基于脑电控制的多功能智能轮椅系统

山东临沂一中 沈子扬

基于脑电控制的多功能智能轮椅系统

山东临沂一中 沈子扬

由于社会老龄化进程的加快以及各种交通、工伤等意外事故，社会上的老年人以及残障人士的生活与出行方式成为社会关注的热点。智能轮椅作为残障人士以及老年人优越的代步工具，在科技不断发展的今天得到了快速的发展。本文针对有运动功能障碍及视力障碍的残障人士与老人，提出了一种基于脑电控制的多功能智能轮椅系统设计方案，将脑电波信号通过蓝牙设备发送给计算机，计算机根据相应信号来控制轮椅运动，并且实现了智能轮椅的避障、导航等多功能，真正意义上实现了简单、快速、高效地控制轮椅的运动，该设计方案具有广阔的应用前景。

脑电波；智能轮椅；避障；导航

1 引言

1.1 设计新式脑控轮椅的必要性

目前，我国存在很多残障人士，包括视力残疾，肢体瘫痪等。他们丧失了大部分生活自理能力，如：行走，动手及说话能力。如何利用科学技术改善他们的生活质量帮助他们恢复生活自理能力是科学服务于社会的一个重要方向[1]。尽管现在的一些智能轮椅已经实现了自主导航、避障、语音驱动等诸多功能，但这依然不能满足一些几乎丧失行为能力与语言能力的重症残疾人。虽然他们的语言能力与肢体功能已经丧失，但是他们的大脑思维与正常人基本无差异，因此我们可以利用大脑产生的脑电生理信号来控制高性能智能轮椅。因此，设计一款脑控智能轮椅是非常有必要的，这样可以帮助一些重症残障人士在保障安全的前提下能够获得更大限度的自由，使他们能更好地去感受这世界[1]。

1.2 当前新式轮椅的现状与弊端

智能轮椅是以电动轮椅为基础和传统电动轮椅相比融合了计算机控制系统传感器技术以及通信技术。目前，大多数轮椅都是通过手动操作、语音识别等方式来操作轮椅运动控制的，但是对于那些手指不灵活说话困难视力残疾等的重症残障人士来说要操作手柄通过语音控制来操作轮椅都是相当困难的。近年来，有很多新式的轮椅诞生，但许多轮椅依旧没有达到在灵活性，自动化等方面的要求，而且许多新式的轮椅存在操作繁琐，反应时间长，易发生安全事故等弊端[3]。因而，设计一款操作灵活，自动化程度高并且能够满足不同程度残障人士需求的轮椅是相当必要的。

1.3 脑控多功能轮椅的优势与特点

本文针对不同程度的残障人士设计了一款多功能手动、语音和脑控等多种控制方式的多功能智能轮椅。使用者可以更具自身的身体状况灵活地选用适合自身的控制方式例如残疾程度轻的可以选用手动或语音操作轮椅的运动，重症瘫痪残障人士可以利用大脑控制轮椅的运动，该轮椅的最大特点是将脑控技术融入到智能轮椅当中使轮椅的控制更加便捷灵活并且极大程度的满足了不同程度残障人士的需求，脑控智能轮椅是一种基于脑机接口技术的新型智能轮椅，它是利用用户的脑电信号来控制的[4,5]。由于脑电信号本身的不稳定以及通信速度的影响在安全蔽障或紧急停车时大脑不能及时发出指令控制轮椅而导致轮椅与障碍物碰撞。因而，本文将超声波避障的多功能智能轮椅与脑控技术相结合，设计一款新型脑控多功能智能轮椅以解决上述问题。

2 脑控多功能智能轮椅系统组成

2.1 中央控制器模块

本系统中央控制器采用基于ARM体系的微处理器具有低成本，低功耗，高性能，体积小，重量轻等诸多优点，特别适用于轮椅等移动平台，它主要负责处理来自大脑产生的电信号，声音输入的信号，超声波遇到障碍产生的电信号，GPS系统的定位信息，相机采集的图像信息，以及轮椅电机反馈的信号，将来自这些传感器的多路信号综合处理作出决策与判断，在液晶显示模块上显示实时的地图信息，并综合控制轮椅电机的运动。

2.2 脑机控制模块

本系统脑机控制模块采用一顶带有微纳电极的头套，通过头套采集大脑产生的脑电信号并处理完成后送给中央控制器模块。它主要是通过对人的脑电波进行采集、滤波、特征提取以及模式识别之后判断出人当前的意图并将识别的结果发送给控制器进而控制轮椅的运动。由于人脑产生的脑电信号极为复杂，当前的技术要完全识别大脑产生的电信号非常困难。

本系统中脑机控制模块将人脑产生的“前”“后”“左”“右”“停”以及“01，02，03……”数字编号相对应的脑电信号提取出来，“前”“后”“左”“右”“停”五路脑电信号分别用于控制轮椅向前运动，向后运动，向左转弯，向右转弯以及轮椅停止运动。数字编号信息“01，02，03……”用于标识用户生活中经常出入的场所地点例如：xx超市，xx医院，xx学校，xx公园……并且轮椅带有语音播放这些数字编号地点的功能，这样用户就可以将这些数字编号与相应的地点对应起来，实现一些残疾、运动功能不便的用户只需想相应的数字就可以控制轮椅到达他想去的地点。

2.3 通信模块

本系统采用蓝牙通信模块，它可以实现轮椅这种短距离的无线通信，支持点对点以及点对多点的通信，广泛应用于家庭以及办公的各种数据和语音设备以及视频之间的通信它可以将用户的声音等信号传输给中央控制器实现语音导航等通信功能。

2.4 语音模块

语音模块主要实现对用户声音信号的提取识别以及播放等功能语音识别的主要特点是要识别语音的内容对用户的语音信息通过数学模型进行声学建模和匹配最终实现对用户语音内容的识别并且可以进行语音合成播放语音使用户获得想要的信息。

2.5 超声波避障模块

由于脑电信号变化很快，当用户通过脑电信号控制轮椅运动时，轮椅可能在遇到障碍物时不能及时避开，因此，设计了超声波避障系统使轮椅遇到障碍物后能及时避开或停止运动这样能最大程度的保障用户的使用安全。超声波是频率高于20000赫兹的声波它方向性好，传播距离远，广泛用于测距、测速、避障等。我们可以利用超声波来检测轮椅前方是否有障碍物，在轮椅上需要放置一个超声波发生器、一个超声波接收器，当超声波发生器发出去的声波遇到障碍时，这些声波就会被反射回来，这时就利用超声波接收器接受被反射回来的声波将反射回来的声波信号转换为电信号送给中央控制器，用来判断轮椅前方是否有障碍物，并控制规划轮椅的运动。

2.6 相机图像处理模块

由于用户在人行横道过马路时会遇到红绿灯对于一些盲人用户是无法判断红绿灯的变化情况的，我们在该轮椅系统上装有摄像头。利用摄像头获取图像，定位红绿灯的位置，并且对红绿灯进行过滤与分类。图1为图像处理流程：(1)图像采集；(2)图像处理；(3)红绿灯定位；(4)颜色分割；(5)识别红绿灯；(6)发送信息。

图1 图像处理流程

2.7 电机驱动模块

本系统轮椅模型由轮椅机架、四个直流电机和电机驱动组成，直流电机采用带减速器的双轴直流电机，并利用LR98驱动模块控制电机的转动和转速，可以实现轮椅的快速灵活运动。

2.8 导航显示模块

导航显示模块将语音导航，GPS定位相结合，并将实时地图信息显示在电脑屏幕上，轮椅能够实时定位并显示所在位置，并且可以根据用户语音输入或者脑电信息，来导航到用户想去的地点，推荐最优的路径。

3 结论

本文提出的设计方案利用嵌入式微处理器和脑电波传感器等器件设计了智能轮椅的控制系统，并进行了硬件和软件联调，初步实现了意念控制轮椅的目的。主要优点是不需要人体的肢体动作，通过简单的脑电波传感器的使用训练就可以实现对智能轮椅运动方向的控制，为肢体功能不健全的人士提供了一个自由的控制平台。并且该系统能够满足绝大多数残障人士及老人的需求，而且依据不同程度的残障人士的需求给出了智能轮椅不同的操作方式，结合了脑控，语音等多种控制方式，提升了本设计的实用性与人性化，更好地适应了当下残障人士对于代步工具的需求。基于意念的轮椅控制方式，是一种比较直接的交互方式，可以将用户的意图直接从大脑传递到轮椅的运动状态控制装置中，具有较强的实用性。另一方面系统对轮椅的运动控制较为精准，控制高效快速，对今后进一步实现智能轮椅的快速发展具有良好的参考价值。

[1]鲁涛,原魁,朱海兵．智能轮椅研究现状及发展趋势[J]．机器人技术与应用,2008,3：1-5．

[2]郝卫东,邓阳光,梁卫鸽,等．基于脑机接口的控制器的研究[J]．计算机系统应用,2014,23(3)：9-15．

[3]周伟,谢存禧．基于单片机的多功能智能轮椅的模块化设计[J]．机械设计与制造,2010,3：18-20．

[4]邹鹤良,李远清,龙锦益,等．基于脑机接口集成控制系统[J]．计算机工程与应用,2012,48(8)：76-78．

[5]陈真诚,庞雪燕,孙统雷,等．脑控智能轮椅控制系统[J]．电子技术应用,2014,40(9)：126-129．