以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统及助行方法

技术领域

本发明涉及一种步态康复辅助系统。特别是涉及一种以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统及助行方法。

背景技术

运动机能障碍或身体局部瘫痪的主要治疗手段为康复医学，主要通过修补病变与受损运动骨骼肌肉及周围神经组织，或采用运动辅具帮助与替代瘫痪肢体动作，使患者经长期康复运动训练后可在生理“结构康复”基础上恢复少量或大部分原有运动功能，达到“功能康复”。随着医疗技术提高、科技水平发展和社会文明进步，康复医学不仅受到前所未有的重视(如我国“十二五”科技规划执行时期即提出2015年初步实现残疾患者“人人享有康复服务”)，而且关注核心目标也逐步由传统“结构康复”转为“功能康复”，即侧重于患者运动功能的重建、替代、训练和适应，致力于改善身心健康水平、提高患者生存质量。康复训练形式也从传统的被动式训练转化为人机交互式的康复训练。并且，随着智能康复设备的发展，其也能更好地帮助患者恢复或替代受损的功能，其典型代表即前述的外骨骼康复机器人。

外骨骼康复机器人技术涉及机器人学、控制技术、步态分析、生物交互反馈和临床康复等多学科领域知识的交叉与融合。一般而言，外骨骼已非传统单一运动功能辅具，而是升级换代为一种可穿戴、拟人化的智能运动辅助机器人系统，其任务是与使用者进行人机交互、识别患者运动意图并按其指令操作外骨骼实现预期运动功能。例如对于遭受疾病、损伤导致偏瘫或截瘫而丧失独立行走能力的患者，外骨骼康复机器人可辅助其实现自由行走。虽然在康复训练前期，外骨骼机器人仍主要起辅助或替代瘫痪患者受损行走功能作用。但经智能机器人初期康复训练后，其善解人意的高度智能和人机交互的最优配合随着患者部分自主行走能力的恢复将使外骨骼更好地协调和强化患者的随意运动控制机能。并且在患者运动能力大部恢复的康复训练后期，智能化的外骨骼仍继续增强患者肌骨力量、优化肌骨协同关系、提升康复运动水平，最终达到重建患者运动机能的理想康复目标。随着康复机器人技术的发展，外骨骼机器人甚至可以助人执行超常精细的高难动作，其效果绝非传统康复训练所能达到。目前，绝大多数外骨骼外骨骼系统采用液压、气压、电机等外力驱动方式使患者运动，无法符合人体自身肌肉骨骼运动方式，往往出现患者肌肉萎缩、关节磨损，甚至骨折等进一步损伤。并且，上述动力驱动元件耗能、体积和重量尚不能完全满足患者的日常使用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种无电机驱动、步态自然、重量轻、续航能力强的以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统及助行方法。

本发明所采用的技术方案是：一种以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统，包括用于检测人体不同部位运动姿态数据的步态检测单元，信号输入端与步态检测单元的输出端相连的信号处理单元，所述信号处理单元的输出端分别连接用于对使用者的相应肌肉进行电刺激的功能性肌肉电刺激器的输入端和用于对使用者的关节运动进行锁定、为肢体提供稳定支撑的关节锁定单元的输入端，所述功能性肌肉电刺激器的输出端连接分别放置在使用者不同部位的目标肌肉上的用于对使用者的目标肌肉进行电刺激的表面肌肉刺激电极，放置有表面肌肉刺激电极的使用者的不同部位连接所述的步态采集系统的信号采集端。

一种用于以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统助行方法，包括如下步骤：

1)利用以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统测量获取使用者步态信息，切换外骨骼的支撑和摆动状态；

2)根据使用者步态信息，利用以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统刺激使用者肌肉收缩，驱动使用者腿部摆动；

3)根据使用者步态信息，利用以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统固定处于步态支撑相位的腿部膝关节运动相位，提供稳定的辅助支撑。

本发明的以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统及助行方法，无电机驱动、步态自然、重量轻、续航能力强。利用外骨骼步态测量单元，检测患者步态信息并调整肢体摆动和支撑状态，以功能性电刺激使患者自身肌肉运动为动力输出，并且通过外骨骼关节锁提供腿部支撑，实现患者的稳定自然行走和站立。本发明采用功能性电刺激作用目标肌肉驱动患者肢体运动，更加符合人体自然的运动状态，同时可以使下肢运动机能障碍患者患者更好地参与到日常康复训练中，有效避免外力牵引的方式可能造成的外力损伤以及肌肉缺乏运动造成的肌肉废用性萎缩、骨密度下降等并发症。并且，使用外骨骼作为下肢处于步态支撑相时的支撑，无需使用长时间连续的肌肉电刺激保持患者站立或支撑状态，避免了长时间连续的肌肉电刺激保持患者站立或支撑状态的不适甚至损伤。通过惯性传感器作为步态测量传感器，使用环境开放且测量结果精确。通过实时的步态检测切换下肢的摆动和支撑状态，行走姿态自然。同时，患者进行康复训练过程中测得的步态信息可以为进一步的康复治疗提供参考或指导。

附图说明

图1是本发明以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统的侧面穿戴示意图；

图2是本发明以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统的正面穿戴示意图；

图3是本发明以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统的整体构成框图；

图4是本发明中关节锁定装置一方向的分解结构示意图；

图5是本发明中关节锁定装置另一方向的分解结构示意图；

图6是本发明中弹性支撑机构的结构示意图。

图中

1：步态检测单元 11：腰腹部检测单元

12：左侧大腿检测单元13：左侧小腿检测单元

14：左侧脚部检测单元15：右侧大腿检测单元

16：右侧小腿检测单元17：右侧脚部检测单元

101多轴倾角加速度传感器102：检测侧Wi-Fi物联网模块

103：检测侧稳压芯片 104：检测侧开关

105：检测侧供电电池 106：检测侧充电接口

2：信号处理单元 21：单片机

22：信号处理侧Wi-Fi物联网模块 23：信号处理侧稳压芯片

24：信号处理侧开关25：信号处理侧电池

26：信号处理侧充电接口3：功能性肌肉电刺激器

31：刺激侧Wi-Fi物联网模块 32：功率驱动芯片

33：H桥输出电路 34：DAC芯片

35：恒流源电路36：刺激侧稳压芯片

37：刺激侧开关38：刺激侧供电电池

39：电源升压模块310：刺激侧充电接口

4：关节锁定单元 41：锁定侧Wi-Fi物联网模块

42：输出驱动电路43：关节锁定装置

44：电源变压模块45：锁定侧开关

46：锁定侧电池47：锁定侧充电接口

431：大腿固定板 432：铁质滑槽

433：电磁铁齿轮离合机构 4331：电磁体

4332：外齿轮4333：滑块

4334：旋转轴4335：弹簧

4336：键434：小腿固定板

435：内齿环 436：第一卡圈

437：第二卡圈 5：表面肌肉刺激电极

6：目标肌肉 7：外骨骼小腿固定板

8：弹性支撑件 9：外骨骼脚踝部固定板

10：脚部支撑垫11：上螺栓

12：下螺栓13：保护护垫

图7是本发明用于以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统的助行方法流程图；

图8是本发明下肢关节运动相位、角速度和角加速度的计算流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统及助行方法做出详细说明。

本发明的一种以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统，无电机驱动、步态自然、重量轻、续航能力强的助行外骨骼系统。利用外骨骼步态测量单元，检测使用者步态信息并调整肢体摆动和支撑状态，以功能性电刺激使使用者自身肌肉运动为动力输出，并且通过外骨骼关节锁提供腿部支撑，实现使用者的稳定自然行走和站立。

如图1、图2、图3所示，本发明的一种以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统，包括用于检测人体不同部位运动姿态数据的步态检测单元1，信号输入端与步态检测单元1的输出端相连的信号处理单元2，所述信号处理单元2的输出端分别连接用于对使用者的相应肌肉进行电刺激的功能性肌肉电刺激器3的输入端和用于对使用者的关节运动进行锁定、为肢体提供稳定支撑的关节锁定单元4的输入端，所述功能性肌肉电刺激器3的输出端连接分别放置在使用者不同部位的目标肌肉6上的用于对使用者的目标肌肉进行电刺激的表面肌肉刺激电极5，放置有表面肌肉刺激电极5的使用者的不同部位连接所述的步态采集系统1的信号采集端。

所述的步态检测单元1包括有并联设置的：用于检测使用者腰腹部姿态数据的腰腹部检测单元11、用于检测使用者左侧大腿姿态数据的左侧大腿检测单元12、用于检测使用者左侧小腿姿态数据的左侧小腿检测单元13、用于检测使用者左侧脚部姿态数据的左侧脚部检测单元14、用于检测使用者右侧大腿姿态数据的右侧大腿检测单元15、用于检测使用者右侧小腿姿态数据的右侧小腿检测单元16和用于检测使用者右侧脚部姿态数据的右侧脚部检测单元17。

所述的腰腹部检测单元11、左侧大腿检测单元12、左侧小腿检测单元13、左侧脚部检测单元14、右侧大腿检测单元15、右侧小腿检测单元16和右侧脚部检测单元17结构完全相同，均包括有：用于放置在人体下肢各部位，采集人体下肢各部位运动姿态数据的多轴倾角加速度传感器101，本发明实施例中，所述多轴倾角加速度传感器101可以选择型号为MPU9150或MPU6050或ADXL203的传感器。所述多轴倾角加速度传感器101的信号输出端连接检测侧Wi-Fi物联网模块102，所述检测侧Wi-Fi物联网模块102的输出端连接信号处理单元2的输入端，所述的多轴倾角加速度传感器101和检测侧Wi-Fi物联网模块102的电源输入端依次通过检测侧稳压芯片103和检测侧开关104连接检测侧供电电池105，所述检测侧供电电池105的电源输入端连接检测侧充电接口106。

所述的腰腹部检测单元11、左侧大腿检测单元12、左侧小腿检测单元13、左侧脚部检测单元14、右侧大腿检测单元15、右侧小腿检测单元16和右侧脚部检测单元17，分别通过Wi-Fi与信号处理单元进行通信，收集使用者实时姿态数据并做相应处理，根据使用者肢体当前所处的状态，选择并发出所需的功能性肌肉电刺激器及关节锁定装置控制指令。在所述外骨骼驱动使用者产生连续行走动作的过程中，采集使用者运动状态，调整控制参数。

所述的信号处理单元2，采用Wi-Fi无线通讯的形式同步接收多个步态检测单元数据，采取滤波、标签同步等预处理，然后计算使用者当前所处的步态相位、关节运动角速度、角加速度特征信息。利用支持向量机算法，将上述信息与预先采集的健康者步态相位特征进行匹配，确定使用者当前步态周期时间相位，控制刺激肢体摆动或者锁定关节运动保持稳定支撑。将使用者参与行走训练过程中的步态信息整合，并向数据存储装置发送数据。

所述的信号处理单元2包括有单片机21和信号处理侧Wi-Fi物联网模块22，所述单片机21的检测信号输入端通过信号处理侧Wi-Fi物联网模块22连接态检测单元1中的各检测侧Wi-Fi物联网模块102的输出端，单片机21的控制信号输出端通过信号处理侧Wi-Fi物联网模块22分别连接功能性肌肉电刺激器3和关节锁定单元4的输入端。所述单片机21和信号处理侧Wi-Fi物联网模块22的电源输入端依次通过信号处理侧稳压芯片23和信号处理侧开关24连接信号处理侧电池25，所述信号处理侧电池25的电源输入端连接信号处理侧充电接口26。本发明实施例中，所述的单片机21可以采用型号为ARM或Arduino或Raspberry Pi的单片机；所述信号处理侧Wi-Fi物联网模块22可以采用型号为ESP32或ESP8266或CC3200的模块。

所述的功能性肌肉电刺激器3用于刺激肌肉收缩，使用者腿部摆动。所述的功能性肌肉电刺激器3，包括刺激侧Wi-Fi物联网模块31，所述刺激侧Wi-Fi物联网模块31的信号输入端连接信号处理单元2中的信号处理侧Wi-Fi物联网模块22的输出端，所述刺激侧Wi-Fi物联网模块31的输出端分别连接功率驱动芯片352和DAC芯片34，所述功率驱动芯片32的输出端通过H桥输出电路33连接恒流源电路35，所述DAC芯片34的输出端连接恒流源电路35，所述恒流源电路35的输出端连接所述的表面肌肉刺激电极5，所述刺激侧Wi-Fi物联网模块31的电源输入端依次通过刺激侧稳压芯片36和刺激侧开关37连接刺激侧供电电池38，所述功率驱动芯片32的电源输入端依次通过电源升压模块39和刺激侧开关37连接刺激侧供电电池38，所述刺激侧供电电池38的电源输入端连接刺激侧充电接口310。

本发明实施例中，所述刺激侧Wi-Fi物联网模块31可以采用型号为ESP32或ESP8266或CC3200的模块。

所述的关节锁定单元4包括锁定侧Wi-Fi物联网模块41，所述锁定侧Wi-Fi物联网模块41的信号输入端连接信号处理单元2中的各信号处理侧Wi-Fi物联网模块22的输出端，所述锁定侧Wi-Fi物联网模块41的信号输出端连接输出驱动电路42的信号输入端，所述输出驱动电路42的驱动输出端连接用于对使用者的关节运动进行锁定、为肢体提供稳定支撑的关节锁定装置43，所述锁定侧Wi-Fi物联网模块41的电源输入端依次通过电源变压模块44和锁定侧开关45连接锁定侧电池46，所述锁定侧电池46的电源输入端连接锁定侧充电接口47。

本发明实施例中，所述锁定侧Wi-Fi物联网模块41可以采用型号为ESP32或ESP8266或CC3200的模块；所述输出驱动电路42可以采用型号为L298N或L9170或SA60的芯片。

如图4、图5所示，所述的关节锁定装置43包括有大腿支撑件431和固定设置在所述大腿支撑件431下部一侧面上的铁质滑槽432，小腿支撑件434和一体形成在所述小腿支撑件434上部一侧面上的内齿环435，还设置有连接在所述大腿支撑件431的铁质滑槽432和小腿固定板434的内齿环435之间使大腿支撑件431和小腿固定板434能够相互锁定或相对旋转的电磁铁齿轮离合机构433。

所述的电磁铁齿轮离合机构433包括有内部嵌入有与所述关节锁定单元4中的输出驱动电路42的输出端相连的电磁铁的电磁体4331，固定连接在所述电磁体4331一侧面上的外齿轮4332，固定连接在电磁体4331另一侧面上的滑块4333，以及依次贯穿形成在外齿轮4332、电磁体4331和滑块4333中心轴上的轴孔并通过键4336连接只能够轴向移动的旋转轴4334，其中，所述的滑块4333嵌入在所述大腿支撑件431的铁质滑槽432内，所述旋转轴4334穿过滑块4333的一端套有弹簧4335并穿过大腿支撑件431后通过第一卡圈436固定，所述外齿轮4332在所述内齿环435内并与所述内齿环435相啮合，所述旋转轴4334穿过外齿轮4332的一端穿过小腿支撑件434后通过第二卡圈437固定。

电磁体4331与外齿轮4332和滑块4333固定连接，其整体采用轴套的方式与旋转轴4334连接，其铁质滑槽4331、滑块4333和旋转轴4334的键槽采用间隙配合连接，保证其沿旋转轴可以轴向滑动而不发生周向转动。大腿支撑件、电磁体、小腿支撑件由旋转轴和卡圈保证整体在转动轴线方向的位置固定。大腿支撑件上设置的铁质滑槽，为大腿支撑件和小腿支撑件转动时提供径向位移活动范围，适应人体关节转动过程中转动中心的“J”形位移，减小外骨骼和人体关节的不良作用力。关节锁定装置在锁定状态时，电磁铁断电，电磁铁连同外齿轮在弹簧的作用下与内齿环压紧，通过齿轮啮合力保证大腿固定板和小腿固定板不发生相对转动。关节锁定装置在解除锁定状态时，电磁铁通电，电磁铁连同外齿轮向铁质滑槽吸引，外齿轮与内齿环分离，大腿支撑件和小腿支撑件可自由转动。同时，大腿支撑件随关节转动中心位置的变化，沿着铁质滑槽径向运动。

关节锁定单元4，通过Wi-Fi无线通讯与信号处理单元2连接，依据信号处理单元2发出的指令，对关节运动进行锁定，为肢体提供稳定支撑。本实施例中，控制电磁铁断电，对外骨骼关节部分的转动齿轮进行制动，达到锁定关节运动的目的。

如图6所示，本发明的一种以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统，还设置有用于固定在使用者脚踝部的弹性支撑机构，用于脚部运动时的储能和释放，提高步行的自然性和效能。所述的弹性支撑机构包括有外骨骼小腿支撑件7，上端通过上螺栓11连接在所述外骨骼小腿支撑件7下端的弹性支撑件8，所述弹性支撑件8的下端通过下螺栓12连接外骨骼脚踝部支撑件9的上端，所述外骨骼脚踝部支撑件9的下端固定连接用于支撑使用者脚的脚部支撑垫10。所述弹性支撑件8的材料采用聚合物弹性材料，可以是PU材料或TPU材料或PC材料。弹性支撑机构在使用者穿戴以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统行走的蹬踏过程中进行储能和释放，提高行走的效率和舒适性。

本发明的一种以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统，采用功能性电刺激作用目标肌肉驱动使用者肢体运动，更加符合人体自然的运动状态，同时可以使下肢运动机能障碍使用者更好地参与到日常康复训练中，有效避免外力牵引的方式可能造成的外力损伤以及肌肉缺乏运动造成的肌肉废用性萎缩、骨密度下降等并发症。并且，使用外骨骼作为下肢处于步态支撑相时的支撑，避免了长时间连续的肌肉电刺激保持使用者站立或支撑状态的不适甚至损伤。同时，使用者训练过程中所采集的步态信息也可以为其未来的康复治疗提供参考。

如图7所示，本发明的用于以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统的助行方法，包括如下步骤：

1)利用以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统测量获取使用者步态信息，切换外骨骼的支撑和摆动状态，以此辅助使用者的稳定站立和行走；其中，

所述的步态信息包括：使用者下肢关节的运动相位、角速度和角加速度。

所述的获取使用者步态信息，包括：

(1)使多名健康者穿戴以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统进行行走训练，获取多名健康者的包括下肢关节运动相位、角速度和角加速度的步态周期时间相位特征数据，通过归一化平均获得一套标准步态周期时间相位特征数据库；

(2)使使用者穿戴以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统进行行走训练，获取使用者实时的包括下肢关节运动相位、角速度和角加速度的步态周期时间相位特征数据，如图8所示，包括：

(a)设定多轴倾角加速度传感器的采样频率；

(b)在测试开始前，使用者保持站立静止状态15秒，利用多轴倾角加速度传感器采集当前空间位姿初始状态，记录各多轴倾角加速度传感器在初始状态下的平均四元数值Q₀；

(c)进入实时测量状态，将初始四元数的逆Q₀^-1乘以当前采集到的四元数Q₁，当前肢体相对于初始位置的姿态四元数Q＝Q₀^-1Q₁；

(d)根据外骨骼两相邻肢体的步态传感器所上传的两相邻肢体的空间姿态四元数Q_a、Q_b，其中，Q_a＝Q_a0^-1Q_a1，Q_b＝Q_b0^-1Q_b1，计算相邻肢体的关节运动夹角，即为步态周期相位θ，所述步态周期相位θ是采用步态周期相位θ求解公式：θ＝2·acos(Q_a·Q_b)进行计算，并且对空间步态周期相位θ进行1-25Hz低通滤波，以排除高频振动信号干扰，提高信号信噪比；

(e)根据传感器采样频率，对步态周期相位θ微分，得到当前关节的角速度ω和角加速度α；

(f)将由步态周期相位θ、角速度ω和角加速度α组成的特征向量x＝[θ；ω；α]导入支持向量机分类器与之前由健康者测得的标准步态数据进行分类识别，确定当前肢体属于支撑相位或者摆动相位；

(g)由数据处理单元向存储装置上传使用者参与步态训练过程所采集的步态数据，用于进一步的分析。

(3)将使用者的下肢关节运动相位、角速度和角加速度，对照健康者的标准步态周期时间相位，判断使用者所处的实时步态周期时间相位。

2)根据使用者步态信息，利用以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统刺激使用者肌肉收缩，驱动使用者腿部摆动；包括：

(1)测量使用者肌肉接受多个功能性电刺激强度后产生的实际关节运动角度和承受能力，设置刺激强度最大值；

(2)根据使用者实时步态周期时间相位，当单侧下肢处于摆动相位时，触发对目标肌肉的功能性电刺激；

(3)测量当前刺激强度下的使用者实时步态周期时间相位变化，与刺激强度对应实际关节运动角度建立误差估计，并在不超过使用者承受刺激强度最大值的前提下，调整刺激强度输出。

3)根据使用者步态信息，利用所述功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行装置固定处于步态支撑相位的腿部膝关节运动相位，提供稳定的辅助支撑。包括：

(1)根据使用者实时步态周期时间相位，当单侧或双侧下肢处于支撑相位时，对使用者外骨骼关节运动进行锁定，使使用者获得在行走或者静止状态下的单侧或双侧下肢稳定支撑；

(2)根据按钮或者人机接口所发出的指令，控制使用者下肢步态处于站立和行走周期切换的连续执行状态。

本发明的以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统及助行方法，采用功能性电刺激作用目标肌肉驱动使用者肢体运动，更加符合人体自然的运动状态，同时可以使下肢运动机能障碍使用者使用者更好地参与到日常康复训练中，有效避免外力牵引的方式可能造成的外力损伤以及肌肉缺乏运动造成的肌肉废用性萎缩、骨密度下降等并发症。并且，使用外骨骼作为下肢处于步态支撑相时的支撑，避免了长时间连续的肌肉电刺激保持使用者站立或支撑状态的不适甚至损伤。同时，使用者训练过程中所采集的步态信息也可以为其未来的康复治疗提供参考。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。