一种基于瞳孔角膜反射技术的眼动控制自动轮椅系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于瞳孔角膜反射技术的眼动控制自动轮椅系统，使用Tobii眼动仪的SDK开发的，通过瞳孔角膜反射技术用于扫描、建模和分析头部。该传感器向眼球发射红外光，测量注视方向并控制轮椅马达，以实现眼睛控制轮椅的应用。该系统包括信号收集模块、信号处理模块、轮椅机械控制模块、交互模块。它主要使用眼动仪收集眼动信号，并使用陀螺仪收集位置信号。借助信号处理模块，计算机实时计算轮椅位置和人眼注视方向，然后生成轮椅控制信号以满足需求此外，我们优化了操作界面的UI设计，增加了拨号和警报等功能，并改善了建筑和外观设计，使轮椅更加舒适和私密。基于该系统，用户可以轻松、舒适地通过眼睛控制轮椅。舒适地通过眼睛控制轮椅。舒适地通过眼睛控制轮椅。

【技术实现步骤摘要】
一种基于瞳孔角膜反射技术的眼动控制自动轮椅系统


[0001]本专利技术属于轮椅设计和制造领域，尤其涉及一种基于瞳孔角膜反射技术的眼动控制自动轮椅系统。

技术介绍

[0002]四肢瘫痪是一种极为严重的疾病，由于患者四肢功能受损，即使使用轮椅他们很难自由活动。这一困境已成为残疾人康复的巨大障碍，同时给社会增加了额外的负担。轮椅是伤残人士居家康复、周转运输、就诊、外出活动的重要移动工具，其产品主要分为电动轮椅和手动折叠轮椅。其中电动轮椅是在普通轮椅上叠加了高性能动力驱动装置、智能操纵装置、电池等部件进行改造升级而成的，与传统轮椅相比更为人性化，操作也更加方便。但是目前存在的电动轮椅多为外力辅助驱动，最常见的为手部控制的摇杆结构等控制方法，对于四肢不便的残疾人而言，精确地表达手部动作可能并不容易。为了更好地改善四肢瘫痪地患者的生活，需要重新设计轮椅的控制逻辑。对于高位截瘫和四肢瘫痪患者，我们需要考虑使用全新的信号交互方式并优化控制逻辑，保证轮椅控制的安全性以及轮椅的可靠性。
[0003]目前存在许多由眼睛控制的自动轮椅方案，但是并没有一个完全经过实物验证，可以快速实时使用精确采样的眼动信号并驱动轮椅移动的方案，同时其他方案中轮椅尚停留在单独的轮椅个体，并不能实时联网进行状态交互和远程监视。2013年专利CN203169463U中提出了由实现用眼球的转动来驱动轮椅完成运转的动作，车体置于车轮的上方用于支撑车体，车轮的转轴上安装有电动机，车体下方设置有电源，电源通过导线与电动机相连，电动机通过数据线依次连接有微处理器和眼动信号采集装置。但是使用眼球转动来控制方向的方案存在极大控制风险，眼球运动具有较强的不确定性同时难以控制患者眼球运动与既定逻辑保持一致。2019年专利CN109646198A中提出了测量出空间中人眼视线的实际落点进而控制轮椅移动并完成避障的方案，此方案已经开始研究眼动行为对于控制的思路，但是此方案控制逻辑复杂，整体硬件实现的复杂度较高难以实际投产，同时，此方案并没有经过临床测试，存在运算量大处理时延极高的问题。通过剖析了现在高位截瘫患者的现状与电动轮椅市场，需要设计一种真正高效捕捉眼动行为和注视行为分析，并从行为学角度出发设计符合控制逻辑的自动轮椅方案，让轮椅的驱动设计更符合截瘫患者人所需。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种基于瞳孔角膜反射技术的眼动控制自动轮椅系统,以解决精确采集眼动信号，实时控制轮椅运动，使用安全性的技术问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的具体技术方案如下：
[0006]一种基于瞳孔角膜反射技术的眼动控制自动轮椅系统，包括信号收集模块、信号处理模块、轮椅机械控制模块、交互模块；
[0007]所述信号收集模块采用瞳孔角膜反射技术追踪人的视线，包括两个眼动仪组成的眼动仪模块和GY
‑
521三维角度传感器组成的位置采集模块；
[0008]所述眼动仪模块实时获取用户的眼动数据；
[0009]所述位置采集模块安装在轮椅上，位置采集模块内置MPU
‑
6050运动处理单元，实时获取轮椅俯仰角信息；
[0010]所述信号处理模块将计算结果依据轮椅控制逻辑作为控制信号输出至面向轮椅的控制层和面向用户的交互层；
[0011]所述位置采集模块完成通过串口的TTL电平以全双工模式与主机通信，发送轮椅的3D姿势信号至计算模块处理；
[0012]所述轮椅的交互模块包括与用户交互的显示屏和联网系统；
[0013]所述轮椅机械控制模块包括机械装置和驱动模块；
[0014]所述机械装置包括主体结构和外部附件；
[0015]所述主体结构用于固定外部附件并提供安全保护。
[0016]进一步的，信号处理模块包括第一微型计算机和第二微型计算机，第一微型计算机执行直行眼动信号的计算与控制逻辑，第二微型计算机进行轮椅位置的实时计算并执行轮椅转向的计算与控制逻辑。
[0017]进一步的，微型计算机共输出11个控制信号至轮椅发动机，其中6个信号控制轮椅的速度和启动，5个信号实时控制电动机和轮椅的运行方向。
[0018]进一步的，MPU
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6050运动处理单元具有嵌入式3轴微机械陀螺仪。
[0019]进一步的，所驱动模块使用24V，20Ah锂离子电池，通过降压转换器，将24V电压转换至19V，12V和5V。
[0020]进一步的，通过降压转换器转换后的19V电压给信号处理模块供电，12V电压给交互模块供电，5V电压给信号收集模块供电。
[0021]进一步的，外部附件是固定有屏幕的方形框架。
[0022]进一步的，与用户交互的显示屏包括虚拟屏幕和实体屏幕。
[0023]本专利技术的一种基于瞳孔角膜反射技术的眼动控制自动轮椅系统，具有以下优点：
[0024]1、本专利技术使用瞳孔角膜反射技术采集用户的眼动行为作为驱动轮椅的控制信号，为脊髓损伤者、四肢瘫痪者的外出活动、就诊等提供便捷；
[0025]2、本专利技术具有安全性高的特点，保证用户在正常行驶中，遇到紧急情况时能够快速制动轮椅，避免危险。轮椅安装位置采集模块会实时采集轮椅运动姿势数据并发送给微型计算机处理，当微型计算机检测到轮椅发生侧翻或超速等危险运动状态，将自动通过通信应用程序拨打电话给紧急联系人，同时用户也可以自行使用软件进行互联网通话，指向任何国家的任意手机，确保行驶安全；
[0026]3、本专利技术具有好的灵活性，产安装了两台眼动仪检测眼动信号，两台眼动仪将数据发送给对应的两台微型计算机，微型计算机接收并处理数据信息，输出控制信号并发送给轮椅的机械结构，实现轮椅的实时受控驱动。微型计算机输出总共11个控制信号作用于轮椅电动机，其中6个信号控制轮椅的速度和启动，剩余5个信号实时控制电动机和轮椅的运行方向，控制信号驱动着轮椅左右轮的独立运动，保证轮椅能够快速启动，及时刹车，实现向左或向右的灵活转弯。
附图说明
[0027]图1为本专利技术的轮椅内电压分配关系示意图；
[0028]图2为本专利技术的单眼控制逻辑示意图；
[0029]图3为本专利技术的眼动控制自动轮椅系统整体架构图；
具体实施方式
[0030]为了更好地了解本专利技术的目的、结构及功能，下面结合附图，对本专利技术一种基于瞳孔角膜反射技术的眼动控制自动轮椅系统做进一步详细的描述。
[0031]本专利技术针对由脊髓损伤等意外导致四肢瘫痪和截瘫的患者行动不便问题，充分考虑人体应急反应和视觉捕获过程下，保证安全下做到捕获信息与发送控制的统一，提出整个系统的框图和提出的基于瞳孔角膜反射技术的视觉追踪控制的自动控制轮椅设计与制造方法。本专利技术在传统电动轮椅的基础上增加了安全可靠的眼动控制逻辑和物联网可扩展性外设。本专利技术的轮椅系统具有驾驶灵活方便，灵敏度高，实时计算能力强大等优点。下面将介绍本专利技术的具体设计流程，系统级整体框架见图3所示。
[0032]首先为了实现眼动控制，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于瞳孔角膜反射技术的眼动控制自动轮椅系统，其特征在于，包括信号收集模块、信号处理模块、轮椅机械控制模块、交互模块；所述信号收集模块采用瞳孔角膜反射技术追踪人的视线，包括两个眼动仪组成的眼动仪模块和GY
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521三维角度传感器组成的位置采集模块；所述眼动仪模块实时获取用户的眼动数据；所述位置采集模块安装在轮椅上，位置采集模块内置MPU
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6050运动处理单元，实时获取轮椅俯仰角信息；所述信号处理模块将计算结果依据轮椅控制逻辑作为控制信号输出至面向轮椅的控制层和面向用户的交互层；所述位置采集模块完成通过串口的TTL电平以全双工模式与主机通信，发送轮椅的3D姿势信号至计算模块处理；所述轮椅的交互模块包括与用户交互的显示屏和联网系统；所述轮椅机械控制模块包括机械装置和驱动模块；所述机械装置包括主体结构和外部附件；所述主体结构用于固定外部附件并提供安全保护。2.根据权利要求1所述的基于瞳孔角膜反射技术的眼动控制自动轮椅系统，其特征在于，所述信号处理模块包括第一微型计算机和第二微型计算机，第一微型计算机执行直行眼动信号的计算与控制逻辑，第二微型计算机进行轮椅位置的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张川，王季夫，冀贞昊，王浩鑫，陈逸凡，洪启航，钟蔓芩，况迎辉，田宇，丁明远，文嘉豪，徐绘婷，兰自桐，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：