杨玲 程乐 李志 李伟 王志远 卢承领 方军
皖西学院电气与光电工程学院，安徽省 六安市 237012
摘要: 针对当前很多国家都进入了老龄化社会，轮椅的市场潜力的很大的。本文针对轮椅的智能化研究，提出了基于eSense算法的感应智能轮椅设计，此设计包含了肌肉感应，语音驱动相结合的功能模块。具有能够实现对使用者提供保护，同时还可以提供最大的操作自由度，轮椅在肌肉感应控制的基础上，增加了肌电控制，对使用者更加保险，实现功能强大。
关键词：智能轮椅，eSense算法，语音驱动，肌肉感应
1.前言
随着人类社会与全球经济的不断发展，很多国家都进入了老龄化社会。预计在50年内,60岁以上的人口将会比现有数量多一倍,由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加。据报道我国肢体残疾人数高达 2472 万人，其中高位截瘫病人或其他重症残疾人可达近 579 万,所以说，轮椅的市场潜力的很大的。1986年，英国开始首次研制智能轮椅，如今已经有许多国家加入到了这一行列中来。第三军医大学承接的“863智能机器人”项目中的智能轮椅项目所研发的原型机就达到了世界先进水平。
2.智能轮椅技术实现
(1)肌肉感应控制轮椅行驶状态
本产品的肌肉感应采集装置包含干电极、耳夹、TGAM模块及蓝牙模块这几部分组成，其中以干电极作为肌肉感应信号采集点(EEG)，两个耳夹分别作为参考点(REF)和地线点(GND)，这两部分共同作为肌肉感应信号采集模块对肌肉感应信号进行采集。它们采集到的原始肌肉感应信号以原始模拟电压数据的形式输入到TGAM模块进行肌肉感应信号采集、滤波、放大、A/D转化、数据处理及分析等操作处理，在信号采集与预处理部分可以对收到数据进行校验，舍弃不正确的数据包，其中的eSense专利算法可以对肌肉感应信号进行处理分析，得到ATTENTION（专注度）、MEDITATION（思维放松度）两个维度的值。蓝牙模块以513HZ的频率分别将原始肌肉感应信号数据和处理后的数据以数据包的形式发送给单片机。传递到单片机的原始肌肉感应信号通过对波形的分析处理, 滤出眨眼肌电信号强度，得到BlinkStrength（眨眼肌电信号强度）的值，与无意识眨眼的肌电信号进行对比分类，对两眼的眨眼频率进行判断，从而通过眨眼肌电信号强度识别用户有意识的眨眼信号,并结合ATTENTION（专注度）和MEDITATION（思维放松度）的值通过动态阈值算法分析识别用户的控制命令，从而通过产生相应的PWM方波来控制电机的运转，进而实现轮椅的前进、停止、后退以及转向。
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图1 肌肉感应控制轮椅的整体框
eSense算法是一种通过对人的肌肉感应波进行分析从而度量人的精神状态的有效算法，是NeuronSky公司的专利算法。该技术首先对用户的原始肌肉感应信号进行放大，并且可以过滤掉环境噪声及一些肌肉组织运动产生的干扰。
(2)语音辅助控制模式：
本产品的语音控制模式，首先是通过麦克风采集用户的语音信息输入到LD3320A芯片中，它内置有非特定人语音识别的专用DSP算法，可实现语音识别和语音播放。语音识别的操作流程是：通用初始化和语音识别用初始化。完成时钟频率设定、软复位模式设定和FIFO设定.写入识别列表。LD3320是一个基于词库的语音识别芯片，在此步骤中，应将待识别的短语以字符串的形式写入识别列表。列表的规则是，每个识别条目对应一个特定的编号(1个字节)，不同的识别条目的编号可以相同，而且可以不用连续，但是数值要小于256(00H～FFH)。开始识别，准备好中断响应函数，打开中断允许位。首先可以设置每次语音识别的时间限制，即在这个设定期间内，芯片接收到声音，无论是否成功对其进行识别都会发送中断信号。如果过了这个设定时间芯片还是没有接收到声音，它也会发送一个中断，但BA寄存器里的数值将为0，代表识别失败。改动B8寄存器可以改变这个长度。响应中断。如果麦克风采集到声音，无论是否能够识别出正确的结果，芯片程序都会产生一个中断信号。而中断程序要根据寄存器的值对结果进行分析。在读取BA寄存器里的值后，便可以知道有几个候选答案，并且在C5寄存器里的答案是得分最高，也就是最可能正确的答案。LD3320的程序包含了初始化程序，识别列表程序，识别开始程序和识别中断程序，详细流程如图3所示。
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图2语音识别流程图
如果芯片成功识别到用户的语音信息，将会把一个编号作为识别结果通过串口输出到主控单片机中，单片机根据相应的编号指令产生相应的PWM方波来控制电机的运转，进而实现轮椅的前进、停止、后退以及转向。同时利用该芯片的MP3点播功能实现该系统的语音系统提示功能，该功能是结合与主控单片机的串口通讯实现的。主控单片机发送的数据帧格式如表 2 所示。数据帧中序号即表示所播放语音的序号。
表1 语音模块接收数据帧的格式
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当语音模块接收到来自单片机的点播数据后，模块将读取SD卡并播放相应的MP3文件。相应的MP3文件是提前通过特定软件录制后存放在SD卡中的。
3. 设计优点
本设计主要的功能两点为肌肉感应控制和肌电控制，在国内的智能轮椅市场上，少有这将这两种功能相结合的产品。这款轮椅不仅能对使用者提供保护，同时还可以提供最大的操作自由度。它的轮胎能够适应各种复杂的路面。设计者还在这款轮椅上加入了眼球追踪仪，可以通过识别使用者的面部肌肉动作和眼球动作来控制轮椅。轮椅在肌肉感应控制的基础上，增加了肌电控制，形成了双重保险。同时，本产品的制造成本可以达到民用和量产的要求。
4.结语
本文针对当前智能轮椅的需求设计了一款基于eSense算法的感应智能轮椅的研发，此产品设计原理清晰，功能完善，能够实现对使用者提供保护，同时还可以提供最大的操作自由度，轮椅在肌肉感应控制的基础上，增加了肌电控制，形成了双重保险。功能强大，具有较强的社会应用价值。
参考文献：
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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。