下肢康復(fù)機(jī)器人的交互控制研究*

劉中華

(湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 湘潭 411104)

引言：

隨著信息技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能技術(shù)、臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展，下肢康復(fù)機(jī)器人目前已在臨床上進(jìn)行試驗(yàn)。由于下肢康復(fù)機(jī)器人在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，需要和患者配合感知，才能做出上下樓梯、行走等動(dòng)作。因此，下肢康復(fù)機(jī)器人的交互控制系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備的核心和關(guān)鍵。目前我國(guó)的下肢康復(fù)機(jī)器人控制技術(shù)還存在不夠智能化、自適應(yīng)性進(jìn)行調(diào)整較差、人機(jī)交互水平不高等問(wèn)題。通過(guò)探討下肢康復(fù)機(jī)器人的交互式控制系統(tǒng)，對(duì)提高下肢康復(fù)機(jī)器人的自適應(yīng)水平和控制性能具有重要意義。

1.下肢康復(fù)機(jī)器人的類(lèi)別

目前學(xué)術(shù)界對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人還沒(méi)有明確的定義，根據(jù)下肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念，下肢康復(fù)機(jī)器人指臨床上用于神經(jīng)損傷或者其他疾病導(dǎo)致下肢行走困難，可以為行走障礙的患者提供安全、有效的步行訓(xùn)練方式。通過(guò)機(jī)械帶動(dòng)患者進(jìn)行大量重復(fù)性的步態(tài)訓(xùn)練，讓患者建立正確的運(yùn)動(dòng)行為模式，為患者今后康復(fù)正常行走打下良好的基礎(chǔ)。目前下肢機(jī)器人主要分為坐臥式、直立式、輔助式以及多體位下肢康復(fù)機(jī)器人。

1.1 坐臥式康復(fù)機(jī)器人

坐臥式康復(fù)機(jī)器人指在康復(fù)的時(shí)候，患者只需要平躺或者左立的姿勢(shì)，不需要下肢站立提供支撐力。坐臥式康復(fù)機(jī)器人可以分為外骨骼式機(jī)器人和末端式機(jī)器人。

1.2 直立式康復(fù)機(jī)器人

直立式機(jī)器人適合下肢輕度損傷的患者，因?yàn)樵诳祻?fù)訓(xùn)練過(guò)程中，需要患者站立進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。直立式康復(fù)機(jī)器人包括可穿戴式設(shè)備和步態(tài)訓(xùn)練兩種方式。可穿戴式設(shè)備是下肢康復(fù)機(jī)器人最靈活的一種康復(fù)訓(xùn)練方式，患者需要佩戴康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備，可以進(jìn)行上下坡、上下樓梯、直立行走等行為，康復(fù)機(jī)器人與人體雙腿結(jié)構(gòu)相似。步態(tài)訓(xùn)練主要針對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者康復(fù)訓(xùn)練[1]。

1.3 輔助式康復(fù)機(jī)器人

輔助式機(jī)器人主要為患者在訓(xùn)練過(guò)程的起立、行走、坐下等動(dòng)作提供支持，鍛煉患者下肢起立、坐臥、行走等方面的能力。瑞士Balgrist大學(xué)附屬醫(yī)院脊髓損傷中心和中國(guó)蝶和科技共同研發(fā)的一款專(zhuān)業(yè)下肢康復(fù)機(jī)器人Lokomat?Pro，主要用于由于腦損傷、神經(jīng)性損傷、肌肉損傷等原因造成步態(tài)異常的患者步態(tài)訓(xùn)練，Lokomat?Pro機(jī)器腿可以根據(jù)患者的盆骨寬度、大小腿長(zhǎng)度、腿部帶扣的大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，保持患者康復(fù)時(shí)下肢關(guān)節(jié)位置的舒適度和自適應(yīng)性[2]。

1.4 多體位下肢康復(fù)機(jī)器人

多體位下肢康復(fù)機(jī)器人可以為患者提供各種坐臥式、直立式等各種體位康復(fù)訓(xùn)練，讓患者根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的康復(fù)訓(xùn)練，依次多體位下肢康復(fù)機(jī)器人在醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練中應(yīng)用比較廣泛，具有良好的適應(yīng)性。

2.下肢康復(fù)機(jī)器人交互式控制方式

交互式控制方式可以為患者和機(jī)器人之間提供一個(gè)相對(duì)安全、舒適的訓(xùn)練環(huán)境，避免患者在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中出現(xiàn)痙攣、顫抖等異常肌肉活動(dòng)并與機(jī)器控制結(jié)構(gòu)產(chǎn)生對(duì)抗，導(dǎo)致下肢肌肉遭受第二次損傷。機(jī)器人的控制系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器接收的信號(hào)，判斷出患者的運(yùn)動(dòng)意圖，從而讓患者主動(dòng)參與到康復(fù)訓(xùn)練中。目前下肢康復(fù)機(jī)器人有基于力信號(hào)的交互控制方式和基于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)交互控制方式的兩種控制方法。

2.1 基于力信號(hào)交互控制方式

基于力信號(hào)交互控制方式是利用下肢肌肉收縮作用在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的力，安裝在機(jī)器人結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到人體下肢肌肉變化，從而真實(shí)反映肌肉狀態(tài)和人體運(yùn)動(dòng)意圖，從而讓機(jī)器人作出和人體意圖一致的行為。基于力信號(hào)交互控制可以分為阻抗控制方式和力位混合控制兩種方式。阻抗控制方式避免在訓(xùn)練過(guò)程中，下肢肌肉出現(xiàn)與機(jī)器人訓(xùn)練方式進(jìn)行對(duì)抗，確保機(jī)器人和患者之間有一個(gè)良好的適應(yīng)和交互過(guò)程，因此目前在下肢機(jī)器人控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用；力位混合控制方式可以讓機(jī)器人在一個(gè)空間比較小的環(huán)境下控制機(jī)器人的行為，不需要精準(zhǔn)的力軌跟蹤。基于力信號(hào)交互控制方式采集的信號(hào)穩(wěn)定性和可靠性比較好，但是對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的依賴(lài)性比較大，缺乏靈活性和便捷性[3]。

2.2 基于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的交互式控制

下肢康復(fù)機(jī)器人交互控制方式主要是表面肌電和腦電兩種生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，這兩種信號(hào)通過(guò)非侵入性獲取，安全性和操作性比較強(qiáng)。表面肌電信號(hào)是通過(guò)采集下肢骨骼肌肉電信號(hào)，判斷下肢肌肉活動(dòng)規(guī)律。這種控制方式比較靈活、靈敏，但是獲取的肌電信號(hào)隨機(jī)性很大，只能反映特點(diǎn)肌肉的情況，無(wú)法全面反映患者的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖。腦電交互控制方式是將腦電信息采集裝置貼合在患者腦部頭皮，采集腦部電極活動(dòng)信息，從而判斷出患者的大腦意識(shí)。這種控制方式充分利用大腦功能，促進(jìn)患者下肢運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。腦電交互式控制方式適合下肢不同損傷患者的康復(fù)訓(xùn)練，即便患者下肢已經(jīng)喪失了活動(dòng)的能力，但是利用大腦可以進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練。但是不適合腦損傷患者恢復(fù)，且采集腦電信號(hào)隨意性比較大。

結(jié)束語(yǔ)：

下肢康復(fù)機(jī)器人根據(jù)患者的損傷情況，研發(fā)了不同類(lèi)型的康復(fù)機(jī)器人。下肢康復(fù)機(jī)器人人機(jī)交互主要采用力信號(hào)控制和生物醫(yī)學(xué)信號(hào)交互控制兩種。力信號(hào)人機(jī)交互控制方式適合下肢損傷不嚴(yán)重的患者，可以為患者康復(fù)提供結(jié)構(gòu)支撐。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)適合下肢損傷比較嚴(yán)重的患者，可以通過(guò)采集腦電波信號(hào)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。