[发明专利]一种治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统

权利要求书

1.一种治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，其特征在于，包括：

硬件主板，包括采集设备和主控板；所述采集设备用于采集行走过程中人体下肢运动角度数据、足底压力和表面肌电信号数据；所述主控板通过无线通信模块获得采集的数据，并对采集的数据进行整合处理；

数据处理模块，包括数据接收模块、实时预测模块和驱动计算模块；所述数据接收模块用于接收主控板发送的整合数据；所述实时预测模块通过关节角度解算、反向动力学、CEINMS算法和神经网络算法实时预测膝关节内外侧间室受力大小；所述驱动计算模块根据实时预测模块预测的膝关节内外侧间室受力大小计算所需辅助力的大小；

柔性智能辅助设备驱动模块，用于根据数据处理模块实时计算得到的辅助力大小，通过控制充气阀充气量以控制柔性智能辅助设备对膝关节施加辅助力；

所述实时预测模块预测膝关节内外侧间室受力的步骤包括：

S1：通过IMU惯性传感器获取各关节空间位置变化数据，用于解算下肢各关节角度；通过足底压力传感器获取足底压力合力作用点、大小及方向；通过表面肌电信号传感器获取运动过程中下肢膝关节周围各肌肉的肌电信号；

S2：通过解算下肢各关节角度，获取髋关节、膝关节和踝关节在矢状面和冠状面内的实时角度数据，结合人体肌-骨模型计算下肢膝关节周围各肌肉肌力臂；结合所述足底压力数据通过反向动力学运算获得下肢各关节力矩；所述肌电信号通过CEINMS程序计算运动过程中下肢膝关节周围各肌肉的肌力，结合各肌肉肌力臂计算下肢肌肉的合肌力矩；

S3：通过结合髋关节、膝关节和踝关节在矢状面和冠状面内的关节角度、关节力矩及下肢肌肉的合肌力矩对膝关节进行动态力平衡解算，计算膝关节内外侧间室受力大小；通过神经网络训练动态力平衡解算过程。

2.根据权利要求1所述的治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，其特征在于，所述采集设备包括：所述IMU惯性传感器，用于进行运动角度采集；所述足底压力传感器，用于采集地面对足底反作用力；所述表面肌电信号传感器，用于采集肌肉电信号。

3.根据权利要求1所述的治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，其特征在于，所述柔性智能辅助设备驱动模块包括：柔性智能辅助设备、控制系统和充气阀；所述控制系统控制充气阀充气量，以控制所述柔性智能辅助设备对人体施加的分布式辅助力。

4.根据权利要求1所述的治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，其特征在于，所述主控板包括：数据采集卡，用于处理并整合数据；传感器检测模块，用于监测采集设备运行状态；驱动控制模块，用于驱动充气阀进行充气；状态指示模块，用于显示主控板的运行状态；微型处理器，用于数据处理预测膝关节内外侧间室受力和计算所需辅助力大小；电池模块，用于为各模块供电。

5.根据权利要求1所述的治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，其特征在于，所述采集设备至少有一套；所述IMU惯性传感器捆绑在腰部、大腿、小腿和足背上；所述足底压力传感器衬垫在鞋底；所述表面肌电信号传感器附着在膝关节周围相应肌肉肌腹位置；所述主控板背负在人体腰后部。

6.根据权利要求1所述的治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，其特征在于，所述采集设备和主控板均采用充电电池进行供电。