Command of a simulated wheelchair on a virtual environment using a brain-computer interface

ObjectiveThe goal of this research was to design, set up, use and evaluate a realistic simulation platform that could host real-time simulated robotics applications controlled with a brain-computer interface based on an event-related potential paradigm.Materials and methodsThe platform is composed of the following modules: (i) six band-limited channels of electroencephalographic signal acquisition; (ii) signal processing and classification with the BCI2000 software platform; (iii) stimulus presentation and (iv) robotics simulation. A modified Donchin speller matrix that uses iconic elements to indicate diverse navigational commands was implemented as the stimuli for the brain-computer interface, and an alternative interface was also included for independent manual navigation. A physically realistic wheelchair model with both autonomous and user control was used as the robotic element in the system.ResultsTwo healthy subjects were asked to perform a given navigation task throughout a simulated home environment using both navigational interfaces. For each task, each subject drove the wheelchair along similar paths and distances. The task execution time was greater when using the brain-computer interface, but both subjects were successful in adequately driving the wheelchair with the BCI.DiscussionThe wheelchair model within the simulation and control platform serves as a proof of purpose of the proposed system and demonstrates its potential. Further tests and experiments are needed, along with the definition of adequate metrics to characterize the entire user-controller-robot-task ensemble.ConclusionsWith the developed platform, evaluation of prospective brain-computer interfaces can go beyond classical measurements of error and bit transfer rates, to include metrics accounting for the integrated system.

RésuméObjectifLe but de cette recherche était de concevoir, installer, utiliser et valider une plateforme réaliste de simulation pouvant accueillir des applications de robotique simulées en temps réel et commandées avec une interface cerveau-ordinateur basée sur un paradigme de potentiels liés aux événements.Matériel et méthodesLa plateforme est composée des modules suivants : (i) six canaux limités en bande pour la saisie des signaux électroencephalographiques ; (ii) traitement et classification des signaux avec le logiciel BCI2000 ; (iii) présentation de stimulus et (iv) simulation robotique. Une matrice de Donchin modifiée, qui emploie des éléments iconiques pour indiquer des commandes de navigation diverses, a été mise en application en tant que stimulus pour l’interface cerveau-ordinateur, tandis qu’une autre interface alternative a été également incluse pour la navigation manuelle indépendante. Un modèle physiquement réaliste de fauteuil roulant a été employé comme élément robotique dans le système.RésultatsDeux sujets ont effectué une tâche de navigation dans une chambre simulée en utilisant les deux interfaces de navigation. Pour chaque tâche, chaque sujet a conduit la chaise roulante sur des voies et des distances similaires. Le temps de navigation avec l’interface cerveau-ordinateur a été plus long, toutefois, les deux sujets ont réussi à bien conduire le fauteuil roulant avec la BCI.DiscussionLe modèle de fauteuil roulant dans la plateforme de simulation et de commande sert de « preuve de but » du système proposé, prouvant ainsi son potentiel. D’autres essais et expériences seront nécessaires, avec la définition des métriques appropriées pour caractériser l’ensemble utilisateur-contrôleur-robot-tâche.ConclusionAvec la plateforme développée, l’évaluation des interfaces cerveau-ordinateur peut aller au-delà des mesures classiques comme le taux de classification ou la vitesse de transfert d’information, pour inclure des métriques qui expliquent le système intégré.