基于表面肌电信号的下肢康复机器人控制方法探究

2015-02-10岳龙旺冯腾飞

医疗装备 2015年8期

关键词：模式识别假肢电信号

刘东，岳龙旺，冯腾飞

（河南工业大学，河南郑州450000）

基于表面肌电信号的下肢康复机器人控制方法探究

刘东，岳龙旺，冯腾飞

（河南工业大学，河南郑州450000）

现代社会发展过程中，越来越多的人受到后天影响而引发下肢单侧肌体运动能力损伤。目前康复医疗领域的主题就是对这类患者开展治疗，使其恢复运动能力。传统的临床运动疗法，康复效率比较低，患者参与意识薄弱，医师工作强度比较大，而且训练效果和评价结果容易受到医师的主观意识影响。在这种情况下，下肢康复机器人开始出现。

表面肌电信号；下肢康复机器人；控制方法

表面肌电信号（surface electromyography signal）是一种应用于康复机器人的机构设计方法，主要是利用表面肌电电极从人体皮肤采集生物电信号，这种生物电信号可以反映人体神经肌肉运动过程。因此在临床医学和康复医学领域，表面肌电信号可以发挥重要的价值［1］。

1.比较常见的康复机器人的机构设计方法

康复机器人的机构设计方法一般可分为端部结构、外骨骼结构、混合型结构三种。端部结构康复机器人系统通常是在某一个点上与患者有身体接触，这种结构设计比较容易，不同患者均可使用。这类结构比较常见的有Arm-trainer、Gentles sys-tem、MIT-Manus等。外骨骼结构的康复机器人，相对于端部结构而言，可以实现多处与患者的身体进行接触，然后同时对患者的不同身体部位施加力作用。对不同患者的适应性差是这类结构的缺点。比较常见的有Lokomat、MIME、ARM-Guide等。混合型结构的机器人是融合了前两种结构的优点，既可以满足不同患者的需求，又可以独立控制施加在患者身体不同部位的力，如：ARMin。

2.表面肌电信号的下肢康复机器人控制方法

肌电控制主要是获取肌肉中的肌电信号，通过放大、滤波、检分和积分这些肌电信号后，将作为动力关节的电机、气泵与油压泵进行驱动，使控制结构开始运动。其中控制方法主要分为三种：数字控制、比例控制、模式识别控制［2］。

2.1 数字控制：也称阈值控制，只要是运用某种手段把肌电信号或肌电信号的特征值转化为数字开关信号，以实现对机器人关节运动的控制。这类控制的缺点在于机器人运动的速度和力量同肌肉收缩的速度和力量不成比例，在控制中存在一些缺陷。浙江大学机电所研制的基于肌电信号的下肢康复医疗机器人即是运用的数字控制策略。

2.2 比例控制：比例控制主要是在肌电信号驱动电机的同时，输出肌电信号的频率和幅度，使肌电信号的参数发生变化时，电机的回转速度和输出力矩随之变化，这样，机器人运动的速度和力量同肌肉收缩的速度和力量便可以成比例关系，弥补了数字控制的不足。这类控制比较成功的是由荷兰内梅亨大学设计的膝关节康复运动的机构、德国Otto-Bock公司的表面肌电控制假肢。

2.3 模式识别控制：模式识别控制主要是采用一定的手段与方法，建立肌肉伸缩动作和肌电信号状态间的关系。在机器人运行时，通过分析判断采集到的信号所处的状态，以此推断控制端肌体所发生的动作，并通过控制指令来驱动电机，使机器人做出控制端的指定的运动。一般有两种具体的表现形式，分别是定量模式识别和定性模式识别。所以，模式识别控制是现在肌电控制方法研究的热点。目前这种控制方法应用比较成功的有上海交通大学机器人研究所研发的一款R-P-S三自由度踝关节康复助力假肢，另外杭州电子科技大学智能控制与机器人研究所提出的一种关于足底压力、膝关节角度和表面肌电信号的获取方法，为以肌电控制为基础、多信息智能控制的下肢假肢提供了理论基础。

3 表面肌电信号在未来机构设计中的发展趋势

表面肌电信号在医学基础研究、康复工程等许多领域均有广泛的应用，随着利用肌肉生理模型来分辨人体肌肉的运动轨迹理论的提出，电子假肢的研究制造也得到了深入的发展。目前国内外对假肢的研究，均改变了原来靠触动开关和预设启动控制假肢的系统，转而利用表面肌电信号来控制假肢的运动，使肢体的动作通过检测到的肌电信号分析获得，让假肢使用者使用起来更方便。对于瘫痪患者，可以通过两方面恢复瘫痪肢体的基本活动，一方面依据肌电信号分析出的值对肌体进行适当的刺激，另一方面医师获得表面肌电信号的参数，成为在后续治疗中的参考数据，所以在康复领域中表面肌电信号的检测将发挥越来越重要的作用。

在运动医学领域，表面肌电信号也可以发挥重要作用，它可以对运动员的运动进行检测，快速反映出运动员的肌肉状态，为教练和工作人员实施有效的训练方法提供事实依据。