CN105534648A - 基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法及控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明主要涉及一种控制方法及控制装置，更具体地，涉及一种基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法及控制装置。采用脑电波结合用户头部动作来控制轮椅，其中脑电波用于控制轮椅的启停，用户头部动用于控制轮椅的运动方式。该装置包括多轴传感器、脑电波采集模块、轮椅控制器、处理器、电机、轮椅和电池，其中多轴传感器和脑电波采集模块集成在单个头戴装置上，并连接在处理器的输入端，轮椅控制器连接在处理器的输出端，轮椅控制器的输出端连接有多个电机，轮椅控制器、处理器和电机均固定在轮椅上。解决脑电波控制轮椅的易用性和稳定性的问题。

Description

基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法及控制装置
技术领域
本发明主要涉及一种控制方法及控制装置，更具体地，涉及一种基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法及控制装置。
背景技术
近年来，随着科技水平的提高，对脑电波研究越来越深，其应用也越来越广泛。而在辅助高龄老人和残疾人的设备中，依赖肌肉、身体动作或者声音指令以及脑电波对轮椅进行控制的技术受到高度关注。人脑是行为活动的控制中心，让机器直接受到大脑的控制是无数行动不便者的心愿，可以让他们像普通人一样更简单自由的实现自己的想法。而近几年也涌现了很多脑电波轮椅的项目，都是单独使用脑电波对轮椅进行控制，在准确度方面几乎都不能达到要求，但是很多老年人和残疾人依然非常关注和支持这个领域。
由于当前脑电波采集技术很不成熟，导致很多脑电波控制随机性很大，而且很容易受到干扰，非常不稳定。而且国内外相关脑电波采集传感器均在精度和便携性方面存在矛盾：使用高精度的脑电波采集设备要求用户剃光头发，并且在脑袋上涂抹硅胶，佩戴也不方便，因此不能被大多数人接受；而使用的精度的脑电波采集传感器则佩戴方便而且外表美观，但是由于采集的精度过低以及干扰很大，已经无法从中分析出多种用户的实际想法，只能简单的判别用户前额思维的波段范围。因而纯粹使用脑电波控制的轮椅只存在于实验室而无法投入生产，而且在使用的时候，使用者需要时刻高度集中注意力，这就给残障人士增加了很多负担。
综上所述，现阶段大脑控制轮椅需求旺盛，而纯粹脑电波控制的轮椅短期无法投入生产而且易用性很差，因此寻求一种通过大脑控制轮椅的解决方案迫在眉睫。因此本发明提出一种结合脑电波和头部动作的轮椅控制方案。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法及控制装置，解决脑电波控制轮椅的易用性和稳定性的问题。
为解决上述技术问题，本发明一种基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法，其特征在于，采用脑电波结合用户头部动作来控制轮椅，其中脑电波用于控制轮椅的启停，用户头部动用于控制轮椅的运动方式。
基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法，所述控制方法包括：
步骤一：采集脑电波信息，分析用户是否想要启动轮椅；当检测到用户大脑发出启动轮椅命令时，启动轮椅并等待用户的方向控制；
步骤二：当轮椅处于启动状态时，用户通过头部动作控制轮椅的运动状态，包括前进、后退、左转、右转、左前进、左后退、右前进、右后退；保持头部动作实现轮椅持续运动，头部动作恢复原位后，轮椅暂停动作，恢复到等待用户的方向控制状态；
步骤三：当检测到大脑发出停止命令时，轮椅停止工作；
步骤四：当轮椅停止工作后，除非重新发出启动命令，否则头部动作不能实现对轮椅的控制。
作为本发明的进一步优化，本发明基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法所述的脑电波信息和头部动作的采集通过单个头戴设备完成。
作为本发明的进一步优化，本发明基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法所述的用户头部动作与轮椅运动状态的对应关系可自由对应。
作为本发明的进一步优化，本发明基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法所述的在轮椅的整个运行过程中，持续检测用户的脑电波状态和头部动作，当无法检测到脑电波时，轮椅停止工作。
采用上述基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法的控制装置，所述控制装置包括多轴传感器、脑电波采集模块、轮椅控制器、处理器、电机、轮椅和电池，其中多轴传感器和脑电波采集模块集成在单个头戴装置上，并连接在处理器的输入端，轮椅控制器连接在处理器的输出端，轮椅控制器的输出端连接有多个电机，轮椅控制器、处理器和电机均固定在轮椅上。
作为本发明的进一步优化，本发明基于脑电波结合头部动作的轮椅控制装置所述的多轴传感器为MPU6050多轴陀螺仪。
作为本发明的进一步优化，本发明基于脑电波结合头部动作的轮椅控制装置所述的脑电波采集模块采用TGAM模块。
作为本发明的进一步优化，本发明基于脑电波结合头部动作的轮椅控制装置所述的轮椅控制器采用H桥实现，通过四个MOS管的开闭实现电机的正反向旋转，配合PWM控制旋转的速度。
作为本发明的进一步优化，本发明基于脑电波结合头部动作的轮椅控制装置所述的多轴传感器和脑电波采集模块的信息通过无线或者有线方式传输给处理器。
控制效果：本发明所述基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法，其控制方式采用脑电波启动和停止轮椅，无需担心干扰，以目前的脑电波研究成果实现这两个命令稳定性非常好。而使用头部动作控制轮椅的前后左右及其组合的八个方向运动，操作简单，用户无需集中注意力即可轻松控制轮椅的运动。在实验样机上的测试结果表明该方案控制过程轻松，相对于传统的手动控制的轮椅而言更方便。本发明可以用在残障人士(特别是手脚都不灵活的人士)的出行辅助设备(电动轮椅、代步车等)以及其他控制领域，如娱乐、航拍控制、机械骨骼等。
本发明解决了脑电波控制轮椅需要长期集中注意力并且控制不稳定的问题，并兼顾了便携性和用户使用体验。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法及控制装置的结构示意图。
图2为本发明基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法及控制装置的硬件结构图。
图3为本发明基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法及控制装置的控制流程图。
图4为图1中的脑电波采集模块2的接线示意图。
图5为轮椅控制分析原理示意图。
图6为轮椅控制分析流程图。
图7为图1中多轴传感器1的接线示意图。
图8为本发明基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法及控制装置的原理图一。
图9为本发明基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法及控制装置的原理图二。
图中：多轴传感器1；脑电波采集模块2；轮椅控制器3；处理器4；轮椅5。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法，采用脑电波结合用户头部动作来控制轮椅，其中脑电波用于控制轮椅的启停，无需担心干扰；用户头部动用于控制轮椅的运动方式，使用头部动作控制轮椅的前后左右及其组合的八个方向运动，操作简单，用户无需集中注意力即可轻松控制轮椅的运动。
具体实施方式二：结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9说明本实施方式，本实施方式所述控制方法包括：
步骤一：采集脑电波信息，分析用户是否想要启动轮椅；当检测到用户大脑发出启动轮椅命令时，启动轮椅并等待用户的方向控制；
步骤二：当轮椅处于启动状态时，用户通过头部动作控制轮椅的运动状态，包括前进、后退、左转、右转、左前进、左后退、右前进、右后退；保持头部动作实现轮椅持续运动，头部动作恢复原位后，轮椅暂停动作，恢复到等待用户的方向控制状态；
步骤三：当检测到大脑发出停止命令时，轮椅停止工作；
步骤四：当轮椅停止工作后，除非重新发出启动命令，否则头部动作不能实现对轮椅的控制。
使用一个头部继承的设备(比如帽子)将脑电波采集模块2和多轴传感器1连接在一起，将脑电波采集模块2和多轴传感器1采集的数据通过有线或无线的方式传递给处理器4，处理器4根据采集到的脑电波数据和头部运动数据分析出用户的命令然后传递给轮椅控制器3，轮椅控制器3控制轮椅执行。CPU通过串口中断持续计算接收到的脑电波幅度值，当检测到脑电波的幅度值大于阈值时开始计数，在检测到再次低于该阈值时停止计数。然后分析计数值的大小，如果计数值长度大于某一个阈值则判决为轮椅启动命令，开始启动轮椅。
脑电波采集模块2可以采用TGAM模块，脑电波分析算法可以采用眨眼检测算法，允许用户眨眼时带动的脑电波波动启动和停止轮椅。
多轴传感器1可以采用现有的陀螺仪等模块，例如MPU6050模块，头部动作的检测可以根据输出X、Y、Z轴旋转角度值通过阈值判断。
轮椅控制器3可以采用H桥实现，通过四个MOS管的开闭实现电机的正反向旋转，配合PWM控制旋转的速度，即可实现多个方向的运动控制。
由于脑电波采集模块2和多轴传感器1输出均为串行数据，轮椅控制器3和头戴设备的连接可以使用有线或者无线的方式进行数据传输，为了用户使用方便，可以使用无线蓝牙HC-05传输。当使用有线连接的时候，直接使用串口传输数据，将TGAM模块和MPU6050的TX连接到CPU的RX接线上即可，在CPU端配置对应的串口波特率即可实现数据收发。当使用无线连接，比如HC-05蓝牙的时候，将配对好的蓝牙分别接到CPU的RX和TGAM以及MPU6050的TX，上电后TGAM和MPU6050的数据将自动发送到CPU串口缓冲里面。
开机后，轮椅处于停止状态，并不断接收来至TGAM模块输入的串口数据，并判断串口输出的脑电波采样值是否大于阈值。当检测到脑电波幅度值超过阈值时开始计数，每来一个串口数据计数器加1，当发现串口数据低于阈值的时候检查计数器的值，判断是否大于设定的阈值(该阈值可以根据测试得出，推荐使用值为30)，如果计数值大于该阈值则判定为启动命令，启动轮椅的控制，进入启动状态。否则回到停止状态。
处于启动状态时也不断接收来至TGAM模块输入的串口数据，并判断串口输出的脑电波采样值是否大于阈值。当检测到脑电波幅度值超过阈值时开始计数，每来一个串口数据计数器加1，当发现串口数据低于阈值的时候检查计数器的值，判断是否大于设定的阈值，如果计数值大于该阈值则判定为停止命令，停止轮椅的控制，进入启动状态。否则回到停止状态。
控制过程：系统开机后，根据采集的脑电波，并不断的依据自己的算法分析是否有启动轮椅的命令，检测到用户通过脑电波启动轮椅后便启动轮椅控制。轮椅启动过程中分别检测大脑的轻微动作和脑电波数据，其中头部的轻微动作用于判断轮椅的运动方式，脑电波用于判断是否停止控制。控制轮椅运动过程中，根据头部动作方向的大小设置阈值即可判断是否需要前进、后退、左转、右转以及组合的八个方向运动，而依据一定的算法可以进一步根据摆动的幅度控制轮椅的速度。在控制过程中也可以依据和开始相同的脑电波分析算法判断是否控制轮椅停止运动。
具体实施方式三：结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9说明本实施方式，本实施方式所述脑电波信息和头部动作的采集通过单个头戴设备完成，也就是脑电波采集装置和头部动作采集装置集成在单个头戴设备上。
具体实施方式四：结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9说明本实施方式，本实施方式所述用户头部动作与轮椅运动状态的对应关系可自由对应，用户可以自定义动作来实现前进、后退、左转、右转、左前进、左后退、右前进、右后退等动作控制，比如抬头时控制轮椅往前运动，低头时控制轮椅往后运动，具体的对应关系不做限制。
具体实施方式五：结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9说明本实施方式，本实施方式所述在轮椅的整个运行过程中，持续检测用户的脑电波状态和头部动作，当无法检测到脑电波时，轮椅停止工作。当用户的头戴设备掉了，则无法检测到脑电波，此时判断发生故障，因此将轮椅停止。
具体实施方式六：结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9说明本实施方式，本实施方式所述基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法的控制装置，其特征在于：所述控制装置包括多轴传感器1、脑电波采集模块2、轮椅控制器3、处理器4、轮椅5、电机和电池，其中多轴传感器1和脑电波采集模块2集成在单个头戴装置上，并连接在处理器4的输入端，轮椅控制器3连接在处理器4的输出端，轮椅控制器3的输出端连接有多个电机，轮椅控制器3、处理器4和电机均固定在轮椅5上。
多轴传感器1和脑电波采集模块2集成在单个头戴设备上，比如帽子。其中脑电波采集模块2包括脑电波主电极和脑电波参考电极。多轴传感器1和脑电波采集模块2的输出端均连接在处理器4的信息输入端。多轴传感器1用于采集头部动作信息，脑电波采集模块2用于采集用户的脑电波。轮椅控制器3的输入端连接在处理器4的输出端，轮椅控制器3用于控制轮椅运动。轮椅控制器3的输出端连接有多个电机，轮椅控制器3控制电机的转速和转向。轮椅控制器3、处理器4和电机均固定在轮椅5上，可以通过粘接或其他常见连接方式固定。整个系统通过多块电池供电。所述轮椅控制器3、处理器4和电机及其电池均固定在轮椅上，头戴装置的供电电池固定在头戴装置上。
具体实施方式七：结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9说明本实施方式，本实施方式所述多轴传感器1为MPU6050多轴陀螺仪。
MPU6050模块上电后，MPU6050模块将不断的通过TX引脚使用能够UART协议传输XYZ轴旋转角度到处理器4的串口缓冲区。处理器4即CPU。然后CPU读取其XYZ角度，以进入启动状态的瞬间作为初始角度(wx0,wy0,wz0)，之后一直在串口中断中循环检测(wxi,wyi,wzi)并与(wx0,wy0,wz0)比较，当wxi-wx0大于或者小于某个阈值的时候判断为用户头部摆动幅度满足该X的转向要求，控制轮椅执行相应转向运动。同理对于wyi-wy0可以做同样的分析。结合wxi-wx0和wyi-wy0同时超过阈值可以判定用户是否想要执行组合的转向运动。例如：当人物前面是Y轴正方向的时候，此时wxi-wx0大于阈值表示用户抬头，可以控制轮椅向前运动，小于阈值表示用户低头，可以控制轮椅后退；wyi-wy0大于阈值表示用户头部左偏，可以控制轮椅向左转向，小于阈值表示用户头部右偏，可以控制轮椅向右转向；同理，wxi-wx0和wyi-wy0同时大于阈值表示左前，同时低于阈值表示右后，wxi-wx0大于阈值wyi-wy0小于阈值则表示右前，wxi-wx0小于阈值wyi-wy0大于阈值则表示左后。当wxi-wx0和wyi-wy0均在范围内则认为用户没有动作，可以停止轮椅的运动。
具体实施方式八：结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9说明本实施方式，本实施方式所述脑电波采集模块2采用TGAM模块。
TGAM模块采用电压为3.3V的电源供电，上电后TGAM模块开始工作，自动测量主电极和参考电极之间的电势差，然后放大后从TX以UART协议输出AD采样后的数字信号，该输出信号可以直接连接到处理器4的输入，或者通过配对的HC-05蓝牙模块转发到处理器4做数据处理。
具体实施方式九：结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9说明本实施方式，本实施方式所述轮椅控制器3采用H桥实现，通过四个MOS管的开闭实现电机的正反向旋转，配合PWM控制旋转的速度。
具体实施方式十：结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9说明本实施方式，本实施方式所述多轴传感器1和脑电波采集模块2的信息通过无线或者有线方式传输给处理器4。
多轴传感器1和脑电波采集模块2的信息可以直接通过线路传送给处理器4，也可以通过无线模块，如HC-05蓝牙模块，转发到处理器4。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法，其特征在于，采用脑电波结合用户头部动作来控制轮椅，其中脑电波用于控制轮椅的启停，用户头部动用于控制轮椅的运动方式。
2.根据权利要求1所述的基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法，其特征在于：所述控制方法包括：
步骤一：采集脑电波信息，分析用户是否想要启动轮椅；当检测到用户大脑发出启动轮椅命令时，启动轮椅并等待用户的方向控制；
步骤二：当轮椅处于启动状态时，用户通过头部动作控制轮椅的运动状态，包括前进、后退、左转、右转、左前进、左后退、右前进、右后退；保持头部动作实现轮椅持续运动，头部动作恢复原位后，轮椅暂停动作，恢复到等待用户的方向控制状态；
步骤三：当检测到大脑发出停止命令时，轮椅停止工作；
步骤四：当轮椅停止工作后，除非重新发出启动命令，否则头部动作不能实现对轮椅的控制。
3.根据权利要求2所述的基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法，其特征在于：所述脑电波信息和头部动作的采集通过单个头戴设备完成。
4.根据权利要求2所述的基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法，其特征在于：所述用户头部动作与轮椅运动状态的对应关系可自由对应。
5.根据权利要求2所述的基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法，其特征在于：在轮椅的整个运行过程中，持续检测用户的脑电波状态和头部动作，当无法检测到脑电波时，轮椅停止工作。
6.采用权利要求1所述基于脑电波结合头部动作的轮椅控制方法的控制装置，其特征在于：所述控制装置包括多轴传感器(1)、脑电波采集模块(2)、轮椅控制器(3)、处理器(4)、轮椅(5)、电机和电池，其中多轴传感器(1)和脑电波采集模块(2)集成在单个头戴装置上，并连接在处理器(4)的输入端，轮椅控制器(3)连接在处理器(4)的输出端，轮椅控制器(3)的输出端连接有多个电机，轮椅控制器(3)、处理器(4)和电机均固定在轮椅(5)上。
7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于：所述多轴传感器(1)为MPU6050多轴陀螺仪。
8.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于：所述脑电波采集模块(2)采用TGAM模块。
9.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于：所述轮椅控制器(3)采用H桥实现，通过四个MOS管的开闭实现电机的正反向旋转，配合PWM控制旋转的速度。
10.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于：所述多轴传感器(1)和脑电波采集模块(2)的信息通过无线或者有线方式传输给处理器(4)。
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