CN103263324B - 基于ssvep稳态视觉诱发电位的智能轮椅系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SSVEP稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potentials)的智能轮椅系统，主要解决在使用脑电控制轮椅过程中现有设备对使用者要求较高、控制命令少、轮椅功能不完善的问题。该智能轮椅系统包括LED频闪刺激器(1)、电极帽(2)、脑电预处理电路(3)、无线传输系统(4)、上位机(5)、轮椅控制电路(6)、电动轮椅(7)和自动避障模块(8)。电极帽(2)采集到的脑电信号通过脑电预处理电路(3)进行预处理后经无线传输系统(4)传送给上位机(5)进行处理产生控制信号，再经无线传输系统(4)传送给轮椅控制电路(6)对轮椅进行控制。本发明具有易于操作、使用安全的优点，可作为老年人和残疾人的助障工具。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于SSVEP(steady-state visual evoked potentials)的智能轮椅系统，具体是指采集用户注视不同频率闪烁刺激时产生的脑电信号，通过分析不同频率下信号的特异性，判断用户注视的是哪一个频率的闪烁，并借此控制电动轮椅的控制系统。本发明是认知神经科学领域和电子工程技术领域的结合应用，属于自动控制领域。
背景技术
目前全世界，尤其是中国、印度等发展中国家的老龄化问题日益加剧，由于年轻人比例的减少，老年人的生活质量大大下降，大多数老年人行动不便或无法独立行动，寻找一种新的可以帮助老年人行动更加自如的方法，以此来提高老年人的生活水平已经成为人们日益关注的话题。
脑机接口技术是21世纪以来新兴的科学技术之一，它能在大脑与外部设备之间建立直接的交流通道，人们可以利用自己的想象或者外界对大脑的刺激来控制外部设备。随着全世界科研机构对脑机接口的研究不断深入，一些成果的不断发表，为脑机接口进入人们的日常生活带来了前所未有的机遇。目前已将存在基于运动想象控制的一些残疾人和老年人辅助设备，例如，北京师范大学的“一种新型的基于运动想象脑电控制的智能轮椅系统”专利申请文件(专利号201010249134.9)提到的控制轮椅的方法，就属于运动想象式的。基于运动想象的控制的设备存在以下不足：
1)需要注意力高度集中，不适合老年人使用；
2)准确率低，在线的正确率在85％左右；
3)只有左右两个自由度，控制命令局限于两个指令；
4)个体差异较大；
5)轮椅的设计不够完善，没有完全的考虑到老年人和残疾人士的需要。
发明内容
本发明的目的在于针对上述基于运动想象控制系统设备的不足，提出一种能够减少个体差异，增加自由度，提高分辨率并加入自动避障系统的适合老年人使用的辅助轮椅，以提高老年人的生活质量，缓解人口老龄化带来的社会压力。同时，把脑机接口的科研成果运用到日常生活中去，使人们享受科技为生活带来的便利。
为实现上述目的，本发明包括智能轮椅系统，其特征在于包括LED频闪刺激器1、电极帽2、脑电预处理电路3、无线传输系统4、上位机5、轮椅控制电路6、电动轮椅7和自动避障模块8；电极帽2与脑电预处理电路3通过导线连接；无线传输系统4分别与脑电预处理电路3、上位机5和轮椅控制电路6相连接；LED频闪刺激器1、脑电预处理电路3与轮椅控制电路6放置在电动轮椅7上；自动避障模块8置于电动轮椅7前端。
所述的LED频闪刺激器1，包括绝缘外盒11、频率调制电路12、光源13、遮光板14和滤光盒盖15；频率调制电路12放置在绝缘外盒11的盒底；光源13均匀焊接在频率调制电路12上；遮光板14十字交叉隔离光源13；滤光盒盖15用螺丝固定在在绝缘外盒11上。
所述的电动轮椅7，包括轮椅车架71、后轮72、驱动电机73、上搭载板74、下搭载板75和前轮76；上搭载板74固定在轮椅车架71的两扶手之间；下搭载板75水平焊接在轮椅车架71底部；驱动电机73悬挂于轮椅车架71底部通过传动轴驱动后轮72。
上述系统，其特征在于，脑电采集帽2共10导，2导连接乳突作为参考电极，1导接地，其余7导连接脑电预处理电路3上的两级放大电路。
上述系统，其特征在于，绝缘外盒11为一个宽40cm长60cm的环氧树脂绝缘盒；光源13由4只80LM/W的白色LED构成；频率调制电路12由NE555芯片连接定值电容电阻构成，用于提供8.57Hz、10Hz、12Hz、15Hz的脉冲信号以驱动光源13；滤光盒盖15为一块宽40cm长60cm的磨砂亚克力板。
上述系统，其特征在于，上搭载板74搭载LED频闪刺激器1；下搭载板75由前至后依次搭载自动避障模块8、轮椅控制电路6和脑电预处理电路3。
上述系统，其特征在于，脑电预处理电路3由一级放大电路、二级放大电路和巴特沃斯带通滤波电路组成。
上述系统，其特征在于，无线传输系统4由3个Zigbee CC2530收发模块构成，作为节点的两个Zigbee CC2530与脑电预处理电路3和轮椅控制电路6相连接，作为协调器的Zigbee CC2530与上位机5相连，三个模块的连接方式均为串口连接。
上述系统，其特征在于，轮椅控制电路6是由STC89C51单片机构成的输入输出电路，输入端信号由连接在其上的无线系统4提供，输出端直接驱动电机转动。
上述系统，其特征在于，驱动电机73为两个有刷电机，两个电机的转动轴分别与两个后轮72嵌套连接，利用轮椅控制电路6控制电机的转速，可实现轮椅的前、后、左、右四个方向的运动。
上述系统，其特征在于，其特征在于，避障模块8使用超声波传感器，安装在轮椅的最前端，并于轮椅控制电路6相连接，当轮椅系统开启时，自动避障模块开启并自动避障。
本发明具有如下优点：
1、本发明通过空闲时间检测来判断使用者的当前状态，避免了使用者自发脑电波控制轮椅运动，进而大大提高轮椅的使用价值。
2、本发明通过前端的避障模块自动避开障碍物，减少使用者的工作量，提高使用者的安全指数。
3、本发明采用无线传输的方式，把信号传给上位机，上位机在把结果无线传输给轮椅，这样大大减轻了轮椅的负载，进而减轻电机的工作量，减少了电池的耗电量。
4、本发明基本自由度有四个，软件设计通过把两个或两个以上的功能复合一个频闪上来提高功能的个数。
附图说明
通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中：
图1是本发明的整体流程示意图；
图2是本发明的整体结构示意图；
图3是本发明中预处理电路的结构图；
图4是本发明中LED频闪刺激器结构图；
图5是本发明中电动轮椅结构示意图。
具体实施方式
在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
下面将结合附图对本发明的实施原理及使用进行详细的介绍。
参照图1，本发明系统，包括LED频闪刺激器1、电极帽2、脑电预处理电路3、无线传输系统4、上位机5、轮椅控制电路6、电动轮椅7和自动避障模块8；电极帽2与脑电预处理电路3通过导线连接；无线传输系统4分别与脑电预处理电路3、上位机5和轮椅控制电路6相连接；LED频闪刺激器1、脑电预处理电路3与轮椅控制电路6放置在电动轮椅7上。无线传输系统实现了脑电信号的无线处理，减少了轮椅的负担以及随身携带计算机的不便。
自动避障模块8置于轮椅7前端，与轮椅控制电路6相连，当轮椅前方突然出现障碍物时，自动避障模块8可立即发出指令使轮椅控制电路6产生中断并立即改变轮椅7的运动，保障了使用者的安全。
参照图2，电动轮椅7，它搭载了脑电预处理电路3、无线传输系统4、轮椅控制电路6及驱动电机73。采集到的脑电信号通过导线传给预处理电路3；预处理电路3通过串口连接无线传输系统4，并有无线传输系统4将与处理过的信号无线传输给上位机5；经上位机5特征提取和分类过后的控制信号由无线传输系统4回传给轮椅上的控制电路6，并由控制电路6控制驱动电机73驱动轮椅；无线传输系统4包括三块CC2530，其中作为协调器的CC2530通过串口与上位机5相连接，作为协调器的CC2530编程设置其具有发送和接收两个功能，其余两块CC2530都作为终端节点分别与控制电路6和脑电预处理电路3相连，分别编程设置其具有接收和发送功能。CC2530的稳定性和超低功耗确保了整个无线传输系统4的稳定和耐用。
参照图3，脑电预处理电路3，包括两级放大电路，带通滤波电路；脑电信号是弱电信号，通过两级放大到一定级别之后，才能够进行分析与处理；外界环境的噪声信号(例如工频噪声)会影响脑电信号的分析，因此经放大过的脑电信号马上通过带通滤波电路，可实现降噪的功能。通过预处理后的脑电信号由无线传输系统4发送至上位机5进行进一步处理。
参照图4，LED频闪刺激器1，它包括绝缘外盒11、频率调制电路12、光源13、遮光板14和滤光盒盖15；频率调制电路12放置在绝缘外盒11的盒底；光源13均匀焊接在频率调制电路12上；遮光板14十字交叉隔离光源13；滤光盒盖15用螺丝固定在在绝缘外盒11上；脑电采集帽2由被试者戴于脑部。
LED频闪刺激器1，由频率调制电路12直接调制光源产生的频闪刺激，相对于液晶显示器没有刷新频率的干扰，并在四个光源中加入了遮光板14以避免不同光源的相互干扰，在此刺激下，脑电信号将更加准确，利于脑处理与分析。
参照图5，电动轮椅7，包括轮椅车架71、后轮72、驱动电机73、上搭载板74、下搭载板75和前轮76；上搭载板74固定在轮椅车架71的两扶手之间；下搭载板75水平焊接在轮椅车架71底部；驱动电机73悬挂于轮椅车架71底部通过传动轴驱动后轮72。
本发明的工作原理如下：
使用者放松坐在轮椅7上，头戴脑电采集帽1，在准备操纵轮椅时注视位于上搭载板74上的频闪刺激器，此时开始采集使用者的脑电信号，并通过导线连接到脑电预处理电路3。
脑电预处理电路3由一级放大电路、二级放大电路和巴特沃斯带通滤波电路组成。经过预处理的脑电信号去除了大部分的噪音和干扰，并放大为强度较高的信号。脑电信号经过预处理之后经过无线传输系统4发送至上位机5进行进一步处理。
上位机5通过对脑电信号的特征提取和分类，可输出4个控制命令经无线传输系统4发送至轮椅7，此时位于下搭载板75上的轮椅控制电路6接收到行动命令并控制驱动电机73，轮椅7完成相应动作。
当使用者由于失误导致轮椅产生错误行动时，自动避障模块8会自动产生中断信号给轮椅控制电路7，此时轮椅将自动避开障碍物，确保使用者安全。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。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 (9)
1.一种基于SSVEP稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potentials)的智能轮椅系统，其特征在于，该系统包括LED频闪刺激器(1)、电极帽(2)、脑电预处理电路(3)、无线传输系统(4)、上位机(5)、轮椅控制电路(6)、电动轮椅(7)和自动避障模块(8)；电极帽(2)与脑电预处理电路(3)通过导线连接；无线传输系统(4)分别与脑电预处理电路(3)、上位机(5)和轮椅控制电路(6)相连接；LED频闪刺激器(1)、脑电预处理电路(3)与轮椅控制电路(6)放置在电动轮椅(7)上；自动避障模块(8)置于电动轮椅(7)前端；
所述的LED频闪刺激器(1)，包括绝缘外盒(11)、频率调制电路(12)、光源(13)、遮光板(14)和滤光盒盖(15)；频率调制电路(12)放置在绝缘外盒(11)的盒底；光源(13)均匀焊接在频率调制电路(12)上；遮光板(14)十字交叉隔离光源(13)；滤光盒盖(15)用螺丝固定在绝缘外盒(11)上；
所述的电动轮椅(7)，包括轮椅车架(71)、后轮(72)、驱动电机(73)、上搭载板(74)、下搭载板(75)和前轮(76)；上搭载板(74)固定在轮椅车架(71)的两扶手之间；下搭载板(75)水平焊接在轮椅车架(71)底部；驱动电机(73)悬挂于轮椅车架(71)底部通过传动轴驱动后轮(72)。
2.如权利要求1所述的基于SSVEP稳态视觉诱发电位的智能轮椅系统，其特征在于，电极帽(2)共10导，2导连接乳突作为参考电极，1导接地，其余7导连接脑电预处理电路(3)上的两级放大电路。
3.如权利要求1所述的基于SSVEP稳态视觉诱发电位的智能轮椅系统，其特征在于，绝缘外盒(11)为一个宽40cm长60cm的环氧树脂绝缘盒；光源(13)由4只80LM/W的白色LED构成；频率调制电路(12)由NE555芯片连接定值电容电阻构成，用于提供8.57Hz、10Hz、12Hz、15Hz的脉冲信号以驱动光源(13)；滤光盒盖(15)为一块宽40cm长60cm的磨砂亚克力板。
4.如权利要求1所述的基于SSVEP稳态视觉诱发电位的智能轮椅系统，其特征在于，上搭载板(74)搭载LED频闪刺激器(1)；下搭载板(75)按照从前轮(76)到后轮(72)的方向依次搭载自动避障模块(8)、轮椅控制电路(6)和脑电预处理电路(3)。
5.如权利要求1所述的基于SSVEP稳态视觉诱发电位的智能轮椅系统，其特征在于，脑电预处理电路(3)由一级放大电路、二级放大电路和巴特沃斯带通滤波电路组成。
6.如权利要求1所述的基于SSVEP稳态视觉诱发电位的智能轮椅系统，其特征在于，无线传输系统(4)由3个Zigbee CC2530收发模块构成，作为节点的两个ZigbeeCC2530与脑电预处理电路(3)和轮椅控制电路(6)相连接，作为协调器的ZigbeeCC2530与上位机(5)相连，三个模块的连接方式均为串口连接。
7.如权利要求1所述的基于SSVEP稳态视觉诱发电位的智能轮椅系统，其特征在于，轮椅控制电路(6)是由STC89C51单片机构成的输入输出电路，输入端信号由连接在轮椅控制电路(6)上的无线传输系统(4)提供，输出端直接驱动电机转动。
8.如权利要求1所述的基于SSVEP稳态视觉诱发电位的智能轮椅系统，其特征在于，驱动电机(73)为两个有刷电机，两个电机的转动轴分别与两个后轮(72)嵌套连接，利用轮椅控制电路(6)控制电机的转速，可实现轮椅的前、后、左、右四个方向的运动。
9.如权利要求1所述的基于SSVEP稳态视觉诱发电位的智能轮椅系统，其特征在于，自动避障模块(8)使用超声波传感器，安装在轮椅的最前端，并与轮椅控制电路(6)相连接，当轮椅系统开启时，自动避障模块开启并自动避障。
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