CN106943217A - 一种反馈式人体假肢控制方法和*** - Google Patents

一种反馈式人体假肢控制方法和*** Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种反馈式人体假肢控制方法和***，该方法包括采集使用者的脑电信号；将所述脑电信号进行预处理；对经过预处理的所述脑电信号进行分离、特征提取和模式识别；利用识别结果驱动假肢进行相应的动作；采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号，用于当假肢未进行相应动作时，再次控制假肢进行相应动作，因此根据假肢是否做出反应，而实现闭环调节，从而降低残障人士在使用假肢过程中的失误率，实现精细操作的目的。

Description

一种反馈式人体假肢控制方法和***
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，特别是涉及一种反馈式人体假肢控制方法和***。
背景技术
目前，残障人士的假肢控制可以有四种控制电动假肢的方式，第一种是用微型按钮开关控制电机正反转，按钮数量多，造成操作不方便；第二种是利用肌电控制线路，检测截肢者肌肉收缩时产生的生物电信号(肌电信号)，经处理后控制电机动作，这种控制方式要求残肢肌肉及神经基本完好，即使如此，肌电信号分析仍较困难，这类假肢只能帮助残障人士完成一些简单粗暴的大幅度动作，对于日常生活中大量存在的精细化动作就束手无策了，其可靠性低，造价高；第三种是采用单片微处理器控制，体积较大，能耗大，造价高；第四种是人脑控制机械的方法，用人脑思维控制机械假肢，采用的是人脑思维控制计算机技术，利用层脑电图扫描技术对人大脑进行扫描，然后将扫描信息转化为手或腿的肢体动作，这类有脑电信号参与的假肢控制***动作更为灵活多样，操作更加精细。但是，该类设备的一个重要缺陷就是采用了开环控制方式，残障人士在使用这类假肢时，不能保证安装在假肢内的处理器在接受到每一次发出的信号后都能做出反应，导致操作不够精确。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种反馈式人体假肢控制方法和***，能够根据假肢是否做出反应，而实现闭环调节，从而降低残障人士在使用假肢过程中的失误率，实现精细操作的目的。
本发明提供的一种反馈式人体假肢控制方法，包括：
采集使用者的脑电信号；
将所述脑电信号进行预处理；
对经过预处理的所述脑电信号进行分离、特征提取和模式识别；
利用识别结果驱动假肢进行相应的动作；
采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号，用于当假肢未进行相应动作时，再次控制假肢进行相应动作。
优选的，在上述反馈式人体假肢控制方法中，
所述采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号为：
利用摄像头对假肢进行实时监控，采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号。
优选的，在上述反馈式人体假肢控制方法中，
所述采集使用者的脑电信号为：
利用贴在脑部电极中的传感器采集使用者的脑电信号。
优选的，在上述反馈式人体假肢控制方法中，
所述将所述脑电信号进行预处理包括：
将采集到的所述脑电信号进行去噪、放大和A/D转换。
优选的，在上述反馈式人体假肢控制方法中，
所述对经过预处理的所述脑电信号进行分离包括：
利用准NMF盲分离方法对经过预处理的所述脑电信号进行分离。
本发明提供的一种反馈式人体假肢控制***，包括：
第一采集装置，用于采集脑电信号；
预处理装置，用于将所述脑电信号进行预处理；
分离装置，用于对经过预处理的所述脑电信号进行分离、特征提取和模式识别；
驱动装置，用于利用识别结果驱动假肢进行相应的动作；
第二采集装置，用于采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号，用于当假肢未进行相应动作时，再次控制假肢进行相应动作。
优选的，在上述反馈式人体假肢控制***中，所述第二采集装置为摄像头。
优选的，在上述反馈式人体假肢控制***中，所述第一采集装置为贴在脑部电极中的传感器。
优选的，在上述反馈式人体假肢控制***中，所述预处理装置用于将所述脑电信号进行去噪、放大和A/D转换。
优选的，在上述反馈式人体假肢控制***中，所述分离装置用于利用准NMF盲分离方法对经过预处理的所述脑电信号进行分离。
通过上述描述可知，本发明提供的上述反馈式人体假肢控制方法和***，由于该方法包括采集使用者的脑电信号；将所述脑电信号进行预处理；对经过预处理的所述脑电信号进行分离、特征提取和模式识别；利用识别结果驱动假肢进行相应的动作；采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号，用于当假肢未进行相应动作时，再次控制假肢进行相应动作，因此根据假肢是否做出反应，而实现闭环调节，从而降低残障人士在使用假肢过程中的失误率，实现精细操作的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的第一种反馈式人体假肢控制方法的示意图；
图2为本申请实施例提供的第一种反馈式人体假肢控制***的示意图。
具体实施方式
本发明的核心思想在于提供一种反馈式人体假肢控制方法和***，根据假肢是否做出反应，而实现闭环调节，从而降低残障人士在使用假肢过程中的失误率，实现精细操作的目的。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供的第一种反馈式人体假肢控制方法如图1所示，图1为本申请实施例提供的第一种反馈式人体假肢控制方法的示意图，该包括如下步骤：
S1：采集使用者的脑电信号；
需要说明的是，该脑电信号中至少包括使用者要控制假肢进行某种动作的信号，每一种动作都有一种对应的信号。
S2：将所述脑电信号进行预处理；
需要说明的是，初始采集到的脑电信号中成分比较复杂，因此需要对脑电信号进行预处理之后才能有利于进行后续步骤。
S3：对经过预处理的所述脑电信号进行分离、特征提取和模式识别；
需要说明的是，脑电信号中一般有很多种类的信号，该步骤就是对预处理过的混合脑电信号进行信号分离从而筛选出使用者用以实现对假肢进行控制的脑电信号。
S4：利用识别结果驱动假肢进行相应的动作；
需要说明的是，可以根据识别到的对假肢控制的信号，形成对假肢部产生刺激电流的控制指令。以C8051F020单片机为核心处理器的控制***为例，***采用单片机自身集成的PCA模块产生占空比可调的PWM信号用于驱动直流电机，采用定时器产生频率信号用于驱动步进电机，采用CPLD检测控制量并实时反馈给控制器实现实时控制。
S5：采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号，用于当假肢未进行相应动作时，再次控制假肢进行相应动作。
需要说明的是，可以利用某种图像采集装置来实现反馈信号的采集，例如可以将一个摄像头面对使用者的假肢，每一次控制假肢运动之后，该图像采集装置就能够感知到假肢是否进行了相应的动作。该步骤将观察到的结果形成反馈信号用来精确控制假肢的活动。可以但不限于由CPLD检测目标位置的控制量，具体而言，在未接收到指令前，假肢的位置信息为P0，接收到指令后，假肢位置信息为P1，将P0、P1两种信息传送给辨相器，由辨相器判断在接收到由控制器传来的指令后，假肢是否移动。若接受到了控制器传来的指令而假肢没有动，则控制***产生新的脉冲使假肢再次进行刚才未进行的动作，反之，如果没有接收到指令，假肢未动作则不发送脉冲信号，这样可以排除由于假肢内电机自身原因造成的假肢未动作的干扰，而由于信号采集处理模块造成的假肢未动作则由这种反馈信号的采集来避免。
通过上述描述可知，本申请实施例提供的第一种反馈式人体假肢控制方法，由于包括采集使用者的脑电信号；将所述脑电信号进行预处理；对经过预处理的所述脑电信号进行分离、特征提取和模式识别；利用识别结果驱动假肢进行相应的动作；采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号，用于当假肢未进行相应动作时，再次控制假肢进行相应动作，因此能够根据假肢是否做出反应，而实现闭环调节，从而降低残障人士在使用假肢过程中的失误率，实现精细操作的目的。
本申请实施例提供的第二种反馈式人体假肢控制方法，是在上述第一种反馈式人体假肢控制方法的基础上，还包括如下技术特征：
所述采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号为：
利用摄像头对假肢进行实时监控，采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号。
需要说明的是，可以在该***中添加摄像头，对假肢实时监控，对每一次假肢的动作进行反馈。
本申请实施例提供的第三种反馈式人体假肢控制方法，是在上述第二种反馈式人体假肢控制方法的基础上，还包括如下技术特征：
所述采集使用者的脑电信号为：
利用贴在脑部电极中的传感器采集使用者的脑电信号。
需要说明的是，这种传感器是一种现有的检测脑电信号的常用部件，技术较为成熟，此处不再赘述。
本申请实施例提供的第四种反馈式人体假肢控制方法，是在上述第三种反馈式人体假肢控制方法的基础上，还包括如下技术特征：
所述将所述脑电信号进行预处理包括：
将采集到的所述脑电信号进行去噪、放大和A/D转换。
需要说明的是，将脑电信号经过上述处理之后，可以采用但不限于利用蓝牙方式进行传输。
本申请实施例提供的第五种反馈式人体假肢控制方法，是在上述第一种至第四种反馈式人体假肢控制方法中任一种的基础上，还包括如下技术特征：
所述对经过预处理的所述脑电信号进行分离包括：
利用准NMF盲分离方法对经过预处理的所述脑电信号进行分离。
需要说明的是，因为经典的算法例如ICA、SCA对于信号的独立性以及稀疏性都有一定的约束，需要采集处理后的信号全部非负，但在实际情况下，采集的信号未必全部是正信号，如果要采用NMF分离还需要用一些方法将采集到的信号进行处理变成非负之后再分离；而准NMF不需要处理的信号为非负，其对于非独立，非稀疏的信号能够有效地进行分离。该分离方法可以但不限于采用以下方式：
由脑电波采集模块得到的混合脑电信号以矩阵的形式存储。
X＝(x1，...，xn)为混合脑电信号，
X≈FGT
为分离后的脑电信号,
目标函数为：J＝||X-FGT||2
利用
F＝XG(GTG)-1
迭代公式得到分离后的脑电信号G。
其中，
本申请实施例提供的第一种反馈式人体假肢控制***如图2所示，图2为本申请实施例提供的第一种反馈式人体假肢控制***的示意图，该***包括：
第一采集装置201，用于采集脑电信号；
预处理装置202，用于将采集到的所述脑电信号进行预处理；
分离装置203，用于对经过预处理的所述脑电信号进行分离、特征提取和模式识别；
驱动装置204，用于利用识别结果驱动假肢进行相应的动作，其中，控制部分可以但不限于由C8051F020完成，将获得的脑电信号利用单片机自身集成的PCA模块产生占空比可调的PWM信号用于驱动直流电机，采用定时器产生频率信号用于驱动步进电机；
第二采集装置205，用于采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号，用于当假肢未进行相应动作时，再次控制假肢进行相应动作。
该***是从用于脑电波采集的传感器开始，采集使用者的脑电信号，并且将采集到的脑电信号进行预处理，包括但不限于去噪、放大和A/D转换，将预处理后的脑电信号利用但不限于蓝牙设备发送至用于脑电信号处理的分离装置，可以利用但不限于NMF盲分离技术，将混合的脑电信号分离成多个独立的信号，再对信号进行特征提取和模式识别，得到最终有用的脑电信号后将该信号传送至驱动装置，来驱动假肢的电机做出相应的动作。采集到假肢的运动状态后，根据反馈信号进行相应的处理，在未按照预期进行动作的情况下，再次驱动假肢进行相应动作。
本申请实施例提供的第二种反馈式人体假肢控制***，是在上述第一种反馈式人体假肢控制***的基础上，还包括如下技术特征：
所述第二采集装置为摄像头。
本申请实施例提供的第三种反馈式人体假肢控制***，是在上述第二种反馈式人体假肢控制***的基础上，还包括如下技术特征：
所述第一采集装置为贴在脑部电极中的传感器。
本申请实施例提供的第四种反馈式人体假肢控制***，是在上述第三种反馈式人体假肢控制***的基础上，还包括如下技术特征：
所述预处理装置用于将采集到的所述脑电信号进行去噪、放大和A/D转换。
具体的，利用传感器采集的原始脑电信号，经过初级放大、50Hz陷波器、低通滤波器、二级放大器和A/D转换器之后，将原始脑电信号转换成可由计算机处理的信号。其中，利用初级放大器将传感器采集的微弱的脑电信号进行初级放大，方便后续处理。50Hz陷波器和低通滤波器用来去噪，然后通过二次放大器将信号再次放大使得***符合线性放大要求，A/D转换器将获得的模拟信号转换成计算机能够处理的数字信号，将处理后的信号发送至分离装置。
本申请实施例提供的第五种反馈式人体假肢控制***，是在上述第一种至第四种反馈式人体假肢控制***中任一种的基础上，还包括如下技术特征：
所述分离装置用于利用准NMF盲分离方法对经过预处理的所述脑电信号进行分离。
需要说明的是，所述准NMF盲分离方法是将获得的脑电信号分为独立的几个信号，然后对分离出来的信号进行特提取和模式识别，得到最终有用的脑电信号。
综上所述，本申请实施例提供的上述***，在原有的开环脑电控制假肢***中加入了反馈信号，使得该***变成了有反馈的闭环控制***，能够大大降低残障人士在使用假肢过程中的失误率，从而提高了操作的精度。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种反馈式人体假肢控制方法，其特征在于，包括：
采集使用者的脑电信号；
将所述脑电信号进行预处理；
对经过预处理的所述脑电信号进行分离、特征提取和模式识别；
利用识别结果驱动假肢进行相应的动作；
采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号，用于当假肢未进行相应动作时，再次控制假肢进行相应动作。
2.根据权利要求1所述的反馈式人体假肢控制方法，其特征在于，
所述采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号为：
利用摄像头对假肢进行实时监控，采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号。
3.根据权利要求2所述的反馈式人体假肢控制方法，其特征在于，
所述采集使用者的脑电信号为：
利用贴在脑部电极中的传感器采集使用者的脑电信号。
4.根据权利要求3所述的反馈式人体假肢控制方法，其特征在于，所述将所述脑电信号进行预处理包括：
将采集到的所述脑电信号进行去噪、放大和A/D转换。
5.根据权利要求1-4任一项所述的反馈式人体假肢控制方法，其特征在于，
所述对经过预处理的所述脑电信号进行分离包括：
利用准NMF盲分离方法对经过预处理的所述脑电信号进行分离。
6.一种反馈式人体假肢控制***，其特征在于，包括：
第一采集装置，用于采集脑电信号；
预处理装置，用于将所述脑电信号进行预处理；
分离装置，用于对经过预处理的所述脑电信号进行分离、特征提取和模式识别；
驱动装置，用于利用识别结果驱动假肢进行相应的动作；
第二采集装置，用于采集假肢是否已进行相应动作的反馈信号，用于当假肢未进行相应动作时，再次控制假肢进行相应动作。
7.根据权利要求6所述的反馈式人体假肢控制***，其特征在于，所述第二采集装置为摄像头。
8.根据权利要求7所述的反馈式人体假肢控制***，其特征在于，
所述第一采集装置为贴在脑部电极中的传感器。
9.根据权利要求8所述的反馈式人体假肢控制***，其特征在于，
所述预处理装置用于将所述脑电信号进行去噪、放大和A/D转换。
10.根据权利要求6-9任一项所述的反馈式人体假肢控制***，其特征在于，
所述分离装置用于利用准NMF盲分离方法对经过预处理的所述脑电信号进行分离。
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