防跌倒步態(tài)平衡訓練機器人發(fā)展現(xiàn)狀

陳殿生，申振陽，尹虎

防跌倒步態(tài)平衡訓練機器人發(fā)展現(xiàn)狀

陳殿生，申振陽，尹虎

（北京航空航天大學，北京 100191）

介紹國內(nèi)外防跌倒步態(tài)平衡訓練機器人研究的主要進展，為防跌倒步態(tài)平衡訓練機器人等醫(yī)工結(jié)合領(lǐng)域的研究提供可借鑒的思路。主要從4個方面總結(jié)了下肢輔助康復機器人研究的最新進展，具體包括機器人構(gòu)型，機構(gòu)控制策略和算法，步態(tài)數(shù)據(jù)采集方法和步態(tài)數(shù)據(jù)分析方法。在國內(nèi)外對步態(tài)平衡訓練機器人的研究中，機器人的市場定位細分是當前學界面臨的挑戰(zhàn)。各主流解決方案側(cè)重點都不相同，針對用戶細分的方法也不一樣。由于主要的目標人群老年人群體用戶差異性強，因此用戶的個性化訓練需求較高，未來需要進一步細化步態(tài)平衡訓練機器人的定位，滿足不同情況下不同用戶在不同階段的個性化訓練需求，有望提升步態(tài)平衡訓練機器人的整體水平。

步態(tài)平衡訓練；步態(tài)數(shù)據(jù)；康復機器人；平衡能力評估

步行作為人體最常見也最為關(guān)鍵的日?；顒又?，與人們的生活息息相關(guān)。步行是由神經(jīng)系統(tǒng)控制，全身肌肉、骨骼和關(guān)節(jié)協(xié)同作用的一種復雜生理活動。任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將導致步行能力下降，其中老年人的步行能力下降最為迅速。

隨著時間推移，中國的社會人口老齡化問題顯得愈發(fā)嚴重。據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒–2019》[1]數(shù)據(jù)顯示，預計到2050年，我國60以上老人人口比例將高達30%～40%。老年人群體因為身體機能的退化，其肌肉力量、平衡能力和肢體協(xié)調(diào)能力都會顯著下降，從而發(fā)生跌倒等事故。我國65歲及以上老年人跌倒死亡率為58.03/10萬，跌倒導致的死亡占該年齡段人群全部傷害致死原因的34.83%，已成老年人因傷致死的首位原因[2]。在我國跌倒的發(fā)生率為14%～34%，每年至少有2 000萬老人發(fā)生2 500萬次跌倒事故[3]。老年人發(fā)生跌倒，后果非常嚴重，比如骨折、長期疼痛、顱腦外傷、殘疾、失能，甚至死亡。因此，在人口老齡化的背景下，改善老年人的平衡能力，是預防老年人跌倒的有效手段，對減少老年人意外傷害具有重要意義。

平衡能力作為判斷老年人步態(tài)穩(wěn)定性最為重要的一個評價指標，受到國內(nèi)外相關(guān)研究者和企業(yè)的廣泛關(guān)注。平衡調(diào)節(jié)是人類活動的基礎(chǔ)，以深感覺為主、前庭覺和視覺等為輔的平衡感知信息傳給大腦中樞處理，形成平衡調(diào)節(jié)策略和運動指令，進而激活相應的人體運動單元執(zhí)行平衡調(diào)節(jié)動作。平衡能力的缺失，將導致步行能力的快速下降，嚴重影響人們的生活。人體平衡能力分為靜態(tài)平衡和動態(tài)平衡兩類。靜態(tài)平衡指人體保持某一特定位姿，如站立和坐的能力。動態(tài)平衡是指運動過程中，人體控制身體重心并調(diào)節(jié)身體姿態(tài)的能力。動態(tài)平衡又分為2個方面：自動態(tài)平衡，即主動性平衡，是人體在進行各種自主運動時能重新獲得穩(wěn)定狀態(tài)的能力；他動態(tài)平衡，即反應性平衡，是人體在受到外界干擾后恢復穩(wěn)定狀態(tài)的能力[4-5]。

步態(tài)，即人體走路時的姿態(tài)動作。步態(tài)，除了與平衡能力有關(guān)，還與肢體協(xié)調(diào)、肌力、神經(jīng)控制等因素相關(guān)。老年人隨著年齡增長，身體機能下降，特別是腦卒中（又稱中風）、帕金森等常見老年疾病，容易引起步態(tài)異常。傳統(tǒng)的步態(tài)訓練，通過醫(yī)生觀察指出患者缺陷，并進行相應的指導，容易忽略個體差異，且容易受到醫(yī)生個人經(jīng)驗的影響?；跈C器人的步態(tài)訓練，從簡單的減重式步行跑臺，到外骨骼姿態(tài)矯形，核心是異常步態(tài)分析與步態(tài)矯形[6]。

當前的平衡能力評估與訓練和步態(tài)訓練與矯正仍然面臨巨大問題與挑戰(zhàn)。其成因復雜，包括感覺輸入異常、中樞整合與協(xié)調(diào)性障礙、運動控制能力下降等多個維度，從而難以建立多因素的、量化的平衡障礙評價標準。以腦卒中患者為例，在步態(tài)平衡訓練上，目前主要以康復醫(yī)師“一對一”針對治療與訓練為主。建立完善的平衡能力評估體系，加快建設(shè)平衡能力與步態(tài)訓練機器人的研制，對于應對我國人口老齡化趨勢，改善人民生活品質(zhì)具有重要意義。

1 機器人構(gòu)型

在老年人防跌倒方面，步態(tài)訓練和平衡訓練作為2個重要的組成部分，各有側(cè)重又相互關(guān)聯(lián)。在防跌倒步態(tài)平衡康復訓練上，針對平衡能力的3個關(guān)鍵輸入部分（視覺、前庭覺和深感覺）針對性地進行訓練，從而恢復患者在感覺輸入上的異常[7]。不同的機器構(gòu)型的側(cè)重點各有不同。目前，主流的平衡訓練機器人有3種構(gòu)型：下肢外骨骼式步行平衡訓練機器人、踏板式平衡訓練機器人和并聯(lián)多自由度平臺平衡訓練機器人。下肢外骨骼式步態(tài)平衡訓練機器人基于肢體訓練，提前規(guī)劃好外骨骼的運動路徑和控制策略，通過帶動下肢不斷重復正確的步態(tài)動作，實現(xiàn)神經(jīng)的重塑，從而促使患者恢復步行和平衡能力，其側(cè)重點在于步態(tài)訓練。踏板式平衡訓練機器人大多配合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過踏板的運動帶動肢體模擬步行動作，同時將踏板運動與虛擬的運動場景結(jié)合，以實現(xiàn)常見的運動場景（如平地、樓梯、山路和沙灘等）的模擬，對步態(tài)平衡訓練有良好的積極作用。并聯(lián)多自由度平衡訓練機器人由早期的模擬駕駛系統(tǒng)演變而來，結(jié)合體感仿真技術(shù)，可以給予使用者常見的運動刺激，從而促使患者采取對應的措施，主要針對前庭覺進行平衡訓練，如果輔以跑步帶，可以實現(xiàn)步態(tài)訓練。

1.1 外骨骼式

外骨骼式下肢機器人在下肢助力上的應用頗多，由于其能控制下肢的運動形式，因此具有步態(tài)矯正功能，也應用于步態(tài)平衡訓練。針對外骨骼步態(tài)平衡訓練機器人的研究眾多。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院與Hocoma公司合作研制了一款下肢外骨骼康復訓練機器人Locomat，見圖1a。該機器人由步態(tài)矯形器、減重系統(tǒng)、跑步平臺和人機交互軟件組成。步態(tài)矯形器有髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)等2個自由度，由帶滾珠絲杠的驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)獨立驅(qū)動，從而實現(xiàn)患者矢狀面的運動。踝關(guān)節(jié)的背屈運動由彈性元件被動實現(xiàn)，然后通過平行四桿機構(gòu)實現(xiàn)了骨盆的橫向和旋轉(zhuǎn)運動。此外，每個關(guān)節(jié)配有位置傳感器和力傳感器可以測量關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度和力矩，使外骨骼的運動更好地與人體正常步行運動匹配。Locomat采用步態(tài)自適應控制、生物視覺反饋等控制策略，實現(xiàn)患者在虛擬環(huán)境中的康復訓練，并通過實驗驗證了控制策略的有效性[8-9]。目前，該產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化，并成功推出了兒童訓練款。

圖1 外骨骼式步態(tài)康復訓練機器人

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院聯(lián)合Swortec公司開發(fā)了一款下肢外骨骼訓練康復機器人Walk Trainer，見圖1b。該機器人由移動車體、減重系統(tǒng)、骨盆控制系統(tǒng)和下肢運動系統(tǒng)組成。移動車體可以跟隨人體運動而運動，不需要使用跑臺。減重系統(tǒng)由2個電機控制，一個電機控制預緊彈簧；另一個電機以編碼器和力傳感器作為反饋信號，精確控制減重力的恒定。骨盆控制系統(tǒng)為六自由度機構(gòu)，可以實現(xiàn)任意位置和角度的運動控制。下肢運動系統(tǒng)則為典型的外骨骼結(jié)構(gòu)，由3個直線驅(qū)動器驅(qū)動實現(xiàn)下肢運動。

美國HealthSouth公司推出了一款名為Reo Ambulator的步行訓練機器人，見圖1c。該機器人由兩條二自由度機械腿構(gòu)成，分別綁在患者腳踝和大腿處。通過獨立的控制系統(tǒng)帶動大腿和小腿完成一系列的步態(tài)訓練和矯正動作，并實現(xiàn)實時監(jiān)控、在線測評等功能，主要用于神經(jīng)和骨科的適應性康復訓練。目前該產(chǎn)品已經(jīng)得到廣泛實驗和應用。

日本芝浦工業(yè)大學研制了助行機器人Walking Assistance Apparatus，見圖2a。該機器人主要由移動支架、減重機構(gòu)和外骨骼3個部分組成。移動支架跟隨患者運動，代替跑臺的作用。減重機構(gòu)固定于支架上，并與外骨骼機械腿連接，兩者協(xié)調(diào)實現(xiàn)減重步行訓練。外骨骼機械腿基于平行連桿機構(gòu)原理，驅(qū)動髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動，通過柔性連桿實現(xiàn)髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的自然轉(zhuǎn)動。該機器人還集成了陀螺儀和超聲波傳感器，從而幫助患者實現(xiàn)斜坡和臺階的檢測和運動[10]?；谥暗难芯?，芝浦工業(yè)大學的學者又進一步研發(fā)了能更精確地控制外骨骼軌跡的Air Gait，見圖2b。Air Gait用跑步機替代了移動支架，利用氣動肌肉帶動連桿機構(gòu)驅(qū)動下肢髖膝踝關(guān)節(jié)實現(xiàn)矢狀面的轉(zhuǎn)動，并提出了基于氣動肌肉壓力和位置控制的步行訓練控制策略，從而更好地實現(xiàn)步態(tài)康復訓練[11-12]。

圖2 日本芝浦工業(yè)大學研制的外骨骼康復機器人

1.2 踏板式

德國的Stefan Hesse是最早研究踏板式步行訓練機器人的學者之一，并成功開發(fā)了Gait Trainer第一代樣機，見圖3a。該樣機通過曲柄連桿機構(gòu)，用單自由度模擬人體步行時足的軌跡，利用踏板帶動患者沿著既定軌跡運動，以模仿人體正常步行，單自由度的既定軌跡使機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，但功能單一[13]，無法滿足人體步行和平衡控制時踝關(guān)節(jié)的調(diào)整策略，而在人體矢狀面上兩個方向的平移運動存在耦合現(xiàn)象，無法實現(xiàn)正常的步態(tài)訓練。隨后，Stefan Hesse又研制了一款串并聯(lián)混合驅(qū)動的六自由度的踏板步態(tài)訓練機器人Haptic Walker，見圖3b。該機器人每個踏板可以實現(xiàn)人體在矢狀面上2個方向的移動，踏板還有一個旋轉(zhuǎn)自由度以實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。該機器人可以模擬上下樓梯、平地行走和滑雪等多種運動場景，同時踏板上安裝有位置傳感器和力傳感器，實時采集運動信息，既能幫助醫(yī)師對患者的平衡狀況進行評估，又能更好地規(guī)劃并控制踏板運動[14]。之后，通過與荷蘭Reha Technology公司合作，推出了最終產(chǎn)品G–EO System，見圖3c[15]。主體結(jié)構(gòu)和核心功能都與Haptic Walker相同，可以根據(jù)患者狀況制定運動軌跡，實現(xiàn)針對式康復訓練。

日本筑波大學在踏板式步態(tài)平衡訓練機器人方面做了很多相關(guān)研究。2003年，他們研制出了GaitMaster1和GaitMaster 2。GaitMaster1由2個三自由度的踏板組成，可以實現(xiàn)人體的大部分運動。之后他們又經(jīng)過改進，陸續(xù)推出了GaitMaster 3—Gaitmaster 5，同時加入了虛擬現(xiàn)實等先進的技術(shù)，讓患者實現(xiàn)沉浸式康復訓練，能夠?qū)崿F(xiàn)平地、上下樓梯等日常場景的模擬。該系統(tǒng)已經(jīng)完成實驗驗證，見圖4[16]。

圖3 德國踏板式步行訓練機器人

圖4 Gaitmaster訓練機器人

1.3 多自由度并聯(lián)平臺系統(tǒng)

以Stewart 6自由度并聯(lián)機構(gòu)為代表的多自由度并聯(lián)系統(tǒng)，由于其剛度大、承載能力強，而且可以實現(xiàn)運動行程內(nèi)空間任意位置和姿態(tài)的運動，而受到廣泛運用。早期的Stewart并聯(lián)機構(gòu)主要用于模擬駕駛、體感游戲等設(shè)備中，還用于模擬人體前庭覺的仿真輸入，并得到業(yè)界一致認可。由于這種系統(tǒng)契合人體步態(tài)和平衡訓練的多自由度模擬、多感覺輸入的要求，近年來開始逐漸用于平衡訓練機器人的研究中[17]。

Motek Medical公司開發(fā)的Computer Assisted Rehabilitation Environment（CAREN）平衡康復訓練系統(tǒng)，見圖5a，集合了六自由度運動平臺，雙跑步帶自適應跑臺，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)及三維運動捕捉系統(tǒng)于一體，可以實現(xiàn)運動數(shù)據(jù)采集與分析、平衡評估、步態(tài)訓練等康復訓練流程，是當前國際上最先進的系統(tǒng)康復訓練設(shè)備之一。六自由度并聯(lián)平臺和雙帶自適應跑臺，可以實現(xiàn)很多需要的運動組合，見圖5b。結(jié)合其強大的視覺運動捕捉系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)，可以捕捉人體肌電信號，各關(guān)節(jié)運動速度和加速度，步長、步寬、步速和足底壓力等常見的平衡和步態(tài)評估參數(shù)，實現(xiàn)豐富的評估方案和訓練方案。同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也給評估和訓練過程增加了沉浸性和趣味性[18]。

美國NeuroCom公司研發(fā)了EquiTest平衡訓練儀。該設(shè)備的站立平臺既能固定，又能實現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)等多種運動模式，并且提供視覺虛擬反饋，幫助患者實現(xiàn)視覺與平衡訓練[19]。

哈爾濱工程大學基于3–RPS并聯(lián)平臺研制了一款平衡訓練機器人仿真系統(tǒng)，見圖6。該系統(tǒng)利用并聯(lián)平臺的多自由度特性，可以實現(xiàn)小范圍的移動與傾斜[20]。配置上位機實時顯示姿態(tài)曲線。該樣機只是小型仿真系統(tǒng)，并未用于實際平衡訓練。

圖5 CAREN康復訓練系統(tǒng)

圖6 哈爾濱工程大學研制的平衡訓練仿真平臺系統(tǒng)

2 機器人控制策略與方法

步態(tài)平衡訓練機器人作為直接與用戶發(fā)生接觸的部分，自然、高效、安全的人機交互是非常重要的需求之一?？紤]到老年人用戶群體的特殊性，對人機交互和“人–機–環(huán)境”要求更高，這就涉及機器人的控制策略和方法，而用戶是具有自主運動意識和能力的，因此文中介紹了目前主流的步態(tài)平衡訓練機器人控制策略與方法。

目前，專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)對機器人控制技術(shù)的定義有很多解釋，此前被廣泛接受的解釋是“機器人控制技術(shù)是作用于機器人各關(guān)節(jié)使機器人運動的技術(shù)”，涉及機器人的機械結(jié)構(gòu)和控制程序2個部分。事實上，如果在更廣泛的角度下定義的話，機器人的控制系統(tǒng)還包括設(shè)計、建模、識別、軌跡規(guī)劃和學習[21]。通過建模、識別、軌跡規(guī)劃和基于模型的控制方法，可以有效地提升機器人的性能，并且能夠降低機器人的成本，目前工業(yè)機器人、服務(wù)機器人乃至協(xié)作機器人等都廣泛采用此方法。

對康復機器人而言，目前已經(jīng)有許多研究介紹了下肢康復或下肢增強訓練機器人的控制方法。胡進等[22]按照獲取用戶主動運動意圖時所使用的信號進行分類，具體包括基于力信號的控制方法和基于生物醫(yī)學信號的控制方法。許彧青[23]按照人機交互模式進行分類，具體包括基于人體測量信號的控制策略、基于交互力測量的控制策略和基于機器人測量信號的控制策略。張晟杰[21]從控制技術(shù)本身出發(fā)進行分類，具體包括預定義軌跡控制、按需輔助控制、虛擬通道控制、基于步態(tài)的預定義動作控制、基于模型控制、基于自適應振蕩器的控制和模糊控制，同時總結(jié)了幾種控制方法適用的用戶群體，見表1。

表1 7種控制方法適用的用戶群體[23]

Tab.1 User groups corresponding to seven control methods

宏觀上說，機器人的控制方法按照任務(wù)不同可以分為運動學控制和動力學控制兩大類，再按照機構(gòu)運動的自由程度劃分為定點控制、軌跡控制和力/位混合控制等。傳統(tǒng)應用于步態(tài)平衡訓練機器人的控制方法主要有阻抗控制、力/位混合控制、自適應控制等。目前也有大量的研究[24-26]證明了其有效性，這幾種方法也是目前主流的方法。

自適應控制方法是當下研究的熱點，近年來的機器學習研究產(chǎn)生了大量的自適應控制算法，然而大多數(shù)的標準機器學習方法不能直接應用于此類機器人。有學者提出了應用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習的控制方法，為自適應控制方法找到了新的方向。

對工業(yè)機器人而言，重點目標在于按照規(guī)劃好的路線完成既定的任務(wù)，要求高穩(wěn)定性、高精度、高力矩和長時間工作；對于步態(tài)平衡訓練之類的服務(wù)機器人而言，重點目標是在開放的非預設(shè)環(huán)境下完成輕量的、非高精度的工作，從而滿足用戶的需求，要求安全性高、穩(wěn)定性好、易交互和易維護。兩者的側(cè)重點不一樣，適用的控制策略和方法也不盡相同。

從需求角度出發(fā)，康復訓練或增強訓練機器人都屬于服務(wù)機器人。此類機器人對人機交互或者說“人機共融”的需求很高。研究表明，長時間的重復訓練會導致訓練枯燥，用戶將無法集中注意力，從而導致訓練的效果降低。在訓練的過程中，用戶的積極參與對訓練的效果起著重要作用。為了提高用戶的主動性，需要全面提高訓練過程中的用戶體驗，而構(gòu)成訓練過程中用戶體驗最核心的部分就是用戶與機器人之間的交互，而在交互設(shè)計領(lǐng)域，大部分學者認為交互的最理想狀態(tài)就是“零交互”，也就是要盡量減少用戶和機器人之間的交互行為，以目前的技術(shù)還達不到理想的狀態(tài)。在實際的交互設(shè)計中，學者們致力于尋求最為自然且高效的交互方式，包括但不限于人的意識、聽覺、視覺、語音、嗅覺和觸覺等方面。

對于現(xiàn)階段的步態(tài)平衡訓練機器人研究，最關(guān)鍵的部分在于判斷用戶的主動運動意圖和獲取運動狀態(tài)等生物信號，因此基于生物信號的控制方法對此類機器人來說，具有特別的優(yōu)勢。目前基于生物信號的控制方法主要有以下2種：是基于肌電信號（sEMG）的控制；基于腦電信號（EEG）的控制。由于現(xiàn)階段對腦電信號的采集技術(shù)還不成熟，因此，還未得到較為廣泛的應用，目前大部分采用生物信號控制的步態(tài)平衡訓練機器人主要使用肌電信號控制[27]。未來，基于生物信號的智能控制方法和多種控制方法的融合是該領(lǐng)域研究的趨勢。

3 數(shù)據(jù)采集方法

對人體平衡評估和平衡訓練效果的評價，都需要對實驗對象進行數(shù)據(jù)采集。隨著傳感器和微型處理器的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集的方式越來越多。主流的數(shù)據(jù)采集方式包括：基于壓力傳感器的人體重心估計與計算；基于計算機視覺的mark點定位與姿態(tài)重構(gòu)；基于慣性傳感器的人體骨架重構(gòu)[28]。

3.1 壓力傳感器數(shù)據(jù)采集

在人體運動學和動力學分析中，重心是衡量人體運動平衡最重要的指標。傳統(tǒng)的人體建模方法可以把人視為一個倒立擺模型，見圖7。為了測量重心（Center of Mass，CoM）位置，假定人對平臺的壓力（Center of Pressure，CoP）和平臺對人的反作用力位于同一豎直線上（適用于靜態(tài)平衡）。因此利用分布式壓力傳感器平臺測出壓力中心CoP就能得到人體重心在水平面的投影[29]。

圖7 人體倒立擺模型

20世紀70年代，美國的Nashner研發(fā)出用于測定人體平衡能力的動態(tài)姿勢圖技術(shù)（Computerized Dynamic Posturography，CDP）[30]，成為量化評價人體平衡能力的里程碑，并據(jù)此研發(fā)出EquiTest平衡檢測儀，見圖8a。1986年，EquiTest獲得美國FDA批準后，其后續(xù)產(chǎn)品（Balance Manager系列）成為了美國人體平衡功能評定、臨床治療和科研方面的標準化設(shè)備。EquiTest用壓力中心COP反應人體重心軌跡，并通過計算機和軟件記錄重心在一段時間內(nèi)的軌跡，見圖8b。繪制的軌跡包絡(luò)線越集中，重心波動范圍越小，證明實驗對象的平衡性越好。類似的平衡測試設(shè)備還有英國的BPM平衡儀（Balance Performance Monitor）[31]、以色列Tetrax平衡儀[32]、Balance Master平衡儀等。通過繪制重心擺動軌跡對平衡能力進行評估已經(jīng)成為了評價人體平衡能力的重要方法之一。

圖8 EquiTest平衡測試儀與重心軌跡

3.2 慣性傳感器數(shù)據(jù)采集

慣性傳感器主要是用陀螺儀和加速度計來捕捉運動。此種傳感器可以采集三軸角度、角速度和加速度共9個參量。優(yōu)點是：體積小、攜帶方便，能很好地采集人體姿態(tài)信息。整個測量系統(tǒng)由多個測量點構(gòu)成，每個測量點用一個慣性傳感器測量，對應著人體一個關(guān)節(jié)自由度。該方法的問題在于陀螺儀芯片存在零誤差和積分誤差，長時間使用會造成偏差增大，而且信號容易受高頻噪聲的影響。

基于傳感器的人體數(shù)據(jù)采集與平衡評估和訓練實際上是利用慣性傳感器對人體姿態(tài)進行測量并重建。近年來，隨著慣性傳感器的人體姿態(tài)重建和運動捕捉系統(tǒng)快速發(fā)展，出現(xiàn)了許多穿戴式的運動捕捉方案。其中Xsens MVN運動捕捉系統(tǒng)最具代表性，見圖9。Xsens MVN運動捕捉系統(tǒng)采用陀螺儀、加速度計和磁力計來捕捉運動。整個采集系統(tǒng)由微型慣性傳感器MTx模塊、無線Xbus傳輸模塊和軟件分析模塊組成，不受環(huán)境光線與空間距離的限制，錄制的動作無需后續(xù)處理即可使用，解決了雙腳同時離地、跳躍等特殊運動模式下的數(shù)據(jù)漂移問題，可以廣泛應用于醫(yī)療，表演等場合[33]。

圖9 Xsens MVN運動捕捉系統(tǒng)

國內(nèi)的諾亦騰科技有限公司開發(fā)的Perception Neuron運動捕捉系統(tǒng)，見圖10。單個傳感器直徑比1角硬幣還小，集成了加速度計、陀螺儀以及磁力計。節(jié)點配置可以從3個節(jié)點到32個節(jié)點，可以對應捕捉單純的手臂運動到全身的精細運動。目前已經(jīng)在電影制作、體育運動、醫(yī)療等多個領(lǐng)域得到應用[34]。

圖10 諾亦騰運動捕捉設(shè)備

孚心科技也研發(fā)了用于人體姿態(tài)重構(gòu)的慣性傳感器模塊，見圖11。該公司主要有2套產(chǎn)品，核心功能相同：一套有線設(shè)備，通過隨身攜帶在背部的Hub搜集傳感器的數(shù)據(jù)信息，并導入電腦進行處理；另一套為無線設(shè)備，通過藍牙連接到上位機，實時傳輸數(shù)據(jù)到上位機設(shè)備。結(jié)合其公司開發(fā)的配套軟件，可以實現(xiàn)實時人體姿態(tài)重構(gòu)。

圖11 孚心科技慣性傳感系統(tǒng)

基于慣性傳感器的運動分析、步態(tài)測量、平衡評估實驗和研究眾多。Hobert等[35]利用可穿戴式慣性傳感器對帕金森患者的步態(tài)進行了分析研究，證明了慣性傳感器對人體數(shù)據(jù)分析的有效性。Horak對19名無跌倒史的老年人和16名近年來超過1次跌倒史的老年人通過可穿戴設(shè)備對指定動作任務(wù)進行監(jiān)測，包括轉(zhuǎn)身90°、180°和行走3 m，結(jié)果顯示，有跌倒史和無跌倒史的老年人行走3 m時間無差異，但轉(zhuǎn)身的特征存在顯著差異[36]。唐增等[37]通過測力板和慣性傳感器分別采集了青年人和老年人2組運動數(shù)據(jù)，采用系統(tǒng)聚類方法對數(shù)據(jù)進行分析，以研究人體的平衡能力。岳宗曉等[38]利用慣性傳感器，設(shè)計了一系列平衡實驗，通過實驗中慣性傳感器的數(shù)據(jù)分析，來評估并訓練人體平衡能力。

雖然基于慣性傳感器的步態(tài)數(shù)據(jù)采集具有數(shù)據(jù)容易漂移和穿戴方式不固定導致數(shù)據(jù)有噪聲的缺點，但其成本低、部署方便，且能夠滿足采集步態(tài)信息的有效性和可靠性要求，因此得到大量應用。

3.3 視覺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

視覺運動捕捉作為近年來的研究熱點，受到國內(nèi)外學者和公司的廣泛關(guān)注。

微軟公司于2010年推出了一款深度相機Kinect V1，見圖12a。極大降低了深度相機的入門門檻，為利用視覺對人體骨架建模、人體運動捕捉和人機交互提供了極大便利。該相機的視覺感知部分由一個RGB攝像頭，一個紅外發(fā)射器，一個紅外接收器組成，并集成了相關(guān)算法，可以實時輸出深度圖像。2014年微軟又推出Kinect V2，在游戲、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域廣泛應用。

圖12 運動捕捉系統(tǒng)

Kinect作為低成本運動捕捉設(shè)備，其精度在很多場景下達不到要求。基于Marker點的高精度運動捕捉系統(tǒng)彌補了這部分缺陷。英國Oxford Metrics Limited公司推出的Vicon光學運動捕捉系統(tǒng)就是其中的代表，見圖12b。Vicon系統(tǒng)主要由bonita相機、Marker點和配套處理軟件構(gòu)成。通過光學攝像頭發(fā)射紅外光線，照射到覆蓋有特殊涂層的Marker點產(chǎn)生反射，由高速光學攝像頭捕捉圖像，傳輸給軟件處理，從而得到marker點在當前空間環(huán)境中的六自由度位置。

基于以上系統(tǒng)，眾多學者和公司進行了大量人體平衡評估和平衡訓練的相關(guān)研究。Lai等[39]利用kinect設(shè)計了一套虛擬交互系統(tǒng)用于訓練中風患者的平衡能力，見圖13a，該系統(tǒng)類似于體感游戲，通過將一些平衡動作轉(zhuǎn)化為游戲中的動作，并用Kinect進行交互，以實現(xiàn)平衡訓練目的。Junata等[40]設(shè)計了一款結(jié)合Kinect的平衡訓練平臺，見圖13b，利用最大運動范圍和最快反應時間作為平衡指標，并對17名中風患者進行了實驗測試，結(jié)果顯示有效。

圖13 基于Kinect的平衡訓練系統(tǒng)

Caren平衡訓練系統(tǒng)搭載了vicon的運動捕捉系統(tǒng)，可以精確測量人體的運動情況。眾多學者基于此平臺進行了平衡評估與訓練的相關(guān)驗證。Roeles等[41]在Caren平衡訓練系統(tǒng)上分別測試了青年和老年2組人員在6種擾動模式下步態(tài)平衡的變化，目的是探究哪些類型的擾動對步態(tài)平衡的影響最大。Shani等[42]利用CAREN的運動捕捉系統(tǒng)分別測試了上坡、下坡和平地的一些常見步態(tài)參數(shù)，并說明了如何利用這些參數(shù)對人體運動能力進行評價。

與其他的數(shù)據(jù)采集方法相比，視覺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于其非接觸性，部署也較為便捷，而且隨著算法的更新迭代，其精度和可靠性都達到了較高的級別，能夠滿足采集步態(tài)數(shù)據(jù)的要求。

4 數(shù)據(jù)分析方法

由于平衡能力集合了神經(jīng)控制、肌力能力和多感覺感知等一系列復雜的生理過程，對平衡能力的評價與平衡訓練數(shù)據(jù)分析的方法，缺乏統(tǒng)一而完善的理論體系。在此介紹國內(nèi)外常用的平衡數(shù)據(jù)分析方法。

4.1 基于最大李雅普諾夫（Lyapunov）指數(shù)的數(shù)據(jù)分析

4.1.1 最大李雅普諾夫指數(shù)定義

初始誤差：

經(jīng)過一次迭代之后，誤差如下：

以此類推，經(jīng)過次迭代之后，狀態(tài)偏差：

2個系統(tǒng)如果初始存在微小的差異，隨著時間（或迭代次數(shù)）逐漸分離，分離程度常用李雅普諾夫指數(shù)來度量。令式（1）為：

則

圖14 二維李雅普諾夫指數(shù)變化情況

穩(wěn)定體系的相軌線相應于趨向某個平衡點，如果出現(xiàn)越來越遠離平衡點的情況，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。系統(tǒng)只要有一個正值就會出現(xiàn)混沌運動。

4.1.2 最大李雅普諾夫指數(shù)計算方法

……

4.1.3 基于最大李雅普諾夫指數(shù)的平衡能力評估

最大李雅普諾夫指數(shù)常與局部動態(tài)穩(wěn)定性（Local Dynamic Stability，LDS）聯(lián)系到一起。作為LDS的主要衡量指標，最大李雅普諾夫指數(shù)在人體步態(tài)平衡和跌倒風險預測上被廣泛運用。Dingwell等[43]首次將最大李雅普諾夫指數(shù)用于研究人體步態(tài)穩(wěn)定性。Marcel等[44]探究了跌倒歷史和風險與最大李雅普諾夫指數(shù)的關(guān)系，并證實最大李雅普諾夫指數(shù)與跌倒風險具有相關(guān)性。Bruijn[45-47]等首先探究了最大李雅普諾夫指數(shù)與人體平衡能力和步態(tài)參數(shù)的相關(guān)性，證明了這個方法對平衡分析的有效性。同時深入探究了不同嵌入維度、不同步行速度和不同長度時間序列對最大李雅普諾夫指數(shù)的影響。大量研究和實驗均證明了該方法的有效性。

4.2 生物力學模型分析

從直觀角度而言，人體平衡能力與重心有很大關(guān)系?；诖死碚摚嬎愠鲋匦奈恢?，并根據(jù)動力學方法判斷人體平衡能力，將是一種有效的研究方法。為此，應先對人體建模。

4.2.1 數(shù)學模型

目前，應用最廣泛的人體數(shù)學模型為倒立擺模型。倒立擺模型見圖7。該模型的最重要參數(shù)為重心，重心位置在水平面的投影可以根據(jù)壓力中心（Center of Pressure，CoP）的位置確定。

由于壓力中心CoP只能反應靜態(tài)平衡時重心的投影。在動態(tài)平衡中，經(jīng)常用推測質(zhì)心代替重心（Extrapolated Center of Mass，XCoM）。

4.2.2 基于生物力學的人體平衡研究

5 結(jié)語

現(xiàn)階段的防跌倒步態(tài)平衡訓練機器人，大多直接基于機器人技術(shù)。外骨骼式步態(tài)訓練機器人重點在于肌力訓練與神經(jīng)控制，現(xiàn)階段的踏板式步行訓練機器人側(cè)重于步態(tài)的運動仿真，而以Caren系統(tǒng)為代表的多自由度并聯(lián)平臺則側(cè)重于平衡評估。平衡能力涉及的因素眾多，是一個復雜的調(diào)節(jié)過程。由于針對的主要目標用戶是老年人，由此用戶的個體差異性很強，不同病癥、不同階段、不同年齡、不同體質(zhì)的用戶，他們的需求千差萬別，很難通過單一的步態(tài)平衡訓練系統(tǒng)滿足需求。

需要進一步細分步態(tài)平衡訓練機器人的定位，針對不同平衡能力的人群展開調(diào)研，有針對性地為解決某一類人群的需求進行方案設(shè)計，實現(xiàn)更為細分的步態(tài)平衡訓練機器人。例如將主要目標人群——老年人用戶劃分為腦卒中患者、肌無力患者、帕金森患者和阿爾茨海默病患者等，其中，腦卒中患者是平衡訓練機器人最主要的使用者，以腦卒中患者人群為例，可以按階段將其進一步劃分為恢復期和后遺癥期等。在不同的時期，其平衡能力差別也較大，而且對于腦卒中患者而言，無論是在恢復期還是后遺癥期間，絕大多數(shù)患者的雙腿運動都表現(xiàn)出很高的不對稱性和不協(xié)調(diào)性，在機器人的構(gòu)型設(shè)計上選擇能實現(xiàn)單側(cè)腿/腳的康復訓練方案能夠取得更理想的訓練效果。進一步細分機器人的定位，能夠更有針對性地幫助不同的老年人群體進行步態(tài)平衡訓練，有望提升老年人群體的平衡訓練效果，同時能夠有效地提升用戶體驗，從而提高防跌倒步態(tài)平衡訓練機器人領(lǐng)域的研究水平。

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Development Status of Anti-fall Gait Balance Training Robot

CHEN Dian-sheng, SHEN Zhen-yang, YIN Hu

(Beihang University, Beijing 100191, China)

This paper introduces the main progress of research on anti-fall gait balance training robots at home and abroad, and provides reference ideas for the research of anti-fall gait balance training rehabilitation robots and other fields of medical-industrial integration. The latest progress in the research of lower limb assisted rehabilitation robot is mainly summarized from four aspects, including: robot configuration; mechanism control strategy and algorithm; gait data collection method and gait data analysis method. In the current research, the market positioning of robots is a challenge faced by the current academic community. At present, various mainstream solutions have different focuses and different user segments. However, the main target group, the elderly, has strong user differences, so users have high personalized training needs. In the future, it is necessary to further refine the positioning of the gait balance training robot to meet the personalized training needs of different users at different stages in different situations, which is expected to improve the overall level of gait balance training robots.

gait balance training; gait data; rehabilitation robot; balance capability assessment

TB472

A

1001-3563(2022)12-0075-12

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.12.008

2022–01–26

國家重點研發(fā)計劃項目（2019YFB1311404）

陳殿生（1969—），男，博士，教授，主要研究方向為服務(wù)機器人。

尹虎（1974—），男，碩士，副教授，主要研究方向為產(chǎn)品設(shè)計和交互設(shè)計。

責任編輯：陳作