一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于人体肌力训练、肌力监测领域，并公开了一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练装置及方法。所述装置包括驱动模块和控制模块，驱动模块包括驱动器和驱动机构，控制模块包括控制器、扰动观测器、运动捕捉系统和骨骼肌力动力学逆模型，控制器用于设置所述驱动器所需的期望驱动力矩τd；骨骼肌力动力学逆模型用于计算获取人体实时肌力值大小。本发明专利技术还公开了对应多模式肌力训练的方法。本发明专利技术通过可驱动模块和控制模块，以实现适应人体上肢、下肢、躯干各部位多功能肌力训练，同时利用人体骨骼肌力逆动力学模型及人机交互模型，在不需要高成本的肌电测量装置的情况下，实现人体状态重构和肌力状态实时反馈，进而达到科学肌力训练的目的。

A Multimodal Muscle Strength Training Device and Method with Muscle Force Feedback Function

The invention belongs to the field of human muscle strength training and muscle strength monitoring, and discloses a multi-mode muscle strength training device and method with muscle force feedback function. The device includes a driving module and a control module. The driving module includes a driver and a driving mechanism. The control module includes a controller, a disturbance observer, a motion capture system and an inverse model of skeletal muscle force dynamics. The controller is used to set the desired driving moment D required by the driver. The inverse model of skeletal muscle force dynamics is used to calculate and obtain the real-time value of human muscle force. The invention also discloses a method for corresponding multi-mode muscle strength training. The present invention realizes multi-functional muscle strength training for human upper limbs, lower limbs and trunk by means of driving module and control module. At the same time, the human skeletal muscle strength inverse dynamic model and human-computer interaction model are used to realize the reconstruction of human body state and real-time feedback of muscle strength state without the need of high-cost electromyography measuring device, thus achieving the purpose of scientific muscle strength training. \u3002

【技术实现步骤摘要】
一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练装置及方法
本专利技术属于人体肌力训练、肌力监测
，更具体地，涉及一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练装置及方法。
技术介绍
传统医疗康复训练器材只能针对单一部位肌肉进行康复训练，无法对人体肌力进行实时监测与重构，无法根据人体肌力及动力学信息来补偿所需肌肉力以实现闭环反馈控制，只能提供特定驱动力/驱动力矩，无法满足患者在不同康复阶段所需驱动力/驱动力矩不同的变化需求，甚至有可能因提供额外的驱动力/驱动力矩而使患者肌肉或关节受伤。同时，传统的肌肉力测定方法需要通过表面肌电测试仪获取运动肌肉表面皮肤电信号来测定肌肉激活值，同时通过肌肉成像技术(超声成像/计算机断层扫描/核磁共振成像)实时获取肌肉形态参数，通过改进Hill模型计算肌肉力大小，并通过力传感器/应变传感器测定外界与人体交互力大小，给定驱动器的驱动力大小，根据人机动力学模型计算预设运动学参数并与运动捕捉系统实际测得的关节运动学参数比较，根据运动参数误差修正驱动器所提供的驱动力/驱动力矩大小，进而完成闭环反馈控制。而肌肉力测定过程需要表面肌电测试仪来测量表面肌电信号以确定肌肉激活值，表面肌电信号的测量要求表面电极贴附位置的精确选取和在运动过程中保持相对肌肉位置不变，大运动幅度、出汗、电磁干扰等因素都会导致表面肌电信号测量误差。实时肌肉成像系统对肌肉形态参数的测定需要昂贵精确的成像设备和复杂的图像处理系统，成像分辨率与图像处理算法直接影响肌肉形态参数的准确性，同时由于实时性的要求对数据处理系统计算能力也提出了极高的要求。根据Hill模型输入由表面肌电信号确定的肌肉激活值与肌肉成像数据确定的肌肉形态参数来计算肌肉力，同时由力传感器/位移传感器测定外界对人体施加的交互力大小，根据人机动力学模型计算满足预设运动轨迹所应提供的驱动力/驱动力矩大小。通过运动捕捉系统获取人体实时运动学参数并与预设运动轨迹比较，根据骨肌模型逆动力学计算所需的补偿驱动力大小，实现对驱动器的反馈控制。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和使用需求，本专利技术提供了一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练装置及方法，其通过可变轴心位置的铰链训练杆的驱动模块和控制模块，以实现适应人体上肢、下肢、躯干各部位多功能肌力训练，同时利用人体骨骼肌力逆动力学模型及人机交互模型，在不需要高成本的肌电测量装置的情况下，实现人体状态重构和肌力状态实时监测，进而达到科学肌力训练的目的。为达到上述目的，本专利技术提供了一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练装置，其特征在于，包括驱动模块和控制模块，其中所述驱动模块包括驱动器和驱动机构，所述控制模块包括控制器、扰动观测器、运动捕捉系统和骨骼肌力动力学逆模型，所述驱动器用于根据期望驱动力矩τd来驱动驱动机构带动或对抗肢体运动；所述控制器用于设置所述驱动器所需的期望驱动力矩τd；所述扰动观测器用于测量所述驱动器状态信息，进而观测所述驱动器产生的关节力矩估计值同时，所述运动捕捉系统用于获取人体实时运动状态信息；所述骨骼肌力动力学逆模型用于根据所述关节力矩估计值和所述人体运动状态信息计算获取人体实时肌力值大小。进一步的，所述驱动机构为铰链训练杆。进一步的，所述铰链训练杆为可变轴心位置的铰链训练杆。按照本专利技术的另一个方面，提供一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练方法，包括以下步骤：S1在控制器中设置驱动器所需的期望驱动力矩τd，驱动器驱动驱动机构以带动或对抗受训肢体段运动；S2所述扰动观测器测量驱动器状态信息，进而观测受训肢体段与驱动器间的关节力矩估计值S3运动捕捉系统实时获取受训肢体段运动状态信息；S4将所述关节力矩估计值和所述人体运动状态信息输入骨骼肌力动力学逆模型，以获取受训肢体段实时肌力值大小。进一步的，所述S3具体包括以下步骤：S31根据人体总质量和人体各部位相对质量分布求取受训肢体段的质量；S32通过运动捕捉系统获取受训肢体段运动学参数；S33根据所述受训肢体段的质量和运动学参数获取受训肢体段运动状态信息。进一步的，所述S32中，所述受训肢体段运动学参数包括受训肢体段的长度、与水平面夹角、角加速度和质心加速度。进一步的，所述S4包括以下步骤：S41首先，设置骨骼肌力动力学逆模型的约束条件，其中，受训肢体段中参与运动的所有肌肉的肌肉力产生的合力矩等于关节力矩估计值参与运动的每块肌肉的肌肉力不超过其极限肌肉力；S42在所述约束条件下，建立骨骼肌力动力学逆模型的优化函数，进而获得所述骨骼肌力动力学逆模型。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：(1)本专利技术通过可变轴心位置的铰链训练杆的驱动模块和控制模块，以实现适应人体上肢、下肢、躯干各部位多功能肌力训练，同时利用人体骨骼肌力逆动力学模型及人机交互模型，在不需要高成本的肌电测量装置的情况下，实现人体状态重构和肌力状态实时监测，进而达到科学肌力训练的目的。(2)本专利技术的方法，利用人体骨骼肌力逆动力学模型及人机交互模型，并通过设置肌肉力的优化函数，求解在满足上述约束条件情况下使优化函数最小的最佳肌肉力组合，进而确定各肌肉产生的肌力值，从而实现了不测量人体表面肌电信号与实时肌肉形态参数即可对人体运动肌肉力进行实时监测与在线重构。附图说明图1为本专利技术涉及的一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练装置的结构示意图；图2为本专利技术涉及的多模式肌力训练装置对人体各部位进行多功能肌力训练示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术采用了可变轴心位置的铰链训练杆机构作为驱动模块，根据使用者人体尺寸和训练部位对训练装置进行简单调整以满足不同训练部位的使用需要。人体坐姿状态双手抓握训练杆可实现上肢上举运动训练上肢肌肉群；人体双手抓握训练杆完成仰卧起坐动作可以训练躯干肌肉群；人体双腿踩踏训练杆完成抬腿运动可以训练下肢肌肉群；人体坐姿状态训练杆对背部施加力完成俯仰运动可以训练躯干肌肉群。通过不同的训练模式实现对人体不同部位肌肉群的训练，从而实现多功能训练的目标。如图1所示，本专利技术提供了一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练装置，其特征在于，包括驱动模块和控制模块，其中所述驱动模块包括驱动器和驱动机构；所述控制模块包括控制器、扰动观测器、运动捕捉系统和骨骼肌力动力学逆模型，所述驱动器用于根据期望驱动力矩τd来驱动驱动机构带动或对抗肢体运动；所述控制器用于设置所述驱动器所需的期望驱动力矩τd；所述扰动观测器用于测量所述驱动器状态信息，进而观测所述驱动器产生的关节力矩估计值同时，所述运动捕捉系统用于获取人体实时运动状态信息；所述骨骼肌力动力学逆模型用于根据所述关节力矩估计值和所述人体运动状态信息计算获取人体实时肌力值大小。进一步的，所述驱动机构为铰链训练杆。进一步的，所述铰链训练杆为可变轴心位置的铰链训练杆。按照本专利技术的另一个方面，提供一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练方法，包括以下步骤：S1在控制器中设置驱动器所需的期望驱动力矩τd，驱动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练装置，其特征在于，包括驱动模块和控制模块，其中所述驱动模块包括驱动器和驱动机构，所述控制模块包括控制器、扰动观测器、运动捕捉系统和骨骼肌力动力学逆模型，所述驱动器用于根据期望驱动力矩τd来驱动驱动机构带动或对抗肢体运动；所述控制器用于设置所述驱动器所需的期望驱动力矩τd；所述扰动观测器用于测量所述驱动器状态信息，进而观测所述驱动器产生的关节力矩估计值

【技术特征摘要】
1.一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练装置，其特征在于，包括驱动模块和控制模块，其中所述驱动模块包括驱动器和驱动机构，所述控制模块包括控制器、扰动观测器、运动捕捉系统和骨骼肌力动力学逆模型，所述驱动器用于根据期望驱动力矩τd来驱动驱动机构带动或对抗肢体运动；所述控制器用于设置所述驱动器所需的期望驱动力矩τd；所述扰动观测器用于测量所述驱动器状态信息，进而观测所述驱动器产生的关节力矩估计值同时，所述运动捕捉系统用于获取人体实时运动状态信息；所述骨骼肌力动力学逆模型用于根据所述关节力矩估计值和所述人体运动状态信息计算获取人体实时肌力值大小。2.根据权利要求1所述的一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练装置，其特征在于，所述驱动机构为铰链训练杆。3.根据权利要求2所述的一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练装置，其特征在于，所述铰链训练杆为可变轴心位置的铰链训练杆。4.一种具有肌力反馈功能的多模式肌力训练方法，应用权利要求1-3任一项所述的装置实现，其特征在于，包括以下步骤：S1在控制器中设置驱动器所需的期望驱动力矩τd，驱动器驱动驱动机构以带动或对抗受训...

【专利技术属性】
技术研发人员：白坤，胡广宙，李国民，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42