CN102488593B

CN102488593B - 一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅

Info

Publication number: CN102488593B
Application number: CN 201110395984
Authority: CN
Inventors: 祝宇虹; 刘英翠; 魏金海
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2031-12-02
Also published as: CN102488593A

Abstract

一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅，属于机电一体化领域，本发明为解决普通轮椅无法满足患者需求，而智能轮椅价格昂贵，不能为普通消费者服务的问题。本发明在轮椅背部的枕头枕部凸起的下方设置颈部脉搏传感器，检测脉搏信号；呼吸信号检测电路检测呼吸信号；测量距离传感器检测相对距离信号；耳式血压计佩戴在患者的耳朵上，检测血压信号；设置语音指令控制面板和麦克风采集声音信号；所有信号由控制及分析处理器进行分析，控制及分析处理器的输出端与与执行及报警模块的输入端相连，执行及报警模块包括执行机构和报警模块，执行机构控制驱动电机，进而带动后轮主动轮和前轮从动轮按指令转动。

Description

一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅

技术领域

本发明涉及一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅，属于机电一体化领域。

背景技术

轮椅作为老年人和病残人士的主要交通工具之一，分为普通轮椅和智能轮椅。

普通轮椅又分为手动轮椅和电动轮椅两类。手动轮椅以其价格优势占有大多数的使用率，但功能单一、造型色彩单调，需要监护人，易形成患者对监护人的依赖性，少有发展，根本无法满足患者更深层次的需求，物质需求的不完全满足和精神需求的无法满足，对于患者心理和生理的健康都是极为不利的。而且手动轮椅的行动范围有限，会消耗患者的大量能量，并且传动效率比较低。电动轮椅需要较大活动空间。

智能轮椅能够主动操作、功能多，但是操作复杂、价格昂贵，普通老年人或者残疾人根本消费不起。目前，智能轮椅，人机交互不够自然，对自然交互中患者的无意识行为与有意识行为的区分还很欠缺，其安全保障系统也不够完善，多数智能轮椅平台较重视功能性实现，对于各种环境下危险发生的可能性以及相应的保障措施研究不够，没有身体状态和心理状态识别功能，没有基本的医疗监护能力，无法保证患者在乘用期间的身体安全。

发明内容

本发明目的是为了解决普通轮椅无法满足患者需求，而智能轮椅价格昂贵，不能为普通消费者服务的问题，提供了一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅。

本发明所述一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅，在轮椅背部的上端设置枕头枕部凸起，所述可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅包括颈部脉搏传感器、呼吸信号检测电路、控制及分析处理器、驱动电机、后轮主动轮、前轮从动轮、测量距离传感器、语音指令控制面板、麦克风、耳式血压计和执行及报警模块，

颈部脉搏传感器设置在轮椅的枕头枕部凸起的下方，用于检测患者的脉搏信号；

呼吸信号检测电路设置在轮椅的靠背的胸部位置，用于检测患者的呼吸信号；

测量距离传感器在轮椅的前方和后方均有设置，用于检测与轮椅前后障碍物的相对距离信号；

耳式血压计佩戴在患者的耳朵上，用于检测患者的血压信号；

语音指令控制面板和麦克风设置在轮椅前部，麦克风的位置与患者的嘴相对应，用于采集患者的声音信号；

颈部脉搏传感器、呼吸信号检测电路、测量距离传感器和耳式血压计检测的信号输出给控制及分析处理器，由控制及分析处理器进行分析，控制及分析处理器的输出端与与执行及报警模块的输入端相连，执行及报警模块包括执行机构和报警模块，执行机构控制驱动电机，进而带动后轮主动轮和前轮从动轮按指令转动。

本发明的优点：

提供一种老年人和病残人士使用的，操作简便，成本较低，能够保护患者安全的新型智能轮椅；采用语音指令控制方法的智能轮椅，该控制方法同时完成对患者的身体状态监测和环境监测，通过对测量数据的分析和推理诊断患者的身体和心理状态，特别是分析语音指令的正确性，通过轮椅的环境分析确定运动风险，综合上述三个因素制定控制策略实现安全行走，以减轻患者的负担，让智能轮椅为患者提供安全的运动保障。

正常情况下的控制。智能轮椅根据患者的语言口令进行运动。通过“前进、后退、左转、右转、停止”这些基本指令就可以实现智能轮椅的基本动作。都是这些基本指令在实际操作过程中需要一定的智能判断来满足患者的控制需要。

成本低，可供普通消费都使用。

附图说明

图1是本发明所述可监控驾驶者身体和心理状态的安全驾驶监控装置的结构示意图；

图2是颈部脉搏传感器安装在驾驶座椅上的结构示意图；

图3是呼吸信号检测电路安装在驾驶座椅上的结构示意图；

图4是耳式血压计佩带在耳朵上的示意图；

图5是可监控驾驶者身体和心理状态的安全驾驶监控装置的控制框图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅，在轮椅背部的上端设置枕头枕部凸起1，所述可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅包括颈部脉搏传感器2、呼吸信号检测电路3、控制及分析处理器4、驱动电机5、后轮主动轮6、前轮从动轮7、测量距离传感器8、语音指令控制面板9、麦克风10、耳式血压计11和执行及报警模块12，

颈部脉搏传感器2设置在轮椅的枕头枕部凸起1的下方，用于检测患者的脉搏信号；

呼吸信号检测电路3设置在轮椅的靠背的胸部位置，用于检测患者的呼吸信号；

测量距离传感器8在轮椅的前方和后方均有设置，用于检测与轮椅前后障碍物的相对距离信号；

耳式血压计11佩戴在患者的耳朵上，用于检测患者的血压信号；

语音指令控制面板9和麦克风10设置在轮椅前部，麦克风10的位置与患者的嘴相对应，用于采集患者的声音信号；

颈部脉搏传感器2、呼吸信号检测电路3、测量距离传感器8和耳式血压计11检测的信号输出给控制及分析处理器4，由控制及分析处理器4进行分析，控制及分析处理器4的输出端与与执行及报警模块12的输入端相连，执行及报警模块12包括执行机构12-1和报警模块12-2，执行机构12-1控制驱动电机5，进而带动后轮主动轮6和前轮从动轮7按指令转动。

各传感器采集生理信号、语音信号、周遭障碍信号，传至控制及分析处理器4进行控制和分析，做出决策，然后驱动执行和报警模块。

使用麦克风10对患者进行语音检测的作用有两种：一是通过语音识别获得正确的控制指令。二是通过语音分析发现患者的不正常身心状态，保护性控制轮椅，避免患者出现危险。对于正常语音识别我们采用训练方式使处理器能够记住相应指令的信号特征，从而达到识别语言指令的目的。这种方式不需要详细分析语音指令的细节特征，只需要判别出语音指令的不同。对于疾病和情绪识别则是分析同意语音的细节特征差别，如语速、强度、音质和清晰度等。把疾病和情绪识别转换为语音特征参数分析。按照对操作的影响可以把身体和心理状态划分为正常、疾病、积极情绪和消极情绪四种状态。表现为不同的语音特征参数。我们采用模式识别方式进行分类，根据语音参数语速、平均短时能量、平均短时过零率和基音周期的语音特征参数均值、变化范围和方差分析，确定人的状态。

执行和报警模块包括行走机构和报警模块12，行走机构用于控制驱动电机，驱动电机带动驱动轮向前、向后移动，转向电机带动导向轮转变方向。报警器功能包括提示预警和危险报警两种。当患者出现轻微疾病症状，或者发出错误指令时发出语音提示，提示患者及时回家，或者更正操作指令。当患者出现严重身体疾病，或者轮椅出现碰撞事故后，发出大声报警引导周边行人帮助救助，或者电话远程报警通知监护人。

正常情况下的控制：智能轮椅根据患者从麦克风10输入的语言口令进行运动。通过“前进、后退、左转、右转、停止”这些基本指令就可以实现智能轮椅的基本动作。都是这些基本指令在实际操作过程中需要一定的智能判断来满足患者的控制需要。智能轮椅还有一个和语音指令完全对应的语音指令控制面板9，结构如下：

表键盘配置

左靠	前进	右靠
			左转	后退	右转
再转	恢复	后转
			加快	停止	减慢

键盘作用有两个，一是辅助语音识别训练，二是不能识别语音时直接操作，提高控制可靠性。刚开始使用时，每次先发语音指令再按操作键，实现语音指令记忆储存。当语音识别训练达到完全熟练后就可以关闭键盘。其他人不能借助键盘控制，语音没有训练不能识别，这样就防止了其他人随意盗取控制轮椅。

在疾病和恶劣情绪下的控制：在运动或静止状态下，如果检测到患者发病或情绪异常则采取保护措施。在启动前，智能轮椅会先检测患者的身体状态。如果身体检查有任何问题，或者语音指令识别出人的身体状态或者情绪异常都会拒绝执行控制命令。如果问题严重则进入报警状态。如果在运动过程中检测发现疾病和情绪异常，根据严重程度进入相应状态。如果问题轻微则进入提示状态，容许继续控制半小时，赶回家，或者附近医院。这其间每隔2分钟发送一次报警声，提示患者注意。如果这其间问题消失则取消提示状态。无论在正常运动状态还是提示状态，如果发现严重的疾病和情绪异常都要入报警状态。在报警状态下，停止的轮椅不能启动，运动的轮椅自动减速停止。患者如果能够自己处理可以关闭报警状态，离开轮椅。否则报警状态启动声光报警和远程报警功能。声光报警用于提示周边人进行救助。远程报警则利用移动通讯技术向监护人拨号发送录音报警语音。如果第一监护人不能接通，则发送短信，并且转拨第二监护人。

危险环境下的控制：在身体和情绪状态正常情况下，智能轮椅需要对环境危险采取措施避免出现碰撞等危险出现。在前进状态下，如果前面有行人慢速行走低于轮椅速度，患者没有发出“停止”指令等待、“左靠”或者“右靠”指令绕行，则轮椅减速等距离跟踪前进。如果是固定障碍物、堆积物和影响行走的坑则自动停止，等待患者发布新指令后再按指令要求离开。在前进状态下，如果侧面墙壁、栅栏等与前进方向有小角度交叉，则轮椅自动调整方向，保持与墙壁、栅栏有足够的安全距离。如果墙壁、栅栏接近垂直方向，则到达安全距离后自动停止，等待患者发送“左转”或“右转”指令离开。在任何状态下有其他移动目标从两侧和后方向轮椅迫近时，发出危险报警提示患者。对于不能执行的指令拒绝执行，保持原地不动。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，控制及分析处理器4包括脉搏信号转换电路4-1、呼吸信号转换电路4-2、血压信号转换电路4-3、语音信号转换电路4-4、距离信号转换电路4-5和微控制器4-6，

颈部脉搏传感器2检测患者的脉搏信号并输出给脉搏信号转换电路4-1，脉搏信号转换电路4-1将该信号转换成脉搏电信号输出给微控制器4-6；

呼吸信号检测电路3检测患者的呼吸信号并输出给呼吸信号转换电路4-2，呼吸信号转换电路4-2将该信号转换成呼吸电信号输出给微控制器4-6；

耳式血压计11检测患者的血压信号并输出给血压信号转换电路4-3，血压信号转换电路4-3将该信号转换成血压电信号输出给微控制器4-6；

麦克风10采集患者的声音信号并输出给语音信号转换电路4-4，语音信号转换电路4-4将该信号转换成语音电信输出给微控制器4-6；

测量距离传感器8检测与轮椅前后障碍物的相对距离信号并输出给距离信号转换电路4-5，距离信号转换电路4-5将该信号转换成距离电信号输出给微控制器4-6。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，微控制器4-6选用凌阳SPCE061A单片机。

具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，颈部脉搏传感器1选用PTJ50H微压气压力传感器。

本实施方式中采用颈动脉测量法对患者进行检测，就是用一个半圆形的弹性项圈固定在头枕部位，当人体做到座椅上后将脖颈靠到上面，然后对上面的气囊进行加压。利用其中的气囊式压力传感器可以把颈动脉的脉搏动压力转化为电信号，然后对电信号进行放大、滤波处理后得到相应的信号数据。

具体实施方式五：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，呼吸信号检测电路3采用恒流源法对人体胸腔的阻抗进行测量，然后对所述阻抗信号进行处理放大，获取相应的呼吸电信号。

人的最基本生理信号是呼吸和脉搏，是反映人的生理和心理状况的重要参数，而血压是反映高血压病人症状的主要参数。呼吸测量就是测量驾驶者每分钟的呼吸次数。对于呼吸信号，采用简单、完全、无创且不会对病人产生任何副作用的阻抗法测量，即利用人体某部分阻抗的变化来进行生理参数的测量，来帮助进行诊断和监护。

阻抗法是利用人体某部分阻抗的变化来进行生理参数的测量，以帮助进行诊断和监护，该方法简单、完全、无创且不会对病人产生任何副作用。人体的胸腔相当于一段容积导体，随着人体呼吸的运动，胸腔内气体发生变化，阻抗也相应变化。这里采用恒流源法对人体胸腔的阻抗进行测量，然后对信号进行处理放大，得到相应的电信号。

参见图3，呼吸信号检测电路3设置有两个电极3-1，由这两个电极3-1实现测量患者的胸腔阻抗。

具体实施方式六：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，耳式血压计11选用MEAS-精量电子-1510无创血压传感器。

血压的测量，采用耳式血压计进行测量，在外耳及其周边部安装箍袋，用箍袋压迫的颞浅动脉及其周边取得脉搏信号，然后用相应的压力传感器测出对应于箍带内部的压力值的预定信号的值，实现检测和分析。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式一作进一步说明，测量距离传感器8使用URM37型超声波传感器。

探测轮椅前后左右有无障碍，防止错误操作产生碰撞。环境危险状况测量采用超声波方法测量相对距离和速度。计算超声波发射到接受的时间乘以超声波速度就可以确定距离。通过单位时间的距离变化就可以计算出相对速度。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式一作进一步说明，报警模块12-2选用GSM彩信报警器。

Claims

1.一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅，在轮椅背部的上端设置枕头枕部凸起（1），其特征在于，所述可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅包括颈部脉搏传感器（2）、呼吸信号检测电路（3）、控制及分析处理器（4）、驱动电机（5）、后轮主动轮（6）、前轮从动轮（7）、测量距离传感器（8）、语音指令控制面板（9）、麦克风（10）、耳式血压计（11）和执行及报警模块（12），

颈部脉搏传感器（2）设置在轮椅的枕头枕部凸起（1）的下方，用于检测患者的脉搏信号；

呼吸信号检测电路（3）设置在轮椅的靠背的胸部位置，用于检测患者的呼吸信号；

测量距离传感器（8）在轮椅的前方和后方均有设置，用于检测与轮椅前后障碍物的相对距离信号；

耳式血压计（11）佩戴在患者的耳朵上，用于检测患者的血压信号；

语音指令控制面板（9）和麦克风（10）设置在轮椅前部，麦克风（10）的位置与患者的嘴相对应，用于采集患者的声音信号；

颈部脉搏传感器（2）、呼吸信号检测电路（3）、测量距离传感器（8）和耳式血压计（11）检测的信号输出给控制及分析处理器（4），由控制及分析处理器（4）进行分析，控制及分析处理器（4）的输出端与与执行及报警模块（12）的输入端相连，执行及报警模块（12）包括执行机构（12-1）和报警模块（12-2），执行机构（12-1）控制驱动电机（5），进而带动后轮主动轮（6）和前轮从动轮（7）按指令转动。

2.根据权利要求1所述一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅，其特征在于，控制及分析处理器（4）包括脉搏信号转换电路（4-1）、呼吸信号转换电路（4-2）、血压信号转换电路（4-3）、语音信号转换电路（4-4）、距离信号转换电路（4-5）和微控制器（4-6），

颈部脉搏传感器（2）检测患者的脉搏信号并输出给脉搏信号转换电路（4-1），脉搏信号转换电路（4-1）将该信号转换成脉搏电信号输出给微控制器（4-6）；

呼吸信号检测电路（3）检测患者的呼吸信号并输出给呼吸信号转换电路（4-2），呼吸信号转换电路（4-2）将该信号转换成呼吸电信号输出给微控制器（4-6）；

耳式血压计（11）检测患者的血压信号并输出给血压信号转换电路（4-3），血压信号转换电路（4-3）将该信号转换成血压电信号输出给微控制器（4-6）；

麦克风（10）采集患者的声音信号并输出给语音信号转换电路（4-4），语音信号转换电路（4-4）将该信号转换成语音电信号输出给微控制器（4-6）；

测量距离传感器（8）检测与轮椅前后障碍物的相对距离信号并输出给距离信号转换电路（4-5），距离信号转换电路（4-5）将该信号转换成距离电信号输出给微控制器（4-6）。

3.根据权利要求2所述一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅，其特征在于，微控制器（4-6）选用凌阳SPCE061A单片机。

4.根据权利要求1所述一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅，其特征在于，颈部脉搏传感器（2）选用PTJ50H微压气压力传感器。

5.根据权利要求1所述一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅，其特征在于，呼吸信号检测电路（3）采用恒流源法对人体胸腔的阻抗进行测量，然后对所述阻抗信号进行处理放大，获取相应的呼吸电信号。

6.根据权利要求1所述一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅，其特征在于，耳式血压计（11）选用MEAS-精量电子-1510无创血压传感器。

7.根据权利要求1所述一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅，其特征在于，测量距离传感器（8）使用URM37型超声波传感器。

8.根据权利要求1所述一种可根据人的身体、心理状态和环境状态调整运动模式的语音控制轮椅，其特征在于，报警模块（12-2）选用GSM彩信报警器。