(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210466845.4 (22)申请日 2022.04.29 (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南 开区卫津路9 2号 (72)发明人 董娜　刘首甫　高忠科　马文庆　 刘勇　赵思思　吴威　 (74)专利代理 机构 天津市北洋 有限责任专利代 理事务所 12 201 专利代理师 杜文茹 (51)Int.Cl. G06F 3/01(2006.01) G06K 9/00(2022.01) G06N 3/04(2006.01) G08C 17/02(2006.01) G05B 19/042(2006.01)G01D 21/02(2006.01) A63B 24/00(2006.01) A63B 23/04(2006.01) (54)发明名称 基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系 统及应用 (57)摘要 一种基于脑电采集设备的新型下肢康复训 练系统及应用， 包括上位机， 分别与上位机相连 的嵌入式控制器、 便携式脑电采集设备、 压力传 感器， 以及与嵌入式控制器无线连接的下肢康复 训练模块， 所述压力传感器还 连接下肢康复训练 模块， 还设置有给系统整体供电的电源模块， 上 位机用于对分别接收到的便携式脑电采集设备 所采集的脑电信号和压力传感器所采集的下肢 康复训练模块的压力信号进行处理， 并生成控制 信号， 通过嵌入式控制器无线传输给下肢康复训 练模块， 所述的嵌入式控制器还将 接收到的下肢 康复训练模块输出使用者下肢的位置信息反馈 给上位机。 本发明， 可以很好地实现人机交互， 能 够动态聚合脑电信号通道信息并且同时提取时 域特征。 权利要求书4页 说明书9页 附图2页 CN 114756131 A 2022.07.15 CN 114756131 A 1.一种基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统， 包括上位机(1)， 分别与上位机 (1)相连的嵌入式控制器(2)、 便携式脑电采集设备(3)、 压力传感器(4)， 以及与嵌入式控制 器(2)无线连接的下肢康复训练模块(5)， 所述压力传感器(4 )还连接下肢康复训练模块 (5)， 还设置有给系统整体供电的电源模块(6)， 其特征在于， 上位机(1)用于对分别接收到 的便携式脑电采集设备(3)所采集的脑电信号和 压力传感器(4)所采集的下肢康复训练模 块(5)的压力信号进行处理， 并生成控制信号， 通过嵌入式控制器(2)无线传输给下肢康复 训练模块(5)， 所述的嵌入式控制器(2)还将接收到的下肢康复训练模块(5)输出使用者下 肢的位置信息反馈给 上位机(1)。 2.根据权利要求1所述的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统， 其特征在于， 所 述的上位机(1)包括控制模块(11)、 内部模块(12)、 人机交互界面(13)和脑电信号处理模块 (14)， 其中， 所述的内部模块(12)包括读模块(121)和写模块(122)， 所述的读模块(121)用 于接收嵌入式控制器(2)传输的下肢康复训练模块(5)输出的使用者下肢关节的角度信号， 以及压力传感器(4)输出的下肢康复训练模块(5)的压力信号， 读模块(121)以每1ms一次的 速率读取接收嵌入式控制器(2)传输的使用者下肢关节的角度和状态信号， 并且以每1ms一 次的速率作为时间基； 所述的写模块(122)是将经控制模块(11)处理生成的信号发送至嵌 入式控制器(2)， 所述的嵌入式控制器(2)生成并输出使 能信号、 方向控制信号和脉冲控制 信号以驱动下肢康复训练模块(5)中的动力输出模块； 所述的人机交互界面(13)执行控制 模块(11)的命令行显示使用者的训练状态， 使用者还通过人机交互界面(13)设置运动强 度； 所述的脑电信号处理模块(14)是通过提出的一种自适应时空图卷积网络(ASTGCN)对脑 电信号进行处 理。 3.根据权利要求1所述的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统， 其特征在于， 所 述的下肢康复训练模块(5)包括依次连接的： 通信模块(51)、 电压变换模块(52)、 动力输出 模块(53)和下肢康复训练设备(54)， 其中， 通信模块(51)与所述嵌入式控制器(2)无线连 接， 所述动力输出模块(53)的输出驱动下肢康复训练设备(54)， 下肢康复训练设备(54)内 设置的角度传感器的输出信号通过通信模块(51)传输给嵌入式控制器(2)， 所述压力传感 器(4)设置在所述的下肢康复训练设备(54)上， 用于将下肢康复训练设备(54)的压力信号 传送给下肢康复模块(5)中的通信模块(51)， 并由通信模块(51)传输给上位机(1)中的读模 块(121)。 4.根据权利要求3所述的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统， 其特征在于， 所 述的通信模块(51)搭载Wi ‑Fi无线通信协议栈， 工作状态下负载电流为59mA， Wi ‑Fi最高传 输速率54Mbps， 接收嵌入式控制器(2)发送的指令并进行解析， 通过解包处理， 将接收嵌入 式控制器(2)发送的数据包解析出对应动作指 令， 发送给电压变换模块(52)， 所述的电压变 换模块(52)采用PWM控制输出模式， 将通信模块(51)发送的PWM波通过内部电力电子开关器 件转为不同电压， 加载于动力输出模块(53)； 所述的动力输出模块(53)是由步进电机， 与步 进电机相连的编码 器、 驱动器和减速器构成， 驱动器由电源模块(6)供电， 嵌入式控制器(2) 的多路PWM信号通过控制驱动器和减速器电压值来改变步进电机的运行状态； 安装在步进 电机末端的编码器， 检测当前的位置信息并反馈给通信模块(51)。 5.根据权利要求1所述的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统， 其特征在于， 所 述的便携式脑电采集设备(3)包括依次连接的用于采集使用者EEG脑电信号的电极片以及权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114756131 A 2连接装置(31)、 用于脑电信号放大和转化的生物电信号采集模块(32)、 用于控制生物电信 号采集模块(32)的工作和接收生物电信号采集模块(32)输出的EEG脑电信号的STM32处理 器(33)和用于传输EEG信号的WIFI无线传输电路(34)， 以及分别连接生物电信号采集模块 (32)和STM32处理器(33)的电源电路(35)； 其中， 所述的电极片以及连接装置(31)采集使用 者前额叶区域的EEG信号， 通过软排线与生物电信号采集模块(32)相连接， 用于生物电信号 的采集和传输 。 6.根据权利要求5所述的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统， 其特征在于， 所 述的生物电信号采集模块(32)是由生物电信号采集芯片构成， 所述的生物电信号采集芯片 集成了用于接收电极片以及连接装置(31)采集的EE G脑电信号的高共模抑制比模拟输入模 块、 用于进行EEG脑电信号放大的低噪声可编程增益放大器和用于将模拟信号转换为数字 信号的高分辨 率同步采样模数转换器； 所述的STM32处理器(33)用于控制生物电信号采集模块(32)的采集模式与参数， 以及 控制WIFI无线传输电路(34)的传输模式与传输 速度； 所述WIFI无线传输电路(34)的输入为所述生物电信号采集模块(32)输出的EEG脑电信 号， 并将E EG脑电信号向上位机(1)传输 。 所述的电源电路(35)， 输入电压为5V， 使用锂电池供电， 通过电压转化模块， 输出电压 为3.3V提供系统所需的工作电压 。 7.根据权利要求1所述的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统， 其特征在于， 所 述的嵌入式控制器(2)是辅助控制器， 是通过写模块(122)接收控制模块(11)处理后的信 号， 生成输出使能信号、 方向控制信号和脉冲控制信号， 所述的嵌入式控制器(2)采集编码 器反馈的位置信号和压力传感器(4)反馈的压力信号， 为上位机(1)中的控制模块(11)计算 控制信号和运动强度提供原始的输入信号， 所述的嵌入式控制器(2)与上位机(1)通过串口 连接， 进行实时的数据交换。 8.根据权利要求2所述的基于脑电采集设备的新型下肢康复训练系统， 其特征在于， 所 述上位机(1)中的脑电信号处理模块(14)接收到便携式脑电采集设备采集的脑电信号后， 对脑电信号进行带通滤波处理， 将处理后的数据转换为有向图， 每个图代表着不同动作的 标签， 图中的每个节点及对应的节点值分别表示电极通道和脑电信号， 节点与节点之间的 边表示电极通道之 间的连接； 所述的脑电信号处理模块(14)是采用自适应时空图卷积网络 对脑电信号进行处 理。 所述的自适应时空图卷积网络由五层组成， 分别是依次串接的： 第一卷积层， 所述的第一卷积层用于接收脑电信号， 卷积核大小为(1,64)， 步长为(1, 1)； 设定输入数据维数为(N,T)， 邻接矩阵维数为(N,N)， 其中N为输入卷积层的节点数， T为 卷积层输出的节点数， 第一次卷积运 算得到的特 征图维数保持不变； 第一时空块层， 所述的第一时空块层用于接收第一卷积层处理后的特征图， 时空块中 的卷积层的卷积核大小为(1,8)， 步长为(1,1)， 平均池大小为(1,2)， 平均池大小得到的特 征图维数为(N,T/2)， 时空块中的自适应图卷积层进行自适应图卷积运算， 聚合中心节点及 中心节点的邻节点的信息， 且不改变特 征图的维数； 第二时空块层， 所述的第二时空块层用于接收第一时空块层处理后的特征图， 第二