Компьютерный манипулятор для людей с ограниченными возможностями

Заявляемая полезная модель компьютерного манипулятора для людей с ограниченными возможностями относится к устройствам ввода данных; предназначена для управления компьютером людьми с нарушением физической подвижности используя функции манипулятора типа «мышь».
В настоящее время для управления компьютером лицами с нарушениями двигательного аппарата используются в большинстве случаев оптические устройства, такие как инфракрасные датчики и веб-камеры. Данные устройства массового сегмента рынка не всегда достаточно точны и эффективны, а их более качественные аналоги имеют очень высокую стоимость и весьма сложны в управлении.
Устройство, представленное в [Gyro-Mouse for the Disabled: 'Click' and 'Position' Control of the Mouse Cursor / G.-M. Eom, K.-S. Kim, C.-S. Kim et al. // International Journal of Control, Automation, and Systems. Vol. 5, №2. P. 147-154], предназначено для управления курсором компьютерной мыши за счет изменения положения головы пользователя. Аппаратный блок данного устройства состоит из модуля датчика, определяющего движения головы, микрокомпьютера, выполняющего аналого-цифровое преобразование и последовательную передачу данных. Для позиционирования мыши были использованы движения головы вправо, влево, вверх и вниз, а в качестве аналога нажатия кнопок мыши использовался кивок головы. Программное обеспечение на ПК получает последовательные данные и преобразует их в сообщения мыши (перемещение и нажатие кнопок), после чего передает их в операционную систему Windows, которая в свою очередь выполняет требуемые команды. Программа работает в двух режимах: обучение и работа. В первом режиме система искусственной нейронной сети обучается с помощью предварительно выбранных обучающих сигналов. Во втором режиме данное устройство выполняет свои функции с незначительными отличиями от оптической мыши.
К недостаткам данного устройства следует отнести сложность в восприятии компьютером необходимых действий, поскольку не каждый пользователь, потерявший физическую подвижность, сможет с легкостью выполнить кивок, достаточный для распознавания устройством. Кроме того, к недостаткам можно отнести сложность подключения мыши к компьютеру. Для этого необходимо устанавливать программное обеспечение и производить сложную настройку данной системы.
Другое устройство, представленное в [Assistive computer input device for muscular atrophy patients / P.-S. Tsai, T.-F. Wu, N.-T. Hu et al. // Advances in Mechanical Engineering. 2016. Vol. 8. P. 1-10], также предназначено для управления курсором компьютерной мыши с помощью движений головы. Однако в данном случае эти движения фиксируются с помощью веб-камеры. Веб-камера захватывает изображения головы пользователя, а затем компьютер обрабатывает эти изображения, чтобы вычислить и преобразовать направление и расстояние перемещения головы пользователя в положение курсора мыши и в нажатия кнопок мыши. Чтобы точно и быстро распознать эти особенности использовалась круглая наклейка диаметром 1 см в качестве идентификационной метки, которая наклеивается на лоб пользователя. После того, как веб-камера захватывает изображения, программа может распознавать позиции идентификационной метки и перемещать курсор мыши. С помощью Windows эта программа определяла нажатие пользователем кнопок мыши на основе последовательности движений для управления курсором.
К недостаткам данного устройства следует отнести сложность системы в целом и необходимость использования дополнительной метки, что не всегда возможно. Также крайне неудобным для пользователя является необходимость проведения определенной последовательности движений головы для определения факта срабатывания кнопки мыши.
Следующее устройство, представленное в [GazePointer: A Real Time Mouse Pointer Control Implementation Based On Eye Gaze Tracking / M.U. Ghani, S. Chaudhry, M. Sohail // Proceedings of the 16th International Multi Topic Conference (INMIC). 2013. P. 154-159], предназначено для управления курсором компьютерной мыши за счет изменения положения взгляда пользователя. В качестве устройства захвата используется веб-камера, встроенная в ноутбук. Программа фиксирует направление взгляда пользователя на экран и перемещает курсор в заданную точку.
Однако в данной статье не указывается, как компьютер понимает нажатие мыши. Это можно считать недостатком данного метода, поскольку это отдельная сложная задача, которая требует дополнительного решения. Использование очевидного в данном случае моргания в качестве события нажатия кнопки требует сложной программной обработки для выделения полезного сигнала на фоне самопроизвольного моргания.
Также известно устройство, представленное в [Design and Implementation of Advanced Wireless Tongue Drive / Operated System for Paralyzed, Disabled & Quadriplegic Patients / U. Abbas, M.Z. Shaikh, A. Panhwer et al. // Journal of Bioengineering & Biomedical Science. 2016. Vol 6, №2. P. 185], предназначенное для управления курсором компьютерной мыши с помощью языка. Аппаратный блок данного устройства состоит из постоянного магнита, закрепленного на языке с помощью имплантации, прокола или клея, который используется в качестве индикатора. Его движение обнаруживается с помощью набора магниточувствительных датчиков, установленных на гарнитуре вне рта или на внутренней части ортодонтической скобы. Данные отправляются по беспроводной связи в микроконтроллер с помощью беспроводного трансивера. Выходные сигналы микроконтроллера передаются по беспроводной связи на портативный компактный компьютер с персональным цифровым помощником, который закрепляется на одежду или инвалидную коляску пользователя.
К недостаткам данного устройства следует отнести сложность восприятия необходимых команд, поскольку магнитное поле может повлиять не только на конкретный датчик, но и на соседний. Кроме того, возникает сложность поднесения языком к конкретному датчику магнита, поскольку пациенту сложно отличить положение языка с разницей в несколько миллиметров без конкретной точки привязки.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели техническим решением является устройство, описанное в [Mouth Pipe Unit for Activating a Device / B.W. Wechtenhiser // Патент США №8,643,478 B2, дата публикации 04.02.2014, заявка №13/200,293 от 21.09.2011], которое предназначено для управления подключенной извне электрической схемой от пневматического воздействия (дыхания) человека. Устройство состоит из мундштука, пористого фильтра для предотвращения проникновения слюны и/или крови пациента, пластины с отверстием для прохождения воздуха для ограничения перемещения пористого фильтра при сильном выдохе, гибкой кондуитной трубы, муфты, соединяющей мундштук и кондуитную трубу, герметизирующего эпоксидного компаунда, воздушной трубки (воздуховода), струбцины, муфты с отверстием для воздуховода, соединяющей кондуитную трубу и струбцину, пневматического коммутатора с электрическим соединителем (штекером). Пользователь делает выдох в мундштук, заставляя воздух проходить через пористый фильтр и воздуховод, тем самым вызывая увеличение давления воздуха на пневматический коммутатор; при этом происходит замыкание контактов в коммутаторе, что приводит к активации внешней электрической цепи, подключенной через штекер. Данное устройство может использоваться для подачи сигнала о помощи на пульт дежурного врача пациентом с парализованными конечностями. Конструкция пневматического коммутатора и штекера обеспечивает отсутствие искрения, что позволяет использовать данное устройство в насыщенных кислородом средах, таких как реанимационные отделения и палаты интенсивной терапии лечебных учреждений. Мундштук, в который пользователь выдыхает воздух, является расходным материалом; при накоплении загрязнений он может быть заменен, что обеспечивает гигиеничность.
Недостатком данного устройства является наличие лишь одной функции управления: пользователь может только кратковременно замкнуть внешнюю электрическую цепь путем резкого выдоха воздуха в мундштук. Для реализации компьютерного манипулятора требуется больший набор функций, включающий управление горизонтальным и вертикальным положением курсора, а также генерацией сигналов, соответствующих нажатию левой или правой кнопки манипулятора типа «мышь».
Задача, на которую направлено заявляемое техническое решение, заключается в разработке компьютерного манипулятора для людей с ограниченными возможностями, подключаемого по стандартному интерфейсу USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина) и распознаваемого компьютером в качестве HID-устройства (Human Interface Device, устройство для взаимодействия с человеком), функционально аналогичного манипулятору типа «мышь».
Технический результат заявляемой полезной модели состоит в уменьшении времени отклика, в повышении точности перемещения курсора по экрану, в снижении стоимости устройства.
Для достижения указанного технического результата в заявляемой полезной модели, состоящей из мундштука, воздуховода, гибкой кондуитной трубы, струбцины, первой и второй муфты, при этом воздуховод одним из своих концов подключен к мундштуку, гибкая кондуитная труба присоединена одним из своих концов к струбцине через первую муфту, дополнительно введен блок регистрации и обработки данных, соединенный с другим концом кондуитной трубы через вторую муфту, включающий плату с установленным на ней дифференциальным датчиком давления, двухосным потенциометром, первым и вторым аналого-цифровым преобразователем и микроконтроллером, при этом другой конец воздуховода подключен к первому входу блока регистрации и обработки данных, который является входом датчика давления, мундштук присоединен ко второму входу блока регистрации и обработки данных, который является входом потенциометра, выход датчика давления подключен к входу первого аналого-цифрового преобразователя, выход потенциометра подключен к входу второго аналого-цифрового преобразователя, выходы первого и второго аналого-цифрового преобразователя подключены соответственно к первому и второму входу микроконтроллера, выходом микроконтроллера является интерфейс, который является выходом блока регистрации и обработки данных.
Замена пневматического коммутатора на дифференциальный датчик давления, а также добавление двухосного потенциометра и микроконтроллера расширяет функциональность устройства до набора функций компьютерного манипулятора типа «мышь», при этом обеспечивая удобство подключения к компьютеру через стандартный интерфейс USB без дополнительных переходников. Быстрота отклика и точность перемещения курсора по экрану обеспечивается за счет одноступенчатого преобразования выходных сигналов потенциометра и датчика давления в действие на компьютере.
Поскольку датчик давления соединен с мундштуком через воздуховод, подключенный к мундштуку сбоку, слюна и кровь пациента не смогут попасть внутрь датчика давления, оставаясь внутри мундштука, и поэтому использование пористого фильтра и пластины с отверстием для прохождения воздуха не является обязательным. Стоимость устройства будет ниже по сравнению с аналогами благодаря использованию простой конструкции, серийных электронных компонентов и отсутствию необходимости разработки специального программного обеспечения (драйвера) для компьютера.
Сущность заявляемой полезной модели представлена на фиг. 1, где изображена структурная схема компьютерного манипулятора для людей с ограниченными возможностями.
Компьютерный манипулятор для людей с ограниченными возможностями (фиг. 1) состоит из мундштука 1, воздуховода 2, гибкой кондуитной трубы 3, струбцины 4, первой и второй муфты 5 и 6, при этом воздуховод 2 одним из своих концов подключен к мундштуку 1, гибкая кондуитная труба 3 присоединена одним из своих концов к струбцине 4 через первую муфту 5, блока регистрации и обработки данных (БРОД) 10, соединенного с другим концом кондуитной трубы через вторую муфту 6, состоящего из платы 11 с установленным на ней дифференциальным датчиком давления (ДД) 7, двухосным потенциометром (П) 8, первым и вторым аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 12 и 13 и микроконтроллером (МК) 9, при этом другой конец воздуховода 2 подключен к первому входу блока регистрации и обработки данных 10, который является входом датчика давления 7, мундштук 1 присоединен ко второму входу блока регистрации и обработки данных 10, которым является вход потенциометра 8, выход датчика давления 7 подключен к входу первого аналого-цифрового преобразователя 12, выход потенциометра 8 подключен к входу второго аналого-цифрового преобразователя 13, выходы первого и второго аналого-цифрового преобразователя 12 и 13 подключены соответственно к первому и второму входу микроконтроллера 9, выходом микроконтроллера 9 является интерфейс USB, который является выходом блока регистрации и обработки данных 10.
Принцип действия компьютерного манипулятора для людей с ограниченными возможностями заключается в следующем. Конструкция компьютерного манипулятора с помощью струбцины 4 устанавливается на душке кровати или на поручнях инвалидного кресла. Благодаря гибкой кондуитной трубе 3 конструкция может быть вручную настроена по высоте и положению, ориентируясь в направлении ротовой полости пациента. Мундштук 1, закрепленный на рукоятке потенциометра 8, помещается пациенту в ротовую полость. Пациент перемещает мундштук 1 в различных направлениях плоскости, изменяя сопротивления плеч потенциометра 8, что приводит к изменению выходного сигнала потенциометра 8. Этот сигнал оцифровывается с помощью второго аналого-цифрового преобразователя 13 и регистрируется в памяти микроконтроллера 9, а затем передается от микроконтроллера 9 на компьютер по интерфейсу USB в цифровом виде, задавая направление перемещения курсора мыши по координатной сетке экрана компьютера. В зависимости от своих возможностей пациент может управлять мундштуком 1 с помощью поворотов головы, движения челюстей или языка.
Для генерации сигналов, аналогичных нажатию правой или левой кнопки манипулятора типа «мышь» используется датчик давления 7. При увеличении давления в датчике 7 относительно атмосферного (пользователь дует в мундштук 1) генерируется сигнал нажатия правой кнопки, а при уменьшении давления (пользователь втягивает воздух из мундштука) - нажатия левой кнопки манипулятора типа «мышь». Сигнал с датчика давления 7 оцифровывается с помощью первого аналого-цифрового преобразователя 12 и регистрируется в памяти микроконтроллера 9, а затем передается от микроконтроллера 9 на компьютер по интерфейсу USB в цифровом виде, генерируя в операционной системе события нажатия правой или левой кнопок манипулятора типа «мышь».
В ходе экспериментов были выявлены оптимальные условия для генерации сигналов нажатия кнопок, которые были учтены при разработке встроенного программного обеспечения микроконтроллера 9. Вся программная обработка сигналов от пользователя осуществляется в микроконтроллере 9, а затем обработанный сигнал передается по интерфейсу USB. Устройство не требует установки и настройки драйверов на компьютере. Для начала работы достаточно подключить устройство в порт USB.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет уменьшить время отклика, повысить точность перемещения курсора по экрану, снизить стоимость устройства.