具有肌电刺激功能的康复机器人及其控制方法与流程

1.本发明涉及康复机器人领域，具体为一种具有肌电刺激功能的康复机器人及其控制方法。


背景技术：

2.脉冲肌肉电刺激是利用人工弱电流脉冲信号刺激患者目标肌肉群的神经，常用于由于长期不活动、手术或伤害导致的废用肌肉的力量训练，进而保持肌肉质量、保持和增加关节活动度、促进自主肌肉控制，并且减少痉挛、防止肌肉萎缩。康复机器人是一种可穿戴机器人，可用于有运动障碍、肌肉功能损伤、关节功能损伤患者的康复。
3.然而，在市面上销售的产品中，脉冲肌肉电刺激仪和康复机器人分别有其缺点。对于肌肉、神经功能损伤的患者，在使用康复机器人做康复训练的过程中，易出现足下垂、足外翻的情况，现有市面上的康复机器人多采用绑带固定的方式防止足下垂的情况，对患者足下垂、足外翻情况不能起到康复作用；另外还有上肢、膝关节等功能受损的患者，现有市面上的康复机器人主要是针对关节活动度的康复训练，对肌肉的康复相对少一些。而脉冲肌肉刺激仪要求穿戴位置必须准确，否则易出现因位置穿戴的不合适，没有能准确刺激到目标神经的现象；如人体肱三头肌作用于伸肘关节、伸肩关节，肱二头肌作用于屈肘关节，前臂后旋，胫骨前肌可以帮助足背屈、内翻，而人体结构的个体差异性较大，不同的患者的肌肉位置存在差异性，需刺激的位置会有偏差，需要在穿戴时多次调整，使用较为繁琐，康复效果不佳；且在持续电刺激的情况下，易出现神经耐受疲劳的情况，当患者使用过程中，随着神经耐受程度的增加，需要康复师增加电刺激电量，若电量超过安全范围，会对患者造成损伤。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种应用于康复设备的肌电刺激控制方法。
5.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现，一种应用于康复设备的肌电刺激控制方法，康复设备至少包括供用户进行肌电刺激康复训练的外骨骼机器人，该方法包括以下步骤：s01、设备启动，获取用户基本信息；s02、判断用户类型，获取用户训练数据、初始化设备配置；s03、若用户为新用户，则通过肌电刺激自动定位获取用户肌电刺激最佳位置；s04、响应用户输入的训练指令，进入与所述训练指令匹配的肌电刺激训练机制。
6.进一步的，所述用户基本信息包括但不限于用户id、身高、体重、年龄、臂长、腿长。
7.进一步的，所述用户训练数据包括但不限于关节活动度范围、肌电刺激最佳位置、肌电刺激电量范围、肌电刺激电量阈值等。
8.进一步的，所述通过肌电刺激自动定位获取用户肌电刺激最佳位置，包括以下步
骤：s11、获取肌电刺激初始位置、最低肌电刺激电量；s12、采集传感器数据；s13、判断当前用户状态数据是否在预设范围内，若是，输出当前肌电刺激位置；s14、用户状态数据超出预设范围时，增加肌电刺激电量强度并判断电量强度是否达到预设阈值；s15、若电量已达到预设阈值，则调整肌电刺激位置；若电量未达到预设阈值，返回所述采集传感器数据步骤。
9.进一步的，所述肌电刺激训练机制包括：肌电刺激训练模式、主动发力训练模式、抗阻训练模式和测评模式，以上肌电刺激训练机制在同一时间单独运行。
10.进一步的，所述肌电刺激训练模式，包括以下步骤：s21、获取用户肌电刺激最佳位置；s22、发送肌电刺激信号，实时采集传感器数据；s23、判断所述传感器数据是否异常，若数据正常，则保持发送肌电刺激信号，直至获取到训练结束或中止指令；s24、数据异常时，增加肌电刺激电量强度并判断电量强度是否达到预设阈值，若未达到预设阈值，则返回步骤22；s25、实时获取训练结束或中止指令，若接收到训练结束或中止指令，执行退出或中断当前训练；否则返回步骤s22。
11.进一步的，所述主动发力训练模式包括以下步骤：s30、用户主动发力，实时采集传感器数据；s31、判断用户状态数据是否在预设范围内，若是，则提示用户保持主动发力训练，直至获取到训练结束或中止指令；s32、用户状态数据超出预设范围时，发送肌电刺激信号，实时采集传感器数据；s33、判断所述传感器数据是否异常，若数据正常，则提示用户保持主动发力训练，直至获取到训练结束或中止指令；s34、传感器数据异常时，增加肌电刺激电量强度并判断电量强度是否达到预设阈值；s35、若电量强度未达到预设阈值，则返回所述步骤s32；s36、实时获取训练结束或中止指令，若接收到训练结束或中止指令，执行退出或中断当前训练；否则返回步骤s30。
12.进一步的，所述抗阻训练模式包括以下步骤：s40、设置抗阻参数，驱动器输出阻力负载；s41、用户主动发力，实时采集传感器数据；s42、判断用户状态数据是否在预设范围内，若是，则提示用户保持抗阻训练，直至获取到训练结束或中止指令；用户状态数据超出预设范围时，进入步骤s43；s43、发送肌电刺激信号，实时采集传感器数据；s44、判断所述传感器数据是否异常，若数据正常，则提示用户保持抗阻训练，直至
获取到训练结束或中止指令；s45、增加肌电刺激电量强度并判断电量强度是否达到预设阈值，若否，则返回所述步骤s43；s46、实时获取训练结束或中止指令，若接收到训练结束或中止指令，执行退出或中断当前训练；否则返回步骤s41。
13.进一步的，所述测评模式包括以下步骤：s51、用户主动发力；s52、实时采集传感器数据；s53、反馈用户状态信息。
14.一种应用于康复设备的肌电刺激控制系统，其特征在于，包括主控模块、驱动模块、数据传输模块、肌电刺激控制模块、电极片组和传感器；所述主控模块，用于获取/执行用户操作指令、判断指令、执行训练模式、信号处理、驱动控制；所述驱动模块，用于驱动康复设备输出阻力负载；所述数据传输模块，用于康复设备与云端之间下载/上传用户基本信息和用户训练数据；所述肌电刺激控制模块，用于控制电极片输出肌电刺激电信号。
15.进一步的，所述传感器包括但不限于角度传感器、压力传感器、力矩传感器、姿态传感器、肌电传感器。
16.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1至9任意一项所述的方法步骤。
17.本发明具有以下有益效果及优点：1、实现自动定位肌电刺激最佳位置，能够准确刺激到目标神经，通过微弱的电量即可使患者保持肌肉活力，并防止肌肉萎缩；2、实时监测患者神经耐受情况，在安全范围内实现最佳肌电刺激效果；3、通过将脉冲肌肉电刺激与外骨骼机器人相融合，提高了外骨骼机器人的康复效果，如在患者使用外骨骼机器人进行康复训练时，及时矫正足内外翻、足下垂、上肢肌无力等症状；4、丰富了肌肉电刺激模式，在现有市面上存在的被动模式的基础上增加了主动模式、抗阻模式、评估模式。
附图说明
18.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
19.图1为本发明中应用于康复设备的肌电刺激控制方法的流程示意图。
20.图2为本发明中肌电刺激自动定位流程示意图。
21.图3为本发明中肌电刺激位置调整示意图。
22.图4为本发明中肌电刺激训练模式流程示意图。
23.图5为本发明中主动发力训练模式流程示意图。
24.图6为本发明中抗阻训练模式流程示意图。
25.图7为本发明中测评模式流程示意图。
26.图8为本发明中应用于康复设备的肌电刺激控制系统的功能结构示意图。
具体实施方式
27.为了便于理解本技术，下面结合附图和具体实施方式，对本技术进行更详细的说
明，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.以下将配合附图及实施例来详细说明本技术的实施方式，借此对本技术如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
29.实施例1：如图1
‑
7所示，本发明提供的一种应用于康复设备的肌电刺激控制方法，康复设备至少包括供用户进行肌电刺激康复训练的外骨骼机器人，该方法包括以下步骤：s01、设备启动，获取用户基本信息；s02、判断用户类型，获取用户训练数据、初始化设备配置；s03、若用户为新用户，则通过肌电刺激自动定位获取用户肌电刺激最佳位置；s04、响应用户输入的训练指令，进入与所述训练指令匹配的肌电刺激训练机制。
30.进一步的，用户基本信息包括但不限于用户id、身高、体重、年龄、臂长、腿长等。
31.进一步的，用户训练数据包括但不限于关节活动度范围、肌电刺激最佳位置、肌电刺激电量范围、肌电刺激电量阈值等。
32.作为举例，当用户使用应用有肌电刺激功能的康复设备时，用户需先将需要做肌电刺激康复训练的部位固定在康复设备上，并进行用户信息登录认证。设备获取用户基本信息及用户训练数据，并完成设备的初始化配置。在本发明中，当用户是首次使用该设备，由于不同的人接受肌肉电刺激的部位和接受敏感度会不一样，本方法还实现通过肌电刺激自动定位获取用户肌电刺激最佳位置。设备获取用户肌肉电刺激最佳位置后，根据用户选择的训练类型，进入训练指令匹配的肌电刺激训练机制。
33.具体的，通过肌电刺激自动定位获取用户肌电刺激最佳位置，包括以下步骤：s11、获取肌电刺激初始位置、最低肌电刺激电量；s12、采集传感器数据；s13、判断当前用户状态数据是否在预设范围内，若是，输出当前肌电刺激位置；s14、用户状态数据超出预设范围时，增加肌电刺激电量强度并判断电量强度是否达到预设阈值；s15、若电量已达到预设阈值，则调整肌电刺激位置；若电量未达到预设阈值，返回所述采集传感器数据步骤。
34.作为举例，当用户首次使用应用有肌电刺激功能的康复设备时，设备的主控模块发送肌电刺激信号到肌电刺激控制模块，控制电极片组输出至预设初始位置，康复设备中的关节角度传感器将实时监测用户关节活动度情况，并反馈至主控模块；当检测到用户关节活动度超出预设范围时，加大肌电刺激电量强度，并检测电量强度是否达到预设阈值；当电量强度达到预设阈值时且关节活动度仍不在预设范围内，则调整肌电刺激位置；当用户关节活动度在预设范围内时，输出当前肌电刺激位置；重复3
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5次，得到一组肌电刺激位置数据，从中选择出处于关节活动度范围中且刺激电量最小的肌电刺激位置，即为肌电刺激最佳位置。
35.如图3所示，电极片呈矩阵分布设置，a为肌电刺激位置，由正电极位置a( )和负电极位置a(
‑
)组成。当用户首次实用康复设备时，肌电刺激控制模块发送最低电量肌电信号
至初始位置a1，关节角度传感器实时采集用户关节活动度角度值，若用户关节活动度角度不在预设范围内，加大初始位置a1的肌电刺激电量d1的电量值，直至电量强度达到预设阈值且关节活动度角度仍不在预设范围内，发送最低电量肌电信号至位置a2；同样的，关节角度传感器实时采集用户关节活动度角度值，若用户关节活动度角度在预设范围内，返回位置a2的坐标值及当前肌电刺激电量（a2，d2）；发送最低电量肌电信号至位置a3、a4，得到结果反馈数组（a3，d3）和（a4，d4），在获得的这三组数据中选择出电量最小的肌电刺激位置，即获得了当前用户的肌电刺激最佳位置。在为保护用户患侧关节健康，避免给用户造成二次伤害，预设范围设置为人体关节活动度范围的60%。
36.进一步的，所述肌电刺激训练机制包括：肌电刺激训练模式、主动发力训练模式、抗阻训练模式和测评模式，以上肌电刺激训练机制在同一时间单独运行。
37.进一步的，所述肌电刺激训练模式，包括以下步骤：s21、获取用户肌电刺激最佳位置；s22、发送肌电刺激信号，实时采集传感器数据；s23、判断所述传感器数据是否异常，若数据正常，则保持发送肌电刺激信号，直至获取到训练结束或中止指令；s24、数据异常时，增加肌电刺激电量强度并判断电量强度是否达到预设阈值，若未达到预设阈值，则返回步骤22；s25、实时获取训练结束或中止指令，若接收到训练结束或中止指令，执行退出或中断当前训练；否则返回步骤s22。
38.在用户使用应用有肌电刺激功能的康复设备的过程中，人体神经被刺激一段时间后，会产生神经耐受疲劳，即肌肉电刺激初时，关节活动度处于预设范围内，而一段时间后，会出现由于神经耐受疲劳导致关节活动度幅度降低至预设范围外的情况；在本发明中，通过关节角度传感器实时监测关节活动度情况，在检测到关节活动度幅度降低时，增加肌电刺激电量强度，使得关节活动度维持在预设范围内，直至训练结束。
39.进一步的，主动发力训练模式包括以下步骤：s30、用户主动发力，实时采集传感器数据；s31、判断用户状态数据是否在预设范围内，若是，则提示用户保持主动发力训练，直至获取到训练结束或中止指令；s32、用户状态数据超出预设范围时，发送肌电刺激信号，实时采集传感器数据；s33、判断所述传感器数据是否异常，若数据正常，则提示用户保持主动发力训练，直至获取到训练结束或中止指令；s34、传感器数据异常时，增加肌电刺激电量强度并判断电量强度是否达到预设阈值；s35、若电量强度未达到预设阈值，则返回所述步骤s32；s36、实时获取训练结束或中止指令，若接收到训练结束或中止指令，执行退出或中断当前训练；否则返回步骤s30。
40.在本发明中，当用户使用康复设备康复训练一段时间后，用户肌肉能力恢复到一定水平时，可以选择进行主动发力训练模式。用户在康复过程中主动发力，设备实时采集设
备传感器数据并反馈给用户，使得用户在康复过程中可实时了解自身肌力水平，同时当设备检测到用户肌力水平减低时，开启肌电刺激功能，对用户进行动力辅助，直至训练结束。
41.进一步的，所述抗阻训练模式包括以下步骤：s40、设置抗阻参数，驱动器输出阻力负载；s41、用户主动发力，实时采集传感器数据；s42、判断用户状态数据是否在预设范围内，若是，则提示用户保持抗阻训练，直至获取到训练结束或中止指令；用户状态数据超出预设范围时，进入步骤s43；s43、发送肌电刺激信号，实时采集传感器数据；s44、判断所述传感器数据是否异常，若数据正常，则提示用户保持抗阻训练，直至获取到训练结束或中止指令；s45、增加肌电刺激电量强度并判断电量强度是否达到预设阈值，若否，则返回所述步骤s43；s46、实时获取训练结束或中止指令，若接收到训练结束或中止指令，执行退出或中断当前训练；否则返回步骤s41。
42.在本发明中，当用户肌肉能力恢复到一定水平时，还可以选择进行抗阻训练模式，在抗阻训练模式下，设备驱动模块作为关节反向活动负载，与用户发力形成反作用力，设备传感器实时检测用户关节活动度和肌力，同时辅助肌电刺激功能，使用户的康复训练达到一定的合理范围进一步的，所述测评模式包括以下步骤：s51、用户主动发力；s52、实时采集传感器数据；s53、反馈用户状态信息。
43.同时，用户还可以选择测评模式对用户的关节活动度、肌力、活动姿态等进行评估。作为举例，当用户进行步态训练时，肌肉电刺激作用在用户上肢，可监测反馈用户行走时患侧上肢的关节活动度、肌力水平、摆动姿态等；肌肉电刺激作用在用户下肢，可监测反馈用户行走时患侧下肢关节活动度、肌力水平、步态、踝关节活动角度等。
44.实施例2：一种应用于康复设备的肌电刺激控制系统，如图7所示，包括主控模块、驱动模块、数据传输模块、肌电刺激控制模块、电极片组和传感器；所述主控模块，用于获取/执行用户操作指令、判断指令、执行训练模式、信号处理、驱动控制；所述驱动模块，用于驱动康复设备输出阻力负载；所述数据传输模块，用于康复设备与云端之间下载/上传用户基本信息和用户训练数据；所述肌电刺激控制模块，用于控制电极片输出肌电刺激电信号。
45.进一步的，所述传感器包括但不限于角度传感器、压力传感器、力矩传感器、姿态传感器、肌电传感器。
46.作为举例，本发明中的康复设备通过蓝牙/wifi等数据传输模块与用户移动终端连接，作为用户登录、指令操作、结果反馈的窗口，用户训练数据和用户基本信息保存在用户移动终端或云端服务器中。当用户通过移动终端连接至设备时，可以自动获取用户的刺激电量强度、位置、关节活动角度范围、关节活动力量等相关数据。
47.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序
被执行时实现上述的方法步骤，具体实现可参见前述方法实施例，在此不再赘述。
48.综上所述，本发明具有以下有益效果及优点：1、针对康复初期、肌肉力量较弱无法自主发力的患者，实现自动定位肌电刺激最佳位置，能够准确刺激到目标神经，通过微弱的电量即可使患者保持肌肉活力，并防止肌肉萎缩；2、实时监测患者神经耐受情况，在安全范围内自动调节肌电刺激电量大小，实现最佳肌电刺激效果；3、通过将脉冲肌肉电刺激与外骨骼机器人相融合，提高了外骨骼机器人的康复效果，如在患者使用外骨骼进行康复训练时，及时矫正用户出现的足内外翻、足下垂、上肢肌无力等症状；4、丰富了肌肉电刺激模式，在现有市面上存在的被动模式的基础上增加了主动模式、抗阻模式、评估模式。
49.以上实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。