CN108272566A - 一种基于多模态人机接口的智能轮椅 - Google Patents
一种基于多模态人机接口的智能轮椅 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于多模态人机接口的智能轮椅,涉及智能控制技术领域。包括有主控模块、颈肩部表面肌电信号提取模块、无线遥控模块和控制指令显示模块;主控模块连接有颈肩部表面肌电信号提取模块、无线遥控模块和控制指令显示模块;颈肩部表面肌电信号提取模块用于检测使用者不同颈肩部动作产生的表面肌电信号;无线遥控模块用于检测外部操作者的操作行为,为主控模块提供相应的控制指令;控制指令显示模块,用于显示当前轮椅执行的指令。采用多模态人机接口对智能轮椅进行操控,可以实现轮椅多模式、多自由度控制,提高人机交互友好性以及控制系统的实时性和鲁棒性,满足对智能轮椅的实际使用需求。
Description
技术领域
本发明涉及智能控制技术领域,更具体地说,涉及一种多模态人机接口的智能轮椅。
背景技术
为了保障和改善老龄人及残疾人的正常生活,许多国家对智能轮椅进行了研究,开发出了针对不同残疾人群的多种人机接口的智能轮椅。但是对于那些因为截肢而失去手脚以及手脚因病不能灵活使用的残疾人来说,传统的电动轮椅和基于自动避障、导航等的智能轮椅人机交互性差、控制方式单一,已经不能满足他们的需求。为了提高基于人机接口的智能轮椅的适用性和使用的便捷性,将其他一些新兴的学科技术融合进来,如肌电识别等,可有效解决人机接口技术智能化的问题。传统的基于表面肌电信号控制的智能轮椅通过识别使用者面部表情来控制轮椅,这种方式不仅操作不便而且控制指令单一,大大降低了用户的使用舒适度,如公布号CN105616082A。因此,本发明针对现有智能轮椅技术的不足,提供一种性能可靠的基于多模态人机接口的智能轮椅。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种基于多模态人机接口的智能轮椅,它能改善人机交互的友好性,解决传统智能轮椅的控制方式单一、控制自由度少以及控制系统复杂等问题。该轮椅具备和谐的人机交互环境,使人与计算机之间的交互能够像人与人之间的交流一样自然、方便,它对于满足老年人及残疾人在日常生活的需求,使用助残设备不完善的公共设施,同时提供更加便捷的出行方式,以及促进相关产业的发展都具有重要意义。
为达到上述目的,本发明提供的技术方案为:一种基于多模态人机接口的智能轮椅,其特征在于所述智能轮椅包括有主控模块、颈肩部表面肌电信号提取模块、无线遥控模块和控制指令显示模块;主控模块连接有颈肩部表面肌电信号提取模块、无线遥控模块和控制指令显示模块;颈肩部表面肌电信号提取模块用于检测使用者不同颈肩部动作产生的表面肌电信号;无线遥控模块用于检测外部操作者的操作行为,为主控模块提供相应的控制指令;控制指令显示模块,用于显示当前轮椅执行的指令。
所述的主控模块输出的控制指令至少包括有前进指令、后退指令、左转指令、右转指令、加速指令、减速指令及停止指令。
所述的控制指令显示模块包括有LCD液晶显示模块和16×16的LED点阵。
所述的一种基于多模态人机接口的智能轮椅有两种控制方式,无线遥控控制和颈肩部表面肌电控制。
所述的颈肩部表面肌电信号提取模块至少可以同时提取颈肩部六个通道的表面肌电信号。
所述的一种基于多模态人机接口的智能轮椅的控制方法是通过主控模块检测无线遥控模块和颈肩部表面肌电信号提取模块输出的控制指令,然后通过主控模块中的DA驱动控制模块输出四路模拟电压,轮椅本身配有电机控制器,四路模拟电压通过电机控制器控制直流电机来驱动智能轮椅前进、后退、左转、右转、加速、减速和停止;当无线遥控模块检测到外部操作者的操作行为后,无线遥控模块向主控模块提供相应的控制信号,主控模块控制轮椅运行;当颈肩部表面肌电信号提取模块检测到使用者颈肩部对应部位的表面肌电信号后,通过主控模块控制轮椅运行。
所述的颈肩部表面肌电信号提取模块用于检测颈肩部对应部位的动作;当颈肩部有动作发生时,通过无线肌电传感器实时采集颈肩部动作的多通道表面肌电信号,将采集到的数据发送给主控模块,主控模块对接收到的多通道表面肌电信号同时采用移动平均法进行处理,提取信号时域特征,利用阈值判别法对特征进行分类识别,调用相应的控制函数实现对轮椅的驱动。
所述的单片机的型号为STM32F103ZET6。
所述的DA驱动控制模块的型号为DAC8552。
所述的蓝牙通信模块的型号为HC-05。
所述的无线遥控模块的型号为NRF24L01。
采用本发明提供的技术方案,与已有的公知技术相比,具有如下有益效果:
(1)本发明设计了基于肌电控制和外部无线遥控控制的多模式控制系统,可以实现轮椅多模式、多自由度的控制;
(2)本发明中基于颈肩部动作的表面肌电信号提取模块采用无线肌电传感器同时采集至少六个通道的表面肌电信号进行处理,符合人们的日常动作习惯,提高了人机交互的友好性以及控制系统的实时性和鲁棒性;
(3)本发明采用2.4G无线模块和蓝牙模块进行通信,具有较强的移植性,使用方便且成本低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为一种基于多模态人机接口的智能轮椅控制装置的结构原理方框图。
图2为一种基于多模态人机接口的智能轮椅人机交互系统总体框架。
图3为本发明的控制方法的工作流程图。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参照图1中所示,本发明的一种基于多模态人机接口的智能轮椅,包括有主控模块、颈肩部表面肌电信号提取模块、无线遥控模块、轮椅驱动模块和控制指令显示模块等五大部分;颈肩部表面肌电信号提取模块、无线遥控模块、轮椅驱动模块和控制指令显示模块分别与主控模块连接。
主控模块主要用于颈肩部表面肌电信号提取模块、无线遥控模块和控制指令显示模块的信号处理,最终控制智能轮椅的电机驱动模块,实现对智能轮椅的操作控制。该模块包括STM32单片机、DA驱动控制模块、HC-05蓝牙模块和电源模块,所述的单片机接上时钟电路和复位电路,并加上适当的外围电路,点焊于电路板上,构成最小系统板,所述的电源模块胶焊在单片机上,DA驱动控制模块和HC-05蓝牙模块通过杜邦线分别与单片机相连接,其中DA驱动控制模块的输出端与轮椅控制器电压输入端连接,通过输出四路模拟电压来驱动轮椅。
DA驱动控制模块中引脚DIN、SCLK、SYNC分别依次和单片机的SPI端口连接,通过单片机来控制DA驱动控制模块输出电压,DA驱动控制模块中连接控制器的四个输出端引脚为A、B、GND、VCC,其中VCC接至电路板的5V电源端,A、B端分别接至控制器的X、Y两路电压输入端,构成以(2.5V,2.5V)为原点的平面直角坐标系,A、B两端电压输出范围为0-5V,通过A、B两端输出不同的模拟电压来驱动轮椅进行前进、后退、左转、右转、加速、减速和停止。
单片机最小控制系统采用STM32F103ZET6芯片,此芯片具有加密性强,速度快可靠性强,价格低廉功耗也小,抗干扰能力和静电能力比其他的强的优点。
为了实现数据的无线传输,选用HC-05蓝牙模块进行数据传输,蓝牙接收模块的VCC端和GND端分别接至电路板的5V电源端和GND端,保持参考电平一致,蓝牙接收模块中引脚RXD、TXD分别依次接至单片机的PB11、PB10端口。
所述的控制指令显示模块包括LCD液晶屏和LED点阵,只要能显示汉字或指令数字的显示模块均可,例如:在LCD液晶屏上显示汉字前进、后退、左转、右转、加速、减速和停止,分别表示当前轮椅的运行状态为前进、后退、左转、右转、加速、减速和停止。
参照图2中所示,所述的颈肩部表面肌电信号提取模块,用于检测使用者不同颈肩部动作产生的表面肌电信号,经过滤波放大、特征提取和分类识别后输出相应的控制信号,进而控制轮椅的运行。
所述的无线遥控模块中,外部操作者通过操控遥控按键输出相应的控制指令到单片机主控模块,通过单片机来控制轮椅电机驱动,进而控制轮椅的运行。
参照图3中所示,本发明所述控制方法是通过主控模块检测无线遥控模块和颈肩部表面肌电信号提取模块输出的信号,然后调用相应的控制函数输出四路模拟电压来驱动轮椅运行;当颈肩部表面肌电信号提取模块检测到使用者颈肩部动作后,主控模块控制DA驱动控制模块驱动轮椅运行;例如,当使用者左转头时,颈肩部表面肌电信号提取模块向主控模块提供左转信号,主控模块控制轮椅左转;当使用者右转头时,颈肩部表面肌电信号提取模块向主控模块提供右转信号,主控模块控制轮椅右转;当使用者上提左侧肩膀时,颈肩部表面肌电信号提取模块向主控模块提供前进信号,主控模块控制轮椅前行;当使用者上提右侧肩膀时,颈肩部表面肌电信号提取模块向主控模块提供后退信号,主控模块控制轮椅后退;当使用者向后扩展左侧肩膀时,颈肩部表面肌电信号提取模块向主控模块提供加速信号,主控模块控制轮椅加速;当使用者向后扩展右侧肩膀时,颈肩部表面肌电信号提取模块向主控模块提供减速信号,主控模块控制轮椅减速;当使用者同时上提左右两侧肩膀时,颈肩部表面肌电信号提取模块向主控模块提供停止信号,主控模块控制轮椅停止;当无线遥控模块检测到外部操作者有操作行为时,无线遥控模块向主控模块提供相应的控制信号,主控模块控制轮椅运行。
该方法应用于智能轮椅上所实现的人机交互系统主要包括:无线肌电传感器、主控模块、蓝牙通信模块、无线遥控模块和轮椅本体。无线肌电传感器用于表面肌电信号的采集;主控模块作为整个系统控制中心,用于各个模块的信号处理;蓝牙通信模块用于信号的无线传输。
下面对表面肌电信号的处理进行具体说明:
sEMG信号由放置在人体颈肩部皮肤表面预定位置上的sEMG传感器同步获取多通道sEMG信号数据,经由活动段检测方法标定每一个动作执行时对应信号流的起止点,再通过特征提取后进行分类识别。动作的识别结果可以转化为控制指令,作为人机交互的输入。因此,颈肩部动作模式识别算法主要由活动段检测、特征提取和分类识别三个主要环节组成。
活动段检测是多通道表面肌电信号模式识别过程中重要的一环,其目的是在连续采集的多通道肌电信号数据流中提取出对应于动作执行时的信号,称为活动段(ActiveSegments)。考虑到算法的实际处理效果和面向移动设备应用的计算效能,本发明采用移动平均方法处理sEMG信号序列的瞬时能量,并结合阈值比较进行活动段检测。移动平均法是一种简单平滑预测技术,它根据时间序列信号,以一定窗宽逐项推移,依次计算包含一定项数的序时平均值,以反映长期趋势的方法。考虑到sEMG信号的非平稳随机性,其数值短时随机波动性较大,移动平均法有利于消除短时波动对信号整体趋势的影响,这也是在活动段检测环节中选择移动平均法的重要原因。根据多通道sEMG信号采集特点,考虑到分布式传感器检测到不同颈肩部动作类型引起sEMG信号强度的差异,分别对各通道sEMG信号进行滑动平均处理,其具体流程如下:
(1)采用活动窗宽W=512点(在2kHz采样率下等同256ms)对信号瞬时能量序列进行逐项移动平均处理,得到移动平均后的序列,如公式(1.1)所示;
(1.1)
(2)选择合适阈值TH对移动平均后的信号序列进行处理以确定活动段的起始点和结束点:起始点定义为移动平均信号刚超过阈值且以后2点(在2kHz采样率、256步长下等同256ms)信号均超过阈值的点,结束点定义为移动平均信号刚低于阈值且以后2点(在2kHz采样率、256步长下等同256ms)信号均超过阈值的点;
(3)根据得到的起点和终点,将数据点长度小于一定值的活动段作为噪声舍去。
在上面步骤中,阈值TH的选择主要根据实验中实际应用效果而定,其值大小主要受到信号信噪比的影响。考虑到在我们实验中所获得的颈肩部动作信号幅度大小不一样,因此对每个通道都选择一个TH值来进行判别,大大提高了动作识别准确率。经过活动段检测得到动作起始点和结束点,可以确定每一个颈肩部动作样本所对应的多通道sEMG信号活动段,用于以下环节的特征提取和模式分类。
由于sEMG信号具有很强的非平稳随机性,可以有效描述肌肉活动类型的信息往往深藏在所采集的信号中。对于不同颈肩部动作类型,因肌肉活动和募集运动单位的数量上的差异,分布在颈肩上的多通道sEMG传感器所能够检测各次动作的信号强度有较大差异。因此可以选择多通道传感器获取活动段内的信号幅度作为颈肩部动作sEMG信号模式识别的特征之一。
信号幅值的标准差(SD)特征是信号幅度的一种最直接的表征,也是最常用的一种时域特征。其计算公式如下:
(1.2)
其中,数值X1,X2,X3,......XN(皆为实数),其平均值(算术平均值)为μ,标准差σ为其特征。在肩颈部动作识别系统中,采用阈值检测对肩颈部动作的时域特征进行分类识别。选择时域标准差特征是因为其良好的分类效果和较低的计算量,非常有利于算法的实时处理。
所述的颈肩部表面肌电信号提取模块通过粘贴在人体表面的无线肌电传感器采集包含操作者意图的颈肩部肌肉活动信号,然后将采集到的信号通过蓝牙发送给主控模块,主控模块对sEMG进行处理,将原始信号放大,然后利用颈肩部动作表面肌电信号的分类识别方法对信号进行活动段检测、特征提取和分类识别。首先提取sEMG的标准差特征,设定阈值对信号进行判别,此时如果检测到颈肩部运动的特征值大于其中某个阈值,则输出相应的控制指令来对智能轮椅进行操控,否则说明当前的肌肉动作为无意识动作,系统不对智能轮椅发出控制指令,同时返回程序开始进行新一轮的检测和识别。当获得与动作模式相对应的智能轮椅控制指令后,通过主控模块调用相应的控制函数,驱动智能轮椅运行。
在具体实施过程中,比如要控制智能轮椅前进5米之后右转90度行驶10米然后停止,操作方法为:(1)使用者上提左侧肩膀,此时颈肩部表面肌电信号提取模块采集多通道表面肌电信号并通过蓝牙通信发送给主控模块,主控模块对接收的数据进行处理后输出前进指令,然后通过DA驱动控制模块输出相应的模拟电压到电机驱动模块,智能轮椅开始前进运行并通过控制指令显示模块显示前进状态;
(2)智能轮椅前进5米之后,使用者向右转头,此时颈肩部表面肌电信号提取模块采集多通道表面肌电信号并通过蓝牙通信发送给主控模块,主控模块对接收的数据进行处理后输出右转指令,然后通过DA驱动控制模块输出相应的模拟电压到电机驱动模块,智能轮椅开始右转运行并通过控制指令显示模块显示右转状态;
(3)智能轮椅右转90度之后,使用者上提左侧肩膀,此时颈肩部表面肌电信号提取模块采集多通道表面肌电信号并通过蓝牙通信发送给主控模块,主控模块对接收的数据进行处理后输出前进指令,然后通过DA驱动控制模块输出相应的模拟电压到电机驱动模块,智能轮椅开始前进运行并通过控制指令显示模块显示前进状态;
(4)智能轮椅前进10米之后,使用者同时上提左右两侧肩膀,此时颈肩部表面肌电信号提取模块采集多通道表面肌电信号并通过蓝牙通信发送给主控模块,主控模块对接收的数据进行处理后输出停止指令,然后通过DA驱动控制模块输出相应的模拟电压到电机驱动模块,智能轮椅停止运行并通过控制指令显示模块显示停止状态。
在具体实施过程中,也可以通过外部操作者操作无线遥控模块输出前进、右转、前进和停止指令来控制智能轮椅运行,此时使用者可以停止对智能轮椅的操作进行放松休息,这样能满足对智能轮椅的实际使用需求。
智能轮椅主控模块和无线遥控模块中的一些功能实现为公知技术,这里不再做详细赘述。
最后说明的是,以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于多模态人机接口的智能轮椅,其特征在于所述智能轮椅包括有主控模块、颈肩部表面肌电信号提取模块、无线遥控模块和控制指令显示模块;主控模块连接有颈肩部表面肌电信号提取模块、无线遥控模块和控制指令显示模块;颈肩部表面肌电信号提取模块用于检测使用者不同颈肩部动作产生的表面肌电信号;无线遥控模块用于检测外部操作者的操作行为,为主控模块提供相应的控制指令;控制指令显示模块,用于显示当前轮椅执行的指令。
2.根据权利要求1所述的一种基于多模态人机接口的智能轮椅,其特征在于:所述的主控模块输出的控制指令至少包括有前进指令、后退指令、左转指令、右转指令、加速指令、减速指令及停止指令。
3.根据权利要求1所述的一种基于多模态人机接口的智能轮椅,其特征在于:所述的控制指令显示模块包括有LCD液晶显示模块和16×16的LED点阵。
4.根据权利要求1所述的一种基于多模态人机接口的智能轮椅,其特征在于:该智能轮椅有两种控制方式,无线遥控控制和颈肩部表面肌电控制。
5.根据权利要求1所述的一种基于多模态人机接口的智能轮椅,其特征在于:所述的颈肩部表面肌电信号提取模块至少可以同时提取六个通道的表面肌电信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于多模态人机接口的智能轮椅的控制方法,其特征在于所述方法是通过主控模块检测无线遥控模块和颈肩部表面肌电信号提取模块输出的控制指令,然后通过主控模块中的DA驱动控制模块输出四路模拟电压,轮椅本身配有电机控制器,四路模拟电压通过电机控制器控制直流电机来驱动智能轮椅前进、后退、左转、右转、加速、减速和停止;当无线遥控模块检测到外部操作者的操作行为后,无线遥控模块向主控模块提供相应的控制信号,主控模块控制轮椅运行;当颈肩部表面肌电信号提取模块检测到使用者颈肩部对应部位的表面肌电信号后,通过主控模块控制轮椅运行。
7.根据权利要求6所述的一种基于多模态人机接口的智能轮椅的控制方法,其特征在于:所述的颈肩部表面肌电信号提取模块用于检测颈肩部对应部位的动作;当颈肩部有动作发生时,通过无线肌电传感器实时采集颈肩部动作的多通道表面肌电信号,将采集到的数据发送给主控模块,主控模块对接收到的多通道表面肌电信号同时采用移动平均法进行处理,提取信号时域特征,利用阈值判别法对特征进行分类识别,调用相应的控制函数实现对轮椅的驱动。
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