專利名稱：：腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于人手替代物及其控制領(lǐng)域，具體涉及了一種由腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
：殘疾人義肢手的應(yīng)用，世界各國普遍很早就進(jìn)行了研究。目前上臂殘疾人使用的上肢義肢從結(jié)構(gòu)上分為骨骼式和殼式，除能滿足裝飾性或功能性要求，恢復(fù)或補(bǔ)償部分肢體功能外，對保持人體生理結(jié)構(gòu)平衡，防止因失衡導(dǎo)致軀干傾斜畸形具有重要作用。骨骼式一般為裝飾美容性質(zhì)，不具有真實(shí)的動作功能。殼式一般為功能性質(zhì)，有兩種控制方式一種控制方式是通過安裝于肩胛部位的肩胛帶，由人體做肩胛部運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)；另一種控制方式是肌電或開關(guān)電動控制，通過人體肌肉接觸電極、微動開關(guān)，由微電機(jī)、機(jī)械傳遞裝置運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。隨著科技的發(fā)展和替代義肢手研究的深入，非功能性的義肢手逐漸被功能性的可由殘疾人自由控制的肌電控制義肢手所取代，并且在功能上與真實(shí)的手臂日趨接近。2007年5月天津大學(xué)的李醒飛等人申請了一種由肌電進(jìn)行運(yùn)動模式識別和軌跡預(yù)測進(jìn)行的假肢手控制的專利，并且使用腦電信號對假肢手的抓取力和速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是使用肌電作為信息源控制的義肢手存在肌肉容易疲勞、可重復(fù)性差等缺點(diǎn)，限制了這種方法被廣泛應(yīng)用的可能，尤其是對于那些髙度受損的上臂殘疾人，這種方法亦不適用。由于人的腦電信息不僅能夠最大限度地利用殘疾人殘存的大腦活動功能，而且能夠直接傳遞人腦的控制信息。近年來，將腦電(ElectroEncephalogram,EEG)作為義肢手的精密控制源，在國內(nèi)外成為新興的研究方向和研究熱點(diǎn)。在2001年土耳其召開的第23屆醫(yī)學(xué)與生物工程學(xué)會(EMBS)年會上，AbbasErfanian等人公布了其設(shè)計的基于改進(jìn)的資源分配神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的EEG信號分類器，能夠?qū)问趾碗p手的抓取，松開和合攏三種狀態(tài)進(jìn)行識別，平均準(zhǔn)確率分別為98.82%和96.40%,但該網(wǎng)絡(luò)需要經(jīng)過5000次的訓(xùn)練。目前各國學(xué)者對人腦電的研究，還停留在大腦的電生理研究與分析和腦電信號的提取與特征波形自動識別技術(shù)階段。對腦電進(jìn)行利用開發(fā)研究腦機(jī)接口驅(qū)動控制神經(jīng)義肢手尚未涉及，國際上至今還沒有適用于上臂殘疾人使用的腦電控制的成熟的義肢手產(chǎn)品。本發(fā)明因此而來。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的在于提供一種腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手及其控制方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中肌電控制義肢手時肌肉容易疲勞、可重復(fù)性差的缺陷，也創(chuàng)造性的彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中腦電驅(qū)動控制尚未成形的缺憾。為達(dá)到解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手，包括腦電信號采集裝置，設(shè)置在腦部負(fù)責(zé)收集腦電信號信號處理裝置，將腦電信號采集裝置收集的腦電信號進(jìn)行放大過濾處理；信號提取識別傳送裝置，負(fù)責(zé)將從信號處理裝置得到的腦電信號進(jìn)行特征提取和動作模式識別并將信息傳送給義肢手驅(qū)動裝置；義肢手驅(qū)動裝置，在收到信號提取識別傳送裝置傳送的信息后驅(qū)動義肢手本體完成相應(yīng)動作并反饋動作信息。優(yōu)選的，所述的腦電信號采集裝置為國際標(biāo)準(zhǔn)電極腦電信號采集裝置。優(yōu)選的，所述的信號處理裝置為包括信號放大器對信號進(jìn)行放大、45Hz低通濾波預(yù)處理裝置、50Hz陷波濾波預(yù)處理裝置。優(yōu)選的，所述的信號提取識別傳送裝置為PC機(jī)，所述的PC機(jī)對信號處理裝置處理后的信號進(jìn)行特征提取和動作模式識別并輸送給所述的義肢手驅(qū)動裝置。優(yōu)選的，所述的義肢手驅(qū)動裝置為義肢手電機(jī)控制器，所述的義肢手本體包括關(guān)節(jié)電機(jī)、機(jī)械傳遞單元；義肢手電機(jī)控制器根據(jù)手動作模式通過電機(jī)控制命令關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動或者機(jī)械傳遞裝置傳遞給義肢手手指完成相應(yīng)動作。優(yōu)選的，所述PC機(jī)通過計算機(jī)串口連接義肢手關(guān)節(jié)電機(jī)，所述義肢手關(guān)節(jié)電機(jī)根據(jù)部位關(guān)節(jié)自由度分配關(guān)節(jié)電機(jī)；關(guān)節(jié)電機(jī)通過繼電器控制正反轉(zhuǎn)。5本發(fā)明的另一目的在于提供一種腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手的控制方法，其特征在于所述方法包括以下步驟根據(jù)腦電控制手臂的腦皮層位置采集腦電信號；將采集的腦電信號進(jìn)行放大過濾預(yù)處理；對預(yù)處理后的腦電信號進(jìn)行特征提取和動作模式識別；根據(jù)特征提取和動作模式識別的結(jié)果驅(qū)動義肢手本體完成模式動作。優(yōu)選的，所述的方法還包括義肢手本體將模式動作狀態(tài)反饋給腦部或義肢手本體通過力、滑覺傳感器將動作相關(guān)信息反饋給義肢手驅(qū)動裝置。優(yōu)選的，所述的特征提取是釆用小波分解進(jìn)行腦電信號的特征提?。凰龅哪Ｊ阶R別是通過采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對腦電的特征信號進(jìn)行模式識別。本發(fā)明的又一目的在于提供一種腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手系統(tǒng)在驅(qū)動義肢手方面的應(yīng)用。本發(fā)明中，義肢手本體可以是具有五個關(guān)節(jié)自由度手關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)2個自由度，同時還包括了安裝在義肢手拇指、食指和中指上的力、滑覺傳感器對于抓取狀態(tài)的反饋。另外，人的視覺能夠在看到抓取狀況后產(chǎn)生視覺誘發(fā)腦電，對于抓取狀態(tài)構(gòu)成了反饋。腦機(jī)接口驅(qū)動控制神經(jīng)義肢手系統(tǒng)的驅(qū)動控制過程，具體可以包括下列步驟(1)人在看到想要抓取的物體后，首先產(chǎn)生相應(yīng)的視覺誘發(fā)腦電模式信號；其中腦電信號代表的相對應(yīng)的動作模式包括手的張開、抓緊，腕關(guān)節(jié)的左右旋轉(zhuǎn)，肘關(guān)節(jié)的伸屈，肩關(guān)節(jié)的外展內(nèi)收和前伸后屈，這io個動作模式和靜止?fàn)顟B(tài)基本能實(shí)現(xiàn)一個完整的上臂動作的所有功能。(2)然后通過腦電信號采集裝置采集相關(guān)的腦電信號，再通過信號處理裝置對這種腦電信號進(jìn)行放大、過濾預(yù)處理由于腦電信號屬于微弱信號，本發(fā)明優(yōu)選采用專用腦電釆集放電裝置采集腦電信號，并通過放大器硬件進(jìn)行45Hz低通濾波、50Hz陷波濾波預(yù)處理，然后通過USB接口將采集到的預(yù)處理腦電信號傳送給PC機(jī)。優(yōu)選采用小波分解進(jìn)行腦電信號的特征提取，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對腦電的特征信號進(jìn)行模式識別。(3)在PC機(jī)等信號提取識別裝置上進(jìn)行腦電信號的的特征提取和手動作模式的識別，并將識別結(jié)果傳送給義肢手驅(qū)動裝置如義肢手電機(jī)驅(qū)動控制器。主要是對手靜止、手抓取、手張開、腕關(guān)節(jié)內(nèi)旋轉(zhuǎn)、腕關(guān)節(jié)外旋轉(zhuǎn)、肘關(guān)節(jié)屈、肘關(guān)節(jié)伸、肩關(guān)節(jié)內(nèi)收、肩關(guān)節(jié)外展、肩關(guān)節(jié)前伸和肩關(guān)節(jié)后屈這11個狀態(tài)進(jìn)行特征提取和模式識別。(4)義肢手驅(qū)動裝置根據(jù)手動作模式驅(qū)動相應(yīng)的關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動通過機(jī)械傳遞裝置來完成相應(yīng)的動作模式，完成抓取任務(wù)。在抓取過程中，安裝在義肢手拇指、食指和中指上的尖的力、滑覺傳感器感知抓取接觸力和對物體的抓緊程度，當(dāng)達(dá)到一定接觸力時就要停止相應(yīng)關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動。這樣做是了防止電機(jī)由于抓取到位時還存在驅(qū)動電流而造成電機(jī)的損壞，并且也保護(hù)了被抓取的物體。其中義肢手電機(jī)五個自由度分別由一個電機(jī)實(shí)現(xiàn)；每一個關(guān)節(jié)電機(jī)的控制也可以分別有正反轉(zhuǎn)控制。本發(fā)明的有益效果在于使用腦機(jī)接口技術(shù)，在精密檢測人腦電的基礎(chǔ)上提取腦電信號所包含的手動作模式，通過腦電控制驅(qū)動義肢手完成相關(guān)行為動作，成功避免了肌電控制帶來的肌肉容易疲勞、可重復(fù)性差等問題，可以對義肢手進(jìn)行精密控制，較理想的實(shí)現(xiàn)人手功能。該發(fā)明可以適用于上臂殘疾人使用的神經(jīng)義肢手的驅(qū)動控制。圖1是本發(fā)明實(shí)施例腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手系統(tǒng)義肢手電機(jī)的繼電器控制電路圖3是本發(fā)明實(shí)施例腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手系統(tǒng)義肢手本體五個關(guān)節(jié)電機(jī)及其控制示意圖。具體實(shí)施例方式為了更詳盡的表述上述發(fā)明的技術(shù)方案，以下本發(fā)明人列舉出具體的實(shí)施例來明技術(shù)效果；需要強(qiáng)調(diào)的是，這些實(shí)施例是用于說明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例如圖1,該腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手系統(tǒng)，包括國際標(biāo)準(zhǔn)電極腦電信號采集裝置、腦電測量放大器、PC機(jī)和義肢手電機(jī)控制器。國際標(biāo)準(zhǔn)電極腦電信號采集裝置設(shè)置在腦部負(fù)責(zé)收集腦電信號；腦電測量放大器為包括信號放大器對信號進(jìn)行放大、45Hz低通濾波預(yù)處理裝置、50Hz陷波濾波預(yù)處理裝置。PC機(jī)負(fù)責(zé)將從信號處理裝置得到的腦電信號進(jìn)行特征提取和動作模式識別并將信息傳送給義肢手驅(qū)動裝置；義肢手電機(jī)控制器在收到PC機(jī)傳送的信息后驅(qū)動義肢手本體完成相應(yīng)動作并反饋動作信息。PC機(jī)通過計算機(jī)串口連接義肢手關(guān)節(jié)電機(jī)，所述義肢手關(guān)節(jié)電機(jī)根據(jù)部位關(guān)節(jié)自由度分配關(guān)節(jié)電機(jī)；關(guān)節(jié)電機(jī)通過繼電器控制正反轉(zhuǎn)。義肢手本體包括關(guān)節(jié)電機(jī)、機(jī)械傳遞單元義肢手電機(jī)控制器根據(jù)手動作模式通過電機(jī)控制命令關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動或者機(jī)械傳遞裝置傳遞給義肢手手指完成相應(yīng)動作。國際標(biāo)準(zhǔn)電極腦電信號采集裝置采集腦電信號是采用10—20系統(tǒng)電極放置法即國際腦電圖學(xué)會規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電極放置法。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能了解的那樣，標(biāo)準(zhǔn)電極放置法按如下分布，前后矢狀線分布從鼻根至枕外粗隆取一連線，在此線上，由前至后標(biāo)出5個點(diǎn)，依次命名為額極中點(diǎn)(Fpz)、額中點(diǎn)(Fz)、中央點(diǎn)(Cz)、頂點(diǎn)(Pz)、枕點(diǎn)(Oz)。額極中點(diǎn)至鼻根的距離和枕點(diǎn)至枕外粗隆的距離各占此連線全長的10%,其余各點(diǎn)均以此連線全長的20%相隔。橫位從左耳前點(diǎn)(耳屏前顴弓根凹陷處)通過中央點(diǎn)至右耳前點(diǎn)取一連線，在此連線的左右兩側(cè)對稱標(biāo)出左顳中(T3)、右顳中(T4)、左中央(C3)、右中央(C4)。T3、T4點(diǎn)與耳前點(diǎn)的距離各占此線全長的10%，其余各點(diǎn)(包括Cz點(diǎn))均以此連線全長的20%相隔。側(cè)位從Fpz點(diǎn)向后通過T3、T4點(diǎn)至枕點(diǎn)分別取左右側(cè)連線，在左右側(cè)連線上由前至后對稱地標(biāo)出左額極(Fpl)、右額極(Fp2)、左前顳(F7)、右前顳(F8)、左后顳(T5)、右后顳(T6)、左枕(Ol)、右枕(02)各點(diǎn)。Fpl、Fp2點(diǎn)至額極中點(diǎn)(Fpz)的距離與Ol、02點(diǎn)至Oz點(diǎn)的距離各占此連線全長的100%,其余各點(diǎn)(包括T3、T4)均以此連線全長的20%相隔。其余的左額(F3)、右額(F4)點(diǎn)分別位于Fpl、Fp2與C3、C4點(diǎn)的中間；左頂(P3)、右頂(P4)點(diǎn)分別位于C3、C4與01、02點(diǎn)的中間。一般奇數(shù)表示左側(cè)，偶數(shù)表示右側(cè)。左右側(cè)各取8個電極，加上前后位8上的額中點(diǎn)(Fz)、中央點(diǎn)(Cz)、頂點(diǎn)(Pz)以及兩個耳電極共21個電極。電極排列與頭顱大小及形狀成比例，電極以標(biāo)準(zhǔn)位置適當(dāng)?shù)姆植加陬^顱主要部位。其中人手操作的腦電控制源位于P3和P4點(diǎn)，想象操作的腦電控制源則位于C3和C4點(diǎn)，因此腦機(jī)接口驅(qū)動控制神經(jīng)義肢手系統(tǒng)的腦電控制源采集P3、P4和C3、C4點(diǎn)的腦電信號。對于腦電檢測點(diǎn)的放置，按照10-20國際標(biāo)準(zhǔn)電極放置法安排，使用專用的多通道腦電采集放大裝置采集C3、C4和P3、P4點(diǎn)的腦電信號，并利用放大器硬件做45Hz低通濾波、50Hz陷波濾波預(yù)處理。預(yù)處理完的腦電信號通過USB接口傳送到PC機(jī)。PC機(jī)得到腦電信號后，采用小波分解進(jìn)行腦電信號的特征提取，釆用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對腦電的特征信號進(jìn)行模式識別，識別結(jié)果如表1所示，包含了11中模式；然后通過串行通信協(xié)議將識別結(jié)果傳送到五自由度義肢手電機(jī)控制器。表1腦電識別結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>如圖2所示為義妝宇電機(jī)的繼電器控制方式，分另!j從a、b兩端輸入不同的高低電平，即改變電機(jī)的極性就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。每個自由度都使用同樣的電機(jī)和驅(qū)動控制方式，如圖5所示，5個自由度和電機(jī)共需要10個控制信號電平、IO個繼電器和相應(yīng)的功率放大芯片?？刂品椒ㄟ€包括義肢手本體將模式動作狀態(tài)反饋給腦部或義肢手本體通過力、滑覺傳感器將動作相關(guān)信息反饋給義肢手驅(qū)動裝置。在義肢手動作過程中控制器要接受義肢手的大拇指、食指和中指三個指尖的力和滑覺傳感器的反饋信息，這樣是要判斷是否抓取到物體并且不致使滑落，達(dá)到了人真實(shí)手抓取物體的模擬。在義肢手抓取物體的同時，人的大腦還要接受來自視覺對于抓取狀態(tài)的反饋信息，并產(chǎn)生相應(yīng)的腦電來控制義肢手的抓取模式。這樣人的眼睛反饋和力、滑覺傳感器形成物體抓取的雙重反饋，是義肢手對物體的抓取更符合真實(shí)的人手動作。上述實(shí)例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人是能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1、一種腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手，包括腦電信號采集裝置，設(shè)置在腦部負(fù)責(zé)收集腦電信號；信號處理裝置，將腦電信號采集裝置收集的腦電信號進(jìn)行放大過濾處理；信號提取識別傳送裝置，負(fù)責(zé)將從信號處理裝置得到的腦電信號進(jìn)行特征提取和動作模式識別并將信息傳送給義肢手驅(qū)動裝置；義肢手驅(qū)動裝置，在收到信號提取識別傳送裝置傳送的信息后驅(qū)動義肢手本體完成相應(yīng)動作并反饋動作信息。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手，其特征在于所述的腦電信號釆集裝置為國際標(biāo)準(zhǔn)電極腦電信號采集裝置。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手，其特征在于所述的信號處理裝置為包括信號放大器對信號進(jìn)行放大、45Hz低通濾波預(yù)處理裝置、50Hz陷波濾波預(yù)處理裝置。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手，其特征在于所述的信號提取識別傳送裝置為PC機(jī)，所述的PC機(jī)對信號處理裝置處理后的信號進(jìn)行特征提取和動作模式識別并輸送給所述的義肢手驅(qū)動裝置。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手，其特征在于所述的義肢手驅(qū)動裝置為義肢手電機(jī)控制器，所述的義肢手本體包括關(guān)節(jié)電機(jī)、機(jī)械傳遞單元；義肢手電機(jī)控制器根據(jù)手動作模式通過電機(jī)控制命令關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動或者機(jī)械傳遞裝置傳遞給義肢手手指完成相應(yīng)動作。6、根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手，其特征在于所述PC機(jī)通過計算機(jī)串口連接義肢手關(guān)節(jié)電機(jī)，所述義肢手關(guān)節(jié)電機(jī)根據(jù)部位關(guān)節(jié)自由度分配關(guān)節(jié)電機(jī)；關(guān)節(jié)電機(jī)通過繼電器控制正反轉(zhuǎn)。7、一種腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手的控制方法，其特征在于所述方法包括以下步驟根據(jù)腦電控制手臂的腦皮層位置采集腦電信號將采集的腦電信號進(jìn)行放大過濾預(yù)處理；對預(yù)處理后的腦電信號進(jìn)行特征提取和動作模式識別；根據(jù)特征提取和動作模式識別的結(jié)果驅(qū)動義肢手本體完成模式動作。8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的腦機(jī)接口驅(qū)動控制的義肢手的控制方法，其特征在于所述的方法還包括義肢手本體將模式動作狀態(tài)反饋給腦部或義肢手本體通過力、滑覺傳感器將動作相關(guān)信息反饋給義肢手驅(qū)動裝置。9、根據(jù)權(quán)利要求7所述的腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手的控制方法，其特征在于所述的特征提取是采用小波分解進(jìn)行腦電信號的特征提??；所述的模式識別是通過采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對腦電的特征信號進(jìn)行模式識別。10、一種腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手在驅(qū)動義肢手方面的應(yīng)用。全文摘要本發(fā)明公開了一種腦機(jī)接口驅(qū)動控制的神經(jīng)義肢手及其控制方法，包括腦電信號采集裝置，設(shè)置在腦部負(fù)責(zé)收集腦電信號；信號處理裝置，將腦電信號采集裝置收集的腦電信號進(jìn)行放大過濾處理；信號提取識別傳送裝置，負(fù)責(zé)將從信號處理裝置得到的腦電信號進(jìn)行特征提取和動作模式識別并將信息傳送給義肢手驅(qū)動裝置；義肢手驅(qū)動裝置，在收到信號提取識別傳送裝置傳送的信息后驅(qū)動義肢手本體完成相應(yīng)動作并反饋動作信息。該發(fā)明通過腦電控制驅(qū)動義肢手完成相關(guān)行為動作，成功避免了肌電控制帶來的肌肉容易疲勞、可重復(fù)性差等問題，可以對義肢手進(jìn)行精密控制，較理想的實(shí)現(xiàn)人手功能。該發(fā)明可以適用于上臂殘疾人使用的神經(jīng)義肢手的驅(qū)動控制。文檔編號A61F2/50GK101455596SQ20081013662公開日2009年6月17日申請日期2008年12月18日優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日發(fā)明者刁衛(wèi)鋒,張小棟,戴文輝,王云霞,程志強(qiáng)申請人:西安交通大學(xué)蘇州研究院