[發明專利]功能電刺激和電機混合驅動的下肢外骨骼裝置及控制方法

有效

• 申請號: 202010728115.8
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111991694B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 關鑫宇;李銀波;任峻立;劉偉峰;季林紅;楊沂霖;韓新宇;時展鵬
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: A61N1/36
• 分類號: A61N1/36;A61H1/02
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 石茵汀

本發明公開了一種功能電刺激和電機混合驅動的下肢外骨骼裝置及控制方法，其中，動力式下肢外骨骼系統用于根據實時電機角度和電流信號，建立髖關節電機控制器和膝關節電機控制器的內部動力學模型，對動力學模型進行參數識別，得到髖關節電機控制器和膝關節電機控制器輸出的力矩；功能電刺激系統用于接收動力式下肢外骨骼系統反饋的電機角度信息和電流信號，調整刺激參數以生成刺激電流對肌肉進行刺激，輸出功能電刺激引起肌肉力矩，通過髖關節電機控制器和膝關節電機控制器輸出的力矩和功能電刺激引起肌肉力矩共同驅動患者下肢運動。該裝置可以減少電機力矩、功率以及能耗，并同時對患者的下肢肌肉進行康復訓練、治療。

技術領域

本發明涉及康復設備技術領域，特別涉及一種功能電刺激和電機混合驅動的下肢外骨骼裝置及控制裝置。

背景技術

功能性電刺激(Functional Electrical Stimulation，FES)屬于神經肌肉電刺激(Neuromuscular Electrical Stimulation，NES)的范疇，是利用一定強度的低頻脈沖電流，通過預先設定的程序來刺激一組或多組肌肉，誘發肌肉運動或模擬正常的自主運動，以達到改善或恢復被刺激肌肉或肌群功能的目的。利用功能型電刺激的方法，可以為患者帶來一定的生理好處，如保持肌肉活力，防止肌肉萎縮，并逐步實現運動功能重建等。

外骨骼康復機器人技術涉及機器人學、控制技術、步態分析、生物交互反饋和臨床康復等多學科領域知識的交叉與融合。可穿戴式下肢外骨骼機器人常用于下肢運動功能障礙患者的助行和康復訓練。外骨骼機器人可以為下肢運動功能障礙患者的運動提供較大的力矩支撐，并在一些較難實現的運動，如髖關節屈曲等動作提供很好的輔助作用。

然而，功能性電刺激與下肢外骨骼機器人也各有其不足。功能性電刺激在誘發肌肉持續運動時持續的刺激也會導致肌肉的疲勞，過度使用反而會導致肌肉受損；同時對于長期癱瘓的患者而言，功能性電刺激產生的肌肉收縮力量較小，無法幫助患者自主運動，控制方面存在較大難度。絕大多數下肢外骨骼機器人系統采用液壓、氣壓、電機等外力驅動方式使患者運動，無法符合人體自身肌肉骨骼運動方式，往往出現患者肌肉萎縮、關節磨損，甚至骨折等進一步損傷。因此，結合功能性電刺激與下肢外骨骼機器人既能在電機的作用下使患者產生運動、便于控制，又可以增強患者肌骨力量、優化肌骨協同關系、提升康復運動水平，最終達到重建患者運動機能的理想康復目標。截至當前，將二者結合的下肢外骨骼系統還較為少見。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

為此，本發明的一個目的在于提出一種功能電刺激和電機混合驅動的下肢外骨骼裝置及控制方法，該裝置通過混合驅動方式可減小髖、膝關節電機在擺動期的輸出力矩，從而達到減少電機力矩、功率以及能耗的目的，并同時對患者的下肢肌肉進行康復訓練、治療。

本發明的另一個目的在于提出一種功能電刺激和電機混合驅動的下肢外骨骼的控制方法。

為達到上述目的，本發明一方面實施例提出了一種功能電刺激和電機混合驅動的下肢外骨骼裝置，包括：動力式下肢外骨骼系統和功能電刺激系統；

所述動力式下肢外骨骼系統用于根據實時電機角度和電流信號，建立所述髖關節電機控制器和所述膝關節電機控制器的內部動力學模型，對所述動力學模型進行參數識別，得到所述髖關節電機控制器和所述膝關節電機控制器輸出的力矩；

所述功能電刺激系統用于接收所述動力式下肢外骨骼系統反饋的電機角度信息和電流信號，調整刺激參數以生成刺激電流對肌肉進行刺激，輸出功能電刺激引起肌肉力矩，通過所述髖關節電機控制器和所述膝關節電機控制器輸出的力矩和所述功能電刺激引起肌肉力矩共同驅動患者下肢運動。

為達到上述目的，本發明另一方面實施例提出了一種功能電刺激和電機混合驅動的下肢外骨骼控制方法，包括：