基于面部表情驅(qū)動(dòng)腦電信號(hào)的假手控制方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及智能機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種腦電信號(hào)控制智能假手的方法及裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于交通事故、工傷、疾病等緣由的頻繁發(fā)生，上肢殘疾人數(shù)正在逐步上升。根據(jù) 我國(guó)2006年殘疾人抽樣調(diào)成數(shù)據(jù)得知，目前我國(guó)殘疾人總?cè)藬?shù)為8296萬(wàn)人，其中肢體殘 疾者為2412萬(wàn)人，占?xì)埣踩丝側(cè)藬?shù)的29. 07%。我國(guó)最早的假手以裝飾性為主并不具備太 多的功能作用，因此并不能夠輔助殘疾人完成基本的生活。隨后，功能簡(jiǎn)單的機(jī)械式假手逐 步取代了裝飾性假手，該類(lèi)假手通過(guò)預(yù)先編輯好的程序進(jìn)行工作，其功能簡(jiǎn)單并不能按照 使用者的意愿進(jìn)行工作，同時(shí)并不具備觸滑覺(jué)反饋機(jī)制。隨著生物技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電 子技術(shù)的發(fā)展，近來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛展開(kāi)了采用生物電信號(hào)做為假手的控制源信號(hào)源，該 類(lèi)假手多以肌電信號(hào)作為控制信號(hào)源，但是長(zhǎng)時(shí)間使用易肌肉疲勞影響控制精度，同時(shí)該 類(lèi)假手并不適用于一些缺乏肌肉控制力的患者，如肌萎縮側(cè)索硬化癥患者。
[0003] 腦控假手通過(guò)直接建立大腦與假手之間的"外部通道"，解決了傳統(tǒng)肌電假手由于 肌肉疲勞引起的控制精度低的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用基于運(yùn)動(dòng)想象和運(yùn)動(dòng)識(shí)別過(guò)程 中產(chǎn)生的腦電信號(hào)做為控制源，并未對(duì)基于面部表情驅(qū)動(dòng)下的腦電信號(hào)作為假手的控制信 號(hào)源進(jìn)行深入研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明在現(xiàn)有腦電信號(hào)控制智能假手方法的基礎(chǔ)上，以提高假手動(dòng)作的正確率為 目的，提供了一種新的腦電信號(hào)控制假手的方法及裝置
[0005] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種基于面部表情驅(qū)動(dòng)腦電信號(hào)的假手控制方法，包括下述步驟：
[0007] (1)受試者根據(jù)假手的四種基本動(dòng)作，作出面部相應(yīng)的四種簡(jiǎn)單表情；
[0008] (2)采集受試者在不同表情下的大腦前額葉皮層FC5、FC6位置和大腦邊緣系統(tǒng) F7、F8位置的腦電信號(hào)；
[0009] (3)對(duì)采集到的腦電信號(hào)進(jìn)行放大和帶通濾波預(yù)處理；
[0010] (4)提取預(yù)處理后腦電信號(hào)的時(shí)頻域特征值；
[0011] (5)根據(jù)時(shí)頻域特征值識(shí)別不同表情所對(duì)應(yīng)的假手基本動(dòng)作類(lèi)型；
[0012] (6)根據(jù)識(shí)別結(jié)果控制假手完成四種基本動(dòng)作。
[0013] 上述方法中，所述四種簡(jiǎn)單表情分別為提眉、皺眉、左撇嘴、右撇嘴，每種表情至少 重復(fù)3次。所述提眉對(duì)應(yīng)于控制假手五指張開(kāi)動(dòng)作；皺眉對(duì)應(yīng)于控制假手五指抓握動(dòng)作；左 撇嘴對(duì)應(yīng)于控制假手腕內(nèi)旋動(dòng)作；右撇嘴對(duì)應(yīng)于控制假手腕外旋動(dòng)作。
[0014] 一種基于面部表情驅(qū)動(dòng)腦電信號(hào)的假手控制裝置，其特征在于，包括：置于受試者 頭部的腦電采集模塊、置于受試者頭部以外身體上的便攜化信號(hào)處理模塊、戴于受試者臂 部的仿生假手以及該假手臂筒內(nèi)的控制驅(qū)動(dòng)模塊，所述腦電采集模塊將采集的FC5、FC6、 F7、F8位置腦電信號(hào)通過(guò)一藍(lán)牙傳輸模塊傳輸給信號(hào)處理模塊；信號(hào)處理模塊對(duì)接收的腦 電信號(hào)進(jìn)行特征提取與模式識(shí)別，識(shí)別結(jié)果通過(guò)一無(wú)線通信模塊發(fā)送至控制驅(qū)動(dòng)模塊，通 過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)假手完成目標(biāo)動(dòng)作。
[0015] 上述裝置中，所述假手為十一自由度的五指仿生手，每個(gè)手指均具有兩個(gè)獨(dú)立的 屈曲自由度，包括遠(yuǎn)指節(jié)、中指節(jié)和近指節(jié)，三指節(jié)之間通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)、中關(guān)節(jié)、基關(guān)節(jié)相連 接，其中遠(yuǎn)關(guān)節(jié)為耦合關(guān)節(jié)；每個(gè)手指均含有兩個(gè)微電機(jī)，一個(gè)置于手掌內(nèi)，另一個(gè)和置于 近指節(jié)內(nèi)；手掌內(nèi)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)一對(duì)錐齒輪從而帶動(dòng)基關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，近指節(jié)內(nèi)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng) 兩對(duì)反向選擇的基齒輪，從而帶動(dòng)中關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)；此外，五指中拇指的基關(guān)節(jié)還具有 一個(gè)側(cè)擺自由度。
[0016] 所述遠(yuǎn)關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)具有固定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系比，二者的角速度之比為2:3。
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0018] 1、針對(duì)傳統(tǒng)的腦控假手方法，提出來(lái)一種新的基于面部表情驅(qū)動(dòng)的腦控假手方 法，以受試者做不同面部表情時(shí)產(chǎn)生的腦電信號(hào)作為控制信息源，實(shí)現(xiàn)假手的多目標(biāo)任務(wù)， 保證了用戶操作多目標(biāo)性與高精度性。
[0019] 2、采用無(wú)線通信技術(shù)連接腦電采集模塊、信號(hào)處理模塊、以及假手驅(qū)動(dòng)控制模塊 之間的數(shù)據(jù)傳輸，提高了受試者的靈活使用空間。
[0020] 3、采用十一自由度仿生假手設(shè)計(jì)，根據(jù)人手的構(gòu)造及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)了基于齒輪 傳動(dòng)的五指十一自由度仿生假手。增加了拇指?jìng)?cè)擺自由度，實(shí)現(xiàn)假手的多功能動(dòng)作。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0022] 圖1為本發(fā)明中腦電信號(hào)采集模塊的布置示意。根據(jù)不同面部表情驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生機(jī) 理，采集受試者頭部前額葉皮層的FC5、FC6位置和位于邊緣系統(tǒng)的F7、F8位置腦電信號(hào)，選 用雙側(cè)耳后位置放置參考電極，測(cè)得的腦電信號(hào)，經(jīng)放大、濾波后傳給信號(hào)處理模塊。
[0023] 圖2為本發(fā)明中4種面部表情示意圖。其中，（a)為提眉；(b)為皺眉；(c)為左撇 嘴；（d)為右撤嘴。
[0024] 圖3為本發(fā)明控制系統(tǒng)原理圖。其中（a)為控制方法流程框圖；(b)為控制裝置 結(jié)構(gòu)框圖。
[0025] 圖4為本發(fā)明十一自由度假手結(jié)構(gòu)示意圖。其中，（a)拇指結(jié)構(gòu)；(b)其余四指結(jié) 構(gòu)；（c)五指張開(kāi)；（d)五指抓握；（e)腕內(nèi)旋；（f)腕外旋。圖中：1、遠(yuǎn)指節(jié)；2、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)；3、 中指節(jié)；4、中關(guān)節(jié)；5、近指節(jié)；6、電機(jī)A ;7、基關(guān)節(jié)；8、電機(jī)B ;9、錐齒輪；10、齒形帶；11、帶 輪；12、直齒輪。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 參考圖1、圖3(b)，本發(fā)明涉及的假手控制裝置包括置于受試者頭部的腦電信號(hào) 采集模塊310,優(yōu)先采用便攜化16通道無(wú)線腦電采集設(shè)備，選取國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)10/20下位于前額 葉皮層的FC5、FC6位置與位于邊緣系統(tǒng)的F7、F8位置的腦電信號(hào)。腦電信號(hào)采集模塊對(duì)采 集到的腦電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波之后通過(guò)藍(lán)牙傳輸模塊320,將其送入便攜化的信號(hào)處理模 塊 330。
[0027] 當(dāng)裝置開(kāi)始工作后，腦電采信號(hào)集模塊采集受試者經(jīng)表情驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的腦電信號(hào)， 經(jīng)放大、濾波后通過(guò)一種藍(lán)牙技術(shù)傳輸給信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)將腦電信號(hào)進(jìn) 行特征提取和模式識(shí)別，識(shí)別結(jié)果通過(guò)TTL串口通信技術(shù)傳輸給置于假手360臂筒內(nèi)的控 制驅(qū)動(dòng)模塊350,控制驅(qū)動(dòng)模塊將識(shí)別結(jié)果轉(zhuǎn)換為電機(jī)的控制命令完成假手目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。
[0028] 參考圖2四種簡(jiǎn)單面部表情，其中（a)為提眉，控制假手實(shí)現(xiàn)五指張開(kāi)動(dòng)作；(b) 為皺眉，控制假手實(shí)現(xiàn)五指抓握動(dòng)作；（c)為左撇嘴，控制假手實(shí)現(xiàn)腕內(nèi)旋動(dòng)作；(d)為右撇 嘴，控制假手實(shí)現(xiàn)腕外旋動(dòng)作。
[0029] 參考圖3 (a)，本發(fā)明基于面部表情驅(qū)動(dòng)的假手控制方法，當(dāng)受試者開(kāi)始面部表情 驅(qū)動(dòng)時(shí)，腦電采集設(shè)備采集前額葉皮區(qū)和邊緣系統(tǒng)腦電信號(hào)，進(jìn)行放大和帶通濾波預(yù)處理。 信號(hào)處理設(shè)備提取預(yù)處理后腦電信號(hào)的時(shí)頻域特征值，并根據(jù)時(shí)頻域特征值識(shí)別不同表情 對(duì)應(yīng)的假手基本動(dòng)作類(lèi)。最后，根據(jù)識(shí)別結(jié)果控制假手完成四種基本動(dòng)作。具體包括下述 步驟：
[0030] (1)步驟Sl 10,，采集受試者大腦前額葉皮層的FC5、FC6位置和位于大腦邊緣系統(tǒng) 的F7、F8位置腦電信號(hào)（圖1)。受試者分別做出提眉、皺眉、左撇嘴、右撇嘴、四種簡(jiǎn)單表 情之一（圖2)，同步采集FC5、FC6、F7、F8位置腦電信號(hào)。本實(shí)