[发明专利]一种基于意念控制的智能假肢运动系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于控制领域，涉及一种基于意念控制的智能假肢运动系统及其控制方法。

背景技术

当今社会，成百上千万人因为疾病、工伤、战争、交通事故以及一些意外伤害而被迫截肢。随着现代化进程的加快，这一数字正以惊人的速度增长。据调查，我国现有肢体残疾人约6000万，完全依靠国外产品满足国内残疾人的需求在近期希望渺茫。20世纪后半期，假肢技术取得了飞速发展。传统假肢控制方式主要是将电极植入患者身体与假肢接触部位，并利用电极所采集的肌电信号控制假肢运动。植入式设备给患者带来诸多痛苦，设备会随时间发生老化，身体会对设备做出排斥的反应，损害健康。而且肌电电极位置的改变也会使肌电的特征值发生变化，会造成控制准确度难以提高。因此传统假肢控制方式不仅会给使用者的身体带来诸多的隐患，且控制模式单一、精确度不高。

意念驱动控制假肢是一种新型高效的方法，其生理基础是大脑中想象手臂的某种动作，从而在大脑皮层产生相应的电极信号。通过头盔采集相应的头皮脑电信号，利用蓝牙通信以及信息处理器将信号作用于智能假肢，从而实现其自由灵活地动作，且无需与身体接触。基于这种方式，很好地克服了传统假肢控制系统的缺点，具备灵活、安全、准确率高、模式类别多等优点。因此一套完整的意念驱动控制假肢的系统不仅是科研的重心，同时也有庞大的市场需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的现有假肢系统识别模式单一、普适性不高的问题，采用双模式控制思想实现脑电信号对智能假肢的无线控制，提供了一种基于意念控制的智能假肢运动系统，并且给出了完整的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种意念控制的智能假肢运动系统，包括脑电采集模块、脑电分析模块、驱动控制模块和关节角度反馈模块；

所述脑电采集模块采集大脑皮层脑电信号，并对大脑皮层脑电信号进行放大和模数转换，大脑皮层脑电信号由蓝牙模块传入脑电分析模块；

所述脑电分析模块对传入的大脑皮层脑电信号进行特征提取和模式识别，将模式识别结果传入驱动控制模块；

所述驱动控制模块根据输入的模式识别结果调取预存于存储器中相应模式的角度位置信息，并结合角度传感器反馈的角度信息形成控制指令，从而驱动相应关节处电机组完成对应指令；

所述关节角度反馈模块利用分布于各关节处的角度传感器，实时测量运动过程中各关节在X轴和Y轴的角度信息，并反馈给驱动控制模块。

技术方案中所述脑电采集模块嵌入于可调节式电极帽中，电极帽外接16个电极槽，位置按照国际10/20系统分布于Fp1、Fp2、F3、F4、F7、F8、C3、C4、T3、T4、P3、P4、T5、T6、A1、A2，除A1和A2两个参考电极外，其余电极位置使用者能够根据自身情况有选择的使用。

技术方案中所述脑电分析模块和驱动控制模块都嵌入于同一TMS320LF2407DSP芯片中；

所述TMS320LF2407DSP为核心控制器，TMS320LF2407DSP芯片外连接多个并行外设，包括：蓝牙接收器，用于接收信号；电机，用于执行各关节运动；存储器，用于存储数据；电源，用于给芯片供电；角度传感器，用于测量各关节角度；按键，用于输入键值；显示器，用于显示功能选项。

技术方案中所述关节角度反馈模块由分布于指关节、腕关节、肘关节和肩关节处的角度传感器构成，所述角度传感器采用LCA328T双轴倾角传感器，测量轴为X轴和Y轴，量程为-90°～90°。

技术方案中所述电机组设为四个电机组，四个电机组协同控制：电机组A由两个电机构成，位于肘关节，一个电机控制小臂屈伸，一个电机控制小臂转动；电机组B由两个电机构成，位于肩关节，一个电机控制大臂屈伸，一个电机控制大臂转动；电机组C由一个电机构成，位于腕关节，控制手腕摆动；电机组D由一个电机构成，位于指关节，控制手指张合。

技术方案中所述意念控制的智能假肢运动系统的控制方法包括：训练模式下的控制方法和使用模式下的控制方法，训练模式和使用模式之间通过按键切换；

在训练模式下，除静息状态外，其他状态脑电信号根据自身需求有选择的录入，静息状态为必录入选项，以保证系统的精准控制；

当使用者第一次使用时，需要将系统切换至训练模式，将使用者相应脑电信号与模式类别进行自定义设置，并对相应脑电信号形成记忆；

当使用者完成训练模式下的脑电信号录入，将系统状态切换至使用模式，使用者能够发出相应的脑电信号以控制手臂执行对应动作。