一种基于肌电检测的眨眼交流表达系统及控制方法

1.本发明涉及智能穿戴设备的技术领域，具体为一种基于肌电检测的眨眼交流表达系统及控制方法。


背景技术：

2.智能可穿戴设备可以作为人机界面实现机器控制和交互，监测人体健康和环境的作用，近年来备受关注。但现有的人机界面交互效果不佳，阻碍了智能可穿戴设备的进一步发展和应用。
3.由于目前，大多数的交互方式都是基于手势和语音，然而，这些互动方式并不适用于肌萎缩性侧索硬化症(als)、高位截瘫等残疾人或者特殊职业的工作人员。因为他们有些患者均无法动手或说话，因此根本无法通过手势或语音进行交流，此外，手势和语音交互还不能在电影院或会议等大量的实际应用中应用。
4.而眨眼不管是肌萎缩性侧索硬化症(als)、高位截瘫等残疾人或者特殊职业的工作人员均有的动作方式，因此如何获知其眨眼状态来控制实现人机交互是一种很好的选择，是下一代智能可穿戴设备的关键交互方式。
5.因此有了眨眼打字技术，但是现有的眨眼控打字技术主要与图像识别、视觉相联系，因此很容易受到环境的影响，而且装备结构相对复杂、成本高，对应一些老人患者等来说，使用并不简便，而且操作性也不强，故此需要改进。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提出的一种基于肌电检测的眨眼交流表达系统及控制方法，其解决了现有技术的眨眼监控设备存在相对复杂、成本高，对应一些老人患者等来说，使用并不简便，而且操作性也不强的问题。
7.为了实现上述目的，本发明所设计的一种基于肌电检测的眨眼交流表达系统，包括用于套接在眼部的穿戴装备，眼部肌电信号采集单元、眨眼信号分析模块、眨眼信号逻辑指令表储存器以及指令输出反馈界面，所述的眨眼信号分析模块分别与眼部肌电信号采集单元、眨眼信号逻辑指令表储存器以及指令输出反馈界面电连接；其中，所述的眼部肌电信号采集单元用于放置在所述的穿戴装备上，所述眼部肌电信号采集单元用来收集生物信号，并采集左眼和右眼的眼部周围肌电信号，并将眼部肌电信号传输到眨眼信号分析模块；所述的指令输出反馈界面用于显示有效眨眼后输出的指令；所述的眨眼信号逻辑指令表储存器内预先储存有有效眨眼信号逻辑指令表，有效眨眼信号逻辑指令表包括左眼右眼的有效眨眼次数排列组合与相应指令之间的逻辑关系；所述的眨眼信号分析模块用于实现检测处理肌电信号，通过算法处理来区分受试者的有效主动眨眼肌电信号，将采集到眼部有效眨眼信号与设置的眨眼组合与相应指令之间的逻辑关系相匹配，输出相关指令，从而在指令输出反馈界面上进行显示。
8.作为优选，所述指令输出反馈界面可以是led显示屏或者windows界面。
9.作为优选，所述有效眨眼信号逻辑指令表中输入一个字母所需的眨眼排列组合是由字母的使用频率决定的，将使用频率高的字母与简单的左右眨眼排列组合相对应。
10.作为优选，所述眼部肌电信号采集单元包括左眼和右眼两个通道，且每个通道设置有三个电极，其中两个电极放置在每个眼眶的上部作为正极和负极，另一个作为参考电极，其位于肩部的肩峰。
11.作为优选，所述眼部肌电信号采集单元中的电极采用柔性水凝胶电极。
12.作为优选，所述眨眼信号分析模块包括仪表放大器、运算放大器以及微控制器，所述的仪表放大器与眼部肌电信号采集单元连接用于放大肌电信号，所述运算放大器与微控制器电连接，所述微控制器通过蓝牙模块与指令输出反馈界面连接。所述微控制器是采用stm32微控制器。
13.作为优选，所述的穿戴装备是防护眼镜。
14.本发明还公开了一种基于肌电检测的眨眼交流表达系统控制方法，采用前述一种基于肌电检测的眨眼交流表达系统，其具体步骤如下：s1、预先创建眨眼排列组合逻辑指令表；其中眨眼排列组合逻辑指令表包括左眼右眼的有效眨眼次数排列组合与相应指令之间的逻辑关系，并进行保存；s2、在穿戴装备上放置眼部肌电信号采集单元，眼部肌电信号采集单元共有两个通道，左眼通道和右眼通道，对于每只眼睛，在每一个眼睛的皱上肌的两端分别放置两个电极作为正极和负极，参考电极位于肩部的肩峰，且肌电信号是由正负极之间的电位差获得的；s3、获得肌电信号后由眨眼信号分析模块进行放大处理后，利用ad转换模式转换后得到眼部肌电信号，先区分出主动眨眼和非主动眨眼信号，如果获取到的是非主动眨眼信号时，不做任何处理，如果获取到是主动眨眼后作为有效眨眼信号，然后调取眨眼排列组合逻辑指令表，然后将采集到眼部有效眨眼信号与设置的眨眼组合与相应指令之间的逻辑关系相匹配，并输出相关指令，以实现主动眨眼交流表达的功能。
15.与现有技术相比较，本发明得到的一种基于肌电检测的眨眼交流表达系统及控制方法的技术效果如下：所述基于肌电检测的眨眼交流表达系统，可以有效区分受试者左右眼的有效主动眨眼肌电信号，通过左眼右眼的有效眨眼次数排列组合与相应指令之间的逻辑关系，将采集到眼部有效眨眼信号进行处理，输出对应逻辑指令，从而在指令输出反馈界面显示，实现主动眨眼交流表达的功能。
附图说明
16.图1为本实施例中一种基于肌电检测的眨眼交流表达系统的连接示意图；图2为本实施例中眨眼信号分析模块的连接示意图；图3为本实施例中右侧通道上的电极放置在脸部的位置以及与眨眼信号分析模块的连接示意图；图4 为以左眼为例的非主动眨眼时的眼部肌电信号原始图；图5为有效区分受试者左右眼的有效主动眨眼肌电信号图；图6为有效眨眼排列组合逻辑指令图；
图7为眼部肌电信号采集单元安装到穿戴装备上，将穿戴设备带在眼睛上的结构示意图。
17.图中：眼部肌电信号采集单元1、眨眼信号分析模块2、指令输出反馈界面3、眨眼信号逻辑指令表储存器4、电极1-1、仪表放大器2-1、运算放大器2-2、微控制器2-3、穿戴装备5。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
19.实施例：如图1、图7所示，本实施例中所提供的一种基于肌电检测的眨眼交流表达系统，包括用于套接在眼部的穿戴装备5，穿戴装备5如图7示可以戴在头部，整个穿戴装备5起到一个固定眼部肌电信号采集单元1和美观的作用，同时保护人的眼睛；眼部肌电信号采集单元1、眨眼信号分析模块2、眨眼信号逻辑指令表储存器4以及指令输出反馈界面3，所述的眨眼信号分析模块2分别与眼部肌电信号采集单元1、眨眼信号逻辑指令表储存器4以及指令输出反馈界面3电连接；其中，所述的眼部肌电信号采集单元1用于放置在所述的穿戴装备5上，所述眼部肌电信号采集单元1用来收集生物信号，并采集左眼和右眼的眼部周围肌电信号，并将眼部肌电信号传输到眨眼信号分析模块2；所述的指令输出反馈界面3用于显示有效眨眼后输出的指令；所述的眨眼信号逻辑指令表储存器4内预先储存有有效眨眼信号逻辑指令表，有效眨眼信号逻辑指令表包括左眼右眼的有效眨眼次数排列组合与相应指令之间的逻辑关系；所述的眨眼信号分析模块2用于实现检测处理肌电信号，通过算法处理来区分受试者的有效主动眨眼肌电信号，将采集到眼部有效眨眼信号与设置的眨眼组合与相应指令之间的逻辑关系相匹配，输出相关指令，从而在指令输出反馈界面上进行显示。
20.本实施例中所述指令输出反馈界面3可以是led显示屏或者windows界面。
21.本实施例中所述有效眨眼信号逻辑指令表中输入一个字母所需的眨眼排列组合是由字母的使用频率决定的，将使用频率高的字母与简单的左右眨眼排列组合相对应。
22.如图3所示，本实施例中所述眼部肌电信号采集单元1包括左眼和右眼两个通道，且每个通道设置有三个电极1-1，其中两个电极放置在每个眼眶的上部作为正极和负极，另一个作为参考电极，其位于肩部的肩峰。
23.本实施例中所述眼部肌电信号采集单元1中的电极1-1采用柔性水凝胶电极。
24.如图2所示，作为优选，所述眨眼信号分析模块2包括仪表放大器2-1、运算放大器2-2以及微控制器2-3，所述的仪表放大器2-1与眼部肌电信号采集单元1连接用于放大肌电信号，所述运算放大器2-2与微控制器2-3电连接，所述微控制器2-3通过蓝牙模块与指令输出反馈界面3连接。所述微控制器2-3是采用stm32微控制器。
25.在本实施例中stm32微控制器的型号为stm32f1032et6，因此其自带ad转换功能。
26.本实施例中所述的穿戴装备5是防护眼镜。
27.本实施例还公开了一种基于肌电检测的眨眼交流表达系统控制方法，其采用本实施例中前述一种基于肌电检测的眨眼交流表达系统，其具体步骤如下：s1、预先创建眨眼排列组合逻辑指令表；其中眨眼排列组合逻辑指令表包括左眼右眼的有效眨眼次数排列组合与相应指令之间的逻辑关系，并进行保存；
s2、在穿戴装备5上放置眼部肌电信号采集单元1，眼部肌电信号采集单元1共有两个通道，左眼通道和右眼通道，对于每只眼睛，在每一个眼睛的皱上肌的两端分别放置两个电极作为正极和负极，参考电极位于肩部的肩峰，且肌电信号是由正负极之间的电位差获得的；s3、获得肌电信号后由眨眼信号分析模块2进行放大处理后，利用ad转换模式转换后得到眼部肌电信号，先区分出主动眨眼和非主动眨眼信号，如果获取到的是非主动眨眼信号时，不做任何处理，如果获取到是主动眨眼后作为有效眨眼信号，然后调取眨眼排列组合逻辑指令表，然后将采集到眼部有效眨眼信号与设置的眨眼组合与相应指令之间的逻辑关系相匹配，并输出相关指令，以实现主动眨眼交流表达的功能。
28.本实施例中所述电极1-1采用柔性水凝胶电极。本实施例中采用柔性水凝胶电极，其具有高导电性，且跟皮肤生物组织有更好的贴服性，并模拟眼眶上部肌肉形状设计电极形状，电极具有高柔性，可以更贴合地随着肌肉运动，从而可以采集到更准确的信号。
29.非主动眨眼信号包括不眨眼信号和自然状态下无意识眨眼信号，如图4所示，眨眼信号分析模块通过算法处理来区分受试者的有效主动眨眼肌电信号，如图5所示，将采集到眼部有效眨眼信号与设置的眨眼组合与相应指令之间的逻辑关系相匹配，输出相关指令。
30.因为单片机连接左眼和右眼的采集接口不同，因此单片机获取到哪个接口信号，就知道连接的是左还是右。
31.本实施例中所述单片机4-1内的预设规定电信号阈值为1.38v。
32.在发明创造，所述基于肌电检测的眨眼交流表达系统，可以有效区分受试者左右眼的有效主动眨眼肌电信号，通过左眼右眼的有效眨眼次数排列组合与相应指令之间的逻辑关系，将采集到眼部有效眨眼信号进行处理，输出对应逻辑指令，从而在指令输出反馈界面显示，实现主动眨眼交流表达的功能。
33.如图6所示为有效眨眼排列组合逻辑指令图，其中usage frequency表示使用频率，blink表示状态眨眼，blank表示空白，包括左眼右眼的有效眨眼次数排列组合与相应指令之间的逻辑关系，对此逻辑关系图进行举例解释，在一个时间周期内，例如4秒为一个周期，眨眼信号分析模块检测到左眼有效眨眼1次，则指令输出字母“e”；再比如，在某一个周期内，先左眼有效眨眼1次，再右眼眨眼1次，则最后指令输出字母“i”；再比如，在某一个周期内，先左眼有效眨眼1次，再右眼有效眨眼1次，再右眼有效眨眼1次，共有效眨眼3次则最后指令输出字母“d”；再比如，在某一个周期内，左眼有效眨眼4次，则最后指令输出字母“u”；以此类推。而且，输入一个字母所需的眨眼排列组合是由字母的使用频率决定的，所示字母从上到下的顺序是字母使用频率的降序，将使用频率高的字母与简单的左右眨眼排列组合相对应，有效降低疲劳度和提高准确率。
34.在本实施例中，为了更好的区分，什么是主动眨眼，什么是非主动眨眼信号，所述眨眼信号分析模块2进行预先通过对被试者的大量实验和眨眼方式调整，最终得出将处理后大于1.38v的电信号作为主动眨眼的判断信号的结果，从而有效区分了主动眨眼和非主动眨眼信号（置于具体如何判断属于本领域常规技术故此不做具体描述），因此本发明通过获取检测眨眼状态，并判定眨眼状态是否为主动眨眼，如果是主动眨眼时，调取预先储存的有效眨眼排列组合逻辑指令图，根据有效眨眼排列组合逻辑指令图与眨眼组合与相应指令之间的逻辑关系相匹配，输出相关指令，以此解决了目前无法采用眨眼来与肌萎缩性侧索
硬化症(als)、高位截瘫等残疾人或者特殊职业的工作人员进行交流的难题，而且整个结构相对简单、成本低、操作方便。