[发明专利]一种基于关节刚度和肌肉疲劳的康复机器人控制方法

说明书

本发明公开了一种基于关节刚度和肌肉疲劳的康复机器人控制方法。本发明采集受试者的关节角度信号和表面肌电信号，结合正、逆动力学原理，通过遗传算法辨识肌肉的个性化生理参数，建立个性化关节骨骼肌肉模型，计算运动过程中的关节刚度信息；计算运动过程中表面肌电信号的中值频率，并利用其相对变化值获取受试者的疲劳信息；采用关节刚度信息和运动疲劳信息对阻抗模型的参数进行自适应调整，同时通过饱和函数对刚度和阻尼参数进行约束，实现康复机器人自适应阻抗控制方法。本发明同时考虑与关节相关的刚度信息和肌肉相关的疲劳信息，将两者引入康复机器人控制，能够兼顾关节和肌肉在康复训练过程中的安全性，实现安全有效的康复训练。

技术领域

本发明属于基于表面肌电信号的康复机器人控制领域，尤其一种基于关节刚度和肌肉疲劳的康复机器人控制方法。

背景技术

康复机器人主动康复控制的实现需要考虑机器人和患者之间的人机交互作用。通过分析患者在康复训练过程中产生的生物传感信息，可以获取患者的运动意图，并由此控制机器人相应的运行状态，可为患者提供主动安全的康复训练。交互力信号和生理信号是典型的人机交互信息。交互力信号的获取通常需要依托康复机器人的机械结构，不够方便灵活，且不能及时反馈患者信息，可能导致闭环控制的时延。生理信号不仅可以判断患者的运动意图，还可用于评估康复训练过程中肢体的健康状态，使得基于生理信号的康复机器人主动康复控制得到广泛的研究。目前基于生理信号的康复机器人主动控制大多关注人体的运动意图的识别，而对于康复信息的提取如关节刚度、肌肉疲劳状态等缺少进一步研究。

人体关节刚度是关节的一个重要物理特征，其在运动过程中变化很大，在康复训练过程中康复机器人需对这种变化做出反应，以提供更加安全舒适的控制方式；使用康复机器人对患者进行康复训练能够在一定程度上恢复其肢体运动功能，但随着运动进行，患者易出现肌肉疲劳或疲劳加深的状况，过度训练造成的肌肉疲劳会对患者造成二次损伤，因此需在康复过程中实时获取患者的肌肉疲劳信息，并根据疲劳信息调节康复机器人的运行状态。基于此，在得到患者的关节刚度信息和运动疲劳信息之后需要设计可靠的康复机器人控制方法，使之能安全地帮助患者完成康复训练。

中国专利CN109645962.A公开了一种基于疲劳感知的机器人辅助康复人机协作训练方法，通过表面肌电信号进行疲劳特征提取，并检测患者的疲劳状态：正常/轻度疲劳/重度疲劳，根据疲劳状态和决策控制器切换康复训练模式，从而避免过度训练对患者造成损伤。该控制方法仅是将患者的疲劳状态当作控制开关来切换康复训练的状态，缺乏人机交互过程中疲劳信息的持续反馈，无法在两种状态之间充分利用疲劳信息进行人机交互控制，且忽略了关节信息在康复训练中的变化，无法保障康复训练中的关节安全。中国专利CN106109174.A公开了一种肌电反馈式阻抗自适应的康复机器人控制方法，使用表面肌电信号辨识关节的屈伸状态，通过关节角度和肌肉活动水平自适应调整阻抗参数，同时依据疲劳程度调节初始期望静态平衡力，实现康复机器人的自适应控制。该控制方法使用患侧镜像健侧进行肌肉活动水平的计算来调节阻抗参数，仅适用于单侧损伤的患者，而且疲劳程度的分级难以定量分析，使得该方法缺乏普适性。中国专利 CN109718059.A公开了一种手部康复机器人自适应控制方法及装置，其中的控制方法通过运动想象脑电信号获取手部康复轨迹，同时利用表面肌电信号获取上肢活动度从而建立变阻抗控制模型。该控制方法中的参数调整仅考虑康复机器人的自适应问题，未考虑安全性的影响，使得该方法存在安全隐患；而且需要同时获取脑电信号和表面肌电信号进行实时处理，此过程的实施较为困难。

通过上述分析可知，目前主动康复控制器的设计大多依据肌肉的信息，忽略关节在康复过程中的影响，且没有兼顾两者的安全性。为了克服传统康复机器人主动控制的局限性，提高康复训练的有效性和安全性，本发明利用表面肌电信号获取人体的关节刚度信息和运动疲劳信息，在此基础上设计基于位置的阻抗控制模型，实现基于刚度估计和疲劳反馈的康复机器人自适应阻抗控制，为患者的康复训练提供自然、有效和安全的控制手段。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于关节刚度和肌肉疲劳的康复机器人控制方法。