本發(fā)明屬于腦機(jī)接口技術(shù)及人工智能技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于腦機(jī)接口與人工智能的智能輪椅控制方法。

背景技術(shù)：

目前我國(guó)殘疾人總數(shù)約為8500萬(wàn)人，到2020年將達(dá)到9000萬(wàn)人，其中27％為肢體殘疾。肢體殘疾患者的輔具配備率不容樂(lè)觀(guān)。在富裕地區(qū)，輔具配備率約為20％，在貧困地區(qū)甚至低于5％。因此，輪椅等輔具不僅市場(chǎng)潛力巨大，且具有突出的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值。然而，現(xiàn)實(shí)中存在相當(dāng)部分肢體殘疾和中風(fēng)患者由于無(wú)法操控傳統(tǒng)的手動(dòng)/電動(dòng)輪椅，對(duì)生活和預(yù)后康復(fù)造成困難。造成這種困難的原因主要在于：1、患者無(wú)法操控輪椅的控制手柄發(fā)出指令；2、患者被認(rèn)為無(wú)法安全的控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。

針對(duì)問(wèn)題1，當(dāng)前日趨成熟的腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高速、可靠的人機(jī)交互手段，但是僅僅依賴(lài)單純的腦機(jī)接口技術(shù)，仍存在以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)腦機(jī)接口需要用戶(hù)高度集中注意力，難以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)地使用；(2)腦機(jī)接口的傳輸率雖然已經(jīng)較高，但當(dāng)出現(xiàn)障礙物等緊急情況時(shí)，仍難以實(shí)現(xiàn)快速、可靠的反應(yīng)，難以替代操縱桿的快捷操作。因此，單獨(dú)依賴(lài)腦機(jī)接口技術(shù)，難以解決問(wèn)題2中的安全性問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理、控制靈活、安全可靠的基于腦機(jī)接口與人工智能的智能輪椅控制方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于腦機(jī)接口與人工智能的智能輪椅控制方法，包括以下步驟：

步驟1、在使用者頭皮上安放測(cè)量電極，通過(guò)有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)的形式將使用者的腦電信號(hào)接入；

步驟2、通過(guò)固定在輪椅上的激光雷達(dá)掃描當(dāng)前場(chǎng)景，獲取當(dāng)前場(chǎng)景的初步映射，并不斷實(shí)時(shí)循環(huán)掃描刷新最新的場(chǎng)景信息；

步驟3、通過(guò)固定在輪椅四周的攝像頭和/或超聲波測(cè)距儀獲取各個(gè)方向的照片和/或距離信息，從而獲得各個(gè)方向的障礙物定位信息，并實(shí)時(shí)循環(huán)掃描刷新最新的障礙物定位信息；

步驟4、通過(guò)腦機(jī)接口獲得使用者發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令；

步驟5、根據(jù)使用者發(fā)出的運(yùn)動(dòng)信息，根據(jù)步驟2和步驟3獲得的最新場(chǎng)景信息和最新障礙物定位信息，進(jìn)行安全判斷和路徑規(guī)劃，生成輪椅運(yùn)動(dòng)控制指令；

步驟6：將輪椅運(yùn)動(dòng)控制指令發(fā)到輪椅控制機(jī)構(gòu)，由輪椅控制機(jī)構(gòu)控制輪椅運(yùn)動(dòng)；在輪椅運(yùn)動(dòng)中，實(shí)時(shí)收集場(chǎng)景信息和障礙物定位信息以及輪椅運(yùn)動(dòng)速度信息并作為反饋，當(dāng)輪椅運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)障礙物、跌落或速度過(guò)快因素時(shí)，自動(dòng)實(shí)施減速、避讓或停止操作，并且，收集使用者控制輪椅的信息和場(chǎng)景信息、障礙物定位信息、輪椅運(yùn)動(dòng)速度信息作為反饋并使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行進(jìn)行歸納和訓(xùn)練，作為下一次輪椅運(yùn)動(dòng)控制指令生成時(shí)的反饋輸入。

所述步驟2是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的：

步驟2.1、激光雷達(dá)獲取各個(gè)方向的距離信息，并生成環(huán)境地圖；

步驟2.2、將輪椅自身位置映射到環(huán)境地圖中，實(shí)現(xiàn)輪椅的定位。

所述步驟3是通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)的：

當(dāng)使用攝像頭時(shí)，通過(guò)攝像頭獲取各個(gè)方向上的圖像信息，通過(guò)圖像處理方法識(shí)別物體信息和深度信息，根據(jù)物體信息和深度信息，計(jì)算得到各個(gè)方向上可能的障礙物及障礙物與輪椅的距離；

當(dāng)使用超聲波測(cè)距儀時(shí)，通過(guò)超聲波測(cè)距儀獲得各個(gè)方向上的物體距離信息，計(jì)算得到各個(gè)方向上可能的障礙物及障礙物與輪椅的距離；

當(dāng)同時(shí)使用攝像頭和超聲波測(cè)距儀時(shí)，可將圖像處理獲得的障礙物信息與超聲波測(cè)距獲得的障礙物信息進(jìn)行綜合，同時(shí)，超聲波測(cè)距儀的安全優(yōu)先級(jí)可以設(shè)置為高于攝像頭。

所述步驟5是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的：

步驟5.1、根據(jù)步驟4獲得的運(yùn)行指令，在環(huán)境地圖中生成輪椅按照運(yùn)動(dòng)指令將運(yùn)動(dòng)到的目的地位置，并使用路徑規(guī)劃算法生成多種可能的運(yùn)動(dòng)軌跡，在運(yùn)動(dòng)軌跡的生成過(guò)程中，需要參考環(huán)境地圖、攝像頭和/或超聲波測(cè)距儀的安全優(yōu)先級(jí)，其中，安全優(yōu)先級(jí)是預(yù)先設(shè)定的，或者在運(yùn)行中改變；

步驟5.2、根據(jù)步驟2和步驟3獲得的場(chǎng)景信息和障礙物信息，預(yù)先計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡的可行性及可能遇到的障礙物信息，當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡完全不可行或運(yùn)動(dòng)指令將導(dǎo)致立即遇到障礙物時(shí)，判定此次運(yùn)動(dòng)指令無(wú)效，當(dāng)存在可行的運(yùn)動(dòng)軌跡且運(yùn)動(dòng)指令執(zhí)行后不會(huì)立即遇到障礙物時(shí)，依據(jù)此次運(yùn)動(dòng)指令生成輪椅運(yùn)動(dòng)控制指令。

所述步驟6使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行進(jìn)行歸納和訓(xùn)練的方法為：針對(duì)使用者的控制模式和期望的輸出構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，或者基于使用者過(guò)往的控制習(xí)慣和方式以及輪椅和周?chē)h(huán)境、障礙物的關(guān)系和輪椅速度構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，獲取優(yōu)化的輪椅運(yùn)動(dòng)控制輸出方案。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

本發(fā)明利用綜合運(yùn)用腦機(jī)接口方法和人工智能方法，通過(guò)設(shè)置在輪椅上的激光雷達(dá)、距離傳感器和攝像頭，組成傳感器網(wǎng)絡(luò)和腦機(jī)接口協(xié)同控制的智能輪椅控制方法，不僅能夠幫助不便使用肢體操作輪椅的用戶(hù)實(shí)現(xiàn)輪椅的安全有效的控制，還可基于使用者的控制習(xí)慣實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的控制輸出，且不需要在使用環(huán)境中布置攝像頭或者其他傳感器，由輪椅上的攝像頭及傳感器即可完成人工智能協(xié)同控制，擴(kuò)大了腦控智能輪椅的應(yīng)用范圍。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的處理流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述：

一種基于腦機(jī)接口與人工智能的智能輪椅控制方法是基于近年來(lái)快速發(fā)展的人工智能技術(shù)。人工智能技術(shù)已被證明可通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)、傳感器網(wǎng)絡(luò)手段，實(shí)現(xiàn)有效和可靠的人機(jī)交互輔助功能。借助人工智能技術(shù)，一方面能夠部分的解放使用者在腦機(jī)接口控制上所需的連續(xù)注意力集中時(shí)長(zhǎng)，更重要的是，還能夠提供有效的輔助機(jī)制，保障使用者在控制輪椅時(shí)的安全性。實(shí)際上，人工智能輔助行駛的安全性在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域已經(jīng)得到了充分的驗(yàn)證。因此，將人工智能技術(shù)和腦機(jī)接口技術(shù)融合，將能夠提供有效、可靠的協(xié)同式融合控制方法，實(shí)現(xiàn)智能輪椅的控制。

本發(fā)明的智能輪椅控制方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1：在使用者頭皮上安放測(cè)量電極，以無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)的方式將使用者腦電信號(hào)接入。

在本步驟中，使用者腦電信號(hào)的檢測(cè)是通過(guò)體表電極作為傳感器拾取頭皮腦電信號(hào)的。需要注意的是，電極類(lèi)型、導(dǎo)聯(lián)方式并不只局限于本實(shí)施例所列舉的情形。本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以意識(shí)到，所有可提供腦電信號(hào)采樣的電極均可以適用于本發(fā)明所描述的系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。示例中所提供的電極類(lèi)型和導(dǎo)聯(lián)方式并不旨在對(duì)本發(fā)明的使用范圍或功能提出任何局限。

步驟2：通過(guò)固定在輪椅上的激光雷達(dá)掃描當(dāng)前場(chǎng)景，獲取當(dāng)前場(chǎng)景的初步映射，并不斷實(shí)時(shí)循環(huán)掃描刷新最新的場(chǎng)景信息，具體方法如下：

步驟2.1：激光雷達(dá)獲取各個(gè)方向的距離信息，并生成環(huán)境地圖。其中，激光雷達(dá)的掃描可以是針對(duì)特定感興趣區(qū)域的，也可以是360度全角度的掃描過(guò)程，基于距離信息的掃描，可生成輪椅和環(huán)境中各邊界的距離信息對(duì)應(yīng)關(guān)系，基于這一關(guān)系可將輪椅位置映射到環(huán)境中，獲得環(huán)境地圖。

步驟2.2：當(dāng)獲得環(huán)境地圖后，獲取輪椅在環(huán)境地圖中的定位信息。

步驟3：通過(guò)固定在輪椅四周的攝像頭和/或超聲波測(cè)距儀獲取各個(gè)方向的照片和/或距離信息，從而獲得各個(gè)方向的障礙物定位信息，并不斷實(shí)時(shí)循環(huán)掃描刷新最新的障礙物定位信息。需要注意的是，攝像頭和超聲波測(cè)距儀不需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)在一個(gè)具體的實(shí)施例中，可根據(jù)不同情況實(shí)現(xiàn)單獨(dú)依靠攝像頭或單獨(dú)依靠超聲波測(cè)距儀的實(shí)施例，也可以在一個(gè)實(shí)施例中同時(shí)實(shí)現(xiàn)基于攝像頭和超聲波測(cè)距儀的方法，具體方法如下：

步驟3.1：當(dāng)使用攝像頭時(shí)，通過(guò)攝像頭獲取各個(gè)方向上的圖像信息，通過(guò)圖像處理方法識(shí)別物體信息和深度信息，根據(jù)物體信息和深度信息，計(jì)算得到各個(gè)方向上可能的障礙物及障礙物與輪椅的距離。當(dāng)使用超聲波測(cè)距儀時(shí)，通過(guò)超聲波測(cè)距儀獲得各個(gè)方向上的物體距離信息，計(jì)算得到各個(gè)方向上可能的障礙物及障礙物與輪椅的距離。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，攝像頭和/或超聲波測(cè)距儀檢測(cè)的方向數(shù)目是不特定的，可以是圍繞輪椅四周的四個(gè)方向，也可以是圍繞輪椅四周的更多方向，還可以針對(duì)特定感興趣區(qū)域，如輪椅前方或后方，設(shè)置檢測(cè)方向。

步驟3.2：當(dāng)同時(shí)使用攝像頭和超聲波測(cè)距儀時(shí)，可將圖像處理獲得的障礙物信息與超聲波測(cè)距獲得的障礙物信息進(jìn)行綜合，同時(shí)，超聲波測(cè)距儀的安全優(yōu)先級(jí)可以設(shè)置為高于攝像頭；在一個(gè)具體的實(shí)施例中，超聲波測(cè)距儀、攝像頭、環(huán)境地圖的安全優(yōu)先級(jí)也可以在運(yùn)行中改變。

步驟4：通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)獲得使用者發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)的方法是靈活多樣的，可以是基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口，也可以是基于電刺激的腦機(jī)接口，還可以是基于視、聽(tīng)覺(jué)刺激的腦機(jī)接口；

步驟5：根據(jù)使用者發(fā)出的運(yùn)動(dòng)信息，根據(jù)步驟2、3獲得的最新場(chǎng)景信息和最新障礙物信息，進(jìn)行安全判斷和路徑規(guī)劃，生成輪椅運(yùn)動(dòng)控制指令。具體方法如下：

步驟5.1：根據(jù)從步驟4獲得的運(yùn)動(dòng)指令，在環(huán)境地圖中生成輪椅按照運(yùn)動(dòng)指令將運(yùn)動(dòng)到的目的地位置，并使用路徑規(guī)劃算法生成多種可能的運(yùn)動(dòng)軌跡，在運(yùn)動(dòng)軌跡的生成過(guò)程中，需要參考環(huán)境地圖、攝像頭和/或超聲波測(cè)距儀的安全優(yōu)先級(jí)，其中，安全優(yōu)先級(jí)可以是預(yù)先設(shè)定的，也可以在運(yùn)行中改變；

步驟5.2：根據(jù)步驟2、3獲得的場(chǎng)景信息和障礙物信息，預(yù)先計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡的可行性及可能遇到的障礙物信息，當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡完全不可行或運(yùn)動(dòng)指令將導(dǎo)致立即遇到障礙物時(shí)，判定此次運(yùn)動(dòng)指令無(wú)效，當(dāng)存在可行的運(yùn)動(dòng)軌跡且運(yùn)動(dòng)指令執(zhí)行后不會(huì)立即遇到障礙物時(shí)，依據(jù)此次運(yùn)動(dòng)指令生成輪椅運(yùn)動(dòng)控制指令；

步驟6：將輪椅運(yùn)動(dòng)控制指令發(fā)到輪椅控制機(jī)構(gòu)，使輪椅運(yùn)動(dòng)，并且在輪椅運(yùn)動(dòng)中，保持實(shí)時(shí)收集場(chǎng)景信息和障礙物定位信息以及輪椅運(yùn)動(dòng)速度信息并作為反饋，當(dāng)輪椅運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)障礙物、跌落或速度過(guò)快等不安全因素時(shí)，自動(dòng)實(shí)施減速、避讓或停止操作，并且，收集使用者控制輪椅的信息和場(chǎng)景信息、障礙物定位信息、輪椅運(yùn)動(dòng)速度信息并作為反饋使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行歸納和訓(xùn)練。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，機(jī)器學(xué)習(xí)方法可針對(duì)使用者的控制模式和期望的輸出構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，還可以是基于使用者過(guò)往的控制習(xí)慣和方式以及輪椅和周?chē)h(huán)境、障礙物的關(guān)系和輪椅速度構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，獲取優(yōu)化的輪椅運(yùn)動(dòng)控制輸出方案，從而能夠優(yōu)化未來(lái)的輪椅運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者習(xí)慣自適應(yīng)的平穩(wěn)、安全、可靠的控制輸出。

通過(guò)以上步驟，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的若干目標(biāo)并獲得了其他有利結(jié)果。

上述方法的執(zhí)行或?qū)崿F(xiàn)順序不是必要的，除非另外指定。即，方法的元素可以用任何順序來(lái)執(zhí)行，除非另外指定，且方法可包括比此處所揭示的更多或更少的元素?？梢哉J(rèn)為，在另一元素之前、與其同時(shí)或之后執(zhí)行或?qū)崿F(xiàn)特定元素是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。

當(dāng)說(shuō)明本發(fā)明或其實(shí)施例的元素時(shí)，冠詞“一”、“一個(gè)”、“該”和“所述”是指存在一個(gè)或多個(gè)元素?！鞍ā?、“包含”、“具有”旨在包含性的，且意味著除所列出的元素之外還可以有其他元素。

由于可在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下在上述產(chǎn)品和方法中做出各種改變，因此包含在上述說(shuō)明書(shū)并在附圖中示出的所有內(nèi)容都應(yīng)當(dāng)被解釋為說(shuō)明性而非限制性的。