河南大學(xué) 河南 開(kāi)封 475004

健康在當(dāng)今社會(huì)越來(lái)越受到關(guān)注,世界各國(guó)都在研究如何克服疾病困擾,世衛(wèi)組織的某項(xiàng)報(bào)告表明,困擾全球人類(lèi)的致死病中,腦卒中位列第二,而對(duì)于成人致殘病而言,腦卒中已經(jīng)位列第一[1]。我國(guó)存在數(shù)目較為龐大的腦卒中致殘病患,其中有接近四分之三的患者存在運(yùn)動(dòng)功能障礙,尤其是對(duì)與老年患者而言,其生活自理和行動(dòng)能力都存在較大的困難[2]?；颊咄ǔＴ诨疾『蟮膸讉€(gè)月要進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,目前康復(fù)治療技術(shù)主要以神經(jīng)康復(fù)治療技術(shù)為主。由于我國(guó)的專(zhuān)業(yè)康復(fù)治療師數(shù)量與患者數(shù)量相比相差巨大,眾多醫(yī)院的康復(fù)床位緊缺,而康復(fù)機(jī)器人輔助治療能夠大大節(jié)約人力成本,因此成為當(dāng)今神經(jīng)康復(fù)治療不可或缺的設(shè)備。

將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域,是目前醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域研究的重點(diǎn),康復(fù)機(jī)器人能夠部分代替醫(yī)療人員實(shí)施康復(fù)治療,并相對(duì)于康復(fù)治療師還具有以下特點(diǎn):機(jī)器人由于機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠使康復(fù)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作持續(xù)且穩(wěn)定、傳感器及計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合能夠精確獲取運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及檢測(cè)恢復(fù)情況、互聯(lián)網(wǎng)以及VR等技術(shù)交叉運(yùn)動(dòng)則能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程訓(xùn)練并提高訓(xùn)練樂(lè)趣。目前國(guó)際上已有眾多康復(fù)機(jī)器人用于臨床的神經(jīng)康復(fù)治療,上肢康復(fù)機(jī)器人則是根據(jù)人類(lèi)上肢乃至肩部胸部的生物學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律結(jié)合機(jī)械串聯(lián)并聯(lián)結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的機(jī)器人,能夠幫助病患實(shí)現(xiàn)上肢的輔助運(yùn)動(dòng)治療和康復(fù)性訓(xùn)練。目前針對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人的技術(shù)研究主要集中在本體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制策略的研究。

一、上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

本體機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的根本,通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng),而根據(jù)對(duì)上肢的控制方式原理不同,上肢康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)分為末端牽引式和外骨骼式。

(1)末端牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人。

最初的上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)采用的是末端牽引式,通過(guò)機(jī)器人末端與病患上肢連接帶動(dòng)上肢運(yùn)動(dòng)。1991年美國(guó)麻省理工學(xué)院的Krebs和Hogan等人研制完成的第一臺(tái)上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人MIT-MANUS,其為五連桿串聯(lián)機(jī)械臂,設(shè)置了不同的運(yùn)動(dòng)模式,機(jī)器人根據(jù)模式的不同而控制病患的肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。并且機(jī)械人設(shè)置傳感器收集機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)參數(shù),通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示其進(jìn)行顯示。末端牽引式康復(fù)機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)病患的使用性廣。但是其多關(guān)節(jié)自由度低,無(wú)法還原關(guān)節(jié)的全部正常運(yùn)動(dòng),存在一定安全隱患。

(2)外骨骼式康復(fù)機(jī)器人。

外骨骼式康復(fù)機(jī)器人將機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)病患上肢通過(guò)外包方式進(jìn)行多點(diǎn)式接觸固定,通過(guò)機(jī)械臂的移動(dòng)帶動(dòng)上肢多個(gè)關(guān)節(jié)分別運(yùn)動(dòng),由于機(jī)器人相似與上肢外骨骼而得名。著名的6-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)——ARMin,可實(shí)現(xiàn)整機(jī)上下平動(dòng),肩旋內(nèi)/外、大臂轉(zhuǎn)動(dòng)、肘屈/伸4個(gè)自由度的主動(dòng)運(yùn)動(dòng),以及肩部屈/伸和前臂轉(zhuǎn)動(dòng)2個(gè)自由度被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于外骨骼式康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),目前主要集中于多個(gè)主動(dòng)自由度的開(kāi)發(fā),通過(guò)機(jī)械串聯(lián)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)置,增加多自由度以及增強(qiáng)穩(wěn)定性。

美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)研制了RUPERTM1肢康復(fù)機(jī)器人。RUPERT有五個(gè)自由度,包括肩關(guān)節(jié)屈伸、內(nèi)旋外旋、前臂內(nèi)旋外旋和腕關(guān)節(jié)屈伸。采用了穿戴式人工氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)系。人工氣動(dòng)肌肉與病患上肢之間的耦合性更好,降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。并且還可以避免患者康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中出現(xiàn)肌肉痙攣現(xiàn)象。

二、上肢康復(fù)機(jī)器人控制策略

對(duì)于臨床的神經(jīng)康復(fù)治療而言,康復(fù)訓(xùn)練不應(yīng)當(dāng)是簡(jiǎn)單的被動(dòng)帶動(dòng)上肢的活動(dòng),而應(yīng)當(dāng)結(jié)合解決病患心理問(wèn)題的主動(dòng)上肢活動(dòng),通過(guò)康復(fù)機(jī)器人結(jié)合病患的自主意識(shí)而進(jìn)行輔助康復(fù)訓(xùn)練?；谶@樣的臨床指導(dǎo),目前上肢康復(fù)機(jī)器人的控制策略主要包括以下幾種:經(jīng)典控制策略,基于sEMG、EEG

以及MMG等的生物電信號(hào)的控制策略。

(1)經(jīng)典控制策略是通過(guò)傳統(tǒng)傳感器與機(jī)械設(shè)備交互實(shí)現(xiàn)上肢康復(fù)機(jī)器人的康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng),其最為典型的兩種控制策略是阻抗控制策略和力/位混合控制策略,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于上肢康復(fù)機(jī)器人的工業(yè)制造中。

力/位混合控制特點(diǎn),是將力與位置兩者因素同時(shí)進(jìn)行控制而又避免兩者的互相干擾[3-4]。其具體工作原理是通過(guò)力控制系統(tǒng)單獨(dú)控制部分力結(jié)構(gòu)的力,通過(guò)位置系統(tǒng)單獨(dú)控制部分位置結(jié)構(gòu)的空間位置,兩套系統(tǒng)控制互不干涉,最后集中反應(yīng)在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)上,而收集機(jī)器人信息又反饋于力與位置控制系統(tǒng)。

對(duì)于力/位混合控制而言,其由于施用兩套系統(tǒng)控制,對(duì)于機(jī)器人的實(shí)時(shí)性控制把握較為困難,并且對(duì)于人的上肢而言其也是力與位置等控制綜合體,拆分控制機(jī)器人的力與位置也并不符合仿生學(xué)的原理。由此,Whitney、Salisbury、Hogan、Kazerooni、Seraji等人提出了阻抗控制策略[5-6]。

阻抗控制其基本為阻尼-彈簧-質(zhì)量控制,因此根據(jù)其變量可以分為基于力和基于位置兩種方式。基于力的阻抗控制原理為:根據(jù)位置關(guān)系設(shè)置初始期望力Fr,通過(guò)力控制器控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)并輸出與環(huán)境實(shí)際作用力F與位移X,并通過(guò)對(duì)環(huán)境實(shí)際作用力F來(lái)反饋Fr。基于位置的阻抗控制的原理為:根據(jù)機(jī)器人與環(huán)境實(shí)際作用力F,通過(guò)阻抗控制得到實(shí)際位移偏差ΔX,將該偏差對(duì)初始位置Xr進(jìn)行修正,得到位置控制量Xd,然后通過(guò)位置控制器控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng),并通過(guò)實(shí)際位置來(lái)反饋控制位置Xd。

經(jīng)典控制策略對(duì)于機(jī)械機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的上肢康復(fù)機(jī)器人而言,容易實(shí)現(xiàn)力和位置的控制。但是對(duì)于實(shí)際的上肢神經(jīng)康復(fù)治療而言,由于人體上肢多個(gè)關(guān)節(jié)的多自由度以及治療需求,實(shí)際需求的上肢康復(fù)機(jī)器人的任務(wù)復(fù)雜多變,不同病患以及不同康復(fù)程度帶來(lái)的模型變化等影響,要求上肢康復(fù)機(jī)器人的自動(dòng)控制更加精確。由此要求,在經(jīng)典控制策略的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)自適應(yīng)和魯棒性控制。自適應(yīng)控制策略模糊環(huán)境或模型存在未知參數(shù),不斷修正以確定控制系統(tǒng)的剛度、阻抗。魯棒控制綜合結(jié)合于力/位混合控制和阻抗控制,以提高運(yùn)算速度,改善機(jī)器人的實(shí)時(shí)性。

(2)基于sEMG控制策略是通過(guò)控制通過(guò)獲取神經(jīng)-肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行判斷,從而調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

人體肌電信號(hào)是運(yùn)動(dòng)中人體肌肉神經(jīng)發(fā)出的電信號(hào),能夠反映出運(yùn)動(dòng)信息。上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的康復(fù)訓(xùn)練的目的是實(shí)現(xiàn)病患對(duì)上肢的運(yùn)動(dòng)控制,而正常的上肢運(yùn)動(dòng)控制有賴(lài)于神經(jīng)傳遞信息,采集肌電信號(hào)輔助控制上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng),更貼近于真實(shí)的人體控制,被認(rèn)為具有很好的臨床實(shí)用性。

Motorika公司生產(chǎn)的Reo機(jī)器人是一款在全球進(jìn)行臨床使用的康復(fù)機(jī)器人,其主要通過(guò)基于sMEG和基于EEG的控制策略提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度以改善病患上肢的動(dòng)作,確保病患的主動(dòng)參與和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)有效結(jié)合,取得了良好的效果。

(3)基于EEG控制策略是通過(guò)獲取大腦發(fā)出運(yùn)動(dòng)意圖指令時(shí)產(chǎn)生的腦電信號(hào)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行判斷,從而調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

大腦是人體的控制中樞,腦電信號(hào)能夠體現(xiàn)大腦的控制,因此利用腦電信號(hào)對(duì)于康復(fù)訓(xùn)練有很好的應(yīng)用前景。研究顯示腦電信號(hào)的主要特點(diǎn)有:信號(hào)隨機(jī)且復(fù)雜多邊、難以分析與處理、信號(hào)幅值低噪音高、頻率復(fù)雜。因此,基于EEG控制策略的難點(diǎn)在于腦電信號(hào)的采集與處理。

不同的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不同的腦電信號(hào),根據(jù)采集到的腦電信號(hào)就可以判斷大腦具體下達(dá)的運(yùn)動(dòng)命令。目前通常采用腦電帽附著在大腦外側(cè),實(shí)時(shí)監(jiān)控大腦不同區(qū)域的腦電信號(hào)。對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、去噪后,通過(guò)特定的算法捕捉不同特征的腦電信號(hào),然后進(jìn)行提取分析,判斷運(yùn)動(dòng)意圖,接著通過(guò)計(jì)算機(jī)等設(shè)置將運(yùn)動(dòng)意圖轉(zhuǎn)換為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)命令,對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)上肢康復(fù)機(jī)器人及時(shí)驅(qū)動(dòng)上肢運(yùn)動(dòng)。此外,為了直觀顯示運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、提高病患的參與和控制程度,可以設(shè)置移動(dòng)終端、人工智能語(yǔ)音控制等。

(4)基于MMG控制策略是通過(guò)獲取肌肉進(jìn)行不同動(dòng)作時(shí)所產(chǎn)生的肌音信號(hào)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行判斷,從而調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

肌音信號(hào)MMG是肌肉收縮產(chǎn)生肌力的過(guò)程中肌纖維由于分布不均勻等因素發(fā)生側(cè)向振動(dòng)而表現(xiàn)為宏觀上的發(fā)出機(jī)械波的一種力學(xué)現(xiàn)象。相對(duì)于腦電信號(hào)來(lái)說(shuō),肌音信號(hào)更加穩(wěn)定、幅值大、抗干擾,因此更便于采集與分析。肌音信號(hào)本質(zhì)是機(jī)械振動(dòng)信號(hào),但同時(shí)也受到一些生理因素比如肌肉疲勞等因素的影響。因此,肌音信號(hào)在一定程度上也可以反應(yīng)肌肉纖維分布、肌肉疲勞,可以部分表征康復(fù)程度。

三、討論與展望

上肢康復(fù)治療過(guò)程中,需要根據(jù)病患的不同疾病程度選擇適當(dāng)?shù)挠?xùn)練康復(fù)項(xiàng)目,病患上肢難以運(yùn)動(dòng)則選擇被動(dòng)運(yùn)動(dòng),身體部分好轉(zhuǎn)后或者上肢局部運(yùn)動(dòng)障礙則可以選擇助力運(yùn)動(dòng),上肢損傷較輕則可以選擇主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。被動(dòng)運(yùn)動(dòng)能夠輔助運(yùn)動(dòng)肌肉,促進(jìn)上肢的血液流通,改善病患的肌肉能力。助力運(yùn)動(dòng)在一定程度上遵循病人自主運(yùn)動(dòng)意圖又提供一定助力。主動(dòng)運(yùn)動(dòng)則完全根據(jù)病患運(yùn)動(dòng)意圖運(yùn)動(dòng),主要是為了使病患逐漸適應(yīng)真實(shí)的上肢運(yùn)動(dòng)模式。因此,上肢康復(fù)治療整個(gè)治療周期需要不同的控制要求,這對(duì)于自動(dòng)控制策略提出了新的更高的要求,因此自動(dòng)控制策略有以下新的發(fā)展:

(1)復(fù)合控制策略。單一的控制策略具備明顯的優(yōu)缺點(diǎn),而復(fù)合控制策略則能夠互相彌補(bǔ)不足,并且前文中也部分列舉出了一些控制策略的符合應(yīng)用。根據(jù)上肢康復(fù)治療要求選擇適應(yīng)的康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu),根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和康復(fù)治療臨床需求選擇適應(yīng)的復(fù)合控制策略,已經(jīng)成為當(dāng)前上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)。

(2)臨床使用控制。上肢康復(fù)治療機(jī)器人是為康復(fù)治療服務(wù),其除了基本的運(yùn)動(dòng)學(xué)要求意外,更多的是需要根據(jù)臨床治療方案而調(diào)整控制。在康復(fù)治療過(guò)程中選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)表征上肢運(yùn)動(dòng)情況以進(jìn)行跟蹤檢測(cè),反饋上肢康復(fù)治療程度,是臨床使用控制的新要求。傳統(tǒng)的基于機(jī)械的空間位置、力、速度等測(cè)量方式已經(jīng)難以滿(mǎn)足臨床需求,新的腦電信號(hào)等生物學(xué)相關(guān)指標(biāo)被引入上肢康復(fù)治療機(jī)器人。未來(lái)基于生物學(xué)的更多指標(biāo)將會(huì)對(duì)上肢康復(fù)治療機(jī)器人控制策略提出更高的精細(xì)化控制要求。