下肢康复机器人的交互控制研究

    刘中华

    【摘要】下肢康复机器人作为医疗机器人的一个分支，集合了康复医学、生物学、电子学、生物材料学、计算机信息学、机器人学、机械学等众多学科。主要用于促进患者腿部训练，利用感知神经和肌能训练，帮助患者重塑中枢神经系统，通过一定时间的训练，让患者具备独立生活的能力。根据患者康复训练的身体坐姿，下肢康复机器人可以分为坐卧式康复机器人、直立式康复机器人、辅助康复机器人以及多体位康复机器人等。本文简单分析了下肢康复机器人的类型以及下肢康复机器人基于力信号的交互控制方式和基于生物医学信号交互控制方式。

    【关键词】下肢康复机器人;交互控制;康复训练

    【中图分类号】TP242 【文献标识码】A 【文章编号】1004-597X（2019）17-0282-02引言：

    随着信息技术、控制技术、人工智能技术、临床医学的发展，下肢康复机器人目前已在临床上进行试验。由于下肢康复机器人在进行康复训练时，需要和患者配合感知，才能做出上下楼梯、行走等动作。因此，下肢康复机器人的交互控制系统是整个设备的核心和关键。目前我国的下肢康复机器人控制技术还存在不够智能化、自适应性进行调整较差、人机交互水平不高等问题。通过探讨下肢康复机器人的交互式控制系统，对提高下肢康复机器人的自适应水平和控制性能具有重要意义。1.下肢康复机器人的类别

    目前学术界对下肢康复机器人还没有明确的定义，根据下肢康复机器人的设计理念，下肢康复机器人指临床上用于神经损伤或者其他疾病导致下肢行走困难，可以为行走障碍的患者提供安全、有效的步行训练方式。通过机械带动患者进行大量重复性的步态训练，让患者建立正确的运动行为模式，为患者今后康复正常行走打下良好的基础。目前下肢机器人主要分为坐卧式、直立式、辅助式以及多体位下肢康复机器人。

    1.1坐卧式康复机器人

    坐卧式康复机器人指在康复的时候，患者只需要平躺或者左立的姿势，不需要下肢站立提供支撑力。坐卧式康复机器人可以分为外骨骼式机器人和末端式机器人。

    1.2直立式康复机器人

    直立式机器人适合下肢轻度损伤的患者，因为在康复训练过程中，需要患者站立进行康复训练。直立式康复机器人包括可穿戴式设备和步态训练两种方式。可穿戴式设备是下肢康复机器人最灵活的一种康复训练方式，患者需要佩戴康复训练的设备，可以进行上下坡、上下楼梯、直立行走等行为，康复机器人与人体双腿结构相似。步态训练主要针对下肢运动障碍患者康复训练。

    1.3辅助式康复机器人

    辅助式机器人主要为患者在训练过程的起立、行走、坐下等动作提供支持，锻炼患者下肢起立、坐卧、行走等方面的能力。瑞士Balgrist大学附属医院脊髓损伤中心和中国蝶和科技共同研发的一款专业下肢康复机器人LokomatPro，主要用于由于脑损伤、神经性损伤、肌肉损伤等原因造成步态异常的患者步态训练，LokomatPro机器腿可以根据患者的盆骨宽度、大小腿长度、腿部带扣的大小进行自动调节，保持患者康复时下肢关节位置的舒适度和白适应性。

    1.4多体位下肢康复机器人

    多体位下肢康复机器人可以为患者提供各种坐卧式、直立式等各种体位康复训练，让患者根据实际情况选择合适的康复训练，依次多体位下肢康复机器人在医疗康复训练中应用比较广泛，具有良好的适应性。2.下肢康复机器人交互式控制方式

    交互式控制方式可以为患者和机器人之间提供一个相对安全、舒适的训练环境，避免患者在康复训练过程中出现痉挛、颤抖等异常肌肉活动并与机器控制结构产生对抗，导致下肢肌肉遭受第二次损伤。机器人的控制系统可以根据传感器接收的信号，判断出患者的运动意图，从而让患者主动参与到康复训练中。目前下肢康复机器人有基于力信号的交互控制方式和基于生物医学信号交互控制方式的两种控制方法。

    2.1基于力信号交互控制方式

    基于力信号交互控制方式是利用下肢肌肉收缩作用在机械结构上的力，安装在机器人结构内部的传感器可以实时监测到人体下肢肌肉变化，从而真实反映肌肉状态和人体运动意图，从而让机器人作出和人体意图一致的行为。基于力信号交互控制可以分为阻抗控制方式和力位混合控制两种方式。阻抗控制方式避免在训练过程中，下肢肌肉出现与机器人训练方式进行对抗，确保机器人和患者之间有一个良好的适应和交互过程，因此目前在下肢机器人控制系统广泛应用;力位混合控制方式可以让机器人在一个空间比较小的环境下控制机器人的行为，不需要精准的力轨跟踪。基于力信号交互控制方式采集的信号稳定性和可靠性比较好，但是对机械机构的依赖性比较大，缺乏灵活性和便捷性。

    2.2基于生物医学信号的交互式控制

    下肢康复机器人交互控制方式主要是表面肌电和脑电两种生物医学信号，这两种信号通过非侵入性获取，安全性和操作性比较强。表面肌电信号是通过采集下肢骨骼肌肉电信号，判断下肢肌肉活动规律。这种控制方式比较灵活、灵敏，但是获取的肌电信号随机性很大，只能反映特点肌肉的情况，无法全面反映患者的主动运动意图。脑电交互控制方式是将脑电信息采集装置贴合在患者脑部头皮，采集脑部电极活动信息，从而判断出患者的大脑意识。这种控制方式充分利用大脑功能，促进患者下肢运动功能的恢复。脑电交互式控制方式适合下肢不同损伤患者的康复训练，即便患者下肢已经丧失了活动的能力，但是利用大脑可以进行下肢康复训练。但是不适合脑损伤患者恢复，且采集脑电信号随意性比较大。结束语：

    下肢康复机器人根据患者的损伤情况，研发了不同类型的康复机器人。下肢康复机器人人机交互主要采用力信号控制和生物医学信号交互控制两种。力信号人机交互控制方式適合下肢损伤不严重的患者，可以为患者康复提供结构支撑。生物医学信号适合下肢损伤比较严重的患者，可以通过采集脑电波信号进行康复训练。