CN103690281B - 一种脑电波控制假肢*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脑电波控制的假肢***，该***由处理执行部分对脑电波数据获取过滤部分输入的脑电波数据进行处理，并输出数据至镶嵌在假肢内的多个微型舵机，实现对假肢动作的控制。本发明采用可测参数作为数据来源，对数据进行处理后作为假肢舵机的控制动作信号，这种“拟制”信号的使用及其处理方法，使得脑电波控制的假肢***能够真正得以实现，而且经过1～2周左右的训练周期后，基本能够完成正常人所能完成的动作。使得脑电波控制的假肢***能够真正得以实现，给予了残疾患者一个崭新人生，不再为肢体残缺而无法正常生活工作而担心，大大缩小了假肢与真实肢体的差距，本发明在假肢中是一项革命性的突破。
Description
技术领域
本发明涉及一种脑电波直接控制的机械假肢***。
背景技术
假肢，也称“义肢”，指人造肢体，用来取代肢体的功能障碍(不论暂时性或永久性)，或是用来掩饰肢体伤残。供截肢者使用以代偿缺损肢体部分功能的人造肢体，有上肢假肢和下肢假肢。多用铝板、木材、皮革、塑料等材料制作，其关节采用金属部件，现在假肢界主流是钛合金和碳素纤维材料。传统假肢只能用做装饰，而不能真正给患者一个实用的肢体。
EEG为脑电图简称，根据现有脑神经生理学EEG产生机制的研究，EEG信号起源于一个高度的非线性***，不仅在中枢神经***每个分层发现许多的反馈环路，而且单个神经元自身也表现出高度非线性因素。在神经细胞膜上可以观察到混沌行为，神经放电转化遵循分叉规律，而混沌和分叉行为属于非线性科学的范畴。因此EEG信号是大量神经细胞的非线性耦合，是一个高度非线性多单元连接的复合体，EEG活动具有确定性混沌(deterministic chaos)特性，大脑是复杂、自组织(self-organization)的非线性动力学***。
现有较为成熟的脑电波检测装置是来源于neurosky(神念科技)公司，其产品应用如necomimi、Mindflex意念控制游戏设备等。其总部位于美国硅谷，并在香港，伦敦，首尔，台北，东京，及无锡拥有分公司。该装置集成了脑电信号的采集、滤波、放大、A/D转换、数据处理及分析等功能，其高性能生物传感芯片可以检测到人的脑电波并将其转化成机器可以识别的数字信号实现人机交互。其输出包括数字化的原始脑电波数据，输出频率512Hz(每秒512个数据包)，还可输出δ、θ、α、β、γ波的EEG参数和“注意力”、“放松度”两个eSenseTM参数(eSenseTM参数为thinkgear设备输出参数)，输出频率为1Hz。各参数的基本概念见下表：
| 脑电波类型 | 频率范围 | 精神状态 |
| Delta | 0.1Hz-3Hz | 深度睡眠，非快动眼睡眠，无意识 |
| Theta | 4Hz-7Hz | 直觉的、创造性的，回忆的，幻想的，想象，浅睡 |
| Alpha | 8Hz-12Hz | 放松，但不困倦，安静，有意识 |
| Low Beta | 12Hz-15Hz | 运动感觉节律，放松仍可集中注意力，有协调性 |
| Midrange Beta | 16Hz-20Hz | 思考，对于自我和周围环境意识清楚 |
| High Beta | 21Hz-30Hz | 机警、激动 |
中国发明专利文献CN 102309365 A公开了一种“一种可穿戴的脑控智能假肢”，包括可穿戴式脑电信号检测传感器装置，布置在人头部的皮肤干电极、可穿戴式脑电信号采集放大装置、可穿戴式脑电信号识别装置、可穿戴式智能假肢驱动控制装置、智能假肢的感知装置。该发明声称实现了脑电检测识别的穿戴式检测与计算，并结合智能感知技术对假肢实现了精密自适应的智能控制，可以直接穿戴在人体进行使用，避免了肌电控制的不足，提高了假肢动作的效率与精度。但是，该文献中所提出的“意图识别”及其“视觉反馈”等核心概念都只有概念而缺乏具体介绍，实际上现有技术也难以完成，导致其技术方案缺乏可行性。
发明内容
为了解决上述弊端，本发明所要解决的技术问题是，提供一种脑电波控制的假肢***，为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种脑电波控制的假肢***，该***包括：
A.脑电波数据获取过滤部分：通过两个电极，一个位于前额，另一个位于耳垂，采集脑电波信息至脑电波设备thinkgear，每秒检测一次，并生成、储存δ、θ、α、β波的数值化参数和“注意力”、“放松度”两个eSenseTM的数值化参数；
B.处理执行部分，对由A部分输入的脑电波数据进行处理，并输出数据至镶嵌在假肢内的多个微型舵机，实现对假肢动作的控制，包括如下工作步骤：
第一步：在A部分生成的即时参数值中，任选2个参数的数值与预存的阈值进行比对，未达到阈值的即时参数值储存，达到或超过阈值的即时参数值X1、X2被选取做下步处理；
第二步：取X1、X2的平均值标记为X；
第三步：调取即时参数值X1、X2前一秒的对应参数值，取其平均值标记为Z,即时参数值为初始数值时Z为0，X与Z的差值标记为D，D除以可调节的时间系数E，得到舵机完成动作时间为D/E秒；X与所述阈值的差值为F，得到舵机转动度数为F度，传输指令至舵机:动作时间D/E秒、转动度数F度，舵机执行动作。
使用该***前需要对使用者进行适应性训练，训练过程是，将脑电波设备thinkgear连接至电脑，参训者通过MindViewer软件可以直观的看到自己各类脑电波的实时曲线图，参训者通过对照自己的意念所显示出的相应脑电波以及数值进行训练，通过对自身意念的控制，达到优化脑电波输出，便于设备识别意图的效果。所述参数的选择和阈值的设置都可以根据个人的具体情况设置，主要是根据使用训练情况所反映的个人特性或喜好。所述可调节的时间系数E用于调节舵机运行快慢，同样地，可根据个人的具体情况设置，主要是根据使用训练情况所反映的个人特性或喜好。
需要指出的是，现有技术中虽然能够检测到EEG参数和“eSenseTM参数，并对其代表的含义做出方向性的大致判断，但是远远未能解析其真正含义。这也是脑电波意图识别的局限。本发明采用上述可测参数作为数据来源，对数据进行处理后作为假肢舵机的控制动作信号，这种“拟制”信号的使用及其处理方法，使得脑电波控制的假肢***能够真正得以实现，而且经过1～2周左右的训练周期后，基本能够完成正常人所能完成的动作。
本发明的有益效果在于，使得脑电波控制的假肢***能够真正得以实现，给予了残疾患者一个崭新人生，不再为肢体残缺而无法正常生活工作而担心，大大缩小了假肢与真实肢体的差距，本发明在假肢中是一项革命性的突破。
由于本***采用数值差异为执行标准，在使用者训练不够等情况下，可能出现脑电波数值小范围波动，导致***错判使用者意图，出现假肢轻微颤抖的现象。为了避免颤抖现象出现，降低使用难度，提高***识别精确度，作为一种改进，所述B部分的工作步骤第三步中还包括如下防颤抖功能步骤：
1.如果所述差值D大于5,发送新动作指令至舵机执行，如果D不大于5再进行下述2的判断；
2.调取即时参数值X1、X2前一段时间的对应参数值,取对应时点的两参数值的平均值得到若干平均值组成的Y数组，标记为Y1～Yn；
3.如果Y数组的Y1～Yn数值呈上升或下降趋势，而且X的值符合该趋势，则即使此时Z与X对比差值不大于5，也将发送新动作指令至舵机执行；
如果差值不大于5，而且不符合上述情况，则不发送新动作指令，舵机保持当前动作。
通过分析前段时间的脑电波数据，适当修正当前操作，当控制假肢连续执行相同动作时可以更加连贯。
下面将结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
具体实施方式
实施例1：一种脑电波控制的假肢***，该***包括：
A.脑电波数据获取过滤部分：通过两个电极，一个位于前额，另一个位于耳垂，采集脑电波信息至脑电波设备thinkgear，每秒检测一次，并生成、储存δ、θ、α、β波的数值化参数和“注意力”、“放松度”两个eSenseTM的数值化参数；
B.处理执行部分，对由A部分输入的脑电波数据进行处理，并输出数据至镶嵌在假肢内的多个微型舵机，实现对假肢动作的控制，包括如下工作步骤：第一步：在A部分生成的即时参数值中，选取“注意力”eSenseTM即时参数值和theta波即时参数值与预存的阈值进行比对，本例中，阈值为50，未达到阈值的即时参数值储存，超过阈值的“注意力”eSenseTM即时参数值X1＝80、theta波即时参数值X2＝70被选取做下步处理；
第二步：取X1、X2的平均值75标记为X；
第三步：调取即时参数值X1、X2之前一秒的“注意力”eSenseTM参数值和theta波参数值，取两参数值的平均值60，标记为Z,X与Z的差值D为15，15除以时间系数E37.5，得到舵机完成动作时间为0.4秒；X与阈值50的差值F为25，得到舵机转动度数为25度，传输指令动作时间0.4秒以及转动度数25度至舵机，舵机执行动作。
本***对于非假肢动作采取忽略。一个完整的动作从获取识别至执行最短时间为0.2秒，能够识别各关节动作角度速度及力量。本***主要构成硬件由多个微型舵机镶嵌在假肢内从用单片机控制，获取数据由多个脑电波感应器进行数据输入，供电采用12V内置电池，外表皮采用人造皮肤，在关节部位预留两孔两灯，一孔为充电孔，二孔为调试及更新程序孔，一灯为各部件检测灯，二灯为电量显示灯，通过灯泡闪烁频率获取当前电量情况及部件运行状况，按标准常人运动量计算，内置电池能够支持连续工作3天。
本***中所述的脑电波测量为现有科技可以实现，并已经在市面上应用，如在“necomimi猫的秘密”等脑电波产品
本***在避免识别错误的情况下，采用多种脑电波识别操作：如通过判断Theta脑电波和Low Beta脑电波同时达到一定数值执行相应的操作，单一脑电波达到数值不执行操作,通过此种方法判断操作能够更加的准确并减少误差，并实现真正的实用性和可行性。该***最大特色在于高识别率的脑电波识别***以及拥有0.5°精度的机械手臂和最大100KG的力量，能够完成所有常人能完成的动作和比常人更大的力量。
所述舵机采用型号ASMC-01B舵机(商品名)，具体参数如下：
工作电压：12V至24V(DC)
空载电流：<500mA
最大扭矩：180kg/cm(24V)(实测，非理论计算值)
1764N/cm(24V)(实测，非理论计算值)
角速度：0.5s/60°(转60度需要0.5s)，24V时。
转动角度：270°/MAX(可调)
输入模式：脉冲信号或模拟电压信号
脉冲信号输入范围：0.5～2.5(ms)
电压信号输入范围：0～5V
控制精度：0.32°
重量：530g
齿轮材质：钢
外形尺寸：95.5mm×60.5mm×102.6mm
实施例2：与实施例1不同之处在于，实施例1中D值大于5，无需执行防颤抖功能步骤，直接发送新动作指令至舵机执行。在实施例2中，阈值为50，超过阈值的“注意力”eSenseTM即时参数值X1＝60、theta波即时参数值X2＝66；取X1、X2的平均值63标记为X；调取即时参数值X1、X2之前一秒的“注意力”eSenseTM参数值和theta波参数值，取两参数值的平均值59，标记为Z,X与Z的差值D为4。此时，由于D不大于5，则还要再进行下述判断：调取即时参数值X1、X2前5秒的对应参数值,取对应时点的两参数值的平均值得到5个平均值组成的Y数组，标记为Y1～Y5(见下表)，
从上表可以看出，Y1～Y5构成的Y数组的数值呈上升趋势，而且X的值符合该趋势，则即使此时Z与X对比差值不大于5，也将发送新动作指令至舵机执行；4除以时间系数E37.5，得到舵机完成动作时间为0.106秒；X与阈值50的差值F为13，得到舵机转动度数为13度，传输指令动作时间0.106秒以及转动度数13度至舵机，舵机执行动作。如果差值不大于5，而且不符合上述情况，则不发送新动作指令，舵机保持当前动作。
本发明描述的上述实现方式仅是为了清楚的说明本发明的技术方案，而不能理解为对本发明作出任何限制。本发明在本技术领域具有公知的多种替代或者变形，尤其值得说明的是，本发明的参数设置都是以脑电波设备thinkgear的数据体系为依据，采用其他数据体系时应考虑其数值的可比性的相对应变换。在不脱离本发明实质意义的前提下，均落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种脑电波控制的假肢***，其特征在于，该***包括：
A.脑电波数据获取过滤部分：通过两个电极，一个位于前额，另一个位于耳垂，采集脑电波信息至脑电波设备thinkgear，每秒检测一次，并生成、储存δ、θ、α、β波的数值化参数和“注意力”、“放松度”两个eSenseTM的数值化参数；
B.处理执行部分，对由A部分输入的脑电波数据进行处理，并输出数据至镶嵌在假肢内的多个微型舵机，实现对假肢动作的控制，包括如下工作步骤：
第一步：在A部分生成的即时参数值中，任选2个参数的数值与预存的阈值进行比对，未达到阈值的即时参数值储存，达到或超过阈值的即时参数值X1、X2被选取做下步处理；
第二步：取X1、X2的平均值标记为X；
第三步：调取即时参数值X1、X2前一秒的对应参数值，取其平均值标记为Z,即时参数值为初始数值时Z为0，X与Z的差值标记为D，D除以可调节的时间系数E，得到舵机完成动作时间为D/E秒；X与所述阈值的差值为F，得到舵机转动度数为F度，传输指令至舵机:动作时间D/E秒、转动度数F度，舵机执行动作。
2.如权利要求1所述的一种脑电波控制的假肢***，其特征在于，所述B部分的工作步骤第三步中还包括如下防颤抖功能步骤：
1).所述差值D大于5,发送新动作指令至舵机执行，D不大于5再进行下述2)的判断；
2).调取即时参数值X1、X2前一段时间的对应参数值,取对应时点的两参数值的平均值得到若干平均值组成的Y数组，标记为Y1～Yn；
3).Y数组的Y1～Yn数值呈上升或下降趋势，而且X的值符合该趋势，则即使此时Z与X对比差值不大于5，也将发送新动作指令至舵机执行；差值不大于5，而且不符合“Y数组的Y1～Yn数值呈上升或下降趋势，而且X的值符合该趋势”的情况，则不发送新动作指令，舵机保持当前动作。
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Legal Events
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Address after: 410300 No. 170, fireworks Road, Hunan, Liuyang, China Applicant after: Zhang Jiangjie Address before: 410327 Hunan province Changsha city Liuyang Long Fu Zhen zhe Zhuang Cun zhe Zhuang new Zhang group No. 295 Applicant before: Zhang Jiangjie |
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Effective date of registration: 20190812 Address after: 410300 No. 170 Fireworks Middle Road, Jili Street Office, Liuyang City, Changsha City, Hunan Province Patentee after: LIUYANG RENJIE ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 410300 No. 170, fireworks Road, Hunan, Liuyang, China Patentee before: Zhang Jiangjie |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Denomination of invention: A prosthetic system controlled by EEG Effective date of registration: 20201030 Granted publication date: 20150708 Pledgee: Hunan Liuyang Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Jili sub branch Pledgor: LIUYANG RENJIE ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2020980007367 |
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Date of cancellation: 20230424 Granted publication date: 20150708 Pledgee: Hunan Liuyang Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Jili sub branch Pledgor: LIUYANG RENJIE ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2020980007367 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A Brain Wave Controlled Artificial Limb System Effective date of registration: 20230605 Granted publication date: 20150708 Pledgee: Hunan Liuyang Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Guankou Branch Pledgor: LIUYANG RENJIE ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980042897 |
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