一種基于意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于控制領(lǐng)域，涉及一種基于意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及其控制方法?？朔爽F(xiàn)有技術(shù)存在的現(xiàn)有假肢系統(tǒng)識(shí)別模式單一、普適性不高的問題；系統(tǒng)包括腦電采集模塊、腦電分析模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊和關(guān)節(jié)角度反饋模塊；控制方法包括：訓(xùn)練模式下的控制方法和使用模式下的控制方法，訓(xùn)練模式和使用模式之間通過按鍵切換；在訓(xùn)練模式下，除靜息狀態(tài)外，其他狀態(tài)腦電信號(hào)根據(jù)自身需求有選擇的錄入，靜息狀態(tài)為必錄入選項(xiàng)，以保證系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制；當(dāng)使用者完成訓(xùn)練模式下的腦電信號(hào)錄入，將系統(tǒng)狀態(tài)切換至使用模式，使用者能夠發(fā)出相應(yīng)的腦電信號(hào)以控制手臂執(zhí)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作。
【專利說明】
一種基于意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于控制領(lǐng)域，涉及一種基于意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今社會(huì)，成百上千萬人因?yàn)榧膊　⒐?、?zhàn)爭、交通事故以及一些意外傷害而被迫截肢。隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，這一數(shù)字正以驚人的速度增長。據(jù)調(diào)查，我國現(xiàn)有肢體殘疾人約6000萬，完全依靠國外產(chǎn)品滿足國內(nèi)殘疾人的需求在近期希望渺茫。20世紀(jì)后半期，假肢技術(shù)取得了飛速發(fā)展。傳統(tǒng)假肢控制方式主要是將電極植入患者身體與假肢接觸部位，并利用電極所采集的肌電信號(hào)控制假肢運(yùn)動(dòng)。植入式設(shè)備給患者帶來諸多痛苦，設(shè)備會(huì)隨時(shí)間發(fā)生老化，身體會(huì)對(duì)設(shè)備做出排斥的反應(yīng)，損害健康。而且肌電電極位置的改變也會(huì)使肌電的特征值發(fā)生變化，會(huì)造成控制準(zhǔn)確度難以提高。因此傳統(tǒng)假肢控制方式不僅會(huì)給使用者的身體帶來諸多的隱患，且控制模式單一、精確度不高。
[0003]意念驅(qū)動(dòng)控制假肢是一種新型高效的方法，其生理基礎(chǔ)是大腦中想象手臂的某種動(dòng)作，從而在大腦皮層產(chǎn)生相應(yīng)的電極信號(hào)。通過頭盔采集相應(yīng)的頭皮腦電信號(hào)，利用藍(lán)牙通信以及信息處理器將信號(hào)作用于智能假肢，從而實(shí)現(xiàn)其自由靈活地動(dòng)作，且無需與身體接觸?；谶@種方式，很好地克服了傳統(tǒng)假肢控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，具備靈活、安全、準(zhǔn)確率高、模式類別多等優(yōu)點(diǎn)。因此一套完整的意念驅(qū)動(dòng)控制假肢的系統(tǒng)不僅是科研的重心，同時(shí)也有龐大的市場需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的現(xiàn)有假肢系統(tǒng)識(shí)別模式單一、普適性不高的問題，采用雙模式控制思想實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)對(duì)智能假肢的無線控制，提供了一種基于意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，并且給出了完整的控制方法。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]—種意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，包括腦電采集模塊、腦電分析模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊和關(guān)節(jié)角度反饋模塊；
[0007]所述腦電采集模塊采集大腦皮層腦電信號(hào)，并對(duì)大腦皮層腦電信號(hào)進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，大腦皮層腦電信號(hào)由藍(lán)牙模塊傳入腦電分析模塊；
[0008]所述腦電分析模塊對(duì)傳入的大腦皮層腦電信號(hào)進(jìn)行特征提取和模式識(shí)別，將模式識(shí)別結(jié)果傳入驅(qū)動(dòng)控制模塊；
[0009]所述驅(qū)動(dòng)控制模塊根據(jù)輸入的模式識(shí)別結(jié)果調(diào)取預(yù)存于存儲(chǔ)器中相應(yīng)模式的角度位置信息，并結(jié)合角度傳感器反饋的角度信息形成控制指令，從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)處電機(jī)組完成對(duì)應(yīng)指令；
[0010]所述關(guān)節(jié)角度反饋模塊利用分布于各關(guān)節(jié)處的角度傳感器，實(shí)時(shí)測量運(yùn)動(dòng)過程中各關(guān)節(jié)在X軸和Y軸的角度信息，并反饋給驅(qū)動(dòng)控制模塊。
[0011]技術(shù)方案中所述腦電采集模塊嵌入于可調(diào)節(jié)式電極帽中，電極帽外接16個(gè)電極槽，位置按照國際10/20系統(tǒng)分布于?？1、？?2、？3小4、？7小8、03丄4、了3、了4、？3、？4、了5、了6、八1、A2，除Al和A2兩個(gè)參考電極外，其余電極位置使用者能夠根據(jù)自身情況有選擇的使用。
[0012]技術(shù)方案中所述腦電分析模塊和驅(qū)動(dòng)控制模塊都嵌入于同一 TMS320LF2407DSP芯片中；
[0013]所述TMS320LF2407DSP為核心控制器，TMS320LF2407DSP芯片外連接多個(gè)并行外設(shè)，包括:藍(lán)牙接收器，用于接收信號(hào)；電機(jī)，用于執(zhí)行各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng);存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；電源，用于給芯片供電；角度傳感器，用于測量各關(guān)節(jié)角度;按鍵，用于輸入鍵值;顯示器，用于顯示功能選項(xiàng)。
[0014]技術(shù)方案中所述關(guān)節(jié)角度反饋模塊由分布于指關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)處的角度傳感器構(gòu)成，所述角度傳感器采用LCA328T雙軸傾角傳感器，測量軸為X軸和Y軸，量程為_90°?90°。
[0015]技術(shù)方案中所述電機(jī)組設(shè)為四個(gè)電機(jī)組，四個(gè)電機(jī)組協(xié)同控制:電機(jī)組A由兩個(gè)電機(jī)構(gòu)成，位于肘關(guān)節(jié)，一個(gè)電機(jī)控制小臂屈伸，一個(gè)電機(jī)控制小臂轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)組B由兩個(gè)電機(jī)構(gòu)成，位于肩關(guān)節(jié)，一個(gè)電機(jī)控制大臂屈伸，一個(gè)電機(jī)控制大臂轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)組C由一個(gè)電機(jī)構(gòu)成，位于腕關(guān)節(jié)，控制手腕擺動(dòng)；電機(jī)組D由一個(gè)電機(jī)構(gòu)成，位于指關(guān)節(jié)，控制手指張合。
[0016]技術(shù)方案中所述意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制方法包括:訓(xùn)練模式下的控制方法和使用模式下的控制方法，訓(xùn)練模式和使用模式之間通過按鍵切換；
[0017]在訓(xùn)練模式下，除靜息狀態(tài)外，其他狀態(tài)腦電信號(hào)根據(jù)自身需求有選擇的錄入，靜息狀態(tài)為必錄入選項(xiàng)，以保證系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制；
[0018]當(dāng)使用者第一次使用時(shí)，需要將系統(tǒng)切換至訓(xùn)練模式，將使用者相應(yīng)腦電信號(hào)與模式類別進(jìn)行自定義設(shè)置，并對(duì)相應(yīng)腦電信號(hào)形成記憶；
[0019]當(dāng)使用者完成訓(xùn)練模式下的腦電信號(hào)錄入，將系統(tǒng)狀態(tài)切換至使用模式，使用者能夠發(fā)出相應(yīng)的腦電信號(hào)以控制手臂執(zhí)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作。
[0020]技術(shù)方案中所述訓(xùn)練模式下的控制步驟如下:
[0021](I)手動(dòng)選定待錄入腦電信號(hào)的模式類別，建立腦電信號(hào)與模式信息之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系;
[0022](2)開啟腦電采集頭盔，使用者開始想象相應(yīng)動(dòng)作，頭盔采集各通道腦電信號(hào)，并將腦電信號(hào)通過藍(lán)牙發(fā)射器傳入腦電分析模塊；
[0023](3)提取各通道腦電信號(hào)的特征信息；
[0024](4)將特征信息送入分類器中，對(duì)分類器進(jìn)行訓(xùn)練，建立腦電信號(hào)與模式信息之間的映射；
[0025](5)判斷是否達(dá)到預(yù)設(shè)的訓(xùn)練次數(shù)，若未達(dá)到預(yù)設(shè)訓(xùn)練次數(shù)則返回步驟(2)，若達(dá)到預(yù)設(shè)訓(xùn)練次數(shù)則繼續(xù)下一步；
[0026](6)將訓(xùn)練后的分類器送入存儲(chǔ)空間中進(jìn)行保存。
[0027]技術(shù)方案中所述訓(xùn)練模式下的控制步驟如下:
[0028](I)采集分布于使用者大腦皮層各點(diǎn)電極處的腦電信號(hào)；
[0029](2)提取各電極通道腦電信號(hào)的特征信息；
[0030](3)調(diào)用存儲(chǔ)空間中的分類器進(jìn)行模式識(shí)別；
[0031](4)輸出模式識(shí)別結(jié)果；
[0032](5)調(diào)用存儲(chǔ)空間中預(yù)存的與輸出模式識(shí)別結(jié)果相對(duì)應(yīng)的的角度坐標(biāo)信息；
[0033](6)檢測各關(guān)節(jié)角度傳感器中當(dāng)前角度信息，根據(jù)運(yùn)動(dòng)信息和角度信息計(jì)算對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)在X軸和Y軸方向需要補(bǔ)償?shù)慕嵌龋?br>[0034](7)根據(jù)所計(jì)算的補(bǔ)償角度發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令；
[0035](8)根據(jù)運(yùn)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)處電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；
[0036](9)檢測各關(guān)節(jié)角度傳感器信息，判斷各關(guān)節(jié)角度是否達(dá)到指令要求，若達(dá)到則停止驅(qū)動(dòng)，否則繼續(xù)驅(qū)動(dòng)。
[0037]技術(shù)方案中所述特征信息通過非負(fù)矩陣分解算法進(jìn)行提??；
[0038]所述分類器采用支持向量機(jī)分類器。
[0039]與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是:
[0040]本發(fā)明提供了一種基于意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，采用頭盔式多電極腦電帽獲取使用者腦電意圖，通過腦-機(jī)接口技術(shù)操控智能假肢完成相應(yīng)動(dòng)作?；谀X-機(jī)接口技術(shù)的智能假肢控制系統(tǒng)使患者的運(yùn)動(dòng)與意愿達(dá)成一致，不依賴于由外圍神經(jīng)和肌肉組成的正常輸出通路，更加安全可靠，不僅輔助殘疾人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能重建和生活自理，又可以成為康復(fù)訓(xùn)練的有力手段，充分調(diào)動(dòng)患者的主觀能動(dòng)性，減輕治療人員的工作量。因此，本發(fā)明不僅為運(yùn)動(dòng)功能障礙的人提供與外部交流和控制的新途徑，更能進(jìn)一步促進(jìn)我國的康復(fù)事業(yè)發(fā)展，具有很好的應(yīng)用前景和很高的科研價(jià)值。
[0041]本發(fā)明采用雙模式控制思想，并融合反饋角度信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能假肢的靈活控制，一種基于意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在為使用者提供了便攜的操控系統(tǒng)的同時(shí)，還滿足的人們對(duì)系統(tǒng)普適性、模式多樣性和靈活性的需求。
[0042]本發(fā)明可應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，輔助殘疾人行動(dòng);也可應(yīng)用于日常生活和生產(chǎn)中，為某些不便于手動(dòng)操作的工作提供了一種新的控制手段。
【附圖說明】
[0043]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明:
[0044]圖1為本發(fā)明所述的一種基于意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖2為本發(fā)明所述的一種基于意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的腦電采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖3為本發(fā)明所述的一種基于意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的硬件示意圖；
[0047]圖4為本發(fā)明所述的一種基于意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的訓(xùn)練模式下的控制流程圖；
[0048]圖5為本發(fā)明所述的一種基于意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的使用模式下的控制流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的描述:
[0050]參見圖1，一種意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，包括腦電采集模塊、腦電分析模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、關(guān)節(jié)角度反饋模塊。
[0051]腦電采集模塊:采集大腦皮層腦電信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，信號(hào)由藍(lán)牙模塊傳入腦電分析模塊；
[0052]腦電分析模塊:對(duì)傳入腦電信號(hào)進(jìn)行特征提取和模式識(shí)別，將模式識(shí)別結(jié)果傳入驅(qū)動(dòng)控制模塊；
[0053]驅(qū)動(dòng)控制模塊:根據(jù)輸入的模式識(shí)別結(jié)果調(diào)取存儲(chǔ)器中相應(yīng)模式的角度位置信息，并結(jié)合角度傳感器反饋的角度信息形成控制指令，從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)處電機(jī)組完成對(duì)應(yīng)指令；
[0054]關(guān)節(jié)角度反饋模塊:利用分布于各關(guān)節(jié)處的角度傳感器，實(shí)時(shí)測量運(yùn)動(dòng)過程中各關(guān)節(jié)在X軸和Y軸的角度信息，并反饋給驅(qū)動(dòng)控制模塊。
[0055]參見圖2，腦電采集模塊將電極檢測的信號(hào)經(jīng)由前置放大器放大，經(jīng)過50Hz陷波器和低通濾波器去除50Hz以上干擾信號(hào)，再經(jīng)過二級(jí)放大器放大后由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后信號(hào)由藍(lán)牙發(fā)射器傳入腦電分析模塊。
[0056]腦電采集模塊嵌入于可調(diào)節(jié)式電極帽中，電極帽外接16個(gè)電極槽，位置分布于卩？1、？?2、？3小4、？7小8、03丄4、了3、了4、？3、？4、了5、了6^1)2，除厶1和厶2兩個(gè)參考電極外，其余電極位置使用者可根據(jù)自身情況有選擇的使用。
[0057]本發(fā)明中，采用TMS320LF2407DSP為核心控制器，TMTMS320LF2407DSP芯片具有較好的實(shí)時(shí)控制與數(shù)字信號(hào)處理能力，運(yùn)算速度快，可擴(kuò)展多個(gè)并行外設(shè)，能可靠的應(yīng)用于多通道腦電信號(hào)處理中。腦電分析模塊和驅(qū)動(dòng)控制模塊都嵌入于同一TMS320LF2407DSP芯片中。
[0058]參見圖3，TMS320LF2407DSP芯片和芯片外部連接的多個(gè)并行外設(shè)共同構(gòu)成智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。TMS320LF2407DSP芯片連接外設(shè)包括:藍(lán)牙接收器，用于接收信號(hào)；電機(jī)，用于執(zhí)行各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng);存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；電源，用于給芯片供電；角度傳感器，用于測量各關(guān)節(jié)角度;按鍵，用于輸入鍵值;顯示器，用于顯示功能選項(xiàng)。
[0059]關(guān)節(jié)角度反饋模塊由分布于指關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)處的角度傳感器構(gòu)成，角度傳感器采用LCA328T雙軸傾角傳感器，測量軸為X軸和Y軸，量程-90°?90°。
[0060]本發(fā)明采用雙模式控制思想，包括訓(xùn)練模式和使用模式，兩個(gè)模式之間通過按鍵切換。
[0061]本發(fā)明中預(yù)存了8種手臂運(yùn)動(dòng)模式的關(guān)節(jié)角度位置信息，包括手臂曲、手臂伸、握拳、張拳、手臂下垂、手臂上舉、手臂外旋、手臂內(nèi)旋。次8種手臂運(yùn)動(dòng)模式為系統(tǒng)初始模式，使用者可以根據(jù)自身使用需求和使用習(xí)慣自定義手臂動(dòng)作，并設(shè)置該動(dòng)作形成時(shí)各關(guān)節(jié)在X和Y軸的角度位置。
[0062]當(dāng)使用者第一次使用該發(fā)明時(shí)，需要將系統(tǒng)切換至訓(xùn)練模式，將使用者相應(yīng)腦電信號(hào)與模式類別進(jìn)行自定義設(shè)置，并對(duì)相應(yīng)腦電信號(hào)形成記憶。
[0063]參見圖4，訓(xùn)練模式下的控制流程如下:
[0064](I)手動(dòng)選定待錄入腦電信號(hào)的模式類別，建立腦電信號(hào)與模式信息之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系;
[0065](2)開啟腦電采集頭盔，使用者開始想象相應(yīng)動(dòng)作，頭盔采集各通道腦電信號(hào)，并將腦電信號(hào)通過藍(lán)牙發(fā)射器傳入腦電分析模塊；
[0066](3)提取各通道腦電信號(hào)的特征信息；
[0067](4)將特征信息送入分類器中，對(duì)分類器進(jìn)行訓(xùn)練，建立腦電信號(hào)與模式信息之間的映射；
[0068](5)判斷是否達(dá)到預(yù)設(shè)的訓(xùn)練次數(shù)，若未達(dá)到預(yù)設(shè)訓(xùn)練次數(shù)則返回步驟(2)，若達(dá)到預(yù)設(shè)訓(xùn)練次數(shù)則繼續(xù)下一步；
[0069](6)將訓(xùn)練后的分類器送入存儲(chǔ)空間中進(jìn)行保存。
[0070]當(dāng)使用者完成訓(xùn)練模式下的腦電錄入，將系統(tǒng)狀態(tài)切換至使用模式，使手臂執(zhí)行與所檢測到腦電信號(hào)相對(duì)應(yīng)的手臂動(dòng)作。
[0071 ]參見圖5，訓(xùn)練模式下的控制流程如下:
[0072](I)采集分布于使用者大腦皮層各點(diǎn)電極處的腦電信號(hào)；
[0073](2)提取各電極通道腦電信號(hào)的特征信息；
[0074](3)調(diào)用存儲(chǔ)空間中的分類器進(jìn)行模式識(shí)別；
[0075](4)輸出模式識(shí)別結(jié)果；
[0076](5)調(diào)用存儲(chǔ)空間中預(yù)存的與輸出模式識(shí)別結(jié)果相對(duì)應(yīng)的的角度坐標(biāo)信息；
[0077](6)檢測各關(guān)節(jié)角度傳感器中當(dāng)前角度信息，根據(jù)運(yùn)動(dòng)信息和角度信息計(jì)算對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)在X軸和Y軸方向需要補(bǔ)償?shù)慕嵌龋?br>[0078](7)根據(jù)所計(jì)算的補(bǔ)償角度發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令；
[0079](8)根據(jù)運(yùn)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)處電極執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；
[0080](9)檢測各關(guān)節(jié)角度傳感器信息，判斷各關(guān)節(jié)角度是否達(dá)到指令要求，若達(dá)到則停止驅(qū)動(dòng)，否則繼續(xù)驅(qū)動(dòng)。
[0081 ]本發(fā)明在訓(xùn)練模式下，除靜止?fàn)顟B(tài)外，其他狀態(tài)腦電信號(hào)可根據(jù)自身需求有選擇的錄入，靜止?fàn)顟B(tài)為必錄入選項(xiàng)，以保證系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。
[0082]本發(fā)明中特征信息采用非負(fù)矩陣分解算法進(jìn)行提取，分類器采用支持向量機(jī)分類器，此算法組合具有較好的魯棒性和實(shí)時(shí)性，可以滿足使用者對(duì)多模式類別和識(shí)別效率的需求。
[0083]本發(fā)明中智能假肢本體由四個(gè)電機(jī)組協(xié)同控制:電機(jī)組A由兩個(gè)電機(jī)構(gòu)成，位于肘關(guān)節(jié)，一個(gè)電機(jī)控制小臂屈伸，一個(gè)電機(jī)控制小臂轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)組B由兩個(gè)電機(jī)構(gòu)成，位于肩關(guān)節(jié)，一個(gè)電機(jī)控制大臂屈伸，一個(gè)電機(jī)控制大臂轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)組C由一個(gè)電機(jī)構(gòu)成，位于腕關(guān)節(jié)，控制手腕擺動(dòng)；電機(jī)組D由一個(gè)電機(jī)構(gòu)成，位于指關(guān)節(jié)，控制手指張合。
[0084]本發(fā)明提供了一種基于意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，各模塊之間協(xié)同配合，共同作用，為使用者提供了便攜的操控系統(tǒng)的同時(shí)，還滿足人們對(duì)系統(tǒng)普適性、模式多樣性和靈活性的需求。本發(fā)明可應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，輔助殘疾人行動(dòng);也可應(yīng)用于日常生活和生產(chǎn)中，為某些不便于手動(dòng)操作的工作提供了一種新的控制手段。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于:包括腦電采集模塊、腦電分析模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊和關(guān)節(jié)角度反饋模塊； 所述腦電采集模塊采集大腦皮層腦電信號(hào)，并對(duì)大腦皮層腦電信號(hào)進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，大腦皮層腦電信號(hào)由藍(lán)牙模塊傳入腦電分析模塊； 所述腦電分析模塊對(duì)傳入的大腦皮層腦電信號(hào)進(jìn)行特征提取和模式識(shí)別，將模式識(shí)別結(jié)果傳入驅(qū)動(dòng)控制模塊； 所述驅(qū)動(dòng)控制模塊根據(jù)輸入的模式識(shí)別結(jié)果調(diào)取預(yù)存于存儲(chǔ)器中相應(yīng)模式的角度位置信息，并結(jié)合角度傳感器反饋的角度信息形成控制指令，從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)處電機(jī)組完成對(duì)應(yīng)指令； 所述關(guān)節(jié)角度反饋模塊利用分布于各關(guān)節(jié)處的角度傳感器，實(shí)時(shí)測量運(yùn)動(dòng)過程中各關(guān)節(jié)在X軸和Y軸的角度信息，并反饋給驅(qū)動(dòng)控制模塊。2.按照權(quán)利要求1所述的一種意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于: 所述腦電采集模塊嵌入于可調(diào)節(jié)式電極帽中，電極帽外接16個(gè)電極槽，位置按照國際10/20系統(tǒng)分布于卩？1、卩?2、卩3、卩4、卩7、卩8、03丄4、了3、了4、？3、卩4、了5、了6^1^2，除厶1和厶2兩個(gè)參考電極外，其余電極位置使用者能夠根據(jù)自身情況有選擇的使用。3.按照權(quán)利要求1所述的一種意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于: 所述腦電分析模塊和驅(qū)動(dòng)控制模塊都嵌入于同一 TMS320LF2407DSP芯片中； 所述TMS320LF2407DSP為核心控制器，TMS320LF2407DSP芯片外連接多個(gè)并行外設(shè)，包括:藍(lán)牙接收器，用于接收信號(hào)；電機(jī)，用于執(zhí)行各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng);存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；電源，用于給芯片供電；角度傳感器，用于測量各關(guān)節(jié)角度;按鍵，用于輸入鍵值；顯示器，用于顯示功能選項(xiàng)。4.按照權(quán)利要求1所述的一種意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于: 所述關(guān)節(jié)角度反饋模塊由分布于指關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)處的角度傳感器構(gòu)成，所述角度傳感器采用LCA328T雙軸傾角傳感器，測量軸為X軸和Y軸，量程為-90°?90°。5.按照權(quán)利要求1所述的一種意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于: 所述電機(jī)組設(shè)為四個(gè)電機(jī)組，四個(gè)電機(jī)組協(xié)同控制:電機(jī)組A由兩個(gè)電機(jī)構(gòu)成，位于肘關(guān)節(jié)，一個(gè)電機(jī)控制小臂屈伸，一個(gè)電機(jī)控制小臂轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)組B由兩個(gè)電機(jī)構(gòu)成，位于肩關(guān)節(jié)，一個(gè)電機(jī)控制大臂屈伸，一個(gè)電機(jī)控制大臂轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)組C由一個(gè)電機(jī)構(gòu)成，位于腕關(guān)節(jié)，控制手腕擺動(dòng)；電機(jī)組D由一個(gè)電機(jī)構(gòu)成，位于指關(guān)節(jié)，控制手指張合。6.按照權(quán)利要求1所述的一種意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制方法，其特征在于: 所述意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制方法包括:訓(xùn)練模式下的控制方法和使用模式下的控制方法，訓(xùn)練模式和使用模式之間通過按鍵切換； 在訓(xùn)練模式下，除靜息狀態(tài)外，其他狀態(tài)腦電信號(hào)根據(jù)自身需求有選擇的錄入，靜息狀態(tài)為必錄入選項(xiàng)，以保證系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制； 當(dāng)使用者第一次使用時(shí)，需要將系統(tǒng)切換至訓(xùn)練模式，將使用者相應(yīng)腦電信號(hào)與模式類別進(jìn)行自定義設(shè)置，并對(duì)相應(yīng)腦電信號(hào)形成記憶； 當(dāng)使用者完成訓(xùn)練模式下的腦電信號(hào)錄入，將系統(tǒng)狀態(tài)切換至使用模式，使用者能夠發(fā)出相應(yīng)的腦電信號(hào)以控制手臂執(zhí)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作。7.按照權(quán)利要求6所述的一種意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制方法，其特征在于: 所述訓(xùn)練模式下的控制步驟如下: (1)手動(dòng)選定待錄入腦電信號(hào)的模式類別，建立腦電信號(hào)與模式信息之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系； (2)開啟腦電采集頭盔，使用者開始想象相應(yīng)動(dòng)作，頭盔采集各通道腦電信號(hào)，并將腦電信號(hào)通過藍(lán)牙發(fā)射器傳入腦電分析模塊； (3)提取各通道腦電信號(hào)的特征信息； (4)將特征信息送入分類器中，對(duì)分類器進(jìn)行訓(xùn)練，建立腦電信號(hào)與模式信息之間的映射； (5)判斷是否達(dá)到預(yù)設(shè)的訓(xùn)練次數(shù)，若未達(dá)到預(yù)設(shè)訓(xùn)練次數(shù)則返回步驟(2)，若達(dá)到預(yù)設(shè)訓(xùn)練次數(shù)則繼續(xù)下一步； (6)將訓(xùn)練后的分類器送入存儲(chǔ)空間中進(jìn)行保存。8.按照權(quán)利要求6所述的一種意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制方法，其特征在于: 所述訓(xùn)練模式下的控制步驟如下: (1)采集分布于使用者大腦皮層各點(diǎn)電極處的腦電信號(hào)； (2)提取各電極通道腦電信號(hào)的特征信息； (3)調(diào)用存儲(chǔ)空間中的分類器進(jìn)行模式識(shí)別； (4)輸出模式識(shí)別結(jié)果； (5)調(diào)用存儲(chǔ)空間中預(yù)存的與輸出模式識(shí)別結(jié)果相對(duì)應(yīng)的的角度坐標(biāo)信息； (6)檢測各關(guān)節(jié)角度傳感器中當(dāng)前角度信息，根據(jù)運(yùn)動(dòng)信息和角度信息計(jì)算對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)在X軸和Y軸方向需要補(bǔ)償?shù)慕嵌龋? (7)根據(jù)所計(jì)算的補(bǔ)償角度發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令； (8)根據(jù)運(yùn)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)處電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作； (9)檢測各關(guān)節(jié)角度傳感器信息，判斷各關(guān)節(jié)角度是否達(dá)到指令要求，若達(dá)到則停止驅(qū)動(dòng)，否則繼續(xù)驅(qū)動(dòng)。9.按照權(quán)利要求7或8中所述的一種意念控制的智能假肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制方法，其特征在于: 所述特征信息通過非負(fù)矩陣分解算法進(jìn)行提?。?所述分類器采用支持向量機(jī)分類器。
【文檔編號(hào)】A61F2/72GK105943207SQ201610464662
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月24日
【發(fā)明人】陳萬忠, 李明陽, 張雨煙, 張濤, 楊默涵
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)