基于脑电信号的下肢外骨骼控制系统研究

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下肢康复外骨骼机器人作为可穿戴的人机一体化装置,能够帮助下肢偏瘫、截瘫病患以及行走不便的老人进行运动康复治疗,并使其能重新进行正常活动。脑-机接口是近些年发展起来的一种新型人机交互方式,它能够直接解码出人的意图。将脑-机接口技术引入到康复外骨骼机器人的控制中,患者可以通过意识来自主控制外骨骼进行康复训练,有助于神经功能的恢复。本文基于稳态视觉诱发(SSVEP)和运动想象两种脑电信号展开研究,完成了信号的处理和识别,并将其应用于下肢外骨骼机器人的控制中,主要工作如下:构建了基于脑电信号的下肢外骨骼机器人控制系统。下肢外骨骼由本体结构和辅助设备组成,已有数名下肢截瘫患者借助下肢外骨骼完成了康复实验,目前已实现坐下、起立、行走三种动作。设计了SSVEP和运动想象两种脑电信号的采集系统和诱发系统,控制系统结合了脑电信号和传感器信号,通过融合策略输出最终执行动作。完成对两种脑电信号的处理和识别。SSVEP信号经过巴特沃斯滤波器进行预处理,再利用快速傅里叶变换提取频域特征,最后通过典型相关性分析识别其类型。运动想象信号通过切比雪夫滤波器去除无效频段信息,再利用多类共空域模式提取特征向量,最后使用支持向量机进行特征识别。通过实验测试了基于脑电信号的外骨骼机器人控制系统。验证试验主要分为离线实验和在线实验,离线实验中采集样本对算法参数进行训练,在线实验中统计识别准确率,系统实时解析实验者意图,并结合外骨骼自身状态,输出最终执行动作。实验结果表明,基于两种脑电信号都能够完成对外骨骼的基本控制,并有着较高的识别准确率,同时与传感器信号的结合,能够有效减少错误动作,避免危险。
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