一种肢体功能性电刺激控制方法及肢体康复机器人技术

本发明专利技术涉及一种肢体功能性电刺激控制方法及肢体康复机器人，属于功能性电刺激技术领域，该方法包括：对受试者的肢体肌肉进行一定强度范围的电刺激，检测受试者肢体肌肉在该强度范围的电刺激下的输出力；根据受试者的电刺激强度数据和肌肉输出力数据，确定受试者肌肉缩张的数学模型，设置电刺激强度的初始值，作为设定自抗扰控制器的输入，将构建的受试者肌肉缩张的数学模型作为目标控制对象，利用自抗扰控制器对进行电刺激强度调整，输出受试者肌肉的最佳电刺激强度值，实现受试者肌肉的输出力的高精度控制，有效提高了训练效果，提高了受试者在家使用肢体康复机器人的安全性，具有较高的市场应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种肢体功能性电刺激控制方法及肢体康复机器人
本专利技术属于功能性电刺激
，具体涉及一种肢体功能性电刺激控制方法及肢体康复机器人。
技术介绍
脑卒中是中老年群体中常见的一种脑血管疾病，其具有高发病率、高致残率、高死亡率的特点，是导致长期瘫痪和不同程度运动功能障碍的主要原因，对人类健康造成了巨大威胁。功能性电刺激作为一种神经肌肉刺激治疗方法，能够激活神经和肌肉，将其用于脑卒中患者的治疗，能够有效的实现病人肌力和运动功能的康复。对于中风患者而言，由于中枢神经损伤而导致运动神经信号中断或神经调制出现了问题，肢体肌肉收到异常神经信号或没有收到运动信号，从而丧失了被激活收缩的功能，导致肢体无法由大脑控制而实现自主运动。因此，对中风患者的肢体肌肉收缩康复训练，也可以通过功能性电刺激利用表面电极传导刺激电流，电流通过皮肤流向瘫痪肌肉的运动神经，使瘫痪或衰退的肌肉重建或恢复功能，达到治疗和功能康复的目的。目前，国内外对于中风病人康复手段已经逐渐成熟，电刺激方式主要有内置电极和表面电刺激两种，内置电极的刺激方式的缺点是有创口容易感染，需要医生监护使用；表面电刺激的方式的缺点在于：一.由于现有肢体康复机器人的康复系统采用的都是开环控制，在上位机界面输入一个理想的肌肉输出力控制值后，根据该值计算出一个刺激强度对受试者的肌肉进行电刺激，受试者只是被动的接受电刺激训练，训练效果较差。二.如果受试者在家自行训练，由于欠缺设备的使用经验，一旦设备的电刺激强度控制过高，容易引发人身安全问题。现有技术中，申请公布号为CN105031812A的中国专利技术专利申请，提出了一种肌电信号反馈的功能性电刺激闭环控制方法，该方法通过采集电刺激肌肉时产生的原始肌电信号，并建立肌肉缩张模型，由该模型的预测控制器输出电脉冲控制量，并经过功能性电刺激器输出脉冲电流。该方法的缺点是，采集的肌电信号中存在干扰信号，并且通过模型预测控制器的预测控制不准确，导致闭环输出的电刺激控制效果不佳。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种肢体功能性电刺激控制方法，用于解决现有电刺激控制方法效果差的问题；同时，本专利技术提出一种采用上述控制方法的肢体康复机器人，以解决现有电刺激控制方法效果差的问题，以及受试者在家自行使用肢体康复机器人容易出现的安全问题。基于上述目的，一种肢体功能性电刺激控制方法的技术方案如下：1)获取受试者肌肉缩张的数学模型，该数学模型的确定步骤如下：对受试者的肢体肌肉进行一定强度范围的电刺激，检测受试者肢体肌肉在该强度范围的电刺激下的输出力；根据受试者的电刺激强度数据和肌肉输出力数据，确定受试者肌肉缩张的数学模型；2)设置电刺激强度的初始值，作为设定自抗扰控制器的输入，将构建的受试者肌肉缩张的数学模型作为目标控制对象，利用所述自抗扰控制器对进行电刺激强度调整，输出受试者肌肉的最佳电刺激强度值；所述自抗扰控制器包括跟踪微分器、非线性状态误差反馈和扩张状态控制器。基于上述目的，一种肢体康复机器人的技术方案如下：包括机器人本体和功能性电刺激控制装置，所述功能性电刺激控制装置包括控制器、多通道刺激器和三维力传感器；其中，控制器采集连接三维力传感器，三维力传感器用于检测受试者肌肉的输出力，并将该输出力反馈给控制器；控制器控制连接多通道刺激器，用于采用上述的肢体功能性电刺激控制方法，向所述多通道刺激器输出受试者肌肉的最佳电刺激强度值，所述多通道刺激器用于根据受试者肌肉的最佳电刺激强度值，输出电刺激脉冲。上述两个技术方案的有益效果是：本专利技术的电刺激控制方法，及采用该方法的肢体康复机器人，通过将受试者肌肉缩张的数学模型作为目标控制对象，利用构建的自抗扰控制器，对电刺激强度的初始值进行调整，输出受试者肌肉的最佳电刺激强度值，实现受试者肌肉的输出力的高精度控制，有效提高了训练效果，提高了受试者在家使用肢体康复机器人的安全性，具有较高的市场应用价值。进一步的，所述扩张状态控制器的数学表达式如下：式中，e为误差，x1为肌肉输出力的状态变量，z1、z2为状态变量的估计值，z3为总扰动，k代表当前时刻，h为控制周期，u为输出受试者肌肉的最佳电刺激强度值，β01、β02、β03为增益系数；g(e)为所选误差函数，为肌肉力输出；令g(e)为fal函数：式中，fal是非线性结构函数，α为0～1之间的设定常数，δ为误差区间设定值。进一步的，为了确定一个合理的初始电刺激强度，保证安全性，确定所述电刺激强度的初始值步骤如下：确定受试者肌肉输出力的理想值，将该值代入所述肌肉缩张的数学模型，进行求逆运算，得到所述电刺激强度的初始值。进一步的，为了得到跟踪微分器，所述跟踪微分器的数学表达式如下：式中，v1为所述电刺激强度的初始值的过渡值，v2为一阶微分信号，fhan为最速跟踪函数，fh为最速跟踪函数值，h为控制周期，r0为跟踪增益系数。进一步的，为了得到非线性状态误差反馈，所述非线性状态误差反馈的数学表达式如下：式中，e1(k)、e2(k)均为状态误差，u0为所述非线性状态误差反馈输出的控制信号，u为经过校正后的控制信号，αp、αD为0～1之间的常数，kp、kd为待调整参数，δ0为误差区间设定值，b0为补偿因子。进一步的，为了得到受试者肌肉缩张的数学模型，所述受试者肌肉缩张的数学模型采用Hammerstein模型，包括线性部分和非线性部分，表达式如下：f(u)＝c0+c1u+c2u2+c3u3+...+cmum+...式中，f(u)为非线性部分的静态函数，实际中代表肌肉的募集曲线，u为输入量，即受试者的肌肉刺激强度；c0、c1...cm为设定参数，通过实际测得输入、输出数据进行拟合得到，在本系统中m＝3；G(s)为线性部分的动态函数，代表肌肉的动态响应过程，s为极点，n为阶数，a1...an-1,b0为系统参数。附图说明图1是本专利技术方法实施例中的肢体功能性电刺激控制方法的示意图；图2是本专利技术方法实施例中的受试者肌肉缩张数学模型的示意图；图3是本专利技术方法实施例中的自抗扰控制器示意图；图4是本专利技术机器人实施例中的功能性电刺激控制装置示意图；图5是本专利技术方法实施例中的肢体康复机器人控制流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的说明。方法实施例：本实施例提出一种肢体功能性电刺激控制方法，其主要思路为：对受试者的肢体肌肉进行一定强度的电刺激，测量受试者肢体肌肉在该强度的电刺激下的输出力，根据受试者的电刺激强度数据和肌肉输出力数据，建立受试者肌肉缩张的数学模型；然后将受试者肌肉缩张的数学模型作为目标控制对象，建立自抗扰控制器，设置一个电刺激强度的初始值，作为自抗扰控制器的输入，利用自抗扰控制器对进行电刺激强度调整，输出受试者肌肉的最佳电刺激强度值。下面，以该方法应用至上肢康复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种肢体功能性电刺激控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)获取受试者肌肉缩张的数学模型，该数学模型的确定步骤如下：/n对受试者的肢体肌肉进行一定强度范围的电刺激，检测受试者肢体肌肉在该强度范围的电刺激下的输出力；根据受试者的电刺激强度数据和肌肉输出力数据，确定受试者肌肉缩张的数学模型；/n2)设置电刺激强度的初始值，作为设定自抗扰控制器的输入，将构建的受试者肌肉缩张的数学模型作为目标控制对象，利用所述自抗扰控制器对进行电刺激强度调整，输出受试者肌肉的最佳电刺激强度值；所述自抗扰控制器包括跟踪微分器、非线性状态误差反馈和扩张状态控制器。/n

【技术特征摘要】
1.一种肢体功能性电刺激控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取受试者肌肉缩张的数学模型，该数学模型的确定步骤如下：
对受试者的肢体肌肉进行一定强度范围的电刺激，检测受试者肢体肌肉在该强度范围的电刺激下的输出力；根据受试者的电刺激强度数据和肌肉输出力数据，确定受试者肌肉缩张的数学模型；
2)设置电刺激强度的初始值，作为设定自抗扰控制器的输入，将构建的受试者肌肉缩张的数学模型作为目标控制对象，利用所述自抗扰控制器对进行电刺激强度调整，输出受试者肌肉的最佳电刺激强度值；所述自抗扰控制器包括跟踪微分器、非线性状态误差反馈和扩张状态控制器。


2.根据权利要求1所述的肢体功能性电刺激控制方法，其特征在于，所述扩张状态控制器的数学表达式如下：



式中，e为误差，x1为肌肉输出力的状态变量，z1、z2为状态变量的估计值，z3为总扰动，k代表当前时刻，h为控制周期，u为输出受试者肌肉的最佳电刺激强度值，β01、β02、β03为增益系数；g(e)为所选误差函数，为肌肉力输出；令g(e)为fal函数：



式中，fal是非线性结构函数，α为0～1之间的设定常数，δ为误差区间设定值。


3.根据权利要求1所述的肢体功能性电刺激控制方法，其特征在于，确定所述电刺激强度的初始值步骤如下：
确定受试者肌肉输出力的理想值，将该值代入所述肌肉缩张的数学模型，进行求逆运算，得到所述电刺激强度的初始值。


4.根据权利要求2所述的肢体功能性电刺激控制方法，其特征在于，所述跟踪微分器的数学表达式如下：



式中，v1为所述电刺激强度的初始值的过渡值，v2为一阶...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳红，秦云辉，霍本岩，杨磊，关元，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南;41