【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及康復醫療器械，具體涉及一種可自動切換主動控制模式的下肢康復系統及控制方法。
技術介紹
1、智能下肢假肢與下肢外骨骼等移動穿戴式康復機器人能夠幫助肌肉損傷、神經損傷或下肢截肢患者恢復下肢運動功能。目前，解決基于人與機器人密切交互的控制問題是研究這類下肢康復機器人的關鍵技術問題，其中，人機交互中的人體運動意圖識別又是交互控制技術中的核心問題之一。
2、人體運動意圖識別的信號主要包括機械信號、生物力學信號和神經信號。機械信號是反映人體運動學和動力學的信號，主要包括速度、關節加速度等信號；生物力學信號是反映人體力學特性的信號，主要包括人機交互力、足底壓力等信號；神經信號是反映人體中樞信息的信號，主要包括腦電信號(eeg)和肌電信號(emg)。機械信號和生物力學信號由于其傳感技術成熟、穩定的特點被廣泛應用于意圖識別。
3、基于肌電信號的外骨骼主動控制模式，是通過采集皮膚生物電信號分析穿戴者意圖并執行相應動作，幫助肢體行動不便的穿戴者實現自主運動。肌電信號不僅是中樞運動神經的直接反映，能夠解碼人體運動意圖，同時還具有預測性和易獲取性的特點，成為映射人體運動意圖的主要輸入。
4、基于交互力信號的外骨骼主動控制模式，是通過采集人體與外骨骼機器人間的交互力信號分析穿戴者意圖并執行相應動作，幫助肢體行動不便的穿戴者實現自主運動。交互力信號的采集通過分布在外骨骼上的壓力傳感器實現，壓力傳感信號具有穩定的特點。
5、上述技術存在如下局限：
6、一、存在患者肌肉功能恢復不完全的情況
7、二、在肌電信號的采集易受肌肉阻抗、皮膚汗液、表皮毛發及外部電磁干擾等因素影響，表面肌電信號semg的穩定采集具有一定的難度，因此通過肌電信號對外骨骼進行主動控制的方式也存在不穩定的問題。
8、三、基于交互力信號的主動模式控制存在延時滯后的問題，不能及時響應患者的主動運動意圖。
9、四、肌肉疲勞時，肌電信號會產生非正常的變化，會導致關節力矩估計與患者主動意圖不相符的情況。
技術實現思路
1、本專利技術的目的之一在于提供一種可自動切換主動控制模式的下肢康復系統，能夠適應不同肌肉恢復程度的患者，避免由于肌肉功能恢復不足、肌電信號采集不穩定、肌肉疲勞導致的外骨骼運動執行異常的問題，提高外骨骼運動安全性、穩定性，增強神經回路重塑，提升康復效果。
2、為了達到上述目的，提供了一種可自動切換主動控制模式的下肢康復系統，應用于外骨骼，包括：感知層、判斷層、控制層和執行層；
3、所述感知層包括采集模塊；所述判斷層包括切換控制模塊；所述控制層包括肌電主導控制模塊和交互力主導控制模塊；所述執行層包括運動執行模塊；
4、采集模塊：用于采集使用者的肌電數據、足底壓力數據、運動姿態數據和人體與外骨骼之間的交互力數據；
5、切換控制模塊：用于基于步態識別表，以及根據足底壓力數據、運動姿態數據和人體與外骨骼之間的交互力數據進行步態識別，并判斷使用者所處步行周期的具體階段；還用于基于階段肌肉控制表和使用者所處步行周期的具體階段對肌電數據進行實時異常判斷，根據判斷結果生成對肌電信號主導控制模塊和交互力主導控制模塊進行主導切換的切換控制信號；
6、肌電信號主導模塊：用于接收到切換控制信號時，執行肌電信號主導的主動控制，并根據肌電數據分析關節力矩控制數據；
7、交互力信號主導模塊：用于接收到切換控制信號時，執行交互力主導的主動控制，并根據交互力數據分析關節力矩控制數據；
8、運動執行模塊：用于根據關節力矩控制數據控制外骨骼運動。
9、進一步，所述采集模塊包括：
10、肌電信號采集子模塊：用于收集并對原始肌電數據預處理，得到肌電數據；包括分別布置在臀大肌、髂腰肌、臀中肌、股直肌和股二頭肌的表面肌電信號傳感器；
11、足底壓力傳感子模塊：用于采集足底壓力數據；包括分布在足跟、前掌和足趾部位的電容式壓力傳感器；
12、運動姿態傳感子模塊：用于測量使用者下肢關節角數據，包括分布在髖關節、膝關節和踝關節的角度傳感器；用于測量使用者下肢運動姿態數據，包括分布在大腿根部和小腿根部的慣性傳感器；所述運動姿態數據包括下肢關節角數和下肢運動姿態數據；
13、交互力傳感子模塊：用于測量人體與外骨骼之間的交互力，包括分布在大腿前側、大腿后側、小腿后側的壓力傳感器。
14、進一步，所述肌電信號主導模塊中的關節力矩控制數據為基于神經肌肉骨骼模型對所述采集模塊提供的傳感數據進行分析估算得到；
15、神經肌肉骨骼模型法進行關節力矩控制數據估算的方式為：利用神經激活模型求解肌肉受到神經信號后的肌肉激活程度，將其帶入神經肌肉骨骼模型計算肌肉力和關節力矩臂，得到關節力矩，再根據實際測量關節力矩，對整體肌肉骨骼模型的參數進行優化，最終得到關節力矩。
16、進一步，所述交互力信號主導模塊中的關節力矩控制數據基于導納控制模型對髖膝關節期望角度進行預測得到；
17、導納控制模型對髖膝關節期望角度進行預測的方式為：將所采集的交互力傳感數據，經重力補償后，計算主動力矩；將主動力矩與外骨骼位置、速度、加速度這類運行參數作為輸入，輸入導納控制器，導納控制器運算后輸出目標運動角速度，將角速度乘以控制周期并加上當前的關節角度可得到期望的關節角度；
18、所述導納控制器的傳遞函數為：
19、
20、式中：ω(s)為外骨骼機器人關節運動角速度；τ(s)為經過重力補償后腿部交互力對應的主動力矩，md為慣性系數，bd為阻尼系數。
21、進一步，所述關節力矩控制數據包括關節力矩和關節角度，所述運動執行模塊，包括分布在左、右髖關節處和左、右膝關節處帶有旋轉編碼器的電機，用于測量電機轉速并與所接收的關節力矩控制數據實現對電機的控制。
22、本專利技術的目的之二在于提供一種可自動切換主動控制模式的下肢康復控制方法，應用了所述的下肢康復系統，具體包括以下步驟：
23、步驟1：使用者穿戴設備開始運動后，基于步態識別表，結合采集模塊采集的足底壓力數據、運動姿態數據和人體與外骨骼之間的交互力數據進行步態識別，并判斷使用者所處步行周期的具體階段；
24、步驟2：將采集的使用者的原始肌電數據，進行實時預處理得到肌電數據；
25、步驟3：通過切換控制模塊對肌電數據進行實時異常判斷，根據判斷結果生成對肌電信號主導控制模塊和交互力主導控制模塊進行主導切換的切換控制信號；
26、步驟4：根據切換控制信號控制肌電信號主導控制模塊或交互力主導控制模塊進行主動控制，并根據交互力數據或肌電數據分析關節力矩控制數據；使運動執行模塊根據關節力矩控制數據控制外骨骼運動。
27、進一步，所述步態識別表基于步行周期八分法設置，所述步行周期八本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種可自動切換主動控制模式的下肢康復系統，應用于外骨骼，其特征在于，包括：感知層、判斷層、控制層和執行層；
2.根據權利要求1所述的一種可自動切換主動控制模式的下肢康復系統，其特征在于：所述采集模塊包括：
3.根據權利要求2所述的一種可自動切換主動控制模式的下肢康復系統，其特征在于：所述肌電信號主導模塊中的關節力矩控制數據為基于神經肌肉骨骼模型對所述采集模塊提供的傳感數據進行分析估算得到；
4.根據權利要求3所述的一種可自動切換主動控制模式的下肢康復系統，其特征在于：所述交互力信號主導模塊中的關節力矩控制數據基于導納控制模型對髖膝關節期望角度進行預測得到；
5.根據權利要求4所述的一種可自動切換主動控制模式的下肢康復系統，其特征在于：所述關節力矩控制數據包括關節力矩和關節角度，所述運動執行模塊，包括分布在左、右髖關節處和左、右膝關節處帶有旋轉編碼器的電機，用于測量電機轉速并與所接收的關節力矩控制數據實現對電機的控制。
6.一種可自動切換主動控制模式的下肢康復控制方法，其特征在于，應用了權利要求1-5任一所述的下肢康復
7.根據權利要求6所述的一種可自動切換主動控制模式的下肢康復控制方法，其特征在于：所述步態識別表基于步行周期八分法設置，所述步行周期八分法基于步行周期中不同階段發力肌肉和步態不同，將步行周期分為足跟觸地期、全足底著地期、支撐相中期、足跟離地期、足趾離地期、擺動相早期、擺動相中期和擺動相末期；
8.根據權利要求7所述的一種可自動切換主動控制模式的下肢康復控制方法，其特征在于：所述步態識別包括關節角度判斷、足底壓力判斷、交互力判斷和俯仰角判斷；
9.根據權利要求8所述的一種可自動切換主動控制模式的下肢康復控制方法，其特征在于：所述步態識別方法具體如下：
10.根據權利要求7所述的一種可自動切換主動控制模式的下肢康復控制方法，其特征在于：異常的肌電數據包括由于肌肉功能較差造成的無效運動肌電數據、由于肌電數據采集不穩定造成的肌電數據丟失和由于肌肉疲勞導致的肌肉疲勞特征值變化的肌電數據；根據階段肌肉控制表對所處具體階段對應的肌電信號進行異常判斷時，其判斷方法如下：
...【技術特征摘要】
1.一種可自動切換主動控制模式的下肢康復系統，應用于外骨骼，其特征在于，包括：感知層、判斷層、控制層和執行層；
2.根據權利要求1所述的一種可自動切換主動控制模式的下肢康復系統，其特征在于：所述采集模塊包括：
3.根據權利要求2所述的一種可自動切換主動控制模式的下肢康復系統，其特征在于：所述肌電信號主導模塊中的關節力矩控制數據為基于神經肌肉骨骼模型對所述采集模塊提供的傳感數據進行分析估算得到；
4.根據權利要求3所述的一種可自動切換主動控制模式的下肢康復系統，其特征在于：所述交互力信號主導模塊中的關節力矩控制數據基于導納控制模型對髖膝關節期望角度進行預測得到；
5.根據權利要求4所述的一種可自動切換主動控制模式的下肢康復系統，其特征在于：所述關節力矩控制數據包括關節力矩和關節角度，所述運動執行模塊，包括分布在左、右髖關節處和左、右膝關節處帶有旋轉編碼器的電機，用于測量電機轉速并與所接收的關節力矩控制數據實現對電機的控制。
6.一種可自動切換主動控制模式的下肢康復控制方法，其特征在于，應用了權利要...
【專利技術屬性】
技術研發人員：謝海瓊，劉文斌，李凱翔，孟江，楊智云，左陶強，吳文杰，程科，仇斌權，郭明森，陳有為，
申請(專利權)人：重慶生物智能制造研究院，
類型：發明
國別省市：
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