基于腦電控制的多功能智能輪椅系統

山東臨沂一中 沈子揚

基于腦電控制的多功能智能輪椅系統

山東臨沂一中 沈子揚

由于社會老齡化進程的加快以及各種交通、工傷等意外事故，社會上的老年人以及殘障人士的生活與出行方式成為社會關注的熱點。智能輪椅作為殘障人士以及老年人優越的代步工具，在科技不斷發展的今天得到了快速的發展。本文針對有運動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設計方案，將腦電波信號通過藍牙設備發送給計算機，計算機根據相應信號來控制輪椅運動，并且實現了智能輪椅的避障、導航等多功能，真正意義上實現了簡單、快速、高效地控制輪椅的運動，該設計方案具有廣闊的應用前景。

腦電波；智能輪椅；避障；導航

1 引言

1.1 設計新式腦控輪椅的必要性

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，動手及說話能力。如何利用科學技術改善他們的生活質量幫助他們恢復生活自理能力是科學服務于社會的一個重要方向[1]。盡管現在的一些智能輪椅已經實現了自主導航、避障、語音驅動等諸多功能，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生的腦電生理信號來控制高性能智能輪椅。因此，設計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]。

1.2 當前新式輪椅的現狀與弊端

智能輪椅是以電動輪椅為基礎和傳統電動輪椅相比融合了計算機控制系統傳感器技術以及通信技術。目前，大多數輪椅都是通過手動操作、語音識別等方式來操作輪椅運動控制的，但是對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到在靈活性，自動化等方面的要求，而且許多新式的輪椅存在操作繁瑣，反應時間長，易發生安全事故等弊端[3]。因而，設計一款操作靈活，自動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必要的。

1.3 腦控多功能輪椅的優勢與特點

本文針對不同程度的殘障人士設計了一款多功能手動、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或語音操作輪椅的運動，重癥癱瘓殘障人士可以利用大腦控制輪椅的運動，該輪椅的最大特點是將腦控技術融入到智能輪椅當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接口技術的新型智能輪椅，它是利用用戶的腦電信號來控制的[4,5]。由于腦電信號本身的不穩定以及通信速度的影響在安全蔽障或緊急停車時大腦不能及時發出指令控制輪椅而導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相結合，設計一款新型腦控多功能智能輪椅以解決上述問題。

2 腦控多功能智能輪椅系統組成

2.1 中央控制器模塊

本系統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，重量輕等諸多優點，特別適用于輪椅等移動平臺，它主要負責處理來自大腦產生的電信號，聲音輸入的信號，超聲波遇到障礙產生的電信號，GPS系統的定位信息，相機采集的圖像信息，以及輪椅電機反饋的信號，將來自這些傳感器的多路信號綜合處理作出決策與判斷，在液晶顯示模塊上顯示實時的地圖信息，并綜合控制輪椅電機的運動。

2.2 腦機控制模塊

本系統腦機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生的腦電信號并處理完成后送給中央控制器模塊。它主要是通過對人的腦電波進行采集、濾波、特征提取以及模式識別之后判斷出人當前的意圖并將識別的結果發送給控制器進而控制輪椅的運動。由于人腦產生的腦電信號極為復雜，當前的技術要完全識別大腦產生的電信號非常困難。

本系統中腦機控制模塊將人腦產生的“前”“后”“左”“右”“?！币约啊?1，02，03……”數字編號相對應的腦電信號提取出來，“前”“后”“左”“右”“?！蔽迓纺X電信號分別用于控制輪椅向前運動，向后運動，向左轉彎，向右轉彎以及輪椅停止運動。數字編號信息“01，02，03……”用于標識用戶生活中經常出入的場所地點例如：xx超市，xx醫院，xx學校，xx公園……并且輪椅帶有語音播放這些數字編號地點的功能，這樣用戶就可以將這些數字編號與相應的地點對應起來，實現一些殘疾、運動功能不便的用戶只需想相應的數字就可以控制輪椅到達他想去的地點。

2.3 通信模塊

本系統采用藍牙通信模塊，它可以實現輪椅這種短距離的無線通信，支持點對點以及點對多點的通信，廣泛應用于家庭以及辦公的各種數據和語音設備以及視頻之間的通信它可以將用戶的聲音等信號傳輸給中央控制器實現語音導航等通信功能。

2.4 語音模塊

語音模塊主要實現對用戶聲音信號的提取識別以及播放等功能語音識別的主要特點是要識別語音的內容對用戶的語音信息通過數學模型進行聲學建模和匹配最終實現對用戶語音內容的識別并且可以進行語音合成播放語音使用戶獲得想要的信息。

2.5 超聲波避障模塊

由于腦電信號變化很快，當用戶通過腦電信號控制輪椅運動時，輪椅可能在遇到障礙物時不能及時避開，因此，設計了超聲波避障系統使輪椅遇到障礙物后能及時避開或停止運動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，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超聲波發生器、一個超聲波接收器，當超聲波發生器發出去的聲波遇到障礙時，這些聲波就會被反射回來，這時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轉換為電信號送給中央控制器，用來判斷輪椅前方是否有障礙物，并控制規劃輪椅的運動。

2.6 相機圖像處理模塊

由于用戶在人行橫道過馬路時會遇到紅綠燈對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，并且對紅綠燈進行過濾與分類。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)識別紅綠燈；(6)發送信息。

圖1 圖像處理流程

2.7 電機驅動模塊

本系統輪椅模型由輪椅機架、四個直流電機和電機驅動組成，直流電機采用帶減速器的雙軸直流電機，并利用LR98驅動模塊控制電機的轉動和轉速，可以實現輪椅的快速靈活運動。

2.8 導航顯示模塊

導航顯示模塊將語音導航，GPS定位相結合，并將實時地圖信息顯示在電腦屏幕上，輪椅能夠實時定位并顯示所在位置，并且可以根據用戶語音輸入或者腦電信息，來導航到用戶想去的地點，推薦最優的路徑。

3 結論

本文提出的設計方案利用嵌入式微處理器和腦電波傳感器等器件設計了智能輪椅的控制系統，并進行了硬件和軟件聯調，初步實現了意念控制輪椅的目的。主要優點是不需要人體的肢體動作，通過簡單的腦電波傳感器的使用訓練就可以實現對智能輪椅運動方向的控制，為肢體功能不健全的人士提供了一個自由的控制平臺。并且該系統能夠滿足絕大多數殘障人士及老人的需求，而且依據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，結合了腦控，語音等多種控制方式，提升了本設計的實用性與人性化，更好地適應了當下殘障人士對于代步工具的需求。基于意念的輪椅控制方式，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動狀態控制裝置中，具有較強的實用性。另一方面系統對輪椅的運動控制較為精準，控制高效快速，對今后進一步實現智能輪椅的快速發展具有良好的參考價值。

[1]魯濤,原魁,朱海兵．智能輪椅研究現狀及發展趨勢[J]．機器人技術與應用,2008,3：1-5．

[2]郝衛東,鄧陽光,梁衛鴿,等．基于腦機接口的控制器的研究[J]．計算機系統應用,2014,23(3)：9-15．

[3]周偉,謝存禧．基于單片機的多功能智能輪椅的模塊化設計[J]．機械設計與制造,2010,3：18-20．

[4]鄒鶴良,李遠清,龍錦益,等．基于腦機接口集成控制系統[J]．計算機工程與應用,2012,48(8)：76-78．

[5]陳真誠,龐雪燕,孫統雷,等．腦控智能輪椅控制系統[J]．電子技術應用,2014,40(9)：126-129．