本發明涉及輔助醫療康復訓練設備領域，尤其設計一種利用患者肌電信號反饋的下肢康復系統站立模式的控制方法。
背景技術：
：目前，由于肌肉萎縮等問題引起的患者不斷增多，他們不僅行動上不便，心理上也承受巨大壓力，借助康復設備改善肢體機能成為其迫切愿望。外骨骼機械腿是一種穿戴在下肢，在關節處電機驅動下，輔助下肢運動，達到康復訓練功能的機械裝置。為了解決患者的肌肉萎縮等身體問題，幫助他們重新站立和行走，提高其生活質量，開發具有自主知識產權的外骨骼機械腿康復裝置并研究相應的模式控制方法具有重大的現實意義。外骨骼機械腿康復系統是以康復訓練為目標，所以助力是其主要作用，但外骨骼如何在恰當的時刻提供合適的動力是關鍵問題。中國專利公布的“可穿戴仿生外骨骼機械腿康復裝置的站立模式控制方法”(申請號201510765556.4)重點闡述了站立觸發條件判斷和站立動作的實現，而對站立過程中外骨骼的助力方法描述不多。中國專利公布的“利用肌電信號提供機械幫助的康復機器人系統”(申請號200610079973.4)利用肌電信號的幅度計算康復機器人的需要提供的附加力矩，在肌電反饋中，僅用到肌電信號的幅度，而幅度并不能全面反映肌肉狀態，這樣輸出附加力矩不可靠。技術實現要素：鑒于上述問題，本發明的目的在于提供一種外骨骼機械腿康復系統站立模式控制方法，主要針對下肢外骨骼康復系統在訓練過程中，提出患者在站立模式下外骨骼的助力方式。為實現上述目的，在康復系統站立模式啟動后，把小腿肌肉和大腿肌肉的陣列式表面肌電信號反饋輸入信號分析單元，采用卷積核補償算法分解，提取肌肉運動單元特征參數。根據特征參數量化結果分級驅動膝關節和髖關節，根據肌肉狀態靈活控制助力的大小。本發明公開了一種外骨骼機械腿康復系統站立模式控制方法，其特征是包括以下步驟：步驟一：將陣列式表面電極分別貼在左右兩腿的肌肉上；步驟二：外骨骼機械腿康復系統站立模式啟動后，各關節電機停轉，采集小腿肌肉和大腿肌肉的陣列式表面肌電信號，輸入信號至分析單元；步驟三：依次取等長的肌電信號信號，采用卷積核補償算法分解陣列式肌電信號，提取肌肉運動單元特征參數；步驟四：通過比較前后兩段信號的肌肉運動單元特征參數量化結果，判斷肌肉狀態，分級輸出信號來驅動膝關節和髖關節電機，從而保持站立姿態的穩定。優選的，步驟三中肌肉運動單元特征參數包括：肌肉運動單元數目、發放頻率，以及發放波形能量。其中肌肉運動單元數目、發放頻率由分解結果直接獲取，能量由發放波形的積分計算得到，公式如下：其中t1,t2是波形長度，f(t)是運動單元波形。優選的，步驟四特征是將肌肉運動單元特征參數量化，判斷肌肉狀態，分級輸出信號驅動電機。小腿肌肉運動單元特征參數量化結果對應膝關節電機輸出，大腿肌肉運動單元特征參數量化結果對應髖關節電機輸出。在這個過程中，髖關節和膝關節上的角度傳感器變化大于20度時，作為非正常情況，此時報警并助力電機以最大力矩輸出，支撐患者站立。在正常情況下，小腿肌肉和大腿肌肉運動單元驅動原理相同，分級依據是肌肉運動單元特征參數量化結果的變化，所述步驟四具體包括：1)將站立模式的開始階段信號分解后得到肌肉運動單元3個初始特征參數；2)依次分解等長的表面肌電信號，得到肌肉運動單元3個新的特征參數，量化運動單元特征參數，比較前后兩段信號參數量化結果，設置變化閾值判斷肌肉是否正常。運動單元特征參數量化結果變化超過50％屬于不正常情況，肌肉運動單元特征參數的量化即每個肌肉運動單元發放頻率×能量的疊加。3)不正常情況變化時，驅動電機輸出最大力矩，并報警。正常情況下變化，根據肌肉運動單元特征參數量化結果調整驅動電機輸出力矩，輔助站立訓練。肌肉運動單元特征參數的量化結果劃分為5個范圍，對應五級輸出，驅動相應的膝關節和髖關節電機。與現有技術相比，本發明的外骨骼機械腿康復系統站立模式控制方法具有的優勢是：采用陣列式表面肌電信號反饋，有利于獲得較大面積肌肉的狀態，且表面電極方式易于患者接受；運動單元特征參數的運用，能夠反映出局部肌肉狀態，肌肉異常狀態出現往往開始于局部肌肉；運動單元特征參數的量化，能準確反映肌肉狀態；關節上角度傳感器在患者突發情況時，保護患者不受傷害。整個控制方法簡單，易實現。附圖說明圖1是本發明外骨骼機械腿康復系統結構框圖。圖2是本發明外骨骼機械腿康復系統站立模式工作流程圖。具體實施方式以下結合附圖1和附圖2對本發明作進一步詳細描述，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地實現。本發明公開了一種外骨骼機械腿康復系統站立模式控制方法，所述的外骨骼機械腿康復系統包括兩個機械腿，每個機械腿包括髖關節電機和膝關節電機，通過電機轉動可以助力髖關節和膝關節。兩條腿的控制原理相同，每個關節電機都是根據肌肉狀態來調整輸出力矩。具體實施方式包括以下步驟：步驟一：將陣列式表面電極分別貼在左右兩腿的肌肉上，即大腿的股四頭肌和小腿的腓腸肌，貼之前用醫用砂紙和酒精對皮膚表面清理，電極放在肌肉的肌腹位置，根據患者肌肉大小，可適當增加陣列電極個數，電極按垂直腿部一圈分布。電極一圈分布有利于采集橫截面上的肌肉狀態，每個橫截面上肌肉力是相等的。整個過程可在醫生指導下完成。需要說明的是，本發明所提供的技術方案并不局限于這些目標肌肉，也可針對四塊乃至更多目標肌肉。步驟二：外骨骼機械腿康復系統站立模式啟動后，各關節電機停轉，采集小腿肌肉和大腿肌肉的陣列式表面肌電信號濾波后輸入信號分析單元；步驟三：依次取等長的肌電信號信號(這里取信號長度為3秒)，采用卷積核補償算法分解陣列式肌電信號，提取肌肉運動單元特征參數，具體方法如下：卷積核補償算法是利用陣列sEMG信號各通道信號的相關性，計算發放序列。具體過程為：首先計算陣列sEMG信號互相關矩陣以及互相關矩陣逆矩陣，互相關矩陣C表示為：C＝E(S(n)ST(n))其中n是采樣時刻，S(n)是第n個采樣時刻的陣列信號，ST(n)是第n個采樣時刻的陣列信號轉置，E(·)是數序期望。計算互相關矩陣的逆矩陣C-1，即C-1＝[E(S(n)ST(n))]-1然后采樣時刻n取sEMG信號能量的中值，能量Δ按照下式計算：Δ＝ST(n)C-1S(n)取能量中值Δ所對應的時刻n0。最后利用如下公式計算得到運動單元發放序列ξ(n0)：ξ(n0)＝ST(n0)C-1S(n0)按照上述方法重復300次提取運動單元發放時刻序列，刪除重復的發放序列，得到K個運動單元發放序列ξ1，ξ2，ξ3，…，ξk。分別將該每個運動單元發放序列的時刻所對應的原始陣列表面肌電的前后±50ms信號疊加后取均值，得到K個時長100ms運動單元發放波形MUAP1,MUAP2,MUAP3,…MUAPK。肌肉運動單元特征參數包括：肌肉運動單元數目、發放頻率，以及發放波形能量。其中肌肉運動單元數目、發放頻率由分解結果直接獲取，發放波形能量由發放波形的積分計算得到，公式如下：其中t1,t2是波形長度，f(t)是運動單元波形。步驟四：通過比較前后兩段信號的肌肉運動單元特征參數，判斷肌肉狀態，分五級輸出信號驅動。小腿肌肉運動單元特征參數是對應膝關節電機輸出，大腿肌肉運動單元特征參數是對應髖關節電機輸出。在這個過程中，髖關節和膝關節上的角度傳感器變化大于20度時，作為非正常情況，此時報警并助力電機以最大力矩輸出，支撐患者站立。在正常情況下，小腿肌肉和大腿肌肉運動單元驅動原理相同，分級依據是肌肉運動單元特征參數量化結果，所述步驟四具體包括：1)將站立模式的開始階段信號分解后得到肌肉運動單元3個初始特征參數；2)依次分解等長的表面肌電信號，得到肌肉運動單元3個新的特征參數，量化運動單元特征參數，比較前后兩段信號參數量化結果，設置變化閾值判斷肌肉是否正常；3)不正常情況時，驅動電機輸出最大力矩，并報警，運動單元特征參數量化結果變化超過50％屬于不正常情況。正常情況下，根據肌肉運動單元特征參數量化結果，調整驅動電機輸出力矩，輔助站立訓練。肌肉運動單元特征參數量化方法即每個肌肉運動單元的發放頻率×能量疊加，將疊加的結果劃分為5個范圍，對應五級輸出，驅動相應的膝關節和髖關節電機。級數越高，電機輸出越大。在分級輸出時，可以適當增加患者肌肉承擔的力量，提升訓練效果。為說明具體分級方法，舉例說明。最初3秒信號作為第一段信號分解得到的肌肉運動單元特征參數如表1所示，因為最初狀態沒有機械腿助力，此時的肌肉運動單元的特征參數量化結果都是最大的，因此以表1的值作為最大特征值分級，按照均分后，分級如表2所示。假設分解第二段信號得到表3結果，這樣電機輸出為1級。需要強調的是，在使用表2之前，需要判定肌肉處于正常情況下。表1表2運動單元特征值之和級數149.92-187.41112.44-149.92274.96-112.44337.48-74.9640-37.485表3上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬
技術領域：
中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。當前第1頁1 2 3