下肢康復(fù)機(jī)器人及其交互控制方法

李妍姝

摘 要：伴隨社會的全面發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平日新月異的進(jìn)步，醫(yī)療事業(yè)得到了全方位的發(fā)展。智能化的醫(yī)療器械對于醫(yī)療水平的全面提高發(fā)揮重要作用，受到了社會的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)階段，下肢癱瘓病人的數(shù)量與日俱增，如何實(shí)現(xiàn)下肢癱瘓病人的康復(fù)訓(xùn)練已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)界熱議的的話題。下肢康復(fù)機(jī)器人是在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展、智能化醫(yī)療器械水平不斷提高的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生，對于下肢癱瘓病人的康復(fù)訓(xùn)練發(fā)揮重要的作用。該文以下肢康復(fù)機(jī)器人為研究視角，針對下肢康復(fù)機(jī)器人的類型和其人際交互控制方法展開分析討論，旨在為下肢癱瘓病人的康復(fù)訓(xùn)練提供一定的參考，為我國智能化醫(yī)療器械水平的提供貢獻(xiàn)力量。

關(guān)鍵詞：下肢康復(fù)機(jī)器人 交互控制 方法

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0112-02

下肢康復(fù)機(jī)器人出現(xiàn)，為下肢癱瘓病人的康復(fù)訓(xùn)練治療注入了新鮮的血液，帶來了全新的生機(jī)。下肢康復(fù)機(jī)器人對于病人康復(fù)訓(xùn)練與傳統(tǒng)的治療措施相比，具有無可比擬的優(yōu)勢，能夠使得康復(fù)訓(xùn)練的成本降低、而且病人能夠在家中進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，終結(jié)了康復(fù)訓(xùn)練受到時(shí)間和空間限制的時(shí)代，使得康復(fù)醫(yī)療的資源配置更加合理化，康復(fù)醫(yī)療的技術(shù)水平得到全面的提高。因此，下肢康復(fù)機(jī)器人受到醫(yī)學(xué)界甚至社會各界的廣泛關(guān)注。為了能夠使得患者對下肢康復(fù)機(jī)器人形成更加系統(tǒng)的認(rèn)知，在使用過程中能夠有效地選擇合適的類型進(jìn)行運(yùn)用，筆者現(xiàn)將現(xiàn)階段下肢康復(fù)機(jī)器人的類型進(jìn)行細(xì)致的分析，對下肢康復(fù)機(jī)器人的交互控制方法進(jìn)行闡述，并對下肢康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，促進(jìn)我國智能化醫(yī)療器械向著更加先進(jìn)的方向發(fā)展。

1 下肢康復(fù)機(jī)器人概述

1.1 下肢康復(fù)機(jī)器人概念

現(xiàn)階段，對于下肢康復(fù)機(jī)器人在概念上并沒有得到全面明確的闡述。但是根據(jù)下肢康復(fù)機(jī)器人的的作用和在實(shí)踐中的應(yīng)用，普遍認(rèn)為，下肢康復(fù)機(jī)器人是指能夠輔助下肢受到一定損害不能夠進(jìn)行正常運(yùn)動或者運(yùn)動功能暫時(shí)喪失的患者進(jìn)行系列康復(fù)治療的智能化醫(yī)療器械。現(xiàn)代康復(fù)機(jī)器人一般能夠進(jìn)行自動化或者半自動化康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)電一體化的康復(fù)治療設(shè)備。在輔助下肢癱瘓病人的康復(fù)治療過程中，主要通過對患者下肢采取有效運(yùn)動訓(xùn)練和功能性電刺激的方式方法，使得患者受到損傷的中樞神經(jīng)形成一定的反應(yīng)，從而使損傷神經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)再生。

1.2 下肢康復(fù)機(jī)器人的類型

現(xiàn)階段對于下肢康復(fù)機(jī)器人的分類主要是依據(jù)患者在康復(fù)訓(xùn)練中的身體姿勢，根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，下肢康復(fù)機(jī)器人主要分為：坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人、直立式下肢康復(fù)機(jī)器人、輔助起立式下肢康復(fù)機(jī)器人、多體位式下肢康復(fù)機(jī)器人。

第一，坐臥式相下肢康復(fù)機(jī)器人。坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人是患者在進(jìn)行康復(fù)的過程中通過坐立或者躺臥的體位以實(shí)現(xiàn)下肢康復(fù)訓(xùn)練的一種類型。主要又分為末端式下肢康復(fù)機(jī)器人、外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人兩種。其在進(jìn)行工作的過程中呈現(xiàn)的優(yōu)勢在于患者能夠坐立、斜躺或者平躺的姿勢都可以進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，不需要下肢的力量作為支撐，對運(yùn)動功能完全喪失或者部分喪失的患者都可以進(jìn)行應(yīng)用[1]。

第二，直立式下肢康復(fù)機(jī)器人。直立式下肢康復(fù)機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)對患者的康復(fù)治療過程中接近于日常生活中的下肢活動方式，使得其對激發(fā)患者自主提供身體的力量支撐起到極大的幫助。但是對于下肢運(yùn)動功能完全喪失的患者不可以進(jìn)行應(yīng)用。此類機(jī)器人主要包括懸吊減重式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和獨(dú)立穿戴式的機(jī)器人兩種。

第三，輔助起立式下肢康復(fù)機(jī)器人。顧名思義，此種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的過程中，能夠?qū)ο轮\(yùn)動功能障礙的患者在起立和坐下的過程中發(fā)揮輔助作用和主動提供平衡支持，對患者下肢起立和坐下的活動功能具有一定的訓(xùn)練作用[2]。

第四，多體位式下肢康復(fù)機(jī)器人。這是一種具有綜合性特征的下肢康復(fù)機(jī)器人，在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的過程中，可以提供不同體位的康復(fù)訓(xùn)練。此類下肢康復(fù)機(jī)器人能夠集中坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人和直立式下肢康復(fù)機(jī)器人的優(yōu)勢，使得能夠針對范圍更加廣泛的患者實(shí)現(xiàn)治療[3]。

2 交互控制方法研究

下肢康復(fù)機(jī)器人和患者之間的有效交流是實(shí)現(xiàn)下肢康復(fù)機(jī)器人能夠有效地進(jìn)行康復(fù)治療的關(guān)鍵所在。根據(jù)現(xiàn)階段獲取主動運(yùn)動意圖和過程中主要利用的信號形式不同，下肢康復(fù)機(jī)器人與患者之間的交互控制方法主要分為兩種類型：一是基于力信號的交互控制方式；二是基于生物醫(yī)學(xué)信號的交互控制方式。

2.1 交互控制方法

第一，基于力信號的交互控制方法。在力信號交互控制方法中，力信號具體是指由于患者下肢在肌肉收縮的過程中產(chǎn)生的可以作用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的力量。在此種交互方法中，可以通過比較巧妙的設(shè)計(jì)方式使得機(jī)械結(jié)構(gòu)是由力傳感器進(jìn)行直接測量的，也可以通過患者與下肢康復(fù)機(jī)器人交互控制實(shí)踐中的動力學(xué)模型進(jìn)行估計(jì)[4]。

第二，基于生物醫(yī)學(xué)信號的交互控制方法。在下肢康復(fù)機(jī)器人的人機(jī)交互控制方法中，如果是應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)信號進(jìn)行交互控制，現(xiàn)階段通常利用表面肌電信號和腦電信號。以上兩種生物醫(yī)學(xué)信號都是可以通過非侵入式的方式進(jìn)行獲取，所以在獲取信號中可操作性比較強(qiáng)，沒有必要加入專業(yè)醫(yī)護(hù)人員的輔助也可實(shí)現(xiàn)完成，在實(shí)踐中對于患者的安全性能夠進(jìn)行充分的保證[5]。

2.2 兩種交互控制方法的比較

第一，基于力信號的交互控制與生物醫(yī)學(xué)信號的交互控制相比，力信號的確定性更加具有優(yōu)勢，同時(shí)對患者主動運(yùn)行的意圖能夠直觀地進(jìn)行反映，所以具有一定的可靠性與穩(wěn)定性。

第二，在控制過程中生物醫(yī)學(xué)信號控制在監(jiān)測過程中更為方便靈活，而且在生物醫(yī)學(xué)信號交互控制中，生物醫(yī)學(xué)信號更能直接反映患者的主動復(fù)建意愿，除了對患肢肌肉系統(tǒng)具有康復(fù)作用，對患肢的神經(jīng)系統(tǒng)也具有益處。

因此，在現(xiàn)代交互控制方法中生物醫(yī)學(xué)信號控制方法使用范圍更加廣泛。

3 下肢康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展趨勢

3.1 趨向?qū)Ｓ没屯ㄓ没?/p>

對于下肢力量不是很強(qiáng)的患者來說，坐臥式設(shè)備著重于為其提供運(yùn)動訓(xùn)練，而直立式設(shè)備則傾向于對步態(tài)的訓(xùn)練，輔助起立式則專注于從坐到站進(jìn)行運(yùn)動練習(xí)。多體位時(shí)的機(jī)器人為大多數(shù)患者提供了康復(fù)訓(xùn)練的治療方案，特別是對下肢癱瘓的患者而言，這無疑是一件值得高興的事。相對來說，專用性設(shè)備的針對性較強(qiáng)，根據(jù)不同的患者的不同情況來制定適合其自身康復(fù)的訓(xùn)練策略，但是具有一定的局限性，而通用型機(jī)器人則具有與其相反的功能特性[6]。

3.2 主動訓(xùn)練策略受到重視

被動訓(xùn)練在訓(xùn)練的過程中著重對重復(fù)訓(xùn)練和周期性的訓(xùn)練，這在一定程度上雖然能夠改善患者的關(guān)節(jié)僵硬和肌肉萎縮等現(xiàn)象，但是對于患者下肢的運(yùn)動功能全面恢復(fù)的效果不夠明顯，而下肢康復(fù)機(jī)器人的主要目的是恢復(fù)患者的運(yùn)動功能，使得患者能夠正常的生活工作，所以在下一階段的下肢康復(fù)機(jī)器人開發(fā)中，注重患者主觀能動性發(fā)揮的機(jī)器人種類將受到重視，在機(jī)器人的指導(dǎo)和輔助下，有效地提高患者的自主參與意識，鼓勵患者積極地對肌肉收縮和患肢進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加良好的康復(fù)訓(xùn)練效果。

3.3 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動訓(xùn)練與FES的完美結(jié)合

FES（功能性電刺激）是能夠幫助患者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練的有效手段，可以單獨(dú)完成對患者下肢的肌肉進(jìn)行有效的刺激。在下肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)行系統(tǒng)中，一般將機(jī)器人的運(yùn)動訓(xùn)練功能與FES進(jìn)行有效整合，使得在機(jī)器人的各輔助引導(dǎo)下，患者下肢的康復(fù)性運(yùn)動能夠符合自然運(yùn)動的規(guī)律，有序地對肌肉群進(jìn)行刺激，使得患者的下肢肌肉群能夠進(jìn)行被動的收縮，強(qiáng)化治療過程中的細(xì)致肌肉力量的增長。因此，下一步的設(shè)計(jì)規(guī)劃中，下肢康復(fù)機(jī)器人必將實(shí)現(xiàn)與FES的完美結(jié)合[7]。

3.4 對生物醫(yī)學(xué)控制的應(yīng)用力度不斷增強(qiáng)

生物醫(yī)學(xué)信號的交互控制與傳統(tǒng)的力交互控制方法相比，具有更大的靈活性特征，而且更加符合人性化的設(shè)計(jì)理念。伴隨下肢癱瘓的病人數(shù)量的不斷增加，未來對于下肢康復(fù)機(jī)器人的需求量將會不斷增大，而且伴隨人民生活水平的提高，對于下肢康復(fù)機(jī)器人的質(zhì)量要求將不斷提高，所以為了滿足更多患者的要求，尤其是下肢運(yùn)動功能完全喪失患者的迫切需要，下肢康復(fù)機(jī)器人必然要進(jìn)行更加具有人性化的設(shè)計(jì)突破。但是由于生物醫(yī)學(xué)信號的交互控制在使用上具有一定的不穩(wěn)定性，所以從中獲取準(zhǔn)確的主動運(yùn)動意圖將是一項(xiàng)比較重大的挑戰(zhàn)。因此，需要設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的過程中，要對該方面進(jìn)行重視和把握[8]。

4 結(jié)語

綜上所述，文章首先對下肢康復(fù)機(jī)器人的概念進(jìn)行了闡述，繼而介紹了現(xiàn)階段下肢康復(fù)機(jī)器人的主要類型，然后對下肢康復(fù)機(jī)器人的交互控制方法進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上對下肢康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。希望通過文章的闡述，能夠?yàn)橄轮祻?fù)機(jī)器人的使用者提供一定的參考意見，使得下肢康復(fù)機(jī)器人能夠造福更多的下肢癱瘓病人，使得下肢癱瘓病人早日實(shí)現(xiàn)康復(fù)。同時(shí)希望，我國智能醫(yī)療器械的制造商能夠?qū)ο轮c瘓機(jī)器人的研究力度不斷提高，使得我國下肢康復(fù)機(jī)器人的研究和生產(chǎn)水平處于世界領(lǐng)先的地位，促進(jìn)我國醫(yī)療事業(yè)的全面進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1] 尹鵬飛.下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械，2013，1（9）：45-48.

[2] 崔文琪，李峰.下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中的跑步機(jī)速度跟隨自適應(yīng)控制方法[J].現(xiàn)代制造工程，2013，4（9）：30-34.

[3] 潘鈺，郄淑燕.下肢康復(fù)機(jī)器人及其在脊髓損傷康復(fù)中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].中國脊柱脊髓雜志，2013，11（11）：1010-1014.

[4] 萬大千，徐義明，白躍宏.下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的研究與進(jìn)展[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2011，12（52）：9855-9858.

[5] 陳貴亮，周曉晨，劉更謙.下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的靈敏度放大控制研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，9（2）：53-56.

[6] 謝欲曉，白偉，張羽.下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與趨勢[J].中國醫(yī)療器械信息，2010，4（2）：5-8.

[7] 李光林，鄭悅，吳新宇，等.醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人研究進(jìn)展及趨勢[J].中國科學(xué)院院刊，2015，3（6）：793-802.

[8] 趙雅寧，郝正瑋，李建民，等.下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人對缺血性腦卒中偏癱患者平衡及步行功能的影響[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2012，5（11）：1015-1020.