CN103110486A

CN103110486A - 牙齿控制的轮椅装置及方法

Info

Publication number: CN103110486A
Application number: CN2013100709672A
Authority: CN
Inventors: 胡三清; 池剑峰; 赵化宾
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2013-05-22

Abstract

本发明涉及一种牙齿控制的轮椅装置及方法。包括牙齿动作状态的脑肌电信号的传感模块、控制模块。本发明采集牙齿动作状态产生的脑肌电信号，将采集信号进行数据处理转换为控制命令。由于本发明的牙齿控制方便、简单、舒适、安静、实时、准确、抗干扰、多任务、无损无创、不分散注意力、多数人适合等，为手脚不灵的老年人群、肢体残障人士以及重症瘫痪病人提供完全自主控制、功能众多等十分人性化的性能优越的代步工具。

Description

牙齿控制的轮椅装置及方法

技术领域

本发明属于人机交互领域，特别涉及医疗护理领域，具体是指一种使用牙齿动作产生的脑肌电信号,进行实时控制的轮椅装置及方法。

背景技术

据联合国发表报告指出，全世界人口老龄化进程正在急剧膨胀，未来几十年之内，老年人人口比例预计将会翻一番。另外，由于各种自然灾难和疾病造成的残障人士也在逐年增加。这些人在手脚、视力、听力及语言等方面存在不同程度的能力丧失。关心、照顾这些人以及培养这些人的自理能力将是一个巨大的产业链。

为了给手脚不灵的老年人群、肢体残障人士以及重症瘫痪病人（还能咬牙吃饭的）提供性能优越的代步工具，帮助他们提高自主行动自由度及重新融入社会，智能轮椅（也称智能轮椅式移动机器人）近年来应运而生，其涉及机械、控制、传感器、人工智能、通讯等各种领域及技术。目前多个国家包括美国、德国、日本、法国、加拿大、西班牙及中国等国家对智能轮椅正展开了深入研究，使智能轮椅具有记忆地图、避障、自动行走、与用户交互等功能。

公知的,智能轮椅采用的控制手段包括手工（含手脚动作）、语音、意念交互控制方式。手工交互控制方式是主流，应用广泛而且成熟；语音识别交互控制方式，也在不断发展完善；意念交互控制方式，还处于实验研究向实用转变的初级阶段。

公知的，手工交互控制非常成熟，但对于重度瘫痪病人或手脚残疾等病人，就迫切需要补充其他交互控制手段。语音识别控制手段因个体差异、外界噪声等导致状态模糊、识别困难、准确度不高，虽然经过多年的研究与推广，仍无法满足实际应用需求。另外，有许多公共场合是禁止说话的，这时语音控制就被要求禁止使用。意念相比语音的控制识别研究，还处于非常初级的研究阶段。

公知的，意念交互控制手段，或者识别动作状态单一、准确度不高（比如运动想象），或者准确度高、识别时间较长（比如P300，即视觉刺激下300毫秒后脑电波信号加强），而且，意念时不能专注前方物体或对象（比如P300时，用户视线必须全神专注工作界面）而分散注意力。对某些特殊残疾人群发展的眼动、舌动、头动控制手段识别的状态简单且或影响视线（如眼动），或不适(如舌上安置传感器），或多动（如头动）。而且，眼动、舌动、头动这三种方式极易在用户不经意间产生非用户期望的类似动作，从而影响其普遍适用性。在手工交互控制手段外，眼动、舌动、头动、语音、意念交互控制方式中没有集方便、简单、舒适、安静、实时、准确、抗干扰、多任务、无损无创、不分散注意力、多数人适合等众多特点于一身的控制方式。

公知的，对意念控制方式的认识，具体请参阅以下文献：

Gerwin Schalk（美）、Jurgen.Mellinger（美）著，胡三清译，《BCI2000与脑机接口》，国防工业出版社 2011年6月。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中的缺点，提供一种便捷、安静、实时、准确、抗干扰、多任务、无损无创、不分散注意力、多数人适合的牙齿控制的智能轮椅装置及方法。为手脚不灵的老年人群、肢体残障人士以及重症瘫痪病人（还能咬牙吃饭的）提供性能优越的代步工具，帮助他们提高自主行动自由度，从而提高他们的生活质量，减轻社会压力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

该牙齿控制的轮椅装置,包括采集模块、传输模块、动作模块、显示模块,其特点是，所述的装置中还包括牙齿动作状态的脑肌电信号的传感模块、牙齿动作状态的脑肌电信号的控制模块,所述的传感模块的输出端与采集模块的输入端连接,所述的控制模块的输入端与传输模块的输出端连接,所述的控制模块的输出端与动作模块、显示模块的输入端连接。

该装置的传感模块包括参考电极、C3和C4电极,控制模块包括控制动作模块(6)和控制显示模块。

该装置的控制动作模块包括启动轮椅、关闭轮椅、启动喝水、关闭喝水、以及实时动作（左移动、右移动、逆时针转动、顺时针转动、向前移动、向后移动、停止、加速、减速、升、降、缓缓直立、缓缓放下、平躺、归坐）。

该装置的控制显示模块包括启动显示、关闭显示、操作人机界面。

根据牙齿动作的信号特征，分别利用神经网络和可变窗口方法来识别牙齿动作的不同状态。牙齿动作可分为牙齿上下运动、水平运动和组合运动。牙齿上下运动，简称为咬牙；牙齿水平运动，简称为磨牙；牙齿组合运动，简称为咬磨牙。根据牙齿动作的信号特征，产生可识别的直接命令很多（比如，咬牙动作可产生15种实时命令），组合命令甚至更多。

该对上述的牙齿动作状态的脑肌电的实时检测控制装置进行检测控制的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

步骤（1）采集咬牙动作产生的脑肌电信号。可采用几个相关的信号强度明显的采集电极（比如，根据国际10-20标准电极分布系统，咬牙采用3个电极：参考电极、C3和C4）的采集设备，从而降低数据处理量，提高数据实时处理算法的效率。

步骤（2）咬牙动作的信号分析。具体步骤如下：

a.首先对于采集的数据进行带通滤波处理，去除信号基线漂移；

b.定位时序信号中牙齿动作产生信号的位置，并提取该信号；

c.量化提取的信号，并利用神经网络进行适当分类，将咬牙动作区分为左边咬牙、右边咬牙、左右两边同时咬牙三种状态；

d.分析时域信号持续时间以及咬牙状态和次数，若时长不超过1秒，则利用可变窗口方法，初始化窗口数量N计为1，逐渐调整窗口长度，若窗口长度大于阈值T，则N自动加1；遍历整个咬牙时序信号后，若N是为1，则表示咬1次，若N是2，则表示咬了2次，若N是3，则表示咬了3次，若N是4，则表示咬了4次。若时长持续超过1秒，则表示长咬状态。

步骤（3）整合上述步骤c和d的分类结果，可以区分出不同的咬牙动作状态。咬牙动作具体可分为：左咬一次（s01）、左咬两次(s02)、左咬三次(s03)、左咬四次(s04)、左长咬（s05）、右咬一次(s06)、右咬两次(s07)、右咬三次(s08)、左咬四次(s09)、右长咬(s10)、左右同时咬一次(s11)、左右同时咬两次(s12)、左右同时咬三次(s13)、左右同时咬四次(s14)、左右同时长咬(s15)。另外，为了开机和关机特产生如下一种咬牙状态，即左右同时长咬持续超过2秒，记为s16。为了增加轮椅的更多功能，特产生如下二种咬牙状态，即左长咬持续超过2秒，记为s17，右长咬持续超过2秒，记为s18。

顺序完成步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)即可实现咬牙动作产生的脑肌电信号的多达18种状态的识别。

步骤（4）设计启动或关闭轮椅的控制指令以及15种实时控制轮椅的控制指令。第一次s16对应于启动轮椅；第二次s16对应于关闭轮椅；左移动(s01); 右移动(s06); 逆时针转动（s02）; 顺时针转动(s07); 向前移动(s11)；向后移动(s12)；停止（s15）；加速（s05)；减速（s10）；升（s03）；降（s08）；缓缓直立（s04）；缓缓放下（s09）；平躺(s13)；归坐(s14)。上述各种控制指令针对轮椅的运动控制。如下步骤可让用户完成更多的任务。

步骤（5）设计喝水、上网浏览控制指令。第一次s17启动喝水; 第二次s17关闭喝水; 第一次s18启动上网浏览；第二次s18关闭上网浏览。一旦进入到喝水环节，可以跟类似步骤（4）一样定义15种咬牙产生的实时控制指令操控机器手臂完成用户喝水动作。一旦进入到上网浏览环节，可以跟类似步骤（4）一样定义15种咬牙产生的实时控制指令操控平板电脑上的鼠标操作。这里仅以喝水、上网浏览为例，还可以很容易添加多项功能，如拨打电话、玩电脑游戏、全身按摩等。这里不再赘述。

采用本发明的牙控智能轮椅集方便、简单、舒适、安静、实时、准确、抗干扰、多任务、无损无创、不分散注意力、多数人适合等众多特点于一身，为手脚不灵的老年人群、肢体残障人士以及重症瘫痪病人提供完全自主控制性能优越的代步工具。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改、变换、替代、组合、简化而不背离本发明的精神和范围，都在本发明的保护范围之内。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

附图说明

图1 本发明方法中流程示意图

图2 咬牙动作信号分析处理流程图

图3 左咬三次波形图

图4 右咬三次波形图

图5 左右同时咬三次波形图

图6 左长咬波形图

图7 右长咬波形图

图8 左右同时长咬波形图。

Claims

1. 一种牙齿控制的轮椅装置,包括采集模块(1)、传输模块(2)、动作模块(3)、显示模块(4),其特征在于，所述的装置中还包括牙齿动作状态的脑肌电信号的传感模块(5)、牙齿动作状态的脑肌电信号的控制模块(6),所述的传感模块的输出端与采集模块的输入端连接,所述的控制模块的输入端与传输模块的输出端连接,所述的控制模块的输出端与动作模块、显示模块的输入端连接。

2. 根据权利要求1所述的牙齿控制的轮椅装置，其特征在于，所述的传感模块包括参考电极、C3和C4电极。

3. 根据权利要求1所述的牙齿控制的轮椅装置，其特征在于，所述的控制模块包括控制动作模块(6)和控制显示模块(7)。

4. 根据权利要求3所述的牙齿控制的轮椅装置，其特征在于，所述的控制动作模块包括启动轮椅、关闭轮椅、启动喝水、关闭喝水、以及实时动作（左移动、右移动、逆时针转动、顺时针转动、向前移动、向后移动、停止、加速、减速、升、降、缓缓直立、缓缓放下、平躺、归坐）。

5. 根据权利要求3所述的牙齿控制的轮椅装置，其特征在于，所述的控制显示模块包括启动显示、关闭显示、操作人机界面。

6. 一种对权利要求1所述的牙齿控制的轮椅装置进行检测控制的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)采集牙齿动作状态产生的脑肌电信号；

(2)将采集信号进行处理转换为控制命令。

7. 根据权利要求6所述的牙齿控制的轮椅装置进行检测控制的方法，其特征在于，所述的采集牙齿动作状态产生的脑肌电信号，包括以下步骤：

(1)牙齿动作状态分为牙齿上下运动、水平运动和组合运动；牙齿上下运动，简称为咬牙；牙齿水平运动，简称为磨牙；牙齿组合运动，简称为咬磨牙；

(2)咬牙按位置分为左边、右边、中间；磨牙按位置分为左边、右边、中边；咬牙、磨牙、咬磨牙的混合使用为组合状态；

(3)安装脑肌电信号采集电极，脑电极的安装位置采用国际10-20标准电极系统分布图；

(4)根据信号强度特征，选取相关采集电极，减少电极数目，最大程度地对系统进行简化；

(5)咬牙动作状态的相关脑电极为参考电极、C3和C4电极。

8. 根据权利要求6所述的牙齿控制的轮椅装置进行检测控制的方法，其特征在于，所述的将采集信号进行处理转换为控制命令，包括以下步骤：

(1)采用带通滤波保留40~100Hz频段的信号，去除基线漂移；

(2)分别利用神经网络和可变窗口方法来识别牙齿动作的不同状态及次数为控制命令。