下肢康復機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；2.長光衛星技術有限公司，吉林 長春 130000）

當前我國癱瘓患者的數量在不斷增加，其康復訓練受到了人們的共同關注。輔助康復訓練機器人的出現能夠有效提升康復訓練的效率，在降低投入成本的基礎上減少了理療師的體力消耗，保障康復醫療資源的合理利用。

1 下肢康復機器人

按照普遍接受的理解，下肢康復機器人是機電裝置，可以幫助患者較低的肢體電機功能損傷，自動或半自動地完成康復訓練，以達到神經康復的目的，回饋受傷的中樞神經系統，刺激受傷神經的再生或補償受傷功能的受傷神經。

1.1 坐臥式機器人

下肢康復機器人最大的優勢在于，在運動訓練中，患者有癥狀，如坐姿、強迫性疾病等。由于下肢不提供對身體的支持，所以它適用于完全失去運動的患者。然而，對于能夠控制下肢肌肉收縮的患者，姿勢不利于受影響肢體的致病功能的恢復。根據機構與受影響的肢體之間的相互作用，下肢康復機器人可以進一步分為兩種類型：終端和外骨骼。終端機器人通常使用一對踏板來接觸患者的腳。此外，機制和患者之間沒有相互作用的點。這個機器人的成本很低，但它只能實現相對簡單的訓練策略和終端軌跡。它屬于下肢康復機器人的低端設備，用于緩解由臂上物體的癱瘓和肌肉萎縮引起的并發癥，并進行康復治療。電動自行車是最常用的終端型下肢康復機器人，具有結構簡單的優點和單一自由度驅動。在運動訓練中，患者的腳被放置在踏板上，以完成固定軌道的騎自行車運動。除了共同的踏板外，一些研究機構還制定了其他形式的多程度的自由終點效果，哈爾濱工程大學開發了一個扁平的下肢康復裝置，它采用三度自由平行機械結構，滑動接頭實現兩條腿的圓周運動，并且兩個旋轉自由度用于調節腳踝關節角度運動培訓。與跑步機設備相比，機器人在踏板上增加了兩個獨立驅動的旋轉接頭，以控制踝關節的角度，但下肢（踝關節）的軌跡仍然是固定的，因此只有被動康復訓練策略。當下，放置時，除了踏板和腳之間的接觸之外，腿部和腿部機構之間可能存在相互作用點。外骨骼下肢康復機器人可以輕松實現單個關節運動，完全多聯合協調訓練。軌跡可以在工作區中自由編程，并具有各種主機被動康復培訓策略。

1.2 直立式機器人

患者在使用直立的下肢康復機器人時使用常設姿勢，這更接近肢體日常生活的活動而不是坐姿姿勢訓練，這有利于刺激患者為身體提供支持，并有助于恢復肢體腳功能。它不僅具有很少的恢復效果，而且可能導致肢體的二次傷害。按照重量支撐，垂直機器人可分為兩種類型：懸掛式負載步態訓練機器人和獨立可佩帶的機器人。BWSTT 通過懸架機構和安全帶支撐患者重量的一部分，并將其放在跑步機上。這個過程既昂貴又艱苦。懸浮的減肥步態訓練機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，確保傳統方法的有效性。所謂的懸掛式黏液體重損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提升軀干來實現負荷支持，并保持患者的直立姿勢。這種機器人具有類似人體的腿部結構的機械矯形器。當患者穿著它時，有時用于在同時進行支持和康復培訓時保持患者的平衡。

1.3 輔助起立式機器人

輔助提升機器人為患者的運動提供了一定的支持，同時能夠確保患者的身體平衡，但這種單個的提升訓練無法滿足下肢電機功能康復的實際需求，因此，對設備的研究較少；多位置機器人提供不同位置的患者的運動訓練，并且患者可以按照其實際需求選擇不同的位置，因此這種設備具有許多應用程序。輔助升降站的下肢康復機器人主要在站立或坐著的過程中提供支持和平衡，并在坐在地上訓練下肢。然而，單獨的站立訓練對于較低肢體電機功能的康復并不重要，因此，對這種設備的發展的研究相對較小。更常見的是，輔助垂直機器人具有帶驅動器的移動機械平臺。

2 交互控制方法

互動控制可以為患者創造一個安全、舒適、自然、積極的訓練環境，避免由于肌肉痙攣和搖動而對抗機器人，并能夠保護患者免受二次傷害。

2.1 基于力信號的交互控制

在基于力信號的交互式控制中，力信號是指機械結構中的肢體肌肉收縮的力，其可以通過力/扭矩傳感器或人機混合模型系統通過智能機械結構來測量。因此，力信號交互式控制相對可行、可靠且穩定。然而，相互作用力的獲取通常取決于機械結構，這不如檢測生物醫學信號那么方便，因此該相互作用控制方法的應用范圍是有限的。在康復機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，用于解決有限環境中機器人的控制問題。這個問題可以簡單地描述為機器人之間的一個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，當機器人與外部環境接觸時，將任務空間自然分為兩個子空間：位置空間和動力空間。下肢康復機器人的交互是為了創造一個安全、舒適、自然的康復環境，在患者的訓練環境中，很少需要精確的軌跡跟蹤，因此有必要提高機器人的性能，并提高機器人的運動性能混合位置控制方法在患者與機器人的交互中并不常見。

2.2 在生物醫學信號方面

當前的研究主要集中在離線分類和回歸分析中，只有心肌信號相互作用控制的潛力，但實際應用和實驗研究差，而實時互動控制與離線研究相比更挑戰，實際電信號不能從離線研究中具有數據的完整性，因此它可以影響識別的準確性，并且需要相互作用時間，這不僅需要EEG 信號的運動識別，還需要預測。

生物醫學信號是表面肌電圖中最常見的信號，兩者都是非侵入性的。因此，兩者都具有強大的可操作性和安全性，主要是指肌肉電信號。De Bar 電活動的功能來自骨骼肌。其優點方便、全面、靈活、靈敏。缺點是信號采集具有大的隨機性，這只能反映特定肌肉的活動，并且不能主動呈現患者的運動意向。基于心肌信號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。這個方法用作活動培訓。能夠有效地適用于一些重癥患者的癱瘓中。主要通過電極電活動收集大腦信息，大腦內部神經元之間有明顯的波動，它的優點是玩腦筋功能。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，有效地促進了身體素質的恢復，但其缺點是不能滿足腦損傷患者的實際需求，肢體分辨率有著十分重要的意義。

3 結語

由上可知，下肢康復機器人的應用為下肢癱瘓的患者提供了人性化的訓練方式，通過對其研究能夠有效地豐富機器人的類型以及交互控制的方法，患者可以依據自身的實際情況選擇合適的機器人類型和交互控制方法。