一种基于运动想象的下肢外骨骼控制系统及其控制方法技术方案

一种基于运动想象的下肢外骨骼控制系统及其控制方法，属于信息技术领域。它包括运动想象模块及下肢外骨骼控制模块；运动想象模块通过采集用户的运动想象脑电信号进行运动部位的判断，并将判断结果作为控制指令传输至下肢外骨骼控制模块；下肢外骨骼控制模块用于对腿部的踝关节、膝关节、髋关节及整个腿部进行独立控制，踝关节通过驱动板控制设置在踝关节处的推杆进行运动控制，膝关节及髋关节通过直流有感无刷电机驱动器驱动直流有感无刷电机进行控制。本发明专利技术通过采用运动想象脑电信号分类算法判断用户需要辅助的部位，根据不同部位的特征选择相应的模式，简化了使用操作，可使用户更专注于下肢的协调动作。用户更专注于下肢的协调动作。用户更专注于下肢的协调动作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于运动想象的下肢外骨骼控制系统及其控制方法


[0001]本专利技术属于信息
，具体涉及一种基于运动想象的下肢外骨骼控制系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]现代社会中，针对下肢运动功能衰退的老年人或失能用户，利用下肢外骨骼起到助行或辅助作用受到广泛关注。下肢外骨骼系统能够帮助残疾人实现行走过程，增强下肢肌肉力量，减少行走中用户的体力消耗，对于提升残疾人运动功能的恢复和生活质量的提高具有重要的意义，并且具备良好的发展前景。然而我国外骨骼机器人研究仍处于起步阶段，目前主要集中在各高校的研发中心，但多数仍处于实验室研发阶段，很少能实现产业化和完全智能化，且以简易型器械居多。在智能机器人市场，外骨骼机器人产品趋向成熟，但大多价格高昂。
[0003]以上研究与产品落地对本专利技术有重要参考意义，但同时可以发现，当前下肢外骨骼的装置多为固定式器械，因此提升人机交互功能，研发更为便携化、家庭式的助行器材，还有待进一步的研究开发。
[0004]此外，基于脑机接口的机器人临床试验当前正在发展，脑机接口以其高带宽，反应速度快，用户范围大及应用场景广的优势，受到研究人员的关注。脑机接口技术利用脑电信号能够在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接的交流和控制通道，不依赖语言或动作即可实现人机交互，因此可以更好的帮助残疾人适应社会生活，增强用户与外界交流或控制外部环境的能力，以提高用户的生活质量。
[0005]基于运动想象脑机接口技术的下肢外骨骼具备超过标准肢体辅助机器人的一些优点，包括仅在运动意图被检测到时对用户进行机器人辅助，运动想象可在一定程度上简化训练过程，能使用户在一定程度上更专注于下肢的协调动作。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于运动想象的下肢外骨骼控制系统，通过运动想象脑电信号分类算法判断用户需要辅助的部位，根据不同部位的特征选择相应的模式，简化了使用操作，可使用户更专注于下肢的协调动作。
[0007]本专利技术提供如下技术方案：一种基于运动想象的下肢外骨骼控制系统，包括运动想象模块及下肢外骨骼控制模块，运动想象模块与下肢外骨骼控制模块之间信号连接；所述运动想象模块通过采集用户的运动想象脑电信号进行运动部位的判断，并将判断结果作为控制指令传输至下肢外骨骼控制模块；所述下肢外骨骼控制模块用于对腿部的踝关节、膝关节、髋关节及整个腿部进行独立控制，所述踝关节通过驱动板控制设置在踝关节处的推杆进行运动控制，所述膝关节及髋关节通过直流有感无刷电机驱动器驱动直流有感无刷电机进行控制。
[0008]进一步的，所述运动想象模块中采用左手运动、右手运动、伸舌头、双脚抬起四个
运动想象动作依次对应踝关节运动、膝关节运动、髋关节运动及整个腿部运动。
[0009]进一步的，所述下肢外骨骼控制模块还包括闭环反馈模块，闭环反馈模块包括设置在下肢外骨骼内侧的肌电信号采集模块及设置在足底的压力传感器模块；闭环反馈模块用于检测运动过程中下肢的肌电信号和足底压力数值，采集的下肢肌电信号对用户的运动情况进行评估，采集的足底压力数值能通过一组检测压力点的数值判断用户行走时的步态，并将数据反馈给控制板及操作端。
[0010]所述的一种基于运动想象的下肢外骨骼控制系统的控制方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1、采集用户运动想象脑电数据；
[0012]步骤2、对脑电数据进行预处理；
[0013]步骤3、通过小波包变换得到μ和β节律脑电信号；
[0014]步骤4、利用卷积神经网络进行特征提取与分类；
[0015]步骤5、将运动想象分类结果作为控制指令传输至Arduino开发板；
[0016]步骤6、Arduino开发板根据运动想象输出结果，控制下肢外骨骼控制模块控制对应的运动部位进行运动；
[0017]步骤7、闭环反馈模块采集对应的信号，并将采集的信号数据反馈给Arduino开发板和PC端。
[0018]进一步的，所述步骤1的具体过程如下：
[0019]分别采用运动想象四分类的结果对应表示踝关节、膝关节、髋关节及整个腿部的辅助运动部位；在进行运动想象时，会产生同步ERS现象/去同步ERD现象；对于同步ERS现象及去同步ERD现象，在大脑皮层的C3、Cz、C4三个区域上存在差异；根据不同运动想象任务对不同区域的影响，通过基于10/20系统法的脑电采集模块采集用户脑电信号中C3、Cz、C4三个通道的脑电数据，用于分类并判断运动部位。
[0020]进一步的，所述步骤2具体过程如下：
[0021]2‑
1)对原始脑电信号进行数据标准化处理，消除不同数据组之间的量纲影响，便于分类；
[0022]2‑
2)对三个通道的原始脑电信号进行小波阈值去噪：首先进行小波包变换，得到一组小波分解系数；再通过阈值处理小波分解系数，得到小波估计系数；最后利用小波估计系数进行小波重构，得到去噪后的脑电信号。
[0023]进一步的，所述步骤3的具体过程如下：
[0024]3‑
1)采用Db4小波基进行小波包分解并计算小波系数；
[0025]3‑
2)将二叉树中对应节点组合包含的小波系数与小波基进行重构；
[0026]3‑
3)将重构后得到的C3、Cz和C4通道的μ和β节律脑电数据构建成6
×
N二维矩阵，用作卷积神经网络的输入，N表示每个频段上的脑电信号幅值个数。
[0027]通过采用上述技术，与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0028]1)本专利技术采用基于运动想象的脑机交互控制方式，简化了使用操作，用户只需想象左手运动、右手运动、伸舌头、双脚抬起四个动作，即可选择相应的运动部位，能使用户更专注于下肢的协调动作；
[0029]2)本专利技术基于运动想象的下肢外骨骼控制系统，将整个腿部中踝关节、膝关节、髋关节各个部分进行分开控制，控制踝关节处的推杆由驱动板进行控制、膝关节和髋关节由
直流有感无刷电机驱动器，驱动直流有感无刷电机进行控制，用户可以选择相应的部位进行运动，可组合形成个性化的辅助方案；本专利技术系统设置有闭环反馈部分，有位于下肢外骨骼内侧的肌电信号采集模块和位于足底的压力传感器模块，可检测运动过程中下肢肌电信号和足底压力数值，便于用户了解自己的运动状态；对于行走模块，通过对位于足底的压力传感器三个检测点位压力数值的分析，将行走步态进行多个步态的分解，优化了用户在行走过程中的使用体验。
附图说明
[0030]图1为本专利技术实施例中，下肢外骨骼控制流程图；
[0031]图2为本专利技术实施例中，脑电信号采集通道示意图；
[0032]图3为本专利技术实施例中，小波包变换示意图；
[0033]图4为本专利技术实施例中，卷积神经网络结构图；
[0034]图5为本本专利技术实施例中，闭环控制系统流程图。
具体实施方式
[0035]为了使本专利技术的目的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于运动想象的下肢外骨骼控制系统，其特征在于，包括运动想象模块及下肢外骨骼控制模块，运动想象模块与下肢外骨骼控制模块之间信号连接；所述运动想象模块通过采集用户的运动想象脑电信号进行运动部位的判断，并将判断结果作为控制指令传输至下肢外骨骼控制模块；所述下肢外骨骼控制模块用于对腿部的踝关节、膝关节、髋关节及整个腿部进行独立控制，所述踝关节通过驱动板控制设置在踝关节处的推杆进行运动控制，所述膝关节及髋关节通过直流有感无刷电机驱动器驱动直流有感无刷电机进行控制。2.根据权利要求1所述的一种基于运动想象的下肢外骨骼控制系统，其特征在于所述运动想象模块中采用左手运动、右手运动、伸舌头、双脚抬起四个运动想象动作依次对应踝关节运动、膝关节运动、髋关节运动及整个腿部运动。3.根据权利要求2所述的一种基于运动想象的下肢外骨骼控制系统，其特征在于所述下肢外骨骼控制模块还包括闭环反馈模块，闭环反馈模块包括设置在下肢外骨骼内侧的肌电信号采集模块及设置在足底的压力传感器模块；闭环反馈模块用于检测运动过程中下肢的肌电信号和足底压力数值，采集的下肢肌电信号对用户的运动情况进行评估，采集的足底压力数值能通过一组检测压力点的数值判断用户行走时的步态，并将数据反馈给控制板及操作端。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的一种基于运动想象的下肢外骨骼控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、采集用户运动想象脑电数据；步骤2、对脑电数据进行预处理；步骤3、通过小波包变换得到μ和β节律脑电信号；步骤4、利用卷积神经网络进行特征提取与分类；步骤5、将运动想象分类结果作为控制指令传输至Arduino开发板；步骤6、Arduino开发板根据运动想象输出结果，控制下肢外骨骼控制模块控制对应的运动部位进行运动；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：余明洁，唐智川，平雅沁，马燕妮，王裕可，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：