下肢康復機器人的交互控制研究*

劉中華

(湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術學院 湖南 湘潭 411104)

引言：

隨著信息技術、控制技術、人工智能技術、臨床醫(yī)學的發(fā)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(tǒng)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(diào)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(tǒng)，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(jù)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(jīng)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(tài)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(tài)訓練兩種方式?？纱┐魇皆O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(jié)構(gòu)相似。步態(tài)訓練主要針對下肢運動障礙患者康復訓練[1]。

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(yī)院脊髓損傷中心和中國蝶和科技共同研發(fā)的一款專業(yè)下肢康復機器人Lokomat?Pro，主要用于由于腦損傷、神經(jīng)性損傷、肌肉損傷等原因造成步態(tài)異常的患者步態(tài)訓練，Lokomat?Pro機器腿可以根據(jù)患者的盆骨寬度、大小腿長度、腿部帶扣的大小進行自動調(diào)節(jié)，保持患者康復時下肢關節(jié)位置的舒適度和自適應性[2]。

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(jù)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(yī)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(huán)境，避免患者在康復訓練過程中出現(xiàn)痙攣、顫抖等異常肌肉活動并與機器控制結(jié)構(gòu)產(chǎn)生對抗，導致下肢肌肉遭受第二次損傷。機器人的控制系統(tǒng)可以根據(jù)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(yī)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(jié)構(gòu)上的力，安裝在機器人結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳感器可以實時監(jiān)測到人體下肢肌肉變化，從而真實反映肌肉狀態(tài)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?；诹π盘柦换タ刂瓶梢苑譃樽杩箍刂品绞胶土ξ换旌峡刂苾煞N方式。阻抗控制方式避免在訓練過程中，下肢肌肉出現(xiàn)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(tǒng)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(huán)境下控制機器人的行為，不需要精準的力軌跟蹤?；诹π盘柦换タ刂品绞讲杉男盘柗€(wěn)定性和可靠性比較好，但是對機械機構(gòu)的依賴性比較大，缺乏靈活性和便捷性[3]。

2.2 基于生物醫(yī)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(yī)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(guī)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(jīng)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(jié)束語：

下肢康復機器人根據(jù)患者的損傷情況，研發(fā)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(yī)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(jié)構(gòu)支撐。生物醫(yī)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。