CN112043550A - 一种基于磁标记的舌控手部康复机器人系统及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁标记的舌控手部康复机器人系统及其操作方法，在舌尖处设置永磁铁作为舌头姿态标记物；使用传感器阵列实时测量舌头姿态标记物的磁场强度，通过对磁信号的预处理和线性算法计算得到磁体的三维空间位置和二维方向数据，获得舌头的姿态信息；利用确定的舌头姿态信息控制手部康复机器人执行相应操作。本发明识别舌头运动准确率高，设备简洁，且对中风患者的手部功能康复可能有促进效果。
Description
技术领域
本发明属于康复机器人技术领域，具体涉及一种基于磁标记的舌控手部康复机器人系统及其操作方法。
背景技术
脑卒中是我国成年人致死、致残的首位病因，具有致残率高的特点，据世界卫生组织报告，80％的中风患者存在不同程度的肢体功能障碍，约60％的患者会遗留手功能障碍，人的上肢功能占全身功能的60％，手功能则占上肢功能的90％，所以完好的手功能在人们的工作及生活中起着非常重要的作用，如何更有效地改善脑卒中患者的手功能一直都是康复工作者们需要迫切解决的棘手问题之一。
目前涌现出基于不同人机交互方式的手部康复机器人，例如基于眼球位置、基于眼电信号、基于脑电信号和基于肌电信号等等。然而，这些方法都具有一定局限性，基于眼球位置的方法容易受到隐形眼镜和瞳孔颜色的影响使得结果并不准确，而且容易使患者眼睛疲劳；基于眼电信号的方法无法提供可靠的垂直眼动记录，眨眼时会有伪影，以及角膜视网膜偶极电位的波动会影响准确性；基于脑电信号的方法由于脑电信号容易受到外界干扰，信号强度微弱，信号处理过程复杂；基于肌电信号的方法受限于肥胖和高龄人群，限制了临床诊断确定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于磁标记的舌控手部康复机器人系统及其操作方法，促进脑卒中患者恢复手部功能。
本发明采用以下技术方案：
一种基于磁标记的舌控手部康复机器人系统，包括磁信号采集系统，磁信号采集系统用于将采集的磁信号传输给磁信号处理系统，磁信号处理系统用于将收集的信号处理成舌头命令并发送到手部康复机器人，通过手部康复机器人执行相应的命令。
具体的，磁信号采集系统包括永磁体和传感器阵列，永磁体粘接在被试者舌尖上，传感器阵列位于被试者的头部下方。
具体的，磁信号处理系统和手部康复机器人之间通过无线方式连接。
本发明的另一个技术方案是，一种基于磁标记的舌控手部康复机器人操作方法，包括以下步骤：
S1、在舌尖处设置永磁铁作为舌头姿态标记物；
S2、使用传感器阵列实时测量步骤S1舌头姿态标记物的磁场强度，通过对磁信号的预处理和线性算法计算得到磁体的三维空间位置和二维方向数据，获得舌头的姿态信息；
S3、利用步骤S2确定的舌头姿态信息控制手部康复机器人执行相应操作。
具体的，步骤S2中，磁信号预处理具体为：消除步骤S1采集磁信号的零点偏移，然后将参考传感器的数据投影到其他传感器，根据磁数据计算投影矩阵的增益和偏移，将干扰磁场消除，再进行平滑处理，建立空间坐标系用于线性计算。
进一步的，经过消除干扰磁场的磁场数据featurex,y,z具体为：
featurex,y,z＝sensx,y,z-sensprjx,y,z
其中，sensx,y,z是测量磁体传感器的数据，sensprjx,y,z是参考传感器通过投影矩阵预测的干扰磁场数据，投影矩阵具体为：
其中，refsx,y,z代表的是参考传感器的数据，sensx,y,z是测量磁体传感器的数据，Ox,Oy,Oz是偏移，gxx,gyy,gzz是增益，gyx,gzx,gzy是交叉增益。
更进一步的，干扰磁场数据具体为：
sensprjx＝refsx×gxx+refsy×gxy+refsz×gxz+Ox
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sensprjz＝refsx×gzx+refsy×gzy+refsz×gzz+Oz
其中，Ox,Oy,Oz是偏移，gxx,gyy,gzz是增益，gyx,gzx,gzy是交叉增益，refsx,y,z代表的是参考传感器的数据。
进一步的，线性计算具体为：
建立空间直角坐标系，以传感器阵列所在平面为xy平面，坐标系原点位于传感器阵列中心位置，以垂直于传感器阵列方向为z轴，确定长度为L，直径为b，均匀磁化磁场为M0的圆柱形磁体周围的磁场强度与其位置关系用磁偶极子模型；转换为线性形式，得到磁体的二维方向值；再结合Blx，Bly和Blz的表达式求出磁体的三维位置值，实现舌头运动的追踪。
更进一步的，磁偶极子模型Bl表示如下：
其中，Xl为表示空间点p(xl，yl，zl)，磁铁的位置和方向分别为(a，b，c)和H0(m，n，p)，μr为介质的相对磁导率，μ0为空气磁导率，Rl为磁体与传感器的距离，Blx、Bly、Blz分别表示x、y和z轴方向的磁场强度。
具体的，步骤S3中，舌头命令包括舌头向上、下命令手部康复机器人五指抓握、张开；舌头向左、右命令手部康复机器人腕部外展、内收；舌头位于放松位置命令手部康复机器人保持不动。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
一种基于磁标记的舌控手部康复机器人系统，从人机交互方面来说，它为手部活动很少或没有活动的患者提供了一种主动控制方法，设备外观上更加便携、“隐形”，保护了患者的自尊心，而且识别准确率较高；从康复方面来说，它使手部功能障碍患者能够参与一种有可能重塑大脑神经通路的治疗模式。
进一步的，在被试者舌尖处粘结一个磁铁，当被试者舌头运动时，在固定坐标系下，传感器接收到的磁铁磁场也会相应变化，根据这种变化获得被试者舌头的运动轨迹。
本发明一种基于磁标记的舌控手部康复机器人操作方法，能够实现对舌头姿态的有效辨识并进行正确分类；不仅从人机交互方面具有高自由度、抗疲劳、高保持性等优势，而且从康复机理角度能够更有利于促进脑卒中患者手部的康复。
进一步的，磁信号预处理包括传感器的校正、干扰磁场的消除和信号平滑处理。由于磁铁位置的计算依赖于传感器输出的数据，而传感器在出厂时自身会存在偏移误差、灵敏度误差和非正交误差，这会导致其输出的数据不准确，影响定位精度，所以传感器的校正工作是非常必要的；在磁信号采集时，传感器输出的信息包括磁铁自身的磁感应强度和背景干扰磁场的磁感应强度，而背景干扰磁场的强度与磁铁自身的强度相比不小，如果不进行干扰磁场的消除则会对磁铁的定位造成不正确的解释；由于在静止的磁场下传感器输出的信号仍会产生细小的波动，利用信号平滑处理可以减轻这种波动，使最终结果更准确。
进一步的，磁场数据featurex,y,z表明传感器输出的数据已消除了干扰磁场，为后续的信号分类识别提供数据。
进一步的，投影矩阵在训练阶段获得，在测试阶段利用参考传感器(仅测量背景干扰磁场)的数据和投影矩阵得到测量传感器(测量干扰磁场和磁体磁场)的干扰磁场的数据。测量传感器的数据减去干扰磁场的数据即为磁体磁场的数据。
进一步的，利用参考传感器和投影矩阵可算出干扰磁场的数据，用传感器输出的数据减去干扰磁场的数据即能得到较为干净的磁体磁场数据。
进一步的，本发明针对非线性问题提出一种线性算法能够避免优化算法的局限性；本发明提出的舌控手部康复机器人使手部活动很少或没有活动的个体能够参与一种有可能重塑大脑神经通路的治疗模式。
进一步的，当磁铁的尺寸相对于探测距离足够小时，可以将磁铁建模为磁偶极子，磁偶极子模型描述了磁铁周围的磁场分布。
进一步的，被试者通过舌头的非语言性活动控制手部康复机器人的运动，从而完成康复训练。舌与手同步参与康复运动可能更有利于手功能康复。
综上所述，本发明识别舌头运动准确率高，设备简洁，且对中风患者的手部功能康复可能有促进效果。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明基于磁标记的舌控手部康复机器人系统图；
图2为舌控手康复机器人方法流程图；
图3为舌控手康复机器人方法中的线性算法流程图。
其中：1.磁信号采集系统；2.磁信号处理系统；3.手部康复机器人；4.永磁铁；5.传感器阵列。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提供了一种基于磁标记的舌控手部康复机器人系统，包括磁信号采集系统1、磁信号处理系统2和手部康复机器人3，磁信号采集系统1包括永磁体4和传感器阵列5，永磁体粘接在被试者舌尖上，传感器阵列位于被试者头部下方，用于接受磁信号并将信息传输给磁信号处理系统，磁信号处理系统用于将信号处理成相应的舌头命令发送到手部康复机器人，手部康复机器人执行相应的命令。
请参阅图2，本发明一种基于磁标记的舌控手部康复机器人操作方法，包括以下步骤：
S1、将永磁铁粘附在舌尖上，作为舌头姿态标记物；
S2、三轴磁传感器阵列放置在头部下方实时测量永磁铁的磁场强度，随舌头姿态的不同，每个磁传感器测量到的磁场强度也会不同，通过对磁信号的预处理和一种线性算法，计算得到磁体的三维空间位置和二维方向数据，即可获得舌头的姿态信息；
磁信号预处理具体为：消除零点偏移、消除磁场干扰、平滑处理和建立空间坐标系用于线性计算
消除磁场干扰具体为：
采用附加传感器(参考传感器)的方式消除干扰磁场，其基本原理是将参考传感器的数据投影到其他传感器，根据磁数据算出投影矩阵的增益和偏移，计算公式如下：
sensprjx＝refsx×gxx+refsy×gxy+refsz×gxz+Ox
sensprjy＝refsx×gyx+refsy×gyy+refsz×gyz+Oy
sensprjz＝refsx×gzx+refsy×gzy+refsz×gzz+Oz
featurex,y,z＝sensx,y,z-sensprjx,y,z
其中，Ox,Oy,Oz是偏移，gxx,gyy,gzz是增益，gyx,gzx,gzy是交叉增益，他们组成了投影矩阵；refsx,y,z代表的是参考传感器的数据，sensx,y,z是测量磁体传感器的数据，sensprjx是参考传感器通过投影矩阵预测的测量磁体传感器的数据，featurex,y,z代表经过消除干扰磁场的磁场数据。
请参阅图3，线性算法如图三所示，包括：
建立如图1所示的空间直角坐标系，以传感器阵列所在平面为xy平面，坐标系原点位于传感器阵列中心位置，以垂直于传感器阵列方向为z轴，xyz轴的正方向如图1所示。
长度为L，直径为b，均匀磁化磁场为M0的圆柱形磁体周围的磁场强度与其位置关系用磁偶极子模型表示：
其中，Xl为表示空间点p(xl，yl，zl)，磁铁的位置和方向分别用(a，b，c)和H0(m，n，p)表示，μr为介质的相对磁导率，μ0为空气磁导率，Rl为磁体与传感器的距离，Blx、Bly和Blz分别表示x、y和z轴方向的磁感应强度。
将式(Bl×Xl)·H0＝0整理得到FlR＝bl，形式，其中
Fl＝[fl1,fl2,fl3,fl4,fl5]＝[Blx,Bly,Blz,(Blzyl-Blyzl),(Blxzl-Blzxl)]
R＝[r1,r2,r3,r4,r5,]T＝[(b-cn'),(cm'-a),(an'-bm'),m',n']T
bl＝Blxyl-Blyxl
其中，Fl和bl通过传感器输出值和传感器坐标计算得到，根据R＝Fl -1bl求出R的表达式。
由于m2+n2+p2＝1，
n＝r5p，m＝r4p；求得磁体的二维方向值(m，n，p)；从线性方程中我们还可以得到a、b、c之间的关系：
a＝r4·c-r2
b＝r1+r5·c
再结合Blx，Bly和Blz的表达式将方程整理成只有c的形式：g1c2+g2c+g3＝0。
求出磁体的三维位置值(a，b，c)，实现舌头运动的追踪。
S3、舌头的不同姿态代表不同的命令，利用舌头姿态控制手部康复机器人，机器人执行相应的康复动作。
舌头命令包括舌头向上、下命令手部康复机器人五指抓握、张开；舌头向左、右命令手部康复机器人腕部外展、内收；舌头位于放松位置命令手部康复机器人保持不动。
综上所述，本发明一种基于磁标记的舌控手部康复机器人系统及其操作方法，能够实现对舌头姿态的有效辨识并进行正确分类；从人机交互方面具有高自由度、抗疲劳、高保持性等优势，从康复机理角度能够更有利于促进脑卒中患者手部的康复。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于磁标记的舌控手部康复机器人系统，其特征在于，包括磁信号采集系统(1)，磁信号采集系统(1)用于将采集的磁信号传输给磁信号处理系统(2)，磁信号处理系统(2)用于将收集的磁信号处理成舌头命令并发送到手部康复机器人(3)，通过手部康复机器人(3)执行相应的命令。
2.根据权利要求1所述的基于磁标记的舌控手部康复机器人系统，其特征在于，磁信号采集系统(1)包括永磁体(4)和传感器阵列(5)，永磁体(4)粘接在被试者舌尖上，传感器阵列(5)位于被试者的头部下方。
3.根据权利要求1所述的基于磁标记的舌控手部康复机器人系统，其特征在于，磁信号处理系统(2)和手部康复机器人(3)之间通过无线方式连接。
4.一种基于磁标记的舌控手部康复机器人操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在舌尖处设置永磁铁作为舌头姿态标记物；
S2、使用传感器阵列实时测量步骤S1舌头姿态标记物的磁场强度，通过对磁信号的预处理和线性算法计算得到磁体的三维空间位置和二维方向数据，获得舌头的姿态信息；
S3、利用步骤S2确定的舌头姿态信息控制手部康复机器人执行相应操作。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2中，磁信号预处理具体为：消除步骤S1采集磁信号的零点偏移，然后将参考传感器的数据投影到其他传感器，根据磁数据计算投影矩阵的增益和偏移，将干扰磁场消除，再进行平滑处理，建立空间坐标系用于线性计算。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，经过消除干扰磁场的磁场数据featurex,y,z具体为：
featurex,y,z＝sensx,y,z-sensprjx,y,z
其中，sensx,y,z是测量磁体传感器的数据，sensprjx,y,z是参考传感器通过投影矩阵预测的干扰磁场数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，投影矩阵具体为：
其中，refsx,y,z代表的是参考传感器的数据，sensx,y,z是测量磁体传感器的数据，Ox,Oy,Oz是偏移，gxx,gyy,gzz是增益，gyx,gzx,gzy是交叉增益，干扰磁场数据具体为：
sensprjx＝refsx×gxx+refsy×gxy+refsz×gxz+Ox
sensprjy＝refsx×gyx+refsy×gyy+refsz×gyz+Oy
sensprjz＝refsx×gzx+refsy×gzy+refsz×gzz+Oz
其中，Ox,Oy,Oz是偏移，gxx,gyy,gzz是增益，gyx,gzx,gzy是交叉增益，refsx,y,z代表的是参考传感器的数据。
8.根据权利要求4所述的基于磁标记的舌控手部康复机器人系统及其操作方法，其特征在于，线性计算具体为：
建立空间直角坐标系，以传感器阵列所在平面为xy平面，坐标系原点位于传感器阵列中心位置，以垂直于传感器阵列方向为z轴，确定长度为L，直径为b，均匀磁化磁场为M0的圆柱形磁体周围的磁场强度与其位置关系用磁偶极子模型；转换为线性形式，得到磁体的二维方向值；再结合Blx，Bly和Blz的表达式求出磁体的三维位置值，实现舌头运动的追踪。
9.根据权利要求8所述的基于磁标记的舌控手部康复机器人系统及其操作方法，其特征在于，磁偶极子模型Bl表示如下：
其中，Xl为表示空间点p(xl，yl，zl)，磁铁的位置和方向分别为(a，b，c)和H0(m，n，p)，μr为介质的相对磁导率，μ0为空气磁导率，Rl为磁体与传感器的距离，Blx、Bly、Blz分别表示x、y和z轴方向的磁场强度。
10.根据权利要求4所述的基于磁标记的舌控手部康复机器人系统及其操作方法，其特征在于，步骤S3中，舌头命令包括舌头向上、下命令手部康复机器人五指抓握、张开；舌头向左、右命令手部康复机器人腕部外展、内收；舌头位于放松位置命令手部康复机器人保持不动。
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