下肢康復(fù)機(jī)器人及其交互控制方法分析

霍天樞，潘鳴宇

（1.吉林廣播電視大學(xué)；2.長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

當(dāng)前我國(guó)癱瘓患者的數(shù)量在不斷增加，其康復(fù)訓(xùn)練受到了人們的共同關(guān)注。輔助康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的出現(xiàn)能夠有效提升康復(fù)訓(xùn)練的效率，在降低投入成本的基礎(chǔ)上減少了理療師的體力消耗，保障康復(fù)醫(yī)療資源的合理利用。

1 下肢康復(fù)機(jī)器人

按照普遍接受的理解，下肢康復(fù)機(jī)器人是機(jī)電裝置，可以幫助患者較低的肢體電機(jī)功能損傷，自動(dòng)或半自動(dòng)地完成康復(fù)訓(xùn)練，以達(dá)到神經(jīng)康復(fù)的目的，回饋受傷的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，刺激受傷神經(jīng)的再生或補(bǔ)償受傷功能的受傷神經(jīng)。

1.1 坐臥式機(jī)器人

下肢康復(fù)機(jī)器人最大的優(yōu)勢(shì)在于，在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，患者有癥狀，如坐姿、強(qiáng)迫性疾病等。由于下肢不提供對(duì)身體的支持，所以它適用于完全失去運(yùn)動(dòng)的患者。然而，對(duì)于能夠控制下肢肌肉收縮的患者，姿勢(shì)不利于受影響肢體的致病功能的恢復(fù)。根據(jù)機(jī)構(gòu)與受影響的肢體之間的相互作用，下肢康復(fù)機(jī)器人可以進(jìn)一步分為兩種類(lèi)型：終端和外骨骼。終端機(jī)器人通常使用一對(duì)踏板來(lái)接觸患者的腳。此外，機(jī)制和患者之間沒(méi)有相互作用的點(diǎn)。這個(gè)機(jī)器人的成本很低，但它只能實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單的訓(xùn)練策略和終端軌跡。它屬于下肢康復(fù)機(jī)器人的低端設(shè)備，用于緩解由臂上物體的癱瘓和肌肉萎縮引起的并發(fā)癥，并進(jìn)行康復(fù)治療。電動(dòng)自行車(chē)是最常用的終端型下肢康復(fù)機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)和單一自由度驅(qū)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，患者的腳被放置在踏板上，以完成固定軌道的騎自行車(chē)運(yùn)動(dòng)。除了共同的踏板外，一些研究機(jī)構(gòu)還制定了其他形式的多程度的自由終點(diǎn)效果，哈爾濱工程大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)扁平的下肢康復(fù)裝置，它采用三度自由平行機(jī)械結(jié)構(gòu)，滑動(dòng)接頭實(shí)現(xiàn)兩條腿的圓周運(yùn)動(dòng)，并且兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度用于調(diào)節(jié)腳踝關(guān)節(jié)角度運(yùn)動(dòng)培訓(xùn)。與跑步機(jī)設(shè)備相比，機(jī)器人在踏板上增加了兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)接頭，以控制踝關(guān)節(jié)的角度，但下肢（踝關(guān)節(jié)）的軌跡仍然是固定的，因此只有被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練策略。當(dāng)下，放置時(shí)，除了踏板和腳之間的接觸之外，腿部和腿部機(jī)構(gòu)之間可能存在相互作用點(diǎn)。外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人可以輕松實(shí)現(xiàn)單個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，完全多聯(lián)合協(xié)調(diào)訓(xùn)練。軌跡可以在工作區(qū)中自由編程，并具有各種主機(jī)被動(dòng)康復(fù)培訓(xùn)策略。

1.2 直立式機(jī)器人

患者在使用直立的下肢康復(fù)機(jī)器人時(shí)使用常設(shè)姿勢(shì)，這更接近肢體日常生活的活動(dòng)而不是坐姿姿勢(shì)訓(xùn)練，這有利于刺激患者為身體提供支持，并有助于恢復(fù)肢體腳功能。它不僅具有很少的恢復(fù)效果，而且可能導(dǎo)致肢體的二次傷害。按照重量支撐，垂直機(jī)器人可分為兩種類(lèi)型：懸掛式負(fù)載步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器人和獨(dú)立可佩帶的機(jī)器人。BWSTT 通過(guò)懸架機(jī)構(gòu)和安全帶支撐患者重量的一部分，并將其放在跑步機(jī)上。這個(gè)過(guò)程既昂貴又艱苦。懸浮的減肥步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器人可以大大降低物理治療師的身體需求和物理消耗的成本，確保傳統(tǒng)方法的有效性。所謂的懸掛式黏液體重?fù)p失是將患者的腰部和帶有主體連接。頭支架的繩索可以通過(guò)提升軀干來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷支持，并保持患者的直立姿勢(shì)。這種機(jī)器人具有類(lèi)似人體的腿部結(jié)構(gòu)的機(jī)械矯形器。當(dāng)患者穿著它時(shí)，有時(shí)用于在同時(shí)進(jìn)行支持和康復(fù)培訓(xùn)時(shí)保持患者的平衡。

1.3 輔助起立式機(jī)器人

輔助提升機(jī)器人為患者的運(yùn)動(dòng)提供了一定的支持，同時(shí)能夠確?；颊叩纳眢w平衡，但這種單個(gè)的提升訓(xùn)練無(wú)法滿(mǎn)足下肢電機(jī)功能康復(fù)的實(shí)際需求，因此，對(duì)設(shè)備的研究較少；多位置機(jī)器人提供不同位置的患者的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，并且患者可以按照其實(shí)際需求選擇不同的位置，因此這種設(shè)備具有許多應(yīng)用程序。輔助升降站的下肢康復(fù)機(jī)器人主要在站立或坐著的過(guò)程中提供支持和平衡，并在坐在地上訓(xùn)練下肢。然而，單獨(dú)的站立訓(xùn)練對(duì)于較低肢體電機(jī)功能的康復(fù)并不重要，因此，對(duì)這種設(shè)備的發(fā)展的研究相對(duì)較小。更常見(jiàn)的是，輔助垂直機(jī)器人具有帶驅(qū)動(dòng)器的移動(dòng)機(jī)械平臺(tái)。

2 交互控制方法

互動(dòng)控制可以為患者創(chuàng)造一個(gè)安全、舒適、自然、積極的訓(xùn)練環(huán)境，避免由于肌肉痙攣和搖動(dòng)而對(duì)抗機(jī)器人，并能夠保護(hù)患者免受二次傷害。

2.1 基于力信號(hào)的交互控制

在基于力信號(hào)的交互式控制中，力信號(hào)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)中的肢體肌肉收縮的力，其可以通過(guò)力/扭矩傳感器或人機(jī)混合模型系統(tǒng)通過(guò)智能機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)量。因此，力信號(hào)交互式控制相對(duì)可行、可靠且穩(wěn)定。然而，相互作用力的獲取通常取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)，這不如檢測(cè)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)那么方便，因此該相互作用控制方法的應(yīng)用范圍是有限的。在康復(fù)機(jī)器人和患者之間的相互作用力的控制策略中，混合力位置控制和阻抗控制是最廣泛使用的，用于解決有限環(huán)境中機(jī)器人的控制問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題可以簡(jiǎn)單地描述為機(jī)器人之間的一個(gè)方向之間的相互作用和其他外部之間的相互作用。因此，在攪拌控制和位置的攪拌控制中，當(dāng)機(jī)器人與外部環(huán)境接觸時(shí)，將任務(wù)空間自然分為兩個(gè)子空間：位置空間和動(dòng)力空間。下肢康復(fù)機(jī)器人的交互是為了創(chuàng)造一個(gè)安全、舒適、自然的康復(fù)環(huán)境，在患者的訓(xùn)練環(huán)境中，很少需要精確的軌跡跟蹤，因此有必要提高機(jī)器人的性能，并提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能混合位置控制方法在患者與機(jī)器人的交互中并不常見(jiàn)。

2.2 在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)方面

當(dāng)前的研究主要集中在離線(xiàn)分類(lèi)和回歸分析中，只有心肌信號(hào)相互作用控制的潛力，但實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)研究差，而實(shí)時(shí)互動(dòng)控制與離線(xiàn)研究相比更挑戰(zhàn)，實(shí)際電信號(hào)不能從離線(xiàn)研究中具有數(shù)據(jù)的完整性，因此它可以影響識(shí)別的準(zhǔn)確性，并且需要相互作用時(shí)間，這不僅需要EEG 信號(hào)的運(yùn)動(dòng)識(shí)別，還需要預(yù)測(cè)。

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是表面肌電圖中最常見(jiàn)的信號(hào)，兩者都是非侵入性的。因此，兩者都具有強(qiáng)大的可操作性和安全性，主要是指肌肉電信號(hào)。De Bar 電活動(dòng)的功能來(lái)自骨骼肌。其優(yōu)點(diǎn)方便、全面、靈活、靈敏。缺點(diǎn)是信號(hào)采集具有大的隨機(jī)性，這只能反映特定肌肉的活動(dòng)，并且不能主動(dòng)呈現(xiàn)患者的運(yùn)動(dòng)意向?；谛募⌒盘?hào)存在兩種相互作用控制方法，是受影響肢體影響的肌肉電力。另一種是使用左臂和右臂或上肢和下肢四肢。這個(gè)方法用作活動(dòng)培訓(xùn)。能夠有效地適用于一些重癥患者的癱瘓中。主要通過(guò)電極電活動(dòng)收集大腦信息，大腦內(nèi)部神經(jīng)元之間有明顯的波動(dòng)，它的優(yōu)點(diǎn)是玩腦筋功能。它適用于脊髓完整的患者受傷，其主要是由重建腦控制信號(hào)，有效地促進(jìn)了身體素質(zhì)的恢復(fù)，但其缺點(diǎn)是不能滿(mǎn)足腦損傷患者的實(shí)際需求，肢體分辨率有著十分重要的意義。

3 結(jié)語(yǔ)

由上可知，下肢康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用為下肢癱瘓的患者提供了人性化的訓(xùn)練方式，通過(guò)對(duì)其研究能夠有效地豐富機(jī)器人的類(lèi)型以及交互控制的方法，患者可以依據(jù)自身的實(shí)際情況選擇合適的機(jī)器人類(lèi)型和交互控制方法。