基本信息
- 项目名称：
- 基于眼电信号和头部运动信号的智能轮椅
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本轮椅通过人眼运动和头部运动来控制轮椅的左右转弯、前进、后退。本作品通过银/氯化银电极来采集人眼的眼电信号，进行处理后分析出人眼的左右运动情况，进而与加速度传感器采集到的头部运动信号相结合，判断出使用者想进行的操作，并将该命令传达给轮椅端的控制器，实现对轮椅的控制。使用本作品，操作者不用手也可以实现对轮椅的控制，这就为手脚不灵活的老年人和深度残疾人士提供了一种不用手部操作就能实现的移动方案。
- 详细介绍：
- 技术方案： 整体模型的搭建： 本发明旨在设计一套可以利用眼睛运动和头部动作来对轮椅进行控制的智能轮椅。本轮椅有两种工作模式，分别是智能控制模式和自动控制模式，使用者可以通过点头来选择不同的控制模式。系统开启后的默认模式为智能控制模式，使用者再次点头则轮椅切换到自动控制模式。在智能控制模式下：使用者眼睛正视则轮椅直行，向左看一段时间则轮椅向左转弯，向右看一段时间按则轮椅向右转弯，左右摇头则轮椅刹车，再次摇头则轮椅向后走。在自动控制模式下：人眼的运动不起到控制方向的作用，轮椅将按照既定的速度向前行进。方便轮椅使用者可以在前行的过程中观看左右景物。 根据整个系统的组成部分将轮椅模型的工作结构分为两部分独立装置：头戴装置和车载装置。头戴装置是一个将采集电极，信号处理电路，微控制器和无线发射模块整合到一个类似于眼镜的装置，这样可以省去显式布线而且便携易用。车载装置安装在轮椅上，是对无线接收模块，微控制器，功率放大电路和电动装置的整合。两个装置之间通过无线传输实现数据传递，最终实现人眼运动和头部动作对轮椅的控制。 实现方法： 1 信号采集模块： 1.1 眼电信号的采集： 眼电技术，是医学上记录人眼运动状态的常用方法，医学研究表明眼睛的角膜与视网膜之间的电势差引起了皮肤表面的电极电势。该电势起源于视网膜色素上皮和光感受器细胞，被称为静息电势。可以认为角膜和视网膜构成一对电偶极子，角膜一端为正极，视网膜一端为负极，其电势在0.4～10mv之间。 为了确定眼球的水平运动轨迹，可以把一对AgCl电极分别置于左右眼眶外边缘，记录两点的电位差。眼球移动的方向和角度决定了电势的变化。 1.2头部运动信号的采集： 本项目中的功能要求使用两个自由度的加速度传感器。这类加速度传感器可以测量水平方向和垂直方向的加速度，具有较高的精准度和响应速度。利用微控制器进行信号处理消除可能出现的噪声，这样就可以将使用者的点头摇头动作转化成可以检测到的信号。 2．信号处理模块： 信号处理模块主要由放大滤波电路部分和控制信号生成部分组成。放大滤波电路部分包括由INA128P组成的放大倍数为51、高共模抑制比的一级放大器，截止频率为0.05Hz的二阶高通滤波器，放大倍数为131的二级放大器，截止频率为27.61Hz的一级二阶低通滤波器，截止频率为15.20Hz的二级二阶低通滤波器和电压偏置调整电路。此放大滤波电路对银/氯化银电极采集的微弱眼电信号进行放大和滤波，滤去由心电信号，脑电信号，肌电信号和工频干扰等引起的伪迹和杂波。信号处理模块的控制信号生成部分主要由CC2430芯片及其外围扩展电路组成，加速度传感器采集的头部运动信号和经过处理后的眼电信号通过基于Zigbee无线协议的CC2430射频模块中的模数转换口转换成数字信号，送入到CC2430芯片中内部集成的8051内核，判断是否产生了有效的控制信号，如果有了有效的控制信号，则激活无线发射模块，并将需要发送的命令传送给它。 3．信号传输模块 此部分由无线发射模块与无线接收模块组成。无线模块的传输距离在本发明中比较短，需要考虑低功耗、低价格、尺寸小等要求。采用CC2430模块作为无线模块，将信号传送至轮椅上搭载的无线接收模块。 4．自动控制模块 轮椅上的CC2430模块接收到控制信号后，对电机驱动模块进行控制，进而实现对左右轮的控制。 为了实现轮椅的前进时转弯的功能，我们还将引入PWM调速法。PWM（脉冲宽度调制）调速法：是利用微控制器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。它的原理就是直流斩波原理，电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此我们可以通过调节占空比，达到调节速度的目的。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的： 本发明旨在设计一个基于眼电信号和头部运动信号的智能轮椅，使操作者可以不用手就可以简便的控制轮椅,帮助深度残疾人士和手脚不灵活的老年人自主简便地实现对轮椅的控制。 基本思路： 基于眼电信号和头部运动信号的智能轮椅由头戴装置和轮椅装置两部分组成。其中，头戴装置是将电极，二轴加速度传感器，信号采集模块，信号处理模块和射频无线发射模块高度集成于一体的一副便携式眼镜；轮椅装置上装有无线接收模块，微控制器，电机驱动模块和直流电机等。本发明将人的眼电信号和头部运动信号相组合，转换为对轮椅的控制信号，提供了一种新的控制方法。 创新点： 本发明涉及传感器技术，生物电信号提取和处理技术以及智能控制技术等，引入眼电信号和头部运动信号来实现对轮椅的控制，具有低功耗，实用性强，人性化等特点。它可以帮助深度残疾人士和手脚不灵活的老年人不用手而自主简便地实现对轮椅的控制，有着很强的应用前景。 技术指标： 电极片 银/氯化银电极 信号正确识别率 90%以上 持续行驶时间 2~4小时 供电方式 蓄电池 设备成本 低 适用范围 室内、室外 适用寿命 6年以上
科学性、先进性
- 从整体看，本作品的技术创新主要体现在以下三个方面： 1、 将眼电信号引入到轮椅控制 目前国内外的电动轮椅大多数都是通过摇杆来控制的，这就使得一些手部运动能力较差的使用者将很难来控制轮椅。而国内外做眼控轮椅相关研究过程，往往利用摄像头捕捉图像的方法识别眼睛运动，成本高，技术复杂，装置要求高。在本系统中，我们通过眼电信号和头部运动来实现对轮椅的控制，使老年人和残障人士可以更加简便的使用轮椅。 2、 微控制器代替计算机 很多国内外科研机构在智能轮椅装置中引入了人机交互界面，但是触摸屏操作要求使用者有较好的肢体运动能力。少数利用眼睛运动的智能轮椅中更是配备了昂贵的计算机系统。本系统用成本低廉的微控制器来进行信号处理，不仅降低了轮椅的造价和耗能，而且轮椅装置也不会变得过于笨重和复杂。由于获得的控制信号简单，所以并不会降低轮椅的运动性能。 3.高度集成化 本系统将模拟滤波的作用发挥到了极致，使装置高度集成，体积缩小。所有控制装置和发射装置都集成在一个智能眼镜设备中，无线连接，舒适方便。
获奖情况及鉴定结果
- 1.取得2010年南开大学国家大学生创新性实验计划立项。 2.眼电相关作品正在参加微软创新杯比赛。 3.挑战杯校内评审通过，代表南开大学参加天津市比赛。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型 实物展示 图片 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 开启眼镜装置时，装置开机初始化。此时，使用者摇头轮椅后退，点头则轮椅进入智能工作模式。在智能控制模式下，眼电信号有效，使用者眼球向左转时，轮椅向左转弯；使用者眼球向右转时，轮椅向右转弯，使用者直视，轮椅直行。 行驶过程中，眼镜装置实时监测使用者头部和眼部的信号。使用者通过点头可以在智能控制模式和自动控制模式间进行切换。 行驶过程中使用者摇头，轮椅停止，恢复初始化状态。 轮椅停止时，使用者摇头可以使轮椅倒退。 适应范围：本智能轮椅适用于上肢运动不便的轮椅使用者。 推广前景和市场分析：本作品提供了智能轮椅的解决方案，因为轮椅的眼镜装置与轮椅脱离、无线连接，所以现有电动轮椅厂家可以方便的使用该方案扩展厂家原先的轮椅功能，推广前景良好。相应产品市场定位明确，锁定中低端用户，而且弥补了国内眼控轮椅的市场的空白，具有相当好的市场前景。因为只需在轮椅上添加一个无线接收装置和控制装置，企业为此添置的生产线成本很低，而且眼镜装置的扩展性强，可以应用在无菌开关和游戏控制领域。
同类课题研究水平概述
- 总体来讲，国内外市场上没有一款综合利用眼电信号和头部运动信号来控制机械轮椅的产品。 目前在国内，眼电信号的应用逐渐增多，安徽大学提出的人机交互系统是一种尝试，该项目利用眼球的上下左右来控制计算机的鼠标。实际上对于轮椅的控制，不需要关注眼球的上下运动，因为使用者进行的只是左右方向的平面运动。实验结果表明，相同条件下眼球上下运动产生的电信号的正确识别率比左右运动产生的电信号的正确识别率要低。浙江大学在对眼电信号的提取过程中采取了高低通滤波器以筛选出眼电信号，但并没有将信号的提取，处理和传输集成与一体，缩小设备体积，以更好的融入市场。在智能轮椅领域，利用眼球运动来控制轮椅的方案多局限于摄像和图像处理技术以及压力传感器技术，与图像有关的眼球运动的捕捉使位于头部的装置过于庞大，也增加了处理难度。利用压力传感器技术，香港中文大学的眼控轮椅需要将传感器黏贴在眼旁，一旦松动则无法很好的捕捉眼角的肌肉活动。 在国外，许多研究机构利用DSP芯片来对眼电信号进行数字滤波处理，这需要昂贵的处理设备，不适合于轮椅的控制。中国科学院和英国埃塞克斯大学联合设计的利用眼电信号控制的轮椅需要在轮椅上增加小型计算机，这使轮椅的耗能和价格都比较高，而且大多数手脚不灵活的老年人和深度残疾人士无法使用，不利于进行商业化量产和推广。所以国外的技术使用要求花费高，并不与国内的实际情况相符。
