下肢康复训练机器人关键技术分析

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机器人技术的创新与发展，使得机器人由传统的生产领域逐步进入人们的生活领域，机器人技术在康复医疗、助老助残、生活起居等方面具有广阔的应用前景 〉复机器人的研究发展迅速，成果显著，为传统医学解决了许多问题。

神经康复领域的研究成果表明，中枢神经系统具有高度的可塑性。实验研究显示，在神经康复过程中，特定的功能训练是必不可少的，这为康复机器人系统的研究提供了重要的医学依据 。

人体下肢支撑着人的身体，担负着行走的功能，在日常生活中发挥着重要作用，人体下肢步态康复机器人的研究具有重要的理论意义和实际应用价值，成为康复机器人领域的研究热点。

下肢康复机器人研究涉及机械、电子、自动化、康复工程、生物力学等多学科，其中，下肢康复机器人的结构构型及康复运动控制策略是其研究的两个重要关键技术。国内外研究下肢康复机器人的科研单位在机器人的结构设计与实现以及康复运动控制策略等方面取得了-定的进展，提出了-些下肢康复机器人的结构构型和运动控制策略，建立了多个原型样机 ，并且有些已经商品化。下面从下肢康复机器人结构构型与康复运动控制策略研究两个方面，对国内外现有下肢康复机器人进行介绍与分析。

2下肢康复机器人结构构型图 1 Lokomat步态康复训练机器人Fig，1 Lokomat Gait Rehabilitation Training Robot人体下肢具有多个自由度，下肢康复机器人结构构型研究，以全部或部分的实现这些自由度为研究目标。Lokomat步态康复训练机器人 由瑞士 HOCOMA医疗 器械公司与瑞士苏黎士Balgrist医学院康复中心合作推出，主要由步态矫正器、体重支持来稿日期：2012-ll-l4基金项目：国家自然科学基金资助项目61105104；河北省高等学校自然科学青年基金项目2010123作者简介：李军强，1979-，男，河北藁城人，博士，讲帅，j三要研究方向：康复机器人技术
222 机 械 设 计 与制 造No.9Sept.201 3的康复训练。国内某大学的-些科研人员应用所设计全方位轮研制了新型全向移动平台机构 ，实现了平面内任意方向的运动，并且可以在移动过程中实现任意半径转弯。

3下肢康复机器人康复运动控制策略Lokomat在驱动器和外骨骼之间装有力传感器，可进行位置控制和阻抗控制 ，以确保以预设的生理步态曲线进行训练。

lokomat可以根据患者与机器人的相互作用，实时调整步态轨迹，在步行台上实现康复训练，下肢康复应用 Lokomat的疗效是否高于传统康复方法尚待论证。LOPES装有多个力传感器，可实现基于力反馈的阻抗控制，从而实现机器人与患者之间的相互力学作用，进而实现由机器人控制的被动康复模式和由操作者控制的主动康复模式 。PAM系统应用了伺服气缸，因此可实现位置控制，研究人员为每个气缸建立了压缩空气动力模型，为了实现位置控制，采用了分级控制策略，力跟踪控制作为内环，位置控制作为外环 ，并具有示教功能，同时应用新的算法使得步行台运动和人体运动实时同步，为康复训练提供柔顺辅助 。

RGR系统应用线性电位计，测量人体盆骨的运动状况，安装于盆骨支架和线性电机问的力传感器感知人体与设备间的相互作用力，应用末端阻抗控制，使机器人对患者产生作用力，以纠正患者康复训练中的异常运动iSl。Haptic walker的每个脚下装有-个 6自由度力/力矩传感器 ，其控制软件是基于运行于工业电脑的 RTLinux系统，应用所开发的新型傅里叶算法，进行实时步态轨迹插补，产生步态轨迹，并且控制器可产生滑行、跌撞等异步事件191。-些科研人员研制的6自由度步态康复机器人应用电位计测量足部的运动情况 ，由控制器提供轨迹运动方程，控制足部运动装置的运行，滑动机构应用了滑呢制方法，足部运动控制与滑动运动控制相结合，可实现水平地面、斜坡和楼梯的运动轨迹，并具有被动康复模式和主动康复模式。MotionMaker的每个关节都装有位置和力传感器，可实现位置控制和功能电刺激控制同样，Lambda每-个驱动关节处也都装有位置和力传感器，并应用电机作为驱动装置，使用了三种控制方法：标准位置 PD控制、结合静态模型的PD控制和结合动态模型的PD控制，可实现臀部、膝部、和踝关节的康复训练。

WalkTrainer装有两个位置传感器和-个力传感器，力传感器用以测量机器人和患者之间的相互作用，可实现盆骨运动轨迹和下肢运动轨迹，并具有闭环肌肉刺激功能。闭环肌肉刺激的工作原理为：首先测量人体的肌动电流信号，然后康复设备开始工作，安装于下肢的力传感器测量人体与机器人之间的相互作用力，此时肌肉刺激信号发生作用，以减屑者与机器人之间的作用力，使患者的步态逐步接近于标准步态，实现康复运动。ALEX采用力反镭制方法，设备和患者之间的作用力被设计为在需要的时候才提供帮助，以保证安全有效的康复训练，应用力控制器产生需要的力，带动患者下肢运动。基于力及力矩反馈，应用运动状态方程和力池制器，制作了虚拟通道，在矢转面内实现了脚部的期望轨迹，另外，应用重力补偿帮助患者运动，该辅助力可以减序者取消。

以Lokomat为硬件平台，-些研究人员提出了新的康复运动控制策略，-些科研人员提出了弹性轨钾制策略，该策略将机器人与人之间的相互作用力降低到最小，并且当患者需要时，可以为患者提供必要的帮助，机器人与人体下肢平行运动，几乎不与人体产生相互作用，但是当人体偏离步态轨迹允许的范围时，机器人产生-定量的作用力，保证康复训练安全正确的进行。

为了使患者参与到康复运动中来，-些科研人员基于lakomat提出了患者合作的康复控制策略，通过视觉反馈测量患者的运动意向，应用阻抗控制，自适应控制等控制方法，实现患者合作的康复控制策略。-些科研人员提出基于人体与设备的相互作用力自动调节步行台的速度从而实现康复训练的方法，患者可以在步行台上行走 ，并且可以自然的改变运动速度 ，该方法可以应用于lakomat以及其他机器人辅助康复器械。

4下肢康复训练机器人关键技术分析与展望目前下肢康复训练机器人大多采用机械外骨骼结构或者踏板结构实现康复运动，或者通过驱动人体髋关节来校正人体步态。机械外骨骼可以直接驱动人体下肢的各个关节，且结构相对简单，但是目前的康复用下肢外骨骼大都不能支撑患者的身体，需要与步行台及体重支持系统配合使用实现康复训练。通过驱动人体髋关节来校正人体步态可以达到-定的康复训练效果，但是需要步行台配合进行康复训练，由于其不能直接驱动下肢关节，所以该种结构具有-定的局限性。踏板结构虽然不需要使用步行台，但是与驱动髋关节的方式类似，由于不能直接驱动下肢关节，所以在下肢处于伸直状态时，容易出现运动死点，影响康复训练。

因此，能够支撑患者身体，并且可以避免康复运动中出现运动死点的步态康复机器人结构还有待进-步研究。

现有的下肢康复机器人康复运动控制策略，主要是通过力与位置的反馈，获得人体下肢的运动状态以及人体与机器人的相互作用关系，然后应用相应的控制算法使机器人驱动或者改变患者肢体的运动，达到康复训练的目的。被动康复模式中，患者完全被动，由机器人带动患者运动，该方法适用于运动能力较差的患者。主动康复模式中，强调患者主动参与康复训练，机器人起到辅助或者检测患者运动状态的作用，在患者运动出现异常时，根据已有的步态模型，通过对患者的盆骨或相关关节施加-定量的作用力，纠正患者的运动。目前的下肢康复机器人大多包含步行台，患者的步态参数会受到步行台转速的影响。如何充分发挥患者残存的运动能力，使患者能够根据自身意向如步行的频率 、步长等进行康复训练，是康复运动控制策略的研究重要方向之-。

随着拈化技术、人机接口技术、多源信息融合技术、虚拟现实技术以及遥操作技术等在康复机器人中的逐步应用，康复机器人将在康复工程中扮演越来越重要的角色。作为康复机器人的重要组成部分，下肢康复训练机器人将以康复医学研究为基础，融合各种先进机器人技术，进而在功能、性能等方面得到逐步完善。

5结论我国正迈人老龄化社会，随着心脑血管疾病发病率不断上升，下肢康复训练需求越来越多，下肢康复机器人的研究逐步受到国内外研究人员的重视，多家研究单位投入大量人力物力进行研究，取得了-定的研究成果，现有肢康复机器人的机构构型和No.9Sept.2013 机 械 设 计 与制 造 223康复控制策略对于下肢康复训练机器人的研究具有-定的参考价值。目前，国内仍然缺少功能完备、使用舒适的下肢康复训练机器人，另外，功能针对性强、体型孝适于患者在家中使用的下肢康复训练设备也具有广阔的市场前景。下肢康复机器人的研究具有重要的理论意义、社会意义和商业价值。