步态康复机器人意向运动补偿控制策略

王俊华曾科学罗 力周飞雄魏正林李智军

（1.广东省第二中医院康复科，广州 510095；2.广州晓康医疗科技有限公司，广州 510635；3.华南理工大学，广州 510641）

步态康复机器人意向运动补偿控制策略

王俊华1曾科学1罗 力2周飞雄1魏正林1李智军3

（1.广东省第二中医院康复科，广州 510095；2.广州晓康医疗科技有限公司，广州 510635；3.华南理工大学，广州 510641）

下肢康复机器人的设计包括结构设计、康复策略设计两部分。唯有做好这两部分工作，才能帮助患者更好地进行康复训练。良好的、有效的康复控制策略，能够极大地帮助病人进行下肢康复锻炼，并能够满足各个阶段患者的运动训练需求。

意向运动 补偿控制 步态康复机器人

人在行走过程中，需要各方面信息的协调稳定配合。为了能够让偏瘫患者适应各种行走环境，下肢康复机器人展开了精密的、大范围检测。良好的控制策略，可使步态康复机器人带动患者进行有效的康复运动。本文分析步态康复机器人意向运动补偿控制策略，希望能够进一步完善和发展步态康复机器人技术，进而帮助更多的偏瘫患者恢复健康。

1 步态康复机器人的意向运动原理

1.1 被动训练的工作模式

一般情况下，被动训练模式被用于患者康复训练初期阶段，这时的病人在运动中肢体有弛缓性麻痹现象。在病人运动中，肌肉不会有收缩现象，也不会有联合反应发生。所以，对于处于康复阶段的病人，对他们进行康复训练无需考虑患者反应，需要及时让患者进入康复训练恢复状态。对于处在康复阶段的病人训练，主要需避免肌肉萎缩，通过运动患肢关节来恢复患肢运动神经反射弧，进而让患肢髋关节和踝关节等产生协同动作，并让病人患肢肌肉有收缩的反应，促使病人肢体机能得到恢复。被动训练模式是帮助病人运动康复的一种模式。在康复训练过程中，病人穿戴上外骨骼，完全由外骨骼带动进行步态运动，从而达到早期步态定形的康复训练目的。据有关实践结果表明，被动训练康复模式的主要特点就是病人患肢被动接受机器人的带动，在其带动下逐渐达到肢体运动恢复的目的。

1.2 主动训练的工作模式

康复中期的病人，其患肢的肌肉在实际运动中会有很大反应，同时关节活动趋势会显著增强。这时，患肢会有很强的肌力反应，表明这时患肢有很强的行动力，可以在小范围内进行活动。处在康复中期的病人，一般应用主动辅助训练模式展开康复训练。在患者拥有一定自主运动能力，但还无法完成预期动作时，机器人会帮助病人完成计划运动，并达到想要的运动幅度。

1.3 阻抗训练的工作模式

在患者康复训练达到某一水平后，这时患肢肌力会得到显著增强，能够完成预期动作，但还需要进行巩固性治疗，即康复后期。康复后期的病人，其肌力达到三级以上后，就能展开阻抗训练模式训练，以便能够进一步加强病人的肌力反应。康复后期的病人进行阻抗训练模式，目的在于提高病人的运动机能。这项训练模式主要是为了在病人康复训练中康复训练机器人能够产生阻力阻碍病人进行运动。患者在克服康复训练机器人阻力的过程中，达到提高自身肌肉反应的目的。

2 步态康复机器人意向运动控制的策略

康复训练机器人是否能够达到康复与治疗的目的，在于运动康复训练方法是否有效。LOKOMAT康复训练机器人将病人下肢与外骨骼结构固定，再对外骨骼关节角位移与角速度进行控制，进而进行康复训练动作。在病人被动训练过程中，应用比例-微分反馈位置控制方法，促使外骨骼驱动病人患肢遵循计划的步态规划进行运动。在病人主动训练过程中，通过使用力传感器对病人的患肢与外骨骼间力的变化进行检测，再通过力与位置混合自适应控制这一方法，在外骨骼机械腿上反作用力，让外骨骼机械腿各个关节驱动力都能发生显著变动。这样外骨骼机械腿就能按照病人步态轨迹展开运动，并对步态轨迹进行实时调整。LOPES康复训练机器人在多个力传感器检测人肌力信息下，能够实现对力反馈阻抗控制，进而达到帮助患者恢复肢体运动的预期效果。

下肢康复机器人康复运动控制对策在反馈力与位置信息的作用下，得到人体下肢运动状态与机器人间的力关系，之后使用与之相符的控制算法，使用机器人改变病人患者肢体运动，帮助病人恢复健康。在被动训练这一模式中，患者完全由机器人带动训练；在主动康复模式中，机器人在检测病人运动状态后，在病人运动有异常情况出现时，结合已存在的标准步态模型，对患者关节施加一定的作用力下，帮助病人纠正运动。上述的几种方法都是检测人机系统力位置，根据设定来判断病人的运动意象。但是，这都只是间接判断，并不能直观判断。从理论上而言，唯有辨识人体的肌信号或脑神经信号，进而判断出病人的自主运动意象。但是，实际中很难有效辨识肌电信号与脑电信号表征的运动意象。

在康复训练中，正常运动有障碍的病人能够对机器人运动轨迹进行实时跟踪，并对装在外骨骼上的力传感器对患肢与外骨骼的作用力进行检测，将其检测结果反馈给控制系统。在力的基本控制下，得到患者骨骼运动状态变化状况。在驱动系统的作用下，改变其运动状态，达到平衡力的目的。一般状况下，机器人表现出一种外骨骼补偿模式。不能正常运动的患者患肢很难对患肢外骨骼运动轨迹进行跟踪时，患肢外骨骼运动轨迹就会根据健肢步态运动模型展开相应的运动。

3 下肢康复机器人控制策略应遵守的几项原则

3.1 防止应用复杂数学模型策略

从多角度上而言，控制系统是一个非线性控制系统，很难构建出数学模型。同时，开发的下肢康复机器人控制系统需要对三个驱动器实时高频控制，这就需要很大的计算量，并且还要求较少的计算时间。在控制系统中，若有庞大的、复杂的数学模型，便在无形间增加了控制算法的计算时间，很难达到实时性的要求。所以，在控制策略设计过程中，应防止精确的数学模型，以达到快速计算的目的，从而满足实时控制的需求，并且达到规定的控制效果和效率。

3.2 完善的控制精度和控制策略

人体是一个适应力较强的系统，可以快速、及时地适应外部世界的变化。瘫痪病人在康复训练过程中，当给定步态与标准步态曲线有很小偏差时，病人需要及时适应，这就要求下肢康复机器人控制系统具备较强的控制精度。除外，为了确保病人在康复训练中的安全，需要控制系统具备较强的鲁棒性，即便是外界突然发生变化，依然能够继续正常的完成任务。

3.3 需要有效的及时性控制策略

在病人康复训练中，为了避免因为失步混乱了整个步态，需要控制系统具备较好的实时性，尽可能缩短整个控制系统的运行时间。不但要选择使控制算法计算所需时间缩短的对策，也要在实现控制策略中有针对性、有目的地选择其他方法，从而使整个控制算法的计算时间尽可能缩小。可以说，良好的实时性策略有利于提高患者训练的积极性，进而帮助他们在最短的时间实现康复训练的目的。

3.4 需要可修改的控制策略

不管某个控制算法如何完善，如果没有应用到具体实践中，只停留在理论研究层面，那么这个控制算法将毫无意义。所以，设计的控制策略在软件与硬件设施上，都具有一定的安全性和可行性，以确保设计与实现的顺利性和有效性。另外，每一个患者的患病程度都不同，其所进行的康复训练也不同，所以康复训练参数也不一样。为了便于理疗师结合每一位患者的实际情况，制定出与之相符的康复方案，控制策略还要做好实时更改的准备。但是，每一更改都不是盲目、没有目的的更改，需要有计划的更改。这样才能让患者看到完全康复的希望，进而更加积极地配合理疗师进行康复锻炼。

4 结语

总而言之，在机器人技术的迅猛发展下，下肢康复训练机器人具有非常广泛的应用前景。深入规划意向运动补偿系统的初始步态，让整个康复训练动作更有效、更完整，且进一步提高病人的安全性。但是，从我国对步态康复机器人意向运动补偿控制策略研究力度上来讲，还需要深入研究，进而推动我国康复医学事业的发展。

[1]刘建华，高荣慧，王勇，杨科.康复训练机器人脚踏位置的匀速控制方法[J].华中科技大学学报：自然科学版，2013，（S1）.

[2]倪军，王勇.坐姿下肢康复机器人的运动学分析及运动仿真[J].机械设计与制造，2014，（1）.

[3]史小华，王洪波，孙利，等.外骨骼型下肢康复机器人结构设计与动力学分析[J].机械工程学报，2014，（3）.

Motion Compensation Control Strategy for Gait Rehabilitation Robot

WANG Junhua1,ZENG Kexue1,LUO Li2,ZHOU Feixiong1,WEI Zhenglin1,LI Zhijun3
(1.second Guangdong provincial rehabilitation medicine hospital, Guangzhou 510095; 2.Guangzhou Xiao Kang Medical Technology Co Ltd, Guangzhou 510635; 3.South China University of Technology, Guangzhou 510641)

The design of lower limb rehabilitation robot includes two parts: structure design and rehabilitation strategy design. Only doing this two part of the work, in order to help patients to better rehabilitation training. A good and effective rehabilitation control strategy can greatly help patients with lower limb rehabilitation exercise, and can meet the needs of patients at all stages of exercise training.

intentional motion, compensation control, gait rehabilitation robot

广东省科技计划项目（2013B010102010）。