一种健侧患侧协同的主动下肢训练系统及其操作方法

摘要

本发明公开了一种健侧患侧协同的主动下肢训练系统及其操作方法，肌电电极分布在患者的健侧腿部以及患侧腿部，传感器和陀螺仪设置在健侧腿部，计算机分别与肌电电极、传感器和陀螺仪连接，外骨骼设置在患侧腿部，外骨骼通过电机与计算机连接，计算机用于接收肌电电极、传感器和陀螺仪输入的信号并根据结果驱动电机带动外骨骼运动并通过人机交互界面产生镜像神经元诱发及视觉反馈。本系统可以以调整健侧运动速度来调整患侧运动，进而实现整体步速的调节，更加逼近健康人行走过程，患者可以根据自己的状态做出实时的调整，更大程度发挥了患者主观能动性，采取压力传感器及先前时间差校准的方式，增加了系统稳定性及安全性。

说明书

技术领域

本发明属于医疗康复设备技术领域，具体涉及一种健侧患侧协同的主动下肢训练系统及其操作方法。

背景技术

随着生活水平的提高及生育意识的改变，人口老龄化问题越来越严重，许多老人由于中风等原因造成身体瘫痪，使晚年生活造成极大不便。中风瘫痪患者可以通过大量的康复训练激发大脑可塑性，恢复一定的运动能力，实现生活自理，提高生活质量，最大程度的回归社会。但目前下肢康复训练绝大部分需要治疗师实时检测患者，人为纠正康复运动动作，这种康复训练缺少量化指标，在人为纠正过程中会有纠正不准确问题，严重影响康复训练效果。

近几年，随着机器人技术的发展，渐渐出现了各式各样的下肢康复外骨骼机器人，有效的量化了各种指标，但是这些康复系统大多以被动康复为主，虽然也存在基于脑机接口或肌电信号的下肢康复外骨骼机器人，但是这些系统均为单一选择动作意图结合的半主动，没有做到瘫软期或严重运动功能损伤病人的完全主动康复，由于现有康复机器人没有实现完整运动区神经激活，导致康复效果较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种健侧患侧协同的主动下肢训练系统及其操作方法，能提高患者康复训练的主动性和积极性，提高康复的效果。

本发明采用以下技术方案：

一种健侧患侧协同的主动下肢训练系统，包括肌电电极、外骨骼、传感器、陀螺仪和计算机，肌电电极分布在患者的健侧腿部以及患侧腿部，传感器和陀螺仪设置在健侧腿部，计算机分别与肌电电极、传感器和陀螺仪连接，外骨骼设置在患侧腿部，外骨骼通过电机与计算机连接，计算机用于接收肌电电极、传感器和陀螺仪输入的信号并根据结果驱动电机带动外骨骼运动并通过人机交互界面产生镜像神经元诱发及视觉反馈。

具体的，传感器包括角度传感器和压力传感器，角度传感器包括多个，分别设置在健侧腿部的髋关节、膝关节和踝关节处，压力传感器设置在健侧脚底。

具体的，陀螺仪包括多个，分别设置在健侧腿部的大腿和小腿处，用于测量健侧腿部的运动速度。

一种健侧患侧协同的主动下肢训练系统的操作方法，在患者的健侧腿部以及患侧腿部设置肌电电极用于检测健侧和患侧腿部的EMG信号；在健侧腿部设置多个陀螺仪，在健侧腿部的髋关节、膝关节和踝关节处分别设置角度传感器，在健侧脚底设置压力传感器，用于测量健侧腿部的运动特征；在患侧腿部设置外骨骼，并与电机连接，肌电电极、陀螺仪、角度传感器、压力传感器和电机分别与计算机连接，计算机接收肌电电极、角度传感器、压力传感器和陀螺仪输入的信号并进行分析，采用患侧对健侧的时间差模仿驱动外骨骼运动，将肌电电极的主动性检测反馈到人机交互界面上并产生视觉刺激，患者通过主动调节速度方式自主调节速度。

具体的，肌电电极分布在健侧和患侧的大腿、小腿及脚踝上，检测健侧及患侧腿部EMG信号，并传入计算机；计算机以记录的时间差为基准，信号经预处理后，在时域上，同步健侧-患侧所对应的EMG信号点，对健侧及患侧EMG信号进行分析，以患侧及健侧所对应电极信号的相关性代表肌肉参与的主动性及正确性。

进一步的，当压力传感器开始记录压力时，健侧开始运动；当压力传感器的数值达到阈值时，健侧运动完成，由压力传感器采集数值确定外骨骼运动起止时间，确定健侧及患侧的运动时间差，电机驱动患侧外骨骼模仿协同健侧。

具体的，患侧对健侧的时间差模仿驱动具体为：计算机通过对健侧腿部的角度传感器、压力传感器、陀螺仪和肌电电极的检测信号的整合，通过电机控制外骨骼带动患侧腿部运动，使患侧腿进行主动运动。

具体的，主动性检测反馈具体为：计算机将肌电电极主动性检测的分析结果分配到患侧每块肌肉，并在人机交互界面上以肌肉颜色变化的方式反馈给患者，同时将实际中角度传感器、压力传感器、陀螺仪和肌电电极检测到的运动姿态信息同步反馈到人机交互界面，将患者同步反馈的位置姿态信息以及肌肉颜色变化信息呈现给患者，形成视觉刺激，激发镜像神经元。

具体的，健侧腿部的角度传感器和陀螺仪检测健侧运动角度和速度特征信号，将采集信号输入计算机获得健侧运动速度及每个关节的驱动角度，健侧信息经计算机转化后发给患侧的电机，使患侧运动与健侧运动一致。

具体的，主动调节速度具体为：计算机通过健侧输入信号模仿健侧运动，控制患侧的电机驱动外骨骼带动患侧运动，患侧运动完全模仿健侧，患者通过自主调节健侧腿部的速度调整患侧运动，进而调整整体步速。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种健侧患侧协同的主动下肢训练系统，肌电电极分布在患者的健侧腿部以及患侧腿部，传感器和陀螺仪设置在健侧腿部，计算机分别与肌电电极、传感器和陀螺仪连接，外骨骼设置在患侧腿部，外骨骼通过电机与计算机连接，计算机用于接收肌电电极、传感器和陀螺仪输入的信号并根据结果驱动电机带动外骨骼运动并通过人机交互界面产生镜像神经元诱发及视觉反馈，健侧设置的传感器及陀螺仪获取患者健侧运动信息，计算机将所获得信息转码为机械外骨骼电机驱动信息，在到达时间差后，驱动机械外骨骼，带动患侧执行与健侧时间差之前相同的运动。同时，肌电电极分别获得患侧腿部和健侧腿部的肌肉调动信息，进行相关分析，计算出每块肌肉在时间和空间上正确调动情况，给于患者实时反馈。同时人机交互界面的动作及主动参与情况反馈不仅激发镜像神经元更增加了患者主动参与度。

进一步的，角度传感器设置在健侧腿部的髋关节、膝关节和踝关节处，分别检测健侧腿部髋关节、膝关节和踝关节在时间及空间上的调动时刻及调动角度，获得运动信息；压力传感器设置在健侧脚底处，检测健侧腿部落地的时刻，从而在确保身体平衡的同时驱动机械外骨骼带动患侧。

进一步的，陀螺仪设置在健侧腿部的大腿和小腿处检测患者健侧运动的速度信息，之后用于人机交互界面的同步及外骨骼驱动的速度校对。

本发明一种健侧患侧协同的主动下肢训练系统的操作方法，在患者的健侧腿部以及患侧腿部设置肌电电极检测健侧和患侧腿部的EMG信号；分别在健侧腿部设置陀螺仪，在健侧腿部的髋关节、膝关节和踝关节处设置角度传感器，在健侧脚底设置压力传感器，用于测量健侧腿部的运动特征；在患侧腿部设置外骨骼，并与电机连接，肌电电极、陀螺仪、角度传感器、压力传感器和电机分别与计算机连接，计算机接收肌电电极、角度传感器、压力传感器和陀螺仪输入的信号并进行分析，采用患侧对健侧的时间差模仿驱动外骨骼运动，将肌电电极的主动性检测反馈到人机交互界面上并产生视觉刺激，患者通过主动调节速度方式自主调节健侧腿部的速度，能提高患者康复训练的主动性和积极性，提高康复的效果，检测患者健侧运动信息，延迟后，用于驱动患侧，并且患者可以通过改变健侧的速度，调节整体步速，极自然地逼近了正常行走过程中的肌肉调动及运动情况，确定了中风康复后神经重塑引导的方向，同时，双侧腿部的肌电电极在时间上和空间上都校准了相应运动时肌肉调动状态，增加了健侧主动参与的反馈，人机交互界面中有患者运动状态及肌肉调动情况的实时反馈，极大的激发了镜像神经元，增加了患者主动参与度。

进一步的，肌电电极分布在健侧和患侧的大腿、小腿及脚踝上，对健侧-患侧EMG信号进行分析，以患侧-健侧所对应电极信号的相关性代表肌肉参与的主动性及正确性，细化到每块肌肉，在时间及空间上获取了患者健侧及患侧的信息，以健侧为标准，对患侧肌肉调动情况进行了校对，实时反馈了患者患侧各个肌肉调动的情况，使得患者可以根据反馈进行相应的调整，最大限度的发挥主观能动性。

进一步的，健侧-患侧的运动时间差确定包含两个阶段，初始阶段根据压力传感器确保压力传感器达到阈值后，保证患者平衡的前提下，调动患侧；稳步阶段根据前几次的时间差与本次压力传感器计算出的运动时间差进行校对，增加了安全性，使系统更加稳定。

进一步的，健侧-患侧时间差模仿驱动可以使患侧腿部运动完全模仿健侧腿部运动。

进一步的，主动性检测反馈可以使得患者实时了解自己的肌肉调动及运动姿态情况，进行实时的自我调整及修正，增加系统的主动性。

进一步的，采用主动调节速度方式能让患者根据自身习惯和康复状况自主调节健侧腿部运动，从而改变患侧腿部运动。

综上所述，相比于其他下肢康复机器人，本发明采取检测健侧运动信息，经转化后，模仿健侧驱动外骨骼，带动患侧的方式，实现了下肢的主动运动，更加充分的发挥了患者参与的主动性；相比于之前恒定步速系统，本系统可以以调整健侧运动速度来调整患侧运动，进而实现整体步速的调节，更加逼近健康人行走过程；此外，本系统的肌电信号检测及使用方式在时间和空间上校准了患侧，更精确地表示了患者各肌肉参与度；本系统运动姿态及肌肉调动信息的反馈不仅激发了患者的镜像神经元，而且患者可以根据自己的状态做出实时的调整，更大程度发挥了患者主观能动性；本系统的时间差健侧模型采取了压力传感器及先前时间差校准的方式，增加了系统稳定性及安全性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明系统框图；

图2为本发明穿戴示意图；

图3为本发明健侧脚部传感器分布示意图；

图4为本发明患侧运动时间控制图；

图5为本发明系统训练总图；

图6为本发明工作流程图。

其中：1.患者；2.肌电电极；3.陀螺仪；4.角度传感器；5.电机；6.外骨骼；7.显示器；8.虚拟人像；9.虚拟场景；10.压力传感器。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明一种健侧患侧协同的主动下肢训练系统，包括电机5、机械外骨骼6、肌电电极2、角度传感器4、压力传感器10、陀螺仪3和计算机，肌电电极2分别设置在患者1腿部的健侧-患侧，外骨骼6设置在腿部的患侧，与电机5连接，角度传感器4、压力传感器10和陀螺仪3分别设置在腿部的健侧，肌电电极2、陀螺仪3、角度传感器4、电机5和压力传感器10均与计算机连接，计算机将肌电电极2、角度传感器4、压力传感器10和陀螺仪3输入的信号进行分析，输出端形成与电机5和人机交互界面相连，由电机5驱动外骨骼6，最终控制患侧机械外骨骼6运动达到康复训练目的。

肌电电极2分别设置在患侧、健侧的大腿和小腿处，肌电电极2的输入端与健侧-患侧相连，用于检测健侧-患侧腿部EMG信号，其输出端与计算机相连；角度传感器4、压力传感器10和陀螺仪3的输入端与健侧腿部相连，用于测量健侧腿部的运动特征，输出端与计算机单元相连。

请参阅图2，角度传感器4分别设置在健侧腿部的髋关节、膝关节和踝关节处，以测量健侧腿部运动的运动幅度和角度信号；陀螺仪3分别设置在健侧腿部的大腿和小腿处，测量健侧腿部运动速度；角度传感器4和陀螺仪3的检测信号经计算机处理，输出信号控制安装在机械外骨骼6上的电机5，以驱动机械外骨骼6运动，带动患腿运动，计算机连接的人机交互界面显示压力传感器10、角度传感器4、陀螺仪3、肌电电极2的分析结果，视觉刺激患者1，患者也进行视觉反馈，以达到闭环康复训练的目的。

请参阅图3，患侧运动时间与健侧运动时间相同，因此需要确定健侧开始运动及结束运动时刻，在本发明中采用在健侧脚底安装压力传感器10的方式，检测健侧脚底压力，当压力传感器10开始有压力时，健侧开始运动；当压力传感器10数值达到阈值时，健侧运动结束。

康复训练过程中，患者1自主控制健侧腿部运动，健侧腿部安装的角度传感器4、压力传感器10和陀螺仪3分别检测健侧腿部运动角度、速度信号，并传入计算机；计算机将输入信号进行处理，将信号输出至电机5，驱动患侧机械外骨骼6带动患侧腿部运动；健侧、患侧腿部装有肌电电极2，将健侧、患侧的EMG信号输入计算机，两侧EMG信号进行相关性分析；计算机以屏幕显示虚拟人像8的方式呈现健侧-患侧的腿部运动幅度、速度和EMG信号分析结果，其中EMG信号分析结果以颜色变化反馈给患者1，通过视觉刺激患者1，同时患者1也进行视觉反馈，逐渐自主控制患侧运动和发力。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图4，利用健侧脚底压力传感器10输入数值确定健侧-患侧运动时间差，在起步阶段，患侧前2次运动完全使用压力传感器10，压力传感器10输入数值经计算器处理得到压力传感器达到阈值，则认为健侧运动结束，患侧到达运动时间，系统记录健侧患侧起步的时间差T(N)；

当患侧第3次起步时，系统会将由压力传感器计算出的时间差T(N)与前1次时间差T(N-1)相比较，如果两次时间差相差不大，则认为压力传感器计算精确，患侧依据压力传感器数据分析得到的时间差T(N)进行运动，并记录此次时间差；如果两次时间差相差较大，不符合正常步速，则认为压力传感器计算不准确，患侧依据上一次运动的时间差T(N-1)进行运动，这样就完成了健侧患侧的互相校准及更新，增加了系统的可靠性及安全性。

请参阅图5，患者1康复训练过程中，将角度传感器4、压力传感器10、陀螺仪3和肌电电极2安装在正确位置上，计算机通过处理接收的信息，可以采用虚拟人像8的方式将运动的幅度、速度和肌肉主动发力情况显示在屏幕上，其中两侧腿部肌肉发力情况相同，则呈现绿色，两侧肌肉发力情况不同，则呈现红色，同时人机交互界面的屏幕中营造出虚拟现场景9，通过屏幕可以对患者1形成视觉刺激，患者1相应进行反馈。

请参阅图6，本发明健侧患侧协同的主动下肢康复系统的操作方法，健侧腿部角度传感器4、陀螺仪3采集信息经处理可确定机械外骨骼6带动患侧运动的角度和速度；机械外骨骼6运动起止时间由健侧脚底压力传感器10采集数值确定；双侧肌电电极2可检测双侧腿部肌肉主动发力情况。双腿运动状态和肌肉发力状况均能以虚拟人像8的形式在屏幕上显示出来，通过动作变化和颜色变化对患者形成视觉刺激，同时患者也会有相应的视觉反馈。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。