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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于眼電信號(hào)和頭部運(yùn)動(dòng)信號(hào)的智能輪椅
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本輪椅通過(guò)人眼運(yùn)動(dòng)和頭部運(yùn)動(dòng)來(lái)控制輪椅的左右轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、后退。本作品通過(guò)銀/氯化銀電極來(lái)采集人眼的眼電信號(hào)，進(jìn)行處理后分析出人眼的左右運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而與加速度傳感器采集到的頭部運(yùn)動(dòng)信號(hào)相結(jié)合，判斷出使用者想進(jìn)行的操作，并將該命令傳達(dá)給輪椅端的控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的控制。使用本作品，操作者不用手也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的控制，這就為手腳不靈活的老年人和深度殘疾人士提供了一種不用手部操作就能實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)方案。
- 詳細(xì)介紹：
- 技術(shù)方案： 整體模型的搭建： 本發(fā)明旨在設(shè)計(jì)一套可以利用眼睛運(yùn)動(dòng)和頭部動(dòng)作來(lái)對(duì)輪椅進(jìn)行控制的智能輪椅。本輪椅有兩種工作模式，分別是智能控制模式和自動(dòng)控制模式，使用者可以通過(guò)點(diǎn)頭來(lái)選擇不同的控制模式。系統(tǒng)開(kāi)啟后的默認(rèn)模式為智能控制模式，使用者再次點(diǎn)頭則輪椅切換到自動(dòng)控制模式。在智能控制模式下：使用者眼睛正視則輪椅直行，向左看一段時(shí)間則輪椅向左轉(zhuǎn)彎，向右看一段時(shí)間按則輪椅向右轉(zhuǎn)彎，左右搖頭則輪椅剎車，再次搖頭則輪椅向后走。在自動(dòng)控制模式下：人眼的運(yùn)動(dòng)不起到控制方向的作用，輪椅將按照既定的速度向前行進(jìn)。方便輪椅使用者可以在前行的過(guò)程中觀看左右景物。 根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的組成部分將輪椅模型的工作結(jié)構(gòu)分為兩部分獨(dú)立裝置：頭戴裝置和車載裝置。頭戴裝置是一個(gè)將采集電極，信號(hào)處理電路，微控制器和無(wú)線發(fā)射模塊整合到一個(gè)類似于眼鏡的裝置，這樣可以省去顯式布線而且便攜易用。車載裝置安裝在輪椅上，是對(duì)無(wú)線接收模塊，微控制器，功率放大電路和電動(dòng)裝置的整合。兩個(gè)裝置之間通過(guò)無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，最終實(shí)現(xiàn)人眼運(yùn)動(dòng)和頭部動(dòng)作對(duì)輪椅的控制。 實(shí)現(xiàn)方法： 1 信號(hào)采集模塊： 1.1 眼電信號(hào)的采集： 眼電技術(shù)，是醫(yī)學(xué)上記錄人眼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的常用方法，醫(yī)學(xué)研究表明眼睛的角膜與視網(wǎng)膜之間的電勢(shì)差引起了皮膚表面的電極電勢(shì)。該電勢(shì)起源于視網(wǎng)膜色素上皮和光感受器細(xì)胞，被稱為靜息電勢(shì)?？梢哉J(rèn)為角膜和視網(wǎng)膜構(gòu)成一對(duì)電偶極子，角膜一端為正極，視網(wǎng)膜一端為負(fù)極，其電勢(shì)在0.4～10mv之間。 為了確定眼球的水平運(yùn)動(dòng)軌跡，可以把一對(duì)AgCl電極分別置于左右眼眶外邊緣，記錄兩點(diǎn)的電位差。眼球移動(dòng)的方向和角度決定了電勢(shì)的變化。 1.2頭部運(yùn)動(dòng)信號(hào)的采集： 本項(xiàng)目中的功能要求使用兩個(gè)自由度的加速度傳感器。這類加速度傳感器可以測(cè)量水平方向和垂直方向的加速度，具有較高的精準(zhǔn)度和響應(yīng)速度。利用微控制器進(jìn)行信號(hào)處理消除可能出現(xiàn)的噪聲，這樣就可以將使用者的點(diǎn)頭搖頭動(dòng)作轉(zhuǎn)化成可以檢測(cè)到的信號(hào)。 2．信號(hào)處理模塊： 信號(hào)處理模塊主要由放大濾波電路部分和控制信號(hào)生成部分組成。放大濾波電路部分包括由INA128P組成的放大倍數(shù)為51、高共模抑制比的一級(jí)放大器，截止頻率為0.05Hz的二階高通濾波器，放大倍數(shù)為131的二級(jí)放大器，截止頻率為27.61Hz的一級(jí)二階低通濾波器，截止頻率為15.20Hz的二級(jí)二階低通濾波器和電壓偏置調(diào)整電路。此放大濾波電路對(duì)銀/氯化銀電極采集的微弱眼電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，濾去由心電信號(hào)，腦電信號(hào)，肌電信號(hào)和工頻干擾等引起的偽跡和雜波。信號(hào)處理模塊的控制信號(hào)生成部分主要由CC2430芯片及其外圍擴(kuò)展電路組成，加速度傳感器采集的頭部運(yùn)動(dòng)信號(hào)和經(jīng)過(guò)處理后的眼電信號(hào)通過(guò)基于Zigbee無(wú)線協(xié)議的CC2430射頻模塊中的模數(shù)轉(zhuǎn)換口轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入到CC2430芯片中內(nèi)部集成的8051內(nèi)核，判斷是否產(chǎn)生了有效的控制信號(hào)，如果有了有效的控制信號(hào)，則激活無(wú)線發(fā)射模塊，并將需要發(fā)送的命令傳送給它。 3．信號(hào)傳輸模塊 此部分由無(wú)線發(fā)射模塊與無(wú)線接收模塊組成。無(wú)線模塊的傳輸距離在本發(fā)明中比較短，需要考慮低功耗、低價(jià)格、尺寸小等要求。采用CC2430模塊作為無(wú)線模塊，將信號(hào)傳送至輪椅上搭載的無(wú)線接收模塊。 4．自動(dòng)控制模塊 輪椅上的CC2430模塊接收到控制信號(hào)后，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)左右輪的控制。 為了實(shí)現(xiàn)輪椅的前進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)彎的功能，我們還將引入PWM調(diào)速法。PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速法：是利用微控制器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。它的原理就是直流斬波原理，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的： 本發(fā)明旨在設(shè)計(jì)一個(gè)基于眼電信號(hào)和頭部運(yùn)動(dòng)信號(hào)的智能輪椅，使操作者可以不用手就可以簡(jiǎn)便的控制輪椅,幫助深度殘疾人士和手腳不靈活的老年人自主簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的控制。 基本思路： 基于眼電信號(hào)和頭部運(yùn)動(dòng)信號(hào)的智能輪椅由頭戴裝置和輪椅裝置兩部分組成。其中，頭戴裝置是將電極，二軸加速度傳感器，信號(hào)采集模塊，信號(hào)處理模塊和射頻無(wú)線發(fā)射模塊高度集成于一體的一副便攜式眼鏡；輪椅裝置上裝有無(wú)線接收模塊，微控制器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和直流電機(jī)等。本發(fā)明將人的眼電信號(hào)和頭部運(yùn)動(dòng)信號(hào)相組合，轉(zhuǎn)換為對(duì)輪椅的控制信號(hào)，提供了一種新的控制方法。 創(chuàng)新點(diǎn)： 本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)，生物電信號(hào)提取和處理技術(shù)以及智能控制技術(shù)等，引入眼電信號(hào)和頭部運(yùn)動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的控制，具有低功耗，實(shí)用性強(qiáng)，人性化等特點(diǎn)。它可以幫助深度殘疾人士和手腳不靈活的老年人不用手而自主簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的控制，有著很強(qiáng)的應(yīng)用前景。 技術(shù)指標(biāo)： 電極片 銀/氯化銀電極 信號(hào)正確識(shí)別率 90%以上 持續(xù)行駛時(shí)間 2~4小時(shí) 供電方式 蓄電池 設(shè)備成本 低 適用范圍 室內(nèi)、室外 適用壽命 6年以上
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 從整體看，本作品的技術(shù)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面： 1、 將眼電信號(hào)引入到輪椅控制 目前國(guó)內(nèi)外的電動(dòng)輪椅大多數(shù)都是通過(guò)搖桿來(lái)控制的，這就使得一些手部運(yùn)動(dòng)能力較差的使用者將很難來(lái)控制輪椅。而國(guó)內(nèi)外做眼控輪椅相關(guān)研究過(guò)程，往往利用攝像頭捕捉圖像的方法識(shí)別眼睛運(yùn)動(dòng)，成本高，技術(shù)復(fù)雜，裝置要求高。在本系統(tǒng)中，我們通過(guò)眼電信號(hào)和頭部運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的控制，使老年人和殘障人士可以更加簡(jiǎn)便的使用輪椅。 2、 微控制器代替計(jì)算機(jī) 很多國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)在智能輪椅裝置中引入了人機(jī)交互界面，但是觸摸屏操作要求使用者有較好的肢體運(yùn)動(dòng)能力。少數(shù)利用眼睛運(yùn)動(dòng)的智能輪椅中更是配備了昂貴的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本系統(tǒng)用成本低廉的微控制器來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理，不僅降低了輪椅的造價(jià)和耗能，而且輪椅裝置也不會(huì)變得過(guò)于笨重和復(fù)雜。由于獲得的控制信號(hào)簡(jiǎn)單，所以并不會(huì)降低輪椅的運(yùn)動(dòng)性能。 3.高度集成化 本系統(tǒng)將模擬濾波的作用發(fā)揮到了極致，使裝置高度集成，體積縮小。所有控制裝置和發(fā)射裝置都集成在一個(gè)智能眼鏡設(shè)備中，無(wú)線連接，舒適方便。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1.取得2010年南開(kāi)大學(xué)國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃立項(xiàng)。 2.眼電相關(guān)作品正在參加微軟創(chuàng)新杯比賽。 3.挑戰(zhàn)杯校內(nèi)評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)，代表南開(kāi)大學(xué)參加天津市比賽。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 模型 實(shí)物展示 圖片 錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明： 開(kāi)啟眼鏡裝置時(shí)，裝置開(kāi)機(jī)初始化。此時(shí)，使用者搖頭輪椅后退，點(diǎn)頭則輪椅進(jìn)入智能工作模式。在智能控制模式下，眼電信號(hào)有效，使用者眼球向左轉(zhuǎn)時(shí)，輪椅向左轉(zhuǎn)彎；使用者眼球向右轉(zhuǎn)時(shí)，輪椅向右轉(zhuǎn)彎，使用者直視，輪椅直行。 行駛過(guò)程中，眼鏡裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)使用者頭部和眼部的信號(hào)。使用者通過(guò)點(diǎn)頭可以在智能控制模式和自動(dòng)控制模式間進(jìn)行切換。 行駛過(guò)程中使用者搖頭，輪椅停止，恢復(fù)初始化狀態(tài)。 輪椅停止時(shí)，使用者搖頭可以使輪椅倒退。 適應(yīng)范圍：本智能輪椅適用于上肢運(yùn)動(dòng)不便的輪椅使用者。 推廣前景和市場(chǎng)分析：本作品提供了智能輪椅的解決方案，因?yàn)檩喴蔚难坨R裝置與輪椅脫離、無(wú)線連接，所以現(xiàn)有電動(dòng)輪椅廠家可以方便的使用該方案擴(kuò)展廠家原先的輪椅功能，推廣前景良好。相應(yīng)產(chǎn)品市場(chǎng)定位明確，鎖定中低端用戶，而且彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)眼控輪椅的市場(chǎng)的空白，具有相當(dāng)好的市場(chǎng)前景。因?yàn)橹恍柙谳喴紊咸砑右粋€(gè)無(wú)線接收裝置和控制裝置，企業(yè)為此添置的生產(chǎn)線成本很低，而且眼鏡裝置的擴(kuò)展性強(qiáng)，可以應(yīng)用在無(wú)菌開(kāi)關(guān)和游戲控制領(lǐng)域。
同類課題研究水平概述
- 總體來(lái)講，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上沒(méi)有一款綜合利用眼電信號(hào)和頭部運(yùn)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制機(jī)械輪椅的產(chǎn)品。 目前在國(guó)內(nèi)，眼電信號(hào)的應(yīng)用逐漸增多，安徽大學(xué)提出的人機(jī)交互系統(tǒng)是一種嘗試，該項(xiàng)目利用眼球的上下左右來(lái)控制計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)。實(shí)際上對(duì)于輪椅的控制，不需要關(guān)注眼球的上下運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槭褂谜哌M(jìn)行的只是左右方向的平面運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同條件下眼球上下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)的正確識(shí)別率比左右運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)的正確識(shí)別率要低。浙江大學(xué)在對(duì)眼電信號(hào)的提取過(guò)程中采取了高低通濾波器以篩選出眼電信號(hào)，但并沒(méi)有將信號(hào)的提取，處理和傳輸集成與一體，縮小設(shè)備體積，以更好的融入市場(chǎng)。在智能輪椅領(lǐng)域，利用眼球運(yùn)動(dòng)來(lái)控制輪椅的方案多局限于攝像和圖像處理技術(shù)以及壓力傳感器技術(shù)，與圖像有關(guān)的眼球運(yùn)動(dòng)的捕捉使位于頭部的裝置過(guò)于龐大，也增加了處理難度。利用壓力傳感器技術(shù)，香港中文大學(xué)的眼控輪椅需要將傳感器黏貼在眼旁，一旦松動(dòng)則無(wú)法很好的捕捉眼角的肌肉活動(dòng)。 在國(guó)外，許多研究機(jī)構(gòu)利用DSP芯片來(lái)對(duì)眼電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，這需要昂貴的處理設(shè)備，不適合于輪椅的控制。中國(guó)科學(xué)院和英國(guó)埃塞克斯大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)的利用眼電信號(hào)控制的輪椅需要在輪椅上增加小型計(jì)算機(jī)，這使輪椅的耗能和價(jià)格都比較高，而且大多數(shù)手腳不靈活的老年人和深度殘疾人士無(wú)法使用，不利于進(jìn)行商業(yè)化量產(chǎn)和推廣。所以國(guó)外的技術(shù)使用要求花費(fèi)高，并不與國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況相符。
