融合自主運動意識的下肢在線行走康復(fù)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及行走康復(fù)系統(tǒng)，具體地，涉及一種融合自主運動意識的下肢在線行走康復(fù)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]上世紀90年代末，機器外骨骼作為一種新興的康復(fù)技術(shù)，取代了傳統(tǒng)的基于康復(fù)治療師的康復(fù)模式，大大地減輕了治療師的工作量。目前，用于下肢癱瘓病人康復(fù)訓練的下肢機器外骨骼系統(tǒng)有很多，著名的有瑞士 HOCOMA公司研制的Locomat下肢康復(fù)系統(tǒng)，以及國內(nèi)璟和公司的Flexbot等。這種外骨骼機器人依靠電機提供較大的輔助力矩，可實現(xiàn)下肢各關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動。不過從康復(fù)效果看，這種方式與傳統(tǒng)的模式并無差別。一個重要的原因在于這種機器外骨骼系統(tǒng)只能提供單一重復(fù)的步態(tài)，無法融合患者的自主運動能力。
[0003]近年來，腦機接口技術(shù)發(fā)展迅猛，出現(xiàn)了不少成熟的腦機接口技術(shù)，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位就是一種。它識別率高，信息傳速快，能滿足在線控制的要求，但腦機接口產(chǎn)生的只是離散的信息。正弦發(fā)生器基于傅立葉級數(shù)理論，可生成任意連續(xù)的周期信號，通過改變正弦發(fā)生器內(nèi)每個正弦曲線的幅值、頻率及偏移即可生成不同的特征的曲線。
[0004]經(jīng)文獻檢索，中國專利公開號為CN101933874A，專利名稱為:垂直站立下肢康復(fù)系統(tǒng)，申請日為2009年07月01日。該設(shè)備在起立床的基礎(chǔ)上加入下肢踏步功能，讓患者能在站立訓練的同時做下肢踏步訓練。該裝置存在一些不足:1、該康復(fù)機器人提供的行走模式有限；2、該康復(fù)機器人不可進行實時在線控制；3、該康復(fù)機器人只提供被動式的輔助，患者的自主運動意識沒有涵蓋進去。
[0005]另一個是中國專利公開號CN101711908A，專利名稱為:針對下肢的層級式功能性電刺激康復(fù)系統(tǒng)，申請日為2009年11月30日。該發(fā)明針對下肢康復(fù)設(shè)計了一套層級式功能性電刺激康復(fù)系統(tǒng)，并增加了反饋控制功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種融合自主運動意識的下肢在線行走康復(fù)系統(tǒng)及方法，通過融合自主運動意識，能夠?qū)崿F(xiàn)多個行走模式，并實現(xiàn)實時在線控制。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種融合自主運動意識的下肢在線行走康復(fù)系統(tǒng)，仿照人體正常的神經(jīng)及運動系統(tǒng)，基于腦機接口機制，建立了整個控制系統(tǒng):腦機接口、正弦發(fā)生器和下肢機器外骨骼系統(tǒng)；
[0009]其中，腦機接口與正弦發(fā)生器之間實時通信，正弦發(fā)生器接收腦機接口發(fā)送的指令，產(chǎn)生符合大腦意圖的節(jié)律性關(guān)節(jié)角度信息，下肢機器外骨骼接收正弦發(fā)生器的角度信息，完成基本的行走模式。
[0010]優(yōu)選地，所述腦機接口采用一種增強式腦機接口一一穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)；
[0011]其中，SSVEP的優(yōu)點是穩(wěn)定、識別率高、訓練時間短等，且可實現(xiàn)在線控制的目地；SSVEP采用的刺激源是四個閃爍方塊，頻率分別為6.82Hz,8.33Hz、9.375Hz和12.5Hz，其對應(yīng)四種行走意圖，也即四種行走模式:停止、正常行走、加速、減速；SSVEP采集的大腦信號(EEG)部位為01、02、P03、P04，采集設(shè)備為一種頭盔式EEG采集儀——Emotive EPOC。其中，閃爍方塊呈現(xiàn)在電腦屏幕上，相關(guān)程序通過C++完成。
[0012]優(yōu)選地，所述SSVEP整體程序通過C++編寫完成。
[0013]優(yōu)選地，所述正弦發(fā)生器基于傅立葉級數(shù)理論生成，由一組正弦方程組成，且通過C#編與完成；
[0014]其中，正弦發(fā)生器基于傅立葉級數(shù)理論，用于計算在不同行走模式下下肢各關(guān)節(jié)角度信息；其程序?qū)崿F(xiàn)三個功能:1、顯示與SSVEP連接狀況，2、實時接收并顯示SSVEP發(fā)來的指令，3、計算并顯示個關(guān)節(jié)信息；正弦發(fā)生器在切換發(fā)生模式時通過二階微分方程保證其平緩性。
[0015]優(yōu)選地，所述SSVEP與正弦發(fā)生器間依靠套間字完成通信；
[0016]其中，套間字是一種基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊方式；通信過程中，正弦發(fā)生器相當于服務(wù)器，SSVEP相當于客戶端，客戶端先向服務(wù)器發(fā)送連接申請，服務(wù)器同意后即可實時監(jiān)聽并接受客戶端發(fā)來的信息。
[0017]優(yōu)選地，所述下肢機器外骨骼包含六個自由度；
[0018]其中，這六個自由度分別是左右下肢的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)；各關(guān)節(jié)的輔助力矩由交流伺服電機提供，并經(jīng)過減速比為36的行星減速器進行力矩放大。
[0019]優(yōu)選地，所述下肢機器外骨骼與正弦發(fā)生器間依靠運動控制卡及交流伺服系統(tǒng)進行角度信息傳遞；
[0020]其中，運動控制卡采用的是固高公司的GTS800系列；正弦發(fā)生器將各關(guān)節(jié)的角度信息發(fā)送給運動控制卡，控制卡在協(xié)調(diào)地發(fā)脈沖到交流電機驅(qū)動器，進而使電機協(xié)調(diào)運動；為實現(xiàn)實時控制，運動控制卡工作在動態(tài)PT模式(PT模式使用一系列“位置(P)、時間(T) ”數(shù)據(jù)點描述速度規(guī)劃，它有靜態(tài)PT和動態(tài)PT兩種模式。靜態(tài)PT模式下，用戶需提前將數(shù)據(jù)點存儲到控制卡中，而動態(tài)PT下，用戶可實時在線的存儲數(shù)據(jù)點，進而達到在線控制的目地)。
[0021]機器外骨骼能夠完成在線切換行走模式，且切換時平緩，瞬態(tài)時間在1.5s?2s。
[0022]優(yōu)選地，所述下肢外骨骼包含懸吊系統(tǒng)，主要克服人體重力影響，且可以調(diào)節(jié)懸吊高度。
[0023]一種融合自主運動意識的下肢在線行走康復(fù)方法，采用上述的系統(tǒng)來完成，首先將受試者懸吊至合適的高度，并將受試者下肢固定在下肢機器外骨骼上，調(diào)節(jié)下肢機器外骨骼的關(guān)節(jié)至合適人體的比例；受試者帶上腦電采集帽，調(diào)整電極位置，保證各電極接觸狀況良好；單獨運行SSVEP的C++程序，訓練解碼分類器，這部分持續(xù)一段時間，進行多次實驗；訓練完后，關(guān)閉SSVEP程序，接通運動控制卡，開啟電機電源；運行正弦發(fā)生器的C#程序，再次運行SSVEP程序，這時在正弦發(fā)生器程序界面提示SSVEP ISCONNECTED ;此后，受試者即能用自主運動意識在線實時地控制下肢機器外骨骼，使下肢機器外骨骼任意運行在正常行走、加速、減速或停止四種模式下。
[0024]所述正弦發(fā)生器主要由頻率及幅值設(shè)定單元A、正弦曲線發(fā)生單元B以及伺服系統(tǒng)單元C組成，其接收腦機接口發(fā)送的指令，產(chǎn)生符合大腦意圖的節(jié)律性關(guān)節(jié)角度信息，傳遞給下肢機器外骨骼完成相應(yīng)模式，正弦發(fā)生器的運行過程如下:
[0025]步驟1:先測量人體正常行走過程中一個周期內(nèi)的左右下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)角度信息，并通過傅立葉級數(shù)展開到二階，分別用兩個正弦函數(shù)來近似六個關(guān)節(jié)的角度變化信息；每個正弦曲線通過幅值、頻率、及偏移三個特征描述；
[0026]步驟2:當頻率及幅值設(shè)定單元A將每個正弦曲線的三個特征均設(shè)為正常值，則正弦發(fā)生器單元B生成的是正常行走情況下的六個關(guān)節(jié)角度信息；當頻率及幅值設(shè)定單元A將每個正弦曲線頻率設(shè)為2倍時，則正弦曲線發(fā)生單元B生成的是加速情況下的六個關(guān)節(jié)角度信息；當頻率及幅值設(shè)定單元A將每個正弦曲線頻率設(shè)為0.5倍時，則正弦曲線發(fā)生單元B生成的是減速情況下的六個關(guān)節(jié)角度信息；當頻率及幅值設(shè)定單元A將每個正弦曲線的幅值與偏移設(shè)為O時，則正弦曲線發(fā)生單元B生成的是停止情況下的六個關(guān)節(jié)角度信息，正弦曲線發(fā)生單元B根據(jù)頻率及幅值設(shè)定單元A的設(shè)定值生成相應(yīng)的角度信息，正弦曲線發(fā)生單元B生成的各關(guān)節(jié)角度信息通過運動控制卡分別發(fā)給六個交流電機，交流電機帶動外骨骼按設(shè)定的模式運動；
[0027]步驟3:當頻率及幅值設(shè)定單元A的設(shè)定值發(fā)生變化時，為了保證角度過渡的平緩性，相關(guān)值的變化按照二階微分方程的規(guī)律變化。
[0028]本發(fā)明與CN101711908A存在以下不同:1、采用的康復(fù)手段不一樣；2、各層的模型及層與層的通信方式不一樣。
[0029]本發(fā)明通過模仿人體正常行走的神經(jīng)及運動系統(tǒng)，能融合病人的自主運動意識于康復(fù)訓練中，為患者提供更有效的康復(fù)治療，具有以下優(yōu)點:
[0030]1.融合自主運動意識
[0031]該下肢康復(fù)系統(tǒng)的最終指令來源于患者的大腦，即是受患者的運動意識控制的。因此，整個康復(fù)訓練過程形成了一個運動意識一一外骨骼運動一一運動感受的回路，可增強康復(fù)效果。
[0032]2.能實現(xiàn)多個行走模式
[0033]本發(fā)明可實現(xiàn)停止、正常行走、加速和減速四種行走模式，且可實現(xiàn)不同模式間的平緩切換。實驗結(jié)果表明，各模式的識別率超過90%，實現(xiàn)延遲時間約為1.5?2s。
[0034]3.能實現(xiàn)實時在線控制
[0035]SSVEP信息傳輸率很高，正弦發(fā)生器的優(yōu)良瞬態(tài)特性，以及運動控制卡的動態(tài)PT模式保證了整個系統(tǒng)實時性能。
【附圖說明】
[0036]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0037]圖1是本發(fā)明的程序具體實施建模圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0039]本發(fā)明提供的融合自主運動意識的下肢在線行走康復(fù)系統(tǒng)包括腦機接口(SSVEP)、正弦發(fā)生器、下肢機器外骨骼控制系統(tǒng)。圖1展示了整體發(fā)明實施框圖，包括:SSVEP實施模塊1、腦機接口模塊2、正弦發(fā)生器模塊3、下肢機器外骨賂模塊4，機器外骨賂支架模塊5和通信模塊6。
[0040]所述SSVEP實施模塊I包括:黑底的平板電腦屏幕以及四個大小一致的閃爍方塊。其中，平板電腦的主頻是70Hz,四個