基于眼电图信号的便携式无线人机交互系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于眼电图信号的便携式无线人机交互系统，它主要由信号采集器、双通道信号放大器、信号处理器和Ｚｉｇｂｅｅ无线传输模块依次相连组成。本发明专利技术利用使用者眼球运动的眼电图信号，实现由使用者自主控制电视机电脑等外部设备；利用本发明专利技术，运动功能障碍或语言功能丧失的残障人士和ＩＣＵ病房的特殊病人可以独立地完成与外界进行交流，控制其它设备等以前无法独立完成的事务。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种人机交互系统，尤其涉及一种通过人眼部运动直接控制外部设备的便携式人机交互系统。
技术介绍
随着计算机技术的发展，通过计算机对外界环境进行交互和控制己经成为一种普遍使用的方法。人机接口 HMI (Human-machine Interface又名人机界面)就是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，其功能是控制有关设备的运行并执行通过人-机交互设备传来的有关的各种命令和要求，主要依靠可输入输出的外部设备和相应的软件来完成。传统意义上的人机接口方式包括键盘、鼠标等。显然这些传统意义上的HMI接口都是通过人的肢体信息与计算机互动实现的。但是，目前社会上有相当部分的弱势团体，如运动神经元疾病(Motor Neuron Disease, M. N. D)等之类疾病的患者，无法使用双手来与其他人进行互动。如果能够设计出一种不须依靠肢体的人-机接口，并在此基础上设计出一套进行信息交流的人机交互系统，让病人或残疾人能够依靠自己的意念，独立的与外界进行信息交流，这将会是社会的一大福音。所以我们提出一种通过分析和记录人的眼电图信号，来实现人-机交互功能的方法。虽然早在I960, C. Kris就已经提出了利用眼电图技术来跟踪人眼球的状态，但是直到上世纪90年代，随着医学技术和材料科学的进步，国外科研工作者:^在眼电图领域的研究取得了重大的进展。90年代初期，美国波士顿大学计算机学院的James Gips教授领导研究团队研究出了一种可以辅助残疾人用眼睛控制电脑的辅助康复设备EagleEyes。并在1993年发表的文章《Direct control ofthe computer through electrodes placed around the eyes》中简要介绍了他们制作的系统。另外，进入21世纪，世界其他国家在该领域上也取得了不小的进展。在此领域上，国内研究方向一般分为三类。 一类是简单的应用，如安徽大学与东南大学在2007年提出了了基于眼电控制的服务型机器人控制系统，该系统通过采集操作者的眼电图信号作为控制信号，通过操作者不同的连续眨眼次数来控制机器人做相应的前/后运动等； 一类偏重的是眼电信号处理算法，如重庆大学在2007年从时域分析出发，提出了幅度阈值法和微分法两种眼动信息识别方法等;最后一类则是主要偏重于心理认知方面的研究。相对来说，我国在该领域的研究上处于起步阶段，亟待在核心技术上实现突破，研发出具有自主知识产权的产品。目前，国内外出版物尚没有公开基于眼电图技术的便携式人机交互系统的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于眼电图(Electro-OculoGraphy, EOG)信号的便携式无线人机交互系统。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的 一种基于眼电图信号的便携式无线人机交互系统，它包括一用于采集用户眼电图信号的信号采集器；一用于放大原始眼电图信号的双通道信号放大器；一用于眼电图信号处理的信号处理器；和一用于传输用户指令的Zigbee无线传输模块；其中，信号采集器、双通道信号放大器、信号处理器和Zigbee无线传输模块依次相连。进一步地，所述信号采集器由五个电极组成；所述双通道信号放大器主要由右腿驱动模块、前置放大及带通滤波模块、二级放大及电平抬升模块依次相连组成；所述信号处理器主要由信号滤波模块、特征提取模块、模式匹配模块三个模块依次连接组成。本专利技术的有益效果是1、 利用使用者眼球运动的眼电图信号，实现由使用者自主控制电视机电脑等外部设备。2、 利用该系统，运动功能障碍或语言功能丧失的残障人士和ICU病房的特殊病人可以独立的完成与外界进行交流，控制其它设备等以前无法独立完成的事务。附图说明图l是眼电图原理示意图2是双通道信号放大器结构框图3是双通道信号放大器、Zigbee模块及串口转USB接口电路图，其中，(a)为电源模块、(b)为右腿驱动模块、(c)为前置放大及带通滤波模块、(d)为二级放大及电平抬升模块、(e)为Zigbee模块、(f)为串口转USB接口；图4是信号处理器处理流程框图。具体实施方式下面根据附图详细说明本专利技术，本专利技术的目的和效果将变得更加明显。本专利技术基于眼电图技术的便携式人机交互系统，包括一用于采集用户眼电图信号的信号采集器，一用于放大原始眼电图信号的双通道信号放大器，一用于眼电图信号处理的信号处理器，和一用于传输用户指令的基于Zigbee模块的无线传输模块。信号采集器采集的眼电图信号传输给信号放大器进行信号放大，信号放大的结果送由信号处理器进行信号的处理与分析，得出用户控制指令，最后交由无线模块进行无线通信并控制外部设备。信号采集器由五个电极HE0L、 HE0R、 VE0U、 VE0L、 GND组成，用于测量垂直眼电的两个垂直电极分别布置在右眼的眉毛上部1CM处(VEOU)和右眼的眼睑下2CM处(VEOL);用于测量水平眼电的两个水平电极分别布置在使用者左右两边的眼角外2CM处(HE0R和HE0L);用于参考的电极布置在使用者的前额处(GND)。如图2所示，双通道模拟电路主要由右腿驱动模块、前置放大及带通滤波模块、二级放大及电平抬升模块依次相连组成。其具体电路如图3所示。双通道模拟电路采集垂直水平两个方向的差分眼电信号，经放大、滤波后进行250Hz的AD采样。对采集的数字信号在处理器中进行如上所述的信号处理，识别出用户的眼动方向及眨眼信号，最后将该信号传递到Zigbee无线模块发送出去(中间可由串口转USB接口已适应不同接口的需求)。在接受端接收到眼动方向及眨眼信号后产生相应的控制命令，从而达到控制外部设备的目的。双通道信号放大器将信号采集器采集的信号进行放大、增强后，以一定的采样率进行信号数字化，并将信号传输到信号处理器。信号处理器主要由信号滤波模块、特征提取模块、模式匹配模块三个模块依次连接组成。信号滤波模块用于将原始信号进行一种基于数学形态学的滤波器的滤波，滤去眼电中的毛剌和由于使用者无意识眨眼造成的伪迹，减少噪声信号对眼电图信号的干扰，增加眼电图信号的信噪比。特征提取模块用于将眼电图信号中的特征信号将能够反应信号某种属性的特征(也称特征向量)从信号中提取出来，提取出特征向量后，系统再根据特征向量来判断用户的需求。模式匹配用于将特征提取模块已进行特征提取后的信号进行分析，从中分析出用户的眼球运动的状态(包括各种运动状态和有意识眨眼)，并指示系统发出相对应的信号。整个信号处理流程如附图4所示。信号处理器对电极采集的信号进行差分处理，用于处理垂直眼电的眼电图信号VE0G由垂直电极VE0U和VE0L差分得到，用于处理水平眼电的眼电图信号HE0G由水平电极HE0R和HE0L差分得到。然后对水平垂直差分信号VE0G和HEOG进行信号滤波处理，获得时间与眼电信号大小的关系曲线，由信号处理器自动进行特征提取和模式匹配以实现人眼球运动状态的在线判别。信号处理器可以放在PC机上也可以放在一个单片机上，串口转USB接口可以保证本专利技术可以应用在各个不同接口的设备上。Zigbee无线传输模块用于对信号处理器处理出来的结果进行编码并且发送控制命令。Zigbee无线传输模块分为发送和接收两种，可以采用Zigbee片上系统芯片CC24本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于眼电图信号的便携式无线人机交互系统，其特征在于，包括：　一用于采集用户眼电图信号的信号采集器；　一用于放大原始眼电图信号的双通道信号放大器；　一用于眼电图信号处理的信号处理器；和　一用于传输用户指令的Ｚｉｇｂｅｅ无线传输模块 。　其中，信号采集器、双通道信号放大器、信号处理器和Ｚｉｇｂｅｅ无线传输模块依次相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫东，李昕，刘俊，郝耀耀，郑筱祥，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[]