[发明专利]基于眼部动作识别的智能轮椅人机交互控制系统及方法

摘要

本发明公开了基于眼部动作识别的智能轮椅人机交互控制系统及方法，通过肌电信号采集模块采集眼部肌电信号，对肌电信号进行特征选择，根据眨眼时肌电特征变化差异进行眼部动作识别实现对有意识眨眼的准确判断，通过多种有意识眨眼方式组合实现对轮椅方向的精确控制，模糊控制器部分以信号肌电积分值和信号斜率作为输入，智能轮椅行驶速度作为输出，建立两输入单输出的二维结构模糊控制器，实现对轮椅行驶速度的精确控制。本方案多样化，操作方式简便、快捷、易于学习，充分考虑到老年人以及残障人士在控制方式上的特殊需要，避免了传统控制方式操作不灵活、用户反映迟钝等导致的智能轮椅系统的控制问题，非常适应老龄人以及残障人士的现实需求。

主权项

1.基于眼部动作识别的智能轮椅人机交互控制系统的方法，其系统包括由眼部肌电采集模块、特征选择、眼部动作识别、模糊控制器和运动驱动部分组成；眼部肌电采集模块实时采集用户肌电信号并发送至单片机，在单片机中完成眼部动作识别并通过模糊控制器实现模糊控制，最后将模糊控制得到的运动控制命令输入到运动驱动部分实现轮椅运动控制；该控制方法的控制模式为：眼部肌电信号采集模块首先采集眼部运动时的肌电信号，通过眼部肌电信号识别和处理方法得到需要的眼电信号进行特征提取并制定相应的控制策略；使用时，单片机根据肌电模块实时采集到的肌电信号进行眼部动作识别，根据眼部动作识别结果得到相应的的方向控制命令；模糊控制器采用单片机软件方法设计，由知识库、推理机制、模糊化模块与去模糊化模块四个部分组成，通过单片机离线实时查表控制；模糊控制器根据眼部肌电信号特征执行模糊推理得到相应的速度控制命令，由单片机输出给运动执行单元，进而对轮椅进行直接运动控制；其特征在于，眼部肌电信号处理和识别方法包括以下步骤:步骤1)，设计眼部肌电信号采集模块采集眼部肌电信号；步骤2)，对眼部肌电信号进行特征选择；步骤3)，根据眼部肌电信号特征进行眼部动作识别与智能轮椅方向分类控制；步骤4)，根据眼部肌电信号特征进行模糊推理，实现智能轮椅速度模糊控制，并输出给运动执行单元；在步骤1)中，利用三个贴片电极对目标采集差分眼电信号；用放大器对所采集的眼电信号进行放大；采用带通滤波器对眼电信号进行滤波；最后经过主放大器放大后输出；在步骤2)中，通过对眼部肌电信号的多种特征进行对比发现肌电积分值和信号斜率在多种信号特征中变化差异性最为显著，在眨眼时采样得到的脉冲信号的肌电积分值和信号斜率会随着有意识眨眼力度的改变发生明显的变化；有意识眨眼力度较大时，相较于无意识眨眼眼部肌电信号单位时间内的高脉冲信号幅值及其脉冲次数明显增加，相应的肌电积分值显著增加，信号斜率增大；有意识眨眼力度较小时，相较于无意识眨眼眼部肌电信号单位时间内的高脉冲信号幅值及其脉冲次数的增加较少，相应的肌电积分值增加平缓，信号斜率增大且低于有意识眨眼力度较大时；因此挑选肌电积分值和信号斜率作为控制特征；在步骤3)中，首先通过预设阀值来对有意识眨眼和无意识眨眼进行区分，然后通过单位时间内采样的信号肌电积分值及信号斜率变化情况实现对有意识眨眼及眨眼力度的准确判断，通过有意识眨眼方式组合来实现对智能轮椅的控制；所述有意识眨眼方式组合：前进命令：左右眼同时有意识眨眼一下；后退命令：左右眼依次有意识眨眼一下，左眼先、右眼后；左转命令：左眼连续有意识眨眼两下；右转命令：右眼连续有意识眨眼两下；停止命令：左右眼依次有意识眨眼一下，右眼先、左眼后；在步骤4)中，根据特征提取和选择得到的控制特征信息，模糊控制器以信号幅值和信号变化速率作为输入，智能轮椅行驶速度作为输出，建立两输入单输出的二维结构模糊控制器；结果输出给运动执行单元进行实时、准确控制。