[发明专利]基于连续上台阶步态下肢助力外骨骼效能评估方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于连续上台阶步态下肢助力外骨骼效能评估方法及系统，该方法包括对若干测试者进行连续上台阶测试，并且每位测试者均进行穿戴外骨骼和未穿戴外骨骼的连续上台阶测试，所述连续上台阶测试包括多个完整的上台阶步态周期，所述上台阶步态周期包括第一双支撑期、单支撑期、第二双支撑期和摆动期；采集穿戴外骨骼和未穿戴外骨骼连续上台阶测试的肌肉活动数据和代谢成本数据；对采集到的肌肉活动数据和代谢成本数据进行统计数据处理；对处理后的数据进行分析得出结论。通过对测试者的肌电信号和耗氧量、二氧化碳呼出量，计算出助力外骨骼消耗功率降低比例及助力效率，对外骨骼效能进行全方位的评估。该评估方法精确、稳定、简单易行。

技术领域

本发明涉及一种用于评估下肢助力外骨骼在连续上台阶步态下对人体的助力能效的方法及系统。

背景技术

下肢助力外骨骼是一种人体可穿戴式的机械装置，并联于人体的下肢，可用于增强或是恢复人体的运动能力，也可以进行为膝关节功能障碍的患者进行步态康复，它可以根据人体的运动意图进行肢体跟随并且为下肢助力或支撑，目前的主动式下肢助力外骨骼尚处于实验室阶段。

现有技术中通常采用通过计算下肢关节处的转矩进行下肢外骨骼助力程度测试，例如，通过三维运动捕捉系统和三维测力板构建人体下肢三连杆模型，进而求解得到人体各关节与关节力矩，在此过程中，需要对受试者(或穿戴者)的表面肌电信号、足底压力、下肢运动状态等信息进行采集。

然而，由于人体的肌肉具有柔韧性，而外骨骼助力是与人体交互时发生的，因此，外骨骼的助力效果会存在延迟，也就是说对下肢关节处的转矩计算仅仅是对外骨骼助力程度或效果的一种预判，没有直接反应外骨骼在测试时间段内对受试者下肢的助力效果。此外，该方法需要采集多个参数，并通过多个模型与方程进行求解，操作复杂，且由于需要采集多个参数(例如，肌电信号、足底压力等)，相应地，配套的检测设施也繁多，造成检测成本偏高，不利于广泛应用。

此外，现有技术中还通过测试代谢成本进行助力效果测试，但当受试者的代谢成本的基数偏小时，在测试过程中的误差可能偏大，从而降低测试结果的可靠性。

尽管下肢助力外骨骼已然成为了目前的研究热点之一，然而针对下肢助力外骨骼的效能评估方法未见有统一的测试标准。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于连续上台阶步态下肢助力外骨骼效能评估方法及系统，用于对下肢助力外骨骼效能进行统一精确的评估。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种基于连续上台阶步态下肢助力外骨骼效能评估方法，包括：对若干测试者进行连续上台阶测试，并且每位测试者均进行穿戴外骨骼和未穿戴外骨骼的连续上台阶测试，所述连续上台阶测试包括多个完整的上台阶步态周期，所述上台阶步态周期包括第一双支撑期、单支撑期、第二双支撑期和摆动期；采集穿戴外骨骼和未穿戴外骨骼连续上台阶测试的肌肉活动数据和代谢成本数据；对采集到的肌肉活动数据和代谢成本数据进行统计数据处理。

利用肌电信号降低比例评价外骨骼助力具有较高的准确性。原因是人体的肌肉是柔性的，而外骨骼助力是与人体交互时发生，助力会有延迟，而对关节处转矩的计算仅是对外骨骼助力进行预判的评估，而真正外骨骼产生助力效果，从生理反应更直接更准确。评估外骨骼是否产生助力，主要看外骨骼是否对完成相同动作局部肌肉发力是否降低，和综合代谢成本是否减少。

另外，相比于平路和陡坡行走步态，上台阶步态中人体下肢关节运动角度变化范围更大，各部分核心肌肉发力特征更明显，能更好的突出外骨骼对核心肌肉助力的性能，其次，连续上台阶步态需要抬升自身重量，综合能耗远大于平路行走和陡坡行走，在综合代谢成本测试中能有效避免因基数小造成测量误差大的问题。

作为一种改进，所述测试者均为20～30周岁男性。

作为一种进一步的改进，穿戴外骨骼和未穿戴外骨骼连续上台阶测试时的平均速度为大约40～大约70步/min，台阶高度为大约15～大约30cm。