本發(fā)明涉及一種電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)，特別是涉及一種基于眼電的電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

輪椅是常見的助殘?jiān)O(shè)備之一，用來幫助腿部運(yùn)動(dòng)功能缺失的人重新獲得行走能力。人機(jī)接口(humanmachineinterface,hmi)將人的意圖轉(zhuǎn)化為控制命令，而在人與外部設(shè)備之間建立直接的交流和控制通道。因此，人機(jī)接口技術(shù)被廣泛的運(yùn)用于輪椅控制，常見的包括操縱桿和鍵盤。不過，現(xiàn)存的用于輪椅控制的人機(jī)接口很大部分是手動(dòng)的，需要用戶具有良好的上肢運(yùn)動(dòng)功能。然而，一些疾病(如肌萎縮性側(cè)索硬化als，脊髓損傷sci等)會(huì)造成病人深度癱瘓，喪失四肢運(yùn)動(dòng)功能，因此很難通過傳統(tǒng)的手動(dòng)人機(jī)接口操控輪椅，需要為他們提供一種非手動(dòng)的人機(jī)交互方式，讓他們能夠快速、準(zhǔn)確且充分地輸出控制指令(如前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)向，加速，減速，停止等)。通常，深度癱瘓的病人的大腦和眼睛仍然保持著正常功能，因此研究人員提出了一些基于腦電信號(electroencephalography,eeg)或眼電信號(electrooculography,eog)的輪椅控制系統(tǒng)。eeg和eog分別來自于大腦和眼睛生成的生物電信號，二者都屬于非侵入式信號。

目前基于腦電信號的用于輪椅控制的人機(jī)接口主要使用運(yùn)動(dòng)想象、p300以及ssvep等腦電模式，其中運(yùn)動(dòng)想象的響應(yīng)時(shí)間(生成一個(gè)命令的時(shí)間)最短，但是能夠提供的控制指令數(shù)量有限(通常只有2個(gè)或3個(gè))，因此主要用于控制輪椅轉(zhuǎn)向。p300和ssvep可以提供豐富的控制命令，但是它們的響應(yīng)時(shí)間比較長，準(zhǔn)確率不高，而且容易造成疲勞，不適合長時(shí)間控制。此外，運(yùn)動(dòng)想象的效果個(gè)體差異很大，因此需要相對大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，比較耗時(shí)。

目前基于眼電的人機(jī)接口具有以下缺點(diǎn)：第一，不能快速準(zhǔn)確地識別有意識的眼部動(dòng)作和無意識的眼部動(dòng)作；第二，區(qū)分不同眼部動(dòng)作的準(zhǔn)確率有待提高；第三，多種眼部動(dòng)作的使用導(dǎo)致控制比較復(fù)雜，容易引起眼部疲勞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種更加快速安全準(zhǔn)確的輪椅控制系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于眼電的輪椅控制系統(tǒng),包括眼電信號采集模塊、眨眼檢測單元、決策單元和輪椅執(zhí)行單元；

所述眼電信號采集模塊用于信號采集并進(jìn)行放大濾波，然后將采集到的眼電信號傳送給所述眨眼檢測單元；

所述眨眼檢測單元從眼電信號中提取波形特征參數(shù)，所述波形特征參數(shù)包括原始信號最大值、原始信號最大值出現(xiàn)時(shí)刻相對于按鍵閃爍時(shí)刻的時(shí)延、差分信號最大值以及眨眼持續(xù)時(shí)間，檢查所述波形特征參數(shù)是否滿足閾值條件，從而判斷是否存在眨眼；

所述決策單元根據(jù)眨眼檢測單元的結(jié)果，輸出指令給所述輪椅執(zhí)行單元；

所述輪椅執(zhí)行單元根據(jù)識別的指令結(jié)果，控制輪椅執(zhí)行相對應(yīng)的動(dòng)作；

所述決策單元按以下方式根據(jù)根據(jù)眨眼檢測單元的結(jié)果輸出指令給所述輪椅執(zhí)行單元；

通過初始校準(zhǔn)測出每個(gè)用戶的眨眼反應(yīng)時(shí)間，即原始信號最大值出現(xiàn)時(shí)刻相對于按鍵閃爍時(shí)刻的時(shí)延tp的平均值tp；獲取該輪閃爍中每個(gè)按鍵的時(shí)延tp，依照以下公式對每個(gè)按鍵進(jìn)行評估：

ei＝|tpi-tp|；

其中，ei為按鍵i的評估值，tpi為按鍵i的眼電數(shù)據(jù)段中原始信號最大值出現(xiàn)時(shí)刻相對于按鍵閃爍時(shí)刻的時(shí)延，tp為當(dāng)前用戶的眨眼反應(yīng)時(shí)間；然后，選取評估值最小的按鍵作為本輪閃爍的識別結(jié)果。

較佳的，所述眨眼檢測單元按以下方式判斷是否眨眼：

首先，每次按鍵閃爍后，提取一段眼電數(shù)據(jù)，其中包含閃爍時(shí)刻開始后100-500ms的眼電數(shù)據(jù)；對數(shù)據(jù)段進(jìn)行降采樣，經(jīng)截止頻率為10hz的低通濾波器濾波后做差分得到差分信號；然后提取多個(gè)波形特征參數(shù)，包括原始信號最大值amax、原始信號最大值出現(xiàn)時(shí)刻相對于按鍵閃爍時(shí)刻的時(shí)延tp、差分信號最大值smax以及眨眼持續(xù)時(shí)間dpn；

本發(fā)明中眨眼持續(xù)時(shí)間dpn為差分信號最大值和最小值之間的時(shí)間間隔；眨眼檢測單元依據(jù)每次實(shí)驗(yàn)前初始校準(zhǔn)設(shè)置的閾值參數(shù)來檢測該數(shù)據(jù)段中是否包含有眨眼波形；具體來說，系統(tǒng)設(shè)置了三個(gè)閾值，分別是幅值閾值ath、速度閾值sth和持續(xù)時(shí)間閾值[d1,d2]；當(dāng)眼電數(shù)據(jù)中提取的amax和smax分別超過了幅值閾值和速度閾值，且dpn在持續(xù)時(shí)間閾值規(guī)定的范圍內(nèi)，則認(rèn)為在該段眼電數(shù)據(jù)中檢測到了眨眼。

較佳的，只有當(dāng)某個(gè)按鍵在最近的連續(xù)三輪閃爍中至少兩次被選中作為識別結(jié)果，才判斷為用戶正在跟隨該按鍵的閃爍同步眨眼，進(jìn)而輸出對應(yīng)的輪椅控制指令；如果不存在滿足條件的按鍵，系統(tǒng)進(jìn)入新一輪閃爍，不輸出任何控制指令。

較佳的，如果某個(gè)按鍵在本輪閃爍中被選中為識別結(jié)果，則直接將其視為最終結(jié)果并輸出對應(yīng)的輪椅控制指令。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明能夠快速地檢測到眨眼信號并將其準(zhǔn)確定位到某一個(gè)具體的按鍵上，從而實(shí)現(xiàn)了僅僅使用一種眼部動(dòng)作就能安全、快速、準(zhǔn)確且充分地提供輪椅控制指令?，F(xiàn)存的其它眼電控制系統(tǒng)通常不能很好地區(qū)分有意識眼部動(dòng)作和無意識眼部動(dòng)作，因而存在一定的誤報(bào)率，本發(fā)明可以很好的解決這個(gè)問題；本發(fā)明還具有設(shè)備成本低，操作簡單，實(shí)用性好的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的決策機(jī)制示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

如圖1、圖2所示，一種基于眼電的輪椅控制系統(tǒng),包括眼電信號采集模塊1、眨眼檢測單元2、決策單元3和輪椅執(zhí)行單元4；

所述眼電信號采集模塊1用于信號采集并進(jìn)行放大濾波，然后將采集到的眼電信號傳送給所述眨眼檢測單元2；

所述眨眼檢測單元2從眼電信號中提取波形特征參數(shù)，所述波形特征參數(shù)包括原始信號最大值、原始信號最大值出現(xiàn)時(shí)刻相對于按鍵閃爍時(shí)刻的時(shí)延、差分信號最大值以及眨眼持續(xù)時(shí)間，檢查所述波形特征參數(shù)是否滿足閾值條件，從而判斷是否存在眨眼；

所述決策單元3根據(jù)眨眼檢測單元2的結(jié)果，輸出指令給所述輪椅執(zhí)行單元4；

所述輪椅執(zhí)行單元4根據(jù)識別的指令結(jié)果，控制輪椅執(zhí)行相對應(yīng)的動(dòng)作；

所述決策單元3按以下方式根據(jù)根據(jù)眨眼檢測單元2的結(jié)果輸出指令給所述輪椅執(zhí)行單元4；

通過初始校準(zhǔn)測出每個(gè)用戶的眨眼反應(yīng)時(shí)間，即原始信號最大值出現(xiàn)時(shí)刻相對于按鍵閃爍時(shí)刻的時(shí)延tp的平均值tp；獲取該輪閃爍中每個(gè)按鍵的時(shí)延tp，依照以下公式對每個(gè)按鍵進(jìn)行評估：

ei＝|tpi-tp|；

其中，ei為按鍵i的評估值，tpi為按鍵i的眼電數(shù)據(jù)段中原始信號最大值出現(xiàn)時(shí)刻相對于按鍵閃爍時(shí)刻的時(shí)延，tp為當(dāng)前用戶的眨眼反應(yīng)時(shí)間；然后，選取評估值最小的按鍵作為本輪閃爍的識別結(jié)果。這種評估方法的有效性是根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，每個(gè)用戶對于閃爍的反應(yīng)時(shí)間tp是相對穩(wěn)定的，會(huì)穩(wěn)定在一定范圍時(shí)間窗內(nèi)(比如280-320ms，時(shí)間窗寬度40ms左右)。而相鄰按鍵閃爍間隔被設(shè)計(jì)為90ms，遠(yuǎn)大于tp穩(wěn)定范圍的寬度。因此只有目標(biāo)按鍵的時(shí)延tp有可能位于反應(yīng)時(shí)間tp附近，借此和非目標(biāo)鍵區(qū)分開。

所述的眼電信號采集模塊1，采用四通道眼電放大器實(shí)現(xiàn)，主包括一個(gè)前置放大器，一個(gè)右腿驅(qū)動(dòng)電路(drl)，一個(gè)帶通濾波器(1-30hz)，以及一個(gè)后置放大器。放大器總增益為2000，采樣頻率250hz。四個(gè)通道分別為“ch1”,“ch2”，“com”，“comleg”，每個(gè)通道通過對應(yīng)的貼于人體皮膚表面的電極采集信號，其中通道“ch1”和“ch2”為數(shù)據(jù)采集通道，通道“com”作為參考，“comleg”作為右腿驅(qū)動(dòng)電路的輸入通道，用于去除眼電信號中的共模噪聲。本實(shí)施例僅僅需要用到其中一個(gè)數(shù)據(jù)通道和兩個(gè)參考通道，其中數(shù)據(jù)通道(“ch1”)對應(yīng)電極貼于眉梢，“com”和“comleg”對應(yīng)的電極分別貼于左右耳根。

本實(shí)施例包括圖形用戶界面，其包括兩級界面，分別是開關(guān)界面(1個(gè)控制按鍵)、控制界面(13個(gè)控制按鍵)。每個(gè)控制按鍵對應(yīng)于某個(gè)特定功能，且能夠按一定頻率閃爍，用于提示用戶眨眼的時(shí)機(jī)。用戶通過跟隨某個(gè)按鍵的閃爍同步眨眼來選中該按鍵。在開關(guān)界面中，單一按鍵“on”按1hz頻率閃爍；在控制界面中，13個(gè)控制按鍵按照固定的順序依次閃爍，前后兩個(gè)按鍵閃爍間隔90ms。一輪閃爍(每個(gè)按鍵閃爍一次)結(jié)束后90ms開啟新一輪閃爍。

所述眨眼檢測單元2按以下方式判斷是否眨眼：

首先，每次按鍵閃爍后，提取一段眼電數(shù)據(jù)，其中包含閃爍時(shí)刻開始后100-500ms的眼電數(shù)據(jù)；對數(shù)據(jù)段進(jìn)行降采樣，經(jīng)截止頻率為10hz的低通濾波器濾波后做差分得到差分信號；然后提取多個(gè)波形特征參數(shù)，包括原始信號最大值amax、原始信號最大值出現(xiàn)時(shí)刻相對于按鍵閃爍時(shí)刻的時(shí)延tp、差分信號最大值smax以及眨眼持續(xù)時(shí)間dpn；

本發(fā)明中眨眼持續(xù)時(shí)間dpn為差分信號最大值和最小值之間的時(shí)間間隔；眨眼檢測單元依據(jù)每次實(shí)驗(yàn)前初始校準(zhǔn)設(shè)置的閾值參數(shù)來檢測該數(shù)據(jù)段中是否包含有眨眼波形；具體來說，系統(tǒng)設(shè)置了三個(gè)閾值，分別是幅值閾值ath、速度閾值sth和持續(xù)時(shí)間閾值[d1,d2]；當(dāng)眼電數(shù)據(jù)中提取的amax和smax分別超過了幅值閾值和速度閾值，且dpn在持續(xù)時(shí)間閾值規(guī)定的范圍內(nèi)，則認(rèn)為在該段眼電數(shù)據(jù)中檢測到了眨眼。即一個(gè)成功的眨眼檢測需同時(shí)滿足下列不等式：

amax≥ath(1)

smax≥sth(2)

d1≤dpn≤d2(3)

每次使用前，進(jìn)行初始校準(zhǔn)，用來采集閾值參數(shù)。按照1hz的頻率閃爍10次。操作者跟隨閃爍同步眨眼，校準(zhǔn)程序會(huì)采集10次眨眼的原始信號，提取多個(gè)波形特征參數(shù)，包括原始信號最大值amax、原始信號最大值出現(xiàn)時(shí)刻相對于按鍵閃爍時(shí)刻的時(shí)延tp、差分信號最大值smax以及眨眼持續(xù)時(shí)間dpn。然后將這10次眨眼的各種特征參數(shù)取平均值得到和其中，分別作為眨眼檢測單元的幅值閾值ath和速度閾值sth，用來計(jì)算持續(xù)時(shí)間閾值[d1,d2]，作為用戶的眨眼反應(yīng)時(shí)間。

現(xiàn)有的眼電控制系統(tǒng)普遍存在一個(gè)問題：很難區(qū)分無意識的眼部動(dòng)作和有意識的眼部動(dòng)作。這一問題會(huì)直接增大系統(tǒng)的誤報(bào)率(當(dāng)用戶處于空閑狀態(tài)下，系統(tǒng)錯(cuò)誤地輸出控制指令的概率)，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，如果僅僅依靠一輪閃爍得出的結(jié)果來決定最終的輸出，那么用戶無意識的一次眨眼就可能導(dǎo)致輪椅錯(cuò)誤的移動(dòng)，這在實(shí)際操作中可能會(huì)造成危險(xiǎn)狀況。為了解決這一問題，本發(fā)明提出了一種“同步?jīng)Q策機(jī)制”：只有當(dāng)某個(gè)按鍵在最近的連續(xù)三輪閃爍中至少兩次被選中作為識別結(jié)果，系統(tǒng)才判斷為用戶正在跟隨該按鍵的閃爍同步眨眼，進(jìn)而輸出對應(yīng)的輪椅控制指令；如果不存在滿足條件的按鍵，系統(tǒng)進(jìn)入新一輪閃爍，不輸出任何控制指令。這種“同步?jīng)Q策機(jī)制”強(qiáng)調(diào)用戶多次眨眼和按鍵多次閃爍的同步性，而隨機(jī)的無意識的眨眼幾乎不可能和某個(gè)按鍵的閃爍同步，從而消除了無意識眨眼的影響。此外，為了加快控制指令產(chǎn)生的速度，也可以采用另一種“快速?zèng)Q策機(jī)制”：如果某個(gè)按鍵在本輪閃爍中被選中為識別結(jié)果，則直接將其視為最終結(jié)果并輸出對應(yīng)的輪椅控制指令?！翱焖?zèng)Q策機(jī)制”的優(yōu)點(diǎn)是縮短了生成指令的時(shí)間，缺點(diǎn)是準(zhǔn)確率不高且容易受到無意識眨眼的影響。由于實(shí)際輪椅控制中對停止的反應(yīng)速度要求較高，需要實(shí)現(xiàn)“即停”，并且“誤?！辈粫?huì)導(dǎo)致潛在的危險(xiǎn)，因此本發(fā)明對停止鍵采用了“快速?zèng)Q策機(jī)制”，對其它按鍵使用的則是“同步?jīng)Q策機(jī)制”。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本發(fā)明生成一個(gè)非停止指令的平均時(shí)間為3.56s，生成一個(gè)停止指令的時(shí)間為1.92s，總體準(zhǔn)確率達(dá)到97.1％。

本發(fā)明較現(xiàn)有技術(shù)的一大優(yōu)勢在于引入圖形用戶界面提示用戶在特定時(shí)刻眨眼，并提出了一種多閾值眨眼檢測方法和一種基于時(shí)延的評估方法，能夠快速地檢測到眨眼信號并將其準(zhǔn)確定位到某一個(gè)具體的按鍵上，從而實(shí)現(xiàn)了僅僅使用一種眼部動(dòng)作就能安全、快速、準(zhǔn)確且充分地提供輪椅控制指令。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本發(fā)明生成一個(gè)非停止指令的平均時(shí)間為3.56s，生成一個(gè)停止指令的時(shí)間為1.92s，總體準(zhǔn)確率達(dá)到97.1％，誤報(bào)率為0，且能夠提供多達(dá)13個(gè)控制指令?，F(xiàn)有的非手動(dòng)輪椅控制技術(shù)如腦電中的運(yùn)動(dòng)想象模式通常只能提供2個(gè)或3個(gè)控制指令且準(zhǔn)確率因人而異，而p300模式生成一個(gè)控制命令一般需要4-6秒，ssvep模式則容易引發(fā)疲勞和癲癇；現(xiàn)有的基于眼電的輪椅控制技術(shù)準(zhǔn)確率最高只有80％左右。本發(fā)明公開的方法可以很好的解決這些問題；

本發(fā)明的另一大優(yōu)勢在于采用“同步?jīng)Q策機(jī)制”，只有當(dāng)檢測到的眨眼與某個(gè)按鍵的閃爍同步時(shí)才輸出控制指令，從而大大提高了準(zhǔn)確率，消除了單次無意識眨眼帶來的影響，誤報(bào)率為0。現(xiàn)存的其它眼電控制系統(tǒng)通常不能很好地區(qū)分有意識眼部動(dòng)作和無意識眼部動(dòng)作，因而存在一定的誤報(bào)率。本發(fā)明公開的方法可以很好的解決這個(gè)問題；

本發(fā)明的另一大優(yōu)勢在于設(shè)備成本低，操作簡單，實(shí)用性好。該系統(tǒng)的硬件信號采集設(shè)備為自制的眼電放大器，成本低廉，只需使用三個(gè)電極采集信號。用戶只需要跟隨按鍵閃爍同步眨眼即可選中對應(yīng)指令，簡單明了，事先不需要經(jīng)過訓(xùn)練。并且由于引入了校準(zhǔn)機(jī)制，克服了用戶個(gè)體差異帶來的影響；

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。