РОБОТИЗИРОВАННАЯ ИНВАЛИДНАЯ ЭЛЕКТРОКОЛЯСКА С МУЛЬТИМОДАЛЬНЫМ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ

Область техники
Полезная модель относится к области реабилитационной медицины, а именно к роботизированным (интеллектуальным) инвалидным электроколяскам, и может быть использована в качестве транспортного средства для людей с ограниченными возможностями.
Уровень техники
Из уровня техники известна интеллектуальная инвалидная электроколяска, использующая панель управления с регистрацией движений глазных яблок (Smart wheelchair based on eyeball control screen, патент CN 108524121 A), состоящая из электроколяски, устройства сбора информации и устройства регистрации движения глазных яблок, недостатком которого является управление электроколяской посредством одного устройства - устройства регистрации движения глазных яблок, и без какой-либо подтверждения (верификации) управляющего сигнала.
Наиболее близкой по технической сущности (прототипом) является конструкция интеллектуальной инвалидной электроколяски (патент CN 210644374 U), состоящей из электроколяски, энцефалографа, мотора, источника питания, одноплатного компьютера, средства распознавания голоса. Недостатком данной конструкции является отсутствие средства верификации управляющего сигнала от пользователя и малое число средств фиксации активности пользователя. Активность пользователя распознается только через энцефалограф и средство распознавания голоса.
Вышеперечисленные инвалидные электроколяски обладают рядом общих недостатков, ограничивающих их применение в предметной области:
- небольшое число интерфейсов управления (не более двух в каждом патенте) заметно ограничивает число людей с инвалидностью, которым такие методы управления доступны;
- отсутствует верификация сигналов от используемых интерфейсов.
Пользователем невозможна постоянная концентрация на управлении, из-за этого неизбежно возникают ложные срабатывания, и как следствие - уменьшается точность управления. Частным примером непреднамеренных управляющих воздействий является проблема «прикосновения Мидаса», возникающая при глазоуправлении - взгляд человека непроизвольно перемещается к объектам, возникающим в его поле зрения.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является совершенствование средств мобильности инвалидов.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом является возможность управления инвалидной электроколяской людьми с нарушениями моторики верхних конечностей, для которых использование стандартных средств управления затруднительно.
Для достижения технического результата предложена роботизированная инвалидная электроколяска с мультимодальным человеко-машинным интерфейсом, состоящая из каркаса, в нижней передней части которого винтовым соединением присоединены два электродвигателя, соединенные с двумя большими колесами, а в нижней задней два малых колеса, при этом, в верхней части каркаса винтовым соединением закреплен фиксатор для головы, а по бокам сваркой присоединены левый подлокотник и правый подлокотник, с присоединенным к нему клепкой джойстиком, при этом, в нижней передней части каркаса сваркой закреплен фиксатор для ног, в центральной части каркаса клепкой соединено сиденье, в задней нижней части каркаса винтовым соединением соединена панель включения и зарядки, при этом, в задней центральной части каркаса винтовым соединением присоединены энцефалограф, ЭВМ и миограф, к левому подлокотнику клепкой присоединена тактильная кнопка, располагающаяся с переднего края подлокотника, к каркасу и правому подлокотнику клепкой присоединена штанга для айтрекера, с закрепленным на ней винтовым соединением айтрекером и, с закрепленными винтовым соединением на его краях двумя ограничительными маркерами, при этом, к каркасу и левому подлокотнику, клепкой присоединен кронштейн, к которому винтовым соединением присоединен сенсорный монитор, к верхней кромке которого приклеена камера с микрофоном, направленная в сторону фиксатора для головы, в передней части которого с каждой стороны приклеены по два локализационных маркера, при этом, ЭВМ соединена с айтрекером, джойстиком, тактильной кнопкой, энцефалографом, миографом, сенсорным экраном и камерой с микрофоном проводами, которые хомутами прикреплены к каркасу.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показано схематичное изображение роботизированной инвалидной электроколяски с мультимодальным человеко-машинным интерфейсом, изометрическая проекция, вид спереди, на фиг. 2 - схематичное изображение роботизированной инвалидной электроколяски с мультимодальным человеко-машинным интерфейсом, изометрическая проекция, вид сзади где:
1 - большое колесо;
2 - малое колесо;
3 - сиденье;
4 - подлокотник левый;
5 - фиксатор для ног;
6 - фиксатор для головы;
7 - ЭВМ;
8 - электродвигатель;
9 - подлокотник правый;
10 - локализационный маркер;
11 - ограничительный маркер;
12 - айтрекер;
13 - штанга для айтрекера;
14 - камера с микрофоном;
15 - сенсорный монитор;
16 - кронштейн;
17 - джойстик;
18 - тактильная кнопка;
19 - энцефалограф;
20 - миограф;
21 - панель включения и зарядки;
22 - каркас.
Осуществление полезной модели
Основу роботизированной инвалидной электроколяски с мультимодальным человеко-машинным интерфейсом составляет инвалидная электроколяска, включающая в себя два электродвигателя 8, винтовым соединением соединенных с каркасом 22 электроколяски. К каждому двигателю прикреплено большое колесо 1. Два малых колеса 2 крепятся через шарнирное соединение к каркасу 22 электроколяски. Сиденье 3 закреплено на каркасе на заклепках, с левой стороны каркаса сваркой приварен левый подлокотник 4, с правой - правый подлокотник 9, спереди - фиксатор для ног 5. На уровне головы пользователя к каркасу 22 винтовым соединением присоединен фиксатор для головы 6. Сзади электроколяски на уровне колес винтовым соединением к каркасу 22 прикреплена панель включения и зарядки 21.
К электроколяске различными сборочными операциями прикреплены интерфейсы: айтрекер 12 сочленен через шарнир со штангой для айтрекера 13, два ограничительных маркера 11 винтовым соединением соединены со штангой для айтрекера 13, присоединенной заклепками к каркасу 22 электроколяски и правому подлокотнику 9. Камера с микрофоном 14 приклеена к верхней кромке сенсорного монитора 15, который винтовым соединением соединен с кронштейном 16, который на заклепках присоединен к каркасу электроколяски и левому подлокотнику 4. Джойстик 17 прикреплен на заклепках к правому подлокотнику 9, а тактильная кнопка 18 прикреплена на заклепках к левому подлокотнику 4. Энцефалограф 19 винтовым соединением закреплен к каркасу электроколяски сзади, под ним располагается миограф 20, который также винтовым соединением соединен с каркасом.
Четыре локализационных маркера 10 приклеены к фиксатору для головы 6 спереди - по два с каждой стороны. Правее энцефалографа 19 на одном уровне с ним располагается ЭВМ 7, которая при помощи винтового соединения прикреплена к каркасу 22 электроколяски. Все интерфейсы проводами соединены с ЭВМ 7. Провода хомутами прикреплены к каркасу 22
После включения электропитания с помощью панели включения и зарядки 21, пользователь выбирает режим управления и приступает к управлению электроколяской через интерфейсы, используемые в выбранном режиме. Для управления человеком техническими объектами, является мультимодальный человеко-машинный интерфейс (ММЧМИ). Он реализован и при управлении электроколяской.
Команда управления электроколяской формируется на основе входных сигналов от человека-оператора, регистрируемых и обрабатываемых ММЧМИ. На вход ММЧМИ подаются сигналы трех типов: командный (формирует управляющий сигнал), подтверждающий (верификация командных сигналов) и режимный (переключение режимов управления). При использовании ММЧМИ не обязательно задействовать все три входа. На подтверждающий вход одновременно могут подаваться сигналы с разных интерфейсов - верификация выполнится по первому положительному сигналу от них. Один и тот же интерфейс может быть задействован на нескольких входах ММЧМИ - в зависимости от режима управления он играет разную роль в формировании управляющего сигнала. Подход с использованием ММЧМИ позволяет делать управление точнее и надежнее, исключая случайные срабатывания. Комбинирование интерфейсов и входов ММЧМИ позволяет подобрать режим, наиболее предпочтительный для конкретного пользователя, исходя из индивидуальных особенностей его организма и состояния, вследствие чего и повышается мобильность пользователей - людей с инвалидностью.
Примером реализации полезной модели является роботизированная инвалидная электроколяска с мультимодальным человеко-машинным интерфейсом лаборатории Робототехники НИЦ «Курчатовский Институт», изготовленной на заводе - изготовителе, используемая в научно-исследовательской деятельности в нескольких лабораториях. Управляется в одном из нескольких режимов:
- глазоджойстик. Перемещая взгляд, пользователь управляет скоростью и направлением движения - взгляд вверх-вниз отвечает за величину скорости, влево-вправо - отклонение влево или право от движения по прямой;
- глазоуправление через виртуальный экран. Охватываемая айтрекером 12 зона работы пользователем представляется как виртуальный экран (границы которого отмечены двумя ограничительными маркерами 11) и разбивается на девять виртуальных областей (квадрат 3×3). Когда взгляд направлен в верхнюю левую область, электроколяска едет левее; верхнюю центральную - прямо; верхнюю правую - правее; левую во втором ряду - разворачивается налево на месте; центральную во втором ряду - останавливается; правую во втором ряду - разворачивается направо на месте; нижнюю центральную - едет назад;
- автономное перемещение в задаваемую точку. Пользователь фиксирует взгляд на некоторой точке наблюдаемого пространства, в которую бы он хотел поехать. При отдаче подтверждения электроколяска автоматически двигается в указанную точку без участия пользователя;
- управление через голосовые команды. Пользователь голосом отдает одну из команд: «коляска вперед», «коляска назад», «коляска налево», «коляска направо», «коляска стоп». Электроколяска выполняет соответствующее действие в течение фиксированного времени;
- управление джойстиком. Управления электроколяской с использованием джойстика 17.
Предложенная конструкция обладает следующими преимуществами перед известными решениями:
- при управлении электроколяской учитываются физические возможности оператора - человека с инвалидностью, и выбирается подходящий под конкретно его ограничения и особенности интерфейс управления;
- при управлении электроколяской возможна верификация управляющего сигнала от основного интерфейса через другие интерфейсы;
- при управлении электроколяской возможно получение обратной связи (состояние электроколяски - оператор) через неиспользуемые для управления интерфейсы.