方块的闪烁频率分别为6.82，8.33，9.375，和12.5Hz ；这部分通过C++程序完成。
[0041]所述脑机接口模块2包括:脑电采集单元A、脑电信号在线滤波调理单元B、特征提取及模式识别单元C。其中脑电采集单元是美国的Emotive EPOC系统，主要采集枕叶区01，02，P03，P04四个位置的EEG信号，采样频率设定为128Hz，脑电信号在线滤波单元通过4阶Butterworth高通滤波器(截止频率为2Hz)完成，模式识别单元C采用线性识别分类器。脑电信号采集模块2主要用来识别受试者的运动意图:正常行走，加速，减速或停止。
[0042]所述正弦发生器模块3包括:频率及幅值设定单元A、正弦曲线发生单元B以及伺服系统单元C。其中正弦发生器模块3由C#编写完成；正弦发生器模块3的运行过程如下:
[0043]步骤1:先测量人体正常行走过程中一个周期内的左右下肢髋关节、膝关节及踝关节角度信息，并通过傅立叶级数展开到二阶，这样，就可分别用两个正弦函数近似六个关节的角度变化信息；每个正弦曲线可通过幅值、频率、及偏移三个特征描述。
[0044]步骤2:当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线的三个特征均设为正常值，则正弦发生器单元B生成的是正常行走情况下的六个关节角度信息；当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线频率设为2倍时，则正弦曲线发生单元B生成的是加速情况下的六个关节角度信息；当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线频率设为0.5倍时，则正弦曲线发生单元B生成的是减速情况下的六个关节角度信息；当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线的幅值与偏移设为O时，则正弦曲线发生单元B生成的是停止情况下的六个关节角度信息。正弦曲线发生单元B根据频率及幅值设定单元A的设定值生成相应的角度信息。正弦曲线发生单元B生成的各关节角度信息通过运动控制卡分别发给伺服系统单元C的六个交流伺服驱动器，再由驱动器传给交流电机，交流电机最终带动外骨骼按设定的模式运动；为保证实时性，运动控制卡选用固高的GTS800，并工作在动态PT模式。
[0045]步骤3:当频率及幅值设定单元A的设定值发生变化时，为了保证角度过渡的平缓性，相关值的变化是按照二阶微分方程的规律变化的。
[0046]所述下肢机器外骨骼模块4包括:左右下肢大腿及小腿处的外骨骼。其中外骨骼每部分的长度可根据受试者的下肢具体结构而调整。
[0047]所述机器外骨骼支架模块5包括:外骨骼支撑单元A和伺服系统安装单元B。
[0048]所述通信模块6包括:基于TCP/IP协议的网络流通信方式一一套间字。其中通信模块6主要功能是连接脑机接口模块2和正弦发生模块3，以及将脑机接口模块2识别的指令实时传递给正弦发生模块3的频率及幅值设定单元A，频率及幅值设定单元A根据此指令来设定每个正弦曲线的相关值。
[0049]本发明应用过程如下:先将受试者悬吊至合适的高度，并将受试者下肢固定在外骨骼上，调节外骨骼关节至合适人体的比例；受试者带上脑电采集帽Emotive EP0C，调整电极位置，保证各电极接触状况良好；单独运行SSVEP(C++)程序，训练解码分类器，这部分持续120s，共24次实验；训练完后，关闭SSVEP程序，接通运动控制卡，开启电机电源；运行正弦发生器(C#)程序，再次运行SSVEP程序，这时在正弦发生器程序界面会提示“SSVEP ISCONNECTED” ;此后，受试者即可用自主运动意识在线实时地控制下肢机器外骨骼，使外骨骼任意运行在四种模式下:正常行走，加速，减速或停止。
[0050]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【主权项】
1.一种融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，仿照人体正常的神经及运动系统，基于脑机接口机制，建立整个控制系统，包括脑机接口、正弦发生器和下肢机器外骨骼；其中，脑机接口解码出自主运动意图，将命令实时发送给正弦发生器，正弦发生器接收脑机接口发送的指令，产生符合大脑意图的节律性关节角度信息，并输出到下肢机器外骨骼，控制下肢机器外骨骼完成停止、正常行走、加速、减速四种基本的行走模式。
2.根据权利要求1所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，所述脑机接口采用稳态视觉诱发电位方式，即SSVEP，根据大脑枕叶区在不同刺激下的电位来进行脑部活动解码，采用脑电采集单元完成对枕叶区四个区域01、02、P03、P04进行电位米集。
3.根据权利要求2所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，所述SSVEP采用的刺激源是四个闪烁方块，频率为6.82Hz,8.33Hz、9.375Hz、和12.5Hz，分别对应于停止、正常行走、加速、减速四种运动模式。
4.根据权利要求2所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，所述正弦发生器基于傅立叶级数理论建立，并通过C#编程完成，正弦发生器由一组正弦方程描述，它根据SSVEP发送的指令，设定每个正弦方程的参数，产生符合大脑意图的节律性关节角度信息。
5.根据权利要求4所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，所述正弦发生器程序包括三部分信息； 其中，第一部分指示与SSVEP的连接情况；第二部分实时显示SSVEP发送的指令；第三部分实时显示关节角度信息。
6.根据权利要求4所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，所述SSVEP与正弦发生器的通信通过套间字方式完成，基于TCP/IP的网络通信协议，通信过程中正弦发生器作为服务器，SSVEP作为客户端。
7.根据权利要求1所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，所述下肢外骨骼有左右下肢的髋关节、膝关节与踝关节六个自由度，其中，六个关节的辅助力矩由六个交流电机提供，输出力矩通过行星减速器进行放大；电机控制通过上位机，运动控制卡与驱动器协调完成，正弦发生器将各关节的角度信息发送给运动控制卡，控制卡再协调地发脉冲到交流电机，进而使电机协调运动；为实现实时控制，运动控制卡工作在动态PT模式。
8.根据权利要求1所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统，其特征在于，所述下肢外骨骼配有悬吊装置，用来克服重力的影响。
9.一种融合自主运动意识的下肢在线行走康复方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的系统来完成，首先将受试者悬吊至合适的高度，并将受试者下肢固定在下肢机器外骨骼上，调节下肢机器外骨骼的关节至合适人体的比例；受试者带上脑电采集帽，调整电极位置，保证各电极接触状况良好；单独运行SSVEP的C++程序，训练解码分类器，这部分持续一段时间，进行多次实验；训练完后，关闭SSVEP程序，接通运动控制卡，开启电机电源；运行正弦发生器的C#程序，再次运行SSVEP程序，这时在正弦发生器程序界面提示SSVEP ISCONNECTED;此后，受试者即能用自主运动意识在线实时地控制下肢机器外骨骼，使下肢机器外骨骼任意运行在正常行走、加速、减速或停止四种模式下。
10.根据权利要求9所述的融合自主运动意识的下肢在线行走康复方法，其特征在于，所述正弦发生器主要由频率及幅值设定单元A、正弦曲线发生单元B以及伺服系统单元C组成，其接收脑机接口发送的指令，产生符合大脑意图的节律性关节角度信息，传递给下肢机器外骨骼完成相应模式，正弦发生器的运行过程如下: 步骤1:先测量人体正常行走过程中一个周期内的左右下肢髋关节、膝关节及踝关节角度信息，并通过傅立叶级数展开到二阶，分别用两个正弦函数来近似六个关节的角度变化信息；每个正弦曲线通过幅值、频率、及偏移三个特征描述； 步骤2:当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线的三个特征均设为正常值，则正弦发生器单元B生成的是正常行走情况下的六个关节角度信息；当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线频率设为2倍时，则正弦曲线发生单元B生成的是加速情况下的六个关节角度信息；当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线频率设为0.5倍时，则正弦曲线发生单元B生成的是减速情况下的六个关节角度信息；当频率及幅值设定单元A将每个正弦曲线的幅值与偏移设为O时，则正弦曲线发生单元B生成的是停止情况下的六个关节角度信息，正弦曲线发生单元B根据频率及幅值设定单元A的设定值生成相应的角度信息，正弦曲线发生单元B生成的各关节角度信息通过运动控制卡分别发给六个交流电机，交流电机带动外骨骼按设定的模式运动； 步骤3:当频率及幅值设定单元A的设定值发生变化时，为了保证角度过渡的平缓性，相关值的变化按照二阶微分方程的规律变化。
【专利摘要】本发明公开一种融合自主运动意识的下肢在线行走康复系统及方法，仿照人体正常行走的神经及运动系统而建立，包括脑机接口，正弦发生器和下肢机器外骨骼；脑机接口解码出自主运动意图，将命令实时发送给正弦发生器；正弦发生器接收脑机接口发送的指令，产生符合大脑意图的节律性关节角度信息，并输出到下肢机器外骨骼，控制下肢机器外骨骼完成停止、正常行走、加速、减速四种基本的行走模式。本发明通过这种控制模式，可将受试者的自主运动意识融合到康复训练中；并可实现四种基本的行走模式：停止，正常行走，加速和减速；可实现系统的实时在线控制，并保证平缓的运动和模式间的切换。本发明切实可行，可提高现有外骨骼系统的康复效果。
【IPC分类】A61H3-00
【公开号】CN104606030
【申请号】CN201510006076
【发明人】桂凯, 张定国, 任勇, 陈杰
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月6日