專利名稱：牙齒控制的輪椅裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于人機交互領域，特別涉及醫(yī)療護理領域，具體是指ー種使用牙齒動作產(chǎn)生的腦肌電信號，進行實時控制的輪椅裝置及方法。
背景技術：
據(jù)聯(lián)合國發(fā)表報告指出，全世界人口老齡化進程正在急劇膨脹，未來幾十年之內(nèi)，老年人人ロ比例預計將會翻一番。另外，由于各種自然災難和疾病造成的殘障人士也在逐年増加。這些人在手腳、視力、聽カ及語言等方面存在不同程度的能力喪失。關心、照顧這些人以及培養(yǎng)這些人的自理能力將是ー個巨大的產(chǎn)業(yè)鏈。為了給手腳不靈的老年人群、肢體殘障人士以及重癥癱瘓病人(還能咬牙吃飯的)提供性能優(yōu)越的代步工具，幫助他們提高自主行動自由度及重新融入社會，智能輪椅(也稱智能輪椅式移動機器人)近年來應運而生，其涉及機械、控制、傳感器、人工智能、通訊等各種領域及技木。目前多個國家包括美國、德國、日本、法國、加拿大、西班牙及中國等國家對智能輪椅正展開了深入研究，使智能輪椅具有記憶地圖、避障、自動行走、與用戶交互等功倉^:。公知的，智能輪椅采用的控制手段包括手工(含手腳動作)、語音、意念交互控制方式。手工交互控制方式是主流，應用廣泛而且成熟；語音識別交互控制方式，也在不斷發(fā)展完善；意念交互控制方式，還處于實驗研究向實用轉變的初級階段。公知的，手工交互控制非常成熟，但對于重度癱瘓病人或手腳殘疾等病人，就迫切需要補充其他交互控制手段。語音識別控制手段因個體差異、外界噪聲等導致狀態(tài)模糊、識別困難、準確度不高，雖然經(jīng)過多年的研究與推廣，仍無法滿足實際應用需求。另外，有許多公共場合是禁止說話的，這時語音控制就被要求禁止使用。意念相比語音的控制識別研究，還處于非常初級的研究階段。公知的，意念交互控制手段，或者識別動作狀態(tài)單一、準確度不高(比如運動想象)，或者準確度高、識別時間較長(比如P300，即視覺刺激下300毫秒后腦電波信號加強)，而且，意念時不能專注前方物體或對象(比如P300時，用戶視線必須全神專注工作界面)而分散注意力。對某些特殊殘疾人群發(fā)展的眼動、舌動、頭動控制手段識別的狀態(tài)簡單且或影響視線(如眼動)，或不適(如舌上安置傳感器)，或多動(如頭動)。而且，眼動、舌動、頭動這三種方式極易在用戶不經(jīng)意間產(chǎn)生非用戶期望的類似動作，從而影響其普遍適用性。在手エ交互控制手段外，眼動、舌動、頭動、語音、意念交互控制方式中沒有集方便、簡單、舒適、安靜、實時、準確、抗干擾、多任務、無損無創(chuàng)、不分散注意力、多數(shù)人適合等眾多特點于一身的控制方式。

公知的，對意念控制方式的認識，具體請參閱以下文獻:
Gerwin Schalk (美)、Jurgen.Mellinger (美)著，胡三清譯，《BCI2000 與腦機接ロ》,國防エ業(yè)出版社2011年6月。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術中的缺點，提供一種便捷、安靜、實時、準確、抗干擾、多任務、無損無創(chuàng)、不分散注意力、多數(shù)人適合的牙齒控制的智能輪椅裝置及方法。為手腳不靈的老年人群、肢體殘障人士以及重癥癱瘓病人(還能咬牙吃飯的)提供性能優(yōu)越的代步工具，幫助他們提高自主行動自由度，從而提高他們的生活質量，減輕社會壓カ。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:
該牙齒控制的輪椅裝置，包括采集模塊、傳輸模塊、動作模塊、顯示模塊，其特點是，所述的裝置中還包括牙齒動作狀態(tài)的腦肌電信號的傳感模塊、牙齒動作狀態(tài)的腦肌電信號的控制模塊，所述的傳感模塊的輸出端與采集模塊的輸入端連接，所述的控制模塊的輸入端與傳輸模塊的輸出端連接，所述的控制模塊的輸出端與動作模塊、顯示模塊的輸入端連接。

該裝置的傳感模塊包括參考電極、C3和C4電極，控制模塊包括控制動作模塊(6)和控制顯示模塊。該裝置的控制動作模塊包括啟動輪椅、關閉輪椅、啟動喝水、關閉喝水、以及實時動作(左移動、右移動、逆時針轉動、順時針轉動、向前移動、向后移動、停止、加速、減速、升、降、緩緩直立、緩緩放下、平躺、歸坐)。該裝置的控制顯示模塊包括啟動顯示、關閉顯示、操作人機界面。根據(jù)牙齒動作的信號特征，分別利用神經(jīng)網(wǎng)絡和可變窗ロ方法來識別牙齒動作的不同狀態(tài)。牙齒動作可分為牙齒上下運動、水平運動和組合運動。牙齒上下運動，簡稱為咬牙；牙齒水平運動，簡稱為磨牙；牙齒組合運動，簡稱為咬磨牙。根據(jù)牙齒動作的信號特征，產(chǎn)生可識別的直接命令很多(比如，咬牙動作可產(chǎn)生15種實時命令)，組合命令甚至更多。該對上述的牙齒動作狀態(tài)的腦肌電的實時檢測控制裝置進行檢測控制的方法，其主要特點是，所述的方法包括以下步驟:
步驟(I)采集咬牙動作產(chǎn)生的腦肌電信號?？刹捎脦讉€相關的信號強度明顯的采集電極(比如，根據(jù)國際10-20標準電極分布系統(tǒng)，咬牙采用3個電極:參考電極、C3和C4)的采集設備，從而降低數(shù)據(jù)處理量，提高數(shù)據(jù)實時處理算法的效率。步驟(2)咬牙動作的信號分析。具體步驟如下:
a.首先對于采集的數(shù)據(jù)進行帶通濾波處理，去除信號基線漂移；
b.定位時序信號中牙齒動作產(chǎn)生信號的位置，并提取該信號；
c.量化提取的信號，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡進行適當分類，將咬牙動作區(qū)分為左邊咬牙、右邊咬牙、左右兩邊同時咬牙三種狀態(tài)；
d.分析時域信號持續(xù)時間以及咬牙狀態(tài)和次數(shù)，若時長不超過I秒，則利用可變窗ロ方法，初始化窗口數(shù)量N計為1，逐漸調(diào)整窗ロ長度，若窗ロ長度大于閾值T，則N自動加I ;遍歷整個咬牙時序信號后，若N是為I，則表示咬I次，若N是2，則表示咬了 2次，若N是3，則表不咬了 3次,若N是4,則表不咬了 4次。若時長持續(xù)超過I秒,則表不長咬狀態(tài)。步驟(3)整合上述步驟c和d的分類結果，可以區(qū)分出不同的咬牙動作狀態(tài)。咬牙動作具體可分為:左咬一次(sOl)、左咬兩次(s02)、左咬三次(s03)、左咬四次(s04)、左長咬(s05)、右咬一次(s06)、右咬兩次(s07)、右咬三次(s08)、左咬四次(s09)、右長咬(slO)、左右同時咬一次(sll)、左右同時咬兩次(sl2)、左右同時咬三次(sl3)、左右同時咬四次(sl4)、左右同時長咬(sl5)。另外，為了開機和關機特產(chǎn)生如下ー種咬牙狀態(tài)，即左右同時長咬持續(xù)超過2秒，記為sl6。為了增加輪椅的更多功能，特產(chǎn)生如下ニ種咬牙狀態(tài)，即左長咬持續(xù)超過2秒，記為sl7，右長咬持續(xù)超過2秒，記為sl8。順序完成步驟⑴、步驟⑵、步驟(3)即可實現(xiàn)咬牙動作產(chǎn)生的腦肌電信號的多達18種狀態(tài)的識別。步驟(4)設計啟動或關閉輪椅的控制指令以及15種實時控制輪椅的控制指令。第一次sl6對應于啟動輪椅；第二次sl6對應于關閉輪椅；左移動(sOl);右移動(s06);逆時針轉動(s02);順時針轉動(s07);向前移動(sll);向后移動(sl2);停止(sl5);加速(s05);減速(slO);升(s03);降(s08);緩緩直立(s04);緩緩放下(s09);平躺(sl3);歸坐(sl4)。上述各種控制指令針對輪椅的運動控制。如下步驟可讓用戶完成更多的任務。步驟(5)設計喝水、上網(wǎng)瀏覽控制指令。第一次sl7啟動喝水；第二次sl7關閉喝水；第一次sl8啟動上網(wǎng)瀏覽；第二次sl8關閉上網(wǎng)瀏覽。一旦進入到喝水環(huán)節(jié)，可以跟類似步驟(4)一樣定義15種咬牙產(chǎn)生的實時控制指令操控機器手臂完成用戶喝水動作。一旦進入到上網(wǎng)瀏覽環(huán)節(jié)，可以跟類似步驟(4)一樣定義15種咬牙產(chǎn)生的實時控制指令操控平板電腦上的鼠標操作。這里僅以喝水、上網(wǎng)瀏覽為例，還可以很容易添加多項功能，如撥打電話、玩電腦游戲、全身按摩等。這里不再贅述。采用本發(fā)明的牙控智能輪椅集方便、簡單、舒適、安靜、實時、準確、抗干擾、多任務、無損無創(chuàng)、不分散注意力、多數(shù)人適合等眾多特點于一身，為手腳不靈的老年人群、肢體殘障人士以及重癥癱瘓病人提供完全自主控制性能優(yōu)越的代步工具。在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改、變換、替代、組合、簡化而不背離本發(fā)明的精神和范圍，都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，說明書和附圖應被認為是說明性的而非限制性的。


圖1本發(fā)明方法中流程示意圖 圖2咬牙動作信號分析處理流程圖 圖3左咬三次波形圖
圖4右咬三次波形圖 圖5左右同時咬三次波形圖 圖6左長咬波形圖 圖7右長咬波形圖 圖8左右同時長咬波形圖。
權利要求
1.ー種牙齒控制的輪椅裝置，包括采集模塊(I)、傳輸模塊(2)、動作模塊(3)、顯示模塊(4)，其特征在于，所述的裝置中還包括牙齒動作狀態(tài)的腦肌電信號的傳感模塊(5)、牙齒動作狀態(tài)的腦肌電信號的控制模塊出)，所述的傳感模塊的輸出端與采集模塊的輸入端連接，所述的控制模塊的輸入端與傳輸模塊的輸出端連接，所述的控制模塊的輸出端與動作模塊、顯示模塊的輸入端連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的牙齒控制的輪椅裝置，其特征在于，所述的傳感模塊包括參考電極、C3和C4電極。
3.根據(jù)權利要求1所述的牙齒控制的輪椅裝置，其特征在于，所述的控制模塊包括控制動作模塊(6)和控制顯示模塊(7)。
4.根據(jù)權利要求3所述的牙齒控制的輪椅裝置，其特征在干，所述的控制動作模塊包括啟動輪椅、關閉輪椅、啟動喝水、關閉喝水、以及實時動作(左移動、右移動、逆時針轉動、順時針轉動、向前移動、向后移動、停止、加速、減速、升、降、緩緩直立、緩緩放下、平躺、歸坐)。
5.根據(jù)權利要求3所述的牙齒控制的輪椅裝置，其特征在于，所述的控制顯示模塊包括啟動顯示、關閉顯示、操作人機界面。
6.一種對權利要求1所述的牙齒控制的輪椅裝置進行檢測控制的方法，其特征在干，所述的方法包括以下步驟:(1)采集牙齒動作狀態(tài)產(chǎn)生的腦肌電信號；(2)將采集信號進行處理轉換為控制命令。
7.根據(jù)權利要求6所述的牙齒控制的輪椅裝置進行檢測控制的方法，其特征在于，所述的采集牙齒動作狀態(tài)產(chǎn) 生的腦肌電信號，包括以下步驟:(1)牙齒動作狀態(tài)分為牙齒上下運動、水平運動和組合運動；牙齒上下運動，簡稱為咬牙；牙齒水平運動，簡稱為磨牙；牙齒組合運動，簡稱為咬磨牙；(2)咬牙按位置分為左邊、右邊、中間；磨牙按位置分為左邊、右邊、中邊；咬牙、磨牙、咬磨牙的混合使用為組合狀態(tài)；(3)安裝腦肌電信號采集電扱，腦電極的安裝位置采用國際10-20標準電極系統(tǒng)分布圖；(4)根據(jù)信號強度特征，選取相關采集電極，減少電極數(shù)目，最大程度地對系統(tǒng)進行簡化；(5)咬牙動作狀態(tài)的相關腦電極為參考電極、C3和C4電極。
8.根據(jù)權利要求6所述的牙齒控制的輪椅裝置進行檢測控制的方法，其特征在于，所述的將采集信號進行處理轉換為控制命令，包括以下步驟:(I)采用帶通濾波保留4(T100Hz頻段的信號，去除基線漂移；(2)分別利用神經(jīng)網(wǎng)絡和可變窗ロ方法來識別牙齒動作的不同狀態(tài)及次數(shù)為控制命令。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種牙齒控制的輪椅裝置及方法。包括牙齒動作狀態(tài)的腦肌電信號的傳感模塊、控制模塊。本發(fā)明采集牙齒動作狀態(tài)產(chǎn)生的腦肌電信號，將采集信號進行數(shù)據(jù)處理轉換為控制命令。由于本發(fā)明的牙齒控制方便、簡單、舒適、安靜、實時、準確、抗干擾、多任務、無損無創(chuàng)、不分散注意力、多數(shù)人適合等，為手腳不靈的老年人群、肢體殘障人士以及重癥癱瘓病人提供完全自主控制、功能眾多等十分人性化的性能優(yōu)越的代步工具。
文檔編號A61G5/04GK103110486SQ20131007096
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月6日 優(yōu)先權日2013年3月6日
發(fā)明者胡三清, 池劍峰, 趙化賓 申請人:胡三清, 池劍峰, 趙化賓