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申请/专利权人：大连理工大学

摘要：本发明提供了一种意识关联康复机器臂运动意愿提取及协同控制方法，属于康复机器人技术领域。该方法包括：脑电采集模块的配置；肌电采集模块的配置；惯性信号采集模块的配置；脑电信号的采集和处理；肌电信号的采集与处理；惯性信号的采集和处理；基于脑电、肌电及惯性信号的协同控制；镜像康复功能。本发明所述方法用于康复医疗领域，可以提升患者康复主动性和参与度，达到更好的早期康复效果，有助于解决现有的传统纯机械式康复机器臂存在的问题。

主权项：1.一种意识关联康复机器臂运动意愿提取及协同控制系统，其特征在于，该系统包括：1脑电信号采集模块和脑电信号处理模块：采用非植入式的干电极脑电采集电极帽进行脑电信号采集；所述的干电极脑电采集电极帽有多个采集通道，并配置好采样精度和采样频率；脑电信号通过患者对康复动作的运动想象产生，脑电信号通过干电极脑电采集电极帽进行采集后，经放大后通过无线传输模块发送到计算机应用程序中的脑电信号处理模块，脑电信号处理模块对脑电信号进行预处理、特征提取和分类识别；2肌电信号采集模块和肌电信号处理模块：采用无损采集即将电极贴粘在患者上肢表皮的肌电信号采集方式；选取包括肩关节的屈伸、收展，肘关节的屈伸共三个主要动作作为标准动作；肌电信号采集模块采集到的患者肌电信号经放大后，通过无线传输模块发送到计算机应用程序中的肌电信号处理模块，肌电信号处理模块对肌电信号进行预处理、特征提取和分类识别；3惯性信号采集模块和镜像信号处理模块：采用具有三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计的惯性传感器，获得患者健侧的运动状态；将三个惯性信号采集模块利用扎带分别固定到患者健侧的手腕、手肘近小臂端和大臂近肩端；惯性信号采集模块中的惯性传感器所采集到的加速度及陀螺仪信号为惯性信号，惯性信号通过惯性传感器自带的数字运动处理器整合，并通过无线传输模块发送到计算机应用程序中的镜像信号处理模块，利用四元数法对传感器的姿态问题进行求解，得到空间角所在坐标系为参考坐标系Ogxgygzg，其中分别以正东、正北和垂直地面向上的方向为参考坐标系xg轴、yg轴和zg轴的正向，ω表示绕xg轴旋转的角度，θ表示绕yg轴旋转的角度，表示绕zg轴旋转的角度；采用如下校准方法对初始位置进行校准，根据惯性信号采集模块中的惯性传感器xs轴和重力矢量之间的角度αxg来计算角度变化；表示惯性传感器变动前的重力矢量，和分别表示在惯性传感器坐标系Osxsyszs中三个坐标轴上分量，表示惯性传感器变动后的重力矢量，和分别表示在惯性传感器坐标系Osxsyszs中三个坐标轴上分量，得到以下式子： 再利用向量点积得到惯性传感器变动前后的角度变化余弦值： 进而得到角度变化的值αxg，利用αxg消除每次使用惯性信号采集模块时佩戴的位置不能确保完全保持一致而带来的误差，得到较为纯净的空间角数据；基于空间角数据，使用循环神经网络RNN对患者健侧的姿态动作进行预测；在pytorch中使用nn.RNN类来搭建循环神经网络，根据实际需要设置输入数据的特征数InputSize和隐藏层的特征数HidenSize，其他参数设置为默认即可；与此同时还需要准备训练循环神经网络的数据集，提前让患者佩戴惯性信号采集模块进行连续性手臂动作，得到一系列具有时间序列性质的空间角数据，进而生成所需的数据集；基于得到的数据集对循环神经网络RNN进行训练，通过多次数据测试得到具有最佳权重的最佳模型，用此最佳模型对实时患者健侧实时动作产生的空间角数据进行识别，判断患者健侧运动意愿，同时将运动意愿数据传给计算机的应用程序；4脑电信号处理模块用于对脑电信号进行预处理、特征提取和分类识别；5肌电信号处理模块用于对肌电信号进行预处理、特征提取和分类识别；6镜像信号处理模块利用四元数法对惯性传感器的姿态问题进行求解；7基于脑电信号、肌电信号及惯性信号的协同控制模块脑电信号处理模块得到识别后的有效脑电类型有三种Ta1，Ta2，Ta3，肌电信号处理模块得到的有效肌电类型有三种Tb1，Tb2，Tb3，而正确的组合运动也只有三种Ta1Tb1，Ta2Tb2，Ta3Tb3，从运动想象到肢体产生肌电信号有80～150ms的时间延迟间隔，为了保证对脑电信号和肌电信号在同一时间判断，在脑电信号类型处理之后加入一个80～150ms的时间延迟窗口；8镜像康复模块基于最佳模型，判别此时患者健侧的运动姿态；基于此姿态，并依据实时解算出的空间角数据角度数据除了需要严格限制角度的极限值，避免运动超程对患者产生的二次伤害外，还需要将健侧的运动状态镜像的复制到患侧，患侧的运动依靠机械臂关节处电机的运转，患者每一个上肢动作都将被划分为三个电机的执行动作组合，每个电机都需完成各自的执行动作，即在单位时间内向指定方向转动指定的角度；9无线传输模块将脑电信号采集模块采集的脑电信号通过无线传输模块发送到计算机应用程序中的脑电信号处理模块；将肌电信号采集模块采集的肌电信号通过无线传输模块发送到计算机应用程序中的肌电信号处理模块；将惯性信号采集模块采集到的加速度及陀螺仪信号为惯性信号，惯性信号通过惯性传感器自带的数字运动处理器整合，并通过无线传输模块发送到计算机应用程序中的镜像信号处理模块。

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