CN110353899A - 一种智能轮椅 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能轮椅，所述智能轮椅将眼电数据运用到轮椅工作模式的切换中，并采用以头部姿态控制轮椅运动的策略；所述受控轮椅在所述驱动控制模式下，使用者能够自由转动头部观察身边的事物；当使用者意图转向时，可通过眼部动作，使所述受控轮椅进入所述转向控制模式，在该模式下，使用者的头部可控制所述受控轮椅进行转向。本发明优化了控制逻辑，提升了使用体验，兼顾操纵性、灵活性和舒适性，让使用者在能自由观察轮椅周边环境的同时，自如地操作轮椅。

Description

一种智能轮椅
技术领域
本发明涉及智能控制领域，特别是涉及一种智能轮椅。
背景技术
随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们对运用现代高新技术来增强生活自由度、改善生活质量的需求日益增长。其中，部分特护人群因外伤、疾病等原因造成高位截瘫或神经损伤，全身可能只剩下颈部以上的部分可以活动，由于缺乏合适的控制方式，无法使用常见的普通轮椅、手摇轮椅或电动轮椅。因此，针对轮椅智能控制的研究已成为热点之一。
现有技术中，主要通过摄像头或设于使用者太阳穴附近的粘性电极采集眼球左右转动的信号控制轮椅的左右转向；但是，现有方案主要存在下述瓶颈：将眼电信号作为控制轮椅方向的导向信号，意味着使用者在调整轮椅方向的同时难以实现对其它方向的自由观察，这种方案既不符合人类习惯，极其容易让使用者感到疲劳甚至是眩晕，存在一定的安全隐患。另外的问题是，基于摄像头采集信号的方案成本较高，且可能涉及隐私问题；而粘贴在使用者太阳穴附近的粘性电极非常影响美观和佩戴舒适度，且易在使用过程中从面部脱落，并不适宜反复使用。
发明内容
本发明的目的解决现有技术的瓶颈，提供一种融合眼电及头部姿态控制的智能轮椅，由以下技术方案实现：
一种智能轮椅，包括护目镜控制器和受控轮椅；
所述护目镜控制器包括护目镜本体、采集电极、眼电模数转换芯片、镜载姿态传感器、镜载主控单元和镜载无线通信模块；所述护目镜本体包括镜框及固定装置；所述镜框上部边缘为上部接触面，所述镜框下部边缘为下部接触面；所述采集电极包括上眼眶电极、下眼眶电极和参考电极，所述上眼眶电极设于所述上部接触面，所述下眼眶电极设于所述下部接触面，所述参考电极设于所述上眼眶电极和下眼眶电极所设位置以外的镜框接触面；所述固定装置连接所述镜框两端，用于将所述镜框固定在使用者的面部；所述采集电极与所述眼电模数转换芯片电连接，所述镜载主控单元与所述眼电模数转换芯片、镜载姿态传感器及所述镜载无线通信模块电连接；
所述受控轮椅包括轮椅本体，以及设于所述轮椅本体的驱动电机、椅载主控单元及椅载无线通信模块；所述椅载主控单元与所述驱动电机、椅载姿态传感器及椅载无线通信模块电连接；所述椅载主控单元通过镜载无线通信模块和椅载无线通信模块与所述镜载主控单元通信；所述椅载主控单元预设有驱动控制模式和转向控制模式；所述椅载主控单元根据所述采集电极获得的眼电数据进入所述转向控制模式或所述驱动控制模式，根据所述镜载姿态传感器获得的头部姿态数据控制所述驱动电机。
相较于现有技术，本发明的智能轮椅将眼电数据运用到轮椅工作模式的切换中，并采用以头部姿态控制轮椅运动的策略；所述受控轮椅在所述驱动控制模式下，使用者能够自由转动头部观察身边的事物；当使用者意图转向时，可通过眼部动作，使所述受控轮椅进入所述转向控制模式，在该模式下，使用者的头部可控制所述受控轮椅进行转向。另外，本发明利用护目镜镜框结构中的接触面，能将所述采集电极隐蔽、牢固地贴合在使用者面部，一方面可以省去采集电极用于粘贴在使用者面部的粘性物质，改善了使用者的佩戴舒适度，让采集电极本身更加适宜重复使用，另一方面减少了外界对采集电极的影响，提升了眼电采集过程的可靠性；本发明优化了控制逻辑，提升了使用体验，兼顾操纵性、灵活性和舒适性，让使用者在能自由观察轮椅周边环境的同时，自如地操作轮椅。
作为对上述智能轮椅的改进，所述采集电极可采用导电海绵。
导电海绵具有良好的表面导电性，且导电有效期长、抗腐蚀性强，目前主要应用于PDP 电视、LCD显示器、液晶电视、手机等电子产品以及军工、航天领域等领域。相比本领域在眼电数据采集时常用的摄像头和黏性的银/氯化银电极，导电海绵的使用成本低廉、舒适性更高且更加适合循环使用；另外，导电海绵对所述镜框还能起到一定的缓冲作用，进一步改善了使用者的使用舒适度。
进一步的，所述护目镜控制器还可增设受控于所述镜载主控单元的提示模块，所述提示模块设于所述固定装置内。
通过增设提示模块，本发明能根据使用者对的操作向使用者提供反馈，让使用者知晓所述智能轮椅的操作状态。
进一步的，所述受控轮椅还可增设椅载姿态传感器；所述椅载主控单元根据所述镜载姿态传感器与椅载姿态传感器之间的偏航角差值控制所述驱动电机进行转向运作。
相比单独利用镜载姿态传感器控制所述受控轮椅转向，通过增设椅载姿态传感器作为镜载姿态传感器的参照，根据所述镜载姿态传感器与椅载姿态传感器之间的偏航角差值控制所述受控轮椅转向，能让使用者参照受控轮椅，实现更加精细的转向操作。
在一个实施例中，所述眼电数据包括有意识眨眼动作和无意识眨眼动作；所述椅载主控单元根据所述有意识眨眼动作进入所述转向控制模式或所述驱动控制模式。
将电信号强度大、易于识别的眨眼动作运用到轮椅工作模式的切换中，减少了对接触电极数的需求；当使用者意图转向时，通过一次的有意识眨眼动作，轮椅即可进入所述转向控制模式或所述驱动控制模式，操作简单方便。
进一步的，所述镜载主控单元通过自适应算法或机器学习算法从所述眼电数据中识别提取所述有意识眨眼动作。
通过自适应算法或机器学习算法，以此对所述眼电数据进行识别分类，能准确区分有意识眨眼动作和无意识眨眼动作，提高对有意识眨眼动作的识别准确率，保证了本发明的可操纵性和稳定性。
进一步的，所述眼电数据还包括眼球翻移；所述镜载主控单元识别到所述眼球翻移时，发出求救信号；其中，所述眼球翻移是使用者的眼球单向运动超出预设的警戒时长或警戒强度。
对眼球翻移进行采集识别，让使用者遇到紧急情况时，能够通过控制眼球发出求救信号；特别的，在遇到使用者发生癫痫、惊厥、休克等丧失意识无法主动求救的状况下，本发明能因应其可能出现的眼球上翻症状进行识别，保证求救信号的顺利发出，从而提高了对特护人群的安全保障。
在一个实施例中，所述镜载主控单元根据所述镜载姿态传感器的俯仰角识别使用者的点头或仰头动作；
所述椅载主控单元在静默状态下，所述镜载主控单元识别到连续两次点头动作时，所述椅载主控单元从静默状态进入所述驱动控制模式；
所述椅载主控单元在所述驱动控制模式下，所述镜载主控单元识别到点头动作时，所述椅载主控单元控制所述驱动电机进行前进运作；
在所述受控轮椅前进过程中，所述镜载主控单元识别到在预设的阈值角度内的仰头动作时，所述椅载主控单元控制所述驱动电机进行刹车运作；所述护目镜控制器识别到超出预设的阈值时长或阈值幅度的仰头动作时，所述椅载主控单元控制所述驱动电机进行倒车运作。
通过以上细化改进，利用欧拉角数据中的俯仰角，让使用者能细致地运用所述护目镜控制器控制所述受控轮椅，实现对轮椅前进、刹车、后退等精确、便捷的控制。
进一步的，在所有情况下，所述镜载主控单元识别到头部后倾角度达10°以上的仰头动作时，所述椅载主控单元控制所述驱动电机进行倒车运作。
通过以上改进，本发明能因应紧急情况，对轮椅进行刹车，以保障使用者安全。
进一步的，所述镜载主控单元根据所述镜载姿态传感器的翻滚角识别使用者的头部向左倾或右倾的摆动动作；所述镜载主控单元识别到连续左右各一次的摆动动作时，所述椅载主控单元从所述驱动控制模式退出恢复静默状态。
通过以上改进，本发明能利用欧拉角数据中的翻滚角，实现对轮椅工作模式的切换。
附图说明
图1是本发明实施例1的智能轮椅的示意图；
图2是本发明实施例1所述护目镜控制器的示意图；
图3是本发明实施例1所述护目镜控制器的示意图；
图4是本发明实施例1的三轴欧拉角演示图；
图5是本发明实施例1的运作逻辑流程图。
具体实施方式
实施例1
请参阅图1，一种智能轮椅，包括护目镜控制器1和受控轮椅2；
所述护目镜控制器1包括护目镜本体、采集电极16、眼电模数转换芯片、镜载姿态传感器、镜载主控单元和镜载无线通信模块；所述护目镜本体包括镜框12及固定装置14；所述镜框12上部边缘为上部接触面，所述镜框12下部边缘为下部接触面；所述采集电极16包括上眼眶电极161、下眼眶电极162和参考电极，所述上眼眶电极161设于所述上部接触面，所述下眼眶电极162设于所述下部接触面，所述参考电极16设于所述上眼眶电极161和下眼眶电极162所设位置以外的镜框接触面；所述固定装置14连接所述镜框12两端，用于将所述镜框12固定在使用者的面部；所述采集电极16与所述眼电模数转换芯片电连接，所述镜载主控单元与所述眼电模数转换芯片、镜载姿态传感器及所述镜载无线通信模块电连接；
所述受控轮椅包括轮椅本体，以及设于所述轮椅本体的驱动电机、椅载主控单元及椅载无线通信模块；所述椅载主控单元与所述驱动电机、椅载姿态传感器及椅载无线通信模块电连接；所述椅载主控单元通过镜载无线通信模块和椅载无线通信模块与所述镜载主控单元通信；所述椅载主控单元预设有驱动控制模式和转向控制模式；所述椅载主控单元根据所述采集电极获得的眼电数据进入所述转向控制模式或所述驱动控制模式，根据所述镜载姿态传感器获得的头部姿态数据控制所述驱动电机。
相较于现有技术，本发明的智能轮椅将眼电数据运用到轮椅工作模式的切换中，并采用以头部姿态控制轮椅运动的策略；所述受控轮椅在所述驱动控制模式下，使用者能够自由转动头部观察身边的事物；当使用者意图转向时，可通过眼部动作，使所述受控轮椅进入所述转向控制模式，在该模式下，使用者的头部可控制所述受控轮椅进行转向。另外，本发明利用护目镜镜框结构中的接触面，能将所述采集电极隐蔽、牢固地贴合在使用者面部，一方面可以省去采集电极用于粘贴在使用者面部的粘性物质，改善了使用者的佩戴舒适度，让采集电极本身更加适宜重复使用，另一方面减少了外界对采集电极的影响，提升了眼电采集过程的可靠性；本发明优化了控制逻辑，提升了使用体验，兼顾操纵性、灵活性和舒适性，让使用者在能自由观察轮椅周边环境的同时，自如地操作轮椅。
在一个可选的实施例中，所述眼电模数转换芯片可采用ADS1293作为眼电采集的芯片； ADS1293芯片为一款针对心电和脑电信号采集的模数转换芯片，能够在小型轻量、低成本条件下保证采集精度。
所述固定装置14可选用固定带，所述护目镜控制器1涉及的电池等模块可设于所述固定带14内。
本实施例使用的电源优选用锂电池。
所述镜载主控单元和椅载主控单元可采用Raspberry Pi或STM32系列的ARM。Raspberry Pi或STM32系列的ARM均属于微型计算机，具有体积小、功耗低、功能丰富等的特点。
所述护目镜控制器1与所述受控轮椅2的通信优选采用蓝牙连接。
所述镜载姿态传感器可选为包括陀螺仪和/或加速度传感器和/或磁强计的传感器。所述椅载主控单元将所述镜载姿态传感器采集到的数据进行分析处理后，控制所述驱动电机。
人类肉眼的眼球运动或眨眼时产生的生理电信号称为眼电信号或眼电数据，可以被设置于眼睛周围的电极直接检测到。
所述采集电极获得的眼电数据具体可以以肌电信号或电极间电势差的形式存在；本实施例可采用小波去噪方法，通过整合特征提取和低通滤波对所述眼电数据进行去噪声处理，从而减少数据处理的点数，降低了后续处理的时间复杂度；同时消除信号毛刺，让特征更加明显，利于后续的信号分析识别。每进行一次小波包分解，便能将点数减少一半；经过四次小波包变换，可窗长为512个数据点的一帧数据，变为仅含32个点的数据序列，大大降低了后续处理的时间复杂度。
在一个可选的实施例中，请参阅图2，所述上眼眶电极161和下眼眶电极162设于左侧镜框，所述参考电极163A设于右侧镜框并完全占据右侧镜框周边边缘的接触面；在另一个可选的实施例中，请参阅图3，所述参考电极163B与所述上眼眶电极161和下眼眶电极162均设于同侧镜框，其中，所述所述参考电极163B设于该侧镜框所述上部接触面121和下部接触面122以外的接触面。
参考电极163A或163B的存在可以抑制所述上眼眶电极161和下眼眶电极161受到的共模干扰和电磁干扰，减少后续数据处理的复杂度，提高检测准确性。
在一个可选的实施例中，作为对上述智能轮椅的改进，所述采集电极16可采用导电海绵。
导电海绵具有良好的表面导电性，且导电有效期长、抗腐蚀性强，目前主要应用于PDP 电视、LCD显示器、液晶电视、手机等电子产品以及军工、航天领域等领域。相比本领域在眼电数据采集时常用的摄像头和黏性的银/氯化银电极，导电海绵的使用成本低廉、舒适性更高且更加适合循环使用；另外，导电海绵对所述镜框还能起到一定的缓冲作用，进一步改善了使用者的使用舒适度。
进一步的，所述护目镜控制器还可增设受控于所述镜载主控单元的提示模块，所述提示模块设于所述固定装置内。
通过增设提示模块，本发明能根据使用者对的操作向使用者提供反馈，让使用者知晓所述智能轮椅的操作状态。
所述提示模块可采用语音、蜂鸣及震动等方式对使用者进行提示。
在一个实施例中，所述眼电数据包括有意识眨眼动作和无意识眨眼动作；所述椅载主控单元根据所述有意识眨眼动作进入所述转向控制模式或所述驱动控制模式。
将电信号强度大、易于识别的眨眼动作运用到轮椅工作模式的切换中，减少了对接触电极数的需求；当使用者意图转向时，通过一次的有意识眨眼动作，轮椅即可进入所述转向控制模式或所述驱动控制模式，操作简单方便。
进一步的，所述镜载主控单元通过自适应算法或机器学习算法从所述眼电数据中识别提取所述有意识眨眼动作。
通过自适应算法或机器学习算法，以此对所述眼电数据进行识别分类，能准确区分有意识眨眼动作和无意识眨眼动作，提高对有意识眨眼动作的识别准确率，保证了本发明的可操纵性和稳定性。
进一步的，所述眼电数据还包括眼球翻移；所述镜载主控单元识别到所述眼球翻移时，发出求救信号；其中，所述眼球翻移是使用者的眼球单向运动超出预设的警戒时长或警戒强度。
对眼球翻移进行采集识别，让使用者遇到紧急情况时，能够通过控制眼球发出求救信号；特别的，在遇到使用者发生癫痫、惊厥、休克等丧失意识无法主动求救的状况下，本发明能因应其可能出现的眼球上翻症状进行识别，保证求救信号的顺利发出，从而提高了对特护人群的安全保障。
优选的，所述椅载无线通信模块可增加GSM模块，所述受控轮椅通过所述GSM模块发送求救短信给预设的紧急联系人。
在一个可选的实施例中，
所述镜载主控单元根据所述镜载姿态传感器的俯仰角识别使用者的点头或仰头动作；
所述椅载主控单元在静默状态下，所述镜载主控单元识别到连续两次点头动作时，所述椅载主控单元从静默状态进入所述驱动控制模式；
所述椅载主控单元在所述驱动控制模式下，所述镜载主控单元识别到点头动作时，所述椅载主控单元控制所述驱动电机进行前进运作；
在所述受控轮椅前进过程中，所述镜载主控单元识别到在预设的阈值角度内的仰头动作时，所述椅载主控单元控制所述驱动电机进行刹车运作；所述护目镜控制器识别到超出预设的阈值时长或阈值幅度的仰头动作时，所述椅载主控单元控制所述驱动电机进行倒车运作。
通过以上细化改进，利用欧拉角数据中的俯仰角，让使用者能细致地运用所述护目镜控制器控制所述受控轮椅，实现对轮椅前进、刹车、后退等精确、便捷的控制。
进一步的，在所有情况下，所述镜载主控单元识别到头部后倾角度达10°以上的仰头动作时，所述椅载主控单元控制所述驱动电机进行倒车运作。
通过以上改进，本实施例能因应紧急情况，对轮椅进行刹车，以保障使用者安全。
进一步的，所述镜载主控单元根据所述镜载姿态传感器的翻滚角识别使用者的头部向左倾或右倾的摆动动作；所述镜载主控单元识别到连续左右各一次的摆动动作时，所述椅载主控单元从所述驱动控制模式退出恢复静默状态。
通过以上改进，本实施例能利用欧拉角数据中的翻滚角，实现对轮椅工作模式的切换。
具体原理请参阅图4，本实施例中关于三轴欧拉角数据：Yaw(偏航角α)、Pitch(俯仰角β)、Roll(翻滚角θ)的图解；使用者在水平扭转面部朝向时，所述镜载姿态传感器的偏航角α会发生变化；使用者在点头或仰头时，所述镜载姿态传感器的俯仰角β会发生变化；使用者在左右摆头时，所述镜载姿态传感器的翻滚角θ会发生变化。
在一个可选的实施例中，所述镜载姿态传感器可采用九轴姿态传感器；九轴姿态传感器能通过内部集成的陀螺仪、加速度传感器和磁强计获得Yaw(偏航角α)、Pitch(俯仰角β)、 Roll(翻滚角θ)三轴欧拉角数据。本实施例中的九轴姿态传感器采用BNO055九轴传感器，该传感器为博世传感技术有限公司的一款高精度、高灵敏度、轻量化的产品，目前主要运用于虚拟现实、游戏、导航等领域。
请参阅图5，本实施例所述智能轮椅的运作逻辑流程图。
S0，静默状态；
S1，识别使用者的连续两次点头动作；
S11，进入驱动控制模式；
S12，通过识别使用者点头/仰头动作，驱动受控轮椅前进、刹车或后退；
S2，识别使用者的一次有意识眨眼动作；
S21，进入转向控制模式；
S22，通过识别使用者头部向左/右转动，驱动受控轮椅左或右转向；
S3，识别使用者的一次有意识眨眼动作或超时；
S31，返回驱动控制模式；
S4，识别使用者头部连续左右各一次的摆动动作；
S41，返回静默状态。
实施例2
实施例2为实施例1基础上的一种改进，具体的：
所述受控轮椅还可增设椅载姿态传感器；所述椅载主控单元根据所述镜载姿态传感器与椅载姿态传感器之间的偏航角差值控制所述驱动电机进行转向运作。
相比单独利用镜载姿态传感器控制所述受控轮椅转向，通过增设椅载姿态传感器作为镜载姿态传感器的参照，根据所述镜载姿态传感器与椅载姿态传感器之间的偏航角差值控制所述受控轮椅转向，能让使用者参照受控轮椅，实现更加精细的转向操作。
本实施例中的椅载姿态传感器亦可采用BNO055九轴传感器。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种智能轮椅，其特征在于：包括护目镜控制器和受控轮椅；
所述护目镜控制器包括护目镜本体、采集电极、眼电模数转换芯片、镜载姿态传感器、镜载主控单元和镜载无线通信模块；所述护目镜本体包括镜框及固定装置；所述镜框上部边缘为上部接触面，所述镜框下部边缘为下部接触面；所述采集电极包括上眼眶电极、下眼眶电极和参考电极，所述上眼眶电极设于所述上部接触面，所述下眼眶电极设于所述下部接触面，所述参考电极设于所述上眼眶电极和下眼眶电极所设位置以外的镜框接触面；所述固定装置连接所述镜框两端，用于将所述镜框固定在使用者的面部；所述采集电极与所述眼电模数转换芯片电连接，所述镜载主控单元与所述眼电模数转换芯片、镜载姿态传感器及所述镜载无线通信模块电连接；
所述受控轮椅包括轮椅本体，以及设于所述轮椅本体的驱动电机、椅载主控单元及椅载无线通信模块；所述椅载主控单元与所述驱动电机、椅载姿态传感器及椅载无线通信模块电连接；所述椅载主控单元通过镜载无线通信模块和椅载无线通信模块与所述镜载主控单元通信；所述椅载主控单元预设有驱动控制模式和转向控制模式；所述椅载主控单元根据所述采集电极获得的眼电数据进入所述转向控制模式或所述驱动控制模式，根据所述镜载姿态传感器获得的头部姿态数据控制所述驱动电机。
2.根据权利要求1所述的智能轮椅，其特征在于：所述采集电极为导电海绵。
3.根据权利要求1所述的智能轮椅，其特征在于：所述护目镜控制器还包括受控于所述镜载主控单元的提示模块，所述提示模块设于所述固定装置内。
4.根据权利要求1所述的智能轮椅，其特征在于：所述受控轮椅还包括设于所述轮椅本体的椅载姿态传感器；所述椅载主控单元根据所述镜载姿态传感器与椅载姿态传感器之间的偏航角差值控制所述驱动电机进行转向运作。
5.根据权利要求1所述的智能轮椅，其特征在于：所述眼电数据包括有意识眨眼动作和无意识眨眼动作；所述椅载主控单元根据所述有意识眨眼动作进入所述转向控制模式或所述驱动控制模式。
6.根据权利要求5所述的智能轮椅，其特征在于：所述镜载主控单元通过自适应算法或机器学习算法从所述眼电数据中识别提取所述有意识眨眼动作。
7.根据权利要求1所述的智能轮椅，其特征在于：所述眼电数据还包括眼球翻移；所述镜载主控单元识别到所述眼球翻移时，发出求救信号；其中，所述眼球翻移是使用者的眼球单向运动超出预设的警戒时长或警戒强度。
8.根据权利要求1所述的智能轮椅，其特征在于：所述镜载主控单元根据所述镜载姿态传感器的俯仰角识别使用者的点头或仰头动作；
所述椅载主控单元在静默状态下，所述镜载主控单元识别到连续两次点头动作时，所述椅载主控单元从静默状态进入所述驱动控制模式；
所述椅载主控单元在所述驱动控制模式下，所述镜载主控单元识别到点头动作时，所述椅载主控单元控制所述驱动电机进行前进运作；
在所述受控轮椅前进过程中，所述镜载主控单元识别到在预设的阈值角度内的仰头动作时，所述椅载主控单元控制所述驱动电机进行刹车运作；所述护目镜控制器识别到超出预设的阈值时长或阈值幅度的仰头动作时，所述椅载主控单元控制所述驱动电机进行倒车运作。
9.根据权利要求8所述的智能轮椅，其特征在于：在所有情况下，所述镜载主控单元识别到头部后倾角度达10°以上的仰头动作时，所述椅载主控单元控制所述驱动电机进行倒车运作。
10.根据权利要求8所述的智能轮椅，其特征在于：所述镜载主控单元根据所述镜载姿态传感器的翻滚角识别使用者的头部向左倾或右倾的摆动动作；所述镜载主控单元识别到连续左右各一次的摆动动作时，所述椅载主控单元从所述驱动控制模式退出恢复静默状态。
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