[发明专利]基于精细化运动想象脑电信号控制的机械手系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于机械电子工程与神经生物学的交叉领域，尤其涉及脑机接口、机器人。

背景技术

由于脑部受损、脑部病变所导致的运动障碍疾病，如肌萎缩侧索硬化症、中风、肌萎缩、脑瘫等，其大脑的运动意图无法正常传递到肌肉组织，因此无法正常运动，最严重的病人已经失去了眨眼的能力。对于这部分病人的养护和康复训练，除了传统的人工理疗外，近些年来兴起的脑机接口技术成为了热门。脑机接口使病人的意愿通过脑电采集、分析和处理得以呈现，并控制相应的执行机构实现一些基本的活动。过去，脑机接口主要通过以下两种方法帮助病人解决生活问题，第一种是采用侵入式脑机接口，需要对病人进行开颅手术，将电极植入病人的头部，信号纯净度较高，可以实现诸如机械手抓取等功能；第二种是采用施加外刺激的非侵入式脑机接口，通过屏幕上闪烁的图像，刺激病人产生特定的脑电信号，提取出其中的VEP信号或者P300信号，对信号进行解释，并控制执行机构实现运动。第一种方式风险较大，且有道德伦理和法律等诸多问题；第二种方式需要有外部刺激，且长期刺激会产生疲劳，因此都不是可以大范围使用的方法。

在无需刺激、病人自发的脑电信号中，运动想象信号是比较容易提取的一种信号，但是在过去的理论和实践中，主要提取人体大块部位的运动想象信号，诸如左手运动想象、右手运动想象、脚部运动想象、舌头运动想象等，因为大块部位的运动想象所对应得大脑运动感觉区相对分散，空间辨识度高，但是这样导致维度过少，一般最多可以实现两维控制，可以实现的功能过于单一，无法实用化。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于精细化运动想象脑电信号控制的机械手系统及方法，使大脑受损或病变的患者可以通过意念控制机械手完成日常活动。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于精细化运动想象脑电信号控制的机械手系统，该系统包括脑电采集装置、计算机和多维度机械手；所述脑电采集装置包括电极帽、信号发送装置与信号接收装置；

所述电极帽为非侵入式电极帽，直接佩戴在操作者头顶，采集操作者运动感觉区域的脑电信号，通过信号发送装置发送到信号接收装置；

所述多维度机械手由两个机械手爪、机械手掌、机械手小臂、机械手大臂、基座五部分组成，机械手爪和机械手掌之间由手爪电机连接，机械手掌和机械手小臂之间由手腕电机连接，机械手小臂和机械手大臂之间由手肘电机连接，机械手大臂和基座由肩关节电机连接；两个手爪电机、手腕电机、手肘电机和肩关节电机均通过运动控制板卡与计算机连接；

所述信号接受装置与计算机连接，所述计算机处理脑电信号，并将控制命令发送给所述多维度机械手，控制机械手的两个手爪电机、手腕电机、手肘电机和肩关节电机运动。

进一步地，所述电极帽的电极位置对应国际通行的64导-“10/20”标准中运动感觉区域的27导，分别为：Cz、C1、C2、C3、C4、C5、C6、T7、T8、CPz、CP1、CP2、CP3、CP4、CP5、CP6、TP7、TP8、FCz、FC1、FC2、FC3、FC4、FC5、FC6、FT7、FT8。脑电信号通过电极采集，经信号发送装置发送到信号接受装置。

进一步地，该系统还包括安装在机械手爪上的红外发射器和佩戴在操作者身上与红外发射器相配对的红外接收器，以防止机械手误触操作者。

一种利用上述机械手系统控制机械手运动的方法，该方法分析低频的脑电信号，用以判断左手还是右手的运动想象，分析高频的脑电信号，用以判断手指、手肘、手腕、肩关节等精细部位的运动想象，实现4维度完全控制。将此处理方法应用于机械手，实现机械手4维度运动控制，并实现物体抓取、物体搬运等功能。可以在避免开颅手术的前提下，使失去运动能力的病人通过本发明实现一些基本的日常生活活动。该方法包括以下步骤：

(1)离线训练左右手分类器和具体运动部位分类器；具体包括以下子步骤：

(1.1)得到离线数据：操作者佩戴电极帽，坐在刺激呈现计算机前，根据刺激呈现计算机上显示的动作指令进行相应的动作想象，同时将电极帽采集的脑电信号和表征每个动作指令时间单元trail状态的刺激序列发送到数据采集计算机中。

(1.2)对步骤1.1得到的离线数据进行预处理：用CAR算法对各个导联的脑电信号进行滤波，消除空间干扰；用IIR滤波器对其进行滤波，滤波的范围为0.3Hz-250Hz；用50Hz陷波滤波器对其进行滤波，消除工频干扰；肌电和眼电明显的时段予以去除。