步態(tài)康復機器人意向運動補償控制策略

王俊華曾科學羅 力周飛雄魏正林李智軍

（1.廣東省第二中醫(yī)院康復科，廣州 510095；2.廣州曉康醫(yī)療科技有限公司，廣州 510635；3.華南理工大學，廣州 510641）

步態(tài)康復機器人意向運動補償控制策略

王俊華1曾科學1羅 力2周飛雄1魏正林1李智軍3

（1.廣東省第二中醫(yī)院康復科，廣州 510095；2.廣州曉康醫(yī)療科技有限公司，廣州 510635；3.華南理工大學，廣州 510641）

下肢康復機器人的設計包括結構設計、康復策略設計兩部分。唯有做好這兩部分工作，才能幫助患者更好地進行康復訓練。良好的、有效的康復控制策略，能夠極大地幫助病人進行下肢康復鍛煉，并能夠滿足各個階段患者的運動訓練需求。

意向運動 補償控制 步態(tài)康復機器人

人在行走過程中，需要各方面信息的協(xié)調(diào)穩(wěn)定配合。為了能夠讓偏癱患者適應各種行走環(huán)境，下肢康復機器人展開了精密的、大范圍檢測。良好的控制策略，可使步態(tài)康復機器人帶動患者進行有效的康復運動。本文分析步態(tài)康復機器人意向運動補償控制策略，希望能夠進一步完善和發(fā)展步態(tài)康復機器人技術，進而幫助更多的偏癱患者恢復健康。

1 步態(tài)康復機器人的意向運動原理

1.1 被動訓練的工作模式

一般情況下，被動訓練模式被用于患者康復訓練初期階段，這時的病人在運動中肢體有弛緩性麻痹現(xiàn)象。在病人運動中，肌肉不會有收縮現(xiàn)象，也不會有聯(lián)合反應發(fā)生。所以，對于處于康復階段的病人，對他們進行康復訓練無需考慮患者反應，需要及時讓患者進入康復訓練恢復狀態(tài)。對于處在康復階段的病人訓練，主要需避免肌肉萎縮，通過運動患肢關節(jié)來恢復患肢運動神經(jīng)反射弧，進而讓患肢髖關節(jié)和踝關節(jié)等產(chǎn)生協(xié)同動作，并讓病人患肢肌肉有收縮的反應，促使病人肢體機能得到恢復。被動訓練模式是幫助病人運動康復的一種模式。在康復訓練過程中，病人穿戴上外骨骼，完全由外骨骼帶動進行步態(tài)運動，從而達到早期步態(tài)定形的康復訓練目的。據(jù)有關實踐結果表明，被動訓練康復模式的主要特點就是病人患肢被動接受機器人的帶動，在其帶動下逐漸達到肢體運動恢復的目的。

1.2 主動訓練的工作模式

康復中期的病人，其患肢的肌肉在實際運動中會有很大反應，同時關節(jié)活動趨勢會顯著增強。這時，患肢會有很強的肌力反應，表明這時患肢有很強的行動力，可以在小范圍內(nèi)進行活動。處在康復中期的病人，一般應用主動輔助訓練模式展開康復訓練。在患者擁有一定自主運動能力，但還無法完成預期動作時，機器人會幫助病人完成計劃運動，并達到想要的運動幅度。

1.3 阻抗訓練的工作模式

在患者康復訓練達到某一水平后，這時患肢肌力會得到顯著增強，能夠完成預期動作，但還需要進行鞏固性治療，即康復后期?？祻秃笃诘牟∪?，其肌力達到三級以上后，就能展開阻抗訓練模式訓練，以便能夠進一步加強病人的肌力反應?？祻秃笃诘牟∪诉M行阻抗訓練模式，目的在于提高病人的運動機能。這項訓練模式主要是為了在病人康復訓練中康復訓練機器人能夠產(chǎn)生阻力阻礙病人進行運動?；颊咴诳朔祻陀柧殭C器人阻力的過程中，達到提高自身肌肉反應的目的。

2 步態(tài)康復機器人意向運動控制的策略

康復訓練機器人是否能夠達到康復與治療的目的，在于運動康復訓練方法是否有效。LOKOMAT康復訓練機器人將病人下肢與外骨骼結構固定，再對外骨骼關節(jié)角位移與角速度進行控制，進而進行康復訓練動作。在病人被動訓練過程中，應用比例-微分反饋位置控制方法，促使外骨骼驅動病人患肢遵循計劃的步態(tài)規(guī)劃進行運動。在病人主動訓練過程中，通過使用力傳感器對病人的患肢與外骨骼間力的變化進行檢測，再通過力與位置混合自適應控制這一方法，在外骨骼機械腿上反作用力，讓外骨骼機械腿各個關節(jié)驅動力都能發(fā)生顯著變動。這樣外骨骼機械腿就能按照病人步態(tài)軌跡展開運動，并對步態(tài)軌跡進行實時調(diào)整。LOPES康復訓練機器人在多個力傳感器檢測人肌力信息下，能夠實現(xiàn)對力反饋阻抗控制，進而達到幫助患者恢復肢體運動的預期效果。

下肢康復機器人康復運動控制對策在反饋力與位置信息的作用下，得到人體下肢運動狀態(tài)與機器人間的力關系，之后使用與之相符的控制算法，使用機器人改變病人患者肢體運動，幫助病人恢復健康。在被動訓練這一模式中，患者完全由機器人帶動訓練；在主動康復模式中，機器人在檢測病人運動狀態(tài)后，在病人運動有異常情況出現(xiàn)時，結合已存在的標準步態(tài)模型，對患者關節(jié)施加一定的作用力下，幫助病人糾正運動。上述的幾種方法都是檢測人機系統(tǒng)力位置，根據(jù)設定來判斷病人的運動意象。但是，這都只是間接判斷，并不能直觀判斷。從理論上而言，唯有辨識人體的肌信號或腦神經(jīng)信號，進而判斷出病人的自主運動意象。但是，實際中很難有效辨識肌電信號與腦電信號表征的運動意象。

在康復訓練中，正常運動有障礙的病人能夠對機器人運動軌跡進行實時跟蹤，并對裝在外骨骼上的力傳感器對患肢與外骨骼的作用力進行檢測，將其檢測結果反饋給控制系統(tǒng)。在力的基本控制下，得到患者骨骼運動狀態(tài)變化狀況。在驅動系統(tǒng)的作用下，改變其運動狀態(tài)，達到平衡力的目的。一般狀況下，機器人表現(xiàn)出一種外骨骼補償模式。不能正常運動的患者患肢很難對患肢外骨骼運動軌跡進行跟蹤時，患肢外骨骼運動軌跡就會根據(jù)健肢步態(tài)運動模型展開相應的運動。

3 下肢康復機器人控制策略應遵守的幾項原則

3.1 防止應用復雜數(shù)學模型策略

從多角度上而言，控制系統(tǒng)是一個非線性控制系統(tǒng)，很難構建出數(shù)學模型。同時，開發(fā)的下肢康復機器人控制系統(tǒng)需要對三個驅動器實時高頻控制，這就需要很大的計算量，并且還要求較少的計算時間。在控制系統(tǒng)中，若有龐大的、復雜的數(shù)學模型，便在無形間增加了控制算法的計算時間，很難達到實時性的要求。所以，在控制策略設計過程中，應防止精確的數(shù)學模型，以達到快速計算的目的，從而滿足實時控制的需求，并且達到規(guī)定的控制效果和效率。

3.2 完善的控制精度和控制策略

人體是一個適應力較強的系統(tǒng)，可以快速、及時地適應外部世界的變化。癱瘓病人在康復訓練過程中，當給定步態(tài)與標準步態(tài)曲線有很小偏差時，病人需要及時適應，這就要求下肢康復機器人控制系統(tǒng)具備較強的控制精度。除外，為了確保病人在康復訓練中的安全，需要控制系統(tǒng)具備較強的魯棒性，即便是外界突然發(fā)生變化，依然能夠繼續(xù)正常的完成任務。

3.3 需要有效的及時性控制策略

在病人康復訓練中，為了避免因為失步混亂了整個步態(tài)，需要控制系統(tǒng)具備較好的實時性，盡可能縮短整個控制系統(tǒng)的運行時間。不但要選擇使控制算法計算所需時間縮短的對策，也要在實現(xiàn)控制策略中有針對性、有目的地選擇其他方法，從而使整個控制算法的計算時間盡可能縮小?？梢哉f，良好的實時性策略有利于提高患者訓練的積極性，進而幫助他們在最短的時間實現(xiàn)康復訓練的目的。

3.4 需要可修改的控制策略

不管某個控制算法如何完善，如果沒有應用到具體實踐中，只停留在理論研究層面，那么這個控制算法將毫無意義。所以，設計的控制策略在軟件與硬件設施上，都具有一定的安全性和可行性，以確保設計與實現(xiàn)的順利性和有效性。另外，每一個患者的患病程度都不同，其所進行的康復訓練也不同，所以康復訓練參數(shù)也不一樣。為了便于理療師結合每一位患者的實際情況，制定出與之相符的康復方案，控制策略還要做好實時更改的準備。但是，每一更改都不是盲目、沒有目的的更改，需要有計劃的更改。這樣才能讓患者看到完全康復的希望，進而更加積極地配合理療師進行康復鍛煉。

4 結語

總而言之，在機器人技術的迅猛發(fā)展下，下肢康復訓練機器人具有非常廣泛的應用前景。深入規(guī)劃意向運動補償系統(tǒng)的初始步態(tài)，讓整個康復訓練動作更有效、更完整，且進一步提高病人的安全性。但是，從我國對步態(tài)康復機器人意向運動補償控制策略研究力度上來講，還需要深入研究，進而推動我國康復醫(yī)學事業(yè)的發(fā)展。

[1]劉建華，高榮慧，王勇，楊科.康復訓練機器人腳踏位置的勻速控制方法[J].華中科技大學學報：自然科學版，2013，（S1）.

[2]倪軍，王勇.坐姿下肢康復機器人的運動學分析及運動仿真[J].機械設計與制造，2014，（1）.

[3]史小華，王洪波，孫利，等.外骨骼型下肢康復機器人結構設計與動力學分析[J].機械工程學報，2014，（3）.

Motion Compensation Control Strategy for Gait Rehabilitation Robot

WANG Junhua1,ZENG Kexue1,LUO Li2,ZHOU Feixiong1,WEI Zhenglin1,LI Zhijun3
(1.second Guangdong provincial rehabilitation medicine hospital, Guangzhou 510095; 2.Guangzhou Xiao Kang Medical Technology Co Ltd, Guangzhou 510635; 3.South China University of Technology, Guangzhou 510641)

The design of lower limb rehabilitation robot includes two parts: structure design and rehabilitation strategy design. Only doing this two part of the work, in order to help patients to better rehabilitation training. A good and effective rehabilitation control strategy can greatly help patients with lower limb rehabilitation exercise, and can meet the needs of patients at all stages of exercise training.

intentional motion, compensation control, gait rehabilitation robot

廣東省科技計劃項目（2013B010102010）。