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：
在我國經濟不斷發展的同時，殘疾人福利事業也逐漸成為了促進社會和諧發展與進步的重點，加大殘疾人福利事業發展的力度能夠起到減小社會壓力、減輕家庭負擔、提高殘疾人生活質量的作用。根據2006年全國殘疾人數量統計顯示，各類殘疾人總量和占總人口比例都有所上升，而肢體殘疾M12萬人，占殘疾人總數的四.07%，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量眾多。現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市場上有大量潛在需求。傳統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”。目前用于人體的腦控假肢及其控制系統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量上有明顯優勢，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。
發明內容本發明目的是本發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合驅動智能假肢，并采用了可穿戴計算和嵌入式技術將系統設備微小化、可穿戴，實現了一種可穿戴的腦控智能假肢系統。本發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，并傳輸到腦電信號的識別裝置；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，并將最終識別的結果發送給可穿戴式智能假肢驅動控制裝置；可穿戴式智能假肢驅動控制裝置，在得到可穿戴式腦電信號識別裝置傳入的識別結果后，驅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并反饋給可穿戴式智能假肢驅動控制裝置，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。一種腦電驅動的智能假肢的控制方法，包括以下步驟(1)根據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)根據模式識別的結果驅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和環境感知信息，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。本發明的優點是可直接佩戴于人體頭部；腦電信號通過無線傳輸到基于ARMll的微處理器進行分析識別；識別結果通過數據傳輸接口函數發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和環境信息反饋給智能假肢控制器，自適應的調節假肢的動作過程，由此形成了一套智能假肢的精密自適應自控制環路，同時結合人體的視覺反饋可以完成整個假肢的動作過程。本發明將傳統的腦機接口、腦電信號的處理等裝置進行了可穿戴、便攜化開發與設計，使得腦電控制智能假肢可穿戴化，克服了傳統的基于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。
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步描述
圖1本發明為一種可穿戴的腦控智能假肢系統結構示意圖。圖2為本發明一種可穿戴的腦控智能假肢的系統框圖。圖3為本發明一種可穿戴腦控智能假肢的腦電帽示意圖。[0028]圖4為本發明一種可穿戴腦控智能假肢驅動假肢運動示意圖。其中1腦電信號傳輸介質；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肩關節電機；12肘關節電機；13 肘關節電機；14腕關節電機；15手部關節電機；16裝飾性手指無名指、小拇指。
具體實施方式
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，并傳輸到腦電信號的識別裝置；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，并將最終識別的結果發送給可穿戴式智能假肢驅動控制裝置；可穿戴式智能假肢驅動控制裝置，在得到可穿戴式腦電信號識別裝置傳入的識別結果后，驅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并反饋給可穿戴式智能假肢驅動控制裝置，完成智能假肢的精密自適應控制過程。本發明中，核心控制器選擇采用基于ARMv6處理器架構的ARMl 1，可滿足高性能系統的大量數據存取需求，其高達32位的指令集體系結構，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，可以增強產生的腦電信號，即通過自發腦電與誘發腦電混合的模式產生腦電信號。(2)腦電信號產生后，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到ARMll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，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、腕關節內旋轉、腕關節外旋轉、肘關節屈、肘關節伸、肩關節內收、肩關節外展、肩關節前伸和肩關節后屈11個狀態進行特征提取和模式識別。[0043](5)通過微處理器的腦電信號傳送至智能假肢的驅動裝置，以此驅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，驅動不同的關節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動裝置，并結合視覺來實現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并反饋給可穿戴式智能假肢驅動控制裝置，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，實現腦電信號的檢測。(2)腦電帽的兩側內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后，即可打開電源與無線傳輸開關，使整個系統運轉起來。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送的識別結果并轉化為對應的智能假肢各運動關節電機的運動指令，驅動關節電機完成的。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，實現旋轉與屈曲。(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)所發明的智能假肢，其機械臂肘關節與肩關節都分別裝有兩個電機。肘部電機主要實現小臂的屈伸與旋轉，肩部的電機主要實現肩關節的內收、外展、前伸和后驅。(4)所發明的智能假肢，總共由九個電機進行精密控制，腕關節、肘關節、肩關節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，實現仿人形設計，因此，整個手部采用三個電機進行控制。(5)本發明中，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動相應的智能假肢的關節電機完成動作。控制過程中不僅包括了關節電機的控制，還包括相應的機械傳遞單元的作用，二者協調配合，完成驅動控制。
權利要求1.一種可穿戴的腦控智能假肢，其特征在于，包括通過布置于大腦頭皮層的皮膚干電極檢測腦電信號的可穿戴式腦電信號檢測傳感器裝置，穿戴于人體頭部的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動控制裝置和智能假肢的感知裝置，所述可穿戴式腦電信號檢測傳感器裝置與可穿戴式腦電信號采集放大裝置相連，所述可穿戴式腦電信號采集放大裝置與可穿戴式腦電信號識別裝置相連。
2.根據權利要求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。
專利摘要本實用新型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，負責檢測、感知腦電信號；可穿戴式腦電信號采集放大裝置，可以戴于人體頭部，將腦電信號檢測傳感器裝置檢測的信號進行收集，并對腦電信號進行濾波放大處理；可穿戴式腦電信號識別裝置，采用基于ARM11的嵌入式微處理器，將從可穿戴式腦電信號采集放大裝置無線傳輸來的信號進行特征提取，以及人對假肢運動意圖的模式識別；可穿戴式智能假肢驅動控制裝置，用以接收意圖識別結果和假肢智能感知信息，用以對智能假肢進行精密自適應的控制，驅動假肢本體完成相應的動作；智能假肢的感知裝置，可以提供智能假肢的運動狀態和環境感知反饋信息。該發明實現了腦電檢測識別的穿戴式檢測與計算，并結合智能感知技術對假肢實現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，較理想的實現人手功能。該發明可以適用于上臂殘疾人使用的神經義肢手的驅動控制。
文檔編號A61F2/50GK202223388SQ20112031989
公開日2012年5月23日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者張小棟, 李耀楠, 黃朝翔 申請人:西安交通大學蘇州研究院