[发明专利]一种基于脑电信号的人体外骨骼机械臂控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于脑电信号的人体外骨骼机械臂控制系统及方法，包括数据采集单元、数据处理单元和主控单元，当第一单元采集的数据发送给第二单元后，第二单元对数据处理后发送给第三单元，主控制器将信号转换成控制信息，对机械臂进行控制动作。数据采集单元、数据处理单元以及主控制单元形成一个完整的机械臂控制系统。采用自发脑电、眨眼信号以及位置偏移多模式共同对机械臂进行控制。与现有技术相比，本发明使用5个电机模块协同工作，使机械臂有5个自由度；通过蓝牙传输采集的脑波数据，使用手机对信号进行处理；设计一个基于脑电信号的人体外骨骼机械臂控制系统；提出基于脑电信号的人体外骨骼机械臂控制方法。

技术领域

本发明涉及人体外骨骼机械臂控制技术领域，特别是一种基于脑电信号的人体外骨骼机械臂控制系统及方法。

背景技术

外骨骼本来是指动物的外部骨骼，用于支撑或保护内部器官。而人体外骨骼就是仿照动物外部骨骼根据人体机构进行设计的人体外部骨骼系统。一般分为进行人体康复训练的外部骨骼系统和增强人体功能的外部骨骼系统。但是传统的外部骨骼系统仅仅只能依靠人肌肉电压进行操控，而人体表面肌电信号比较微弱难以达到准确控制效果，不能满足一些偏瘫患者或者残疾患者使用，并且由于肌肉电压的不稳定，往往控制起来也不太方便。而且现有的一些肢体训练或者增强系统都有大体积，高耗能的缺点，并且移动不方便。再者现有的人体外骨骼系统大多都采用人体主动带动外骨骼机械臂运动，人体通过手指动作，操作机器人的手臂。当手指做起抓拿动作时，机械手臂也做出相应动作，要求患者具有一定的自主运动能力。脑-机接口技术(Brain-computer interface，BCI)是作为一种不依赖人体肌肉以及大脑外神经的通讯与控制技术。作为一种非肌肉的通讯通道，BCI技术能够直接通过大脑来表达或操纵设备，对于严重运动残疾患者，可以将他们的有意图传送到外部设备，它可以让人脑通过想象建立起与外部计算机或电子设备的控制通道。目前大多BCI系统均是以计算机结合医用脑波测试仪进行开发，系统设计复杂、造价昂贵，而且不能很好的安装佩戴，再加上数据的处理分析使用计算机导致体积庞大，不实用，如何简化BCI系统设计，降低开发成本，提高BCI系统的实用性，并且寻找一种新的交互方式的人体外骨骼机械臂控制系统，是一个很有挑战性的课题。

但是他们设计的控制系统存在以下一些共同的问题：

1、BCI的脑波采集，采集电极过多，不方便患者使用。

2、脑波信号由串口线连接发送给计算机，体积庞大，佩戴移动困难。

3、机械臂系统对人体干涉大，影响其他身体部位。

4、机械臂系统需要固定支架，体积庞大。

5、使用肌电信号，信号微弱难以控制。

6、机械臂驱动系统线路复杂且耗能大。

发明内容

本发明的目的是要解决由于现有机械臂系统对于手臂行动能力丧失无法采集肌电信号的病患没有良好的交互接口，而且能辅助人体康复训练的系统不能达到增强人体的能力。现有的脑机接口技术信号通过串口线传输且没有复杂的控制目标不具有实用性。脑波信号的采集处理方法有很大的局限性，对于信号分类准确性差的问题，提供一种基于脑电信号的人体外骨骼机械臂控制系统及方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种基于脑电信号的人体外骨骼机械臂控制系统，包括数据采集单元、数据处理单元和主控单元：

所述数据采集单元，包括安装在人脑上用于采集人脑的脑波信号和眨眼特征信号的脑波采集装置和安装在脑波采集装置上用于采集人脑的姿态信号的9轴传感器以及用于将脑波采集装置和9轴传感器采集的数据进行发送至数据处理单元的蓝牙模块；

所述数据处理单元，包括通过蓝牙模块与数据采集单元的蓝牙模块连接并用于处理脑波采集装置和9轴传感器采集的数据的脑电信号处理模块；