1.本发明涉及一种用于评估下肢助力外骨骼在连续上台阶步态下对人体的助力能效的方法及系统。


背景技术：

2.下肢助力外骨骼是一种人体可穿戴式的机械装置，并联于人体的下肢，可用于增强或是恢复人体的运动能力，也可以进行为膝关节功能障碍的患者进行步态康复，它可以根据人体的运动意图进行肢体跟随并且为下肢助力或支撑，目前的主动式下肢助力外骨骼尚处于实验室阶段。
3.现有技术中通常采用通过计算下肢关节处的转矩进行下肢外骨骼助力程度测试，例如，通过三维运动捕捉系统和三维测力板构建人体下肢三连杆模型，进而求解得到人体各关节与关节力矩，在此过程中，需要对受试者(或穿戴者)的表面肌电信号、足底压力、下肢运动状态等信息进行采集。
4.然而，由于人体的肌肉具有柔韧性，而外骨骼助力是与人体交互时发生的，因此，外骨骼的助力效果会存在延迟，也就是说对下肢关节处的转矩计算仅仅是对外骨骼助力程度或效果的一种预判，没有直接反应外骨骼在测试时间段内对受试者下肢的助力效果。此外，该方法需要采集多个参数，并通过多个模型与方程进行求解，操作复杂，且由于需要采集多个参数(例如，肌电信号、足底压力等)，相应地，配套的检测设施也繁多，造成检测成本偏高，不利于广泛应用。
5.此外，现有技术中还通过测试代谢成本进行助力效果测试，但当受试者的代谢成本的基数偏小时，在测试过程中的误差可能偏大，从而降低测试结果的可靠性。
6.尽管下肢助力外骨骼已然成为了目前的研究热点之一，然而针对下肢助力外骨骼的效能评估方法未见有统一的测试标准。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供一种基于连续上台阶步态下肢助力外骨骼效能评估方法及系统，用于对下肢助力外骨骼效能进行统一精确的评估。
8.为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种基于连续上台阶步态下肢助力外骨骼效能评估方法，包括：对若干测试者进行连续上台阶测试，并且每位测试者均进行穿戴外骨骼和未穿戴外骨骼的连续上台阶测试，所述连续上台阶测试包括多个完整的上台阶步态周期，所述上台阶步态周期包括第一双支撑期、单支撑期、第二双支撑期和摆动期；采集穿戴外骨骼和未穿戴外骨骼连续上台阶测试的肌肉活动数据和代谢成本数据；对采集到的肌肉活动数据和代谢成本数据进行统计数据处理。
9.利用肌电信号降低比例评价外骨骼助力具有较高的准确性。原因是人体的肌肉是柔性的，而外骨骼助力是与人体交互时发生，助力会有延迟，而对关节处转矩的计算仅是对外骨骼助力进行预判的评估，而真正外骨骼产生助力效果，从生理反应更直接更准确。评估
外骨骼是否产生助力，主要看外骨骼是否对完成相同动作局部肌肉发力是否降低，和综合代谢成本是否减少。
10.另外，相比于平路和陡坡行走步态，上台阶步态中人体下肢关节运动角度变化范围更大，各部分核心肌肉发力特征更明显，能更好的突出外骨骼对核心肌肉助力的性能，其次，连续上台阶步态需要抬升自身重量，综合能耗远大于平路行走和陡坡行走，在综合代谢成本测试中能有效避免因基数小造成测量误差大的问题。
11.作为一种改进，所述测试者均为20～30周岁男性。
12.作为一种进一步的改进，穿戴外骨骼和未穿戴外骨骼连续上台阶测试时的平均速度为大约40～大约70步/min，台阶高度为大约15～大约30cm。
13.作为另一种更进一步的改进，穿戴外骨骼连续上台阶测试和未穿戴外骨骼连续上台阶测试均需要在彻底消除疲劳后进行。
14.作为一种改进，穿戴外骨骼连续上台阶测试和未穿戴外骨骼连续上台阶测试之间的间隔时间大于大约2h。
15.作为一种改进，穿戴外骨骼连续上台阶测试和未穿戴外骨骼连续上台阶测试均持续5～15min。
16.作为一种改进，所述肌肉活动数据为测试者下肢肌(包括：测试者左右下肢大腿肌群和小腿肌群)的肌电信号；所述代谢成本数据为耗氧量和二氧化碳呼出量。
17.作为一种改进，采用表面肌电测试仪采集肌肉活动数据；测试前去除测试肌肉部位表面杂质，沿肌肉方向固定电极片。
18.作为一种改进，所述对采集到的肌肉活动数据进行统计数据处理中，对采集到的肌电信号进行滤波、整流和均方根值预处理后等到第一肌电信号数据；对所述第一肌电信号数据进行数据统计得到第二肌电信号数据；对第二肌电信号数据进行归一化处理。
19.作为一种改进，利用公式
[0020][0021]
对所述第二肌电信号进行归一化处理；其中semg％为归一化处理后肌电幅值，semg_i为对应肌肉在每个上台阶步态周期中的肌电信号峰值，semg_max为对应肌肉的肌电信号峰值中的最大值。
[0022]
作为一种改进，记录测试过程中最后大约1～大约3分钟的耗氧量和二氧化碳呼出量。
[0023]
作为一种改进，所述对采集到的代谢成本数据进行统计数据处理中，利用公式
[0024]
h＝(14.48vo2+4.48vco2)/60
[0025]
计算连续上台阶测试过程中的每个测试者的平均能量消耗功率，其中h为平均能量消耗功率，单位为w/kg；vo2为耗氧量，单位为ml/min/kg；vco2为二氧化碳呼出量，单位为ml/min/kg。
[0026]
作为一种改进，还包括步骤：对处理后的数据进行分析得出结论；所述对处理后的数据进行分析包括：对每名测试者的肌电信号进行配对样本t检验，获取p值、t值以及助力效率；对每名测试者的平均消耗功率进行配对样本t检验，获取p值、t值以及消耗功率降低比例。
[0027]
作为一种改进，利用公式
[0028][0029]
计算下肢助力外骨骼的助力效率；其中ηa为助力效率，e
a1
为无外骨骼时归一化处理后的肌电幅值，e
a2
为穿外骨骼时归一化处理后的肌电幅值。
[0030]
作为一种改进，利用公式
[0031][0032]
计算下肢助力外骨骼的消耗功率降低比例；其中ηb为降低比例，e
b1
为无外骨骼时的平均能量消耗功率，e
b2
为穿外骨骼时的平均能量消耗功率。
[0033]
作为一种改进，所述对处理后的数据进行分析得出结论中，
[0034]
若肌电信号测试结果t检验与代谢成本测试结果t检验均满足p≤0.05&t《0，则该下肢助力外骨骼能缓解局部肌肉疲劳损伤降低肌肉活动，同时降低代谢成本，提高连续上台阶效率；
[0035]
若肌电信号测试结果t检验满足p≤0.05&t《0但代谢成本测试结果t检验不满足p≤0.05&t《00，则该下肢助力外骨骼能有效缓解局部肌肉疲劳损伤降低肌肉活动，但不能显著降低连续上台阶时的代谢成本；
[0036]
若代谢成本测试结果t检验满足p≤0.05&t《0但肌电信号测试结果t检验不满足p≤0.05&t《0，则该外骨骼能有显著降低连续上台阶时的代谢成本η，但未给测试部位肌肉提供显著的助力。
[0037]
若肌电信号测结果与代谢成本测试结果均不满足p≤0.05&t《0则该下肢助力外骨骼不能为连续上台阶提供帮助。
[0038]
本发明还提供一种基于连续上台阶步态下肢助力外骨骼效能评估系统，包括：肌肉活动数据采集单元，用于采集测试者在测试中的下肢肌(例如，测试者左右下肢大腿肌群和小腿肌群)的肌电信号；代谢成本数据采集单元，用于采集测试者在测试中的耗氧量和二氧化碳呼出量；统计数据处理单元，对采集到的测试者下肢肌的肌电信号和采集测试者的耗氧量和二氧化碳呼出量进行统计数据处理；数据分析单元，对统计处理后的数据进行分析并得出结论；所述数据分析单元与所述统计数据处理单元相连。
[0039]
本发明的有益之处在于：通过对测试者的肌电信号和耗氧量、二氧化碳呼出量，计算出助力外骨骼消耗功率降低比例及助力效率，对外骨骼效能进行全方位的评估。
[0040]
相较于现有技术，本发明仅需要采集测试者的肌电信号和代谢成本数据，并通过肌电信号的降低比例和综合代谢成本是否减少直接对外骨骼的助力效果进行评估，准确性更高。且由于仅需要测试肌电信号与代谢成本数据，因此相配套的测试设备只需要通过两个采集单元(肌肉活动数据采集单元和代谢成本数据采集单元)即可完成测试数据的采集，由此简化了测试设备，从而简化了测试操作步骤，且降低了测试成本。
[0041]
耗氧量可以反应测试者在测试过程中的代谢成本，肌电信号可以表征测试者在测试过程中的肌肉疲劳损伤情况或肌肉活动情况，通常认为，肌电信号与耗氧量越低，外骨骼的助力效果越好，但是，下肢肌各个肌群的肌电信号与耗氧量的变化关系并非呈正相关，也就是说，当下肢肌的其中一个或多个肌群的肌电信号显著降低时，耗氧量不一定会显著降
低，或当耗氧量降低时，下肢中各肌群的肌电信号不一定会显著降低。因此，为了保证助力评价结果的可靠性和准确性，本发明通过将代谢成本和肌肉活动的测试结果相结合，对外骨骼助力程度进行表征。
[0042]
进一步地，由于下肢肌包括：髋肌、大腿肌、小腿肌和足肌，通过对测试者下肢不同部位进行肌电信号采集，可以进一步地探究外骨骼对下肢各个关节(例如，髋关节、膝关节、踝关节)的助力程度，将相应的评估结果反馈到下肢外骨骼设计环节，对于髋关节助力外骨骼、膝关节助力外骨骼以及踝关节主力外骨骼等下肢外骨骼的助力机理研究、以及结构设计具有重要意义。
附图说明
[0043]
图1为上台阶步态周期示意图；
[0044]
图2为本发明的流程图；
[0045]
图3为本发明的结构原理图；
[0046]
图4为本发明一示例性实施例中下肢外骨骼连续上台阶测试示意图；
[0047]
图5为本发明一示例性中下肢外骨骼测试评估的流程示意图。
具体实施方式
[0048]
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
[0049]
本文中，术语“约”、“大约”，典型地表示为所述值的+/-5％，更典型的是所述值的+/-4％，更典型的是所述值的+/-3％，更典型的是所述值的+/-2％，甚至更典型的是所述值的+/-1％，甚至更典型的是所述值的+/-0.5％，或者表示的是本领域技术人员理解的包括了本领域惯常的误差范围的取值。
[0050]
在本说明书中，某些实施方式可能以一种处于某个范围的格式公开。应该理解，这种“处于某个范围”的描述仅仅是为了方便和简洁，且不应该被解释为对所公开范围的僵化限制。因此，范围的描述应该被认为是已经具体地公开了所有可能的子范围以及在此范围内的独立数字值。
[0051]
例如，“大约15cm至大约30cm”的描述应该被看作已经具体地公开了子范围如从15cm到20cm，19cm到28cm，25cm到30cm以及此范围内的单独数字，例如，15cm，18cm，26cm，30cm。再例如，“大于大约2h”的描述应该被看作公开了等于2h的范围。无论该范围的广度如何，均适用以上规则。
[0052]
如图1所示，虚线为左腿实线为右腿，完整的上台阶步态周期包括第一双支撑期、单支撑期、第二双支撑期和摆动期。第一双支撑期：支撑腿足部(左脚)开始触碰第一个台阶，此时左腿开始承重，主要支撑侧下肢承受由后侧肢体传送的体重。单支撑期：支撑腿(左腿)开始继续支撑，摆动腿足部(右脚)离开地面身体平稳地向前移动至支撑侧肢体，并伴随身体抬升。第二双支撑期：摆动腿足部(右脚)开始触碰第二个台阶，至支撑腿足部(左脚)即将离开第一个台阶，身体重心由支撑腿(左脚)转移至摆动腿(右脚)。摆动期：支撑腿足部(左脚)离开第一个台阶，至接触第三块台阶。本发明中需要对被测试者进行若干个上台阶步态周期的数据采集。
[0053]
另外，本发明提供的评估方法适用下肢助力外骨骼，包括髋关节助力外骨骼、膝关节助力外骨骼以及踝关节助力外骨骼。髋关节助力外骨骼：主要助力关节为髋关节，通过弹性元件或电机等驱动外骨骼帮助穿戴者髋关节伸展和屈曲过程中，为髋关节提供辅助力矩。膝关节助力外骨骼：主要助力关节为膝关节，通过弹性元件或电机等驱动外骨骼帮助穿戴者大腿和小腿发力，对膝关节伸展过程中进行主动助力。踝关节助力外骨骼：主要助力关节为踝关节，通过弹性元件或电机驱动外骨骼对穿戴者踝关节跖/背屈进行主动助力。
[0054]
如图2和图5所示，本发明提供的基于连续上台阶步态下肢助力外骨骼效能评估方法包括：
[0055]
s1对若干测试者进行连续上台阶测试，并且每位测试者均进行穿戴外骨骼和未穿戴外骨骼的连续上台阶测试。其中，连续上台阶测试包括多个完整的上台阶步态周期，且上台阶步态周期包括第一双支撑期、单支撑期、第二双支撑期和摆动期。
[0056]
测试者选择20～30周岁健康成年男性，受试前3个月未报告有骨骼肌肉疾病。测试前实验人员先进行外骨骼穿戴与使用培训，所有的测试项目均会提前知情受试者。参见图4，连续上台阶步态通过楼梯机进行模拟，本实施例中，楼梯机的台阶高度为大约15cm至大约30cm之间，宽度长度不做限制。测试评估中可以设置调节楼梯机的速度，本实施例中平均速度为大约40步/min至大约70步/min。测试前，实验员先进行设备调试，然后协助受试者进行实验设备穿戴以及外骨骼的穿戴。穿戴外骨骼连续上台阶测试和未穿戴外骨骼连续上台阶测试均需要在彻底消除疲劳后进行。本实施例中要求受试者穿外骨骼时在楼梯机上行走大约5min～大约15min,例如，要求受试者穿外骨骼时在楼梯机上行走大约10min，然后充分休息好后(间隔时间大于大约2小时)进行无外骨骼时在楼梯机上行走大约10min。
[0057]
s2采集穿戴外骨骼和未穿戴外骨骼连续上台阶测试的肌肉活动数据和代谢成本数据；所述肌肉活动数据为两个测试中测试者下肢肌(包括：左右下肢大腿肌群和小腿肌群)的肌电信号，采用表面肌电测试仪进行采集；测试前去除测试肌肉部位表面杂质，沿肌肉方向固定电极片。所述代谢成本数据为两个测试中耗氧量和二氧化碳呼出量，记录测试过程中每个测试者最后大约1分钟～大约3分钟的耗氧量和二氧化碳呼出量。
[0058]
s3对采集到的肌肉活动数据和代谢成本数据进行统计数据处理。
[0059]
对采集到的肌电信号进行滤波(20hz-300hz)、整流和均方根值(rms，500ms)进行预处理，得到第一肌电信号数据；
[0060]
对第一肌电信号数据进行数据统计得到第二肌电信号数据；
[0061]
对第二肌电信号数据进行归一化处理。具体地，利用公式
[0062][0063]
对第二肌电信号进行归一化处理；其中semg％为归一化处理后肌电幅值，semg_i为测试者对应肌肉在每个上台阶步态周期中的肌电信号峰值，semg_max为测试者对应肌肉在所有上台阶步态周期中的肌电信号峰值中的最大值。
[0064]
利用公式
[0065]
h＝(14.48vo2+4.48vco2)/60
[0066]
计算连续上台阶测试过程中的每个测试者的平均能量消耗功率，其中h为平均能量消耗功率，单位为w/kg；vo2为耗氧量，单位为ml/min/kg；vco2为二氧化碳呼出量，单位为
ml/min/kg。
[0067]
第一肌电信号数据是指经过预处理的原始肌电信号，原始肌电信号这种信号由于存在噪声等因素，直接进行对比分析并不精准。因此，通常会将原始信号通过带通滤波(低频阈值20hz，高频阈值300hz)，正值整流(原始信号为0v附近的振荡信号)，以及均方根平滑处理(rms处理，平滑时间窗口为500ms)。
[0068]
第二肌电信号数据是指预处理后的第一肌电信号在每一个上台阶步态周期中每块肌肉都会存在发力峰值，因为进行的是连续步态测试，因此针对每块肌肉每个步态峰值进行统计得到数据样本，这是第二肌电信号数据。semg_max则是对应每块肌肉统计峰值中的最大值，用来做归一化处理，消除受试者因身体因素的个体间差异。
[0069]
s4对处理后的数据进行分析得出结论。
[0070]
对每名测试者两个测试中的肌电信号进行配对样本t检验，获取p值、t值以及助力效率。同样，对每名测试者两个测试中的平均消耗功率进行配对样本t检验，获取p值、t值以及消耗功率降低比例。
[0071]
p≤0.05则具有显著性差异，t值(穿外骨骼-无外骨骼)小于0则证明外骨骼能显著降低测试部位肌肉活动。p值与t值为通过spss软件进行配对样本t检验分析得来。
[0072]
结论如下：
[0073]
若肌电信号测试结果t检验与代谢成本测试结果t检验均满足p≤0.05&t《0，则该下肢助力外骨骼能缓解局部肌肉疲劳损伤降低肌肉活动，同时降低代谢成本，提高连续上台阶效率；
[0074]
若肌电信号测试结果t检验满足p≤0.05&t《0但代谢成本测试结果t检验不满足p≤0.05&t《00，则该下肢助力外骨骼能有效缓解局部肌肉疲劳损伤降低肌肉活动，但不能显著降低连续上台阶时的代谢成本；
[0075]
若代谢成本测试结果t检验满足p≤0.05&t《0但肌电信号测试结果t检验不满足p≤0.05&t《0，则该外骨骼能有显著降低连续上台阶时的代谢成本η，但未给测试部位肌肉提供显著的助力。
[0076]
若肌电信号测结果与代谢成本测试结果均不满足p≤0.05&t《0则该下肢助力外骨骼不能为连续上台阶提供帮助。
[0077]
另外，利用公式计算下肢助力外骨骼的助力效率；其中ηa为助力效率，e
a1
为无外骨骼时归一化处理后的肌电幅值，e
a2
为穿外骨骼时归一化处理后的肌电幅值。
[0078]
同样也可以利用公式计算下肢助力外骨骼的消耗功率降低比例；其中ηb为降低比例，e
b1
为无外骨骼时的平均能量消耗功率，e
b2
为穿外骨骼时的平均能量消耗功率。
[0079]
如图3所示，本发明还提供一种基于连续上台阶步态下肢助力外骨骼效能评估系统，包括：肌肉活动数据采集单元，用于采集测试者在测试中的下肢肌(具体地，包括测试者的左右下肢大腿肌群和小腿肌群)的肌电信号；代谢成本数据采集单元，用于采集测试者在测试中的耗氧量和二氧化碳呼出量；统计数据处理单元，对采集到的测试者下肢肌的肌电
信号和采集测试者的耗氧量和二氧化碳呼出量进行统计数据处理；数据分析单元，对统计处理后的数据进行分析并得出结论；所述数据分析单元与所述统计数据处理单元相连。
[0080]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
[0081]
参考文献
[0082]
[1]orr,robin marc,et al."soldier occupational load carriage:a narrative review of associated injuries."international journal of injury control and safety promotion 21.4(2014):388-396.
[0083]
[2]taylor n a s,peoples g e,petersen s r.load carriage,human performance,and employment standards[j].applied physiology,nutrition,and metabolism,2016,41(6):s131-s147.
[0084]
[3]voloshina,alexandra s.,et al."biomechanics and energetics of walking on uneven terrain."journal of experimental biology 216.21(2013):3963-3970.
[0085]
[4]唐小英；尹文芳.台阶运动对大学生膝关节健康的影响.中国学校卫生,2017,20:41.
[0086]
[5]e.a.hurley,use of kafos for patients with cerebral vascular accident,traumatic brain injury,spinal cord injury,j.prosthet.orthot.18(7)(2006)199
–
201
[0087]
[6]李汉东,赵少波,王玺,李赫扬.中国老龄化区域差异和变化趋势预测[j].统计与决策,2021,37(03):71-75.
[0088]
[7]p.malcolm,s.galle,w.derave,d.d.clercq,bi-articular knee-ankle-foot exoskeleton produces higher metabolic cost reduction than weight-matched mono-articular exoskeleton,front.neurosci.12(69)(2018)1
–
14.
[0089]
[8]k.knaepen,p.beyl,s.duerinck,f.hagman,d.lefeber,r.meeusen,human-robotinteraction:kinematics and muscle activity inside a powered compliant knee exoskeleton,ieee trans.neural syst.rehabil.eng.22(6)(2014)1128
–
1137.
[0090]
[9]maclean,mhairi k.,and daniel p.ferris."energetics of walking with a robotic knee exoskeleton."journal of applied biomechanics 35.5(2019):320-326.
[0091]
[10]shepherd,max k.,and elliott j.rouse."design and validation of a torque-controllable knee exoskeleton for sit-to-stand assistance."ieee/asme transactions on mechatronics 22.4(2017):1695-1704.
[0092]
[11]刘王智懿,郑银环,孙健铨,傅睿卿,王大帅.轻量型柔性下肢助力外骨骼的设计及性能实验[j/ol].机器人:1-10[2021-08-17].http://scfw.cqut.edu.cn:80/rwt/cnki/https/msyxtluqpjub/10.13973/j.cnki.robot.200292.