肢體運動功能恢復(fù)中步態(tài)康復(fù)機器人技術(shù)的應(yīng)用

王俊華，羅 力，曾科學，周飛雄，史琳琳，李智軍

（1.廣東省第二中醫(yī)院康復(fù)科，廣東廣州510095；2.廣州曉康醫(yī)療科技有限公司，廣東廣州510095；3.華南理工大學，廣東廣州510095）

肢體運動功能恢復(fù)中步態(tài)康復(fù)機器人技術(shù)的應(yīng)用

王俊華1，羅 力2，曾科學1，周飛雄1，史琳琳1，李智軍3

（1.廣東省第二中醫(yī)院康復(fù)科，廣東廣州510095；2.廣州曉康醫(yī)療科技有限公司，廣東廣州510095；3.華南理工大學，廣東廣州510095）

在醫(yī)學的快速發(fā)展下，再加上人們生活水平和生活質(zhì)量的日益提高，康復(fù)問題受到了人們的廣泛關(guān)注，步態(tài)康復(fù)機器人應(yīng)運而生。步態(tài)康復(fù)機器人能夠?qū)Σ』嫉倪\動意向進行初步檢測，并提供合理的運動補償機制，并將其劃分為兩個子系統(tǒng)，結(jié)合不同患者患肢的運動能力來進分析，并為其提供外骨骼重力補償以及外骨骼跟隨患肢運動康復(fù)訓練模式。如果病患肢體并不具備運動能力，可以結(jié)合健肢示教控制系統(tǒng)，為病患制定相應(yīng)的步態(tài)運動參數(shù)帶動病患肢體進行康復(fù)運動，不僅可以確保病患康復(fù)訓練動作的完整性，同時還可以為不同階段的康復(fù)訓練需求提供保障?；诖?，分析了步態(tài)康復(fù)機器人在幫助患者恢復(fù)肢體運動功能所起的作用，希望能夠幫助更多的患者認識和了解步態(tài)康復(fù)機器人的優(yōu)勢。

肢體運動；功能恢復(fù)；步態(tài)康復(fù)機器人

在科學技術(shù)的迅猛發(fā)展下，康復(fù)問題受到了社會各界人們的關(guān)注，同時病人與家屬對治療師提出了更高的要求，要求治療師幫助他們恢復(fù)肢體功能，能夠最大程度上做到生活自理，減少為家屬帶來的負擔。有關(guān)實踐結(jié)果表明，合理的、有效的康復(fù)訓練，能夠很好的改善患者的關(guān)節(jié)活動度，預(yù)防關(guān)節(jié)僵硬。因此，可以借助步態(tài)康復(fù)機器人來恢復(fù)患者中樞神經(jīng)，通過恢復(fù)讓其肢體運動的支配與控制、明顯得到提升，最終實現(xiàn)康復(fù)。傳統(tǒng)康復(fù)訓練方法是治療師與患者進行徒手訓練，這種訓練方法不但成本高，而且效率還很低，所以步態(tài)康復(fù)機器人技術(shù)的誕生，為肢體運動有障礙的患者帶來了更大的希望。

1 康復(fù)機器人的工作原理

康復(fù)機器人從其功能性質(zhì)差異來進行劃分，可以劃分為：訓練型康復(fù)機器人、輔助型康復(fù)機器人。訓練型康復(fù)機器人兩種類型。本文重點講述的是康復(fù)訓練機器人，其工作原理是將患者下肢和外骨骼結(jié)構(gòu)進行固定，再利用康復(fù)訓練機器人來控制外骨骼各關(guān)節(jié)中的角位移和角速度，讓患者在其機器人的輔助下開展康復(fù)訓練動作。在采用被動式的訓練時，機器人主要采用比例-微分反饋位置控制方法，通過相應(yīng)的控制程序來完成對外骨骼的驅(qū)動，病患在其外骨骼進行固定之后，可以根據(jù)程序預(yù)先設(shè)定好的步態(tài)規(guī)則來進行軌跡運動[1]。此外，在患者采用主動訓練時，可以利用傳感器來檢測，驅(qū)動器與病患外骨骼之間所產(chǎn)生的力量變化，然后形成一種力與位置的混合式自適應(yīng)控制，實現(xiàn)了將力作用于固定病患外骨骼機械腿之上，從而可以讓機械腿的不同關(guān)節(jié)受到驅(qū)動，最終形成力矩的變化，讓所固定外骨骼的機械腿能夠根據(jù)患者步態(tài)軌跡進行運動。還可以通過步態(tài)軌跡的調(diào)整，來完成步行臺的步態(tài)軌跡，實現(xiàn)對病患的康復(fù)訓練。圖1所示。

圖1 下肢康復(fù)機器人健肢結(jié)構(gòu)

2 國內(nèi)與國外康復(fù)機器人技術(shù)的使用情況

2.1 國內(nèi)使用康復(fù)機器人技術(shù)的情況

與其他國家對比而言，我國康復(fù)機器人發(fā)展較慢，近些年來，隨著人們生活水平和生活質(zhì)量的逐漸提高，康復(fù)機器人得到了空前的發(fā)展。我國著名的康復(fù)機器人研究機構(gòu)有很多，如：清華大學康復(fù)工程研究院、哈爾濱工程大學和上海交大等。這些下肢康復(fù)機器人共分為輔助訓練型、康復(fù)訓練型兩類。輔助訓練型此種矯正方法只借助于一臺跑步機，幾乎并未安裝控制系統(tǒng)，主要依靠于護理工作者負責矯正。不能確定出矯正參數(shù)，不但病人辛苦，而且護理工作者也很辛苦，同時矯正效果也不佳，很多病人都錯過了最佳的矯正時期?？祻?fù)訓練型訓練機器人結(jié)合四肢健全人的步態(tài)特點，根據(jù)腳的軌跡設(shè)計出相應(yīng)的矯正設(shè)備，通常是由伺服與步進電機拖動，設(shè)備只能對患者腳部施加壓力，效果不是很好[2]。在病人穿戴后，腳踏板帶動著腳部進行運動，從而帶動著雙腿進行運動，雙腿運動借助于腳部的力量。此矯正設(shè)施并未直接對病人腿部施加作用力，如果患者兩條腿都僵硬，那么此設(shè)備就不能幫助病人矯正，控制不好作用力，很容易對病人造成二次傷害。

2.2 國外步態(tài)康復(fù)機器人技術(shù)應(yīng)用狀況

德國的Hiptic Walker、瑞士的Lokomat和荷蘭的LOPES等是世界上最早開展下肢康復(fù)訓練機器人的研究單位。其Haptic Walker步態(tài)康復(fù)機器人最為典型。其工作原理為：機械裝置是按照腳運動軌跡對踏板進行活動，使用踏板驅(qū)動患者的腳來出現(xiàn)行走運動軌跡，并且能夠在各個腳踏板上裝置上有軌跡的傳感器，從而對患者行走步態(tài)進行監(jiān)測，同時能夠及時的將步態(tài)信息反饋給廣大護理工作者，便于護理工作者能夠及時地、有效地了解患者康復(fù)情況，進而有計劃和有目的制定病人康復(fù)方案，幫助病人早日康復(fù)。在控制位置下，此機器人能夠為訓練者提供出形式多樣的模擬訓練場景。同時，此機器人還能在使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)下，為病人提供出多種虛擬步行場景，從而提高患者訓練的積極性和主動性[3]。

2.3 步態(tài)康復(fù)機器人技術(shù)的應(yīng)用

簡言之，步態(tài)康復(fù)機器可以劃分為兩種不同的子系統(tǒng)，即外骨骼重力補償控制系統(tǒng)和健肢示教控制系統(tǒng)。外骨骼重力補償控制系統(tǒng)，主要是通過對力量的控制，來對病患進行康復(fù)訓練時的病患肢體外骨骼進行力量補償。而健肢示教控制系統(tǒng)，主要是通過對位置的控制，結(jié)合病患的自主運動意愿，分析出病患健康肢體運動軌跡，實現(xiàn)對病患肢體的控制，最終實現(xiàn)康復(fù)訓練不同階段的訓練需求。

2.3.1 偏癱病患外骨骼的補償訓練

病患在使用步態(tài)康復(fù)機器人開展康復(fù)訓練時，可以針對偏癱病患的肢體運動軌跡進行跟蹤。在此過程中，利用裝于病患外骨骼之上的傳感器對病患肢體以及外骨骼進行檢測，并將兩者之間產(chǎn)生的相互作用力及時地反饋給控制系統(tǒng)。再通過力量的控制，讓病患的肢體外骨骼的運動軌跡產(chǎn)生力量變化。當系統(tǒng)接收到力量變化數(shù)據(jù)時，可以通過驅(qū)動系統(tǒng)來調(diào)整運動狀態(tài)，最終實現(xiàn)新的力平衡。這種新的平衡則是步態(tài)康復(fù)機器人所炎病患外骨骼提供的補償。此外，還有一種情況是，無法對偏癱患者肢體外骨骼運動軌跡進行跟蹤時，步態(tài)康復(fù)機器人則會根據(jù)病患健康肢體外骨骼的運動軌跡來進行運動，這種模式稱之為健肢示教模式。在此模式中，需要發(fā)揮出偏癱病患的自主運動意愿，通過機器人的輔助來完成對病患肢體的控制。由于偏癱病患在進行運動時，會出現(xiàn)患肢弛緩性麻痹，因此整個運動過程肌肉并不會產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，從而無法讓其患肢發(fā)生聯(lián)合反應(yīng)。借助康復(fù)機器人的輔助治療，可以不需要考慮患者的反應(yīng)，應(yīng)盡快地使患者進入康復(fù)訓練恢復(fù)中。同時，偏癱患者在經(jīng)過一段時間訓練之后，由于其肌力不足，對于一些正常的步態(tài)動作無法正常完成，這就需要機器人整體跟隨患肢運動進行運動，輔助患者進行康復(fù)訓練運動。

2.3.2 在腦卒中患者中應(yīng)用康復(fù)機器人技術(shù)

在恢復(fù)疾病過程中，肌肉痙攣現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。腦損傷以及脊柱損傷會出現(xiàn)關(guān)節(jié)攣縮、肌力減弱等情況。被活動的關(guān)節(jié)以牽拉痙攣肌是較為常見的一種評價方法，感覺關(guān)節(jié)活動出現(xiàn)阻力時，其出現(xiàn)的時間與強度能夠判斷出痙攣程度。當前最為先進的、科學的定量評測方法是用Cybex測力儀以規(guī)定的速度被動運動關(guān)節(jié)以牽拉痙攣肌，使用儀器自動測定出抵抗力矩，并借助肌電圖進行檢查，但也有很多問題的存在，如：儀器測量成本高、測量程序復(fù)雜、難以推廣等。使用Lokomat的評估工具L-STIFF測量痙攣情況，同時，在訓練步態(tài)中，病人痙攣強度太大，機器人在檢測痙攣強度超過自身的承受值后，會自動停止運作，進而保護病人的關(guān)節(jié)，防止關(guān)節(jié)受損。對正常人展開L-STIFF測試，測試結(jié)果表明，在各個年齡段人們的差異具有統(tǒng)計學意義[5]。

2.3.3 在正常老年人鍛煉中應(yīng)用康復(fù)機器人技術(shù)

在進行L-STIFF測試后發(fā)現(xiàn)，正常老年人的測試值要明顯大于正常年輕人，治療師在治療病人中，必須要考慮到年齡這一因素。測試老年組與青年組的關(guān)節(jié)活動中，其結(jié)果表明，在不同年齡段的人們，其右髖最大伸展角度、左右膝最大屈曲角度、左髖最大屈伸角度具有不同的統(tǒng)計學意義。左膝與右膝最大伸展角度青年組要明顯高于老年組，但差異并未有統(tǒng)計學意義，因此得出結(jié)論：青年人與老年人關(guān)節(jié)活動度，前者明顯高于后者。老年人下肢各個關(guān)節(jié)活動度與年輕人對比而言，有很大的差異，在年齡的逐漸增長下，下肢各個關(guān)節(jié)活動度明顯減小，此結(jié)果正好符合研究結(jié)果，可見，老年人更加需要步態(tài)康復(fù)機器人，從而幫助老年人調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)度，進一步提高老年人的身體素質(zhì)，確保老年人有一個幸福安康的晚年[6-7]。

3 結(jié)束語

總而言之，幫助病人重新構(gòu)建步態(tài)是步態(tài)康復(fù)機器人輔助訓練的主要目的，想要保證訓練效果，就必須要有正確的運動模式。本文研究了步態(tài)康復(fù)機器人Lokmat評估工具測試正常的年輕人和老年人，從而對比了不同病人的測試結(jié)果與研究結(jié)果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果與研究結(jié)果相符。這樣就說明治療師在為病人制作運動訓練模型中，應(yīng)全面考慮到病人患病前的運動模式，為使用步態(tài)康復(fù)機器人提供科學的依據(jù)，從而使其幫助患者改善協(xié)調(diào)能力，促使患者早日康復(fù)，同時通過上述分析后發(fā)現(xiàn)，步態(tài)康復(fù)機器人有著十分廣泛的應(yīng)用前景和使用價值，應(yīng)得到大范圍和大規(guī)模地推廣和使用。

[1]莫海燕，劉靜，曹慧.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學中的應(yīng)用與發(fā)展[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014（11）：65-68.

[2]謝欲曉，白偉，張羽.下肢康復(fù)訓練機器人的研究現(xiàn)狀與趨勢[J].中國醫(yī)療器械信息，2010（02）：108-110.

[3]鄧志東，程振波.我國助老助殘機器人產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2009（02）：123-126.

[4]楊啟志，曹電鋒，趙金海.上肢康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀的分析[J].機器人，2013（05）：45-48.

[5]左富勇，胡小平，謝珂，等.基于MATLAB Robotics工具箱的SCARA機器人軌跡規(guī)劃與仿真[J].湖南科技大學學報（自然科學版），2012（02）：200-206.

[6]張鵬程，張鐵.基于矢量積法的六自由度工業(yè)機器人雅可比矩陣求解及奇異位形的分析[J].機械設(shè)計與制造，2011（08）：80-85.

[7]于天宇，李達，宋寶玉.基于MATLAB-Robotics工具箱的工業(yè)機器人軌跡規(guī)劃及仿真研究[J].機械工程師，2011（07）：46-50.

Limb Motor Function Recovery of Gait Rehabilitation Robot Technology in Application

WANG Jun-hua1，LUO Li2，CENG Ke-xue1，ZHOU Fei-xion1，SHI Lin-lin1，LI Zhi-jun3
（1.The Second Hospital of Guangdong Province Department of Rehabilitation，Guangzhou Guangdong 510095，China；2.Guangzhou Xiao Kang Medical Science and Technology Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510095，China；3.South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510095，China）

Under the rapid development of medicine，coupled with people living standard and quality of life is increasing day by day，rehabilitation has received the widespread attention，most people gait rehabilitation robot arises at the historic moment，patients recover limb movement function for gait dysfunction has brought the new means of treatment and training，improve the deficiency of the traditional physical movement recovery means，improve the efficiency of the treatment of the therapist，widely hot tips and the social public recognition.Based on this，this paper analyzes the gait rehabilitation robots in helping patients recover limb movement function role，hope to be able to help more patients to recognize and understand the strengths of the gait rehabilitation robot.

body movement；functional recovery；the gait rehabilitation robots

R493

A

1672-545X（2016）11-0099-03

2016-08-15

廣東省科技計劃項目（項目編號：2013B010102010）

王俊華（1965-），男，江蘇沛縣人，碩士，主任醫(yī)師，教授，研究方向：神經(jīng)康復(fù)臨床。