[发明专利]一种外骨骼机械腿康复系统站立模式控制方法

说明书

本发明提供一种外骨骼机械腿康复系统站立模式控制方法。在站立模式启动后，首先通过对采集到的阵列式肌电信号分解，然后提取肌肉运动单元的特征参数（运动单元数目、发放频率、发放波形能量），量化特征参数，最后根据所述量化的特征参数，分级驱动关节电机输出力矩，辅助患者腿部肌肉康复训练。由于本发明以肌肉运动单元特征参数为依据，更能反映肌肉状态，十分有利于患者康复，本系统控制方法具有实现简单的优点。

技术领域

本发明涉及辅助医疗康复训练设备领域，尤其设计一种利用患者肌电信号反馈的下肢康复系统站立模式的控制方法。

背景技术

目前，由于肌肉萎缩等问题引起的患者不断增多，他们不仅行动上不便，心理上也承受巨大压力，借助康复设备改善肢体机能成为其迫切愿望。外骨骼机械腿是一种穿戴在下肢，在关节处电机驱动下，辅助下肢运动，达到康复训练功能的机械装置。为了解决患者的肌肉萎缩等身体问题，帮助他们重新站立和行走，提高其生活质量，开发具有自主知识产权的外骨骼机械腿康复装置并研究相应的模式控制方法具有重大的现实意义。

外骨骼机械腿康复系统是以康复训练为目标，所以助力是其主要作用，但外骨骼如何在恰当的时刻提供合适的动力是关键问题。中国专利公布的“可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的站立模式控制方法”(申请号201510765556.4)重点阐述了站立触发条件判断和站立动作的实现，而对站立过程中外骨骼的助力方法描述不多。中国专利公布的“利用肌电信号提供机械帮助的康复机器人系统”(申请号200610079973.4)利用肌电信号的幅度计算康复机器人的需要提供的附加力矩，在肌电反馈中，仅用到肌电信号的幅度，而幅度并不能全面反映肌肉状态，这样输出附加力矩不可靠。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种外骨骼机械腿康复系统站立模式控制方法，主要针对下肢外骨骼康复系统在训练过程中，提出患者在站立模式下外骨骼的助力方式。

为实现上述目的，在康复系统站立模式启动后，把小腿肌肉和大腿肌肉的阵列式表面肌电信号反馈输入信号分析单元，采用卷积核补偿算法分解，提取肌肉运动单元特征参数。根据特征参数量化结果分级驱动膝关节和髋关节，根据肌肉状态灵活控制助力的大小。

本发明公开了一种外骨骼机械腿康复系统站立模式控制方法，其特征是包括以下步骤：

步骤一：将阵列式表面电极分别贴在左右两腿的肌肉上；

步骤二：外骨骼机械腿康复系统站立模式启动后，各关节电机停转，采集小腿肌肉和大腿肌肉的阵列式表面肌电信号，输入信号至分析单元；

步骤三：依次取等长的肌电信号信号，采用卷积核补偿算法分解阵列式肌电信号，提取肌肉运动单元特征参数；

步骤四：通过比较前后两段信号的肌肉运动单元特征参数量化结果，判断肌肉状态，分级输出信号来驱动膝关节和髋关节电机，从而保持站立姿态的稳定。

优选的，步骤三中肌肉运动单元特征参数包括：肌肉运动单元数目、发放频率，以及发放波形能量。其中肌肉运动单元数目、发放频率由分解结果直接获取，能量由发放波形的积分计算得到，公式如下：

其中t₁,t₂是波形长度，f(t)是运动单元波形。

优选的，步骤四特征是将肌肉运动单元特征参数量化，判断肌肉状态，分级输出信号驱动电机。小腿肌肉运动单元特征参数量化结果对应膝关节电机输出，大腿肌肉运动单元特征参数量化结果对应髋关节电机输出。在这个过程中，髋关节和膝关节上的角度传感器变化大于20度时，作为非正常情况，此时报警并助力电机以最大力矩输出，支撑患者站立。在正常情况下，小腿肌肉和大腿肌肉运动单元驱动原理相同，分级依据是肌肉运动单元特征参数量化结果的变化，所述步骤四具体包括：