一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统和方法，包括了给电刺激器发送强度信号的控制模块、产生电刺激脉冲电流的电刺激器模块和采集力学、肌电与位置信号的数据采集模块。数据采集模块将力学和位置信号传给控制模块，控制模块建立关节力矩和刚度和主动肌和拮抗肌电刺激强度的映射表，并通过插值查表法计算得出产生关节力矩和刚度所需的两块或者多块肌肉的电刺激强度，电刺激器模块根据所需的刺激强度调节电刺激脉冲的幅值或脉宽，实现对关节力矩和刚度的调控。

【技术实现步骤摘要】
一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统和方法
本专利技术涉及功能性电刺激(FES)
，更具体的，涉及一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统和方法。
技术介绍
近年来，功能性电刺激技术的发展受到越来越多的关注，它通过外电流的作用，使神经细胞产生一个与自然激发引起的动作电位完全一样的神经冲动，让其支配的肌肉纤维产生收缩，从而获得运动的效果。为了获得期望的关节运动，并尽可能减小康复训练中疲劳产生的影响，需要设计并实现功能性电刺激自适应控制系统，以产生恰当、稳定的肌肉力及相应关节力矩。在功能性电刺激自适应控制系统中，获得实时准确关节力矩信号是关键。很多研究为了简化控制系统的硬件机械部分和使用复杂度，建立了模型来模拟电刺激肌肉所产生的关节力矩。Hunt在带有FES的鲁棒控制系统中使用线性二阶模型估计电刺激产生的肌肉力矩来帮助受试者保持稳定的站姿。Freeman等人在FES控制系统中建立了Hammerstein模型估计电刺激产生的肌肉力矩，以帮助受损对象完成椭圆轨迹跟踪任务。另一方面，关节刚度作为关节力矩的主要组成部分，主要由同时激活的拮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统，其特征在于，包括控制模块、电刺激器模块、数据采集模块；其中：/n所述控制模块用于实时为所述电刺激器模块发送强度信号，其中包括一个关节力矩和刚度的预测模型，用于生成关节力矩和刚度和主动肌和拮抗肌电刺激强度的映射表，还包括一个插值查找表算法，寻找目标关节角度和关节力矩所需要的电刺激强度，并将此电刺激强度信号传给电刺激器模块；/n所述电刺激器模块用于产生电刺激脉冲电流并传递给人体肌肉；/n所述数据采集模块用于采集关节的肌电、力矩和角度信号并传输至所述控制模块；/n在所述控制模块上的关节力矩和刚度的预测模型包括以下4个子模型：刺激电流强度到肌肉兴奋性映射模...

【技术特征摘要】
1.一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统，其特征在于，包括控制模块、电刺激器模块、数据采集模块；其中：
所述控制模块用于实时为所述电刺激器模块发送强度信号，其中包括一个关节力矩和刚度的预测模型，用于生成关节力矩和刚度和主动肌和拮抗肌电刺激强度的映射表，还包括一个插值查找表算法，寻找目标关节角度和关节力矩所需要的电刺激强度，并将此电刺激强度信号传给电刺激器模块；
所述电刺激器模块用于产生电刺激脉冲电流并传递给人体肌肉；
所述数据采集模块用于采集关节的肌电、力矩和角度信号并传输至所述控制模块；
在所述控制模块上的关节力矩和刚度的预测模型包括以下4个子模型：刺激电流强度到肌肉兴奋性映射模型、肌肉骨骼几何模型、肌力模型和关节模型；其中：
所述刺激电流强度到肌肉兴奋性映射模型根据所述电刺激器模块所产生的电刺激强度进行计算，得到肌肉兴奋性；
所述肌肉骨骼几何模型根据所述数据采集模块采集的肌电、角度信号进行计算，得到肌肉肌腱长度和肌力臂；
所述肌力模型根据肌肉兴奋性和肌肉肌腱长度进行计算，得到肌肉力；
所述关节模型根据肌肉力和肌力臂进行计算，得到关节力矩和关节刚度；
所述功能性电刺激系统通过调控电刺激器模块的电刺激强度实现对关节力矩和关节刚度实时调控。


2.根据权利要求1所述的一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统，其特征在于，所述控制模块还构建有用于校准所述关节力矩和刚度的预测模型；其中：
将计算得到的关节力矩和实际由所述数据采集模块采集到的力矩信号输入至所述的关节力矩和刚度的预测模型；通过最小化调参目标函数，完成对于所述的关节力矩和刚度的预测模型校准。


3.一种如权利要求1或2所述的一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激系统的调控关节力矩和刚度的功能性电刺激方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过刺激电流强度到肌肉兴奋性映射模型对电刺激强度进行计算，得到肌肉兴奋性；
S2：根据数据采集模块采集的肌电、角度信号，利用肌肉骨骼几何模型进行计算，得到肌肉肌腱长度和肌力臂；
S3：将肌肉兴奋性和肌肉肌腱长度作为输入导入到肌力模型中，计算得到肌肉力；
S4：根据肌力臂和肌肉力，通过关节模型进行计算，得到关节力矩和关节刚度；
S5：将得到的关节力矩和关节刚度与数据采集模块实际采集的力矩、刚度信号进行线性回归分析，获取关节力矩和关节刚度中的权重因子和偏差值；
S6：根据权重因子和偏差值对肌肉骨骼几何模型、关节模型进行校准，完成系统模型的构建，并建立关节力矩和刚度和主动肌和拮抗肌电刺激强度的映射表；
S7：根据插值查找表算法，寻找目标关节角度和关节力矩所需要的电刺激幅值。


4.根据权利要求3所述的一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述刺激电流强度到肌肉兴奋性映射模型对电刺激强度进行计算具体过程为：



其中，a是肌肉兴奋性，a∈[0，1]；g1是最大电刺激下能得到稳定力矩的增益系数；g2由肌肉招募曲线的斜率决定；g3由能引起肌肉激活的最小电刺激强度所决定；I是电刺激强度，Imax是最大电刺激强度。


5.根据权利要求4所述的一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述肌肉骨骼几何模型计算公式具体为：






其中，A为肌肉在骨头上的起始点，B为肌肉在骨头上的嵌入点，O为关节中心，q为关节角度，lmt为肌肉单元长度，rmt为肌肉力臂。


6.根据权利要求5所述的一种调控关节力矩和刚度的功能性电刺激方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述肌力模型计算过程具体包括：
1)主动收缩成分所产生的力Fce具体表达式为：
Fce＝f(l)f(v)Fmxa
其中，f(l)和f(v)分别是主动收缩成分的力-长度关系和力-速度关系，Fmx是最大等容收缩力，a是肌肉兴奋性；l是归一化的肌纤维长度，定义为在肌肉激活状态为a时，当前肌纤维长度lm与最优肌纤维长度lm0的比值；肌纤维最优长度lm0＝l0(0.15(1-α)+1)，l0是肌肉兴奋度最强时肌纤维的最优长度，由软件Opensim确定；v是归一化的肌纤维收缩速度，被定义为当前肌纤维收缩速度vm与最大肌纤维收缩速度vmax的比值；最大肌纤维收缩速度vmax设为10lm0，当前肌纤维速度由肌纤维长度微分得到；
2)被动收缩成分所产生的力Fpe具...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋嵘，李英颀，
申请(专利权)人：中山大学，中山大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44