下肢康復機器人的交互控制研究

劉中華

【摘要】下肢康復機器人作為醫療機器人的一個分支，集合了康復醫學、生物學、電子學、生物材料學、計算機信息學、機器人學、機械學等眾多學科。主要用于促進患者腿部訓練，利用感知神經和肌能訓練，幫助患者重塑中樞神經系統，通過一定時間的訓練，讓患者具備獨立生活的能力。根據患者康復訓練的身體坐姿，下肢康復機器人可以分為坐臥式康復機器人、直立式康復機器人、輔助康復機器人以及多體位康復機器人等。本文簡單分析了下肢康復機器人的類型以及下肢康復機器人基于力信號的交互控制方式和基于生物醫學信號交互控制方式。

【關鍵詞】下肢康復機器人;交互控制;康復訓練

【中圖分類號】TP242 【文獻標識碼】A 【文章編號】1004-597X（2019）17-0282-02

引言：

隨著信息技術、控制技術、人工智能技術、臨床醫學的發展，下肢康復機器人目前已在臨床上進行試驗。由于下肢康復機器人在進行康復訓練時，需要和患者配合感知，才能做出上下樓梯、行走等動作。因此，下肢康復機器人的交互控制系統是整個設備的核心和關鍵。目前我國的下肢康復機器人控制技術還存在不夠智能化、自適應性進行調整較差、人機交互水平不高等問題。通過探討下肢康復機器人的交互式控制系統，對提高下肢康復機器人的自適應水平和控制性能具有重要意義。

1.下肢康復機器人的類別

目前學術界對下肢康復機器人還沒有明確的定義，根據下肢康復機器人的設計理念，下肢康復機器人指臨床上用于神經損傷或者其他疾病導致下肢行走困難，可以為行走障礙的患者提供安全、有效的步行訓練方式。通過機械帶動患者進行大量重復性的步態訓練，讓患者建立正確的運動行為模式，為患者今后康復正常行走打下良好的基礎。目前下肢機器人主要分為坐臥式、直立式、輔助式以及多體位下肢康復機器人。

1.1坐臥式康復機器人

坐臥式康復機器人指在康復的時候，患者只需要平躺或者左立的姿勢，不需要下肢站立提供支撐力。坐臥式康復機器人可以分為外骨骼式機器人和末端式機器人。

1.2直立式康復機器人

直立式機器人適合下肢輕度損傷的患者，因為在康復訓練過程中，需要患者站立進行康復訓練。直立式康復機器人包括可穿戴式設備和步態訓練兩種方式。可穿戴式設備是下肢康復機器人最靈活的一種康復訓練方式，患者需要佩戴康復訓練的設備，可以進行上下坡、上下樓梯、直立行走等行為，康復機器人與人體雙腿結構相似。步態訓練主要針對下肢運動障礙患者康復訓練。

1.3輔助式康復機器人

輔助式機器人主要為患者在訓練過程的起立、行走、坐下等動作提供支持，鍛煉患者下肢起立、坐臥、行走等方面的能力。瑞士Balgrist大學附屬醫院脊髓損傷中心和中國蝶和科技共同研發的一款專業下肢康復機器人LokomatPro，主要用于由于腦損傷、神經性損傷、肌肉損傷等原因造成步態異常的患者步態訓練，LokomatPro機器腿可以根據患者的盆骨寬度、大小腿長度、腿部帶扣的大小進行自動調節，保持患者康復時下肢關節位置的舒適度和白適應性。

1.4多體位下肢康復機器人

多體位下肢康復機器人可以為患者提供各種坐臥式、直立式等各種體位康復訓練，讓患者根據實際情況選擇合適的康復訓練，依次多體位下肢康復機器人在醫療康復訓練中應用比較廣泛，具有良好的適應性。

2.下肢康復機器人交互式控制方式

交互式控制方式可以為患者和機器人之間提供一個相對安全、舒適的訓練環境，避免患者在康復訓練過程中出現痙攣、顫抖等異常肌肉活動并與機器控制結構產生對抗，導致下肢肌肉遭受第二次損傷。機器人的控制系統可以根據傳感器接收的信號，判斷出患者的運動意圖，從而讓患者主動參與到康復訓練中。目前下肢康復機器人有基于力信號的交互控制方式和基于生物醫學信號交互控制方式的兩種控制方法。

2.1基于力信號交互控制方式

基于力信號交互控制方式是利用下肢肌肉收縮作用在機械結構上的力，安裝在機器人結構內部的傳感器可以實時監測到人體下肢肌肉變化，從而真實反映肌肉狀態和人體運動意圖，從而讓機器人作出和人體意圖一致的行為。基于力信號交互控制可以分為阻抗控制方式和力位混合控制兩種方式。阻抗控制方式避免在訓練過程中，下肢肌肉出現與機器人訓練方式進行對抗，確保機器人和患者之間有一個良好的適應和交互過程，因此目前在下肢機器人控制系統廣泛應用;力位混合控制方式可以讓機器人在一個空間比較小的環境下控制機器人的行為，不需要精準的力軌跟蹤。基于力信號交互控制方式采集的信號穩定性和可靠性比較好，但是對機械機構的依賴性比較大，缺乏靈活性和便捷性。

2.2基于生物醫學信號的交互式控制

下肢康復機器人交互控制方式主要是表面肌電和腦電兩種生物醫學信號，這兩種信號通過非侵入性獲取，安全性和操作性比較強。表面肌電信號是通過采集下肢骨骼肌肉電信號，判斷下肢肌肉活動規律。這種控制方式比較靈活、靈敏，但是獲取的肌電信號隨機性很大，只能反映特點肌肉的情況，無法全面反映患者的主動運動意圖。腦電交互控制方式是將腦電信息采集裝置貼合在患者腦部頭皮，采集腦部電極活動信息，從而判斷出患者的大腦意識。這種控制方式充分利用大腦功能，促進患者下肢運動功能的恢復。腦電交互式控制方式適合下肢不同損傷患者的康復訓練，即便患者下肢已經喪失了活動的能力，但是利用大腦可以進行下肢康復訓練。但是不適合腦損傷患者恢復，且采集腦電信號隨意性比較大。

結束語：

下肢康復機器人根據患者的損傷情況，研發了不同類型的康復機器人。下肢康復機器人人機交互主要采用力信號控制和生物醫學信號交互控制兩種。力信號人機交互控制方式適合下肢損傷不嚴重的患者，可以為患者康復提供結構支撐。生物醫學信號適合下肢損傷比較嚴重的患者，可以通過采集腦電波信號進行康復訓練。