用于控制电动轮椅的智能触摸屏操纵杆外文翻译资料
2022-08-23 15:15:14
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负责任的
科学指导
来源文章
用于控制电动轮椅的智能触摸屏操纵杆
Y. Rabhi a,lowast;, M. Mrabet a, F. Fnaiech a, P. Gorce b, I. Miri c, C. Dziri c
a.突尼斯国立高等工程学院（ENSIT），突尼斯大学信号图像和能量掌握实验室，LR13ES03（SIME），突尼斯
b.南方大学，土伦瓦尔，法国生物适应与障碍技术实验室（HandiBIO），法国
c.穆罕默德·卡萨布骨科研究所和突尼斯突尼斯的肢体与功能康复
于2017年4月11日收到;于2018年4月12日收到修订版；
于2018年4月18日接受；
2018年5月1日在线提供
重点强调 图形概要
bull; 已经开发了一种新的智能界 面来控制轮椅。
bull; 智能触摸屏已取代标准操纵 杆。
bull; 引入了一种智能控制算法来纠正操作错误。
bull; 利用三维仿真环境对控制系统进行了仿真。
摘 要
背景：本研究的目的是设计，实现，使用和评估用于驱动电动轮椅的人机触摸界面。这个新界面允许使用触摸屏智能手机技术
（Android，IOS或Windows Phone）控制电动轮椅。此外，在该界面中实现了基于神经网络（NN）的智能校准算法，以克服操纵问题， 即无法在一个或多个方向正确移动。
方法：我们的工作提供了用于控制电动轮椅的触摸屏人机界面。15至66岁的三名患者参加了我们的实验。他们被要求根据既定的协 议使用两种类型的界面（我们提供的标准机械操纵杆和智能触摸屏操纵杆）来控制电动轮椅。这使我们能够对比得到使用校准的触摸界 面移动轮椅的好处。这种控制的优点是,它可以让病人像传统的电动操纵杆一样精确地驾驶轮椅，变速，省力。
我们在平板电脑和控制系统之间建立了双向通讯。这不仅使我们能够控制轮椅，而且能够将通讯错误视作突然断开并加以处理。 在这种情况下，轮椅停止并等待使用者采取进一步的行动。Wi-Fi的使用具有许多优势，因为它是一种照明解决方案，用户躺在床上时甚至可以将轮椅停在自己的房间里。
结果：我们可以注意到，使用智能触摸操纵杆的用户比使用机械操纵杆的用户更快。这是因 为与机械操纵杆相比，首先它需要较少的肌肉力量，因此用户仅用手指移动轮椅即可。此外，使用神经网络的优势可确保提高运动速 度和稳定性，即使用户觉得自己的手指在错误界面的方向上，并且由于病理原因降低了速度。实际上，预期结果之一是平板电脑保持恒定速度的时间比标准机械操纵杆更长。这可以通过 以下事实来解释：平板电脑更容易保持最大速度，同时以最小的努力校正轨迹偏差。
结论：在本文中，我们探索了一种智能触摸屏解决方案，该解决方案将解决目标用户面临的问题。我们对现有控制接口的类型进行 了深入研究。我们发现，这些接口大多数都使用速度和方向的离散控制。在与一组残疾用户进行测试之后，我们注意到了类比控制 的重要性。作为迭代设计方法的一部分，我们设计了一个提供这种模拟控制的原型，并在其中实现了基于神经网络算法的校准算法。
通讯作者
电子邮件地址：yassinerabhi@ymail.com (Y. Rabhi), makrem.mrabet@esstt.rnu.tn （Mrabet先生），fnaiech@ieee.org (F. Fnaiech),
gorce@univ- tln.fr (P. Gorce), imen.miri@voila.fr （美里）catherine.dziri@rns.tn (C. Dziri).
https://doi.org/10.1016/j.irbm.2018.04.003
1959-0318/2018 AGBM.由Elsevier Masson SAS发布。版权所有。
2018年AGBM。由Elsevier Masson SAS发布。版权所有。
关键字：智能轮椅；障碍工程修复；人工智能;神经控制器
1. 介绍
世界卫生组织将“残疾”定义为“ ...一个总括性术语，涵盖损伤，活动限制和参与限制。损伤是 身体功能或结构的问题；活动限制是个人在执行任务或行动时遇到的困难；而参与限制是个人参与生活状 况遇到的问题”。根据世界卫生组织的报告，全世界有超 过10亿人经历残疾[1]中，有7人中有1人，有7000万人需要轮椅作为辅助设备。
根据突尼斯社会事务部在线发布的突尼斯统计研究
（2013年），在线突尼斯人中有超过208465名突尼斯人患 有各种残疾，占总人口的2％。以下饼图（图1）显示了这 种患病率的分布。
临床医生对电动轮椅是否足够的调查研究[2]表示其40％ 的用户在日常生活环境中难以管理和操纵他们。在美国的 200家诊所中进行了一项统计研究，以提供有关其患者的 信息，并就使用新技术处理电动轮椅的效用提供反馈[2]， 显示了很多结果。超过10％的患者在使用轮椅时遇到许多 困难。此外，有40％的患者在操作任务中会遇到麻烦。最后，临床医生宣称，通过常规方法使用电动轮椅的能力几 乎可以使50％
的患者将从自动导航系统中受益。此外，他们估计所有轮 椅使用者中有61％至91％打算使用智能轮椅[3].
自1980年以来，许多制造商都向市场提供了几种类
型的电动轮椅（尚待开发）。电动轮椅已被认为是行动不 便人士的需要和重要的移位工具[4].为了更新这些电动轮 椅，许多研究人员将移动机器人引导技术应用于轮椅。
而且，对于大多数患者而言，操纵杆的选择主要是驱动EWC。可以根据用户的需要进行调整（例如通过手或下巴[5]).但是，由于某些身体上的问题，使用传统游戏杆可能会很困难[6].此外，在经过职业治疗师的各种测试后，发现了一些与轮椅操纵杆有关的问题。例如，某些肌张力障碍患者的手握紧姿势[7]使得难以使用机械操纵杆。另外， 患有肌无力的肌病患者不能正确操纵操纵杆。除身体问题外，压力也是影响患者安全的因素。的确，患有痉挛状态的患者的手臂会产生不受控制的震颤，从而导致操纵杆不自主运动，从而可能导致事故。人们鼓励使用人工智能工具来弥补这些缺陷。因此，已经提出了许多技术来使用先进的技术设计新的EWC，具有高性能和安全系统。
图1.突尼斯的残障率分布，2013年（为解释该图中的颜色，读者可参考本文的网络版本）
实际上，已经提出了许多基于轮椅的作品以提高其可 用性，例如在[8].方便操作智能轮椅的人机界面是最受欢迎的研究问题。已经使用不同的系统来替换机械操纵杆。 在这些研究中，有一些已经达到了商业化产品的阶段，例 如，ip饮系统（SNP）[9].在这种方式中，使用者吸入空气或将空气吹入棒或管中。它可以识别四种不同的命令， 硬饮，软饮，硬泡芙和软泡芙。其他人使用舌头控制[10]. 但是，在这些情况下，机械手可能会无意中激活它，并且 系统可能会收到一条不翻译其意愿的命令，这可能是潜在 危险的来源。过滤技术用于[11]，但它们需要更多资源。 在[12]，作者提出了一种新的人脸运动分类方法。基于多通道前额生物信号的分类。在[13]和[14]，电动轮椅由视 线方向和眨眼控制。这些信号通过放置在轮椅使用者面前 的摄像机进行记录。
但是，后两种方法存在一些问题。实际上，用户运动 是基于头部运动而产生的，并且控制界面无法区分头部的 自然运动和EWC的控制运动。但是，例如当用户注视相邻 的障碍物时，系统将转向并朝该障碍物前进。
基 于 读 取 大 脑 信 号 的 脑 机 接 口 （ Brain Computer Interfaces）也已经过测试以控制EWC。是否通过诱发的 潜力[15]或使用动态影像[16]，BCI仍然面临着信号处理 方面的技术挑战，这使它们变得太慢且过于侵入，无法在 日常的试点任务中使用。语音命令也已经被探索，但是这 种方式对于用户来说是缓慢且累人的，并且需要长达数月 的培训。Hirsch等。 [17]建议使用电容式项圈。可以训练该系统以识别脖子的不同运动并将其与命令关联。但是，控制轮椅的意外动作 可能会导致意外动作。为了过滤寄生命令，作者建议将每 个控件的枕骨姿势加倍，但这种解决方案会减慢交互作用， 并使患者更加疲劳。关于触觉接口，在[18].以中心点为参考，用户手指定义了引导轮椅的速度矢量。作者建议用 胶带标记不同的主要方向，以便为用户提供标记。但是， 要检测触摸，需要一些压力。实际上，这对于遭受肌肉无 力的使用者可能是有问题的。在他们的系统中[19]，Chen 等。通过使用放置在轮椅扶手上的电容式触摸屏克服了这 一困难。该系统中的问题涉及模态，而模态是完全可视的。 用户必须永久地查看屏幕以便位于界面中。这会分散他的注意力，成为潜在危险的来源。
所有提及的接口均基于离散命令来移动轮椅。它以预 定义的速度仅允许四个不同的命令（向前，向后，向左和 向右）。另外，这些控制类型在长时间行驶时对患者产生 乏味的影响。
我们的项目旨在为EWC配备具有智能校准算法的现代 HMI，以使其易于残障用户操作。我们还旨在确保系统可 以最佳地进行通信，以使用户与其EWC之间的交互有效。
患有严重上肢功能障碍的人会感到迟疑。因此，在许 多情况下，触觉方式非常有效且适合。实际上，即使手脚 狭窄也可以操作触摸屏界面。另外，触觉表面是平坦的， 并且如果手臂朝前延伸，则失去与前者的接触，这将立即 使轮椅停止。而且，使用触觉接口比操纵杆需要更少的肌 肉力量。
在我们的系统中，我们通过智能手机或带有电容屏的 平板电脑研究了这种方式。此解决方案可帮助用户无需直 接查看界面即可进行导航，并克服了[18]和[19].
基于神经网络，校准算法已集成在操纵杆的触摸屏上。 该解决方案使我们能够在实时支持下进行安全导航。它不 断纠正手部不希望的运动，并分别通过变速导航（如带模 拟操纵杆的导航）确保平稳，安全的导航。
请注意，该界面允许用户使用输入触摸模式通过智能 手机/平板电脑上的android，ios或windows手机应用程序 控制轮椅。此外，残疾人可以使用此设备控制其环境中的 许多物体（百叶窗，收音机，电视，照明...）。
本文的其余部分安排如下：第二部分，将详细介绍新方法。实际上，将描述基于神经网络的新型触摸屏界面系统架构的 描述。第三部分， 将致力于演示智能触摸屏的实现，以在虚拟3D环境和现实世界中控制轮椅。随后，通过分析暴露了相 关的实验和仿真结果。最后一部分总结了结论和一 些观点。
2. 方法
2.1. 系统架构
设计的智能控制系统的全局体系结构及其各要素之间 的连接关系如图1所示。2.
要控制轮椅，我们使用Raspberry PI 2（控制系统）平板电脑或智能手机与Raspberry之间的数据交换是通过
Wi-Fi连接或蓝牙实现的。
图2.建议的触摸屏操纵杆
图3.操纵杆轴说明：（a）控制板提供的电压图（b）触摸屏操纵杆图
我们在平板电脑和控制系统之间实现了双向通信。这 不仅使我们能够控制轮椅，而且能够检测和处理通讯错误， 例如突然断开。在这种情况下，轮椅会停止并等待使用者 采取进一步的行动。使用Wi-Fi具有许多优势，因为它是一种轻量级的解决方案，用户甚至可以躺在床上将轮椅停 在自己的房间里。但是，如果直线通信对转向更有效和更安全，我们可以进行通信任务。
此外，在我们的工作中，我们使用了Android平板电脑，其电容屏为10.1英寸。该尺寸使得可以具有与机械操纵杆 相对相同的范围。平板电脑安装在扶手上，因此 可以轻松使用该界面。
2.2. 触摸屏操纵杆映射
操纵杆映射可以调节电动轮椅对患者控制的适当响应 行为。操纵杆控制器将手的运动转换为信号。实际上，由 操纵杆管理的运动以笛卡尔坐标系表示，其中x轴和y轴是
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