CN202223388U

CN202223388U - 一种可穿戴的脑控智能假肢

Info

Publication number: CN202223388U
Application number: CN 201120319894
Authority: CN
Inventors: 张小栋; 李耀楠; 黄朝翔
Original assignee: Suzhou Academy of Xian Jiaotong University
Current assignee: Suzhou Academy of Xian Jiaotong University
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2021-08-30

Abstract

本实用新型公开了一种可穿戴的脑控智能假肢，包括可穿戴式脑电信号检测传感器装置，布置在人头部的皮肤干电极，负责检测、感知脑电信号；可穿戴式脑电信号采集放大装置，可以戴于人体头部，将脑电信号检测传感器装置检测的信号进行收集，并对脑电信号进行滤波放大处理；可穿戴式脑电信号识别装置，采用基于 ARM11 的嵌入式微处理器，将从可穿戴式脑电信号采集放大装置无线传输来的信号进行特征提取，以及人对假肢运动意图的模式识别；可穿戴式智能假肢驱动控制装置，用以接收意图识别结果和假肢智能感知信息，用以对智能假肢进行精密自适应的控制，驱动假肢本体完成相应的动作；智能假肢的感知装置，可以提供智能假肢的运动状态和环境感知反馈信息。该发明实现了脑电检测识别的穿戴式检测与计算，并结合智能感知技术对假肢实现了精密自适应的智能控制，可以直接穿戴在人体进行使用，避免了肌电控制的不足，提高了假肢动作的效率与精度，较理想的实现人手功能。该发明可以适用于上臂残疾人使用的神经义肢手的驱动控制。

Description

一种可穿戴的脑控智能假肢

技术领域

本发明属于人肢体的可穿戴智能替代物及其精密控制领域，具体涉及了一种可穿戴的脑控智能假肢。

背景技术

在我国经济不断发展的同时，残疾人福利事业也逐渐成为了促进社会和谐发展与进步的重点，加大残疾人福利事业发展的力度能够起到减小社会压力、减轻家庭负担、提高残疾人生活质量的作用。根据2006年全国残疾人数量统计显示，各类残疾人总量和占总人口比例都有所上升，而肢体残疾2412万人，占残疾人总数的29.07％，其中因为截肢、肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS）、成骨不全症（Osteogenesis Imperfecta，OI）等缺乏肢体行动能力或肌肉控制能力的残疾人数量众多。现阶段我国上肢残疾患者仍有部分未使用假肢，然而已安装的假肢多数则是装饰性，以及功能简单的机械式或肌电假肢，这类假肢不适用于不能产生良好肌电信号的患者，且其功能相对简单，不够灵活、智能，并不能满足上述残疾人的需要，灵巧实用的智能假肢在国内市场上有大量潜在需求。传统肌电假肢不适用于一些缺乏肌肉控制能力的患者，且使用过程中肌肉疲劳引起的肌电变化也影响了假肢的使用，现有阶段解决这一问题的可行方法是通过脑机接口技术（Brain Machine Interface，BMI）直接建立大脑和假肢之间的“外部神经”。目前用于人体的脑控假肢及其控制系统尚存在着各种不同的问题。侵入式的脑机接口尽管在信号质量上有明显优势，但要在人体上植入电极仍然存在实验技术、伦理道德等诸多问题；非侵入式脑控装备及其检测设备尚不能小型化、便携化，安装过程不够简便，不能作为产品投入使用；假肢本体也未利用感知信息融合技术提高假肢作业能力，形成智能假肢；此外非常重要的是脑控智能假肢控制器的可穿戴化、便携化问题，信号分析和控制程序不应是在PC机或笔记本上完成，而是应该利用可穿戴计算和嵌入式技术将相关设备微小化、便携化。

发明内容

本发明目的是：本发明采用非侵入式脑机接口技术与智能假肢的精密自适应控制技术结合驱动智能假肢，并采用了可穿戴计算和嵌入式技术将系统设备微小化、可穿戴，实现了一种可穿戴的脑控智能假肢系统。

本发明的技术方案是：一种可穿戴的脑控智能假肢，包括：

可穿戴式脑电信号检测传感器装置，通过布置于大脑头皮层的皮肤干电极检测脑电信号；

可穿戴式脑电信号采集放大装置，穿戴于人体头部，将脑电信号检测传感装置检测的信号进行采集、滤波和放大处理，并传输到脑电信号的识别装置；

可穿戴式脑电信号识别装置，将从脑电信号的采集放大装置得到的信号进行特征提取、大脑意图模式识别，并将最终识别的结果发送给可穿戴式智能假肢驱动控制装置；

可穿戴式智能假肢驱动控制装置，在得到可穿戴式脑电信号识别装置传入的识别结果后，驱动智能假肢本体完成相应动作并处理智能假肢的感知装置的反馈信息；

智能假肢的感知装置，利用布置于智能假肢本体的传感器，感知智能假肢运动状态并反馈给可穿戴式智能假肢驱动控制装置，完成智能假肢的精密自适应控制过程。

进一步的，所述可穿戴式脑电信号检测传感器装置固定在可穿戴式脑电信号采集放大装置上。

进一步的，所述的可穿戴式脑电信号采集放大装置为头戴式，佩戴于人体头部，所获得的脑电信号通过蓝牙传送给所述可穿戴式脑电信号识别装置。

进一步的，所述智能假肢的感知装置，包括安装于假肢手部的3维惯性传感器、安装于假肢手指的PVDF触滑觉传感器和力传感器。

进一步的，所述可穿戴式脑电信号识别装置的微处理器为ARM11。

进一步的，所述可穿戴式智能假肢驱动控制装置与可穿戴式脑电信号识别装置共用一块ARM11微处理器作为主控制器。

一种脑电驱动的智能假肢的控制方法，包括以下步骤：

（1）根据脑电控制智能假肢的脑皮层位置采集脑电信号；

（2）将所采集的脑电信号进行采集滤波和放大预处理；

（3）对预处理过的脑电信号进行特征提取和模式识别；

（4）根据模式识别的结果驱动智能假肢进行相应的模式动作；

（5）以智能假肢的动作状态和环境感知信息，以及动作模式前后关系作为反馈，进行智能假肢的精密自适应控制；

（6）通过智能假肢精密自适应控制和人体视觉反馈完成人脑对智能假肢控制过程。

本发明的优点是：

可直接佩戴于人体头部；脑电信号通过无线传输到基于ARM11的微处理器进行分析识别；识别结果通过数据传输接口函数发送给智能假肢控制器，并控制假肢本体动作；由安装于假肢本体的多种感知传感器将假肢状态和环境信息反馈给智能假肢控制器，自适应的调节假肢的动作过程，由此形成了一套智能假肢的精密自适应自控制环路，同时结合人体的视觉反馈可以完成整个假肢的动作过程。本发明将传统的脑机接口、脑电信号的处理等装置进行了可穿戴、便携化开发与设计，使得脑电控制智能假肢可穿戴化，克服了传统的基于PC或笔记本的脑电分析设备不便携等缺点，使得脑电控制设备的服务面更加广。智能假肢的设计，实现了假肢的精密自适应控制，智能传感器的安装对假肢的感知、控制、所能完成的动作都有很大的帮助与提高。一种可穿戴的脑控智能假肢成功实现了智能假肢的可穿戴性，为不能采用肌电控制假肢的患者提供了新型假肢，满足了假肢更高的智能性、灵活性与功能性的要求。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1本发明为一种可穿戴的脑控智能假肢系统结构示意图。

图2为本发明一种可穿戴的脑控智能假肢的系统框图。

图3为本发明一种可穿戴脑控智能假肢的脑电帽示意图。

图4为本发明一种可穿戴脑控智能假肢驱动假肢运动示意图。

其中：1脑电信号传输介质；2脑电信号放大器；3脑电信号检测传感器；4脑电帽穿戴口；5脑电信号检测装置开关；6脑电信号放大器开关；7控制器盒；8拇指、食指、中指指尖的智能传感器；9机械传递装置；10机械传递装置；11肩关节电机；12肘关节电机；13肘关节电机；14腕关节电机；15手部关节电机；16装饰性手指：无名指、小拇指。

具体实施方式

实施例：如图1、图2所示的可穿戴的脑控智能假肢包括：可穿戴式脑电信号检测传感器装置，通过布置于大脑头皮层的皮肤干电极检测脑电信号；

本发明中，核心控制器选择采用基于ARMv6处理器架构的ARM11，可满足高性能系统的大量数据存取需求，其高达32位的指令集体系结构，提供更低的功耗、更高的性能、更短的编码。为脑电信号的实时处理提供了保障。

一种可穿戴的脑控智能假肢的驱动控制过程，其具体可以包括以下几个步骤：

（1）当人看到想要抓取的物体，此时大脑皮层产生相应的脑电信号，但此时信号会比较微弱，通过视觉的诱发，可以增强产生的脑电信号，即通过自发脑电与诱发脑电混合的模式产生脑电信号。

（2）脑电信号产生后，通过人的脑部穿戴的皮肤干电极等检测装置，检测大脑皮层所产生的脑电信号。

（3）检测到的脑电信号传送到采集脑电信号的专用放大器，然后对检测到的脑电信号进行滤波、放大预处理。

为了实现可穿戴的智能假肢，以上所说的脑电信号的检测模块，脑电信号的放大器，都通过集成制造工艺整合在一个可穿戴的脑电帽中，放大器为微伏级生物电信号放大采集器。这样使得脑电信号的检测与处理部分可以很方便的为患者使用，大大提高了实用性。

（4）将进行过预处理的脑电信号通过无线传输到ARM11微处理器中，对脑电信号进行特征提取与智能假肢动作意图的模式识别。

为了实现可穿戴，微处理器采用ARM11，同时还有其存储器，外设器件与I/O端口，所需控制器等，这些硬件设备都通过集成制造工艺使之便携化、可穿戴化。再通过嵌入式操作系统，使微处理器能够脑电信号进行特征提取与智能假肢动作意图的模式识别。主要是对手静止、手抓取、手张开、腕关节内旋转、腕关节外旋转、肘关节屈、肘关节伸、肩关节内收、肩关节外展、肩关节前伸和肩关节后屈11个状态进行特征提取和模式识别。

（5）通过微处理器的脑电信号传送至智能假肢的驱动装置，以此驱动智能假肢完成相应的动作。

微处理器与智能假肢之间采用无线连接，这样使得整个系统更加简单，使用起来更加方便。通过微处理器对脑电信号的特征提取与智能假肢动作意图的模式识别，驱动不同的关节电机控制智能假肢完成动作，通过一系列的控制，最终完成抓取物体。

（6）智能假肢上传感器获得的信号作为反馈传送给智能假肢的驱动装置，并结合视觉来实现智能假肢的精密自适应控制。

智能假肢上装有的3维惯性、力传感器和PVDF触滑觉传感器，感知智能假肢运动状态并反馈给可穿戴式智能假肢驱动控制装置，完成智能假肢的精密自适应控制过程。这样提高了智能假肢控制的精度，使假肢的感知与动作更加类人化。

一种可穿戴的脑控智能假肢，其脑电信号检测传感器装置与脑电信号采集放大装置都高度集成在一个可穿戴的脑电帽中，脑电帽的基本组成与穿戴方式采用如下措施：

（1）如图3所示的脑电帽与头戴式的耳机很相似，但与大脑皮层接触的范围相比耳机要大一些，使检测装置能够与大脑皮层上的特殊点作用，实现脑电信号的检测。

（2）脑电帽的两侧内部集成有脑电信号的放大器，用于对检测到的脑电信号进行滤波与放大，为后边的特征提取与模式识别做准备。

（3）本发明的脑电帽，其两端按照一般人的耳后形状，设计了穿戴口，使得脑电帽的穿戴变得简单易行，通过高识别率与信息传输率的脑机接口，获得脑电信号。

（4）本发明的脑电帽，其右端设计有无线传输与脑电帽电源开关，将脑电帽戴上后，等待其他装置处于准备好的状态后，即可打开电源与无线传输开关，使整个系统运转起来。

一种可穿戴的脑控智能假肢，其智能假肢所完成的动作是通过可穿戴式脑电信号识别装置所发送的识别结果并转化为对应的智能假肢各运动关节电机的运动指令，驱动关节电机完成的。其控制电机与智能传感器的分布如下，其运动示意图如图4所示。

（1）本发明中，机械手设计了拇指、食指、中指这三个人类使用频率最高的手指，根据仿人形设计，手指共有三个自由度。机械手的腕部由两个电机控制，实现旋转与屈曲。

（2）智能传感器安装在机械手的手指上，每个手指指尖上均装有PVDF触滑觉传感器、压力传感器，手上装有3维惯性传感器，以此来检测抓取物体时的接触力、抓紧程度与平衡度，实现智能假肢的作用并为智能假肢的精密自适应控制提供基础。

（3）所发明的智能假肢，其机械臂肘关节与肩关节都分别装有两个电机。肘部电机主要实现小臂的屈伸与旋转，肩部的电机主要实现肩关节的内收、外展、前伸和后驱。

（4）所发明的智能假肢，总共由九个电机进行精密控制，腕关节、肘关节、肩关节分别采用两个电机进行控制，机械手的控制，包括手指的张合与一定的分开，本发明中考虑到人的拇指的灵活性，在其根部增加了控制电机，实现仿人形设计,因此,整个手部采用三个电机进行控制。

（5）本发明中，整个智能假肢的控制是通过脑电信号的特征提取与智能假肢的动作模式识别驱动相应的智能假肢的关节电机完成动作。控制过程中不仅包括了关节电机的控制，还包括相应的机械传递单元的作用，二者协调配合，完成驱动控制。

Claims

1.一种可穿戴的脑控智能假肢，其特征在于，包括：通过布置于大脑头皮层的皮肤干电极检测脑电信号的可穿戴式脑电信号检测传感器装置，穿戴于人体头部的可穿戴式脑电信号采集放大装置，可穿戴式脑电信号识别装置，可穿戴式智能假肢驱动控制装置和智能假肢的感知装置，所述可穿戴式脑电信号检测传感器装置与可穿戴式脑电信号采集放大装置相连，所述可穿戴式脑电信号采集放大装置与可穿戴式脑电信号识别装置相连。

2.根据权利要求1所述的可穿戴的脑控智能假肢，其特征在于，所述可穿戴式脑电信号检测传感器装置固定在可穿戴式脑电信号采集放大装置上。

3.根据权利要求1所述的可穿戴的脑控智能假肢，其特征在于，所述的可穿戴式脑电信号采集放大装置为头戴式，佩戴于人体头部，所获得的脑电信号通过蓝牙传送给所述可穿戴式脑电信号识别装置。

4.根据权利要求1所述的可穿戴的脑控智能假肢，其特征在于，所述智能假肢的感知装置，包括安装于假肢手部的3维惯性传感器、安装于假肢手指的PVDF触滑觉传感器和力传感器。

5.根据权利要求1所述的可穿戴的脑控智能假肢，其特征在于，所述可穿戴式脑电信号识别装置的微处理器为ARM11。

6.根据权利要求5所述的可穿戴的脑控智能假肢，其特征在于，所述可穿戴式智能假肢驱动控制装置与可穿戴式脑电信号识别装置共用一块ARM11微处理器作为主控制器。