CN104606030B - 融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统及方法，仿照人体正常行走的神经及运动系统而建立，包括脑机接口，正弦发生器和下肢机器外骨骼；脑机接口解码出自主运动意图，将命令实时发送给正弦发生器；正弦发生器接收脑机接口发送的指令，产生符合大脑意图的节律性关节角度信息，并输出到下肢机器外骨骼，控制下肢机器外骨骼完成停止、正常行走、加速、减速四种基本的行走模式。本发明通过这种控制模式，可将受试者的自主运动意识融合到康复训练中；并可实现四种基本的行走模式：停止，正常行走，加速和减速；可实现系统的实时在线控制，并保证平缓的运动和模式间的切换。本发明切实可行，可提高现有外骨骼系统的康复效果。

Description

融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统及方法

技术领域

本发明涉及行走康复系统，具体地，涉及一种融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统及方法。

背景技术

上世纪90年代末，机器外骨骼作为一种新兴的康复技术，取代了传统的基于康复治疗师的康复模式，大大地减轻了治疗师的工作量。目前，用于下肢瘫痪病人康复训练的下肢机器外骨骼系统有很多，著名的有瑞士HOCOMA公司研制的Locomat下肢康复系统，以及国内璟和公司的Flexbot等。这种外骨骼机器人依靠电机提供较大的辅助力矩，可实现下肢各关节的协调运动。不过从康复效果看，这种方式与传统的模式并无差别。一个重要的原因在于这种机器外骨骼系统只能提供单一重复的步态，无法融合患者的自主运动能力。

近年来，脑机接口技术发展迅猛，出现了不少成熟的脑机接口技术，稳态视觉诱发电位就是一种。它识别率高，信息传速快，能满足在线控制的要求，但脑机接口产生的只是离散的信息。正弦发生器基于傅立叶级数理论，可生成任意连续的周期信号，通过改变正弦发生器内每个正弦曲线的幅值、频率及偏移即可生成不同的特征的曲线。

经文献检索，中国专利公开号为CN101933874A，专利名称为：垂直站立下肢康复系统，申请日为2009年07月01日。该设备在起立床的基础上加入下肢踏步功能，让患者能在站立训练的同时做下肢踏步训练。该装置存在一些不足：1、该康复机器人提供的行走模式有限；2、该康复机器人不可进行实时在线控制；3、该康复机器人只提供被动式的辅助，患者的自主运动意识没有涵盖进去。

另一个是中国专利公开号CN101711908A，专利名称为：针对下肢的层级式功能性电刺激康复系统，申请日为2009年11月30日。该发明针对下肢康复设计了一套层级式功能性电刺激康复系统，并增加了反馈控制功能。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统及方法，通过融合自主运动意识，能够实现多个行走模式，并实现实时在线控制。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，仿照人体正常的神经及运动系统，基于脑机接口机制，建立了整个控制系统：脑机接口、正弦发生器和下肢机器外骨骼系统；

其中，脑机接口与正弦发生器之间实时通信，正弦发生器接收脑机接口发送的指令，产生符合大脑意图的节律性关节角度信息，下肢机器外骨骼接收正弦发生器的角度信息，完成基本的行走模式。

优选地，所述脑机接口采用一种增强式脑机接口——稳态视觉诱发电位(SSVEP)；

其中，SSVEP的优点是稳定、识别率高、训练时间短等，且可实现在线控制的目地；SSVEP采用的刺激源是四个闪烁方块，频率分别为6.82Hz、8.33Hz、9.375Hz和12.5Hz，其对应四种行走意图，也即四种行走模式：停止、正常行走、加速、减速；SSVEP采集的大脑信号(EEG)部位为O1、O2、PO3、PO4，采集设备为一种头盔式EEG采集仪——Emotive EPOC。其中，闪烁方块呈现在电脑屏幕上，相关程序通过C++完成。

优选地，所述SSVEP整体程序通过C++编写完成。

优选地，所述正弦发生器基于傅立叶级数理论生成，由一组正弦方程组成，且通过C#编写完成；

其中，正弦发生器基于傅立叶级数理论，用于计算在不同行走模式下下肢各关节角度信息；其程序实现三个功能：1、显示与SSVEP连接状况，2、实时接收并显示SSVEP发来的指令，3、计算并显示个关节信息；正弦发生器在切换发生模式时通过二阶微分方程保证其平缓性。

优选地，所述SSVEP与正弦发生器间依靠套接字完成通信；

其中，套接字是一种基于TCP/IP协议的网络通讯方式；通信过程中，正弦发生器相当于服务器，SSVEP相当于客户端，客户端先向服务器发送连接申请，服务器同意后即可实时监听并接受客户端发来的信息。

优选地，所述下肢机器外骨骼包含六个自由度；

其中，这六个自由度分别是左右下肢的髋关节、膝关节与踝关节；各关节的辅助力矩由交流伺服电机提供，并经过减速比为36的行星减速器进行力矩放大。

优选地，所述下肢机器外骨骼与正弦发生器间依靠运动控制卡及交流伺服系统进行角度信息传递；

其中，运动控制卡采用的是固高公司的GTS800系列；正弦发生器将各关节的角度信息发送给运动控制卡，控制卡在协调地发脉冲到交流电机驱动器，进而使电机协调运动；为实现实时控制，运动控制卡工作在动态PT模式(PT模式使用一系列“位置(P)、时间(T)”数据点描述速度规划，它有静态PT和动态PT两种模式。静态PT模式下，用户需提前将数据点存储到控制卡中，而动态PT下，用户可实时在线的存储数据点，进而达到在线控制的目地)。

机器外骨骼能够完成在线切换行走模式，且切换时平缓，瞬态时间在1.5s～2s。

优选地，所述下肢外骨骼包含悬吊系统，主要克服人体重力影响，且可以调节悬吊高度。

一种融合自主运动意识的下肢在线行走康复方法，采用上述的系统来完成，首先将受试者悬吊至合适的高度，并将受试者下肢固定在下肢机器外骨骼上，调节下肢机器外骨骼的关节至合适人体的比例；受试者带上脑电采集帽，调整电极位置，保证各电极接触状况良好；单独运行SSVEP的C++程序，训练解码分类器，这部分持续一段时间，进行多次实验；训练完后，关闭SSVEP程序，接通运动控制卡，开启电机电源；运行正弦发生器的C#程序，再次运行SSVEP程序，这时在正弦发生器程序界面提示SSVEP IS CONNECTED；此后，受试者即能用自主运动意识在线实时地控制下肢机器外骨骼，使下肢机器外骨骼任意运行在正常行走、加速、减速或停止四种模式下。

所述正弦发生器主要由频率及幅值设定单元A、正弦曲线发生单元B以及伺服系统单元C组成，其接收脑机接口发送的指令，产生符合大脑意图的节律性关节角度信息，传递给下肢机器外骨骼完成相应模式，正弦发生器的运行过程如下：

步骤1：先测量人体正常行走过程中一个周期内的左右下肢髋关节、膝关节及踝关节角度信息，并通过傅立叶级数展开到二阶，分别用两个正弦函数来近似六个关节的角度变化信息；每个正弦曲线通过幅值、频率、及偏移三个特征描述；

步骤2：当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线的三个特征均设为正常值，则正弦发生器单元B生成的是正常行走情况下的六个关节角度信息；当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线频率设为2倍时，则正弦曲线发生单元B生成的是加速情况下的六个关节角度信息；当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线频率设为0.5倍时，则正弦曲线发生单元B生成的是减速情况下的六个关节角度信息；当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线的幅值与偏移设为0时，则正弦曲线发生单元B生成的是停止情况下的六个关节角度信息，正弦曲线发生单元B根据频率及幅值设定单元A的设定值生成相应的角度信息，正弦曲线发生单元B生成的各关节角度信息通过运动控制卡分别发给六个交流电机，交流电机带动外骨骼按设定的模式运动；

步骤3：当频率及幅值设定单元A的设定值发生变化时，为了保证角度过渡的平缓性，相关值的变化按照二阶微分方程的规律变化。

本发明与CN101711908A存在以下不同：1、采用的康复手段不一样；2、各层的模型及层与层的通信方式不一样。

本发明通过模仿人体正常行走的神经及运动系统，能融合病人的自主运动意识于康复训练中，为患者提供更有效的康复治疗，具有以下优点：

1.融合自主运动意识

该下肢康复系统的最终指令来源于患者的大脑，即是受患者的运动意识控制的。因此，整个康复训练过程形成了一个运动意识——外骨骼运动——运动感受的回路，可增强康复效果。

2.能实现多个行走模式

本发明可实现停止、正常行走、加速和减速四种行走模式，且可实现不同模式间的平缓切换。实验结果表明，各模式的识别率超过90％，实现延迟时间约为1.5～2s。

3.能实现实时在线控制

SSVEP信息传输率很高，正弦发生器的优良瞬态特性，以及运动控制卡的动态PT模式保证了整个系统实时性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的程序具体实施建模图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统包括脑机接口(SSVEP)、正弦发生器、下肢机器外骨骼控制系统。图1展示了整体发明实施框图，包括：SSVEP实施模块1、脑机接口模块2、正弦发生器模块3、下肢机器外骨骼模块4，机器外骨骼支架模块5和通信模块6。

所述SSVEP实施模块1包括：黑底的平板电脑屏幕以及四个大小一致的闪烁方块。其中，平板电脑的主频是70Hz，四个方块的闪烁频率分别为6.82，8.33，9.375，和12.5Hz；这部分通过C++程序完成。

所述脑机接口模块2包括：脑电采集单元A、脑电信号在线滤波调理单元B、特征提取及模式识别单元C。其中脑电采集单元是美国的Emotive EPOC系统，主要采集枕叶区O1，O2，PO3，PO4四个位置的EEG信号，采样频率设定为128Hz，脑电信号在线滤波单元通过4阶Butterworth高通滤波器(截止频率为2Hz)完成，模式识别单元C采用线性识别分类器。脑电信号采集模块2主要用来识别受试者的运动意图：正常行走，加速，减速或停止。

所述正弦发生器模块3包括：频率及幅值设定单元A、正弦曲线发生单元B以及伺服系统单元C。其中正弦发生器模块3由C#编写完成；正弦发生器模块3的运行过程如下：

步骤1：先测量人体正常行走过程中一个周期内的左右下肢髋关节、膝关节及踝关节角度信息，并通过傅立叶级数展开到二阶，这样，就可分别用两个正弦函数近似六个关节的角度变化信息；每个正弦曲线可通过幅值、频率、及偏移三个特征描述。

步骤2：当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线的三个特征均设为正常值，则正弦发生器单元B生成的是正常行走情况下的六个关节角度信息；当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线频率设为2倍时，则正弦曲线发生单元B生成的是加速情况下的六个关节角度信息；当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线频率设为0.5倍时，则正弦曲线发生单元B生成的是减速情况下的六个关节角度信息；当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线的幅值与偏移设为0时，则正弦曲线发生单元B生成的是停止情况下的六个关节角度信息。正弦曲线发生单元B根据频率及幅值设定单元A的设定值生成相应的角度信息。正弦曲线发生单元B生成的各关节角度信息通过运动控制卡分别发给伺服系统单元C的六个交流伺服驱动器，再由驱动器传给交流电机，交流电机最终带动外骨骼按设定的模式运动；为保证实时性，运动控制卡选用固高的GTS800，并工作在动态PT模式。

步骤3：当频率及幅值设定单元A的设定值发生变化时，为了保证角度过渡的平缓性，相关值的变化是按照二阶微分方程的规律变化的。

所述下肢机器外骨骼模块4包括：左右下肢大腿及小腿处的外骨骼。其中外骨骼每部分的长度可根据受试者的下肢具体结构而调整。

所述机器外骨骼支架模块5包括：外骨骼支撑单元A和伺服系统安装单元B。

所述通信模块6包括：基于TCP/IP协议的网络流通信方式——套接字。其中通信模块6主要功能是连接脑机接口模块2和正弦发生模块3，以及将脑机接口模块2识别的指令实时传递给正弦发生模块3的频率及幅值设定单元A，频率及幅值设定单元A根据此指令来设定每个正弦曲线的相关值。

本发明应用过程如下：先将受试者悬吊至合适的高度，并将受试者下肢固定在外骨骼上，调节外骨骼关节至合适人体的比例；受试者带上脑电采集帽Emotive EPOC，调整电极位置，保证各电极接触状况良好；单独运行SSVEP(C++)程序，训练解码分类器，这部分持续120s，共24次实验；训练完后，关闭SSVEP程序，接通运动控制卡，开启电机电源；运行正弦发生器(C#)程序，再次运行SSVEP程序，这时在正弦发生器程序界面会提示“SSVEP ISCONNECTED”；此后，受试者即可用自主运动意识在线实时地控制下肢机器外骨骼，使外骨骼任意运行在四种模式下：正常行走，加速，减速或停止。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，仿照人体正常的神经及运动系统，基于脑机接口机制，建立整个控制系统，包括脑机接口、正弦发生器和下肢机器外骨骼；其中，脑机接口解码出自主运动意图，将命令实时发送给正弦发生器，所述正弦发生器主要由频率及幅值设定单元A、正弦曲线发生单元B以及伺服系统单元C组成，正弦发生器接收脑机接口发送的指令，产生符合大脑意图的节律性关节角度信息，并输出到下肢机器外骨骼，控制下肢机器外骨骼完成停止、正常行走、加速、减速四种基本的行走模式；正弦发生器基于傅立叶级数理论建立，正弦发生器先测量人体正常行走过程中一个周期内的左右下肢髋关节、膝关节及踝关节角度信息，并通过傅立叶级数展开到二阶，分别用两个正弦函数来近似六个关节的角度变化信息；每个正弦曲线通过幅值、频率、及偏移三个特征描述，当频率及幅值设定单元A的设定值发生变化时，为了保证角度过渡的平缓性，相关值的变化按照二阶微分方程的规律变化。

2.根据权利要求1所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，所述脑机接口采用稳态视觉诱发电位方式，即SSVEP，根据大脑枕叶区在不同刺激下的电位来进行脑部活动解码，采用脑电采集单元完成对枕叶区四个区域O1、O2、PO3、PO4进行电位采集。

3.根据权利要求2所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，所述SSVEP采用的刺激源是四个闪烁方块，频率为6.82Hz、8.33Hz、9.375Hz、和12.5Hz，分别对应于停止、正常行走、加速、减速四种运动模式。

4.根据权利要求2所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，所述正弦发生器基于傅立叶级数理论建立，并通过C#编程完成，正弦发生器由一组正弦方程描述，它根据SSVEP发送的指令，设定每个正弦方程的参数，产生符合大脑意图的节律性关节角度信息。

5.根据权利要求4所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，所述正弦发生器程序包括三部分信息；

其中，第一部分指示与SSVEP的连接情况；第二部分实时显示SSVEP发送的指令；第三部分实时显示关节角度信息。

6.根据权利要求4所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，所述SSVEP与正弦发生器的通信通过套接字方式完成，基于TCP/IP的网络通信协议，通信过程中正弦发生器作为服务器，SSVEP作为客户端。

7.根据权利要求1所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，所述下肢机器外骨骼有左右下肢的髋关节、膝关节与踝关节六个自由度，其中，六个关节的辅助力矩由六个交流电机提供，输出力矩通过行星减速器进行放大；电机控制通过上位机，运动控制卡与驱动器协调完成，正弦发生器将各关节的角度信息发送给运动控制卡，控制卡再协调地发脉冲到交流电机，进而使电机协调运动；为实现实时控制，运动控制卡工作在动态PT模式。

8.根据权利要求1所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，所述下肢机器外骨骼配有悬吊装置，用来克服重力的影响。