[发明专利]一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统和方法

权利要求书

1.一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统，其特征在于，包括控制模块、电刺激器模块、数据采集模块；其中：

所述控制模块用于实时为所述电刺激器模块发送强度信号，其中包括一个关节力矩和刚度的预测模型，用于生成关节力矩和刚度和主动肌和拮抗肌电刺激强度的映射表，还包括一个插值查找表算法，寻找目标关节角度和关节力矩所需要的电刺激强度，并将此电刺激强度信号传给电刺激器模块；

所述电刺激器模块用于产生电刺激脉冲电流并传递给人体肌肉；

所述数据采集模块用于采集关节的肌电、力矩和角度信号并传输至所述控制模块；

在所述控制模块上的关节力矩和刚度的预测模型包括以下4个子模型：刺激电流强度到肌肉兴奋性映射模型、肌肉骨骼几何模型、肌力模型和关节模型；其中：

所述刺激电流强度到肌肉兴奋性映射模型根据所述电刺激器模块所产生的电刺激强度进行计算，得到肌肉兴奋性；

所述肌肉骨骼几何模型根据所述数据采集模块采集的肌电、角度信号进行计算，得到肌肉肌腱长度和肌力臂；

所述肌力模型根据肌肉兴奋性和肌肉肌腱长度进行计算，得到肌肉力；

所述关节模型根据肌肉力和肌力臂进行计算，得到关节力矩和关节刚度；

所述功能性电刺激系统通过调控电刺激器模块的电刺激强度实现对关节力矩和关节刚度实时调控。

2.根据权利要求1所述的一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统，其特征在于，所述控制模块还构建有用于校准所述关节力矩和刚度的预测模型；其中：

将计算得到的关节力矩和实际由所述数据采集模块采集到的力矩信号输入至所述的关节力矩和刚度的预测模型；通过最小化调参目标函数，完成对于所述的关节力矩和刚度的预测模型校准。

3.一种如权利要求1或2所述的一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统的调控关节力矩和刚度的功能性电刺激方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过刺激电流强度到肌肉兴奋性映射模型对电刺激强度进行计算，得到肌肉兴奋性；

S2：根据数据采集模块采集的肌电、角度信号，利用肌肉骨骼几何模型进行计算，得到肌肉肌腱长度和肌力臂；

S3：将肌肉兴奋性和肌肉肌腱长度作为输入导入到肌力模型中，计算得到肌肉力；

S4：根据肌力臂和肌肉力，通过关节模型进行计算，得到关节力矩和关节刚度；

S5：将得到的关节力矩和关节刚度与数据采集模块实际采集的力矩、刚度信号进行线性回归分析，获取关节力矩和关节刚度中的权重因子和偏差值；

S6：根据权重因子和偏差值对肌肉骨骼几何模型、关节模型进行校准，完成系统模型的构建，并建立关节力矩和刚度和主动肌和拮抗肌电刺激强度的映射表；

S7：根据插值查找表算法，寻找目标关节角度和关节力矩所需要的电刺激幅值。

4.根据权利要求3所述的一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述刺激电流强度到肌肉兴奋性映射模型对电刺激强度进行计算具体过程为：

其中，a是肌肉兴奋性，a∈[0，1]；g₁是最大电刺激下能得到稳定力矩的增益系数；g₂由肌肉招募曲线的斜率决定；g₃由能引起肌肉激活的最小电刺激强度所决定；I是电刺激强度，I_max是最大电刺激强度。

5.根据权利要求4所述的一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述肌肉骨骼几何模型计算公式具体为：

其中，A为肌肉在骨头上的起始点，B为肌肉在骨头上的嵌入点，O为关节中心，q为关节角度，l_mt为肌肉单元长度，r_mt为肌肉力臂。