CN112089577A - 基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人 - Google Patents

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黄尚军
王乐军
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Abstract

本发明涉及一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，包括下肢外骨骼机械装置、动力驱动装置、传感器集成附件和中枢控制器，下肢外骨骼机械装置包括通过铰链连接的多个机械支撑件，动力驱动装置设于机械支撑件连接处，控制机械支撑件运动，传感器集成附件与机械支撑件机械连接，机械支撑件包括腰后部支撑件，中枢控制器固定于腰后部支撑件上。与现有技术相比，本发明具有提高步态矫正中的稳定性与安全性、有助于中枢病变患者肌肉自主激活及异常协调模式的康复等优点。

Description

基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人
技术领域
本发明涉及康复医学-可穿戴设备技术领域，尤其是涉及一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人。
背景技术
步态是下肢关节相关协调配合的高度自动化的运动形式，步态相位和步态活动是其中的两个关键因素。步态活动是指神经中枢控制下的下肢肌肉激活程度、主动肌-拮抗肌和环节间的协调配合，而步态相位是指一个完整跨步过程种所经历的8个离散状态，分别为触地期、承重期、支撑中期、支撑末期、预摆动期、摆动初期、摆动中期与摆动末期，此8个步态相位呈循环的方式交替衔接。步态是日常生活的重要基础，而随着老龄化社会的进程加快和人类疾病谱的改变，因生理机能衰退、神经疾病及慢性肌骨疾病而所致的异常步态，逐年上升且呈年轻化趋势，严重制约着患者的社会参与度和生活质量。因中枢神经病变导致的异常运动模式(偏瘫步态)是最为典型的异常步态之一，主要表现为肌肉自主激活缺失及肌间协调模式异常。
下肢外骨骼康复机器人作为机器人学、步态分析、生物交互反馈和临床康复等交叉学科领域的典型代表，已广泛应用于异常步态的临床治疗。其通过为下肢关节提供力矩辅助的方式可实现常态化的步行，循环往复的被动周期性训练可促进脑功能区的重建。目前，下肢外骨骼康复机器人的训练模式可分为被动、助动和主动，外骨骼自带的传感器可检测关节力矩并产生自适应的外骨骼力矩驱动。然而，中枢神经病变导致的异常运动模式主要表现为肌肉自主激活缺失及肌间协调模式异常，尽管下肢外骨骼机器人可辅助步行，但并不能恢复肌肉功能，还可能因长期以往的辅助而导致肌肉功能废用性的减退。功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation，FES)是利用一定强度的低频脉冲电流，通过预先设定的程序来刺激一组或多组肌肉，诱发肌肉运动或模拟正常的自主运动，以达到改善或恢复被刺激肌肉功能的目的。因此，将下肢骨骼机器人和功能性电刺激有效结合，即可辅助运动又可活化肌肉功能，是矫正异常步态的有效康复手段之一。
中国专利CN103655122A公开了一种融合功能性电刺激的膝关节外骨骼系统，其通过功能性电刺激发挥病人肌肉的自主力量，在此基础上，康复机器人实施辅助功能，两者共同作用；中国专利CN110882485A公开了一种采用体表电极刺激目标肌肉的瘫痪肢体运动功能重建系统。但存在如下局限：
一、现有的融合电刺激的外骨骼装置仅可用于单一肌肉和关节的康复训练，对于步态这样包含复杂运动模式信息的日常生活动作尚无法进行训练。
二、上述专利中功能电刺激是根据预先人工编码的电脉冲进行肌肉刺激，且刺激信号为单一的时域信号(持续时间和振幅)，并不包含代表肌肉协调模式的协同信号和频域信号，无法实现对多肌群协同配合层面进行刺激激活训练。
三、采用预定式的功能电刺激对患侧肌肉进行活化刺激，不仅与个体激活信息不能匹配，还无法实现根据刺激肌肉的激活信号在一定区间范围内反馈调节电刺激程序。强度过低的刺激可能效果不足，过高的刺激可能使得单一肌肉激活过高，进而导致肌肉间不协调。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，通过步态过程中健侧肢体的关节运动信息和肌肉激活信息，分别用于驱动患侧外骨骼和编码功能电刺激程序，并依据足底压力信息划分步态阶段，通过相位差平移的方式实现针对性的对侧驱动，基于患侧肢体现存的运动模式和肌肉激活反向调节外骨骼驱动器和功能电刺激程序，为偏瘫患者提供稳定持续性的外骨骼助力和异常步态康复训练。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，包括下肢外骨骼机械装置、动力驱动装置、传感器集成附件和中枢控制器，所述下肢外骨骼机械装置包括通过铰链连接的多个机械支撑件，所述动力驱动装置设于机械支撑件连接处，控制机械支撑件运动，所述传感器集成附件与机械支撑件机械连接，所述机械支撑件包括腰后部支撑件，中枢控制器固定于腰后部支撑件上，传感器集成附件采集步态过程中健侧肢体的关节运动信息和肌肉激活信息，中枢控制器根据所述关节运动信息和肌肉激活信息，通过相位差平移的方式控制患侧肢体的动力驱动装置，并依据计算得到的步态阶段来驱动患侧肢体的机械支撑件，同时获取患侧肢体的关节运动信息和肌肉激活信息反馈到中枢控制器对患侧肢体的机械支撑件进行反向调节，为异常步态者提供外骨骼助力和异常步态康复训练。
所述机械支撑件还包括右侧大腿支撑件、左侧大腿支撑件、右侧小腿支撑件、左侧小腿支撑件、右侧踝足支撑件和左侧踝足支撑件。
进一步地，所述右侧踝足支撑件设有右脚跟压力传感器和右脚掌压力传感器，左侧踝足支撑件设有左脚跟压力传感器和左脚掌压力传感器，所述右脚跟压力传感器、右脚掌压力传感器、左脚跟压力传感器和左脚掌压力传感器采集地面反作用力信息，中枢控制器根据地面反作用力信息确定步态周期阶段，步态周期阶段包括支撑期和摆动期。
所述动力驱动装置包括关节滑轮、鲍登线和拉力传感器，所述关节滑轮设于机械支撑件之间，所述拉力传感器设于机械支撑件上，所述鲍登线连接相隔的关节滑轮，中枢控制器通过牵拉鲍登线实现关节运动的柔性控制，拉力传感器用于传出控制和反馈输入。
进一步地，所述健侧肢体和患侧肢体的关节运动信息包括关节滑轮的关节角度和净关节力矩，所述净关节力矩根据逆向动力学模型计算得到。
所述传感器集成附件包括右侧大腿传感器集成附件、左侧大腿传感器集成附件、右侧小腿传感器集成附件、左侧小腿传感器集成附件，传感器集成附件根据使用者的环节长度和肌肉分布设定相应的安装位置。
进一步地，所述右侧大腿传感器集成附件、左侧大腿传感器集成附件、右侧小腿传感器集成附件和左侧小腿传感器集成附件均设有惯性传感器、力传感器、伸肌肌电传感器、屈肌肌电传感器、伸肌功能电刺激器和屈肌功能电刺激器。
进一步地，所述惯性传感器为9轴加速度传感器，所述9轴加速度传感器包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁感应传感器，所述伸肌肌电传感器和屈肌肌电传感器采集肌肉激活信息，肌肉激活信息包括时域信号、频域信号和肌肉协同信息；力传感器用于记录运动过程中的肢体和机械支撑件之间的接触力；关节伸肌功能电刺激器和关节屈肌功能电刺激器根据健侧的肌肉激活信息对所附着的肌肉提供活化刺激。
所述中枢控制器设有功能电刺激模块、外骨骼驱动模块和同步控制模块，所述同步控制模块分别连接功能电刺激模块、外骨骼驱动模块，所述功能电刺激模块根据肌肉激活信息生成功能电刺激信号，所述外骨骼驱动模块根据关节运动信息生成外骨骼驱动信号。
进一步地，所述功能电刺激模块根据非负矩阵分解算法(NMF)从肌肉激活信息中提取肌肉协同信息，具体公式如下：
Figure BDA0002697484340000041
其中，Viu为原始矩阵，Wia为基矩阵，Hau为系数矩阵，n为基矩阵的分解列数，V′iu为重构矩阵。
进一步地，外骨骼驱动模块检测到健侧肢体肌肉主动激活时，根据健侧肢体的接触力和关节净力矩进行反馈调节，提供相应的辅助力矩。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明采集步态过程中健侧肢体的关节运动信息和肌肉激活信息对患侧肢体进行步态矫正，同时根据患侧肢体的实际情况进行反馈调节，与传统的预定式步态矫正相比，具有更高的稳定性与安全性。
2.本发明对患侧肌肉的功能电刺激，除了时域信号之外，还结合了频域信号和肌肉协同信息，实现对多肌群协同配合层面的刺激激活训练，具有较高的适用性，有助于中枢病变患者肌肉自主激活及异常协调模式的康复。
3.本发明依据健侧的摆动期、双支撑期和单支撑期内的运动模式信息，通过相位差平移的方式实现患侧肢体的针对性驱动和刺激，对患侧肢体进行一个完整步态周期的矫正训练，有效缩短了患侧肢体的康复周期。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明控制流程的示意图；
图3为本发明动力驱动装置的结构示意图；
图4为本发明传感器集成附件上传感器的分布示意图。
附图标记：
1-下肢外骨骼机械装置；11-右侧大腿支撑件；12-左侧大腿支撑件；13-右侧小腿支撑件；14-左侧小腿支撑件；15-右侧踝足支撑件；16-左侧踝足支撑件；17-腰后部支撑件；152-右侧脚跟压力传感器；151-右侧脚掌压力传感器；162-左侧脚跟压力传感器；161-左侧脚掌压力传感器；2-动力驱动装置；21-关节滑轮；22-鲍登线；23-拉力传感器；3-传感器集成附件；31-右侧大腿传感器集成附件；32-左侧大腿传感器集成附件；33-右侧小腿传感器集成附件；34-左侧小腿传感器集成附件；311-惯性传感器；312-力传感器；313-伸肌肌电传感器；314-屈肌肌电传感器；315-伸肌功能电刺激器；316-屈肌功能电刺激器；4-中枢控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示，一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，包括下肢外骨骼机械装置1、动力驱动装置2、传感器集成附件3和中枢控制器4，下肢外骨骼机械装置1包括通过铰链连接的多个机械支撑件，动力驱动装置2设于机械支撑件连接处，控制机械支撑件运动，传感器集成附件3与机械支撑件机械连接，机械支撑件包括腰后部支撑件17，中枢控制器4固定于腰后部支撑件17上，传感器集成附件3采集步态过程中健侧肢体的关节运动信息和肌肉激活信息，中枢控制器根据4关节运动信息和肌肉激活信息，通过相位差平移的方式控制患侧肢体的动力驱动装置，并依据计算得到的步态阶段来驱动患侧肢体的机械支撑件，同时获取患侧肢体的关节运动信息和肌肉激活信息反馈到中枢控制器4对患侧肢体的机械支撑件进行反向调节，为异常步态者提供外骨骼助力和异常步态康复训练。
机械支撑件还包括右侧大腿支撑件11、左侧大腿支撑件12、右侧小腿支撑件13、左侧小腿支撑件14、右侧踝足支撑件15和左侧踝足支撑件16。
右侧踝足支撑件15设有右脚跟压力传感器152和右脚掌压力传感器151，左侧踝足支撑件16设有左脚跟压力传感器162和左脚掌压力传感器161，右脚跟压力传感器152、右脚掌压力传感器151、左脚跟压力传感器162和左脚掌压力传感器161采集地面反作用力信息，中枢控制器4根据双侧足跟和脚掌的地面反作用力出现和为0的时刻，进而确定步态周期中支撑期和摆动期的运动学、肌电和力矩的划分，本实施例中左侧为患侧，右侧为健侧，具体过程如下：
左侧脚跟垂直地面反作用力AFZ2初次大于10N的时刻，为患侧脚跟触地时刻t1；
右侧脚掌垂直地面反作用力UFZ1＝0的时刻，为健侧脚尖离地时刻t2，则t1-t2为步态周期的第一双支撑期时长；
右侧脚跟垂直地面反作用力UFZ2初次大于10N的时刻，为健侧脚跟触地时刻t3，则t2-t3为健侧摆动期时长；
左侧脚掌垂直地面反作用力AFZ1＝0的时刻，为患侧脚尖离地时刻t4，则t3-t4为步态周期的第二双支撑期时长；
AFZ2再次大于10N的时刻，为患侧再次触地时刻t5，则t4-t5为患侧摆动期时长。
如图3所示，动力驱动装置2包括关节滑轮21、鲍登线22和拉力传感器23，关节滑轮21设于机械支撑件之间，拉力传感器23设于机械支撑件上，鲍登线22连接相隔的关节滑轮，中枢控制器4通过牵拉鲍登线22实现关节运动的柔性控制，拉力传感器23用于传出控制和反馈输入。
健侧肢体和患侧肢体的关节运动信息包括关节滑轮21的关节角度和净关节力矩，净关节力矩根据逆向动力学模型计算得到。
传感器集成附件3包括右侧大腿传感器集成附件31、左侧大腿传感器集成附件32、右侧小腿传感器集成附件33、左侧小腿传感器集成附件34，传感器集成附件3根据使用者的环节长度和肌肉分布设定相应的安装位置。
如图4所示，右侧大腿传感器集成附件31、左侧大腿传感器集成附件32、右侧小腿传感器集成附件33和左侧小腿传感器集成附件34均设有惯性传感器311、力传感器312、伸肌肌电传感器313、屈肌肌电传感器314、伸肌功能电刺激器315和屈肌功能电刺激器316。
惯性传感器311为9轴加速度传感器，9轴加速度传感器包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁感应传感器，伸肌肌电传感器313和屈肌肌电传感器314采集肌肉激活信息，肌肉激活信息包括时域信号、频域信号和肌肉协同信息；力传感器312用于记录运动过程中的肢体和机械支撑件之间的接触力；关节伸肌功能电刺激器315和关节屈肌功能电刺激器316根据健侧的肌肉激活信息对所附着的肌肉提供活化刺激。
如图2所示，中枢控制器4设有功能电刺激模块、外骨骼驱动模块和同步控制模块，同步控制模块分别连接功能电刺激模块、外骨骼驱动模块，功能电刺激模块根据肌肉激活信息生成功能电刺激信号，外骨骼驱动模块根据关节运动信息生成外骨骼驱动信号。
外骨骼驱动模块检测到健侧肢体肌肉主动激活时，根据健侧肢体的接触力和关节净力矩进行反馈调节，提供相应的辅助力矩，以无阻抗为准，具体步骤如下：
步骤S11：采集步态运动中健侧肢体的关节角度，通过足底压力传感器采集三维地面反作用力，采用逆向动力学模型估计步态周期内多个阶段关节角度所对应的输出力矩；
步骤S12：计算得到的关节角度和期望输出力矩，连同拉力传感器23采集的数据一同输入到中枢控制器4的数据接收端，中枢控制器4评判拉力传感器23的数据和输出力矩的差值，依据偏差进行数据矫正；
步骤S13：中枢控制器4根据经过矫正和相对匹配的关节角度、期望关节力矩和拉力数值，控制患侧的机械支撑件运动，进行与健侧相等同的运动形式；
步骤S14：中枢控制器4基于患侧肢体的关节角度、关节净力矩、肢体和机械支撑件的接触力，通过迭代获得最优力曲线，根据最优力曲线对患侧机械支撑件进行控制。
最优力曲线具体为期望力矩或拉力小于设定值，并随即反馈中枢控制器，增大偏移量或输出，以无肢体和机械支撑件的接触力或低阻抗为适宜。
功能电刺激模块根据患侧传感器集成附件3检测到的肌肉信息，反馈传输至中枢控制器4进行功能电刺激的反馈调整，具体步骤如下：
步骤S21：采集步态运动中健侧肢体的肌肉激活信息，传输至表面肌电处理模块，进行信号处理；
步骤S22：根据右脚跟压力传感器152、右脚掌压力传感器151、左脚跟压力传感器162和左脚掌压力传感器161的阶段划分时间点，对完成信号处理后的肌电信号进行阶段划分，得到下肢肌肉激活信息；
步骤S23：将下肢肌肉激活信息经编程算法，生成与肌电模式信息相匹配的功能电刺激，作用于患侧肌群；
步骤S24：传感器集成附件3接收功能电刺激后的患侧肌群的肌电信号，反向传输至功能电刺激编码器，并根据患侧肌电的上限和下限设定反馈调整极限，基于肌肉功能的恢复程度反向调节功能电刺激输出的强度。
下肢肌肉激活信息包括单一肌肉的积分肌电、线性包络线；单一肌肉的频率分布；下肢肌肉的激活时序；下肢肌肉协同信息。
线性包络线反映肌肉激活程度，通过先进行10-400Hz的带通滤波，再进行截至频率为6Hz的低通滤波获得线性包络线。
下肢肌肉激活时序根据4个主要肌肉的激活顺序确立，激活时刻是当肌电信号为连续基础信号3倍标准差的时刻，确定伸膝肌群(股直肌)、屈膝肌群(股二头肌长头)、踝背屈肌群(胫骨前肌)和踝跖屈肌群(比目鱼肌)的先后激活时序。
功能电刺激模块根据非负矩阵分解算法(NMF)从肌肉激活信息中提取肌肉协同信息，具体公式如下：
Figure BDA0002697484340000081
其中，Viu为原始矩阵，Wia为基矩阵，Hau为系数矩阵，n为基矩阵的分解列数，V′iu为重构矩阵。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例子，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，其特征在于，包括下肢外骨骼机械装置(1)、动力驱动装置(2)、传感器集成附件(3)和中枢控制器(4)，所述下肢外骨骼机械装置(1)包括通过铰链连接的多个机械支撑件，所述动力驱动装置(2)设于机械支撑件连接处，控制机械支撑件运动，所述传感器集成附件(3)与机械支撑件机械连接，所述机械支撑件包括腰后部支撑件(17)，中枢控制器(4)固定于腰后部支撑件上，传感器集成附件(3)采集步态过程中健侧肢体的关节运动信息和肌肉激活信息，中枢控制器(4)根据所述关节运动信息和肌肉激活信息，通过相位差平移的方式控制患侧肢体的动力驱动装置，并依据计算得到的步态阶段来驱动患侧肢体的机械支撑件，同时获取患侧肢体的关节运动信息和肌肉激活信息反馈到中枢控制器(4)对患侧肢体的机械支撑件进行反向调节，为异常步态者提供外骨骼助力和异常步态康复训练。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，其特征在于，所述机械支撑件还包括右侧大腿支撑件(11)、左侧大腿支撑件(12)、右侧小腿支撑件(13)、左侧小腿支撑件(14)、右侧踝足支撑件(15)和左侧踝足支撑件(16)。
3.根据权利要求2所述的一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，其特征在于，所述右侧踝足支撑件(15)设有右脚跟压力传感器(152)和右脚掌压力传感器(151)，左侧踝足支撑件(16)设有左脚跟压力传感器(162)和左脚掌压力传感器(161)，所述右脚跟压力传感器(152)、右脚掌压力传感器(151)左脚跟压力传感器(162)和左脚掌压力传感器(161)采集地面反作用力信息，中枢控制器(4)根据地面反作用力信息确定步态周期阶段。
4.根据权利要求1所述的一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，其特征在于，所述动力驱动装置(2)包括关节滑轮(21)、鲍登线(22)和拉力传感器(23)，所述关节滑轮(21)设于机械支撑件之间，所述拉力传感器(23)设于机械支撑件上，所述鲍登线(22)连接相隔的关节滑轮(21)。
5.根据权利要求4所述的一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，其特征在于，所述健侧肢体和患侧肢体的关节运动信息包括关节滑轮(21)的关节角度和净关节力矩。
6.根据权利要求1所述的一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，其特征在于，所述传感器集成附件(3)包括右侧大腿传感器集成附件(31)、左侧大腿传感器集成附件(32)、右侧小腿传感器集成附件(33)、左侧小腿传感器集成附件(34)。
7.根据权利要求6所述的一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，其特征在于，所述右侧大腿传感器集成附件(31)、左侧大腿传感器集成附件(32)、右侧小腿传感器集成附件(33)和左侧小腿传感器集成附件(34)均设有惯性传感器(311)、力传感器(312)、伸肌肌电传感器(313)、屈肌肌电传感器(314)、伸肌功能电刺激器(315)和屈肌功能电刺激器(316)。
8.根据权利要求7所述的一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，其特征在于，所述惯性传感器(311)为9轴加速度传感器，所述9轴加速度传感器包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁感应传感器，所述伸肌肌电传感器(313)和屈肌肌电传感器(314)采集肌肉激活信息，肌肉激活信息包括时域信号、频域信号和肌肉协同信息。
9.根据权利要求1所述的一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，其特征在于，所述中枢控制器(4)设有功能电刺激模块、外骨骼驱动模块和同步控制模块，所述同步控制模块分别连接功能电刺激模块、外骨骼驱动模块，所述功能电刺激模块根据肌肉激活信息生成功能电刺激信号，所述外骨骼驱动模块根据关节运动信息生成外骨骼驱动信号。
10.根据权利要求9所述的一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，其特征在于，所述功能电刺激模块根据非负矩阵分解算法(NMF)从肌肉激活信息中提取肌肉协同信息，具体公式如下：
Figure FDA0002697484330000021
其中，Viu为原始矩阵，Wia为基矩阵，Hau为系数矩阵，n为基矩阵的分解列数，V′iu为重构矩阵。
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