CN202096374U - 基于眼电信号和头部运动信号的智能轮椅 - Google Patents
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Abstract
基于眼电信号和头部运动信号的智能轮椅，它由头戴装置和轮椅装置两部分组成。其中，头戴装置是一个将电极，二轴加速度传感器，信号采集模块，信号处理模块和射频无线发射模块高度集成于一体的一副便携式眼镜；轮椅装置上装有无线接收模块，微控制器，电机驱动模块和直流电机等。本实用新型将人的眼电信号和头部运动信号相组合，转换为对轮椅的控制信号，提供了一种新的控制方法。本实用新型可以帮助深度残疾人士和手脚不灵活的老年人自主简便地实现对轮椅的控制，有着很强的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器技术，生物电信号提取和处理技术以及智能控制技术等，是一种基于眼电信号和头部运动信号的控制装置，具有低能耗和便携等特点。
背景技术
目前生物电信号在人机交互方面的应用越来越广泛，例如脑波控制和肌电信号控制等，它们大多应用在改善残疾人的生活和恶劣环境下作业等方面。眼电信号作为一种相对较新的生物电信号，在这方面应用还不太广泛。现有的电动轮椅大多都是通过人的肢体来控制轮椅的，这就使得一些手脚不灵活的老年人和深度残疾人士无法很好的控制轮椅，针对这种现象我们提出一种通过眼睛和头部运动来实现对轮椅进行控制的手段。
眼电技术是医学上记录人眼运动状态的常用方法，医学研究表明在人眼运动过程中，眼睛的角膜与视网膜之间会存在一定的电势差，这个电势差将引起皮肤表面的电极电势。在人眼左右运动过程中，可以通过粘附在人眼左右两侧的两个银/氯化银电极采集到人的眼电信号。眼电信号的幅值相对心电信号等其它生物电信号较大，易于采集，适合于简单的控制系统。利用采集到的眼电信号可以区分出人眼的左右运动状态，进而达到利用人眼控制其它设备的目的。
如今，加速度传感器技术很成熟，应用也越来越广泛，但是在人机交互系统方面的应用还有待进一步开发。
目前，国内外市场上没有一款综合利用眼电信号和头部运动信号来控制机械轮椅的产品。在眼电信号的应用方面，安徽大学提出的人机交互系统是一种尝试，该项目利用眼球的上下左右来控制计算机的鼠标。实际上对于轮椅的控制，不需要关注眼球的上下运动，因为使用者进行的只是左右方向的平面运动。实验结果表明，相同条件下眼球上下运动产生的电信号的正确识别率比左右运动产生的电信号的正确识别率要低。采集眼电信号的电极片在绝大多数研究中使用的是一次性心电电极，在实际应用中需要频繁的更换电极片，而且还会造成一定程度的资源浪费。许多研究机构利用DSP芯片来对眼电信号进行数字滤波处理，这需要昂贵的处理设备，不适用于轮椅的控制。浙江大学在对眼电信号的提取过程中采取了高低通滤波器以筛选出眼电信号，但并没有将信号的提取，处理和传输集成与一体，缩小设备体积，以更好的融入市场。在智能轮椅领域，利用眼球运动来控制轮椅的方案多局限于摄像和图像处理技术以及压力传感器技术，与图像有关的眼球运动的捕捉使位于头部的装置过于庞大，也增加了处理难度。利用压力传感器技术，香港中文大学的眼控轮椅需要将传感器黏贴在眼旁，一旦松动则无法很好的捕捉眼角的肌肉活动。中国科学院和英国埃塞克斯大学联合设计的利用眼电信号控制的轮椅需要在轮椅上增加小型计算机，这使轮椅的耗能和价格都比较高，而且大多数手脚不灵活的老年人和深度残疾人士无法使用，不利于进行商业化量产和推广。
发明内容
现有的电动轮椅对使用者手部活动能力要求较高，本实用新型提出了一种基于眼球左右转动和点头摇头等动作的新的轮椅控制方法，使使用者可以不用手而轻松简便地实现对轮椅的控制。而且该装置功耗较低，可长时间使用，实用性强。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：基于眼电信号和头部运动信号的智能轮椅分成眼镜装置和受控轮椅两个部分。眼镜装置包括电极，加速度传感器，以及由信号处理模块和无线发射模块组成的电路板。眼镜装置通过电极采集人的眼电信号，通过加速度传感器采集人的头部运动信号，通过电路板上的信号处理模块对以上两种信号进行放大和滤波，再经过A/D转换后送入单片机中转换为对受控轮椅的有效控制信号，然后通过电路板上的无线发射模块发射出去。眼镜装置的眼镜框内侧靠近太阳穴处固定有可复用的银/氯化银电极，用于采集眼电信号；眼镜装置的眼镜框内含有一加速度传感器，用于采集人的头部运动信号；眼镜装置上安装有电路板和电池。电路板由信号处理模块和无线发射模块组成；信号处理模块由放大滤波电路部分和控制信号生成部分组成；控制信号生成部分通过ADC将眼电信号和头部运动信号转换为数字信号，然后送入到单片机中进行逻辑判断，如果产生了有效的控制信号，即与上一次发出的命令不相同的控制信号，则激活无线发射模块并发送相应的控制命令，否则不对无线发射模块进行操作。无线发射模块不工作时处于休眠状态，只有需要发送控制命令时才被激活，以达到节能的目的。受控轮椅包括无线信号接收模块、电机驱动模块和轮椅。受控轮椅上的无线信号接收模块通过无线信号接收模块中的单片机将接收到的控制信号转换为对轮椅电机的控制信号，并通过电机驱动模块驱动轮椅电机，进而达到控制轮椅的目的。在眼镜装置中，可复用的银/氯化银电极置于眼镜框内侧，加速度传感器置于眼镜中位于鼻梁上方的镜框内。信号处理模块和无线发射模块集成在电路板上，电路板位于眼镜装置的左侧镜腿上。当人戴上此种眼镜装置后，银/氯化银电极会捕捉到使用者眼睛的左右转动，加速度传感器可以捕捉到使用者的头部运动信号。银/氯化银电极采集的原始眼电信号和加速度传感器采集的头部运动信号经过放置在眼镜框中的电极线传送到电路板上。信号处理模块的放大滤波电路部分包括由INA128P组成的放大倍数为51、高共模抑制比的一级放大器，截止频率为0.05Hz的二阶高通滤波器，放大倍数为131的二级放大器，截止频率为27.61Hz的一级二阶低通滤波器，截止频率为15.20Hz的二级二阶低通滤波器和电压偏置调整电路。此放大滤波电路对银/氯化银电极采集的微弱眼电信号进行放大和滤波，滤去由心电信号，脑电信号，肌电信号和工频干扰等引起的伪迹和杂波。信号处理模块的控制信号生成部分主要由CC2430芯片及其外围扩展电路组成。加速度传感器采集的头部运动信号和经过处理后的眼电信号通过基于Zigbee无线协议的CC2430射频模块中的模数转换口转换成数字信号，送入到CC2430芯片中内部集成的8051内核，判断是否产生了有效的控制信号，如果有了有效的控制信号，则激活无线发射模块，并将需要发送的命令传送给它。本轮椅装置有两种工作模式，分别是智能控制模式和自动控制模式，使用者可以通过点头来选择不同的控制模式。装置开启或轮椅处于停止状态时，使用者摇头轮椅后退，点头则轮椅进入智能工作模式，使用者再次点头则轮椅切换到自动控制模式。在智能控制模式下：眼电信号可以起到控制轮椅的作用，使用者眼睛向左看一段时间表示要求轮椅向左转弯，向右看一段时间表示要求轮椅向右转弯；轮椅前进过程中，使用者摇头表示要求轮椅刹车，点头表示要求切换到自动模式；轮椅停止 时，眼电信号不再有效，使用者需要通过点头重新进入智能模式。在自动控制模式下：人眼的运动不起到控制方向的作用，轮椅将按照既定的速度向前行进，通过点头可以切换到智能模式。当轮椅在后退时，摇头表示要轮椅停下。最后，CC2430射频模块将产生的有效控制信号发射出去。轮椅上的接收装置是一个CC2430模块，接收到眼镜装置发送的控制信号之后，此CC2430模块对轮椅上的电机驱动模块进行控制，进而实现对左右轮的控制。使用本轮椅装置，操作者通过眼睛和头部的简单运动就可以让轮椅前进、后退和左右转动。
本实用新型的有益效果是，可以提供一种新的控制电动轮椅的方式，为手部活动不便的轮椅使用者提供更加人性化的控制方式。采用集成化的眼镜装置，方便使用者携带。将眼电信号和头部运动信号相结合，只在产生有效的控制信号时才进行无线发送，更加节能。
附图说明
下面结合附图和实施对本实用新型进一步说明
图1是智能轮椅示意图
图2是眼镜装置的示意图
图3是眼镜装置结构框图
图4（1）和图4（2）是滤波放大电路的电路原理图
图5是控制信号产生部分逻辑流程图
具体实施方式
1.参见图1，智能轮椅由一个机械轮椅1，轮椅装置总开关2，电源模块3，电机驱动板4，天线5和眼镜装置6组成。
2.参见图2，本实用新型的眼镜装置1由九部分组成。可重复使用的银/氯化银干电极片8放置在眼镜腿上的电极片固定板2上，电极扣9与电极片固定板2中的导线末端3相连，电极板6内侧有一个与电极片固定板2相同的电极片固定板，加速度传感器4固定在眼镜框的中间部分，位于鼻梁上方处。银/氯化银干电极片8采集的初始眼电信号与加速度传感器4采集的头部运动信号通过眼镜腿和镜框内的导线传送到电路板6，眼电信号在电路板6上经过放大滤波处理后与头部运动信号一同被传送到控制信号产生部分产生控制信号，产生有效的控制信号后，激活无线发射模块，通过天线5把信号发送出去。电源模块7固定在电路板6上，电路板6上的芯片均采用低功耗的芯片。
3.参见图3，本实用新型的眼镜装置由信号采集模块1、信号处理模块2和无线发射模块3三个模块组成。银/氯化银电极将初始眼电信号传入放大滤波电路部分，处理后的眼电信号与加速度传感器采集的头部运动信号一同传入控制信号生成部分产生控制信号，有效控制信号通过无线发射模块发送到轮椅装置。
4.参见图4（1）和图4（2），本实用新型的眼镜装置中电路板上的放大和滤波电路对眼电信号进行处理。包括：由INA128P组成的一级放大器1，截止频率为0.05Hz的二阶高通滤波器2，放大倍数为131的二级放大器3，截止频率为27.61Hz的一级二阶低通滤波器4，截止频率为15.20Hz的二级二阶低通滤波器5和电压偏置调整电路6。此放大滤波电路对银/氯化银干电极采集的微弱眼电信号进行放大和滤波，滤去由心电信号，脑电信号，肌电信号和工频干扰引起的伪 迹和杂波。
5.参见图5，本实用新型的控制信号产生部分逻辑由使用者的头部运动信号和眼电信号决定，实现的方法主要体现在以下几个方面：
开启眼镜装置时，装置开机初始化。此时，使用者摇头轮椅后退，点头则轮椅进入智能工作模式。在智能控制模式下，眼电信号有效，使用者眼球向左转时，轮椅向左转弯；使用者眼球向右转时，轮椅向右转弯，使用者直视，轮椅直行。
行驶过程中，眼镜装置实时监测使用者头部和眼部的信号。
行驶过程中使用者通过点头可以在智能控制模式和自动控制模式间进行切换。
行驶过程中使用者摇头，轮椅停止，恢复初始化状态。
轮椅停止时，使用者摇头可以使轮椅倒退。
Claims (4)
1.一种基于眼电信号和头部运动信号的智能轮椅，其特征是，所述智能轮椅由眼镜装置和受控轮椅组成；
所述眼镜装置通过电极采集人的眼电信号，通过加速度传感器采集人的头部运动信号，通过电路板上的信号处理模块对以上两种信号进行放大和滤波，再经过A/D转换后送入单片机中转换为对受控轮椅的有效控制信号，然后通过电路板上的无线发射模块发射出去；
所述受控轮椅上装有无线信号接收模块，通过无线信号接收模块中的单片机将接收到的控制信号转换为对轮椅电机的控制信号，并通过电机驱动模块驱动轮椅电机，进而达到控制轮椅的目的。
2.根据权利要求1所述的智能轮椅，其特征是，所述眼镜装置的眼镜框内侧靠近太阳穴处固定有电极，用于采集眼电信号；所述眼镜装置的眼镜框内含有一加速度传感器，用于采集人的头部运动信号；所述眼镜装置上安装有电路板和电池；
电路板由信号处理模块和无线发射模块组成；信号处理模块由放大滤波电路部分和控制信号生成部分组成；所述控制信号生成部分通过ADC将眼电信号和头部运动信号转换为数字信号，然后送入到单片机中进行逻辑判断，如果产生了有效的控制信号，即与上一次发出的命令不相同的控制信号，则激活无线发射模块并发送相应的控制命令，否则不对无线发射模块进行操作。
3.根据权利要求1所述的智能轮椅，其特征是，所述智能轮椅的无线发射模块不工作时处于休眠状态，只有需要发送控制命令时才被激活，以达到节能的目的。
4.根据权利要求1所述的智能轮椅，其特征是，所述受控轮椅包括无线信号接收模块、电机驱动模块和轮椅。
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