[发明专利]基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人

说明书

本发明涉及一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，包括下肢外骨骼机械装置、动力驱动装置、传感器集成附件和中枢控制器，下肢外骨骼机械装置包括通过铰链连接的多个机械支撑件，动力驱动装置设于机械支撑件连接处，控制机械支撑件运动，传感器集成附件与机械支撑件机械连接，机械支撑件包括腰后部支撑件，中枢控制器固定于腰后部支撑件上。与现有技术相比，本发明具有提高步态矫正中的稳定性与安全性、有助于中枢病变患者肌肉自主激活及异常协调模式的康复等优点。

技术领域

本发明涉及康复医学-可穿戴设备技术领域，尤其是涉及一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人。

背景技术

步态是下肢关节相关协调配合的高度自动化的运动形式，步态相位和步态活动是其中的两个关键因素。步态活动是指神经中枢控制下的下肢肌肉激活程度、主动肌-拮抗肌和环节间的协调配合，而步态相位是指一个完整跨步过程种所经历的8个离散状态，分别为触地期、承重期、支撑中期、支撑末期、预摆动期、摆动初期、摆动中期与摆动末期，此8个步态相位呈循环的方式交替衔接。步态是日常生活的重要基础，而随着老龄化社会的进程加快和人类疾病谱的改变，因生理机能衰退、神经疾病及慢性肌骨疾病而所致的异常步态，逐年上升且呈年轻化趋势，严重制约着患者的社会参与度和生活质量。因中枢神经病变导致的异常运动模式(偏瘫步态)是最为典型的异常步态之一，主要表现为肌肉自主激活缺失及肌间协调模式异常。

下肢外骨骼康复机器人作为机器人学、步态分析、生物交互反馈和临床康复等交叉学科领域的典型代表，已广泛应用于异常步态的临床治疗。其通过为下肢关节提供力矩辅助的方式可实现常态化的步行，循环往复的被动周期性训练可促进脑功能区的重建。目前，下肢外骨骼康复机器人的训练模式可分为被动、助动和主动，外骨骼自带的传感器可检测关节力矩并产生自适应的外骨骼力矩驱动。然而，中枢神经病变导致的异常运动模式主要表现为肌肉自主激活缺失及肌间协调模式异常，尽管下肢外骨骼机器人可辅助步行，但并不能恢复肌肉功能，还可能因长期以往的辅助而导致肌肉功能废用性的减退。功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation，FES)是利用一定强度的低频脉冲电流，通过预先设定的程序来刺激一组或多组肌肉，诱发肌肉运动或模拟正常的自主运动，以达到改善或恢复被刺激肌肉功能的目的。因此，将下肢骨骼机器人和功能性电刺激有效结合，即可辅助运动又可活化肌肉功能，是矫正异常步态的有效康复手段之一。

中国专利CN103655122A公开了一种融合功能性电刺激的膝关节外骨骼系统，其通过功能性电刺激发挥病人肌肉的自主力量，在此基础上，康复机器人实施辅助功能，两者共同作用；中国专利CN110882485A公开了一种采用体表电极刺激目标肌肉的瘫痪肢体运动功能重建系统。但存在如下局限：

一、现有的融合电刺激的外骨骼装置仅可用于单一肌肉和关节的康复训练，对于步态这样包含复杂运动模式信息的日常生活动作尚无法进行训练。

二、上述专利中功能电刺激是根据预先人工编码的电脉冲进行肌肉刺激，且刺激信号为单一的时域信号(持续时间和振幅)，并不包含代表肌肉协调模式的协同信号和频域信号，无法实现对多肌群协同配合层面进行刺激激活训练。

三、采用预定式的功能电刺激对患侧肌肉进行活化刺激，不仅与个体激活信息不能匹配，还无法实现根据刺激肌肉的激活信号在一定区间范围内反馈调节电刺激程序。强度过低的刺激可能效果不足，过高的刺激可能使得单一肌肉激活过高，进而导致肌肉间不协调。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于表面肌电和功能电刺激的交互式训练外骨骼机器人，通过步态过程中健侧肢体的关节运动信息和肌肉激活信息，分别用于驱动患侧外骨骼和编码功能电刺激程序，并依据足底压力信息划分步态阶段，通过相位差平移的方式实现针对性的对侧驱动，基于患侧肢体现存的运动模式和肌肉激活反向调节外骨骼驱动器和功能电刺激程序，为偏瘫患者提供稳定持续性的外骨骼助力和异常步态康复训练。