本发明专利技术公开了一种电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统及其方法，信号处理模块对电刺激下的肌电信号进行同步采集与预处理并提取特征，通过提取的特征对患者行走过程中的下肢关节力矩和肌肉疲劳状态进行预测和检测分类，作为控制模块的信号输入，配合电刺激的训练功能和按摩放松功能制订不同的训练方式。系统根据患者肌肉的不同疲劳状态提供电刺激辅助主动训练、被动训练和电刺激放松训练三种可供选择的多模式训练方法，可以针对患者的肌肉疲劳状态实现主动、精准的多阶段训练效果。本发明专利技术减少了患者主动训练所需的额外力矩，提高患者本身的康复参与程度，又避免电刺激下肌肉过度疲劳带来的二次伤害，实现下肢康复训练的柔顺人机交互，提高康复效果。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于康复训练设备，具体涉及一种电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统及其方法。
技术介绍
1、老年人是神经系统疾病的最主要人群，同时，神经系统疾病会产生大量的下肢运动功能障碍患者。患者们病后的行走康复训练必不可少，在目前的康复训练方法中，使用下肢外骨骼机器人进行行走康复训练最为有效，又分为被动康复和主动康复。在主动康复训练中，由于老年人自身肌能较弱，主动康复的参与程度较低，无法达到理想的主动康复效果。目前，使用功能性电刺激辅助下肢外骨骼可以有效解决这一问题。但现有的混合康复系统普遍存在人机交互性较差、康复模式单一以及未考虑患者自身疲劳状态等缺点，导致患者康复的主动性和积极性较低，康复效果不理想等问题。
2、现有一种融合功能性电刺激与下肢外骨骼的协同康复训练系统。但该系统通过计算功能性电刺激产生的激励力矩来降低外骨骼的输出力矩，忽视了使用者本身的主动关节力矩，不能实现主动康复训练下按需辅助的人机交互，且没有考虑到连续电刺激带来的肌肉疲劳问题。
3、还有一种基于表面肌电和功能性电刺激的交互式训练外骨骼机器人，通过表面肌电信号反映肌肉激活信息，仍然是被动控制且没有考虑连续电刺激容易引发肌肉疲劳的问题。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统及其方法，用于解决连续电刺激带来肌肉疲劳的技术问题，避免过度疲劳导致的二次伤害，最大程度的发挥患者的主动运动能力，实现理想的主动康复效果。
2、本专利技术采用以下技术方案：
3、一种电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统，包括：
4、功能性电刺激模块，用于在行走康复训练时实时提供电刺激，包括电刺激训练功能和电刺激放松功能；
5、肌电信号采集模块，用于实时采集患者康复训练过程中的表面肌电信号数据，并传输至信号处理模块中；
6、信号处理模块，用于对采集的肌电信号进行同步预处理和特征提取，并进行患者下肢关节力矩预测和肌肉疲劳状态的识别，再将处理好的力矩信号和疲劳状态信号实时传输到外骨骼控制模块中；
7、外骨骼控制模块，用于接收信号处理模块传输的关节力矩信号和肌肉疲劳状态信号，向下肢外骨骼发出指令以控制下肢外骨骼执行训练动作和切换康复模式，同时反馈外骨骼位置信息至外骨骼控制模块，实现调整控制指令，实现对下肢外骨骼的按需辅助柔顺控制；
8、下肢外骨骼模块，用于接收外骨骼控制模块发出的控制指令并完成相应任务，并将自身的位置信息反馈给外骨骼控制模块。
9、优选地，功能性电刺激模块包括电极片输出模块，电极片输出模块对应左腿和右腿的股直肌和胫骨前肌，每块肌肉上设置两个电极片输出模块。
10、优选地，功能性电刺激模块包括电刺激模式选择模块，电刺激模式选择模块包含训练模式和按摩模式，训练模式用于行走康复训练时施加连续的电刺激，按摩模式用于患者训练疲劳时进行按摩放松训练。
11、优选地，肌电信号采集模块包括肌电信号采集设备，肌电采集设备分别采集左右腿的股直肌、肱二头肌、胫骨前肌和比目鱼肌在康复训练过程中的肌电信号。
12、优选地，信号处理模块包括：
13、同步预处理单元，用于电刺激区间定位、信号插值、pso优化、信号滤波和特征提取；
14、特征降维单元采用核主成分分析，选择核函数为高斯核；
15、关节力矩预测单元，采用ssa-elman神经网络，预测行走过程中右髋、右膝、左髋和左膝四个关节的力矩值；
16、肌肉疲劳状态检测单元，对患者康复训练过程中的肌肉疲劳状态进行划分，包括不疲劳、疲劳和很疲劳三种状态。
17、优选地，下肢外骨骼模块包括：
18、减重单元，用于在康复训练时获得负重反应，维持平衡；
19、跑步机单元，用于控制行走康复训练时的行走速度；
20、支架单元，用于协助外骨骼机械腿以原地行走的方式提供步态训练，防止训练过程中平台移动；
21、外骨骼子模块，用于提供康复训练时所需要的额外动力；
22、压力传感器，用于检测康复训练时与外骨骼产生的人机交互力；
23、位置传感器，用于检测康复训练时外骨骼子模块的关节角度信息；
24、外骨骼控制子模块，用于控制外骨骼子模块切换不同的康复训练模式。
25、更优选地，外骨骼子模块设置有髋关节和膝关节，能够在矢状面自由屈伸，髋关节的屈伸角度为-10°～35°，膝关节的屈伸角度为10°～55°。
26、第二方面，本专利技术实施例提供了一种电刺激辅助外骨骼运动康复训练方法，包括以下步骤：
27、采集行走过程中电刺激下的肌电信号，并进行同步预处理和特征提取以及特征降维；
28、基于肌电信号对肌肉疲劳状态进行检测，若患者肌肉疲劳，则进行电刺激放松训练直至肌肉不疲劳再进行电刺激辅助的主动训练；
29、主动训练至肌肉疲劳后，若患者主动训练时间仍未达标，则再进行电刺激放松训练直至肌肉不疲劳再进行电刺激辅助的主动训练，若患者主动训练时间达标，则进行被动康复训练；
30、被动训练至肌肉很疲劳后，若患者被动训练时间仍未达标，则再进行电刺激放松训练直至肌肉不疲劳再进行被动训练，若患者被动训练时间达标，则停止康复训练。
31、优选地，肌电信号具体为：
32、将初始肌电信号e划分为有电刺激段区间段yf和无电刺激段区间段nf，计算无电刺激段区间段nf每个区间数据的均值和方差，并根据均方根值和方差构造出长度为k的独立同分布的随机数组，并将无电刺激段区间段nf区域元素更新为构造的数组元素，得到插值后的肌电信号ei，将肌电信号ei输入粒子群优化模型中，得到优化后的肌电信号ep。
33、优选地，主动行走康复训练具体为：
34、信号处理模块采集患者行走的实时关节力矩，并发送给外骨骼控制模块，外骨骼控制模块控制电机输出患者按标准步态行走所需的额外关节力矩，实现按需辅助的主动行走康复训练；
35、电刺激放松训练具体为：
36、信号处理模块检测到在主动康复训练时间未达标情况下进入疲劳状态，将信息发送给外骨骼控制模块，外骨骼控制模块控制外骨骼停止行走康复训练，并控制功能性电刺激模块切换为按摩模式，进行缓解疲劳的按摩放松训练。
37、疲劳被动行走康复训练具体为：
38、信号处理模块检测到进入疲劳状态，且主动康复训练时间达标时，将信息发送给外骨骼控制模块，外骨骼控制模块切换控制方法为被动控制，并停止进电刺激，由外骨骼提供患者所需的全部力矩。
39、与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
40、一种电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统，通过对电刺激下的肌电信号进行同步采集与预处理并提取特征，本专利技术一方面减少了患者主动训练所需的额外力矩，提高患者本身的康复参与程度，另一方本文档来自技高网
...
【技术保护点】
1.一种电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统，其特征在于，功能性电刺激模块包括电极片输出模块，电极片输出模块对应左腿和右腿的股直肌和胫骨前肌，每块肌肉上设置两个电极片输出模块。
3.根据权利要求1所述的电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统，其特征在于，功能性电刺激模块包括电刺激模式选择模块，电刺激模式选择模块包含训练模式和按摩模式，训练模式用于行走康复训练时施加连续的电刺激，按摩模式用于患者训练疲劳时进行按摩放松训练。
4.根据权利要求1所述的电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统，其特征在于，肌电信号采集模块包括肌电信号采集设备，肌电采集设备分别采集左右腿的股直肌、肱二头肌、胫骨前肌和比目鱼肌在康复训练过程中的肌电信号。
5.根据权利要求1所述的电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统，其特征在于，信号处理模块包括：
6.根据权利要求1所述的电刺激辅助外骨骼运动康复训练方法，其特征在于，下肢外骨骼模块包括：
7.根据权利要求6所述的电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统，其特征在于，外骨骼子模块设置有髋关节和膝关节，能够在矢状面自由屈伸，髋关节的屈伸角度为-10°～35°，膝关节的屈伸角度为10°～55°。
8.一种电刺激辅助外骨骼运动康复训练方法，其特征在于，基于权利要求1至7中任一项所述的电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的电刺激辅助外骨骼运动康复训练方法，其特征在于，肌电信号具体为：
10.根据权利要求8所述的电刺激辅助外骨骼运动康复训练方法，其特征在于，主动行走康复训练具体为：
...
【技术特征摘要】
1.一种电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统，其特征在于，功能性电刺激模块包括电极片输出模块，电极片输出模块对应左腿和右腿的股直肌和胫骨前肌，每块肌肉上设置两个电极片输出模块。
3.根据权利要求1所述的电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统，其特征在于，功能性电刺激模块包括电刺激模式选择模块，电刺激模式选择模块包含训练模式和按摩模式，训练模式用于行走康复训练时施加连续的电刺激，按摩模式用于患者训练疲劳时进行按摩放松训练。
4.根据权利要求1所述的电刺激辅助外骨骼运动康复训练系统，其特征在于，肌电信号采集模块包括肌电信号采集设备，肌电采集设备分别采集左右腿的股直肌、肱二头肌、胫骨前肌和比目鱼肌在康复训练过程中的肌电信号。
5.根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：张小栋，周正正，崔玙璠，董润霖，李沛业，查汶余，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。