas, y yaque basta solo con un nivel de referencia para dar un pulsoo una señal, es perfecto además que su programación lo haceversátil.

3) Comunicación:  El dispositivo más importante, es aquelque permita la comunicación entre el dispositivo y los medios

de procesamiento de las señales.ThinkGear Connector, es una solución establecida por Neu-

roSky, ya que este tiene características que lo hacen capazde comunicar el dispositivo con otros dispositivos, además deadaptarlo a un lenguaje de programación.

El Conector ThinkGear (TGC) de la Figura 11. se ejecutacomo un proceso en segundo plano en el equipo y es re-sponsable de dirigir los datos del receptor de cabeza desdeel puerto serie a una toma de red abierta. Está disponible enWindows y OS X. Cualquier idioma o marco que contiene unabiblioteca socket debe ser capaz de comunicarse con él. TGCes una opción ideal para los desarrolladores que trabajan enmarcos como Adobe Flash [4],excelente opción para lenguajesde scripting como Flash / Python / Ruby.

Fig. 11. ThinkGear (TGC)

Los parámetros especificados en cuanto a la programación,como también la conexión de este están especificados en [5].Donde se muestra como se realiza el acople con las interfacesy como se realiza la obtención de los datos. Además de ellotambién contamos con un Datasheet, de este dispositivo en[6].

La ayuda que brinda, este software, es ideal para podertrabajar con los datos obtenidos, y como es compatible convarios entornos, desde los entornos se puede pasar la informa-

ción a arduino, por lo tanto, el dispositivo sería el encargadode cumplir con los objetivos planteados.

IV. CONCLUSIONES

Mediante los analisis de la ondas del EGG, se puede creardiferentes entornos de software, para diferentes aplicaciones,NeuroSky proporciona software, con diferentes fines, pero la

mayoria de este software tienen fines sociales, y solo terminanen una parte visual, o resultados mostrados por el ordenador alusuario, pero se puede utilizar este software para fines tecnicoso cientificos, obteniendo resultados positivos.

El diseño de un sistema orientado a la industria, ademasde los metodos que se emplean, tambien traen consigo unaetapa de potencia, por lo cual es necesario manejar diferentesentornos, a la hora de trabajar, ya que los procesos previos aeste son electronica, que emplea voltajes pequeños y en DC.

Las ondas cerebrales emitidas, se han clasificado en difer-entes tipos de ondas, pero estas ondas son clasificadas solode acuerdo al comportamiento del individuo, pero no sepuede leer pensamientos o analizar actividades complejas,

por lo cual estas ondas simplemente analizan tendencias decomportamientos asociados al entorno o emociones en lascuales se encuentra el individuo.

El Acondicionamiento de las señales, se realizan medianteel analisis de los datos que se reciben de NeuroSky, estedispositivo ya se encarga de mostrar los datos listos parautilizarse, por lo cual la programacion se orienta solamentea los procesos a cumplirse de acuerdo a los valores obtenidos,para luego realizar la etapa de condicionamiento de acuerdoal proceso.

NeuroSky es un sistema cerrado, por lo cual para obtenerlos datos que son recibidos directamente por este, es necesariohardware adicional, para luego poder utilizar estos datos o

exportarlos a otro sistema , o a otros circuitos.

BIBLIOGRAFÍA[1] A. Yaguana, DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA

INTERFAZ DE COMUNICACIÓN QUE PERMITA LA INTER-ACCIÓN ENTRE UN USUARIO Y LAS SEÑALES EMITIDASPOR SUS ONDAS CEREBRALES USANDO UN DISPOSITIVODE EEG DE NEUROSKY PARA CONTROLAR PERIFÉRICOSELECTRÓNICOS., Guayaquil: Universidad Católica de Santiagode Guayaquil, 2014.

[2] H. Penin, Elektroenzephalographie (EEG), 2013.[3] NEUROSKY, «NeuroSky STORE,» [En línea]. Available:

http://store.neurosky.com/collections/apps. [Último acceso: 11 En-ero 2016].

[4] NeuroSky, «Developer Program,» [En línea]. Available:http://developer.neurosky.com/docs/doku.php?id=thinkgear_connector_tgc. [Último acceso: 10 Enero 2016].

[5] NeuroSky, «ThinkGear Socket Protocol,» 2009. [En línea]. Avail-able: http://developer.neurosky.com/docs/lib/exe/fetch.php ?me-dia=app_notes:thinkgear_socket_protocol. [Último acceso: 10 En-ero 2016].

[6] NeuroSky, «Sensors for Every Body,» 2011. [En línea]. Available:http://www.seeedstudio.com/document/pdf/TGAM%20Datasheet.[Último acceso: 10 Enero 2016].

[7] S. Cordova, "Implementación de métodos de procesamiento deseñales EEG para," TELECOM, 2013.

[8] D. Hurtado, "Revision de las tecnologıas y aplicaciones del subhabla," 2015.

BIOGRAFÍA

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Cristhian Felipe Guerron Tapia,  nació en Quitoel 3 de Diciembre de 1992, realizó sus estudios pri-marios en la escuela ´ Andrés Bello ´ , su educaciónsecundaria la curso en el colegio ´ Unidad EducativaUniversitaria Buen Pastor ´ , obteniendo el títulode bachiller en la especialidad Físico matemático,actualmente su Carrera Universitaria los realiza enla Escuela Politécnica del Ejército en la Carrera deElectrónica, Automatización y Control.

Alex Darío Limaico Ortega   nació en Quito,Ecuador el 03 de Diciembre de 1993. Realizó susestudios secundarios en el "Instituto TecnológicoSucre", obteniendo su título de bachiller técnico enElectricidad Industrial. Actualmente está cursandoséptimo nivel de Ingeniería Electrónica, Automati-zación y Control en la Universidad de las FuerzasArmadas ESPE. Actualmente no ejerce ningún tra-bajo remunerado debido a sus estudios.

David Sebastián Sandoval Cárdenas   nació enQuito, Ecuador el 28 de abril de 1992. Realizósus estudios secundarios en el Colegio “Sebastiánde Benalcazar”, obteniendo su título de Bachilleren Ciencias Especialidad Físico Matemático. Ac-tualmente está cursando séptimo nivel de IngenieríaElectrónica, Automatización y Control en la Univer-

sidad de las Fuerzas Armadas ESPE. Actualmentedebido a sus estudios no ejerce profesionalmente.