CN109276379B - 一种基于ssvep脑控轮椅室内控制训练的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SSVEP脑控轮椅室内控制训练的系统和方法，包括房屋、摄像头、定位线、障碍物、轮椅、定位与避障传感器、固定空间参数、室内空间信息、障碍物位置、摄像头、目的地位置、中控训练系统、优选行进路线和训练路线。本发明的有益效果是：房屋四角处固定的摄像头为多点无线摄像头组，可以获得室内障碍物和轮椅位置实时图像信息，操作者可以及时快捷的知晓所处位置的情况和障碍物位置等详细信息，以便于操作者后期对轮椅的实际操作，该系统能够让操作者进行操作轮椅之前需要对周围的环境和轮椅的运动有一定了解，能够有效的提高依靠患者对轮椅的操控能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种室内控制训练的系统，具体为一种基于SSVEP脑控轮椅室内控制训练的系统和方法，属于医疗复建设备领域。
背景技术
随着脑机接口的发展，脑控轮椅在面向严重肢体运动限制患者如肌萎缩侧索硬化，脊髓小脑变性症的运动，或者在针对中风患者的康复等方面有着重要意义。对病患发挥主观能动性，更好的和外部世界进行信息传递也具有一定意义。基于稳态视觉诱发电位的脑控轮椅，主要原理时采用外界的一定编码的视觉刺激信号，使得脑部视觉皮层产生相应频率的VEP电位。然后对后顶枕区通过电极进行脑电信号采集和数据处理，最后通过特征分类算法获得与刺激编码相关的输出命令对轮椅进行控制。SSVEP脑控轮椅优势在于信息传输率较高，脑电信号较强，并且所需训练较少。虽然，在轮椅设计时研究者倾向于添加一定的人工智能组件，在有障碍物的环境中避免碰撞。但时由于SSVEP轮椅在进行控制时需要人眼注视屏幕一段时间，因此在进行操作轮椅之前需要对周围的环境和轮椅的运动有一定了解。尤其在室内环境周围障碍物相对固定，并且对轮椅需要比较准确的操控。如何使患者更好的了解室内环境并且提高依靠患者对轮椅的操控能力，是当前面临解决的一个实际问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于SSVEP脑控轮椅室内控制训练的系统和方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于SSVEP脑控轮椅室内控制训练的系统，包括房屋、摄像头、定位线、障碍物、轮椅、定位与避障传感器、固定空间参数、室内空间信息、障碍物位置、轮椅位置、目的地位置、中控训练系统、优选行进路线和训练路线；所述房屋内部的四个拐角处固定有摄像头，所述房屋四角处固定的摄像头为多点无线摄像头组，所述房屋内部的地面上设置有定位线，所述定位线将房屋内部分为每个边长为5mm的小区域，所述障碍物随意摆放在房屋的内部，所述轮椅放置在房屋内部，所述房屋内部可通过测量得到其内部的长、宽、高、门的位置大小和梁柱等固定的固定空间参数从而得到房屋的室内空间信息，所述室内空间信息输入到中控训练系统，所述障碍物位置由摄像头获得并将其位置信息上传到中控训练系统，所述中控训练系统根据室内空间信息、障碍物位置和轮椅位置得到房屋内部空间的图像并进行图像处理得到矢量坐标图且将矢量坐标图进行直接显示并可以接受脑控轮椅发出的控制指令，所述轮椅位置由定位与避障传感器获得并上传到中控训练系统，所述中控训练系统中的轮椅和障碍物碰撞时，轮椅停止并给出注意操作的提示音，所述目的地位置的信息由操控者根据个人意图上传到中控训练系统，所述中控训练系统可规划出优选行进路线，所述优选行进路线根据安全性、操作命令由多到少以及路径由远到近来进行规划，所述训练路线为操作者根据最优路径在中控训练系统中进行操作训练所形成的路线。
进一步的，为了可以获得室内障碍物和轮椅位置实时图像信息，所述房屋四角处固定的摄像头为多点无线摄像头组。
进一步的，为了更好地定位轮椅和障碍物的位置，所述定位线将房屋内部分为每个边长为5mm的小区域。
进一步的，为了使得操作者可以及时快捷的知晓所处位置的情况和障碍物位置等详细信息，所述中控训练系统根据室内空间信息、障碍物位置和轮椅位置得到房屋内部空间的图像并进行图像处理得到矢量坐标图且将矢量坐标图进行直接显示并可以接受脑控轮椅发出的控制指令。
进一步的，为了让操作者在训练时知晓模拟过程中的各个危险点，提高模拟操作的真实性，所述中控训练系统中的轮椅和障碍物碰撞时，轮椅停止并给出注意操作的提示音。
进一步的，为了使得规划出的路线更加安全且方便操作者操作，所述优选行进路线根据安全性、操作命令由多到少以及路径由远到近来进行规划。
进一步的，所述脑控轮椅室内控制训练系统的训练方法使由以下几个步骤构成：
1)、测量房屋内部的长、宽、高、门的位置大小和梁柱等固定的固定空间参数，得到房屋的室内空间信息，再将室内空间信息输入到中控训练系统中；
2)、根据定位线将房屋内部的地面分为每个边长为mm的小区域，以便更好地确定坐标，标定位置；
3)、中控训练系统对室内空间信息、摄像头和定位与避障传感器的信息进行整合，并为操作者提供显示与事件处理界面；
4)、操作者在中控训练系统中以坐标点方式输入目的地位置和想要行走的路径上的关键点，中控训练系统根据条件进行评分并加权，按照规则计算得分评估路径，选出评分较高的优选行进路线推荐给操作者；
5)、操作者可以在不必操作轮椅的情况下根据优选行进路线在中控训练系统中进行操作训练，训练路线的长度、用时、命令个数和碰撞次数分别被记录并和优选行进路线进行比较计算标准和实际的比率的加和平均值为评分，等到操作者评分在分80％以上即可操作真实的轮椅；
6)、在轮椅真实室内操作时，中控训练系统显示提示路径作为参考，并以1秒刷新一次的速度，实时显示实际路径，给操作者提供帮助，在操作结束后给出操作评分。
本发明的有益效果是：该脑控轮椅室内控制训练的系统设计合理，房屋四角处固定的摄像头为多点无线摄像头组，可以获得室内障碍物和轮椅位置实时图像信息，定位线将房屋内部分为每个边长为5mm的小区域，便于记录轮椅和障碍物的坐标，从而更好地定位轮椅和障碍物的位置，中控训练系统根据室内空间信息、障碍物位置和轮椅位置得到房屋内部空间的图像并进行图像处理得到矢量坐标图且将矢量坐标图进行直接显示并可以接受脑控轮椅发出的控制指令，使得操作者可以及时快捷的知晓所处位置的情况和障碍物位置等详细信息，以便于操作者后期对轮椅的实际操作，中控训练系统中的轮椅和障碍物碰撞时，轮椅停止并给出注意操作的提示音，让操作者在训练时知晓模拟过程中的各个危险点，提高模拟操作的真实性，从而在后期实际操作中降低危险，提高安全性，优选行进路线根据安全性、操作命令由多到少以及路径由远到近来进行规划，使得规划出的路线更加安全且方便操作者操作，该系统能够让操作者进行操作轮椅之前需要对周围的环境和轮椅的运动有一定了解，能够有效的提高依靠患者对轮椅的操控能力。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明房屋内部结构示意图；
图3为本发明实施例规划路径与训练路径示意图
图中：1、房屋，2、摄像头，3、定位线，4、障碍物，5、轮椅，6、定位与避障传感器，7、固定空间参数，8、室内空间信息，9、障碍物位置，10、摄像头，11、目的地位置，12、中控训练系统，13、优选行进路线，14、训练路线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，一种基于SSVEP脑控轮椅室内控制训练的系统，包括房屋1、摄像头2、定位线3、障碍物4、轮椅5、定位与避障传感器6、固定空间参数7、室内空间信息8、障碍物位置9、轮椅位置10、目的地位置11、中控训练系统12、优选行进路线13和训练路线14；所述房屋1内部的四个拐角处固定有摄像头2，所述房屋1四角处固定的摄像头2为多点无线摄像头组，所述房屋1内部的地面上设置有定位线3，所述定位线3将房屋内部分为每个边长为5mm的小区域，所述障碍物4随意摆放在房屋1的内部，所述轮椅5放置在房屋1内部，所述房屋1内部可通过测量得到其内部的长、宽、高、门的位置大小和梁柱等固定的固定空间参数7从而得到房屋1的室内空间信息8，所述室内空间信息8输入到中控训练系统12，所述障碍物位置9由摄像头2获得并将其位置信息上传到中控训练系统12，所述中控训练系统12根据室内空间信息8、障碍物位置9和轮椅位置10得到房屋1内部空间的图像并进行图像处理得到矢量坐标图且将矢量坐标图进行直接显示并可以接受脑控轮椅发出的控制指令，所述轮椅位置10由定位与避障传感器6获得并上传到中控训练系统12，所述中控训练系统12中的轮椅5和障碍物4碰撞时，轮椅5停止并给出注意操作的提示音，所述目的地位置11的信息由操控者根据个人意图上传到中控训练系统12，所述中控训练系统12可规划出优选行进路线13，所述优选行进路线13根据安全性、操作命令由多到少以及路径由远到近来进行规划，所述训练路线14为操作者根据最优路径在中控训练系统12中进行操作训练所形成的路线。
作为本发明的一种技术优化方案：所述房屋1四角处固定的摄像头2为多点无线摄像头组；所述定位线3将房屋内部分为每个边长为5mm的小区域；所述中控训练系统12根据室内空间信息8、障碍物位置9和轮椅位置10得到房屋1内部空间的图像并进行图像处理得到矢量坐标图且将矢量坐标图进行直接显示并可以接受脑控轮椅发出的控制指令；所述中控训练系统12中的轮椅5和障碍物4碰撞时，轮椅5停止并给出注意操作的提示音；所述优选行进路线13根据安全性、操作命令由多到少以及路径由远到近来进行规划。
所述脑控轮椅室内控制训练系统的训练方法由以下几个步骤构成：
1)、测量房屋1内部的长、宽、高、门的位置大小和梁柱等固定的固定空间参数7，得到房屋1的室内空间信息8，再将室内空间信息8输入到中控训练系统12中；
2)、根据定位线3将房屋1内部的地面分为每个边长为5mm的小区域，以便更好地确定坐标，标定位置；
3)、中控训练系统12对室内空间信息8、摄像头2和定位与避障传感器6的信息进行整合，并为操作者提供显示与事件处理界面；
4)、操作者在中控训练系统12中以坐标点方式输入目的地位置11和想要行走的路径上的关键点，中控训练系统12根据条件进行评分并加权，按照规则计算得分评估路径，选出评分较高的优选行进路线13推荐给操作者；
5)、操作者可以在不必操作轮椅的情况下根据优选行进路线13在中控训练系统12中进行操作训练，训练路线14的长度、用时、命令个数和碰撞次数分别被记录并和优选行进路线13进行比较计算标准和实际的比率的加和平均值为评分，等到操作者评分在80分80％以上即可操作真实的轮椅5；
6)、在轮椅5真实室内操作时，中控训练系统12显示提示路径作为参考，并以1秒刷新一次的速度，实时显示实际路径，给操作者提供帮助，在操作结束后给出操作评分。
如图3所示：本发明在使用时，首先测量房屋内部的长、宽、高、门的位置大小和梁柱等固定的固定空间参数，得到房屋的室内空间信息，再将室内空间信息输入到中控训练系统中，再根据定位线将房屋内部的地面分为每个边长为mm的小区域，以便更好地确定坐标，标定位置，然后操作者在中控训练系统中以坐标点方式输入目的地位置和想要行走的路径上的关键点，中控训练系统根据条件进行评分并加权，按照规则计算得分评估路径，选出评分较高的优选行进路线推荐给操作者，然后操作者可以在不必操作轮椅的情况下根据优选行进路线在中控训练系统中进行操作训练，训练路线的长度、用时、命令个数和碰撞次数分别被记录并和优选行进路线进行比较计算标准和实际的比率的加和平均值为评分，等到操作者评分在分80％以上即可操作真实的轮椅，在轮椅真实室内操作时，中控训练系统显示提示路径作为参考，并以秒刷新一次的速度，实时显示实际路径，给操作者提供帮助，操作者可根据显示的路径进行见机改变。
为获得枕区的视觉刺激脑电响应信号记录，按照国际脑电图学会制定的10-20国际标准，选择O1、Oz、O2、PO3、POz、PO4六个电极采集脑电信号，另外以Cz为参考电极，FPz和Fz的中点为地电极。闪烁频率f通常选择为5-15Hz之间，这样得到的信号质量较好。这里闪烁频率选择分别为8、9、10、11和12Hz分别代表停止、后、左、右和前。轮椅一个操作过程周期t主要分为两部分时间段t1和t2操控者注视闪烁屏幕，闪烁块按照既定闪烁频率模式和时长t1在屏幕上闪烁，其后一定时间t2闪烁块停止闪烁，在此期间操作者可以进行休息和观察周围环境，然后进入下一个相同的操作过程周期t。t、t1和t2可根据控制者个人操作情况和舒适程度感觉进行自主定义。本设计t、t1和t2拟采用4s、2s、2s。正常电动轮椅速度s为0-6km/h可调，由于系统是为特殊患者设计，为确保操控者安全和舒适本设计轮椅速度v1拟设置为25cm/s，左右转动角度ω为15°/s。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (1)
1.一种基于SSVEP脑控轮椅室内控制训练系统的操作方法，其特征在于：
所述基于SSVEP脑控轮椅室内控制训练的系统包括房屋（1）、摄像头（2）、定位线（3）、障碍物（4）、轮椅（5）、定位与避障传感器（6）、固定空间参数（7）、室内空间信息（8）、障碍物位置（9）、轮椅位置（10）、目的地位置（11）、中控训练系统（12）、优选行进路线（13）和训练路线（14）；
所述房屋（1）内部的四个拐角处固定有摄像头（2），所述房屋（1）内部的地面上设置有定位线（3），所述障碍物（4）随意摆放在房屋（1）的内部，所述轮椅（5）放置在房屋（1）内部，所述房屋（1）内部通过测量得到其内部的长、宽、高、门的位置大小和梁柱的固定空间参数（7）从而得到房屋（1）的室内空间信息（8），所述室内空间信息（8）输入到中控训练系统（12），所述障碍物位置（9）由摄像头（2）获得并将其位置信息上传到中控训练系统（12），所述轮椅位置（10）由定位与避障传感器（6）获得并上传到中控训练系统（12），所述目的地位置（11）的信息由操控者根据个人意图上传到中控训练系统（12），所述中控训练系统（12）可规划出优选行进路线（13），所述训练路线（14）为操作者根据最优路径在中控训练系统（12）中进行操作训练所形成的路线；
所述房屋（1）四角处固定的摄像头（2）为多点无线摄像头组；所述定位线（3）将房屋内部分为每个边长为5mm的小区域；所述中控训练系统（12）根据室内空间信息（8）、障碍物位置（9）和轮椅位置（10）得到房屋（1）内部空间的图像并进行图像处理得到矢量坐标图且将矢量坐标图进行直接显示并可以接受脑控轮椅发出的控制指令；所述中控训练系统（12）中的轮椅（5）和障碍物（4）碰撞时，轮椅（5）停止并给出注意操作的提示音；所述优选行进路线（13）根据安全性、操作命令由多到少以及路径由远到近来进行规划；
所述操作方法由以下几个步骤构成：
1）、测量房屋（1）内部的长、宽、高、门的位置大小和梁柱的固定空间参数（7），得到房屋（1）的室内空间信息（8），再将室内空间信息（8）输入到中控训练系统（12）中；
2）、根据定位线（3）将房屋（1）内部的地面分为每个边长为5mm的小区域，以便确定坐标，标定位置；
3）、中控训练系统（12）对室内空间信息（8）、摄像头（2）和定位与避障传感器（6）的信息进行整合，并为操作者提供显示与事件处理界面；
4）、操作者在中控训练系统（12）中以坐标点方式输入目的地位置（11）和想要行走的路径上的关键点，中控训练系统（12）根据条件进行评分并加权，按照规则计算得分评估路径，选出评分较高的优选行进路线（13）推荐给操作者；
5）、操作者可以在不必操作轮椅的情况下根据优选行进路线（13）在中控训练系统（12）中进行操作训练，训练路线（14）的长度、用时、命令个数和碰撞次数分别被记录并和优选行进路线（13）进行比较计算标准和实际的比率的加和平均值为评分，等到操作者评分在80分以上即可操作真实的轮椅（5）；
6）、在轮椅（5）真实室内操作时，中控训练系统（12）显示提示路径作为参考，并以1秒刷新一次的速度，实时显示实际路径，给操作者提供帮助，在操作结束后给出操作评分。
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