[发明专利]一种功能性电刺激下肘关节力矩的在线估计方法

说明书

本发明涉及一种功能性电刺激下肘关节力矩的在线估计方法，通过离线采集电刺激下关节力矩、角度、角速度数据，对肌肉骨骼模型进行预建模，然后实时采集电刺激下关节角度和角速度信号，对预建模的肌肉骨骼模型系统参数进行实时自适应更新，实现对力矩的在线估计。本发明通过实时采集关节角度和角速度信号实现对力矩的在线估计。

技术领域

本发明涉及功能性电刺激技术领域，特别是一种功能性电刺激下肘关节力矩的在线估计方法。

背景技术

近年来，脊髓损伤以及中风等脑血管疾病导致瘫痪的发病率呈显著上升趋势，这类病症导致了组织损伤，而组织受损的不同程度与不同位置会引起不同程度的运动损伤，这不仅给个人和家庭都带来较大的负担，也成为日益沉重的社会问题。人体上肢运动过程中，肘关节及其附属肌肉起到了至关重要的作用，肘关节可完成屈伸、前臂内旋和外旋等相关动作。肘关节康复训练对于提高偏瘫患者的日常生活能力具有重要作用。目前在偏瘫患者康复训练中，功能性电刺激被普遍认为是一种比较有效的临床工具。功能性电刺激通过电刺激控制关节运动的目标肌肉，诱发非自主肌肉运动或诱发肌肉模拟正常的自主运动，来进行患者的康复训练，改善进而恢复被刺激肌肉的性能。为了获得期望的关节运动，并尽可能减小康复训练中疲劳产生的影响，需要设计并实现功能性电刺激自适应控制系统，以产生恰当、稳定的肌肉力及相应关节力矩。在功能性电刺激自适应控制系统中，实时准确地测量关节力矩信号是关键。

由于人体关节结构的复杂性，关节力矩测量是生物力学研究中最具挑战性的技术之一。力矩的测量不仅可应用于康复训练，而且可应用于运动员的训练评估，假肢及矫形器设计等领域，这促进了力矩测量方法的发展。目前已经发表的文献和公开的技术中，关节力矩测量有直接和间接测量方法。直接测量即通过笨重的力矩测量系统直接测量运动时的关节力矩。间接测量方法有测力法、反向生物力学分析法和正向生物力学分析法。测力法存在由于重力导致的检测结果不正确和应用场景受限等问题。反向生物力学分析法检测结果受限于肌肉骨骼模型，且检测场地要求比较大，设备昂贵。正向生物力学方法同样检测结果受限于肌肉骨骼模型，且优化参数过多，时间复杂度高等。现有无论直接还是间接测量方法，均无法实现在功能性电刺激控制系统中对力矩信号的在线测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种功能性电刺激下肘关节力矩的在线估计方法，通过实时采集关节角度和角速度信号实现对力矩的在线估计。

本发明采用以下方案实现：一种功能性电刺激下肘关节力矩的在线估计方法，包括以下步骤：

步骤S1：离线采集在功能性电刺激下肘关节的力矩、角度和角速度信号，并对其进行预处理；将处理后的力矩、角度、角速度信号作为校正量，结合功能性电刺激强度变化，利用扩展型卡尔曼滤波器对肘关节肌肉骨骼模型系统进行参数辨识，对肘关节肌肉骨骼模型进行离线预建模；

步骤S2：通过在线采集肘关节在功能性电刺激下的角度和角速度信号，并同时对其进行预处理，然后将处理后的角度、角速度信号作为校正量，结合功能性电刺激强度变化，将步骤S1预建模辨识的参数作为初值，利用扩展型卡尔曼滤波器对预建模的肘关节肌肉骨骼模型系统参数进行实时自适应更新，实现对肘关节力矩信号的在线估计。

进一步地，所述肘关节肌肉骨骼模型的状态空间方程的状态变量x，输入u分别为：

x＝[x₁ x₂ x₃ x₄ x₅ x₆]′；