方塊的閃爍頻率分別為6.82，8.33，9.375，和12.5Hz ；這部分通過C++程序完成。
[0041]所述腦機(jī)接口模塊2包括:腦電采集單元A、腦電信號(hào)在線濾波調(diào)理單元B、特征提取及模式識(shí)別單元C。其中腦電采集單元是美國(guó)的Emotive EPOC系統(tǒng)，主要采集枕葉區(qū)01，02，P03，P04四個(gè)位置的EEG信號(hào)，采樣頻率設(shè)定為128Hz，腦電信號(hào)在線濾波單元通過4階Butterworth高通濾波器(截止頻率為2Hz)完成，模式識(shí)別單元C采用線性識(shí)別分類器。腦電信號(hào)采集模塊2主要用來(lái)識(shí)別受試者的運(yùn)動(dòng)意圖:正常行走，加速，減速或停止。
[0042]所述正弦發(fā)生器模塊3包括: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。其中正弦發(fā)生器模塊3由C#編寫完成；正弦發(fā)生器模塊3的運(yùn)行過程如下:
[0043]步驟1:先測(cè)量人體正常行走過程中一個(gè)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(jí)數(shù)展開到二階，這樣，就可分別用兩個(gè)正弦函數(shù)近似六個(gè)關(guān)節(jié)的角度變化信息；每個(gè)正弦曲線可通過幅值、頻率、及偏移三個(gè)特征描述。
[0044]步驟2:當(dāng)頻率及幅值設(shè)定單元A將每個(gè)正弦曲線的三個(gè)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(gè)關(guān)節(jié)角度信息；當(dāng)頻率及幅值設(shè)定單元A將每個(gè)正弦曲線頻率設(shè)為2倍時(shí)，則正弦曲線發(fā)生單元B生成的是加速情況下的六個(gè)關(guān)節(jié)角度信息；當(dāng)頻率及幅值設(shè)定單元A將每個(gè)正弦曲線頻率設(shè)為0.5倍時(shí)，則正弦曲線發(fā)生單元B生成的是減速情況下的六個(gè)關(guān)節(jié)角度信息；當(dāng)頻率及幅值設(shè)定單元A將每個(gè)正弦曲線的幅值與偏移設(shè)為O時(shí)，則正弦曲線發(fā)生單元B生成的是停止情況下的六個(gè)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(yùn)動(dòng)控制卡分別發(fā)給伺服系統(tǒng)單元C的六個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器，再由驅(qū)動(dòng)器傳給交流電機(jī)，交流電機(jī)最終帶動(dòng)外骨骼按設(shè)定的模式運(yùn)動(dòng)；為保證實(shí)時(shí)性，運(yùn)動(dòng)控制卡選用固高的GTS800，并工作在動(dòng)態(tài)PT模式。
[0045]步驟3:當(dāng)頻率及幅值設(shè)定單元A的設(shè)定值發(fā)生變化時(shí)，為了保證角度過渡的平緩性，相關(guān)值的變化是按照二階微分方程的規(guī)律變化的。
[0046]所述下肢機(jī)器外骨骼模塊4包括:左右下肢大腿及小腿處的外骨骼。其中外骨骼每部分的長(zhǎng)度可根據(jù)受試者的下肢具體結(jié)構(gòu)而調(diào)整。
[0047]所述機(jī)器外骨骼支架模塊5包括:外骨骼支撐單元A和伺服系統(tǒng)安裝單元B。
[0048]所述通信模塊6包括:基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)流通信方式一一套間字。其中通信模塊6主要功能是連接腦機(jī)接口模塊2和正弦發(fā)生模塊3，以及將腦機(jī)接口模塊2識(shí)別的指令實(shí)時(shí)傳遞給正弦發(fā)生模塊3的頻率及幅值設(shè)定單元A，頻率及幅值設(shè)定單元A根據(jù)此指令來(lái)設(shè)定每個(gè)正弦曲線的相關(guān)值。
[0049]本發(fā)明應(yīng)用過程如下:先將受試者懸吊至合適的高度，并將受試者下肢固定在外骨骼上，調(diào)節(jié)外骨骼關(guān)節(jié)至合適人體的比例；受試者帶上腦電采集帽Emotive EP0C，調(diào)整電極位置，保證各電極接觸狀況良好；單獨(dú)運(yùn)行SSVEP(C++)程序，訓(xùn)練解碼分類器，這部分持續(xù)120s，共24次實(shí)驗(yàn)；訓(xùn)練完后，關(guān)閉SSVEP程序，接通運(yùn)動(dòng)控制卡，開啟電機(jī)電源；運(yùn)行正弦發(fā)生器(C#)程序，再次運(yùn)行SSVEP程序，這時(shí)在正弦發(fā)生器程序界面會(huì)提示“SSVEP ISCONNECTED” ;此后，受試者即可用自主運(yùn)動(dòng)意識(shí)在線實(shí)時(shí)地控制下肢機(jī)器外骨骼，使外骨骼任意運(yùn)行在四種模式下:正常行走，加速，減速或停止。
[0050]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種融合自主運(yùn)動(dòng)意識(shí)的下肢在線行走康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，仿照人體正常的神經(jīng)及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，基于腦機(jī)接口機(jī)制，建立整個(gè)控制系統(tǒng)，包括腦機(jī)接口、正弦發(fā)生器和下肢機(jī)器外骨骼；其中，腦機(jī)接口解碼出自主運(yùn)動(dòng)意圖，將命令實(shí)時(shí)發(fā)送給正弦發(fā)生器，正弦發(fā)生器接收腦機(jī)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，并輸出到下肢機(jī)器外骨骼，控制下肢機(jī)器外骨骼完成停止、正常行走、加速、減速四種基本的行走模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合自主運(yùn)動(dòng)意識(shí)的下肢在線行走康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，所述腦機(jī)接口采用穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位方式，即SSVEP，根據(jù)大腦枕葉區(qū)在不同刺激下的電位來(lái)進(jìn)行腦部活動(dòng)解碼，采用腦電采集單元完成對(duì)枕葉區(qū)四個(gè)區(qū)域01、02、P03、P04進(jìn)行電位米集。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的融合自主運(yùn)動(dòng)意識(shí)的下肢在線行走康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，所述SSVEP采用的刺激源是四個(gè)閃爍方塊，頻率為6.82Hz,8.33Hz、9.375Hz、和12.5Hz，分別對(duì)應(yīng)于停止、正常行走、加速、減速四種運(yùn)動(dòng)模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的融合自主運(yùn)動(dòng)意識(shí)的下肢在線行走康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，所述正弦發(fā)生器基于傅立葉級(jí)數(shù)理論建立，并通過C#編程完成，正弦發(fā)生器由一組正弦方程描述，它根據(jù)SSVEP發(fā)送的指令，設(shè)定每個(gè)正弦方程的參數(shù)，產(chǎn)生符合大腦意圖的節(jié)律性關(guān)節(jié)角度信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的融合自主運(yùn)動(dòng)意識(shí)的下肢在線行走康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，所述正弦發(fā)生器程序包括三部分信息； 其中，第一部分指示與SSVEP的連接情況；第二部分實(shí)時(shí)顯示SSVEP發(fā)送的指令；第三部分實(shí)時(shí)顯示關(guān)節(jié)角度信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的融合自主運(yùn)動(dòng)意識(shí)的下肢在線行走康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，所述SSVEP與正弦發(fā)生器的通信通過套間字方式完成，基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，通信過程中正弦發(fā)生器作為服務(wù)器，SSVEP作為客戶端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合自主運(yùn)動(dòng)意識(shí)的下肢在線行走康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，所述下肢外骨骼有左右下肢的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)六個(gè)自由度，其中，六個(gè)關(guān)節(jié)的輔助力矩由六個(gè)交流電機(jī)提供，輸出力矩通過行星減速器進(jìn)行放大；電機(jī)控制通過上位機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制卡與驅(qū)動(dòng)器協(xié)調(diào)完成，正弦發(fā)生器將各關(guān)節(jié)的角度信息發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制卡，控制卡再協(xié)調(diào)地發(fā)脈沖到交流電機(jī)，進(jìn)而使電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，運(yùn)動(dòng)控制卡工作在動(dòng)態(tài)PT模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合自主運(yùn)動(dòng)意識(shí)的下肢在線行走康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，所述下肢外骨骼配有懸吊裝置，用來(lái)克服重力的影響。
9.一種融合自主運(yùn)動(dòng)意識(shí)的下肢在線行走康復(fù)方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)來(lái)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(jī)器外骨骼上，調(diào)節(jié)下肢機(jī)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(dú)運(yùn)行SSVEP的C++程序，訓(xùn)練解碼分類器，這部分持續(xù)一段時(shí)間，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)；訓(xùn)練完后，關(guān)閉SSVEP程序，接通運(yùn)動(dòng)控制卡，開啟電機(jī)電源；運(yùn)行正弦發(fā)生器的C#程序，再次運(yùn)行SSVEP程序，這時(shí)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(yùn)動(dòng)意識(shí)在線實(shí)時(shí)地控制下肢機(jī)器外骨骼，使下肢機(jī)器外骨骼任意運(yùn)行在正常行走、加速、減速或停止四種模式下。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的融合自主運(yùn)動(dòng)意識(shí)的下肢在線行走康復(fù)方法，其特征在于，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(jī)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(jī)器外骨骼完成相應(yīng)模式，正弦發(fā)生器的運(yùn)行過程如下: 步驟1:先測(cè)量人體正常行走過程中一個(gè)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(jí)數(shù)展開到二階，分別用兩個(gè)正弦函數(shù)來(lái)近似六個(gè)關(guān)節(jié)的角度變化信息；每個(gè)正弦曲線通過幅值、頻率、及偏移三個(gè)特征描述； 步驟2:當(dāng)頻率及幅值設(shè)定單元A將每個(gè)正弦曲線的三個(gè)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(gè)關(guān)節(jié)角度信息；當(dāng)頻率及幅值設(shè)定單元A將每個(gè)正弦曲線頻率設(shè)為2倍時(shí)，則正弦曲線發(fā)生單元B生成的是加速情況下的六個(gè)關(guān)節(jié)角度信息；當(dāng)頻率及幅值設(shè)定單元A將每個(gè)正弦曲線頻率設(shè)為0.5倍時(shí)，則正弦曲線發(fā)生單元B生成的是減速情況下的六個(gè)關(guān)節(jié)角度信息；當(dāng)頻率及幅值設(shè)定單元A將每個(gè)正弦曲線的幅值與偏移設(shè)為O時(shí)，則正弦曲線發(fā)生單元B生成的是停止情況下的六個(gè)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(yùn)動(dòng)控制卡分別發(fā)給六個(gè)交流電機(jī)，交流電機(jī)帶動(dòng)外骨骼按設(shè)定的模式運(yùn)動(dòng)； 步驟3:當(dāng)頻率及幅值設(shè)定單元A的設(shè)定值發(fā)生變化時(shí)，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。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種融合自主運(yùn)動(dòng)意識(shí)的下肢在線行走康復(fù)系統(tǒng)及方法，仿照人體正常行走的神經(jīng)及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)而建立，包括腦機(jī)接口，正弦發(fā)生器和下肢機(jī)器外骨骼；腦機(jī)接口解碼出自主運(yùn)動(dòng)意圖，將命令實(shí)時(shí)發(fā)送給正弦發(fā)生器；正弦發(fā)生器接收腦機(jī)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，并輸出到下肢機(jī)器外骨骼，控制下肢機(jī)器外骨骼完成停止、正常行走、加速、減速四種基本的行走模式。本發(fā)明通過這種控制模式，可將受試者的自主運(yùn)動(dòng)意識(shí)融合到康復(fù)訓(xùn)練中；并可實(shí)現(xiàn)四種基本的行走模式：停止，正常行走，加速和減速；可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線控制，并保證平緩的運(yùn)動(dòng)和模式間的切換。本發(fā)明切實(shí)可行，可提高現(xiàn)有外骨骼系統(tǒng)的康復(fù)效果。
【IPC分類】A61H3-00
【公開號(hào)】CN104606030
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510006076
【發(fā)明人】桂凱, 張定國(guó), 任勇, 陳杰
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月6日