[发明专利]基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统及其控制方法

权利要求书

1.一种基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统，其特征在于：包括机械部分和电气部分；

机械部分，包括滑轨、基座、下肢机械腿、滚珠丝杠、驱动电机；所述下肢机械腿由上、下两段组成，上段机械腿包括大腿支撑杆和大腿支撑套；下段机械腿包括小腿支撑杆和小腿支撑套，中间以旋转副连接；大腿支撑杆的上端与基座通过旋转副相连，小腿支撑杆的下段与滑轨通过滑动副相连；驱动电机通过滚珠丝杠与下肢机械腿的末端相连，下肢机械腿末端置于滑轨内；

电气部分，包括肌电电极片、肌电放大器、角度编码器、数据采集卡、上位机、电机驱动器、电机编码器和蜂鸣器；

肌电电极片一端与肌电放大器连接，肌电放大器与数据采集卡输入端连接，数据采集卡输入端另与角度编码器和限位开关连接，数据采集卡的输出端与上位机接通；上位机控制电机驱动器，电机驱动器控制机械部分；角度编码器安装在机械部分上，测量机械部分的角度和角速度信息，角度编码器将信息输入数据采集卡。

2.一种基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统控制方法，其特征在于：

所述控制方法如下：

将肌电电极片贴在患者患侧腿部肌肉的相应位置上，肌电放大器通过肌电电极片实时采集患者患部肌肉的肌电信号，将肌电信号输入数据采集卡；角度编码器实时测量机构的角度及角速度信息，将所测量的信息输入数据采集卡；数据采集卡实时采集、传输肌电信号和机构反馈的角度信息至上位机；上位机通过信号处理与分析后，辨识出患者的运动意图，生成相应的期望轨迹，通过电机驱动器控制驱动电机带动机械部分运动，通过机械部分辅助带动患者进行下肢伸展与屈曲训练。

3.根据权利要求2所述的基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统控制方法，其特征在于：利用肌电放大器与数据采集卡实时采集肌肉的肌电信号，利用公式（1）、（2）计算出患者运动意图的特征向量iEMG、RMS；

iEMG=∫tt+T|EMG(t)|dt---(1)]]>

RMS=∫tt+TEMG2(t)dtT---(2)]]>

式中，iEMG为积分肌电值，反映肌肉动作时运动单元的数量及每个运动单元的放电大小；t为采集肌电信号的时间；T为分析该采集到的肌电信号的周期；EMG(t)为t时刻采集到的相应肌肉运动的肌电信号；RMS为均方根值，描述肌肉放电的有效值，其大小由肌电的幅值变化决定，与运动单元募集和兴奋节律的同步有关；

将得到的特征向量iEMG、RMS输入到上位机中经过训练的BP神经网络，通过BP神经网络辨识出患者下肢运动意图，同时得到膝关节的角速度，作为下肢康复机器人的期望轨迹，驱动电机带动机器人完成康复训练。

4.根据权利要求2所述的基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统控制方法，其特征在于：在每个运动周期结束后，分析采集的肌电信号能够反映患者当前的疲劳状态；利用公式（3）、（4）计算患者肌肉疲劳程度的特征向量MPF、FI_nsm5；

MPF=∫0∞f·P(f)df/∫0∞P(f)df---(3)]]>

FInsm5=∫f1f2f-1·P(f)·df∫f1f2f5·P(f)·df---(4)]]>

式中，MPF为平均功率频率，是功率谱曲线重心位置的频率，对低负荷运动的频谱变化有较高敏感性；f为肌电信号的频率；P(f)为功率谱函数；f₁、f₂分别为肌电放大器带宽的最小值与最大值；FI_nsm5为季米特洛夫指数，它的表达式为肌电的负一阶谱矩与第5阶谱矩的比值，可反映疲劳状态的变化；

将得到的特征向量MPF、FI_nsm5输入到上位机中经过训练的BP神经网络，通过BP神经网络得到表征肌肉疲劳状态的特征值，该特征值与设定的阈值进行比对，当大于或等于阈值时，表明患者已经处于疲劳状态，通过蜂鸣响音进行报警提示，同时修正期望轨迹，保持此时的输出角度一段时间，使患者肌肉的疲劳状态得以缓解后再恢复训练；也可直接关闭电源终止训练。