基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人及訓(xùn)練方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及訓(xùn)練裝置，尤其涉及一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人及訓(xùn)練方法。
【背景技術(shù)】
[0002]腦機(jī)接口(Brain-Computer Interface, BCI)是一種新穎的人機(jī)接口方式。其基于腦電信號(hào)，而不依賴(lài)于腦的正常輸出通路(即外周神經(jīng)和肌肉)，實(shí)現(xiàn)人腦與計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè)備通訊和控制的技術(shù)。目前大量針對(duì)脊髓損傷及脊髓側(cè)索硬化疾病的腦機(jī)接口研究見(jiàn)諸報(bào)道，合適的腦機(jī)接口裝置可幫助這類(lèi)使用者僅通過(guò)思維實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的控制(如對(duì)室內(nèi)燈的開(kāi)關(guān)、電話按鍵)、輪椅控制或?qū)ν饨涣?如通過(guò)虛擬鍵盤(pán)選擇字符)，從而提高其生活自理能力和生活質(zhì)量。而腦損傷(如腦卒中、腦癱、腦外傷、腦腫瘤)這類(lèi)疾病則是發(fā)生在可重塑的神經(jīng)組織，促進(jìn)重塑和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練均能促進(jìn)運(yùn)動(dòng)恢復(fù)，因此如何將腦機(jī)接口引入這類(lèi)腦損傷者的訓(xùn)練過(guò)程，促進(jìn)其大腦重塑，從而使其受損功能本身得到改善和提高，是一項(xiàng)巨大而有意義的挑戰(zhàn)。
[0003]傳統(tǒng)訓(xùn)練是由訓(xùn)練師幫助腦損傷者進(jìn)行，這種方式對(duì)訓(xùn)練師的體力要求高，依賴(lài)性強(qiáng)，而訓(xùn)練機(jī)器人可以將訓(xùn)練師從高強(qiáng)度的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，同時(shí)訓(xùn)練機(jī)器人所具備的穩(wěn)定、大量重復(fù)性的功能導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)可有效提升訓(xùn)練效果。因此，將腦機(jī)接口引入機(jī)器人訓(xùn)練可望更加有效地促進(jìn)腦損傷者的大腦重塑，從而較快恢復(fù)其受損功能本身。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]基于此，本發(fā)明提供一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意愿的提取和利用，通過(guò)重塑大腦神經(jīng)有效改善肢體運(yùn)動(dòng)功能。
[0005]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的提供的一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人，包括可帶動(dòng)肢體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括與所述機(jī)械結(jié)構(gòu)連接的控制部分，其中:
[0006]所述機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)有在帶動(dòng)肢體運(yùn)動(dòng)中起驅(qū)動(dòng)作用的電機(jī)；
[0007]所述控制部分包括順序連接的腦電信號(hào)采集裝置，信息處理裝置，運(yùn)動(dòng)控制卡，及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；
[0008]所述腦電信號(hào)采集裝置，用于采集腦電信號(hào)并進(jìn)行處理，將處理后的腦電信號(hào)傳遞給所述信息處理裝置；
[0009]所述信息處理裝置，用于接收并分析所述腦電信號(hào)，得到所述腦電信號(hào)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作想象類(lèi)別，發(fā)送相應(yīng)控制命令到所述運(yùn)動(dòng)控制卡；
[0010]所述運(yùn)動(dòng)控制卡，用于根據(jù)控制命令控制所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓和電流，以控制所述機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。
[0011 ] 作為一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人的可實(shí)施方式，所述腦電信號(hào)采集裝置包括電極帽和腦電采集儀，所述電極帽與所述腦電采集儀連接；
[0012]所述電極帽，用于采集腦電模擬信號(hào)，并傳輸?shù)剿瞿X電采集儀；
[0013]所述腦電采集儀，用于對(duì)所述腦電模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后得到腦電信號(hào)，并傳輸?shù)剿鲂畔⑻幚硌b置。
[0014]作為一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人的可實(shí)施方式，所述信息處理裝置為計(jì)算機(jī)。
[0015]作為一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人的可實(shí)施方式，所述控制部分還包括顯示器，所述顯示器與所述信息處理裝置連接，用于顯示訓(xùn)練的過(guò)程及訓(xùn)練結(jié)果。
[0016]作為一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人的可實(shí)施方式，所述信息處理裝置包括特征提取模塊，分類(lèi)模塊，以及控制命令發(fā)送模塊，其中:
[0017]所述特征提取模塊，用于接收所述腦電信號(hào)，對(duì)所述腦電信號(hào)進(jìn)行Mu節(jié)律頻帶提取或Beta節(jié)律頻帶提取，之后再進(jìn)行AR模型特征提取，得到所述腦電信號(hào)特征，并傳輸給所述分類(lèi)模塊進(jìn)行處理；
[0018]所述分類(lèi)模塊，用于對(duì)所述腦電信號(hào)特征采用SVM分類(lèi)方式進(jìn)行分類(lèi)，得到所述腦電波信號(hào)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作想象類(lèi)別；
[0019]所述控制命令發(fā)送模塊，用于根據(jù)所述分類(lèi)模塊的分類(lèi)結(jié)果發(fā)送相應(yīng)的控制命令到所述運(yùn)動(dòng)控制卡。
[0020]作為一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人的可實(shí)施方式，所述機(jī)械結(jié)構(gòu)為搖桿式上肢訓(xùn)練機(jī)器人結(jié)構(gòu)。
[0021]作為一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人的可實(shí)施方式，所述機(jī)械結(jié)構(gòu)包括第一電機(jī)及第一電機(jī)編碼器，第二電機(jī)及第二電機(jī)編碼器，伸縮電機(jī)及伸縮電機(jī)編碼器；
[0022]所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括與所述第一電機(jī)及所述第一電機(jī)編碼器連接的第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，與所述第二電機(jī)及第二電機(jī)編碼器連接的第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，與所述伸縮電機(jī)及伸縮電機(jī)編碼器連接的第三電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
[0023]作為一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人的可實(shí)施方式，所述信息處理裝置還包括存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)肢體訓(xùn)練的訓(xùn)練信息，以及預(yù)設(shè)的訓(xùn)練內(nèi)容。
[0024]作為一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人的可實(shí)施方式，所述動(dòng)作想象包括左手動(dòng)作想象，右手動(dòng)作想象，以及腳動(dòng)作想象。
[0025]基于同一發(fā)明構(gòu)思的一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練方法，包括以下步驟:
[0026]使用腦電信號(hào)采集裝置采集使用者的腦電信號(hào)；
[0027]根據(jù)使用者的選擇在顯示器上顯示選定的預(yù)設(shè)訓(xùn)練內(nèi)容，確定待訓(xùn)練的肢體，并提示使用者進(jìn)行動(dòng)作想象；
[0028]根據(jù)腦電采集裝置采集的使用者的腦電信號(hào)，由信息處理裝置對(duì)使用者的動(dòng)作想象進(jìn)行分類(lèi)，并根據(jù)分類(lèi)結(jié)果發(fā)出控制指令到運(yùn)動(dòng)控制卡；
[0029]運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)所述控制指令調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓和輸出電流，使肢體訓(xùn)練機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動(dòng)所述待訓(xùn)練的肢體完成預(yù)設(shè)訓(xùn)練內(nèi)容的所有動(dòng)作。
[0030]本發(fā)明的有益效果包括:
[0031]本發(fā)明提供的一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人及訓(xùn)練方法，采集使用者的腦電信號(hào)，對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行分析處理后，根據(jù)處理結(jié)果，機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動(dòng)使用者進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。由此，有利于使用者的大腦重塑，且訓(xùn)練活動(dòng)基本可由使用者自行進(jìn)行控制，控制靈活，且增強(qiáng)使用者的主動(dòng)性，使用者可根據(jù)自身實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?xùn)練。同時(shí)，本系統(tǒng)將訓(xùn)練師從高強(qiáng)度體力勞動(dòng)中解放出來(lái)。
【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1為本發(fā)明一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2為本發(fā)明一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人另一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖3為本發(fā)明一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練方法的一具體實(shí)施例的流程圖；
[0035]圖4為本發(fā)明一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人的顯示器在一具體基于軌跡的訓(xùn)練實(shí)施例中的顯示圖；
[0036]圖5為本發(fā)明一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人的顯示器在一具體基于作業(yè)的訓(xùn)練實(shí)施例中的顯示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人及訓(xùn)練方法進(jìn)行說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0038]參見(jiàn)圖1、圖2，本發(fā)明實(shí)施例的一種基于腦機(jī)接口的肢體訓(xùn)練機(jī)器人，包括可帶動(dòng)肢體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)100，還包括與所述機(jī)械結(jié)構(gòu)連接的控制部分200，其中:所述機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)有在帶動(dòng)肢體運(yùn)動(dòng)中起驅(qū)動(dòng)作用的電機(jī)110 ;所述控制部分包括順序連接的腦電信號(hào)采集裝置210，信息處理裝置220，運(yùn)動(dòng)控