基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统及其控制方法
【专利摘要】一种基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统及其控制方法，所述机器人系统包括机械部分和电气部分；所述方法主要应用对象为处于早、中期阶段的康复患者，当患者用此方法进行康复训练时，实时采集患者运动肌肉的肌电信号，辨识出患者的运动意图及运动速度并生成机器人的期望轨迹，通过运动学逆解得到驱动部件的期望轨迹，通过设计的模糊PID控制器驱动电机的输出。在每个运动周期后分析采集的肌电信号判断患者是否处于疲劳状态，当大于或等于设定的疲劳阈值时，修正原有输出，对患者进行提示，待疲劳缓解后恢复康复训练。本发明利用肌电信号辨识患者意图及肌肉状态并引入到控制中，可以很好的提高患者参与意识及训练安全性，有效改善康复效果。
【专利说明】基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及康复医疗设备和【技术领域】，尤其涉及一种基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]脑卒中即人们所熟知的中风，它是以猝然昏倒、不省人事、伴有口角歪斜同时出现半身不遂为主要症状的一类疾病。由于其发病率高、死亡率高、致残率高、复发率高以及并发症多的特点，所以医学界把它同冠心病、癌症并列为威胁人类健康的三大疾病之一。实践表明，通过及时、积极的康复训练，大部分中风患者可以恢复简单肢体运动能力、甚至痊愈。目前，临床应用的康复治疗方法主要是由医师协助患者进行康复训练，导致患者康复效果完全取决于医师水平，同时康复医师数量严重不足。因此，引入康复机器人用于辅助患者进行康复训练，可以显著提高患者康复效率，减轻康复医师的工作强度。
·[0003]当前，国内外科研机构研制了各种类型的康复机器人，但大多采用较为简单的控制方法，只能辅助患者完成相对简单的康复训练，难以调动患者的主动参与意识和自信心。同时由于欠缺患者生理状态的评价策略，患者康复过程中产生疲劳，易于出现意外导致二次受伤，进而限制了康复机器人的推广应用。
[0004]表面肌电信号与肌肉活动有着天然的联系，随着生物电信号处理技术的发展，通过肌电信号辨识患者的运动意图，并作为参考控制康复机器人已成为研究热点之一。同时肌电信号能够实时反映肌肉状态，通过分析肌电信号获取人体生理状态，并作为反馈自适应控制康复机器人，能够提高患者康复训练的主动性和自信心，同时保证康复机器人的安全性，进而推动康复机器人的临床实用化进程，缓解康复医师短缺的现状，具有重要的经济和社会价值。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种利用肌电信号判断患者患处训练情况并辅助患者自主锻炼的下肢康复锻炼设备和控制方法，特别是一种基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统及其控制方法。
[0006]本发明的第一目的是提供一种基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统，所述机器人系统包括机械部分和电气部分；
[0007]机械部分，包括滑轨、基座、下肢机械腿、滚珠丝杠、驱动电机；所述下肢机械腿由上、下两段组成，上段机械腿包括大腿支撑杆和大腿支撑套；下段机械腿包括小腿支撑杆和小腿支撑套，中间以旋转副连接；大腿支撑杆的上端与基座通过旋转副相连，小腿支撑杆的下段与滑轨通过滑动副相连；驱动电机通过滚珠丝杠与下肢机械腿的末端相连，下肢机械腿末端置于滑轨内；
[0008]电气部分，包括肌电电极片、肌电放大器、角度编码器、数据采集卡、上位机、电机驱动器、电机编码器和蜂鸣器；[0009]肌电电极片一端连接在患者患处肌肉表层，另一端与肌电放大器连接，肌电放大器与数据采集卡输入端连接，数据采集卡输入端另与角度编码器和限位开关连接，数据采集卡的输出端与上位机接通；上位机控制电机驱动器，电机驱动器控制机械部分；角度编码器安装在机械部分上，测量机械部分的角度和角速度信息，角度编码器将信息输入数据采集卡。
[0010]本发明的另一个目的是提供基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统控制方法，所述控制方法如下:
[0011]针对处于早、中期的康复患者，由于不具有完备的行为能力，应对其实施被动、助力康复训练策略，根据肌肉活动与肌电信号的对应关系，将肌电电极片贴在患者患侧腿部股四头肌与胫骨前肌的相应位置上，肌电放大器通过肌电电极片实时采集患者患部肌肉的肌电信号，将肌电信号输入数据采集卡；角度编码器实时测量机构的角度及角速度信息，将所测量的信息输入数据采集卡；数据采集卡实时采集、传输肌电信号和机构反馈的角度信息至上位机；上位机通过信号处理与分析后，辨识出患者的运动意图，再进行运动学逆解得到相应的期望轨迹，通过电机驱动器控制驱动电机带动机械部分运动，带动小腿支撑杆的下段沿滑轨运动，使得机械腿带动患者患肢进行康复训练运动，同时膝关节处的角度传感器测量运动过程中的角度及角速度信息，并反馈给上位机，利用设计的模糊PID控制器实时跟踪期望轨迹，完成患者的康复训练动作。
[0012]利用肌电放大器与数据采集卡实时采集肌肉的肌电信号，利用公式(I)、(2)计算出患者运动意图的特征向量iEMG、RMS ；
【权利要求】
1.一种基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统，其特征在于:包括机械部分和电气部分； 机械部分，包括滑轨、基座、下肢机械腿、滚珠丝杠、驱动电机；所述下肢机械腿由上、下两段组成，上段机械腿包括大腿支撑杆和大腿支撑套；下段机械腿包括小腿支撑杆和小腿支撑套，中间以旋转副连接；大腿支撑杆的上端与基座通过旋转副相连，小腿支撑杆的下段与滑轨通过滑动副相连；驱动电机通过滚珠丝杠与下肢机械腿的末端相连，下肢机械腿末端置于滑轨内； 电气部分，包括肌电电极片、肌电放大器、角度编码器、数据采集卡、上位机、电机驱动器、电机编码器和蜂鸣器； 肌电电极片一端与肌电放大器连接，肌电放大器与数据采集卡输入端连接，数据采集卡输入端另与角度编码器和限位开关连接，数据采集卡的输出端与上位机接通；上位机控制电机驱动器，电机驱动器控制机械部分；角度编码器安装在机械部分上，测量机械部分的角度和角速度信息，角度编码器将信息输入数据采集卡。
2.一种基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统控制方法，其特征在于: 所述控制方法如下: 将肌电电极片贴在患者患侧腿部肌肉的相应位置上，肌电放大器通过肌电电极片实时采集患者患部肌肉的肌电信号，将肌电信号输入数据采集卡；角度编码器实时测量机构的角度及角速度信息，将所测量的信息输入数据采集卡；数据采集卡实时采集、传输肌电信号和机构反馈的角度信息至上位机；上位机通过信号处理与分析后，辨识出患者的运动意图，生成相应的期望轨迹，通过电机驱动器控制驱动电机带动机械部分运动，通过机械部分辅助带动患者进行下肢伸展与屈曲训练。
3.根据权利要求2所述的基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统控制方法，其特征在于:利用肌电放大器与数据采集卡实时采集肌肉的肌电信号，利用公式(I)、(2)计算出患者运动意图的特征向量iEMG、RMS ；
4.根据权利要求2所述的基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统控制方法，其特征在于:在每个运动周期结束后，分析采集的肌电信号能够反映患者当前的疲劳状态；利用公式(3)、(4)计算患者肌肉疲劳程度的特征向量MPF、FInsm5 ；
【文档编号】A61B5/0488GK103431976SQ201310306301
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年7月19日 优先权日:2013年7月19日
【发明者】杜义浩, 赵鹏, 谢平, 徐文玉 申请人:燕山大学