肢体运动功能恢复中步态康复机器人技术的应用

王俊华，罗 力，曾科学，周飞雄，史琳琳，李智军

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

肢体运动功能恢复中步态康复机器人技术的应用

王俊华1，罗 力2，曾科学1，周飞雄1，史琳琳1，李智军3

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

在医学的快速发展下，再加上人们生活水平和生活质量的日益提高，康复问题受到了人们的广泛关注，步态康复机器人应运而生。步态康复机器人能够对病患的运动意向进行初步检测，并提供合理的运动补偿机制，并将其划分为两个子系统，结合不同患者患肢的运动能力来进分析，并为其提供外骨骼重力补偿以及外骨骼跟随患肢运动康复训练模式。如果病患肢体并不具备运动能力，可以结合健肢示教控制系统，为病患制定相应的步态运动参数带动病患肢体进行康复运动，不仅可以确保病患康复训练动作的完整性，同时还可以为不同阶段的康复训练需求提供保障。基于此，分析了步态康复机器人在帮助患者恢复肢体运动功能所起的作用，希望能够帮助更多的患者认识和了解步态康复机器人的优势。

肢体运动；功能恢复；步态康复机器人

在科学技术的迅猛发展下，康复问题受到了社会各界人们的关注，同时病人与家属对治疗师提出了更高的要求，要求治疗师帮助他们恢复肢体功能，能够最大程度上做到生活自理，减少为家属带来的负担。有关实践结果表明，合理的、有效的康复训练，能够很好的改善患者的关节活动度，预防关节僵硬。因此，可以借助步态康复机器人来恢复患者中枢神经，通过恢复让其肢体运动的支配与控制、明显得到提升，最终实现康复。传统康复训练方法是治疗师与患者进行徒手训练，这种训练方法不但成本高，而且效率还很低，所以步态康复机器人技术的诞生，为肢体运动有障碍的患者带来了更大的希望。

1 康复机器人的工作原理

康复机器人从其功能性质差异来进行划分，可以划分为：训练型康复机器人、辅助型康复机器人。训练型康复机器人两种类型。本文重点讲述的是康复训练机器人，其工作原理是将患者下肢和外骨骼结构进行固定，再利用康复训练机器人来控制外骨骼各关节中的角位移和角速度，让患者在其机器人的辅助下开展康复训练动作。在采用被动式的训练时，机器人主要采用比例-微分反馈位置控制方法，通过相应的控制程序来完成对外骨骼的驱动，病患在其外骨骼进行固定之后，可以根据程序预先设定好的步态规则来进行轨迹运动[1]。此外，在患者采用主动训练时，可以利用传感器来检测，驱动器与病患外骨骼之间所产生的力量变化，然后形成一种力与位置的混合式自适应控制，实现了将力作用于固定病患外骨骼机械腿之上，从而可以让机械腿的不同关节受到驱动，最终形成力矩的变化，让所固定外骨骼的机械腿能够根据患者步态轨迹进行运动。还可以通过步态轨迹的调整，来完成步行台的步态轨迹，实现对病患的康复训练。图1所示。

图1 下肢康复机器人健肢结构

2 国内与国外康复机器人技术的使用情况

2.1 国内使用康复机器人技术的情况

与其他国家对比而言，我国康复机器人发展较慢，近些年来，随着人们生活水平和生活质量的逐渐提高，康复机器人得到了空前的发展。我国著名的康复机器人研究机构有很多，如：清华大学康复工程研究院、哈尔滨工程大学和上海交大等。这些下肢康复机器人共分为辅助训练型、康复训练型两类。辅助训练型此种矫正方法只借助于一台跑步机，几乎并未安装控制系统，主要依靠于护理工作者负责矫正。不能确定出矫正参数，不但病人辛苦，而且护理工作者也很辛苦，同时矫正效果也不佳，很多病人都错过了最佳的矫正时期。康复训练型训练机器人结合四肢健全人的步态特点，根据脚的轨迹设计出相应的矫正设备，通常是由伺服与步进电机拖动，设备只能对患者脚部施加压力，效果不是很好[2]。在病人穿戴后，脚踏板带动着脚部进行运动，从而带动着双腿进行运动，双腿运动借助于脚部的力量。此矫正设施并未直接对病人腿部施加作用力，如果患者两条腿都僵硬，那么此设备就不能帮助病人矫正，控制不好作用力，很容易对病人造成二次伤害。

2.2 国外步态康复机器人技术应用状况

德国的Hiptic Walker、瑞士的Lokomat和荷兰的LOPES等是世界上最早开展下肢康复训练机器人的研究单位。其Haptic Walker步态康复机器人最为典型。其工作原理为：机械装置是按照脚运动轨迹对踏板进行活动，使用踏板驱动患者的脚来出现行走运动轨迹，并且能够在各个脚踏板上装置上有轨迹的传感器，从而对患者行走步态进行监测，同时能够及时的将步态信息反馈给广大护理工作者，便于护理工作者能够及时地、有效地了解患者康复情况，进而有计划和有目的制定病人康复方案，帮助病人早日康复。在控制位置下，此机器人能够为训练者提供出形式多样的模拟训练场景。同时，此机器人还能在使用虚拟现实技术下，为病人提供出多种虚拟步行场景，从而提高患者训练的积极性和主动性[3]。

2.3 步态康复机器人技术的应用

简言之，步态康复机器可以划分为两种不同的子系统，即外骨骼重力补偿控制系统和健肢示教控制系统。外骨骼重力补偿控制系统，主要是通过对力量的控制，来对病患进行康复训练时的病患肢体外骨骼进行力量补偿。而健肢示教控制系统，主要是通过对位置的控制，结合病患的自主运动意愿，分析出病患健康肢体运动轨迹，实现对病患肢体的控制，最终实现康复训练不同阶段的训练需求。

2.3.1 偏瘫病患外骨骼的补偿训练

病患在使用步态康复机器人开展康复训练时，可以针对偏瘫病患的肢体运动轨迹进行跟踪。在此过程中，利用装于病患外骨骼之上的传感器对病患肢体以及外骨骼进行检测，并将两者之间产生的相互作用力及时地反馈给控制系统。再通过力量的控制，让病患的肢体外骨骼的运动轨迹产生力量变化。当系统接收到力量变化数据时，可以通过驱动系统来调整运动状态，最终实现新的力平衡。这种新的平衡则是步态康复机器人所炎病患外骨骼提供的补偿。此外，还有一种情况是，无法对偏瘫患者肢体外骨骼运动轨迹进行跟踪时，步态康复机器人则会根据病患健康肢体外骨骼的运动轨迹来进行运动，这种模式称之为健肢示教模式。在此模式中，需要发挥出偏瘫病患的自主运动意愿，通过机器人的辅助来完成对病患肢体的控制。由于偏瘫病患在进行运动时，会出现患肢弛缓性麻痹，因此整个运动过程肌肉并不会产生收缩现象，从而无法让其患肢发生联合反应。借助康复机器人的辅助治疗，可以不需要考虑患者的反应，应尽快地使患者进入康复训练恢复中。同时，偏瘫患者在经过一段时间训练之后，由于其肌力不足，对于一些正常的步态动作无法正常完成，这就需要机器人整体跟随患肢运动进行运动，辅助患者进行康复训练运动。

2.3.2 在脑卒中患者中应用康复机器人技术

在恢复疾病过程中，肌肉痉挛现象经常发生。脑损伤以及脊柱损伤会出现关节挛缩、肌力减弱等情况。被活动的关节以牵拉痉挛肌是较为常见的一种评价方法，感觉关节活动出现阻力时，其出现的时间与强度能够判断出痉挛程度。当前最为先进的、科学的定量评测方法是用Cybex测力仪以规定的速度被动运动关节以牵拉痉挛肌，使用仪器自动测定出抵抗力矩，并借助肌电图进行检查，但也有很多问题的存在，如：仪器测量成本高、测量程序复杂、难以推广等。使用Lokomat的评估工具L-STIFF测量痉挛情况，同时，在训练步态中，病人痉挛强度太大，机器人在检测痉挛强度超过自身的承受值后，会自动停止运作，进而保护病人的关节，防止关节受损。对正常人展开L-STIFF测试，测试结果表明，在各个年龄段人们的差异具有统计学意义[5]。

2.3.3 在正常老年人锻炼中应用康复机器人技术

在进行L-STIFF测试后发现，正常老年人的测试值要明显大于正常年轻人，治疗师在治疗病人中，必须要考虑到年龄这一因素。测试老年组与青年组的关节活动中，其结果表明，在不同年龄段的人们，其右髋最大伸展角度、左右膝最大屈曲角度、左髋最大屈伸角度具有不同的统计学意义。左膝与右膝最大伸展角度青年组要明显高于老年组，但差异并未有统计学意义，因此得出结论：青年人与老年人关节活动度，前者明显高于后者。老年人下肢各个关节活动度与年轻人对比而言，有很大的差异，在年龄的逐渐增长下，下肢各个关节活动度明显减小，此结果正好符合研究结果，可见，老年人更加需要步态康复机器人，从而帮助老年人调节关节度，进一步提高老年人的身体素质，确保老年人有一个幸福安康的晚年[6-7]。

3 结束语

总而言之，帮助病人重新构建步态是步态康复机器人辅助训练的主要目的，想要保证训练效果，就必须要有正确的运动模式。本文研究了步态康复机器人Lokmat评估工具测试正常的年轻人和老年人，从而对比了不同病人的测试结果与研究结果，结果发现测试结果与研究结果相符。这样就说明治疗师在为病人制作运动训练模型中，应全面考虑到病人患病前的运动模式，为使用步态康复机器人提供科学的依据，从而使其帮助患者改善协调能力，促使患者早日康复，同时通过上述分析后发现，步态康复机器人有着十分广泛的应用前景和使用价值，应得到大范围和大规模地推广和使用。

[1]莫海燕，刘静，曹慧.虚拟现实技术在康复医学中的应用与发展[J].医疗卫生装备，2014（11）：65-68.

[2]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（02）：108-110.

[3]邓志东，程振波.我国助老助残机器人产业与技术发展现状调研[J].机器人技术与应用，2009（02）：123-126.

[4]杨启志，曹电锋，赵金海.上肢康复机器人研究现状的分析[J].机器人，2013（05）：45-48.

[5]左富勇，胡小平，谢珂，等.基于MATLAB Robotics工具箱的SCARA机器人轨迹规划与仿真[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2012（02）：200-206.

[6]张鹏程，张铁.基于矢量积法的六自由度工业机器人雅可比矩阵求解及奇异位形的分析[J].机械设计与制造，2011（08）：80-85.

[7]于天宇，李达，宋宝玉.基于MATLAB-Robotics工具箱的工业机器人轨迹规划及仿真研究[J].机械工程师，2011（07）：46-50.

Limb Motor Function Recovery of Gait Rehabilitation Robot Technology in Application

WANG Jun-hua1，LUO Li2，CENG Ke-xue1，ZHOU Fei-xion1，SHI Lin-lin1，LI Zhi-jun3
（1.The Second Hospital of Guangdong Province Department of Rehabilitation，Guangzhou Guangdong 510095，China；2.Guangzhou Xiao Kang Medical Science and Technology Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510095，China；3.South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510095，China）

Under the rapid development of medicine，coupled with people living standard and quality of life is increasing day by day，rehabilitation has received the widespread attention，most people gait rehabilitation robot arises at the historic moment，patients recover limb movement function for gait dysfunction has brought the new means of treatment and training，improve the deficiency of the traditional physical movement recovery means，improve the efficiency of the treatment of the therapist，widely hot tips and the social public recognition.Based on this，this paper analyzes the gait rehabilitation robots in helping patients recover limb movement function role，hope to be able to help more patients to recognize and understand the strengths of the gait rehabilitation robot.

body movement；functional recovery；the gait rehabilitation robots

R493

A

1672-545X（2016）11-0099-03

2016-08-15

广东省科技计划项目（项目编号：2013B010102010）

王俊华（1965-），男，江苏沛县人，硕士，主任医师，教授，研究方向：神经康复临床。