專利名稱：一種可穿戴的腦控智能假肢的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于人肢體的可穿戴智能替代物及其精密控制領域，具體涉及了一種可穿戴的腦控智能假肢。
背景技術：
在我國經(jīng)濟不斷發(fā)展的同時，殘疾人福利事業(yè)也逐漸成為了促進社會和諧發(fā)展與進步的重點，加大殘疾人福利事業(yè)發(fā)展的力度能夠起到減小社會壓力、減輕家庭負擔、提高殘疾人生活質(zhì)量的作用。根據(jù)2006年全國殘疾人數(shù)量統(tǒng)計顯示，各類殘疾人總量和占總?cè)丝诒壤加兴仙?，而肢體殘疾M12萬人，占殘疾人總數(shù)的四.07%，其中因為截肢、 lil^^i{11! ^ (Amyotrophic Lateral Sclerosis,(Osteogenesis Imperfecta，01)等缺乏肢體行動能力或肌肉控制能力的殘疾人數(shù)量眾多?，F(xiàn)階段我國上肢殘疾患者仍有部分未使用假肢，然而已安裝的假肢多數(shù)則是裝飾性，以及功能簡單的機械式或肌電假肢，這類假肢不適用于不能產(chǎn)生良好肌電信號的患者，且其功能相對簡單，不夠靈活、智能，并不能滿足上述殘疾人的需要，靈巧實用的智能假肢在國內(nèi)市場上有大量潛在需求。傳統(tǒng)肌電假肢不適用于一些缺乏肌肉控制能力的患者，且使用過程中肌肉疲勞引起的肌電變化也影響了假肢的使用，現(xiàn)有階段解決這一問題的可行方法是通過腦機接口技術 (Brain Machine hterfaCe，BMI)直接建立大腦和假肢之間的“外部神經(jīng)”。目前用于人體的腦控假肢及其控制系統(tǒng)尚存在著各種不同的問題。侵入式的腦機接口盡管在信號質(zhì)量上有明顯優(yōu)勢，但要在人體上植入電極仍然存在實驗技術、倫理道德等諸多問題；非侵入式腦控裝備及其檢測設備尚不能小型化、便攜化，安裝過程不夠簡便，不能作為產(chǎn)品投入使用； 假肢本體也未利用感知信息融合技術提高假肢作業(yè)能力，形成智能假肢；此外非常重要的是腦控智能假肢控制器的可穿戴化、便攜化問題，信號分析和控制程序不應是在PC機或筆記本上完成，而是應該利用可穿戴計算和嵌入式技術將相關設備微小化、便攜化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是本發(fā)明采用非侵入式腦機接口技術與智能假肢的精密自適應控制技術結(jié)合驅(qū)動智能假肢，并采用了可穿戴計算和嵌入式技術將系統(tǒng)設備微小化、可穿戴，實現(xiàn)了一種可穿戴的腦控智能假肢系統(tǒng)。本發(fā)明的技術方案是一種可穿戴的腦控智能假肢，包括
可穿戴式腦電信號檢測傳感器裝置，通過布置于大腦頭皮層的皮膚干電極檢測腦電信
號；
可穿戴式腦電信號采集放大裝置，穿戴于人體頭部，將腦電信號檢測傳感裝置檢測的信號進行采集、濾波和放大處理，并傳輸?shù)侥X電信號的識別裝置；
可穿戴式腦電信號識別裝置，將從腦電信號的采集放大裝置得到的信號進行特征提取、大腦意圖模式識別，并將最終識別的結(jié)果發(fā)送給可穿戴式智能假肢驅(qū)動控制裝置； 可穿戴式智能假肢驅(qū)動控制裝置，在得到可穿戴式腦電信號識別裝置傳入的識別結(jié)果后，驅(qū)動智能假肢本體完成相應動作并處理智能假肢的感知裝置的反饋信息；
智能假肢的感知裝置，利用布置于智能假肢本體的傳感器，感知智能假肢運動狀態(tài)并反饋給可穿戴式智能假肢驅(qū)動控制裝置，完成智能假肢的精密自適應控制過程。進一步的，所述可穿戴式腦電信號檢測傳感器裝置固定在可穿戴式腦電信號采集放大裝置上。進一步的，所述的可穿戴式腦電信號采集放大裝置為頭戴式，佩戴于人體頭部，所獲得的腦電信號通過藍牙傳送給所述可穿戴式腦電信號識別裝置。進一步的，所述智能假肢的感知裝置，包括安裝于假肢手部的3維慣性傳感器、安裝于假肢手指的PVDF觸滑覺傳感器和力傳感器。進一步的，所述可穿戴式腦電信號識別裝置的微處理器為ARM11。進一步的，所述可穿戴式智能假肢驅(qū)動控制裝置與可穿戴式腦電信號識別裝置共用一塊ARMll微處理器作為主控制器。一種腦電驅(qū)動的智能假肢的控制方法，包括以下步驟
(1)根據(jù)腦電控制智能假肢的腦皮層位置采集腦電信號；
(2)將所采集的腦電信號進行采集濾波和放大預處理；
(3)對預處理過的腦電信號進行特征提取和模式識別；
(4)根據(jù)模式識別的結(jié)果驅(qū)動智能假肢進行相應的模式動作；
(5)以智能假肢的動作狀態(tài)和環(huán)境感知信息，以及動作模式前后關系作為反饋，進行智能假肢的精密自適應控制；
(6)通過智能假肢精密自適應控制和人體視覺反饋完成人腦對智能假肢控制過程。本發(fā)明的優(yōu)點是
可直接佩戴于人體頭部；腦電信號通過無線傳輸?shù)交贏RMll的微處理器進行分析識別；識別結(jié)果通過數(shù)據(jù)傳輸接口函數(shù)發(fā)送給智能假肢控制器，并控制假肢本體動作；由安裝于假肢本體的多種感知傳感器將假肢狀態(tài)和環(huán)境信息反饋給智能假肢控制器，自適應的調(diào)節(jié)假肢的動作過程，由此形成了一套智能假肢的精密自適應自控制環(huán)路，同時結(jié)合人體的視覺反饋可以完成整個假肢的動作過程。本發(fā)明將傳統(tǒng)的腦機接口、腦電信號的處理等裝置進行了可穿戴、便攜化開發(fā)與設計，使得腦電控制智能假肢可穿戴化，克服了傳統(tǒng)的基于PC或筆記本的腦電分析設備不便攜等缺點，使得腦電控制設備的服務面更加廣。智能假肢的設計，實現(xiàn)了假肢的精密自適應控制，智能傳感器的安裝對假肢的感知、控制、所能完成的動作都有很大的幫助與提高。一種可穿戴的腦控智能假肢成功實現(xiàn)了智能假肢的可穿戴性，為不能采用肌電控制假肢的患者提供了新型假肢，滿足了假肢更高的智能性、靈活性與功能性的要求。


下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述
圖1本發(fā)明為一種可穿戴的腦控智能假肢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明一種可穿戴的腦控智能假肢的系統(tǒng)框圖。圖3為本發(fā)明一種可穿戴腦控智能假肢的腦電帽示意圖。圖4為本發(fā)明一種可穿戴腦控智能假肢驅(qū)動假肢運動示意圖。
其中1腦電信號傳輸介質(zhì)；2腦電信號放大器；3腦電信號檢測傳感器；4腦電帽穿戴口 ；5腦電信號檢測裝置開關；6腦電信號放大器開關；7控制器盒；8拇指、食指、中指指尖的智能傳感器；9機械傳遞裝置；10機械傳遞裝置；11肩關節(jié)電機；12肘關節(jié)電機；13 肘關節(jié)電機；14腕關節(jié)電機；15手部關節(jié)電機；16裝飾性手指無名指、小拇指。
具體實施例方式實施例如圖1、圖2所示的可穿戴的腦控智能假肢包括可穿戴式腦電信號檢測傳感器裝置，通過布置于大腦頭皮層的皮膚干電極檢測腦電信號；
可穿戴式腦電信號采集放大裝置，穿戴于人體頭部，將腦電信號檢測傳感裝置檢測的信號進行采集、濾波和放大處理，并傳輸?shù)侥X電信號的識別裝置；
可穿戴式腦電信號識別裝置，將從腦電信號的采集放大裝置得到的信號進行特征提取、大腦意圖模式識別，并將最終識別的結(jié)果發(fā)送給可穿戴式智能假肢驅(qū)動控制裝置；
可穿戴式智能假肢驅(qū)動控制裝置，在得到可穿戴式腦電信號識別裝置傳入的識別結(jié)果后，驅(qū)動智能假肢本體完成相應動作并處理智能假肢的感知裝置的反饋信息；
智能假肢的感知裝置，利用布置于智能假肢本體的傳感器，感知智能假肢運動狀態(tài)并反饋給可穿戴式智能假肢驅(qū)動控制裝置，完成智能假肢的精密自適應控制過程。本發(fā)明中，核心控制器選擇采用基于ARMv6處理器架構(gòu)的ARMl 1，可滿足高性能系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)存取需求，其高達32位的指令集體系結(jié)構(gòu)，提供更低的功耗、更高的性能、更短的編碼。為腦電信號的實時處理提供了保障。一種可穿戴的腦控智能假肢的驅(qū)動控制過程，其具體可以包括以下幾個步驟 (1)當人看到想要抓取的物體，此時大腦皮層產(chǎn)生相應的腦電信號，但此時信號會比較
微弱，通過視覺的誘發(fā)，可以增強產(chǎn)生的腦電信號，即通過自發(fā)腦電與誘發(fā)腦電混合的模式產(chǎn)生腦電信號。(2)腦電信號產(chǎn)生后，通過人的腦部穿戴的皮膚干電極等檢測裝置，檢測大腦皮層所產(chǎn)生的腦電信號。(3)檢測到的腦電信號傳送到采集腦電信號的專用放大器，然后對檢測到的腦電信號進行濾波、放大預處理。為了實現(xiàn)可穿戴的智能假肢，以上所說的腦電信號的檢測模塊，腦電信號的放大器，都通過集成制造工藝整合在一個可穿戴的腦電帽中，放大器為微伏級生物電信號放大采集器。這樣使得腦電信號的檢測與處理部分可以很方便的為患者使用，大大提高了實用性。(4)將進行過預處理的腦電信號通過無線傳輸?shù)紸RMll微處理器中，對腦電信號進行特征提取與智能假肢動作意圖的模式識別。為了實現(xiàn)可穿戴，微處理器采用ARMl 1，同時還有其存儲器，外設器件與I/O端口， 所需控制器等，這些硬件設備都通過集成制造工藝使之便攜化、可穿戴化。再通過嵌入式操作系統(tǒng)，使微處理器能夠腦電信號進行特征提取與智能假肢動作意圖的模式識別。主要是對手靜止、手抓取、手張開、腕關節(jié)內(nèi)旋轉(zhuǎn)、腕關節(jié)外旋轉(zhuǎn)、肘關節(jié)屈、肘關節(jié)伸、肩關節(jié)內(nèi)收、肩關節(jié)外展、肩關節(jié)前伸和肩關節(jié)后屈11個狀態(tài)進行特征提取和模式識別。(5)通過微處理器的腦電信號傳送至智能假肢的驅(qū)動裝置，以此驅(qū)動智能假肢完成相應的動作。微處理器與智能假肢之間采用無線連接，這樣使得整個系統(tǒng)更加簡單，使用起來更加方便。通過微處理器對腦電信號的特征提取與智能假肢動作意圖的模式識別，驅(qū)動不同的關節(jié)電機控制智能假肢完成動作，通過一系列的控制，最終完成抓取物體。(6)智能假肢上傳感器獲得的信號作為反饋傳送給智能假肢的驅(qū)動裝置，并結(jié)合視覺來實現(xiàn)智能假肢的精密自適應控制。智能假肢上裝有的3維慣性、力傳感器和PVDF觸滑覺傳感器，感知智能假肢運動狀態(tài)并反饋給可穿戴式智能假肢驅(qū)動控制裝置，完成智能假肢的精密自適應控制過程。這樣提高了智能假肢控制的精度，使假肢的感知與動作更加類人化。一種可穿戴的腦控智能假肢，其腦電信號檢測傳感器裝置與腦電信號采集放大裝置都高度集成在一個可穿戴的腦電帽中，腦電帽的基本組成與穿戴方式采用如下措施
(1)如圖3所示的腦電帽與頭戴式的耳機很相似，但與大腦皮層接觸的范圍相比耳機要大一些，使檢測裝置能夠與大腦皮層上的特殊點作用，實現(xiàn)腦電信號的檢測。(2)腦電帽的兩側(cè)內(nèi)部集成有腦電信號的放大器，用于對檢測到的腦電信號進行濾波與放大，為后邊的特征提取與模式識別做準備。(3)本發(fā)明的腦電帽，其兩端按照一般人的耳后形狀，設計了穿戴口，使得腦電帽的穿戴變得簡單易行，通過高識別率與信息傳輸率的腦機接口，獲得腦電信號。(4)本發(fā)明的腦電帽，其右端設計有無線傳輸與腦電帽電源開關，將腦電帽戴上后，等待其他裝置處于準備好的狀態(tài)后，即可打開電源與無線傳輸開關，使整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)起來。一種可穿戴的腦控智能假肢，其智能假肢所完成的動作是通過可穿戴式腦電信號識別裝置所發(fā)送的識別結(jié)果并轉(zhuǎn)化為對應的智能假肢各運動關節(jié)電機的運動指令，驅(qū)動關節(jié)電機完成的。其控制電機與智能傳感器的分布如下，其運動示意圖如圖4所示。( 1)本發(fā)明中，機械手設計了拇指、食指、中指這三個人類使用頻率最高的手指，根據(jù)仿人形設計，手指共有三個自由度。機械手的腕部由兩個電機控制，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與屈曲。(2)智能傳感器安裝在機械手的手指上，每個手指指尖上均裝有PVDF觸滑覺傳感器、壓力傳感器，手上裝有3維慣性傳感器，以此來檢測抓取物體時的接觸力、抓緊程度與平衡度，實現(xiàn)智能假肢的作用并為智能假肢的精密自適應控制提供基礎。(3)所發(fā)明的智能假肢，其機械臂肘關節(jié)與肩關節(jié)都分別裝有兩個電機。肘部電機主要實現(xiàn)小臂的屈伸與旋轉(zhuǎn)，肩部的電機主要實現(xiàn)肩關節(jié)的內(nèi)收、外展、前伸和后驅(qū)。(4)所發(fā)明的智能假肢，總共由九個電機進行精密控制，腕關節(jié)、肘關節(jié)、肩關節(jié)分別采用兩個電機進行控制，機械手的控制，包括手指的張合與一定的分開，本發(fā)明中考慮到人的拇指的靈活性，在其根部增加了控制電機，實現(xiàn)仿人形設計，因此，整個手部采用三個電機進行控制。(5)本發(fā)明中，整個智能假肢的控制是通過腦電信號的特征提取與智能假肢的動作模式識別驅(qū)動相應的智能假肢的關節(jié)電機完成動作?？刂七^程中不僅包括了關節(jié)電機的控制，還包括相應的機械傳遞單元的作用，二者協(xié)調(diào)配合，完成驅(qū)動控制。
權利要求
1.一種可穿戴的腦控智能假肢，其特征在于，包括可穿戴式腦電信號檢測傳感器裝置，通過布置于大腦頭皮層的皮膚干電極檢測腦電信號；可穿戴式腦電信號采集放大裝置，穿戴于人體頭部，將腦電信號檢測傳感裝置檢測的信號進行采集、濾波和放大處理，并傳輸?shù)侥X電信號的識別裝置；可穿戴式腦電信號識別裝置，將從腦電信號的采集放大裝置得到的信號進行特征提取、大腦意圖模式識別，并將最終識別的結(jié)果發(fā)送給可穿戴式智能假肢驅(qū)動控制裝置；可穿戴式智能假肢驅(qū)動控制裝置，在得到可穿戴式腦電信號識別裝置傳入的識別結(jié)果后，驅(qū)動智能假肢本體完成相應動作并處理智能假肢的感知裝置的反饋信息；智能假肢的感知裝置，利用布置于智能假肢本體的傳感器，感知智能假肢運動狀態(tài)并反饋給可穿戴式智能假肢驅(qū)動控制裝置，完成智能假肢的精密自適應控制過程。
2.根據(jù)權利要求1所述的可穿戴的腦控智能假肢，其特征在于，所述可穿戴式腦電信號檢測傳感器裝置固定在可穿戴式腦電信號采集放大裝置上。
3.根據(jù)權利要求1所述的可穿戴的腦控智能假肢，其特征在于，所述的可穿戴式腦電信號采集放大裝置為頭戴式，佩戴于人體頭部，所獲得的腦電信號通過藍牙傳送給所述可穿戴式腦電信號識別裝置。
4.根據(jù)權利要求1所述的可穿戴的腦控智能假肢，其特征在于，所述智能假肢的感知裝置，包括安裝于假肢手部的3維慣性傳感器、安裝于假肢手指的PVDF觸滑覺傳感器和力傳感器。
5.根據(jù)權利要求1所述的可穿戴的腦控智能假肢，其特征在于，所述可穿戴式腦電信號識別裝置的微處理器為ARM11。
6.根據(jù)權利要求5所述的可穿戴的腦控智能假肢，其特征在于，所述可穿戴式智能假肢驅(qū)動控制裝置與可穿戴式腦電信號識別裝置共用一塊ARMll微處理器作為主控制器。
7.一種腦電驅(qū)動的智能假肢的控制方法，包括以下步驟(1)根據(jù)腦電控制智能假肢的腦皮層位置采集腦電信號；(2)將所采集的腦電信號進行采集濾波和放大預處理；(3)對預處理過的腦電信號進行特征提取和模式識別；(4)根據(jù)模式識別的結(jié)果驅(qū)動智能假肢進行相應的模式動作；(5)以智能假肢的動作狀態(tài)和環(huán)境感知信息，以及動作模式前后關系作為反饋，進行智能假肢的精密自適應控制；(6)通過智能假肢精密自適應控制和人體視覺反饋完成人腦對智能假肢控制過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可穿戴的腦控智能假肢，包括可穿戴式腦電信號檢測傳感器裝置，布置在人頭部的皮膚干電極、可穿戴式腦電信號采集放大裝置、可穿戴式腦電信號識別裝置、可穿戴式智能假肢驅(qū)動控制裝置、智能假肢的感知裝置。該發(fā)明實現(xiàn)了腦電檢測識別的穿戴式檢測與計算，并結(jié)合智能感知技術對假肢實現(xiàn)了精密自適應的智能控制，可以直接穿戴在人體進行使用，避免了肌電控制的不足，提高了假肢動作的效率與精度，較理想的實現(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A61F2/50GK102309365SQ201110251808
公開日2012年1月11日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權日2011年8月30日
發(fā)明者張小棟, 李耀楠, 黃朝翔 申請人:西安交通大學蘇州研究院