專利名稱：基于運動想象控制的殘疾人輪椅車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)械工程技術(shù)領(lǐng)域的輪椅車，特別是涉及一種基于運動想象 控制的殘疾人輪椅車。
背景技術(shù)：
隨著老齡化程度的加劇，老年人的總數(shù)急劇增加，伴隨而來的問題是由于生理機(jī) 能衰退和患骨關(guān)節(jié)病的人數(shù)也越來越多。此外，每年發(fā)生的大量車禍也是殘疾人數(shù)量增加 的重要原因。對于上肢健全而下肢殘疾的患者可以通過控制桿來操控代步輪椅，但是對于 上肢也殘疾的人就顯的無能為力了。近幾十年來，基于腦機(jī)交互技術(shù)的控制受到了研究者 大量的關(guān)注，成為了研究熱點之一。腦機(jī)交互技術(shù)是指不需要傳統(tǒng)的外周神經(jīng)和肌肉參與 的情況下直接構(gòu)建大腦與外部設(shè)備的交互通道，為人類提供了一種與外部直接交流的新方 式。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)“Brice Rebsamen, Etienne Burdet, Cuntai Guan et al. A Brain-Controlled Wheelchair Based on P300and Path Guidance[C]. The First IEEE/RAS-EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics，2006，20-22，F(xiàn)eb. :1101-1106. ”，作者Brice Rebsamen, Etienne Burdet,Cuntai Guan等人，題目一種基于P300和路徑導(dǎo)航的腦控輪椅，會議首屆IEEE/ RAS-EMBS生物醫(yī)學(xué)機(jī)器人學(xué)和生物機(jī)電工程國際會議，舉辦會期2006年2月20日-22日， 1101-1106頁提出了一種用P300控制真實輪椅的方法，實現(xiàn)了輪椅在辦公室環(huán)境中移動。 但是他們所提的方法需要花費幾秒的時間來產(chǎn)生一個新的控制命令，速度比較慢。另外輪 椅移動的路徑得預(yù)先設(shè)置，不能按照當(dāng)時輪椅控制者的意愿隨意移動。本發(fā)明采用運動想 象控制輪椅，命令產(chǎn)生速度較快。并且可以按照當(dāng)時控制者自己的意愿控制輪椅的移動，不 需要預(yù)先設(shè)置輪椅的移動路徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于運動想象控制的殘 疾人輪椅車。本發(fā)明通過運動想象控制的輔助殘疾人運動的輪椅車，可以廣泛用于患有運 動功能障礙的人群，輔助他們增強(qiáng)獨立運動能力，提高日常生活的質(zhì)量。本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明包括命令控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、輪椅車架、供電箱、置物板、后掛箱、側(cè)掛 箱、后輪、前輪，以輪椅車架為骨架，置物板嵌在輪椅車架上設(shè)置的兩個扶手之間，后掛箱焊 接在輪椅車架的靠背后面，側(cè)掛箱焊接在右邊扶手的側(cè)面，與扶手上表面相平，命令控制系 統(tǒng)設(shè)置在后掛箱和置物板上，執(zhí)行系統(tǒng)芯片設(shè)置在側(cè)掛箱里，供電箱焊接在輪椅車架上的 輪椅座位底下的架子上，命令控制系統(tǒng)輸出輪椅的控制命令給執(zhí)行系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行輪 椅的運動控制命令。所述的命令控制系統(tǒng)，包括G. tec電極、G. tec放大器、鎳氫電池、筆記本電腦、輸出模塊，G. tec電極固定在輪椅控制者的頭上，G. tec電極與頭皮接觸，每個G. tec電極的連 接導(dǎo)線按順序插到G. tec放大器的輸入插孔，G. tec放大器通過USB連接線接到筆記本電 腦的USB端口，筆記本電腦連接到輪椅車，輸出控制信號，鎳氫電池連接到G. tec放大器的 電源輸入端，給G. tec放大器供電。所述的執(zhí)行系統(tǒng)，包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器、控制桿、切換開關(guān)、控制芯片、電動機(jī)，數(shù)模轉(zhuǎn) 換器和控制桿都連接到切換開關(guān)，用切換開關(guān)選擇控制的方式，切換開關(guān)連接到控制芯片， 控制芯片連接到電動機(jī)。所述的置物板上有連接桿，輪椅車架上的兩個扶手各有一個插孔，置物板的連接 桿插入扶手的插孔固定，也可以抽出，方便使用。所述的G. tec放大器離開控制者的頭部比較接近，可以減少G. tec電極連接到放 大器的導(dǎo)線長度。所述的側(cè)掛箱的上面板安置切換開關(guān)，便于切換操作，筆記本電腦放置在置物板 上面。本發(fā)明的控制者不需要肢體參與控制，直接用大腦的運動想象來控制輪椅的運 動，不像用現(xiàn)有技術(shù)中的P300控制需要幾秒鐘的時間才產(chǎn)生一個控制命令，本發(fā)明的控制 信號產(chǎn)生的速度較快，另外輪椅的運行不需要預(yù)先設(shè)定路徑，可以按照控制者的意愿來控 制輪椅的運行路徑。本發(fā)明可以有效的輔助殘疾人和運動功能障礙的患者提高自身的獨立 運動能力，從而提高日常的獨立生活能力，改善生活質(zhì)量。


圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2本發(fā)明命令控制系統(tǒng)連接示意圖。圖3本發(fā)明執(zhí)行系統(tǒng)連接示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明以下實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為 前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施 例。如圖1所示，本實施例包括G. tec電極1、G. tec放大器2、鎳氫電池3、筆記本電 腦4、輸出模塊5、數(shù)模轉(zhuǎn)換器7、控制桿8、切換開關(guān)9、控制芯片10、電動機(jī)11、輪椅車架12、 供電箱13、置物板14、后掛箱15、側(cè)掛箱16、后輪17、前輪18。本實施例以輪椅車架12為 骨架，其他部件裝配或焊接在輪椅車架12上，置物板14嵌在輪椅車架12兩個扶手之間，置 物板14上有連接桿，扶手有各有一個插孔，置物板14的連接桿插入扶手的插孔固定，也可 以抽出，方便使用。后掛箱15焊接在輪椅車架12的靠背后面，側(cè)掛箱16焊接在右邊扶手 的側(cè)面，與扶手上表面相平，不影響控制者放置手臂。G. tec放大器2放置在后掛箱15里， 離開控制者的頭部比較接近，可以減少G. tec電極連接到放大器的導(dǎo)線長度。數(shù)模轉(zhuǎn)化器 7放置在側(cè)掛箱16里，側(cè)掛箱16的上面板安置切換開關(guān)9，便于切換操作，筆記本電腦4放 置在置物板14上面。供電箱13焊接在輪椅座位底下的架子上。如圖2所示，命令控制系統(tǒng)包括G. tec電極1、G. tec放大器2、鎳氫電池3、筆記本電腦4、輸出模塊5，G. tec電極1固定在輪椅控制者6的頭上，G. tec電極1與頭皮接觸，每 個G. tec電極1的連接導(dǎo)線按順序插到G. tec放大器2的輸入插孔，G. tec放大器2通過 USB連接線接到筆記本電腦4的USB端口，筆記本電腦4通過輸出模塊5輸出控制命令，鎳 氫電池3連接到G. tec放大器2的電源輸入端，給G. tec放大器2供電。如圖3所示，執(zhí)行系統(tǒng)包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器7、控制桿8、切換開關(guān)9、控制芯片10、電動 機(jī)11，數(shù)模轉(zhuǎn)換器7和控制桿8都連接到切換開關(guān)9，用切換開關(guān)9選擇控制的方式，切換 開關(guān)9連接到控制芯片10，控制芯片10連接到電動機(jī)11。所述的G. tec電極1總共采用了十七導(dǎo)，十四導(dǎo)用于采集數(shù)據(jù)，二導(dǎo)用于作參考電 極，剩下的一導(dǎo)用作地。十四導(dǎo)采集數(shù)據(jù)的電極連接到G. tec放大器的一至十四號輸入插 孔，參考電極連接到參考輸入插孔，用作地的電極連接到地輸入插孔。所述的筆記本電腦4接收G. tec放大器2的數(shù)據(jù)，經(jīng)過運算識別得到控制信號，控 制信號經(jīng)過控制優(yōu)化算法優(yōu)化后通過輸出模塊輸出控制命令?？刂苾?yōu)化策略包括方向優(yōu) 化，解決輪椅方向發(fā)生變化時，阻力較大問題；轉(zhuǎn)向優(yōu)化，解決輪椅由直行突然轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向 不到位問題；命令平滑優(yōu)化，解決輪椅運行狀態(tài)改變時控制者注意力分散引起的控制效果 不佳問題；啟動優(yōu)化，解決啟動時靜摩擦較大引起的問題。所述的筆記本電腦4的屏幕顯示操作界面，可以對控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在輪椅控 制期間，屏幕顯示輪椅的控制狀態(tài)，反饋給輪椅控制者。所述的控制芯片10接收的控制信號是方波信號，占空比是0. 5。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的兩 個輸出通道0，l(16bit，IOuSec D/A變換)輸出給控制芯片。通道0控制輪椅的前進(jìn)和后退 運動，通道1控制輪椅的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)運動。通道0，1輸出方波幅值都為2. 5時，輪椅靜止不 動，當(dāng)通道0從平衡幅值增加幅值時，輪椅向前運動，當(dāng)通道1從平衡幅值增加幅值時，輪椅 向右轉(zhuǎn)向，當(dāng)通道1從平衡幅值減少幅值時，輪椅向左轉(zhuǎn)向，偏離平衡幅值越大，速度也越 大。一般情況下可以把通道0，1的輸出幅值設(shè)置為前進(jìn)2.8，2.5 ；左轉(zhuǎn)2.5，2.0 ；右轉(zhuǎn) 2. 5,2. 8 ；停止2. 5,2. 5。本實施例可以采用運動想象、遙控桿、鍵盤三種不同的方式來控制輪椅的運動，三 種不同的控制方式可以切換，各硬件元件的安置方便操作，并且不妨礙控制者的活動，有效 的輔助殘疾人和運動功能障礙的患者提高自身的獨立運動能力。
權(quán)利要求
一種基于運動想象控制的殘疾人輪椅車，其特征在于，包括命令控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、輪椅車架、供電箱、置物板、后掛箱、側(cè)掛箱、后輪、前輪，以輪椅車架為骨架，置物板嵌在輪椅車架上設(shè)置的兩個扶手之間，后掛箱焊接在輪椅車架的靠背后面，側(cè)掛箱焊接在右邊扶手的側(cè)面，與扶手上表面相平，命令控制系統(tǒng)設(shè)置在后掛箱和置物板上，執(zhí)行系統(tǒng)芯片設(shè)置在側(cè)掛箱里，供電箱焊接在輪椅車架上的輪椅座位底下的架子上，命令控制系統(tǒng)輸出輪椅的控制命令給執(zhí)行系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行輪椅的運動控制命令；所述的命令控制系統(tǒng)，包括G.tec電極、G.tec放大器、鎳氫電池、筆記本電腦、輸出模塊，G.tec電極固定在輪椅控制者的頭上，G.tec電極與頭皮接觸，每個G.tec電極的連接導(dǎo)線按順序插到G.tec放大器的輸入插孔，G.tec放大器2通過USB連接線接到筆記本電腦的USB端口，筆記本電腦連接到輪椅車，輸出控制信號，鎳氫電池連接到G.tec放大器的電源輸入端，給G.tec放大器供電；所述的執(zhí)行系統(tǒng)，包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器、控制桿、切換開關(guān)、控制芯片、電動機(jī)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器和控制桿都連接到切換開關(guān)，用切換開關(guān)選擇控制的方式，切換開關(guān)連接到控制芯片，控制芯片連接到電動機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運動想象控制的殘疾人輪椅車，其特征是，所述的G.tec 電極總共采用了十七導(dǎo)，十四導(dǎo)用于采集數(shù)據(jù)，二導(dǎo)用于作參考電極，剩下的一導(dǎo)用作地。 十四導(dǎo)采集數(shù)據(jù)的電極連接到G. tec放大器的一至十四號輸入插孔，參考電極連接到參考 輸入插孔，用作地的電極連接到地輸入插孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運動想象控制的殘疾人輪椅車，其特征是，所述的筆記 本電腦接收G. tec放大器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過運算識別得到控制信號，控制信號通過輸出模塊輸 出控制命令。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運動想象控制的殘疾人輪椅車，其特征是，所述的控制 芯片接收的控制信號是方波信號，占空比是0. 5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運動想象控制的殘疾人輪椅車，其特征是，所述的數(shù)模 轉(zhuǎn)換器的兩個輸出通道0，1輸出給控制芯片。
全文摘要
一種機(jī)械工程技術(shù)領(lǐng)域的基于運動想象控制的殘疾人輪椅車。以輪椅車架為骨架，置物板嵌在輪椅車架上設(shè)置的兩個扶手之間，后掛箱焊接在輪椅車架的靠背后面，側(cè)掛箱焊接在右邊扶手的側(cè)面，與扶手上表面相平，命令控制系統(tǒng)設(shè)置在后掛箱和置物板上，執(zhí)行系統(tǒng)芯片設(shè)置在側(cè)掛箱里，供電箱焊接在輪椅車架上的輪椅座位底下的架子上，命令控制系統(tǒng)輸出輪椅的控制命令給執(zhí)行系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行輪椅的運動控制命令。本發(fā)明的控制者不需要肢體參與控制，直接用大腦的運動想象來控制輪椅的運動，本發(fā)明的控制信號產(chǎn)生的速度較快，本發(fā)明可以有效的輔助殘疾人和運動功能障礙的患者提高自身的獨立運動能力，從而提高日常的獨立生活能力，改善生活質(zhì)量。
文檔編號A61G5/10GK101953737SQ20101051666
公開日2011年1月26日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者張麗清, 李俊華, 梁健怡 申請人:上海交通大學(xué)