CN105091900B - 一种降低思维负荷的人体自动导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降低思维负荷的人体自动导航系统及方法，基于GPS和功能性电刺激，包括电极片、电极线以及人体卫星导航装置，其中：所述电极片为两对，分别贴在人体左腿和右腿上的缝匠肌肌腹，用于给肌肉传递刺激电流，电极片和电极线连接，电流通过电极线在人体卫星导航装置和电极片之间传递，人体卫星导航装置包括GPS模块和功能性电刺激模块，通过刺激使用者大腿的缝匠肌引导其到达目的地。本发明优点是重量轻，体积小，便于携带，使用者不需要过多地利用思维活动去分析和判断方向，只是通过腿部自动的转向运动，就可以走向正确的路径，使用者的身体会自动带领使用者到想去的地方。

Description

一种降低思维负荷的人体自动导航系统及方法

技术领域

本发明涉及导航领域，具体的说，涉及一种利用全球定位系统(GPS)和功能性电刺激(FES)技术实现人体自动导航的系统及方法。

背景技术

目前使用的导航设备大多是通过屏幕向使用者提供导航信息，需要使用者不断查看导航设备的屏幕，在有些场合，比如消防员救火的现场，比如盲人，视觉信息无法有效获得。也有通过语音提示提供导航信息的设备，但是在噪音较大的场合，以及盲人，听觉信息也无法有效获得。更重要的是，目前的导航系统都需要使用者的思维分析，做出决策判断。这种交互方式增加了使用者的思维负荷，分散了使用者的注意力，容易导致危险的发生。经文献检索发现，中国专利公开号为CN104034327A，专利名称为行人导航处理方法、终端设备和系统，申请日为2013年3月4日。该发明提供了一种行人导航处理方法、终端设备和系统。该转置存在如下不足之处：

1、使用屏幕提供导航信息，分散了使用者注意力，容易引发危险。

2、使用语言提示来提供导航信息，在嘈杂的环境中使用效果较差。

3、使用者需要自身的思维参与和分析，然后做出决策和判断，思维任务负荷重。

发明内容

针对上述现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种降低思维负荷的人体自动导航系统及方法，使用者的身体会自动带领使用者到想去的地方。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种降低思维负荷的人体自动导航系统，包括电极片、电极线以及人体卫星导航装置，其中：所述电极片为两对，分别贴在人体左腿和右腿上的缝匠肌肌腹，用于给肌肉传递刺激电流，电极片和电极线连接，电流通过电极线在人体卫星导航装置和电极片之间传递，人体卫星导航装置包括GPS模块和功能性电刺激模块，通过刺激使用者大腿的缝匠肌引导其到达目的地。

所述电极片通过接插口和电极线连接，方便更换。

所述电极线采用两根柔软轻质的一分二电极线，分别连接贴在左腿和右腿的两对电极片。

所述人体卫星导航装置包括安全模块，防止刺激电流过大而对使用者产生伤害。

所述人体卫星导航装置还包括显示屏幕、人机交互区、控制模块，显示模块用于显示信息，控制模块用于输出命令并规划从当前位置到目的地的最优路径。

所述人机交互区是按键或者带有触摸功能的屏幕。

所述人体卫星导航装置通过无线方式和智能手机连接，利用智能手机的触摸屏幕实现人机交互，利用智能手机的GPS模块读取位置信息，利用智能手机安装的地图软件实现路径规划。

一种降低思维负荷的人体自动导航方法，采用上述的任一系统来完成，使用者先输入目的地，人体卫星导航装置会自动产生一条最优路径，提取路径上所有拐点的GPS经纬度值，依次由近到远作为当前的目标值，使用者在行走的过程中，人体卫星导航装置不断读取当前坐标值并将它与目标值比较，当距离较大时就不给贴在大腿上的电极片通电，如果距离小于设定的阀值，就给大腿上的电极片通电，若要向右转就刺激右腿的缝匠肌，同理，若要向左转就刺激左腿的缝匠肌，实施电刺激时，计算目标值和当前坐标值的夹角大小，根据夹角的大小调节电流的刺激强度，从而改变身体转向的角度大小，重复上述过程，直到使用者到达目的地。

所述电刺激的电流参数可调，防止对使用者产生刺痛感抑或对腿部的刺激不明显。

在使用人体卫星导航装置前需要校准刺激电流，校准的方法是：先给电极片通人体能够承受的最大电流，此时使用者的腿部会产生最大的外翻角度；再给电极片通最大值的一定百分比的电流，使用者腿部会产生最大外翻角对应百分比的外翻角度，这样就完成了对电流的校准，目的是能够让使用者区分出来大角度转弯和小角度转弯。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、使用者不需要盯着导航的屏幕，减小了精力的分散。

2、不使用语音提示来提供导航信息，在嘈杂的环境中也可以使用。

3、大大降低了自身的思维负荷，完全靠自身大腿相关的肌肉收缩，实现身体的自动转向，从而走向正确的目标。

本发明有如下应用场景：

1、帮助迷失方向的老人或者儿童顺利回家。(思维有障碍或不成熟，无法靠自身思维做出方向判断)。

2、在发生紧急情况或者拥挤的场合以优化的策略疏散人群。(特殊场合，思维混乱，丧失正确判断能力)。

3、引导消防员穿过失火时能见度低的建筑物。(特殊环境，缺乏足够的视觉信息，思维无法准确判断方向)。

4、引导长跑运动员在不同的路径进行训练或者比赛，防止跑错方向。(特殊的时间要求，尽量在方向判断上减少思维决策，以求节省更多的时间来尽快达到目标)。

5、方便游客，能够把更多的注意力放在欣赏周围的美景上并且不会迷路。(舒适自在的需求，把思维活动放在优美的风景，而不是判断方向)。

6、帮助伙伴们在陌生的环境下最快地找到彼此。(节省时间，减少焦虑，减少双方的手机频繁沟通)。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的构成及应用场景；

图2是人体自动导航装置的外观结构示意图；

图3是人体自动导航装置的内部结构示意图；

图4是人体自动导航装置实际导航过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，1是人体卫星导航装置，2是连接人体卫星导航装置和电极片的电极线，3是贴在使用者大腿上缝匠肌肌肤的电极片，4是缝匠肌。本发明的人体卫星导航装置1体积和质量较小，可以直接放到口袋里或者佩戴在身体的其他部位，长时间携带也不会产生疲劳感。电极线2选用轻质安全的导线，可以通过特定装置固定在衣服上，以防止使用的过程中发生缠绕或者是产生较大的晃动从而影响行走。电极片3选用不会对皮肤产生伤害的材质，长时间佩戴也不会产生不适的感觉。电极片3的正极和负极成对贴在缝匠肌的肌腹，一共要用到两对电极片分别贴在左腿和右腿上。缝匠肌4起自髂前上棘，斜向内下方，经膝关节内侧，止于胫骨上端内侧面。人体卫星导航装置1实时读取使用者的GPS坐标并将它和目标位置的GPS坐标比较，根据比较的结果做出决策：是不产生刺激还是刺激左腿或者刺激右腿。电极片3贴在缝匠肌4肌腹的位置时才能产生最好的刺激效果，所以电极片3的粘贴位置需要校准，校准的方法是在电流参数不变的前提下，不断变换电极片3贴的位置，当电刺激引起使用者腿部的转动幅度最大时，该位置就是电极片3最终要粘贴的位置。

如图2所示，本发明的人体卫星导航装置1可以方便地别在使用者的皮带上面，不会妨碍使用者的活动。电极片3采用对人体皮肤无害并且能够牢固贴于皮肤表面的材料，防止行走的过程中电极片脱落。电极片3的宽度应和缝匠肌肌腹的尺寸相匹配，以产生对缝匠肌最好的刺激效果而尽量少的刺激周围的肌肉。电极片3是通过接插口和电极线2连接的，方便更换电极片。电极线2选用两根柔软轻质的一分二电极线，分别连接贴在左腿和右腿的两对电极片。电极线2通过特定装置固定在使用者的衣服上，以防止产生缠绕和晃动的现象而影响使用者行走。

如图3所示，8为显示屏幕，9为按键功能区，10为FES模块，11为GPS模块，12为控制模块。显示屏幕8用于显示菜单，地图等信息。按键9方便使用者输入指令，例如输入目的地等。按键9可以被带有触摸功能的屏幕替代，以实现更加方便的人机交互。FES模块10产生微电流，通过电极线和电极片刺激缝匠肌实现左转和右转。FES模块10产生刺激电流的幅值、脉宽、频率等参数是可以根据使用者的个人习惯进行设置的。使用人体卫星导航装置前需要校准刺激电流，校准的方法是先给电极片通人体能够承受的最大电流，此时使用者的腿部会产生最大的外翻角度；再给电极片通最大值的一定百分比的电流，使用者腿部会产生最大外翻角对应百分比的外翻角度，这样就完成了对电流的校准，目的是能够让使用者区分出来大角度转弯和小角度转弯。如果使用者的行进方向与目标方向相反,FES模块会持续产生电脉冲刺激右侧(或左侧)缝匠肌,这样使用者会顺时针(或逆时针)旋转180度,直至与目标方向吻合。FES模块10还包含了安全装置，例如串联了保险丝以限制电流的大小。GPS模块11实时读取使用者的经纬度坐标值。控制模块12将GPS的坐标值读进来，与目标位置的坐标值比较，当离目标位置较远时就输出不刺激命令，否则输出刺激命令，如果需要在目标位置右转则向FES模块发出给右腿的电极片通电的命令，同理，如果需要在目标位置左转则向FES模块发出给左腿的电极片通电的命令。控制模块12内部移值了用于导航的地图，当使用者通过按键或者触屏输入了目的地的地址，它会规划出从当前位置到目的地的最优路径，提取出所有拐点的GPS坐标值并依次由近到远作为当前目标值，按照上述流程引导使用者到达目的地。

应用实例如图4所示，A点为起点，B点为终点，图中粗实线是从起点到终点人体卫星导航装置自动规划的最优路径，虚线是不能走的路径。人体卫星导航装置将获取每个拐点的坐标值，并且根据规划好的路径判断在每个拐点左转、右转的角度或者是直走，这些信息将用于引导使用者到达终点。图中的雷电标志表示电刺激的位置，如果它在使用者左侧就表示电刺激其左腿，在使用者右侧则表示电刺激其右腿。图中的矩形条表示电刺激的强度，当电刺激强度最大时就是转90度，此时矩形条就是全黑，如图中的第一个拐点所示；当要转30度时，刺激强度要减小，根据校订值设定，大约是最大值的1/3，此时矩形条的黑色部分占总长度的1/3，如图中的第二个拐点所示。例如图中在第一个拐点应左转90度，那么当使用者到达这个拐点时人体卫星导航装置会控制左腿上的电极产生最大强度的电刺激，被刺激的缝匠肌产生收缩，左腿向外旋转至最大角度，使用者就会自动向左转90度；在第二个拐点应右转30度，那么当使用者到达这个拐点时人体卫星导航装置施加在使用者右腿上的电刺激强度约为最大值的1/3，右腿向外旋转的角度约是最大值的1/3，使用者就会自动向右转30度；依次类推直到使用者到达终点。

本发明将全球定位系统(GPS)和功能性电刺激(FES)技术相结合，通过刺激使用者大腿的缝匠肌引导其到达目的地。FES技术是利用一定强度的低频脉冲电流刺激一组或多组肌肉，使肌肉收缩，产生期望的运动。缝匠肌起自髂前上棘，斜向内下方，经膝关节内侧，止于胫骨上端内侧面，当加上电刺激时便产生向上的收缩，使腿向外旋转。使用者先输入目的地，人体卫星导航装置会自动产生一条最优路径，提取路径上所有拐点的GPS经纬度值，依次由近到远作为当前的目标值，使用者在行走的过程中人体卫星导航装置不断读取当前坐标值并将它与目标值比较，当距离较大时就不给贴在大腿上的电极通电，如果距离小于设定的阀值，就给大腿上的电极通电，若要向右转就刺激右腿的缝匠肌，同理若要向左转就刺激左腿的缝匠肌。实施电刺激时，计算目标值和当前坐标值的夹角大小，根据夹角的大小调节电流的刺激强度，从而改变身体转向的角度大小。重复上述过程直到使用者到达目的地。刺激电流的参数是可调的，防止对使用者产生刺痛感抑或对腿部的刺激不明显。合适的电流刺激只是改变行走的运动方向，不会对步幅、步态、以及身体平衡产生影响，人体卫星导航装置包含了安全模块，防止刺激电流过大而对使用者产生伤害。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种降低思维负荷的人体自动导航系统，其特征在于，包括电极片、电极线以及人体卫星导航装置，其中：所述电极片为两对，分别贴在人体左腿和右腿上的缝匠肌肌腹，用于给肌肉传递刺激电流，电极片和电极线连接，电流通过电极线在人体卫星导航装置和电极片之间传递，人体卫星导航装置包括GPS模块和功能性电刺激模块，通过刺激使用者大腿的缝匠肌引导其到达目的地；

使用时，先输入目的地，系统会自动产生一条最优路径，提取路径上所有拐点的GPS经纬度值，依次由近到远作为当前的目标值，使用者在行走的过程中，人体卫星导航装置不断读取当前坐标值并将它与目标值比较，当距离较大时就不给贴在大腿上的电极片通电，如果距离小于设定的阀值，就给大腿上的电极片通电，若要向右转就刺激右腿的缝匠肌，同理，若要向左转就刺激左腿的缝匠肌，实施电刺激时，计算目标值和当前坐标值的夹角大小，根据夹角的大小调节电流的刺激强度，从而改变身体转向的角度大小，重复上述过程，直到使用者到达目的地。

2.根据权利要求1所述的降低思维负荷的人体自动导航系统，其特征在于，所述电极片通过接插口和电极线连接，方便更换。

3.根据权利要求1所述的降低思维负荷的人体自动导航系统，其特征在于，所述电极线采用两根柔软轻质的一分二电极线，分别连接贴在左腿和右腿的两对电极片。

4.根据权利要求1所述的降低思维负荷的人体自动导航系统，其特征在于，所述人体卫星导航装置包括安全模块，防止刺激电流过大而对使用者产生伤害。

5.根据权利要求4所述的降低思维负荷的人体自动导航系统，其特征在于，所述人体卫星导航装置还包括显示屏幕、人机交互区、控制模块，显示模块用于显示信息，控制模块用于输出命令并规划从当前位置到目的地的最优路径。

6.根据权利要求5所述的降低思维负荷的人体自动导航系统，其特征在于，所述人机交互区是按键或者带有触摸功能的屏幕。

7.根据权利要求1所述的降低思维负荷的人体自动导航系统，其特征在于，所述人体卫星导航装置通过无线方式和智能手机连接，利用智能手机的触摸屏幕实现人机交互，利用智能手机的GPS模块读取位置信息，利用智能手机安装的地图软件实现路径规划。

8.根据权利要求1所述的降低思维负荷的人体自动导航系统，其特征在于，所述电刺激的电流参数可调，防止对使用者产生刺痛感抑或对腿部的刺激不明显。

9.根据权利要求1所述的降低思维负荷的人体自动导航系统，其特征在于，在使用人体卫星导航装置前需要校准刺激电流，校准的方法是：先给电极片通人体能够承受的最大电流，此时使用者的腿部会产生最大的外翻角度；再给电极片通最大值的一定百分比的电流，使用者腿部会产生最大外翻角对应百分比的外翻角度，这样就完成了对电流的校准，目的是能够让使用者区分出来大角度转弯和小角度转弯。