基于精細(xì)化運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)控制的機(jī)械手系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械電子工程與神經(jīng)生物學(xué)的交叉領(lǐng)域，尤其設(shè)及腦機(jī)接口、機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于腦部受損、腦部病變所導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)障礙疾病，如肌萎縮側(cè)索硬化癥、中風(fēng)、肌 萎縮、腦擁等，其大腦的運(yùn)動(dòng)意圖無(wú)法正常傳遞到肌肉組織，因此無(wú)法正常運(yùn)動(dòng)，最嚴(yán)重的 病人已經(jīng)失去了巧眼的能力。對(duì)于運(yùn)部分病人的養(yǎng)護(hù)和康復(fù)訓(xùn)練，除了傳統(tǒng)的人工理療外， 近些年來(lái)興起的腦機(jī)接口技術(shù)成為了熱口。腦機(jī)接口使病人的意愿通過(guò)腦電采集、分析和 處理得W呈現(xiàn)，并控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一些基本的活動(dòng)。過(guò)去，腦機(jī)接口主要通過(guò)W下 兩種方法幫助病人解決生活問(wèn)題，第一種是采用侵入式腦機(jī)接口，需要對(duì)病人進(jìn)行開(kāi)煩手 術(shù)，將電極植入病人的頭部，信號(hào)純凈度較高，可W實(shí)現(xiàn)諸如機(jī)械手抓取等功能；第二種是 采用施加外刺激的非侵入式腦機(jī)接口，通過(guò)屏幕上閃爍的圖像，刺激病人產(chǎn)生特定的腦電 信號(hào)，提取出其中的VEP信號(hào)或者P300信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解釋?zhuān)⒖刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。第 一種方式風(fēng)險(xiǎn)較大，且有道德倫理和法律等諸多問(wèn)題;第二種方式需要有外部刺激，且長(zhǎng)期 刺激會(huì)產(chǎn)生疲勞，因此都不是可W大范圍使用的方法。
[0003] 在無(wú)需刺激、病人自發(fā)的腦電信號(hào)中，運(yùn)動(dòng)想象信號(hào)是比較容易提取的一種信號(hào)， 但是在過(guò)去的理論和實(shí)踐中，主要提取人體大塊部位的運(yùn)動(dòng)想象信號(hào)，諸如左手運(yùn)動(dòng)想象、 右手運(yùn)動(dòng)想象、腳部運(yùn)動(dòng)想象、舌頭運(yùn)動(dòng)想象等，因?yàn)榇髩K部位的運(yùn)動(dòng)想象所對(duì)應(yīng)得大腦運(yùn) 動(dòng)感覺(jué)區(qū)相對(duì)分散，空間辨識(shí)度高，但是運(yùn)樣導(dǎo)致維度過(guò)少，一般最多可W實(shí)現(xiàn)兩維控制， 可W實(shí)現(xiàn)的功能過(guò)于單一，無(wú)法實(shí)用化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于精細(xì)化運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào) 控制的機(jī)械手系統(tǒng)及方法，使大腦受損或病變的患者可W通過(guò)意念控制機(jī)械手完成日?；?動(dòng)。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過(guò)W下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種基于精細(xì)化運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào) 控制的機(jī)械手系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括腦電采集裝置、計(jì)算機(jī)和多維度機(jī)械手;所述腦電采集裝置 包括電極帽、信號(hào)發(fā)送裝置與信號(hào)接收裝置；
[0006] 所述電極帽為非侵入式電極帽，直接佩戴在操作者頭頂，采集操作者運(yùn)動(dòng)感覺(jué)區(qū) 域的腦電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)發(fā)送裝置發(fā)送到信號(hào)接收裝置；
[0007] 所述多維度機(jī)械手由兩個(gè)機(jī)械手爪、機(jī)械手掌、機(jī)械手小臂、機(jī)械手大臂、基座五 部分組成，機(jī)械手爪和機(jī)械手掌之間由手爪電機(jī)連接，機(jī)械手掌和機(jī)械手小臂之間由手腕 電機(jī)連接，機(jī)械手小臂和機(jī)械手大臂之間由手肘電機(jī)連接，機(jī)械手大臂和基座由肩關(guān)節(jié)電 機(jī)連接;兩個(gè)手爪電機(jī)、手腕電機(jī)、手肘電機(jī)和肩關(guān)節(jié)電機(jī)均通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制板卡與計(jì)算機(jī)連 接；
[000引所述信號(hào)接受裝置與計(jì)算機(jī)連接，所述計(jì)算機(jī)處理腦電信號(hào)，并將控制命令發(fā)送 給所述多維度機(jī)械手，控制機(jī)械手的兩個(gè)手爪電機(jī)、手腕電機(jī)、手肘電機(jī)和肩關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn) 動(dòng)。
[0009] 進(jìn)一步地，所述電極帽的電極位置對(duì)應(yīng)國(guó)際通行的64導(dǎo)-"10/20"標(biāo)準(zhǔn)中運(yùn)動(dòng)感覺(jué) 區(qū)域的 27 導(dǎo)，分別為：Cz、Cl、C2、C3、C4、C5、C6、T7、T8、CPz、CPl、CP2、CP3、CP4、CP5、CP6、TP7、 TP8、FCz、FC1、FC2、FC3、FC4、FC5、FC6、FT7、FT8。腦電信號(hào)通過(guò)電極采集，經(jīng)信號(hào)發(fā)送裝置發(fā) 送到信號(hào)接受裝置。
[0010] 進(jìn)一步地，該系統(tǒng)還包括安裝在機(jī)械手爪上的紅外發(fā)射器和佩戴在操作者身上與 紅外發(fā)射器相配對(duì)的紅外接收器，W防止機(jī)械手誤觸操作者。
[0011] -種利用上述機(jī)械手系統(tǒng)控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的方法，該方法分析低頻的腦電信號(hào)， 用W判斷左手還是右手的運(yùn)動(dòng)想象，分析高頻的腦電信號(hào)，用W判斷手指、手肘、手腕、肩關(guān) 節(jié)等精細(xì)部位的運(yùn)動(dòng)想象，實(shí)現(xiàn)4維度完全控制。將此處理方法應(yīng)用于機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手4 維度運(yùn)動(dòng)控制，并實(shí)現(xiàn)物體抓取、物體搬運(yùn)等功能。可W在避免開(kāi)煩手術(shù)的前提下，使失去 運(yùn)動(dòng)能力的病人通過(guò)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)一些基本的日常生活活動(dòng)。該方法包括W下步驟：
[0012] (1)離線(xiàn)訓(xùn)練左右手分類(lèi)器和具體運(yùn)動(dòng)部位分類(lèi)器;具體包括W下子步驟：
[0013] (1.1)得到離線(xiàn)數(shù)據(jù):操作者佩戴電極帽，坐在刺激呈現(xiàn)計(jì)算機(jī)前，根據(jù)刺激呈現(xiàn) 計(jì)算機(jī)上顯示的動(dòng)作指令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作想象，同時(shí)將電極帽采集的腦電信號(hào)和表征每個(gè) 動(dòng)作指令時(shí)間單元trail狀態(tài)的刺激序列發(fā)送到數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)中。
[0014] (1.2)對(duì)步驟1.1得到的離線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：用CAR算法對(duì)各個(gè)導(dǎo)聯(lián)的腦電信號(hào) 進(jìn)行濾波，消除空間干擾；用IIR濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波，濾波的范圍為0.3HZ-250HZ ;用50化 陷波濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波，消除工頻干擾;肌電和眼電明顯的時(shí)段予W去除。
[0015] (1.3)將每個(gè)trai 1的數(shù)據(jù)截取出來(lái)，利用AR模型功率譜法求各個(gè)trai 1的功率譜， 功率譜范圍為1HZ-200HZ。
[0016] (1.4)根據(jù)刺激序列，將功率譜分成對(duì)應(yīng)左手運(yùn)動(dòng)和右手運(yùn)動(dòng)兩部分，提取其中mu 節(jié)律和beta節(jié)律的功率信號(hào)。
[0017] (1.5)根據(jù)刺激序列，將功率譜分成對(duì)應(yīng)拇指運(yùn)動(dòng)、食指運(yùn)動(dòng)、手腕運(yùn)動(dòng)、手肘運(yùn) 動(dòng)、肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)五個(gè)部分。對(duì)每個(gè)部分的功率譜采用主成分分析法(PCA)提取主成分，計(jì)算 各個(gè)部分主成分之間的Fisher系數(shù)，選取Fisher系數(shù)高的主成分序號(hào)，提取序號(hào)對(duì)應(yīng)的成 分。
[0018] (1.6)對(duì)步驟1.4得到的功率信號(hào)和步驟1.5提取出的成分分別進(jìn)行共同空間模式 (CSP)分析，提取出特征向量，與刺激序列一起作為分類(lèi)器訓(xùn)練的輸入，利用支持向量機(jī) (SVM)進(jìn)行訓(xùn)練，得到左右手分類(lèi)器和五分類(lèi)的具體運(yùn)動(dòng)部位的分類(lèi)器。
[0019] (2)對(duì)實(shí)時(shí)采集的操作者腦電信號(hào)進(jìn)行在線(xiàn)處理，得到機(jī)械手控制信號(hào)，具體包括 W下子步驟：
[0020] (2.1)操作者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象，提取腦電信號(hào)，利用時(shí)間窗截取腦電信號(hào)；
[0021] (2.2)采用步驟1.2所述方法對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；
[0022] (2.3)采用步驟1.2所述方法求解各個(gè)時(shí)間窗的功率譜；
[0023] (2.4)提取其mu節(jié)律和beta節(jié)律的特征，用CSP處理后提取特征，用左右手的分類(lèi) 器進(jìn)行分類(lèi)得出操作者意愿為運(yùn)動(dòng)左手還是右手，即為運(yùn)動(dòng)控制命令；
[0024] (2.5)對(duì)步驟2.3獲得的功率譜信號(hào)進(jìn)行步驟1.5所述的PCA處理，對(duì)提取出的成分 進(jìn)行CSP處理，用具體運(yùn)動(dòng)部位的分類(lèi)器進(jìn)行分類(lèi)，得出操作者意愿為拇指、食指、手腕、手 肘或肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，即為運(yùn)動(dòng)控制命令。
[0025] (3)根據(jù)步驟2.4和2.5得到的運(yùn)動(dòng)控制指令，控制機(jī)械手的兩個(gè)手爪電機(jī)、手腕電 機(jī)、手肘電機(jī)和肩關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓取準(zhǔn)備、抓取開(kāi)始、松開(kāi)準(zhǔn)備、松開(kāi)開(kāi)始、 手腕彎曲、手腕伸展、手肘彎曲、手肘伸展、肩關(guān)節(jié)彎曲和肩關(guān)節(jié)伸展。
[00%]進(jìn)一步地，所述步驟3中，按照W下規(guī)則對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制：
[0027]
[0028] 進(jìn)一步地，機(jī)械手采用力控制，在遇到障礙物的時(shí)候，會(huì)根據(jù)每個(gè)電機(jī)上的扭矩和 角速度傳感器對(duì)工況進(jìn)行預(yù)測(cè)，及時(shí)采用避讓的方式讓機(jī)械手繞過(guò)障礙物。通過(guò)運(yùn)種控制 方式，使操作者的腦電主動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)的被動(dòng)控制結(jié)合，在腦電信號(hào)解析出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí) 候可W排除誤操作或者故障的可能。
[0029] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明突破了傳統(tǒng)的腦機(jī)接口系統(tǒng)和方法上的限制，在原 有的單一維度左右手運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口的基礎(chǔ)上，將僅僅局限于大塊部位運(yùn)動(dòng)想象拓展到 進(jìn)行精細(xì)部位的運(yùn)動(dòng)想象，極大拓展了運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口的控制維度和應(yīng)用場(chǎng)景，在算法 上，由原來(lái)重點(diǎn)分析mu節(jié)律和beta節(jié)律等低頻信號(hào)，拓展到分析30-200化的高頻信號(hào)，并利 用主成分法提取其中差異大的成分進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，最終可W將精細(xì)部位運(yùn)動(dòng)想象的信息從 腦電信號(hào)中提取出來(lái)。此發(fā)明對(duì)于病人來(lái)講，是重新恢復(fù)正常生活的一種手段，可W讓病人 實(shí)現(xiàn)利用自己的運(yùn)動(dòng)想象來(lái)控制機(jī)械手抓取物體、搬運(yùn)物體等行為;對(duì)于正常人來(lái)講，是一 種有趣的娛樂(lè)設(shè)備，同時(shí)也可W作為兒童注意力訓(xùn)練的教育工具。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為基于精細(xì)化運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)控制的機(jī)械手系統(tǒng)原理圖；
[0031 ]圖2為多維度機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖3為電極帽電極示意圖；
[0033] 圖4為操作者進(jìn)行訓(xùn)練的線(xiàn)程示意圖；
[0034] 圖5為離線(xiàn)數(shù)據(jù)處理算法流程圖；
[0035] 圖6為在線(xiàn)數(shù)據(jù)處理算法流程圖；
[0036] 圖中：計(jì)算機(jī)1、信號(hào)發(fā)送裝置2、電極帽3、紅外發(fā)射器4、機(jī)械手5、紅外接收器6、信 號(hào)接收裝置7、機(jī)械手爪8、機(jī)械手掌9、機(jī)械手小臂10、機(jī)械手大臂11、基座12、手抓電機(jī)13、 手腕電機(jī)14、手肘電機(jī)15、肩關(guān)節(jié)電機(jī)16。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0038] 1、系統(tǒng)原理
[0039] 如圖1所示，本發(fā)明提供的基于精細(xì)化運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)控制的機(jī)械手系統(tǒng)，包括 計(jì)算機(jī)1、腦電采集裝置和機(jī)械手5。
[0040] 腦電采集裝置包括電極帽3、信號(hào)發(fā)送裝置2和信號(hào)接收裝置7。其中電極帽3電極 排布如圖3所示，電極位置對(duì)應(yīng)國(guó)際通行的64導(dǎo)-"10/20"標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)感覺(jué)區(qū)域的27導(dǎo)， 分別為：Cz、Cl、C2、C3、C4、C5、C6、T7、T8、CPz、CPl、CP2、CP3、CP4、CP5、CP6、TP7、TP8、FCz、 FC1、FC2、FC3、FC4、FC5、FC6、FT7、FT8。腦電信號(hào)通過(guò)電極采集，經(jīng)信號(hào)發(fā)送裝置2發(fā)送到信 號(hào)接收裝置7，信號(hào)接收裝置7連接在計(jì)算機(jī)1上，將腦電信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)1中。信號(hào)放大器的 采樣頻率為1000化。
[0041] 在計(jì)算機(jī)1中進(jìn)行去基線(xiàn)、去偽跡等預(yù)處理，對(duì)時(shí)間滑動(dòng)窗截取的信號(hào)進(jìn)行功率譜 分析，提取其中mu節(jié)律與beta節(jié)律的能量特征，然后用主成分分析對(duì)其進(jìn)行處理，按照訓(xùn)練 中得到的成分序號(hào)提取其中高頻特征，組成特征向量，利用訓(xùn)練好的分類(lèi)器進(jìn)行分類(lèi)，得出 操作者的運(yùn)動(dòng)想象意圖，區(qū)分出左手想象還是右手想象，區(qū)分出食指、拇指、手腕、手肘和肩 關(guān)節(jié)五個(gè)精細(xì)運(yùn)動(dòng)想象信號(hào)。
[0042] 2、多維度機(jī)械手及其運(yùn)動(dòng)控制
[0043] 多維度機(jī)械手5的結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)械手5由機(jī)械手爪8、機(jī)械手掌9、機(jī)械手小臂 10、機(jī)械手大臂11、基座12五部分組成，機(jī)械手爪8和機(jī)械手掌9之間由手抓電機(jī)13連接，機(jī) 械手掌9和機(jī)械手小臂10之間由手腕電機(jī)14連接，機(jī)械手小臂10和機(jī)械手大臂11之間由手 肘電機(jī)15連接，機(jī)械手大臂11和基座12由肩關(guān)節(jié)電機(jī)16連接，在機(jī)械手爪8上有兩個(gè)紅外發(fā) 射器4。
[0044] 利用運(yùn)動(dòng)控制板卡控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，按照W下規(guī)則進(jìn)行控制：
[0045]
[0046] 操作者周?chē)惭b的紅