專利名稱：基于眼電圖信號的便攜式無線人機交互系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種人機交互系統(tǒng)，尤其涉及一種通過人眼部運動直接控制外部設備的便攜式人機交互系統(tǒng)。
背景技術：
隨著計算機技術的發(fā)展，通過計算機對外界環(huán)境進行交互和控制己經(jīng)成為
一種普遍使用的方法。人機接口 HMI (Human-machine Interface又名人機界面)就是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，其功能是控制有關設備的運行并執(zhí)行通過人-機交互設備傳來的有關的各種命令和要求，主要依靠可輸入輸出的外部設備和相應的軟件來完成。傳統(tǒng)意義上的人機接口方式包括鍵盤、鼠標等。顯然這些傳統(tǒng)意義上的HMI接口都是通過人的肢體信息與計算機互動實現(xiàn)的。但是，目前社會上有相當部分的弱勢團體，如運動神經(jīng)元疾病(Motor Neuron Disease, M. N. D)等之類疾病的患者，無法使用雙手來與其他人進行互動。如果能夠設計出一種不須依靠肢體的人-機接口，并在此基礎上設計出一套進行信息交流的人機交互系統(tǒng)，讓病人或殘疾人能夠依靠自己的意念，獨立的與外界進行信息交流，這將會是社會的一大福音。所以我們提出一種通過分析和記錄人的眼電圖信號，來實現(xiàn)人-機交互功能的方法。
雖然早在I960, C. Kris就已經(jīng)提出了利用眼電圖技術來跟蹤人眼球的狀態(tài)，但是直到上世紀90年代，隨著醫(yī)學技術和材料科學的進步，國外科研工作者:^在眼電圖領域的研究取得了重大的進展。90年代初期，美國波士頓大學計算機學院的James Gips教授領導研究團隊研究出了一種可以輔助殘疾人用眼睛控制電腦的輔助康復設備EagleEyes。并在1993年發(fā)表的文章《Direct control ofthe computer through electrodes placed around the eyes》中簡要介紹了他們制作的系統(tǒng)。另外，進入21世紀，世界其他國家在該領域上也取得了不小的進展。
在此領域上，國內研究方向一般分為三類。 一類是簡單的應用，如安徽大學與東南大學在2007年提出了了基于眼電控制的服務型機器人控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采集操作者的眼電圖信號作為控制信號，通過操作者不同的連續(xù)眨眼次數(shù)來控制機器人做相應的前/后運動等； 一類偏重的是眼電信號處理算法，如重慶大學在2007年從時域分析出發(fā)，提出了幅度閾值法和微分法兩種眼動信息識別方法等;最后一類則是主要偏重于心理認知方面的研究。相對來說，我國在該領域的研究上處于起步階段，亟待在核心技術上實現(xiàn)突破，研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品。
目前，國內外出版物尚沒有公開基于眼電圖技術的便攜式人機交互系統(tǒng)的報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于眼電圖
(Electro-OculoGraphy, EOG)信號的便攜式無線人機交互系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的 一種基于眼電圖信號的便攜
式無線人機交互系統(tǒng)，它包括
一用于采集用戶眼電圖信號的信號采集器；一用于放大原始眼電圖信號的雙通道信號放大器；一用于眼電圖信號處理的信號處理器；和一用于傳輸用戶指令的Zigbee無線傳輸模塊；
其中，信號采集器、雙通道信號放大器、信號處理器和Zigbee無線傳輸模塊依次相連。
進一步地，所述信號采集器由五個電極組成；所述雙通道信號放大器主要由右腿驅動模塊、前置放大及帶通濾波模塊、二級放大及電平抬升模塊依次相連組成；所述信號處理器主要由信號濾波模塊、特征提取模塊、模式匹配模塊三個模塊依次連接組成。
本發(fā)明的有益效果是
1、 利用使用者眼球運動的眼電圖信號，實現(xiàn)由使用者自主控制電視機電腦等外部設備。
2、 利用該系統(tǒng)，運動功能障礙或語言功能喪失的殘障人士和ICU病房的特殊病人可以獨立的完成與外界進行交流，控制其它設備等以前無法獨立完成的事務。


圖l是眼電圖原理示意圖2是雙通道信號放大器結構框圖3是雙通道信號放大器、Zigbee模塊及串口轉USB接口電路圖，其中，(a)為電源模塊、(b)為右腿驅動模塊、(c)為前置放大及帶通濾波模塊、(d)為二級放大及電平抬升模塊、(e)為Zigbee模塊、(f)為串口轉USB接口；
圖4是信號處理器處理流程框圖。
具體實施方式
下面根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。
本發(fā)明基于眼電圖技術的便攜式人機交互系統(tǒng)，包括
一用于采集用戶眼電圖信號的信號采集器，
一用于放大原始眼電圖信號的雙通道信號放大器，
一用于眼電圖信號處理的信號處理器，和
一用于傳輸用戶指令的基于Zigbee模塊的無線傳輸模塊。
信號采集器采集的眼電圖信號傳輸給信號放大器進行信號放大，信號放大的結果送由信號處理器進行信號的處理與分析，得出用戶控制指令，最后交由無線模塊進行無線通信并控制外部設備。
信號采集器由五個電極HE0L、 HE0R、 VE0U、 VE0L、 GND組成，用于測量垂直眼電的兩個垂直電極分別布置在右眼的眉毛上部1CM處(VEOU)和右眼的眼瞼下2CM處(VEOL);用于測量水平眼電的兩個水平電極分別布置在使用者左右兩邊的眼角外2CM處(HE0R和HE0L);用于參考的電極布置在使用者的前額處(GND)。
如圖2所示，雙通道模擬電路主要由右腿驅動模塊、前置放大及帶通濾波模塊、二級放大及電平抬升模塊依次相連組成。其具體電路如圖3所示。雙通道模擬電路采集垂直水平兩個方向的差分眼電信號，經(jīng)放大、濾波后進行250Hz的AD采樣。對采集的數(shù)字信號在處理器中進行如上所述的信號處理，識別出用戶的眼動方向及眨眼信號，最后將該信號傳遞到Zigbee無線模塊發(fā)送出去(中間可由串口轉USB接口已適應不同接口的需求)。在接受端接收到眼動方向及眨眼信號后產(chǎn)生相應的控制命令，從而達到控制外部設備的目的。
雙通道信號放大器將信號采集器采集的信號進行放大、增強后，以一定的采樣率進行信號數(shù)字化，并將信號傳輸?shù)叫盘柼幚砥鳌?br> 信號處理器主要由信號濾波模塊、特征提取模塊、模式匹配模塊三個模塊依次連接組成。信號濾波模塊用于將原始信號進行一種基于數(shù)學形態(tài)學的濾波器的濾波，濾去眼電中的毛剌和由于使用者無意識眨眼造成的偽跡，減少噪聲信號對眼電圖信號的干擾，增加眼電圖信號的信噪比。特征提取模塊用于將眼電圖信號中的特征信號將能夠反應信號某種屬性的特征(也稱特征向量)從信號中提取出來，提取出特征向量后，系統(tǒng)再根據(jù)特征向量來判斷用戶的需求。模式匹配用于將特征提取模塊已進行特征提取后的信號進行分析，從中分析出用戶的眼球運動的狀態(tài)(包括各種運動狀態(tài)和有意識眨眼)，并指示系統(tǒng)發(fā)出相對應的信號。整個信號處理流程如附圖4所示。信號處理器對電極采集的信號進行差分處理，用于處理垂直眼電的眼電圖信號VE0G由垂直電極VE0U和VE0L差分得到，用于處理水平眼電的眼電圖信號HE0G由水平電極HE0R和HE0L差分得到。然后對水平垂直差分信號VE0G和HEOG進行信號濾波處理，獲得時間與眼電信號大小的關系曲線，由信號處理器自動進行特征提取和模式匹配以實現(xiàn)人眼球運動狀態(tài)的在線判別。
信號處理器可以放在PC機上也可以放在一個單片機上，串口轉USB接口可以保證本發(fā)明可以應用在各個不同接口的設備上。
Zigbee無線傳輸模塊用于對信號處理器處理出來的結果進行編碼并且發(fā)送控制命令。Zigbee無線傳輸模塊分為發(fā)送和接收兩種，可以采用Zigbee片上系統(tǒng)芯片CC2430，它可以實現(xiàn)Zigbee的應用功能，包括AD轉換器、51內核和無線射頻模塊等。發(fā)送端作為中央節(jié)點把CC2430芯片與模擬前端連接，對眼電模擬信號AD采樣后進行實時處理，在確認出使用者眼球移動的方向后進行方向編碼，然后通過無線模塊將此編碼信息發(fā)射出去；接收端作為子節(jié)點(可以有多個)接受到編碼信息后進行解碼，然后產(chǎn)生相應的外部控制命令。另外，該Zigbee網(wǎng)絡加入了自組網(wǎng)、斷網(wǎng)后自恢復的功能，保證了網(wǎng)絡的魯棒性。
本發(fā)明電路圖信號放大器、Zigbee模塊及串口轉USB接口電路圖如圖3所示。其中Zigbee模塊使用了 TI公司的CC2430芯片，串口轉USB接口使用了CP2102芯片。
本發(fā)明具有充分的自適應性和可配置性，可以根據(jù)使用者眼電圖信號的特點設置不同的運行模式來改變系統(tǒng)的特性，自適應使用者的需求。
信號處理器處理流程如圖4所示。對于第一次使用本系統(tǒng)的用戶，可以設置本系統(tǒng)的狀態(tài)為自適應模式。在該模式下信號處理器將采集不同用戶眼球在左右上下運動或者眨眼時不同的眼電圖特性，然后根據(jù)每個用戶特定的眼電信號設置不同的配置參數(shù)，使系統(tǒng)具有最大的靈敏度及精確度，保證進入工作模式后的穩(wěn)定性。
權利要求
1、一種基于眼電圖信號的便攜式無線人機交互系統(tǒng)，其特征在于，包括一用于采集用戶眼電圖信號的信號采集器；一用于放大原始眼電圖信號的雙通道信號放大器；一用于眼電圖信號處理的信號處理器；和一用于傳輸用戶指令的Zigbee無線傳輸模塊。其中，信號采集器、雙通道信號放大器、信號處理器和Zigbee無線傳輸模塊依次相連。
2、 如權利要求1所述基于眼電圖信號的便攜式無線人機交互系統(tǒng)，其特征在于， 所述信號采集器由五個電極組成。
3、 如權利要求1所述基于眼電圖信號的便攜式無線人機交互系統(tǒng)，其特征在于， 所述雙通道信號放大器主要由右腿驅動模塊、前置放大及帶通濾波模塊、二級 放大及電平抬升模塊依次相連組成。
4、 如權利要求1所述基于眼電圖信號的便攜式無線人機交互系統(tǒng)，其特征在于， 所述信號處理器主要由信號濾波模塊、特征提取模塊、模式匹配模塊三個模塊 依次連接組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于眼電圖信號的便攜式無線人機交互系統(tǒng)，它主要由信號采集器、雙通道信號放大器、信號處理器和Zigbee無線傳輸模塊依次相連組成。本發(fā)明利用使用者眼球運動的眼電圖信號，實現(xiàn)由使用者自主控制電視機電腦等外部設備；利用本發(fā)明，運動功能障礙或語言功能喪失的殘障人士和ICU病房的特殊病人可以獨立地完成與外界進行交流，控制其它設備等以前無法獨立完成的事務。
文檔編號G06F3/01GK101644952SQ20091009927
公開日2010年2月10日 申請日期2009年6月4日 優(yōu)先權日2009年6月4日
發(fā)明者俊 劉, 昕 李, 鄭筱祥, 郝耀耀, 陳衛(wèi)東 申請人:浙江大學