山東臨沂一中 沈子揚(yáng)
基于腦電控制的多功能智能輪椅系統(tǒng)
山東臨沂一中 沈子揚(yáng)
由于社會(huì)老齡化進(jìn)程的加快以及各種交通、工傷等意外事故,社會(huì)上的老年人以及殘障人士的生活與出行方式成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。智能輪椅作為殘障人士以及老年人優(yōu)越的代步工具,在科技不斷發(fā)展的今天得到了快速的發(fā)展。本文針對(duì)有運(yùn)動(dòng)功能障礙及視力障礙的殘障人士與老人,提出了一種基于腦電控制的多功能智能輪椅系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,將腦電波信號(hào)通過藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)根據(jù)相應(yīng)信號(hào)來控制輪椅運(yùn)動(dòng),并且實(shí)現(xiàn)了智能輪椅的避障、導(dǎo)航等多功能,真正意義上實(shí)現(xiàn)了簡單、快速、高效地控制輪椅的運(yùn)動(dòng),該設(shè)計(jì)方案具有廣闊的應(yīng)用前景。
腦電波;智能輪椅;避障;導(dǎo)航
目前,我國存在很多殘障人士,包括視力殘疾,肢體癱瘓等。他們喪失了大部分生活自理能力,如:行走,動(dòng)手及說話能力。如何利用科學(xué)技術(shù)改善他們的生活質(zhì)量幫助他們恢復(fù)生活自理能力是科學(xué)服務(wù)于社會(huì)的一個(gè)重要方向[1]。盡管現(xiàn)在的一些智能輪椅已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自主導(dǎo)航、避障、語音驅(qū)動(dòng)等諸多功能,但這依然不能滿足一些幾乎喪失行為能力與語言能力的重癥殘疾人。雖然他們的語言能力與肢體功能已經(jīng)喪失,但是他們的大腦思維與正常人基本無差異,因此我們可以利用大腦產(chǎn)生的腦電生理信號(hào)來控制高性能智能輪椅。因此,設(shè)計(jì)一款腦控智能輪椅是非常有必要的,這樣可以幫助一些重癥殘障人士在保障安全的前提下能夠獲得更大限度的自由,使他們能更好地去感受這世界[1]。
智能輪椅是以電動(dòng)輪椅為基礎(chǔ)和傳統(tǒng)電動(dòng)輪椅相比融合了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)傳感器技術(shù)以及通信技術(shù)。目前,大多數(shù)輪椅都是通過手動(dòng)操作、語音識(shí)別等方式來操作輪椅運(yùn)動(dòng)控制的,但是對(duì)于那些手指不靈活說話困難視力殘疾等的重癥殘障人士來說要操作手柄通過語音控制來操作輪椅都是相當(dāng)困難的。近年來,有很多新式的輪椅誕生,但許多輪椅依舊沒有達(dá)到在靈活性,自動(dòng)化等方面的要求,而且許多新式的輪椅存在操作繁瑣,反應(yīng)時(shí)間長,易發(fā)生安全事故等弊端[3]。因而,設(shè)計(jì)一款操作靈活,自動(dòng)化程度高并且能夠滿足不同程度殘障人士需求的輪椅是相當(dāng)必要的。
本文針對(duì)不同程度的殘障人士設(shè)計(jì)了一款多功能手動(dòng)、語音和腦控等多種控制方式的多功能智能輪椅。使用者可以更具自身的身體狀況靈活地選用適合自身的控制方式例如殘疾程度輕的可以選用手動(dòng)或語音操作輪椅的運(yùn)動(dòng),重癥癱瘓殘障人士可以利用大腦控制輪椅的運(yùn)動(dòng),該輪椅的最大特點(diǎn)是將腦控技術(shù)融入到智能輪椅當(dāng)中使輪椅的控制更加便捷靈活并且極大程度的滿足了不同程度殘障人士的需求,腦控智能輪椅是一種基于腦機(jī)接口技術(shù)的新型智能輪椅,它是利用用戶的腦電信號(hào)來控制的[4,5]。由于腦電信號(hào)本身的不穩(wěn)定以及通信速度的影響在安全蔽障或緊急停車時(shí)大腦不能及時(shí)發(fā)出指令控制輪椅而導(dǎo)致輪椅與障礙物碰撞。因而,本文將超聲波避障的多功能智能輪椅與腦控技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計(jì)一款新型腦控多功能智能輪椅以解決上述問題。
本系統(tǒng)中央控制器采用基于ARM體系的微處理器具有低成本,低功耗,高性能,體積小,重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn),特別適用于輪椅等移動(dòng)平臺(tái),它主要負(fù)責(zé)處理來自大腦產(chǎn)生的電信號(hào),聲音輸入的信號(hào),超聲波遇到障礙產(chǎn)生的電信號(hào),GPS系統(tǒng)的定位信息,相機(jī)采集的圖像信息,以及輪椅電機(jī)反饋的信號(hào),將來自這些傳感器的多路信號(hào)綜合處理作出決策與判斷,在液晶顯示模塊上顯示實(shí)時(shí)的地圖信息,并綜合控制輪椅電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
本系統(tǒng)腦機(jī)控制模塊采用一頂帶有微納電極的頭套,通過頭套采集大腦產(chǎn)生的腦電信號(hào)并處理完成后送給中央控制器模塊。它主要是通過對(duì)人的腦電波進(jìn)行采集、濾波、特征提取以及模式識(shí)別之后判斷出人當(dāng)前的意圖并將識(shí)別的結(jié)果發(fā)送給控制器進(jìn)而控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。由于人腦產(chǎn)生的腦電信號(hào)極為復(fù)雜,當(dāng)前的技術(shù)要完全識(shí)別大腦產(chǎn)生的電信號(hào)非常困難。
本系統(tǒng)中腦機(jī)控制模塊將人腦產(chǎn)生的“前”“后”“左”“右”“?!币约啊?1,02,03……”數(shù)字編號(hào)相對(duì)應(yīng)的腦電信號(hào)提取出來,“前”“后”“左”“右”“停”五路腦電信號(hào)分別用于控制輪椅向前運(yùn)動(dòng),向后運(yùn)動(dòng),向左轉(zhuǎn)彎,向右轉(zhuǎn)彎以及輪椅停止運(yùn)動(dòng)。數(shù)字編號(hào)信息“01,02,03……”用于標(biāo)識(shí)用戶生活中經(jīng)常出入的場所地點(diǎn)例如:xx超市,xx醫(yī)院,xx學(xué)校,xx公園……并且輪椅帶有語音播放這些數(shù)字編號(hào)地點(diǎn)的功能,這樣用戶就可以將這些數(shù)字編號(hào)與相應(yīng)的地點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來,實(shí)現(xiàn)一些殘疾、運(yùn)動(dòng)功能不便的用戶只需想相應(yīng)的數(shù)字就可以控制輪椅到達(dá)他想去的地點(diǎn)。
本系統(tǒng)采用藍(lán)牙通信模塊,它可以實(shí)現(xiàn)輪椅這種短距離的無線通信,支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信,廣泛應(yīng)用于家庭以及辦公的各種數(shù)據(jù)和語音設(shè)備以及視頻之間的通信它可以將用戶的聲音等信號(hào)傳輸給中央控制器實(shí)現(xiàn)語音導(dǎo)航等通信功能。
語音模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶聲音信號(hào)的提取識(shí)別以及播放等功能語音識(shí)別的主要特點(diǎn)是要識(shí)別語音的內(nèi)容對(duì)用戶的語音信息通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行聲學(xué)建模和匹配最終實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶語音內(nèi)容的識(shí)別并且可以進(jìn)行語音合成播放語音使用戶獲得想要的信息。
由于腦電信號(hào)變化很快,當(dāng)用戶通過腦電信號(hào)控制輪椅運(yùn)動(dòng)時(shí),輪椅可能在遇到障礙物時(shí)不能及時(shí)避開,因此,設(shè)計(jì)了超聲波避障系統(tǒng)使輪椅遇到障礙物后能及時(shí)避開或停止運(yùn)動(dòng)這樣能最大程度的保障用戶的使用安全。超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波它方向性好,傳播距離遠(yuǎn),廣泛用于測距、測速、避障等。我們可以利用超聲波來檢測輪椅前方是否有障礙物,在輪椅上需要放置一個(gè)超聲波發(fā)生器、一個(gè)超聲波接收器,當(dāng)超聲波發(fā)生器發(fā)出去的聲波遇到障礙時(shí),這些聲波就會(huì)被反射回來,這時(shí)就利用超聲波接收器接受被反射回來的聲波將反射回來的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送給中央控制器,用來判斷輪椅前方是否有障礙物,并控制規(guī)劃輪椅的運(yùn)動(dòng)。
由于用戶在人行橫道過馬路時(shí)會(huì)遇到紅綠燈對(duì)于一些盲人用戶是無法判斷紅綠燈的變化情況的,我們在該輪椅系統(tǒng)上裝有攝像頭。利用攝像頭獲取圖像,定位紅綠燈的位置,并且對(duì)紅綠燈進(jìn)行過濾與分類。圖1為圖像處理流程:(1)圖像采集;(2)圖像處理;(3)紅綠燈定位;(4)顏色分割;(5)識(shí)別紅綠燈;(6)發(fā)送信息。
圖1 圖像處理流程
本系統(tǒng)輪椅模型由輪椅機(jī)架、四個(gè)直流電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成,直流電機(jī)采用帶減速器的雙軸直流電機(jī),并利用LR98驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)速,可以實(shí)現(xiàn)輪椅的快速靈活運(yùn)動(dòng)。
導(dǎo)航顯示模塊將語音導(dǎo)航,GPS定位相結(jié)合,并將實(shí)時(shí)地圖信息顯示在電腦屏幕上,輪椅能夠?qū)崟r(shí)定位并顯示所在位置,并且可以根據(jù)用戶語音輸入或者腦電信息,來導(dǎo)航到用戶想去的地點(diǎn),推薦最優(yōu)的路徑。
本文提出的設(shè)計(jì)方案利用嵌入式微處理器和腦電波傳感器等器件設(shè)計(jì)了智能輪椅的控制系統(tǒng),并進(jìn)行了硬件和軟件聯(lián)調(diào),初步實(shí)現(xiàn)了意念控制輪椅的目的。主要優(yōu)點(diǎn)是不需要人體的肢體動(dòng)作,通過簡單的腦電波傳感器的使用訓(xùn)練就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能輪椅運(yùn)動(dòng)方向的控制,為肢體功能不健全的人士提供了一個(gè)自由的控制平臺(tái)。并且該系統(tǒng)能夠滿足絕大多數(shù)殘障人士及老人的需求,而且依據(jù)不同程度的殘障人士的需求給出了智能輪椅不同的操作方式,結(jié)合了腦控,語音等多種控制方式,提升了本設(shè)計(jì)的實(shí)用性與人性化,更好地適應(yīng)了當(dāng)下殘障人士對(duì)于代步工具的需求?;谝饽畹妮喴慰刂品绞?,是一種比較直接的交互方式,可以將用戶的意圖直接從大腦傳遞到輪椅的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制裝置中,具有較強(qiáng)的實(shí)用性。另一方面系統(tǒng)對(duì)輪椅的運(yùn)動(dòng)控制較為精準(zhǔn),控制高效快速,對(duì)今后進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能輪椅的快速發(fā)展具有良好的參考價(jià)值。
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