下肢康复机器人及其交互控制方法分析

霍天枢，潘鸣宇

（1.吉林广播电视大学；2.长光卫星技术有限公司，吉林 长春 130000）

当前我国瘫痪患者的数量在不断增加，其康复训练受到了人们的共同关注。辅助康复训练机器人的出现能够有效提升康复训练的效率，在降低投入成本的基础上减少了理疗师的体力消耗，保障康复医疗资源的合理利用。

1 下肢康复机器人

按照普遍接受的理解，下肢康复机器人是机电装置，可以帮助患者较低的肢体电机功能损伤，自动或半自动地完成康复训练，以达到神经康复的目的，回馈受伤的中枢神经系统，刺激受伤神经的再生或补偿受伤功能的受伤神经。

1.1 坐卧式机器人

下肢康复机器人最大的优势在于，在运动训练中，患者有症状，如坐姿、强迫性疾病等。由于下肢不提供对身体的支持，所以它适用于完全失去运动的患者。然而，对于能够控制下肢肌肉收缩的患者，姿势不利于受影响肢体的致病功能的恢复。根据机构与受影响的肢体之间的相互作用，下肢康复机器人可以进一步分为两种类型：终端和外骨骼。终端机器人通常使用一对踏板来接触患者的脚。此外，机制和患者之间没有相互作用的点。这个机器人的成本很低，但它只能实现相对简单的训练策略和终端轨迹。它属于下肢康复机器人的低端设备，用于缓解由臂上物体的瘫痪和肌肉萎缩引起的并发症，并进行康复治疗。电动自行车是最常用的终端型下肢康复机器人，具有结构简单的优点和单一自由度驱动。在运动训练中，患者的脚被放置在踏板上，以完成固定轨道的骑自行车运动。除了共同的踏板外，一些研究机构还制定了其他形式的多程度的自由终点效果，哈尔滨工程大学开发了一个扁平的下肢康复装置，它采用三度自由平行机械结构，滑动接头实现两条腿的圆周运动，并且两个旋转自由度用于调节脚踝关节角度运动培训。与跑步机设备相比，机器人在踏板上增加了两个独立驱动的旋转接头，以控制踝关节的角度，但下肢（踝关节）的轨迹仍然是固定的，因此只有被动康复训练策略。当下，放置时，除了踏板和脚之间的接触之外，腿部和腿部机构之间可能存在相互作用点。外骨骼下肢康复机器人可以轻松实现单个关节运动，完全多联合协调训练。轨迹可以在工作区中自由编程，并具有各种主机被动康复培训策略。

1.2 直立式机器人

患者在使用直立的下肢康复机器人时使用常设姿势，这更接近肢体日常生活的活动而不是坐姿姿势训练，这有利于刺激患者为身体提供支持，并有助于恢复肢体脚功能。它不仅具有很少的恢复效果，而且可能导致肢体的二次伤害。按照重量支撑，垂直机器人可分为两种类型：悬挂式负载步态训练机器人和独立可佩带的机器人。BWSTT 通过悬架机构和安全带支撑患者重量的一部分，并将其放在跑步机上。这个过程既昂贵又艰苦。悬浮的减肥步态训练机器人可以大大降低物理治疗师的身体需求和物理消耗的成本，确保传统方法的有效性。所谓的悬挂式黏液体重损失是将患者的腰部和带有主体连接。头支架的绳索可以通过提升躯干来实现负荷支持，并保持患者的直立姿势。这种机器人具有类似人体的腿部结构的机械矫形器。当患者穿着它时，有时用于在同时进行支持和康复培训时保持患者的平衡。

1.3 辅助起立式机器人

辅助提升机器人为患者的运动提供了一定的支持，同时能够确保患者的身体平衡，但这种单个的提升训练无法满足下肢电机功能康复的实际需求，因此，对设备的研究较少；多位置机器人提供不同位置的患者的运动训练，并且患者可以按照其实际需求选择不同的位置，因此这种设备具有许多应用程序。辅助升降站的下肢康复机器人主要在站立或坐着的过程中提供支持和平衡，并在坐在地上训练下肢。然而，单独的站立训练对于较低肢体电机功能的康复并不重要，因此，对这种设备的发展的研究相对较小。更常见的是，辅助垂直机器人具有带驱动器的移动机械平台。

2 交互控制方法

互动控制可以为患者创造一个安全、舒适、自然、积极的训练环境，避免由于肌肉痉挛和摇动而对抗机器人，并能够保护患者免受二次伤害。

2.1 基于力信号的交互控制

在基于力信号的交互式控制中，力信号是指机械结构中的肢体肌肉收缩的力，其可以通过力/扭矩传感器或人机混合模型系统通过智能机械结构来测量。因此，力信号交互式控制相对可行、可靠且稳定。然而，相互作用力的获取通常取决于机械结构，这不如检测生物医学信号那么方便，因此该相互作用控制方法的应用范围是有限的。在康复机器人和患者之间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广泛使用的，用于解决有限环境中机器人的控制问题。这个问题可以简单地描述为机器人之间的一个方向之间的相互作用和其他外部之间的相互作用。因此，在搅拌控制和位置的搅拌控制中，当机器人与外部环境接触时，将任务空间自然分为两个子空间：位置空间和动力空间。下肢康复机器人的交互是为了创造一个安全、舒适、自然的康复环境，在患者的训练环境中，很少需要精确的轨迹跟踪，因此有必要提高机器人的性能，并提高机器人的运动性能混合位置控制方法在患者与机器人的交互中并不常见。

2.2 在生物医学信号方面

当前的研究主要集中在离线分类和回归分析中，只有心肌信号相互作用控制的潜力，但实际应用和实验研究差，而实时互动控制与离线研究相比更挑战，实际电信号不能从离线研究中具有数据的完整性，因此它可以影响识别的准确性，并且需要相互作用时间，这不仅需要EEG 信号的运动识别，还需要预测。

生物医学信号是表面肌电图中最常见的信号，两者都是非侵入性的。因此，两者都具有强大的可操作性和安全性，主要是指肌肉电信号。De Bar 电活动的功能来自骨骼肌。其优点方便、全面、灵活、灵敏。缺点是信号采集具有大的随机性，这只能反映特定肌肉的活动，并且不能主动呈现患者的运动意向。基于心肌信号存在两种相互作用控制方法，是受影响肢体影响的肌肉电力。另一种是使用左臂和右臂或上肢和下肢四肢。这个方法用作活动培训。能够有效地适用于一些重症患者的瘫痪中。主要通过电极电活动收集大脑信息，大脑内部神经元之间有明显的波动，它的优点是玩脑筋功能。它适用于脊髓完整的患者受伤，其主要是由重建脑控制信号，有效地促进了身体素质的恢复，但其缺点是不能满足脑损伤患者的实际需求，肢体分辨率有着十分重要的意义。

3 结语

由上可知，下肢康复机器人的应用为下肢瘫痪的患者提供了人性化的训练方式，通过对其研究能够有效地丰富机器人的类型以及交互控制的方法，患者可以依据自身的实际情况选择合适的机器人类型和交互控制方法。