[发明专利]用眼动信号控制上假肢运动的控制系统和控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及康复辅具技术领域的上肢假肢技术，尤其是涉及上肢假肢的控制系统与方法。

背景技术

如何让残疾人方便、灵活地控制上假肢是上假肢研究中一个非常重要的内容。目前国际上用于上假肢控制的仿生控制信号主要有人体自身的肌电信号、脑电信号、神经信号和语音信号等。

采用肌电信号控制假肢的基本原理是：将残肢肌肉收缩时产生的动作电位由皮肤电极引出，经过生物电放大器放大后送入计算机分析，提取出反映运动意愿的有效特征，运用特征矢量与运动空间的映射关系来驱动机械臂运动和假手开合。目前上假肢的主要仿生控制信号源就是肌电信号。

尽管肌电上假肢在实际应用中获得了成功，但当截肢患者的残肢太短，或者因瘫痪而导致肌肉萎缩时，就不能提供足够的上假肢所需要的控制信息。同时，肌肉的疲劳、电极位置的改变、肌电信号的训练、体重的波动都会使肌电信号的特征值发生变化，造成多自由度肌电假肢的控制准确度难以提高。此外，由于对肌电信号的解码能力所限，肌电上假肢所能控制的自由度也是很有限的。

脑电信号本质上是中枢神经系统工作过程中神经和突触所产生的电噪声。研究表明，脑电信号的变化与肢体的运动之间存在某种相关性，将这种相关性加以解释，建立脑电活动与自主运动之间的对应关系，那么脑皮层与外界就可以进行信息交换了。

利用从头皮记录的脑电活动作为信息源，即使最严重的截肢患者也能够使用。然而脑电过程是非常复杂的，目前对它的研究还只限于开发简单的脑机接口装置，其能够识别的模式比较少，识别率不高，并且目前的脑电采集装置也比较复杂。每次使用该装置前都需在头皮处涂导电膏，这就给使用带来不便。

神经的电生理活动不仅不受人体疲劳程度的影响，重复再现性高，且神经信息传递时彼此之间互不干扰，具有极佳的清晰度。这些特征使神经活动在充当控制信息源方面具很大的优越性。基于此，Wan等提出了把人体上肢神经信号转化为控制指令来控制假肢的思想。然而要采集精确的神经信号需要将硅片和电极植入人体内，目前在技术实现上还有很大的难度，而且对运动信息的神经解码问题的研究目前还正在进行。

与其他方式控制假肢相比，声控能完成的控制功能更多，更方便，精度也更高，它的不足之处在于在特定环境中使用声音作信号源并不合适，比如在会场等需要保持肃静的场合不宜用声音来控制假肢，而且患者与别人进行语言交流的时候也可能导致假肢产生误动作。

发明内容

为克服现有假肢控制方式技术的不足，本发明提供一种用眼动信号控制上假肢运动的控制系统和方法。

一种用眼动信号控制上假肢运动的控制系统，它是由眼睛图像采集模块、眼动特征提取模块、预定义特征存储模块、特征匹配模块、指令确认模块和驱动模块组成；其中：

1、所述的眼睛图像采集模块由摄像头和传送装置构成，摄像头用于采集眼睛的图像，传送装置用于将图像编码并发送到眼动特征提取模块。

2、所述的眼动特征提取模块用于从眼睛图像中提取出眼动特征并将其发送到特征匹配模块。它包括以下单元：眨眼检测单元、眼球转动方向识别单元和特征向量存储单元；其中：

1)眨眼检测单元用于检测眨眼事件并记录眼睛闭合的持续时间；

2)眼球转动方向识别单元用于计算瞳孔的位移并判断眼球的转动方向；

3)特征向量存储单元用于存储与眼睛的动作相对应的特征向量。

3、所述的预定义特征存储模块用于存储上假肢的动作指令和与之相对应的眼动特征。

4、所述的特征匹配模块用于将眼动特征提取模块提取出的眼动特征与预定义特征存储模块中的特征进行匹配，获得上假肢的动作指令，并将动作指令发送到指令确认模块。

5、所述的指令确认模块用于将特征匹配模块获得的动作指令交于受试者确认，如果指令无误，则将其发送到驱动模块，如果有误，则通过“取消”命令删除该动作指令并重新提取眼动特征。

6、所述的驱动模块包括驱动器和电机，当驱动器接收到指令确认模块发送来的动作指令时，便控制假肢完成相应的设定动作。

基于上述系统的假肢控制方法，包括如下步骤：采集眼睛图像；提取眼动特征；识别动作指令；确认动作指令和完成设定动作。上述假肢控制系统和方法采用眼动信号作为控制假肢的信号源，通过提取眼睛运动的特征信息判别动作指令，控制假肢做出受试者期望的动作。

本发明控制方法隐蔽性强，控制方便，而且对眼睛的转动和眨动事件进行组合，可以产生多种不同的特征，从而完成更多的控制功能。

附图说明