基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统及其控制方法

摘要

一种基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统及其控制方法，所述机器人系统包括机械部分和电气部分；所述方法主要应用对象为处于早、中期阶段的康复患者，当患者用此方法进行康复训练时，实时采集患者运动肌肉的肌电信号，辨识出患者的运动意图及运动速度并生成机器人的期望轨迹，通过运动学逆解得到驱动部件的期望轨迹，通过设计的模糊PID控制器驱动电机的输出。在每个运动周期后分析采集的肌电信号判断患者是否处于疲劳状态，当大于或等于设定的疲劳阈值时，修正原有输出，对患者进行提示，待疲劳缓解后恢复康复训练。本发明利用肌电信号辨识患者意图及肌肉状态并引入到控制中，可以很好的提高患者参与意识及训练安全性，有效改善康复效果。

主权项

一种基于肌电信号反馈的下肢康复机器人系统，其特征在于：包括机械部分和电气部分；机械部分，包括滑轨、基座、下肢机械腿、滚珠丝杠、电机；所述机械腿由上下两段组成，上段机械腿包括大腿支撑杆和大腿支撑套；下段机械腿包括小腿支撑杆和小腿支撑套，中间以旋转副连接；大腿支撑杆的上端与基座通过旋转副相连，小腿支撑杆的下段与滑轨通过滑动副相连；驱动电机通过滚珠丝杠与机械腿的末端相连，机械腿末端置于滑轨内；电气部分，包括肌电电极片、肌电放大器、角度编码器、数据采集卡、上位机、电机驱动器、电机编码器和蜂鸣器；肌电电极片一端连接在患者患处肌肉表层，另一端与肌电放大器连接，肌电放大器与数据采集卡输入端连接，数据采集卡输入端另与角度编码器和限位开关连接，数据采集卡的输出端与上位机接通；上位机控制电机驱动器，电机驱动器控制机械部分；角度编码器安装在机械部分上，测量机械部分的角度和角速度信息，角度编码器将信息输入数据采集卡；其控制方法如下：将肌电电极片贴在患者患侧腿部肌肉的相应位置上，肌电放大器通过肌电电极片实时采集患者患部肌肉的肌电信号，将肌电信号输入数据采集卡；角度编码器实时测量机构的角度及角速度信息，将所测量的信息输入数据采集卡；数据采集卡实时采集、传输肌电信号和机构反馈的角度信息至上位机；上位机通过信号处理与分析后，辨识出患者的运动意图，生成相应的期望轨迹，通过电机驱动器控制驱动电机带动机械部分运动，通过机械部分辅助带动患者进行下肢伸展与屈曲训练；利用肌电放大器与数据采集卡实时采集肌肉的肌电信号，利用公式(1)、(2)计算出患者运动意图的特征向量iEMG、RMS；$iEMG=\underset{t}{\overset{t+T}{\int }}\left|EMG\left(t\right)\right|dt---\left(1\right)$$RMS=\sqrt{\frac{\underset{t}{\overset{t+T}{\int }}{\mathrm{EMG}}^2\left(t\right)dt}{T}}---\left(2\right)$式中，iEMG为积分肌电值，反映肌肉动作时运动单元的数量及每个运动单元的放电大小；t为采集肌电信号的时间；T为分析该采集到的肌电信号的周期；EMG(t)为t时刻采集到的相应肌肉运动的肌电信号；RMS为均方根值，描述肌肉放电的有效值，其大小由肌电的幅值变化决定，与运动单元募集和兴奋节律的同步有关；将得到的特征向量iEMG、RMS输入到上位机中经过训练的BP神经网络，通过BP神经网络辨识出患者下肢运动意图，同时得到膝关节的角速度，作为下肢康复机器人的期望轨迹，驱动电机带动机器人完成康复训练。