下肢康复机器人及其交互控制方法

李妍姝

摘 要：伴随社会的全面发展，科学技术水平日新月异的进步，医疗事业得到了全方位的发展。智能化的医疗器械对于医疗水平的全面提高发挥重要作用，受到了社会的广泛关注。现阶段，下肢瘫痪病人的数量与日俱增，如何实现下肢瘫痪病人的康复训练已经成为医学界热议的的话题。下肢康复机器人是在科学技术迅猛发展、智能化医疗器械水平不断提高的基础上应运而生，对于下肢瘫痪病人的康复训练发挥重要的作用。该文以下肢康复机器人为研究视角，针对下肢康复机器人的类型和其人际交互控制方法展开分析讨论，旨在为下肢瘫痪病人的康复训练提供一定的参考，为我国智能化医疗器械水平的提供贡献力量。

关键词：下肢康复机器人 交互控制 方法

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（b）-0112-02

下肢康复机器人出现，为下肢瘫痪病人的康复训练治疗注入了新鲜的血液，带来了全新的生机。下肢康复机器人对于病人康复训练与传统的治疗措施相比，具有无可比拟的优势，能够使得康复训练的成本降低、而且病人能够在家中进行康复训练，终结了康复训练受到时间和空间限制的时代，使得康复医疗的资源配置更加合理化，康复医疗的技术水平得到全面的提高。因此，下肢康复机器人受到医学界甚至社会各界的广泛关注。为了能够使得患者对下肢康复机器人形成更加系统的认知，在使用过程中能够有效地选择合适的类型进行运用，笔者现将现阶段下肢康复机器人的类型进行细致的分析，对下肢康复机器人的交互控制方法进行阐述，并对下肢康复机器人的发展趋势进行预测，促进我国智能化医疗器械向着更加先进的方向发展。

1 下肢康复机器人概述

1.1 下肢康复机器人概念

现阶段，对于下肢康复机器人在概念上并没有得到全面明确的阐述。但是根据下肢康复机器人的的作用和在实践中的应用，普遍认为，下肢康复机器人是指能够辅助下肢受到一定损害不能够进行正常运动或者运动功能暂时丧失的患者进行系列康复治疗的智能化医疗器械。现代康复机器人一般能够进行自动化或者半自动化康复训练的机电一体化的康复治疗设备。在辅助下肢瘫痪病人的康复治疗过程中，主要通过对患者下肢采取有效运动训练和功能性电刺激的方式方法，使得患者受到损伤的中枢神经形成一定的反应，从而使损伤神经能够实现再生。

1.2 下肢康复机器人的类型

现阶段对于下肢康复机器人的分类主要是依据患者在康复训练中的身体姿势，根据这一标准，下肢康复机器人主要分为：坐卧式下肢康复机器人、直立式下肢康复机器人、辅助起立式下肢康复机器人、多体位式下肢康复机器人。

第一，坐卧式相下肢康复机器人。坐卧式下肢康复机器人是患者在进行康复的过程中通过坐立或者躺卧的体位以实现下肢康复训练的一种类型。主要又分为末端式下肢康复机器人、外骨骼式下肢康复机器人两种。其在进行工作的过程中呈现的优势在于患者能够坐立、斜躺或者平躺的姿势都可以进行康复训练，不需要下肢的力量作为支撑，对运动功能完全丧失或者部分丧失的患者都可以进行应用[1]。

第二，直立式下肢康复机器人。直立式下肢康复机器人在实现对患者的康复治疗过程中接近于日常生活中的下肢活动方式，使得其对激发患者自主提供身体的力量支撑起到极大的帮助。但是对于下肢运动功能完全丧失的患者不可以进行应用。此类机器人主要包括悬吊减重式康复训练机器人和独立穿戴式的机器人两种。

第三，辅助起立式下肢康复机器人。顾名思义，此种下肢康复训练机器人是在进行康复训练的过程中，能够对下肢运动功能障碍的患者在起立和坐下的过程中发挥辅助作用和主动提供平衡支持，对患者下肢起立和坐下的活动功能具有一定的训练作用[2]。

第四，多体位式下肢康复机器人。这是一种具有综合性特征的下肢康复机器人，在进行康复训练的过程中，可以提供不同体位的康复训练。此类下肢康复机器人能够集中坐卧式下肢康复机器人和直立式下肢康复机器人的优势，使得能够针对范围更加广泛的患者实现治疗[3]。

2 交互控制方法研究

下肢康复机器人和患者之间的有效交流是实现下肢康复机器人能够有效地进行康复治疗的关键所在。根据现阶段获取主动运动意图和过程中主要利用的信号形式不同，下肢康复机器人与患者之间的交互控制方法主要分为两种类型：一是基于力信号的交互控制方式；二是基于生物医学信号的交互控制方式。

2.1 交互控制方法

第一，基于力信号的交互控制方法。在力信号交互控制方法中，力信号具体是指由于患者下肢在肌肉收缩的过程中产生的可以作用于机械结构的力量。在此种交互方法中，可以通过比较巧妙的设计方式使得机械结构是由力传感器进行直接测量的，也可以通过患者与下肢康复机器人交互控制实践中的动力学模型进行估计[4]。

第二，基于生物医学信号的交互控制方法。在下肢康复机器人的人机交互控制方法中，如果是应用生物医学信号进行交互控制，现阶段通常利用表面肌电信号和脑电信号。以上两种生物医学信号都是可以通过非侵入式的方式进行获取，所以在获取信号中可操作性比较强，没有必要加入专业医护人员的辅助也可实现完成，在实践中对于患者的安全性能够进行充分的保证[5]。

2.2 两种交互控制方法的比较

第一，基于力信号的交互控制与生物医学信号的交互控制相比，力信号的确定性更加具有优势，同时对患者主动运行的意图能够直观地进行反映，所以具有一定的可靠性与稳定性。

第二，在控制过程中生物医学信号控制在监测过程中更为方便灵活，而且在生物医学信号交互控制中，生物医学信号更能直接反映患者的主动复建意愿，除了对患肢肌肉系统具有康复作用，对患肢的神经系统也具有益处。

因此，在现代交互控制方法中生物医学信号控制方法使用范围更加广泛。

3 下肢康复机器人的发展趋势

3.1 趋向专用化和通用化

对于下肢力量不是很强的患者来说，坐卧式设备着重于为其提供运动训练，而直立式设备则倾向于对步态的训练，辅助起立式则专注于从坐到站进行运动练习。多体位时的机器人为大多数患者提供了康复训练的治疗方案，特别是对下肢瘫痪的患者而言，这无疑是一件值得高兴的事。相对来说，专用性设备的针对性较强，根据不同的患者的不同情况来制定适合其自身康复的训练策略，但是具有一定的局限性，而通用型机器人则具有与其相反的功能特性[6]。

3.2 主动训练策略受到重视

被动训练在训练的过程中着重对重复训练和周期性的训练，这在一定程度上虽然能够改善患者的关节僵硬和肌肉萎缩等现象，但是对于患者下肢的运动功能全面恢复的效果不够明显，而下肢康复机器人的主要目的是恢复患者的运动功能，使得患者能够正常的生活工作，所以在下一阶段的下肢康复机器人开发中，注重患者主观能动性发挥的机器人种类将受到重视，在机器人的指导和辅助下，有效地提高患者的自主参与意识，鼓励患者积极地对肌肉收缩和患肢进行控制，进而实现更加良好的康复训练效果。

3.3 实现运动训练与FES的完美结合

FES（功能性电刺激）是能够帮助患者进行下肢康复训练的有效手段，可以单独完成对患者下肢的肌肉进行有效的刺激。在下肢康复机器人的运行系统中，一般将机器人的运动训练功能与FES进行有效整合，使得在机器人的各辅助引导下，患者下肢的康复性运动能够符合自然运动的规律，有序地对肌肉群进行刺激，使得患者的下肢肌肉群能够进行被动的收缩，强化治疗过程中的细致肌肉力量的增长。因此，下一步的设计规划中，下肢康复机器人必将实现与FES的完美结合[7]。

3.4 对生物医学控制的应用力度不断增强

生物医学信号的交互控制与传统的力交互控制方法相比，具有更大的灵活性特征，而且更加符合人性化的设计理念。伴随下肢瘫痪的病人数量的不断增加，未来对于下肢康复机器人的需求量将会不断增大，而且伴随人民生活水平的提高，对于下肢康复机器人的质量要求将不断提高，所以为了满足更多患者的要求，尤其是下肢运动功能完全丧失患者的迫切需要，下肢康复机器人必然要进行更加具有人性化的设计突破。但是由于生物医学信号的交互控制在使用上具有一定的不稳定性，所以从中获取准确的主动运动意图将是一项比较重大的挑战。因此，需要设计者在设计的过程中，要对该方面进行重视和把握[8]。

4 结语

综上所述，文章首先对下肢康复机器人的概念进行了阐述，继而介绍了现阶段下肢康复机器人的主要类型，然后对下肢康复机器人的交互控制方法进行了研究，在此基础上对下肢康复机器人的发展趋势进行了分析。希望通过文章的阐述，能够为下肢康复机器人的使用者提供一定的参考意见，使得下肢康复机器人能够造福更多的下肢瘫痪病人，使得下肢瘫痪病人早日实现康复。同时希望，我国智能医疗器械的制造商能够对下肢瘫痪机器人的研究力度不断提高，使得我国下肢康复机器人的研究和生产水平处于世界领先的地位，促进我国医疗事业的全面进步。

参考文献

[1] 尹鹏飞.下肢康复训练机器人的人机交互系统设计与实现[J].机械，2013，1（9）：45-48.

[2] 崔文琪，李峰.下肢康复机器人系统中的跑步机速度跟随自适应控制方法[J].现代制造工程，2013，4（9）：30-34.

[3] 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（11）：1010-1014.

[4] 万大千，徐义明，白跃宏.下肢外骨骼康复机器人的研究与进展[J].中国组织工程研究与临床康复，2011，12（52）：9855-9858.

[5] 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[J].河北工业大学学报，2015，9（2）：53-56.

[6] 谢欲晓，白伟，张羽.下肢康复训练机器人的研究现状与趋势[J].中国医疗器械信息，2010，4（2）：5-8.

[7] 李光林，郑悦，吴新宇，等.医疗康复机器人研究进展及趋势[J].中国科学院院刊，2015，3（6）：793-802.

[8] 赵雅宁，郝正玮，李建民，等.下肢康复训练机器人对缺血性脑卒中偏瘫患者平衡及步行功能的影响[J].中国康复医学杂志，2012，5（11）：1015-1020.