下肢康复机器人及其交互控制方法

下肢康复机器人及其交互控制方法

于印

于印青岛市南区人民医院266000

摘要：随着瘫痪病人数量的增多，其康复训练得到了广泛的关注。在先进技术的支持下，辅助康复训练的机器人随之出现，在此基础上，提高了康复训练的效率，控制了成本，减少了理疗师的体力消耗，保证了康复医疗资源的合理利用，促进了主被动训练方法的实现，进而提升了康复效果。本文主要介绍了下肢康复机器人的概况，同时阐述了下肢康复机器人的交互控制方法，旨在推动下肢康复机器人的发展。

关键词：下肢；康复机器人；交互控制

引言：下肢运动功能障碍的成因主要为中风与脊髓损伤，中风作为急性脑血管疾病，其发病率、致残率均相对比较高，对患者的大脑神经造成了永久性的损伤，并伴有严重的后遗症，如：偏瘫；脊髓损伤主要是由意外事故造成的，其致残率较高。下肢运动功能障碍直接影响着患者的正常生活、工作与学习，对于瘫痪患者而言，其治疗的主要手段为康复，通过康复可以改善患者下肢的运动功能。传统的康复治疗主要是借助理疗师的手动辅助实现的，此时的康复成本偏高、训练方法过于单一、耗时过多，在此情况下，患者的康复训练效果较差。因此，在康复训练中开始使用机器人，它弥补了传统康复训练的不足，提高了康复训练质量。

1、下肢康复机器人的概况

下肢康复机器人的类型众多，具体类型如下：

1.1坐卧式机器人

此类机器人最为显著的优点便是，在训练时患者可以保持坐立、平躺或者斜趟的姿态，它满足了运动功能完全丧失患者的需求。但对于部分自主控制下肢肌肉收缩患者来说，此款机器人不利于患者肢体功能的恢复[1]。

坐卧式机器人可以分为末端式与外骨骼式，前者造价低，操作简便，它作为下肢康复机器人的低端设备，有效缓解了患者的各种并发症，但仅能够实施简单的训练方法，康复效果有限。后者的执行机构构成为两条机械腿，其关节对应人体下肢的运动自由度，在训练时，患者下肢沿着机械腿并列固定，此款机器人实现了单关节与多关节运动，同时也满足了主被动康复训练的需要。

1.2直立式机器人

此类机器人应用于康复训练中患者可采取站立姿态，通过训练刺激患者进行自主支撑身体，利于恢复患肢的功能。但此方法仅适用于轻度损伤患者，而对于下肢运动功能完全丧失的患者而言，其康复效果不佳。

直立式机器人可以分为悬吊减重式与独立可穿戴式，前者主要是患者腰胸部穿戴挽具，用绳索连接挽具与头顶上方支架，以此实现了对躯干的提拉，此款机器人应用于下肢运动功能障碍患者，提高了康复效果，减少了理疗师的体力消耗；后者十分灵活，可以帮助患者完成日常活动，以此达到康复训练的目的[2]。

1.3其他机器人

辅助起立式机器人为患者的运动提供了支撑使其保持平衡，但单一的起立训练未能满足下肢运动功能康复的需求，因此，关于此设备的研究较少；多体位式机器人为患者提供了不同体位的运动训练，患者可根据自身的实际需求，选择不同的姿态，因此，此类设备具有较广的适用范围。

2、下肢康复机器人交互控制方法

机器人和患者二者间交互控制方法主要分为两类，具体内容如下：

2.1在力信号方面

力信号中的力是指肢体肌肉收缩作用于机械结构的力，即：交互力。力信号具有良好的确定性，直接体现了患者主动运动的意图，因此，基于力信号的交互控制具有较强的稳定性与可靠性，但其对机械结构的依赖性较强，因此，对于信号的检测缺少灵活性与便捷性，此方法的适用范围较窄。目前，康复机器人和患者间的交互控制方法使用最为广泛与普遍的为力位混合控制与阻抗控制[3]。

2.2在生物医学信号方面

生物医学信号在实际使用中最为常见的为表面肌电与脑电，二者信号获取的方式为非侵入性，因此，二者具有较强的可操作性与安全性。肌电信号主要是指源于骨骼肌的电活动，其优点为便捷性、全面性、灵活性与灵敏性，其缺点为信号的获取具有较大的随机性，仅能够体现特定肌肉的活动情况，未能呈现患者主动运动的意图。基于肌电信号的交互控制方法主要有两种，一种为借助患肢自身残存的肌电，另一种为借助左右肢体或者上下肢体的运动协调性，此方法作为主动训练，适用于重度瘫痪患者。脑电主要是通过电极采集脑部的电活动，明确大脑内部神经元间的电压波动，其优点为发挥了大脑功能的作用，适用于完全脊髓损伤患者，通过大脑控制信号的重建，促进了患者肢体运动功能的恢复，其缺点为未能满足脑损伤患者的需求，同时对肢体运动意图的分辨性低，并且具有较大的随机性[4]。

总结：综上所述，下肢康复机器人对下肢瘫痪患者提供了个性化的训练方法，通过对其研究，丰富了机器人的类型及其交互控制方法，具体类型有坐卧式、直立式、辅助起立式及多体位式机器人，主要的交互控制方法为基于力信号与生物医学信号方法，患者可以根据自身的情况，选择适合的机器人类型与交互控制方法，但目前，机器人的使用具有局限性，仍需进一步研究，以此促进机器人的发展。

参考文献：

[1]胡进,侯增广,陈翼雄等.下肢康复机器人及其交互控制方法[N].自动化学报,2014,11:2377-2390.

[2]陈贵亮,周晓晨,刘更谦.下肢外骨骼康复机器人的灵敏度放大控制研究[N].河北工业大学学报,2015,02:53-56+94.

[3]王东岩,李庆玲,杜志江等.外骨骼式上肢康复机器人及其控制方法研究[N].哈尔滨工程大学学报,2012,09:1008-1013.

[4]潘钰,郄淑燕.下肢康复机器人及其在脊髓损伤康复中应用的研究进展[J].中国脊柱脊髓杂志,2013,11:1010-1014.