CN112057251A - 一种眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅及控制方法。该系统包括轮椅机构、信号采集装置一、信号采集装置二、信号处理装置以及轮椅运动控制装置。信号采集装置一包括双极导联电极贴片组件以及信号获取模块一。信号处理装置包括特征提取模块和模式识别模块。特征提取模块用于提取出眼电信号的波形特征。模式识别模块用于先获取波形特征的各项特征信息，再将各项特征信息与一个预设的识别模式中各项预设识别参数进行比较以确定波形特征所对应的运动方式。轮椅运动控制装置用于根据模式识别模块所确定的运动方式，驱使轮椅本体按照运动方式进行运动。本发明通过眼电信号可以精确地对智能轮椅进行控制，实时性好，提取更加可靠，参数调节简单方便，应用性较强，操作简单，调整方便。

Description

一种眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅及控制方法

技术领域

本发明涉及轮椅技术领域的一种电动智能轮椅，尤其涉及一种眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，还涉及一种眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅控制方法。

背景技术

残疾人在社会上处于弱势群体，占我们人口的很大一部分。肢体残疾者众多，这就给他们的生存和发展造成了严重的困难。虽然在残疾人社会保障方面国家推出了一系列方针政策，现代人对残疾人的观念也逐渐普及，人道主义关怀也逐渐深入人心。但是在具体的生活方面却难以给予他们充足的帮助。不幸有肢体残疾的人，被限制在一个狭小的地方，不能自由享受到户外活动的乐趣。我国的人口老龄化问题已然突显出来，而子女不能一直在老人身边照顾，其中有肢体不便的老人不能自由到户外活动散心，令人惋惜。

目前，控制轮椅的方式大都通过人体四肢控制，手动轮椅更是依靠手臂的力量，电动轮椅需要用手操作控制杆来实现轮椅的移动。但是对于一些手脚不便的人或者有肢体缺陷的人，他们不能很好地用手或者用脚来操作轮椅，这就给他们的行动带来很大的不便。所以需要通过一些新的技术方法来解决这些问题，提高他们的生活质量。

发明内容

为解决现有的轮椅无法满足手脚不便的人或者有肢体缺陷的人进行使用的技术问题，本发明提供一种眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅及控制方法。

本发明采用以下技术方案实现：一种眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其包括：

轮椅机构，其包括轮椅本体和电机；所述电机安装在所述轮椅本体上，并用于驱使所述轮椅本体运动；

信号采集装置一，其包括双极导联电极贴片组件以及信号获取模块一；所述双极导联电极贴片组件包括电极贴片一、电极贴片二、电极贴片三、电极贴片四以及电极贴片五；所述电极贴片一用于贴合在人体脸部的两眼之间的中央区域，且作为参考电极，并用于检测所述人体脸部自带的电信号一；所述电极贴片二和所述电极贴片三分别贴合在所述人体脸部的其中一只眼的上下相对两侧，并用于测量对应的眼球在垂直方向上移动所产生的电信号二；所述电极贴片四和所述电极贴片五分别贴合在所述人体脸部的两眼的左右相对两侧，并用于测量对应的眼球在水平方向上移动所产生的电信号三；所述信号获取模块一用于对所述电信号一、所述电信号二以及所述电信号三进行放大、增益调节以及偏置调节，获取相应的眼电信号；

信号采集装置二，其包括唇部动作感知组件以及信号获取模块二；所述唇部动作感知组件包括感知单元一和感知单元二；所述感知单元一与所述感知单元二用于贴合在人体脸部的嘴部的上下相对两侧，并用于测量所述嘴部的上下唇在垂直方向上相对移动所产生的电信号四；所述信号获取模块二用于对所述电信号四进行放大、增益调节以及偏置调节，获取相应的唇部动作信号并与所述眼电信号一同作为采集数据；

信号处理装置，其包括特征提取模块和模式识别模块；所述特征提取模块用于对所述采集数据进行滤波、采样压缩、波形重复采样，并提取出所述眼电信号和所述唇部动作信号的波形特征；所述模式识别模块用于先获取所述波形特征的各项特征信息，再将各项特征信息与一个预设的识别模式中各项预设识别参数进行比较以确定所述波形特征所对应的运动方式；所述运动方式包括前进、后退、停止、左转、右转、加速、减速、匀速；以及

轮椅运动控制装置，其用于根据所述模式识别模块所确定的运动方式，通过所述电机驱使所述轮椅本体按照所述运动方式进行运动。

本发明通过信号采集装置一的双极导联电极贴片组件中的各个电极贴片贴合在人体脸部的额头、眼球上下两侧以及左右两侧，使用人员通过眼镜的变化动作产生不同的电信号，电信号经过放大、增益调节以及偏置调节后为输入至信号处理装置中的眼电信号。信号采集装置二则通过对人脸的嘴部上下唇之间的相对移动产生电信号，并且电信号也经过处理后为唇部动作信号，唇部动作信号与眼电信号组合为采集数据。信号处理装置的特征提取模块对眼电信号和唇部动作信号进行滤波、采样压缩、波形重复采样处理，获得波形特征，而模式识别模块则可以根据波形特征的各项特征信息确定出使用人员所产生的眼电信号所代表的运动方式，这样轮椅运动控制装置就可以根据这一运动方式对智能轮椅进行控制，使轮椅按照使用人员所想要的运动方式进行运动。如此，使用人员只需要通过眼睛的变化，如眨眼、移动眼球等方式，就可以控制智能轮椅进行各项运动，实现对轮椅的非肢体控制操作，解决了现有的轮椅无法满足手脚不便的人或者有肢体缺陷的人进行使用的技术问题，得到了使用方便，便于各种肢体行动不便的人员使用的技术效果。

作为上述方案的进一步改进，在所述识别模式中，所述模式识别模块判断所述波形特征中的极大值是否位于一个预设范围一内；在所述极大值位于所述预设范围一内时，所述模式识别模块判断所述波形特征中的极小值是否位于一个预设范围二内；在所述极小值位于所述预设范围二内时，所述模式识别模块确定所述运动方式为右转；在所述极大值不位于所述预设范围一内时，所述模式识别模块判断所述极大值是否位于一个预设范围三内；在所述极大值位于所述预设范围三内，所述模式识别模块判断所述极小值是否位于一个预设范围四内；在所述极小值位于所述预设范围四内时，所述模式识别模块确定所述运动方式为左转；在所述极小值不位于所述预设范围四内时，所述模式识别模块判断所述极小值是否位于一个预设范围五内；在所述极小值位于所述预设范围五内时，所述模式识别模块统计一组数中满足所述波形特征位于一个预设范围六内的计数，并判断所述计数是否等于一个预设数字一，是则确定所述运动方式为停车，否则判断所述计数是否等于一个预设数字二，是则确定所述运动方式为前进，否则判断所述计数是否等于一个预设数字三，是则确定所述运动方式为后退，否则重新获取所述波形特征；在所述极小值不位于所述预设范围二内或所述极大值不位于所述预设范围三或所述极小值不位于所述预设范围五内时，所述模式识别模块重新获取所述波形特征。

进一步地，所述预设范围一的下限大于所述预设范围二的上限，所述预设范围三的下限大于或等于所述预设范围一的上限，所述预设范围四的上限小于所述预设范围二的下限，所述预设范围五与所述预设范围二相同，所述预设范围六与所述预设范围三相同。

再进一步地，所述感知单元一与所述感知单元二为测距传感器的发射器和接收器，所述发射器发射测距信号至所述接收器，所述电信号四与所述测距信号的传输时间相关；所述预设范围一为[2.2,2.3)，所述预设范围二和所述预设范围五均为[2,2.15)，所述预设范围三与所述预设范围六均为[2.3,2.4)，所述预设范围四为[1.8,1.95)。

作为上述方案的进一步改进，所述信号获取模块一包括两个信号调理单元、双路采集板以及数据采集卡；所述信号调理单元包括用于放大所述电信号一、所述电信号二以及所述电信号三的仪器放大器、运算放大器，同时用于抑制电极半电池电位；所述双路采集板用于配合两个信号调理单元以实现双路输入，且每一路输入以实现增益调节以及偏置调节；所述数据采集卡用于将调整后的眼电信号传输至所述信号处理装置。

作为上述方案的进一步改进，所述信号处理装置基于LabView环境下建立；所述特征提取模块包括DAQ助手、滤波器、采样压缩单元、波形重采样单元以及波形显示单元；所述DAQ助手用于设置所述采集数据的具体串口，且所述采集数据的类型为电压，采集范围为-5～5V；所述滤波器用于对所述采集数据进行过滤以去除不满足所述采集范围的电压，并过滤掉截止频率大于一个预设频率的噪声；所述采样压缩单元用于对所述采集数据进行连续采样压缩，且采样速率为1000次/秒，压缩因子为50；所述波形重采样单元用于对所述采集数据进行波形重复采样，且重复度设置为二分之一；所述波形显示单元用于显示所述采集数据中的眼电信号的波形。

进一步地，所述模式识别模块提供可视化的模式识别参数调节界面，所述模式识别参数调节界面具有以下输入方式：

(1)眼睛正视屏幕，待所述眼电信号的波形平稳后，眨眼次数依次为1,2,3次，记录信号幅值；

(2)眼睛正视屏幕，待所述眼电信号的波形平稳后，眼睛分别向左看然后回到正视方向，向右看然后回到正视方向，分别记录波形及幅值；

(3)在相应的调节界面填写参数。

再进一步地，所述轮椅运动控制装置包括直流伺服驱动器和光电编码器；所述轮椅运动控制装置所在的上位机根据所述模式识别模块所确定的运动方式产生相应的命令信号至所述直流伺服驱动器，所述直流伺服驱动器根据所述命令信号所指定的运动方式，控制所述电机进行相应的转动，使所述轮椅本体按照所述运动方式进行运动；所述光电编码器用于测量所述电机的转速，并将所述转速返回至所述上位机；

不同的眼电信号和唇部动作信号所对应的命令信号分别为：

(a)双眼眨眼两次且上下唇闭合，驱使所述轮椅本体前进；

(b)双眼眨眼三次且上下唇闭合，驱使所述轮椅本体后退；

(c)向左扫视，驱使所述轮椅本体左转；

(d)向右扫视，驱使所述轮椅本体右转；

(e)双眼眨眼一次且上下唇闭合，驱使所述轮椅本体停车；

(f)上下唇部张开一次，驱使所述轮椅本体加速运动；

(g)上下唇部张开两次，驱使所述轮椅本体减速运动；

(h)上下唇部张开三次，驱使所述轮椅本体匀速运动。

再进一步地，所述双极导联电极贴片组件为Ag/AgCI电极组件，所述信号调理单元为AD8232芯片，所述双路采集板为AD620双电路采集板，所述数据采集卡为NI PCIe-6321数据采集卡；所述直流伺服驱动器为MLD3605-D驱动器，所述电机为MY1016Z直流电机；所述直流伺服驱动器、所述电机以及所述智能轮椅的车轮的数量均为两个且一一对应，每个直流伺服驱动器用于通过对应的电机驱使对应的车轮运动。

本发明还提供一种上述任意所述的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

先检测所述人体脸部自带的电信号一，并测量对应的眼球在垂直方向上移动所产生的电信号二以及在水平方向上移动所产生的电信号三，再所述电信号一、所述电信号二、所述电信号三进行放大、增益调节以及偏置调节，获取相应的眼电信号；

测量所述嘴部的上下唇在垂直方向上相对移动所产生的电信号四，并对所述电信号四进行放大、增益调节以及偏置调节，获取相应的唇部动作信号并与所述眼电信号一同作为采集数据；

对所述采集数据进行滤波、采样压缩、波形重复采样，并提取出所述眼电信号的波形特征；

先获取所述波形特征的各项特征信息，再将各项特征信息与一个预设的识别模式中各项预设识别参数进行比较以确定所述波形特征所对应的运动方式；

根据所述模式识别模块所确定的运动方式，驱使所述轮椅本体按照所述运动方式进行运动。

相较于现有的轮椅控制系统，本发明的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅及控制方法具有以下有益效果：

1、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其通过信号采集装置一的双极导联电极贴片组件中的各个电极贴片贴合在人体脸部的额头、眼球上下两侧以及左右两侧，使用人员通过眼镜的变化动作产生不同的电信号，电信号经过放大、增益调节以及偏置调节后为输入至信号处理装置中的眼电信号。信号采集装置二则通过对人脸的嘴部上下唇之间的相对移动产生电信号，并且电信号也经过处理后为唇部动作信号，唇部动作信号与眼电信号组合为采集数据。信号处理装置的特征提取模块对眼电信号和唇部动作信号进行滤波、采样压缩、波形重复采样处理，获得波形特征，而模式识别模块则可以根据波形特征的各项特征信息确定出使用人员所产生的眼电信号所代表的运动方式，这样轮椅运动控制装置就可以根据这一运动方式对智能轮椅进行控制，使轮椅按照使用人员所想要的运动方式进行运动。如此，使用人员只需要通过眼睛的变化，如眨眼、移动眼球等方式，就可以控制智能轮椅进行各项运动，实现对轮椅的非肢体控制操作，该系统相较于现有的四肢控制系统更加快速和便捷，可以满足各种四肢行动不便的人员使用。

2、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其模式识别模块根据波形特征中的极大值和极小值与各个预设范围进行比较，根据这两个极值所在的预设范围来判断运动方式是左转还是右转，利用一组数中满足预设范围的计数以判断运动方式是前进、后退、停车中的哪一种，这样对于左转和右转命令，只满足各自设定的最小值和最大值即可，对于前进，后退和停车命令，在满足最大值和最小值范围的同时还要满足各自设定的最大值的次数，才能发出命令。如此，通过眼电信号可以精确地对智能轮椅进行控制，控制的实时性更好，并且可以因人而异对预设范围进行设置，具有针对性，能满足不同的人员需求。

3、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其对眼电信号的提取更加可靠：由于采用双导联方式采集眼电信号，信号幅值更大，且对提取的眼电信号经过硬件，LabView软件双重滤波处理，提取的眼电信号更加可靠。

4、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其对于模式识别参数调节更加简单方便：在LabView环境下提供图形化操作界面，模式识别模块参数更容易调节。

5、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其应用性较强：不仅可以帮助肢体运动功能障碍的患者或肢体有缺陷的残疾人，实现对轮椅的非肢体控制操作，还能用于不便用手操作的场合或者高风险工作区域。

6、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其操作简单：提供友好的人机操作界面，并能实时观测到眼电信号波形图，防止误操作。

7、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其调整方便：因为基于LabView软件编写的控制程序，无需改动硬件设备就可以对控制方式等做出改动，更具有柔性特点。

8、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅控制方法，其有益效果与上述眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅的有益效果相同，在此不再做赘述。

附图说明

图1为本发明实施例1的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅的流程框图。

图2为本发明实施例1的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅的结构框图。

图3为图1中的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅的双极导联电极贴片组件的位置图。

图4为图1中的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅的信号采集装置一的模块连线图。

图5为图1中的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅在使用人员眨眼一次产生的仿真波形图。

图6为图1中的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅在使用人员连续眨眼两次产生的仿真波形图。

图7为图1中的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅在使用人员连续眨眼三次产生的仿真波形图。

图8为图1中的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅在使用人员向右看所产生的仿真波形图。

图9为图1中的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅在使用人员向左看所产生的仿真波形图。

图10为图1中的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅的轮椅运动控制装置的模块连线图。

图11为本发明实施例2的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅的模式识别模块的模式判别程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1以及图2，本实施例提供了一种眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅。该轮椅为基于LabView的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，并且采用双极导联方式采集眼电信号。其中，该轮椅包括轮椅机构、信号采集装置一、信号采集装置二、信号处理装置以及轮椅运动控制装置，这些装置之间的通讯方式可以采用现有的通讯方式，如蓝牙、WiFi、串口等。

轮椅机构包括轮椅本体和电机。电机安装在所述轮椅本体上，并用于驱使所述轮椅本体运动。轮椅机构可以为现有的电动轮椅，其通过电驱动的方式使其能够在各种地形中运动，当然，在一些实施例中，轮椅机构还可以为其他能够在外部动力支持下运动的轮椅。

请参阅图3和图4，信号采集装置一包括双极导联电极贴片组件以及信号获取模块一。双极导联电极贴片组件包括电极贴片一、电极贴片二、电极贴片三、电极贴片四、电极贴片五。电极贴片一用于贴合在人体脸部的两眼之间的区域，即在鼻子上方，而且作为参考电极，并用于检测人体脸部自带的电信号一。电极贴片二和电极贴片三分别贴合在人体脸部的其中一只眼的上下相对两侧，并用于测量对应的眼球在垂直方向上移动所产生的电信号二。电极贴片四和电极贴片五分别贴合在人体脸部的两眼的左右相对两侧，并用于测量对应的眼球在水平方向上移动所产生的电信号三。信号获取模块一用于对电信号一、电信号二、电信号三进行放大、增益调节以及偏置调节，获取相应的眼电信号并作为采集数据的一部分。

在本实施例中，电极贴片一、电极贴片二、电极贴片三、电极贴片四、电极贴片五分别为电极贴片A、B、C、D、E。电极贴片A贴放在额头中央，作为参考电极，用来采集人体自带的电信号。电极贴片B和C粘贴在右侧眼睛上方和下方，用来测量眼球垂直方向移动所产生的电位变化。电极贴片D和E粘贴在眼睛左方和右方，用来测量眼球水平方向移动所产生的电位变化。其中，双极导联电极贴片组件为Ag/AgCI电极组件，即电极贴片的电极采用Ag/AgCI电极。

在粘贴电极贴片时，具体粘贴方法：

1)从透明薄片上揭下电极；

2)用清水清洗干净电极索要粘贴的区域；

3)将电极贴在检测部位，并轻轻按平。

其中，信号获取模块一包括两个信号调理单元、双路采集板以及数据采集卡。信号调理单元包括用于放大电信号一、电信号二以及电信号三的仪器放大器、运算放大器，同时用于抑制电极半电池电位。双路采集板用于配合两个信号调理单元以实现双路输入，且每一路输入以实现增益调节以及偏置调节，可以实时地把眼电信号调到合适的大小。数据采集卡用于将调整后的眼电信号传输至信号处理装置，即传输到信号处理装置所在的计算机中。在型号选取方面，信号调理单元为AD8232芯片，双路采集板为AD620双电路采集板，数据采集卡为NI PCIe-6321数据采集卡。

信号采集装置二包括唇部动作感知组件以及信号获取模块二；唇部动作感知组件包括感知单元一和感知单元二。感知单元一与感知单元二用于贴合在人体脸部的嘴部的上下相对两侧，并用于测量嘴部的上下唇在垂直方向上相对移动所产生的电信号四。在本实施例中，感知单元一与感知单元二为测距传感器的发射器和接收器，发射器发射测距信号至接收器，电信号四与测距信号的传输时间相关。由于嘴唇在张开的过程中，上下唇之间的距离会发生改变，这样测距信号的传输时间也就会发生改变，因此传输时间的变化信号就可以作为电信号四。当然，在其他实施例中，感知单元一和感知单元二还可以采用其他元件。信号获取模块二用于对电信号四进行放大、增益调节以及偏置调节，获取相应的唇部动作信号并与眼电信号一同组成作为采集数据。

请参阅图5-8，信号处理装置包括特征提取模块和模式识别模块。特征提取模块用于对采集数据进行滤波、采样压缩、波形重复采样，并提取出眼电信号的波形特征。模式识别模块用于先获取波形特征的各项特征信息，再将各项特征信息与一个预设的识别模式中各项预设识别参数进行比较以确定波形特征所对应的运动方式。其中，信号处理装置基于LabView环境下建立。特征提取模块可以包括DAQ助手、滤波器、采样压缩单元、波形重采样单元以及波形显示单元。DAQ助手用于设置采集数据的具体串口，且采集数据的类型为电压，采集范围为-5～5V，过滤掉过大的电压。滤波器用于对采集数据进行过滤以去除不满足采集范围的电压，并过滤掉截止频率大于一个预设频率的噪声，保留有效的信号。由于眼电信号的频率大都在0-38Hz之间，选用一个截止频率为40Hz的3阶Butterworth低通滤波器过滤掉高于40Hz的噪声。采样压缩单元用于对采集数据进行连续采样压缩，且采样速率为1000次/秒，压缩因子为50，即把采集到的数据50为一组，取它们的平均值，这样可以得到较为平稳的波形。波形重采样单元用于对采集数据进行波形重复采样，且重复度设置为二分之一。波形重采样用于对数据进行一定的重复采集，防止数据的遗漏，因为在数据传输的过程中，在每次截取数据段时不能都恰好把有用的信号包含进去，所以需要数据的重新采样，重复度设置为二分之一即可。波形显示单元用于显示采集数据中的眼电信号的波形。

在本实施例中，当采集到的一组数据送到模式识别模块后，判断其中的最大值和最小值的范围是否满足设定的值，对于左转和右转命令，只满足各自设定的最小值和最大值即可，对于前进，后退和停车命令，在满足最大值和最小值范围的同时还要满足各自设定的最大值的次数，才能发出命令。该阈值设定的大小因人而异，即使是同一个人，也会因为电极粘贴的位置不同而略有不同。不过调整起来也很方便，只需观察各种眼部动作后引起的波形图，便可及时调整。

模式识别模块提供可视化的模式识别参数调节界面，模式识别参数调节界面具有以下输入方式：

(1)眼睛正视屏幕，待眼电信号的波形平稳后，眨眼次数依次为1,2,3次，记录信号幅值；

(2)眼睛正视屏幕，待眼电信号的波形平稳后，眼睛分别向左看然后回到正视方向，向右看然后回到正视方向，分别记录波形及幅值；

(3)在相应的调节界面填写参数。

请参阅图10，轮椅运动控制装置用于根据模式识别模块所确定的运动方式，驱使轮椅本体按照运动方式进行运动。在本实施例中，运动方式包括前进、后退、停止、左转、右转、加速、减速、匀速。轮椅运动控制装置包括直流伺服驱动器和光电编码器。轮椅运动控制装置所在的上位机根据模式识别模块所确定的运动方式产生相应的命令信号至直流伺服驱动器，直流伺服驱动器根据命令信号所指定的运动方式，控制电机进行相应的转动，使轮椅本体按照运动方式进行运动。光电编码器用于测量电机的转速，并将转速返回至上位机。其中，直流伺服驱动器为MLD3605-D驱动器，电机为MY1016Z直流电机。直流伺服驱动器、电机以及智能轮椅的车轮的数量均为两个且一一对应，每个直流伺服驱动器用于通过对应的电机驱使对应的车轮运动。

不同的眼电信号和唇部动作信号所对应的命令信号分别为：

(a)双眼眨眼两次且上下唇闭合，驱使所述轮椅本体前进；

(b)双眼眨眼三次且上下唇闭合，驱使所述轮椅本体后退；

(c)向左扫视，驱使所述轮椅本体左转；

(d)向右扫视，驱使所述轮椅本体右转；

(e)双眼眨眼一次且上下唇闭合，驱使所述轮椅本体停车；

(f)上下唇部张开一次，驱使所述轮椅本体加速运动；

(g)上下唇部张开两次，驱使所述轮椅本体减速运动；

(h)上下唇部张开三次，驱使所述轮椅本体匀速运动。

可以看出，本实施例通过眼电信号对轮椅的前进、后退、停车、左转、右转进行控制，结合唇部动作信号对轮椅速度变化的控制，从而实现对轮椅各种运动的精确掌控。既可以实现轮椅的基本操作控制，还可以对轮椅的速度进行调节，而且利用眼部和嘴唇这两个器官的结合，更加方便和简单。

综上所述，相较于现有的轮椅控制系统，本实施例的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅具有以下有益效果：

1、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其通过信号采集装置一的双极导联电极贴片组件中的各个电极贴片贴合在人体脸部的额头、眼球上下两侧以及左右两侧，使用人员通过眼镜的变化动作产生不同的电信号，电信号经过放大、增益调节以及偏置调节后为输入至信号处理装置中的眼电信号。信号采集装置二则通过对人脸的嘴部上下唇之间的相对移动产生电信号，并且电信号也经过处理后为唇部动作信号，唇部动作信号与眼电信号组合为采集数据。信号处理装置的特征提取模块对眼电信号和唇部动作信号进行滤波、采样压缩、波形重复采样处理，获得波形特征，而模式识别模块则可以根据波形特征的各项特征信息确定出使用人员所产生的眼电信号所代表的运动方式，这样轮椅运动控制装置就可以根据这一运动方式对智能轮椅进行控制，使轮椅按照使用人员所想要的运动方式进行运动。如此，使用人员只需要通过眼睛的变化，如眨眼、移动眼球等方式，就可以控制智能轮椅进行各项运动，实现对轮椅的非肢体控制操作，该系统相较于现有的四肢控制系统更加快速和便捷，可以满足各种四肢行动不便的人员使用。

2、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其模式识别模块根据波形特征中的极大值和极小值与各个预设范围进行比较，根据这两个极值所在的预设范围来判断运动方式是左转还是右转，利用一组数中满足预设范围的计数以判断运动方式是前进、后退、停车中的哪一种，这样对于左转和右转命令，只满足各自设定的最小值和最大值即可，对于前进，后退和停车命令，在满足最大值和最小值范围的同时还要满足各自设定的最大值的次数，才能发出命令。如此，通过眼电信号可以精确地对智能轮椅进行控制，控制的实时性更好，并且可以因人而异对预设范围进行设置，具有针对性，能满足不同的人员需求。

3、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其对眼电信号的提取更加可靠：由于采用双导联方式采集眼电信号，信号幅值更大，且对提取的眼电信号经过硬件，LabView软件双重滤波处理，提取的眼电信号更加可靠。

4、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其对于模式识别参数调节更加简单方便：在LabView环境下提供图形化操作界面，模式识别模块参数更容易调节。

5、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其应用性较强：不仅可以帮助肢体运动功能障碍的患者或肢体有缺陷的残疾人，实现对轮椅的非肢体控制操作，还能用于不便用手操作的场合或者高风险工作区域。

6、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其操作简单：提供友好的人机操作界面，并能实时观测到眼电信号波形图，防止误操作。

7、该眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其调整方便：因为基于LabView软件编写的控制程序，无需改动硬件设备就可以对控制方式等做出改动，更具有柔性特点。

实施例2

请参阅图11，本实施例提供了一种眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，该系统在实施例1的基础上对模式识别模块的具体识别过程进行细化。其中，模式识别模块判断波形特征中的极大值是否位于一个预设范围一内。在极大值位于预设范围一内时，模式识别模块判断波形特征中的极小值是否位于一个预设范围二内。在极小值位于预设范围二内时，模式识别模块确定运动方式为右转。在极大值不位于预设范围一内时，模式识别模块判断极大值是否位于一个预设范围三内。在极大值位于预设范围三内，模式识别模块判断极小值是否位于一个预设范围四内。在极小值位于预设范围四内时，模式识别模块确定运动方式为左转。在极小值不位于预设范围四内时，模式识别模块判断极小值是否位于一个预设范围五内。在极小值位于预设范围五内时，模式识别模块统计一组数中满足波形特征位于一个预设范围六内的计数，并判断计数是否等于一个预设数字一，是则确定运动方式为停车，否则判断计数是否等于一个预设数字二，是则确定运动方式为前进，否则判断计数是否等于一个预设数字三，是则确定运动方式为后退，否则重新获取波形特征。在极小值不位于预设范围二内或极大值不位于预设范围三或极小值不位于预设范围五内时，模式识别模块重新获取波形特征。

在本实施例中，预设范围一的下限大于预设范围二的上限，预设范围三的下限大于或等于预设范围一的上限，预设范围四的上限小于预设范围二的下限，预设范围五与预设范围二相同，预设范围六与预设范围三相同。其中，预设范围一为[2.2,2.3)，预设范围二和预设范围五均为[2,2.15)，预设范围三与预设范围六均为[2.3,2.4)，预设范围四为[1.8,1.95)。

实施例3

本实施例提供了一种眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，该系统在实施例1的基础上进一步增加了以下步骤。其中，模式识别模块判断波形特征中的极大值是否位于一个预设范围一内。在极大值位于预设范围一内时，模式识别模块判断波形特征中的极小值是否位于一个预设范围二内。在极小值位于预设范围二内时，模式识别模块确定运动方式为右转。在极大值不位于预设范围一内时，模式识别模块判断极大值是否位于一个预设范围三内。在极大值位于预设范围三内，模式识别模块判断极小值是否位于一个预设范围四内。在极小值位于预设范围四内时，模式识别模块确定运动方式为左转。在极小值不位于预设范围四内时，模式识别模块判断极小值是否位于一个预设范围五内。在极小值位于预设范围五内时，模式识别模块统计一组数中满足波形特征位于一个预设范围六内的计数，并判断计数是否等于一个预设数字一，是则确定运动方式为停车，否则判断计数是否等于一个预设数字二，是则确定运动方式为前进，否则判断计数是否等于一个预设数字三，是则确定运动方式为后退，否则判断计数是否等于一个预设数字四，是则确定运动方式为加速，否则判断计数是否等于一个预设数字五，是则确定运动方式为匀速，否则判断计数是否等于一个预设数字六，是则确定运动方式为减速，否则重新获取波形特征。在极小值不位于预设范围二内或极大值不位于预设范围三或极小值不位于预设范围五内时，模式识别模块重新获取波形特征。

实施例4

本实施提供了一种眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅控制方法，该方法应用实施例1或2中的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅中，并且包括以下这些步骤。

第一步，先检测所述人体脸部自带的电信号一，并测量对应的眼球在垂直方向上移动所产生的电信号二以及在水平方向上移动所产生的电信号三，再所述电信号一、所述电信号二、所述电信号三进行放大、增益调节以及偏置调节，获取相应的眼电信号。本步骤主要通过实施例1中的信号采集装置一实现，通过双极导联电极贴片组件采集到眼电信号，利用信号获取模块一对眼电信号进行处理。

第二步，测量所述嘴部的上下唇在垂直方向上相对移动所产生的电信号四，并对所述电信号四进行放大、增益调节以及偏置调节，获取相应的唇部动作信号并与所述眼电信号一同作为采集数据。

第三步，对采集数据进行滤波、采样压缩、波形重复采样，并提取出眼电信号的波形特征。本步骤主要通过实施例1中的信号处理装置的特征提取模块实现，其能够提取所需的波形特征，而该波形特征能够反映出使用人员所需表达的信息。

第四步，先获取波形特征的各项特征信息，再将各项特征信息与一个预设的识别模式中各项预设识别参数进行比较以确定波形特征所对应的运动方式。本步骤主要通过实施例1中的信号处理装置的模式识别模块实现，其主要作用是能够将眼电信号中的特征信息识别，确定使用人员所需智能轮椅进行动作。

第五步，根据模式识别模块所确定的运动方式，驱使轮椅本体按照运动方式进行运动。本步骤主要通过实施例1中的轮椅运动控制装置实现，其目的在于根据之前一步已经确定的运动方式，使智能轮椅按照该方式进行动作，如前进、后退、停车、左转、右转、加速、匀速、减速等。

实施例5

本实施例提供了一种眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅控制方法，该方法在实施例4的基础上增加了以下这些步骤。

判断波形特征中的极大值是否位于一个预设范围一内；

在极大值位于预设范围一内时，判断波形特征中的极小值是否位于一个预设范围二内；

在极小值位于预设范围二内时，确定运动方式为右转；

在极大值不位于预设范围一内时，判断极大值是否位于一个预设范围三内；

在极大值位于预设范围三内，判断极小值是否位于一个预设范围四内；

在极小值位于预设范围四内时，确定运动方式为左转；

在极小值不位于预设范围四内时，判断极小值是否位于一个预设范围五内；

在极小值位于预设范围五内时，统计一组数中满足波形特征位于一个预设范围六内的计数，并判断计数是否等于一个预设数字一，是则确定运动方式为停车，否则判断计数是否等于一个预设数字二，是则确定运动方式为前进，否则判断计数是否等于一个预设数字三，是则确定运动方式为后退，否则重新获取波形特征；

在极小值不位于预设范围二内或极大值不位于预设范围三或极小值不位于预设范围五内时，重新获取波形特征。

在本实施例中，预设范围一的下限大于预设范围二的上限，预设范围三的下限大于或等于预设范围一的上限，预设范围四的上限小于预设范围二的下限，预设范围五与预设范围二相同，预设范围六与预设范围三相同。其中，预设范围一为[2.2,2.3)，预设范围二和预设范围五均为[2,2.15)，预设范围三与预设范围六均为[2.3,2.4)，预设范围四为[1.8,1.95)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其特征在于，其包括：

轮椅机构，其包括轮椅本体和电机；所述电机安装在所述轮椅本体上，并用于驱使所述轮椅本体运动；

信号采集装置一，其包括双极导联电极贴片组件以及信号获取模块一；所述双极导联电极贴片组件包括电极贴片一、电极贴片二、电极贴片三、电极贴片四以及电极贴片五；所述电极贴片一用于贴合在人体脸部的两眼之间的中央区域，且作为参考电极，并用于检测所述人体脸部自带的电信号一；所述电极贴片二和所述电极贴片三分别贴合在所述人体脸部的其中一只眼的上下相对两侧，并用于测量对应的眼球在垂直方向上移动所产生的电信号二；所述电极贴片四和所述电极贴片五分别贴合在所述人体脸部的两眼的左右相对两侧，并用于测量对应的眼球在水平方向上移动所产生的电信号三；所述信号获取模块一用于对所述电信号一、所述电信号二以及所述电信号三进行放大、增益调节以及偏置调节，获取相应的眼电信号；

信号采集装置二，其包括唇部动作感知组件以及信号获取模块二；所述唇部动作感知组件包括感知单元一和感知单元二；所述感知单元一与所述感知单元二用于贴合在人体脸部的嘴部的上下相对两侧，并用于测量所述嘴部的上下唇在垂直方向上相对移动所产生的电信号四；所述信号获取模块二用于对所述电信号四进行放大、增益调节以及偏置调节，获取相应的唇部动作信号并与所述眼电信号一同作为采集数据；

信号处理装置，其包括特征提取模块和模式识别模块；所述特征提取模块用于对所述采集数据进行滤波、采样压缩、波形重复采样，并提取出所述眼电信号和所述唇部动作信号的波形特征；所述模式识别模块用于先获取所述波形特征的各项特征信息，再将各项特征信息与一个预设的识别模式中各项预设识别参数进行比较以确定所述波形特征所对应的运动方式；所述运动方式包括前进、后退、停止、左转、右转、加速、减速、匀速；以及

轮椅运动控制装置，其用于根据所述模式识别模块所确定的运动方式，通过所述电机驱使所述轮椅本体按照所述运动方式进行运动。

2.如权利要求1所述的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其特征在于，在所述识别模式中，所述模式识别模块判断所述波形特征中的极大值是否位于一个预设范围一内；在所述极大值位于所述预设范围一内时，所述模式识别模块判断所述波形特征中的极小值是否位于一个预设范围二内；在所述极小值位于所述预设范围二内时，所述模式识别模块确定所述运动方式为右转；在所述极大值不位于所述预设范围一内时，所述模式识别模块判断所述极大值是否位于一个预设范围三内；在所述极大值位于所述预设范围三内，所述模式识别模块判断所述极小值是否位于一个预设范围四内；在所述极小值位于所述预设范围四内时，所述模式识别模块确定所述运动方式为左转；在所述极小值不位于所述预设范围四内时，所述模式识别模块判断所述极小值是否位于一个预设范围五内；在所述极小值位于所述预设范围五内时，所述模式识别模块统计一组数中满足所述波形特征位于一个预设范围六内的计数，并判断所述计数是否等于一个预设数字一，是则确定所述运动方式为停车，否则判断所述计数是否等于一个预设数字二，是则确定所述运动方式为前进，否则判断所述计数是否等于一个预设数字三，是则确定所述运动方式为后退，否则重新获取所述波形特征；在所述极小值不位于所述预设范围二内或所述极大值不位于所述预设范围三或所述极小值不位于所述预设范围五内时，所述模式识别模块重新获取所述波形特征。

3.如权利要求2所述的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其特征在于，所述预设范围一的下限大于所述预设范围二的上限，所述预设范围三的下限大于或等于所述预设范围一的上限，所述预设范围四的上限小于所述预设范围二的下限，所述预设范围五与所述预设范围二相同，所述预设范围六与所述预设范围三相同。

4.如权利要求2所述的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其特征在于，所述感知单元一与所述感知单元二为测距传感器的发射器和接收器，所述发射器发射测距信号至所述接收器，所述电信号四与所述测距信号的传输时间相关；所述预设范围一为[2.2,2.3)，所述预设范围二和所述预设范围五均为[2,2.15)，所述预设范围三与所述预设范围六均为[2.3,2.4)，所述预设范围四为[1.8,1.95)。

5.如权利要求1所述的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其特征在于，所述信号获取模块一包括两个信号调理单元、双路采集板以及数据采集卡；所述信号调理单元包括用于放大所述电信号一、所述电信号二以及所述电信号三的仪器放大器、运算放大器，同时用于抑制电极半电池电位；所述双路采集板用于配合两个信号调理单元以实现双路输入，且每一路输入以实现增益调节以及偏置调节；所述数据采集卡用于将调整后的眼电信号传输至所述信号处理装置。

6.如权利要求1所述的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其特征在于，所述信号处理装置基于LabView环境下建立；所述特征提取模块包括DAQ助手、滤波器、采样压缩单元、波形重采样单元以及波形显示单元；所述DAQ助手用于设置所述采集数据的具体串口，且所述采集数据的类型为电压，采集范围为-5～5V；所述滤波器用于对所述采集数据进行过滤以去除不满足所述采集范围的电压，并过滤掉截止频率大于一个预设频率的噪声；所述采样压缩单元用于对所述采集数据进行连续采样压缩，且采样速率为1000次/秒，压缩因子为50；所述波形重采样单元用于对所述采集数据进行波形重复采样，且重复度设置为二分之一；所述波形显示单元用于显示所述采集数据中的眼电信号的波形。

7.如权利要求6所述的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其特征在于，所述模式识别模块提供可视化的模式识别参数调节界面，所述模式识别参数调节界面具有以下输入方式：

(1)眼睛正视屏幕，待所述眼电信号的波形平稳后，眨眼次数依次为1,2,3次，记录信号幅值；

(2)眼睛正视屏幕，待所述眼电信号的波形平稳后，眼睛分别向左看然后回到正视方向，向右看然后回到正视方向，分别记录波形及幅值；

(3)在相应的调节界面填写参数。

8.如权利要求5所述的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其特征在于，所述轮椅运动控制装置包括直流伺服驱动器和光电编码器；所述轮椅运动控制装置所在的上位机根据所述模式识别模块所确定的运动方式产生相应的命令信号至所述直流伺服驱动器，所述直流伺服驱动器根据所述命令信号所指定的运动方式，控制所述电机进行相应的转动，使所述轮椅本体按照所述运动方式进行运动；所述光电编码器用于测量所述电机的转速，并将所述转速返回至所述上位机；

不同的眼电信号和唇部动作信号所对应的命令信号分别为：

(a)双眼眨眼两次且上下唇闭合，驱使所述轮椅本体前进；

(b)双眼眨眼三次且上下唇闭合，驱使所述轮椅本体后退；

(c)向左扫视，驱使所述轮椅本体左转；

(d)向右扫视，驱使所述轮椅本体右转；

(e)双眼眨眼一次且上下唇闭合，驱使所述轮椅本体停车；

(f)上下唇部张开一次，驱使所述轮椅本体加速运动；

(g)上下唇部张开两次，驱使所述轮椅本体减速运动；

(h)上下唇部张开三次，驱使所述轮椅本体匀速运动。

9.如权利要求8所述的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅，其特征在于，所述双极导联电极贴片组件为Ag/AgCI电极组件，所述信号调理单元为AD8232芯片，所述双路采集板为AD620双电路采集板，所述数据采集卡为NI PCIe-6321数据采集卡；所述直流伺服驱动器为MLD3605-D驱动器，所述电机为MY1016Z直流电机；所述直流伺服驱动器、所述电机以及所述智能轮椅的车轮的数量均为两个且一一对应，每个直流伺服驱动器用于通过对应的电机驱使对应的车轮运动。

10.一种如权利要求1-9中任意一项所述的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅的控制方法，其应用于如权利要求1-9中任意一项所述的眼电与唇部动作信号控制的电动智能轮椅中，其特征在于，其包括以下步骤：

先检测所述人体脸部自带的电信号一，并测量对应的眼球在垂直方向上移动所产生的电信号二以及在水平方向上移动所产生的电信号三，再所述电信号一、所述电信号二、所述电信号三进行放大、增益调节以及偏置调节，获取相应的眼电信号；

测量所述嘴部的上下唇在垂直方向上相对移动所产生的电信号四，并对所述电信号四进行放大、增益调节以及偏置调节，获取相应的唇部动作信号并与所述眼电信号一同作为采集数据；

对所述采集数据进行滤波、采样压缩、波形重复采样，并提取出所述眼电信号的波形特征；

先获取所述波形特征的各项特征信息，再将各项特征信息与一个预设的识别模式中各项预设识别参数进行比较以确定所述波形特征所对应的运动方式；

根据所述模式识别模块所确定的运动方式，驱使所述轮椅本体按照所述运动方式进行运动。

Images