[发明专利]肢体骨骼肌发力状态检测装置及方法、发力状态识别设备

说明书

本发明公开了一种肢体骨骼肌发力状态检测装置，其包括：压力感知模块，以及可穿戴的定位模块，其中，所述压力感知模块以可拆卸的方式安装在所述定位模块上；当穿戴者穿戴所述定位模块时，所述定位模块将所述压力感知模块固定在所述穿戴者的肢体上，并使所述感知模块的受力点/受力面始终抵住与所述骨骼肌表面，以获取肢体骨骼肌向上突起(即发力)时产生的压力。本发明利用力传感器对肢体骨骼肌用力状态进行实时感知，利用肢体骨骼肌发力时肌肉弹性刚度变化特性，通过传感器来检测肌肉软硬度变化，进而在不采用传统肌电信号测量的贴片方式的情况下来检测肢体骨骼肌的用力状态。

优先权申请

本申请要求2020年3月31日提交的中国发明专利申请CN 2020102421710 “一种肢体骨骼肌发力状态测试机构、方法和装置”的优先权，这件优先权中国发明专利申请以引用方式全文并入。

技术领域

本发明属于信号检测技术领域，尤其涉及一种肢体骨骼肌发力状态检测装置及其检测方法，以及一种肢体骨骼肌发力状态识别设备。

背景技术

人的膝关节在日常的各种生活活动中起着极其重要的作用，比如正常的行走、站立。但是，现在有许多膝关节损伤的患者，比如步态障碍、瘫痪、肌肉无力等等，他们无法像常人一样自由的行走或者站立，这对他们的生活有很大的影响。所以，出现可以帮助这些有膝关节功能障碍的人恢复行走能力的设备是必要的。相比传统的物理治疗法，通常需要体力劳动，由于物理治疗师需要高强度的劳动，针对患者的培训课程通常时间、频率和可用性是有限的。而利用机器人技术开发可穿戴医疗设备，如外骨骼和活动矫形器，用于行走障碍患者。通过机器人辅助康复，物理治疗师便可以摆脱传统物理治疗的繁重负担。并且，机器人辅助康复可以提供长时间的训练，增加康复过程。

目前，参考图1所示为Pratt等人做出了一种叫做RoboKnee的膝关节外骨骼，用来增强人的力量和耐力，提高行走速度。该款膝关节外骨骼采用串联驱动器提供动力，执行机构主要由直流电机、压缩弹簧、滚珠丝杠螺母和导轨组成。它能够输出565N的连续力和1330N的间歇力。经过试验，这套设备可以在受试者进行爬楼梯、负重或深膝弯曲等运动时增强他的力量和耐力。

参考图2所示，Maeda等人开发了一款用于增强正常人步行能力的膝关节外骨骼。用PAMs来驱动外骨骼。这套外骨骼设备主要由空气压缩机、气动调节器、激动剂-拮抗剂PAMs、传感器、嵌入式控制器和一个商用的膝关节支撑组成。不包括空气压缩机和气动调节器外骨骼总重约0.8Kg。对一名健康成年男性受试者进行实验，在实验中，实验者穿戴这套设备在跑步机上以每小时4 公里的速度行走。实验结果表明，膝关节外骨骼可以为佩戴者提供可变刚度的帮助，以减少过度肌肉活动。

参考图3所示，Dollar等人开发了一种用于运输过程中辅助跑步和提高人体性能的能量自主的膝关节外骨骼。外骨骼由支架、控制硬件、执行器模块组成，执行器又包括了直流电机、滚珠丝杠和螺母、弹簧、以及皮带驱动器。执行器大约重1Kg，最大持续力约524N，峰值扭矩为47.5Nm。电源选用锂聚合物电池，外骨骼总重量约2.5Kg，穿戴者能在30秒内穿上，5秒内脱下。在他们以后的研究中，将进行人体实验来验证装备的有效性。

参考图4所示，D.J.Hyun等人提出了一种以电力为动力的下肢外骨骼，叫做人体通用运动辅助器(Human Universal Mobility Assistance HUMA)。HUMA 旨在为穿戴者提供负重帮助，增强人的体力和耐力。它有12个自由度来协助人类运动。假肢有两个电力驱动的自由度用于髋/膝关节的屈伸和伸展。HUMA具有主动人工髋关节和膝关节的机械结构。他的主动人工膝关节由一个四杆多中心联动机构组成，通过其他四杆动力传动机构，由位于机器人大腿段中间的执行机构驱动。这个动力膝关节的优点有四个，分别为a.人类和机器人在腿部运动时膝盖对齐；b.膝关节自主稳定区扩大；c.角度相关的可变膝关节扭矩/速度的比率增大；d.人工腿的总惯性矩减少。开发者们对外骨骼进行了步态测试，实验中，HUMA外骨骼机器人能够负重20Kg以5公里每小时的速度行走，无负重以每小时10公里的速度跑步。