孙强 吴磊 钱超 韩晨 张波 卢承领 李伟
皖西学院电气与光电工程学院，安徽省 六安市 237012
摘要：本文针对当前残疾人士多，轮椅需求量大的特点进行了分析，需要对轮椅进行改造升级。本文以高校受委托研发项目需求为研究方向，设计了一款基于肌肉感应和语音驱动的智能轮椅。分析了这种新型轮椅的工作原理，并重点对肌肉感应和语音部分进行了设计，最终本产品具有肌肉感应控制轮椅行驶状态，肌电信号控制轮椅方向，基于预置语音命令的语音驱动系统等优点，本产品具有社会推广应用价值。
关键词：智能轮椅，肌肉感应，语音驱动，功能设计
1.前言
我国人口数量十分庞大，并且拥有8500多万的各类残疾人士。除此之外，中国早在1999年就进入了老龄化社会，行动不便的老年人也是非常多的。解决上述两类人的出行问题成了一大社会难题。但是自1932年世界上第一辆现代轮椅诞生至今，这种应用广泛的康复工具，也可以说是代步工具经过了80多年的发展并没有得到质的改变，市面上的绝大多数轮椅依旧是古老的手推式轮椅。我们急需一种控制轮椅的新方式，考虑到大多数轮椅使用者的认知能力以及大脑功能是正常的，肌肉感应控制这一新型方式便应运而生。
而国内市场上在肌肉感应领域上还没有相关领域的产品，因此我们以服务高位截瘫病人或其他重症残疾人为目的，开发了这款基于单片机的肌电辅助肌肉感应的智能轮椅系统，以实现肌肉感应控制轮椅行驶状态、肌电信号控制轮椅方向、语音的辅助控制等功能，以填补当今市场上的空缺，具有广泛市场前景。
2.技术原理
用户即使肢体条件不便或如老年人群的体力不足也可使用该产品实现出行，因为该产品所基于的肌肉感应及语音信号都是人为可控的，因此，利用它们来控制轮椅是切实可行的。肌肉感应是一种生物电现象，是一些自发的有节律的神经电活动，其频率基本在35Hz以内，按照频率的不同可划分为Gamma波、Beta波、Alpha波、Theta波以及Delta波，其幅度范围5μV~1000μV，不同频率段的肌肉感应信号都能够反映特定的表示大脑活动状态的信息：Delta波在成人深睡时显示较为活跃；Theta波在成人困倦乏力时显示较为活跃；Alpha波在成人静坐或静卧冥想时显示较为活跃；Beta波反映出精神状态；Gamma波涉及感觉、印象、记忆等较为深层的功能。正是由于人在不同的思维意识状态下产生的肌肉感应波不同，因此，用户可以通过肌肉感应信号来控制轮椅的行驶状态，可以通过一定的训练使用户通过肌肉感应意识来对轮椅进行自由的控制操作。该功能是基于TGAM模块对肌肉感应的采集与分析，并结合单片机的动态阈值算法而得以实现的。另一方面，对于语言没有障碍的用户，也可通过语音辅助控制模式来对轮椅电机执行相应操作，如通过“左转”、“右转”、“直行”等特殊命令词来控制轮椅的运动状态。由于在语音辅助控制模式下，功能实现的重点是系统能够识别出用户的语音指令，因此该项功能的实现在于应用LD3320A芯片作为系统“枢纽”来识别语音信息。其中LD3320提供的语音识别技术，是基于"关键词语列表"的识别技术:ASR(Auto speech recognition )技术。语音识别芯片完成的工作就是：把通过MIC输入的声音进行频谱分析->提取语音特征->和关键词语列表中的关键词语进行对比匹配->找出得分最高的关键词语作为识别结果输出。
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图1语音识别芯片工作原理
3.产品功能应用过程
（1）肌肉感应控制功能：使用者需要佩戴装有肌肉感应采集模块的“控制帽”，打开“控制帽”和轮椅的电源，待蓝牙连接正常后，用户便可以进行相应的控制。用户有意识连续眨动三次眼睛，系统提示肌肉感应控制唤醒；用户通过有意识眨眼切换轮椅运动状态；用户持续闭眼放松则轮椅后退；用户专注度提高，轮椅的行进速度也将提高；用户的有意识连续眨动三次眼睛，轮椅停止。
(2)语音控制功能：使用者佩戴与轮椅配套的专用去噪麦克风，在听到“欢迎使用一念即达系统”的语音提示后，使用者需要向麦克风发出“探索者”这一语音命令，耳机语音提示“进入语音模式”后，使用者方可进行相应的操作。
(3)安全辅助功能：轮椅具有多重紧急制动系统，当使用者遇到紧急情况时，可以使用手刹、眨眼刹车以及语音制动等多重方式使轮椅紧急制动。在这里需要说明的是，用户在使用轮椅时，仍需要尽量在监护人员的陪护下使用，避免极端情况的发生。
4.产品优势
（1）肌肉感应控制轮椅行驶状态
TGAM模块通过对干电极采集到的肌肉感应信号进行分析，将人为地有意识地做冥想、放松、集中注意力、保持松懈 4 种思维运动的信号强度转化为 ATTENTION（专注度）、MEDITATION（思维放松度）两个维度的值并发送给单片机，单片机通过动态阈值算法，识别用户的控制命令，驱动直流电机控制轮椅的前进、停止和行进速度。
（2）肌电信号控制轮椅方向
肌肉感应采集装置通过蓝牙模块以512HZ的频率不断地向单片机发送干电极所采集到的原始肌肉感应信号，单片机从原始数据的波形上识别并滤出眨眼肌电信号强度，并与无意识眨眼的肌电信号进行对比分类，从而通过眨眼肌电信号强度识别用户有意识的眨眼信号，并识别为转向命令及控制电机。
（3）基于预置语音命令的语音驱动系统
MIC采集到用户说出的语音内容，如语音命令“前进”、“左转”等, LD3320A模块通过频谱转换为语音特征，和内置关键词语列表中的条目进行一一匹配，并且都会一一打分，找出得分最高的关键词语作为识别结果输出。根据命令匹配的结果单片机将产生相应的PWM方波来控制电机的运转，进而实现轮椅的前进以及转向，同时将MP3数据依次送入LD3320芯片内部，从芯片的相应PIN输出提示音。
5.总结
本文以高校研发的智能控制轮椅为研究对象。对原理进行了设计，此智能轮椅具有肌肉感应控制轮椅行驶状态，肌电信号控制轮椅方向，基于预置语音命令的语音驱动系统等优点，具有较强的社会应用价值。
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本文系“大学生创客实验室（wxxy2018066）、基层教研室示范项目（wxxy2019037）”研究成果。