手指外骨骼阻抗辨识与牵伸力度闭环控制方法及系统

本发明公开手指外骨骼阻抗辨识与牵伸力度闭环控制方法及系统，属于生理参数测量与分析。

背景技术：

1、现有手指外骨骼牵伸训练设备还难以判断“测到的阻力究竟来自哪里”。电机端检测到的总阻力既包括外骨骼自身的惯量、齿轮摩擦和手指重力，也包括挛缩组织的被动阻力，还包括患者因疼痛、紧张、恐惧或痉挛产生的主动肌肉对抗。若把这些阻力不加区分地作为停止或继续牵伸的依据，患者主动对抗时可能被误判为已经到达组织极限而提前停止；患者突然放松时又可能被误判为组织已经变软而继续加深，反而在保护性肌张力撤除的瞬间增加损伤风险。

2、牵伸安全也不能只看力矩是否超过某个数值。挛缩组织属于粘弹性组织，同样的角度和力矩，缓慢加载可能尚可承受，快速猛拉却可能造成撕裂；同时，电机从检测到超限、发出停机指令到手指真正停止存在响应延迟，当关节阻力在极限附近快速上升时，仅在超过阈值后再停机仍可能产生明显超调。因此，设备还必须同时控制加载速度，并在力矩尚未真正超限前根据上升趋势提前减速或回退。

3、此外，现有居家设备通常只记录训练时间、预设角度或动作次数，不能说明患者实际承受了多大的牵伸载荷、载荷维持了多久，也无法区分“力度太小所以无效”和“力度过大但被迫中断”这两种完全不同的情况。传统被动关节活动度测量又会受到测量者施力大小影响，难以作为跨日比较的客观疗效指标。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供手指外骨骼阻抗辨识与牵伸力度闭环控制方法及系统，以解决现有技术中，康复牵伸中缺乏基于多生理信号融合的关节阻抗精准定量辨识手段，导致安全边界设定依赖主观经验、易引发软组织损伤的问题。

2、手指外骨骼阻抗辨识与牵伸力度闭环控制方法，包括：

3、s1、对患者的伸展动作进行探测，采集基础信号数据，计算患者完全放松状态和最大自主等长收缩状态下的幅值包络并进行归一化，得到归一化激活度，进而计算主动收缩指数并设置样本有效性标志位；利用最小二乘实时估计映射系数并扣除神经性力矩，得到纯机械性挛缩阻抗力矩，根据探测期组织表面温度均值与有效样本占比判断样本有效性；

4、s2、基于纯机械性挛缩阻抗力矩与关节角度构建三参数模型，采用lm算法进行非线性最小二乘估计，计算关节瞬时被动刚度；定义弹性区平均刚度，基于刚度倍增和力矩角度曲线曲率分别计算基于刚度的弹性区终点角和基于曲率的弹性区终点角，经保守融合和逐日变化率约束后输出弹性区终点，同时引入温度补偿因子和瘢痕折减因子进行安全系数修正，得到力矩安全上限和角度安全上限；

5、s3、根据当前机械阻抗力矩与力矩安全上限的比值定义接近度变量，构建力控制权重，实现位置控制与导纳力控制的平滑过渡；对原始合成力矩指令进行变化率约束和单向快速退让处理；进入保持期后，在线辨识松弛模型参数包括松弛时间常数和松弛平衡力矩，并计算松弛度指标，当满足松弛充分条件时允许牵引角度增量步进；构建三级熔断逻辑，根据预期力矩和实测力矩超限程度分级响应，包括降速、保持和平滑回退；记录每日牵伸剂量指标与最大有效角度，写入本地数据库并同步至治疗师端。

6、s1包括，s1.1、基础信号数据包括驱动电机相电流、第通道表面肌电和手指背侧组织表面温度，将基础信号利用统一时基插值公式，计算对齐后的驱动电机相电流，对齐后的第通道表面肌电和对齐后的手指背侧组织表面温度；获取关节实际屈伸角，并计算角速度和角加速度；通过净阻抗力矩解耦得到关节净阻抗力矩；对依次进行巴特沃斯带通滤波、工频陷波与移动rms包络，得到第通道肌电幅值包络；

7、s1包括，s1.2、计算患者完全放松状态第通道肌电幅值包络和最大自主等长收缩状态第通道肌电幅值包络，并进行归一化：

8、；

9、式中，为归一化激活度；

10、利用计算主动收缩指数：

11、；

12、式中，为通道权重，，为指浅屈肌和指总伸肌的索引；时，为指浅屈肌的通道权重，时，为指总伸肌的通道权重；

13、设置样本有效性标志位：

14、；

15、式中，为样本有效性标志位，时样本有效，时样本无效，为主动收缩阈值，为变化率阈值；

16、记录等长收缩状态的与，通过最小二乘法求解映射系数：

17、；

18、式中，为第个肌电通道的神经性力矩映射系数，为的最优估计值；

19、基于实时估计神经性力矩并扣除：

20、；

21、；

22、式中，为纯机械性挛缩阻抗力矩，为由肌肉主动收缩贡献的力矩分量。

23、s1包括，s1.3、基于计算探测期组织表面温度均值，设置样本集有效阈值和高张力状态阈值，定义有效样本占比：

24、；

25、当时，样本集有效；当时，样本集无效，患者暂停动作，重做探测；当时，样本集无效，患者停止动作，终止当前任务；

26、设置角度阈值，对有效样本以为箱宽分箱，箱内取中位数，得到紧凑的角度与力矩序列：

27、；

28、式中，为第个角度箱的左边界，为角度箱的索引，，为角度箱总数。

29、s2包括，s2.1、构建三参数模型，并利用lm算法对三参数模型的参数进行非线性最小二乘估计，根据估计结果计算关节在角度处的瞬时被动刚度：

30、；

31、计算决定系数：

32、；

33、式中，为模型在处的力矩预测值，为所有分箱点上被动力矩实测值的算术平均值；

34、s2包括，s2.2、定义弹性区平均刚度为起始度内的刚度均值：

35、；

36、式中，为起始角度系数，为探测起始角；

37、弹性区终点定义为刚度增长至的倍处，由刚度解析式反解可得闭式解：

38、；

39、式中，为刚度倍增系数，为基于刚度的弹性区终点角；

40、计算基于曲率的弹性区终点角：

41、；

42、；

43、；

44、式中，为探测终止角，为力矩角度曲线的数学曲率，为三参数模型二阶导数，为三参数模型一阶导数；

45、进行保守融合与一致性校验：

46、；

47、；

48、式中，为刚性区起点，为最终保守融合的弹性区终点角，为处对应的被动力矩预测值；

49、定义一致性指标：

50、；

51、若大于一致性角度阈值，将本次探测标记为低置信度；

52、设置逐日变化率约束：

53、；

54、式中，为钳位函数，为前一日最终确认并存储的弹性区终点角，为单日最大允许变化量，为当前日期索引。

55、s2包括，s2.3、引入温度补偿因子和瘢痕折减因子：

56、；

57、；

58、式中，为温度敏感系数，为参考温度，为折减下限，为瘢痕折减系数，为录入的温哥华瘢痕量表总分，为的最大值；

59、s2包括，s2.4、安全上限二元组合成：

60、；

61、；

62、式中，为力矩安全上限，为角度安全上限，为基础安全系数；为置信度折减，当前探测为低置信度，取低置信度阈值；为患者最大被动活动范围，为安全余量；

63、弹性区终点角的逐日序列做滑动窗线性回归，估计改善速率：

64、；

65、式中，为弹性区终点角的日均推进速度，为回归窗长，为窗口内日期索引的平均值，为窗口内弹性区终点角的平均值，为第日的；

66、计算刚度演变指标：

67、；

68、式中，为当日的弹性区平均刚度，为日前的弹性区平均刚度；

69、当持续两周小于速率警告阈值，或大于刚度演变指标阈值，系统向治疗师发出警告。

70、s3包括，s3.1、定义接近度变量：

71、；

72、计算力控制权重：

73、；

74、式中，为切换陡度，为切换中心点；

75、计算第个控制周期的总输出力矩指令：

76、；

77、；

78、式中，为位置环比例，为微分增益，为期望轨迹，为的一阶导数，为被动力矩前馈项；

79、计算导纳控制模式下的总输出力矩指令：

80、；

81、；

82、式中，为中间变量，为导纳系数，为力控目标，为采样间隔；

83、计算第周期的原始合成力矩指令：

84、。

85、s3包括，s3.2、基于计算最终送往电机电流环的力矩指令：

86、；

87、；

88、式中，为允许的最大力矩变化率，为基准速率上限，为接近度平方衰减系数；

89、小于时，令；

90、s3包括，s3.3、牵伸达到角度上限后进入保持期，构建松弛模型：

91、；

92、式中，为模型预测的保持期力矩，为松弛平衡力矩，为保持起始时刻的机械阻抗力矩，为保持期开始后的经过时间，为松弛时间常数；

93、将松弛模型作一阶差分，计算第个控制周期实测的机械阻抗力矩：

94、；

95、；

96、；

97、式中，为第周期的回归向量，为待辨识的参数向量，为转置符号；

98、采用递推最小二乘估计方法，得到：

99、；

100、；

101、式中，为松弛时间常数的估计值，为衰减因子，为松弛平衡力矩的估计值，为平衡偏置因子；

102、构建松弛度指标：

103、；

104、设置松弛度阈值和力矩变化率阈值，当且力矩变化率的绝对值小于等于且主动收缩指数小于等于，判定本次保持期松弛充分，允许继续增加牵引角度，增加后重新计算松弛度指标，设置累计加深阈值，单个保持期内累计增加牵引角度小于等于；

105、牵引角度增加量为：

106、；

107、；

108、式中，为单次加深上限，为当前角度处的关节刚度。

109、s3包括，s3.4、采用savitzky–golay一阶导数滤波，计算第个控制周期的被动力矩变化率估计值：

110、；

111、式中，为滤波器的一阶导数系数，为窗口内的相对偏移索引，为滑动窗口的半宽度，为偏移索引为处的原始被动力矩采样值；

112、计算维持当前趋势的预期力矩：

113、；

114、式中，为维持当前趋势的时间；

115、构建三级熔断逻辑，包括设置力矩上限一级阈值系数，期望角速度一级阈值系数，最大力矩变化率一级阈值系数，设置力矩上限三级阈值系数；

116、当，期望角速度乘以，乘以，完成降速；

117、当或时，期望角速度置零，进入保持期；

118、当或主动收缩指数大于停机阈值或力矩变化率超过熔断阈值时，执行度平滑回退，平滑回退为：

119、；

120、式中，为时刻的实时回退目标角度，为触发回退时刻的实时关节角度，为固定回退行程总量，为回退运动的总规划时长。

121、s3包括，s3.5、构建牵伸剂量指标：

122、；

123、式中，为第日的累计牵伸剂量，为本次探测的总持续时间，为本次探测的总控制周期数，为在任意连续时的实时被动力矩；

124、本次探测达到的最大有效角度为：

125、；

126、式中，为布尔量，表示第个控制周期是否处于回退状态，为未处于回退状态；

127、将当日的弹性区终点角、弹性区刚度、最大有效角度、牵伸剂量、松弛时间常数、最大松弛度以及第三级熔断触发次数写入本地数据库并同步至治疗师端。

128、手指外骨骼阻抗辨识与牵伸力度闭环控制系统，包括外骨骼本体与驱动模组、多源传感模组、主控制器模组、温控加热模组、交互与通信模组和腕部固定基座；

129、外骨骼本体与驱动模组、多源传感模组、主控制器模组、温控加热模组和交互与通信模组集成于腕部固定基座和腕部固定基座背侧壳体内；

130、外骨骼本体与驱动模组包括连杆机构、无框力矩电机、谐波减速器与快拆指套；连杆机构为背侧四连杆远心机构，连杆上设置物理挡块，用于限制活动度上限；指套为低温热塑板配合硅胶内衬；每根手指配置一台无框力矩电机；

131、多源传感模组包括磁编码器、电流采样电路、表面肌电前端、红外测温单元与惯性测量单元；表面肌电前端的前臂掌侧对应指浅屈肌、背侧对应指总伸肌，各布置一对干式银氯化银圆形电极；红外测温单元为指背正对近端指间关节处安装非接触式红外热电堆；惯性测量单元集成于腕部固定基座；

132、主控制器模组包括双核mcu板卡、电机驱动板与隔离电源；双核mcu板卡包括控制核和安全核；控制核执行步骤s1到步骤s3的全部运算；

133、安全核读取冗余力传感器，与控制核输出的机械阻抗力矩做交叉比对，偏差超过偏差阈值且持续为偏差时间阈值，判定控制核测量链故障；接收控制核的心跳信号，预设周期内未收到即判超时；

134、温控加热模组包括柔性聚酰亚胺加热膜、热敏电阻与pwm驱动电路；柔性聚酰亚胺加热膜贴敷在指背指套内侧；

135、交互与通信模组包括oled显示屏、急停按钮、蓝牙与wi-fi双模通信单元及上位机。

136、相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：通过融合多通道表面肌电、关节阻抗力矩和组织温度等多模态生理信号，实现了对手指关节挛缩状态的精准定量辨识与动态追踪，克服了传统康复牵伸中安全边界依赖治疗师主观经验、缺乏客观力学评估手段的缺陷；通过三参数阻抗模型辨识和弹性区终点自动界定，结合温度与瘢痕因子的自适应安全修正，实现了安全上限的个性化设定；同时，通过力位混合控制和三级熔断机制，在确保安全的前提下最大化牵伸效率，并利用松弛度指标指导角度递增，避免了被动暴力牵伸引发的软组织损伤，有效提高了手指关节挛缩康复治疗的精准性、安全性和有效性。