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        下肢康復(fù)機器人及其交互控制方法分析

        2021-04-03 11:49:15霍天樞潘鳴宇
        中國設(shè)備工程 2021年17期
        關(guān)鍵詞:康復(fù)訓(xùn)練肢體下肢

        霍天樞,潘鳴宇

        (1.吉林廣播電視大學(xué);2.長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司,吉林 長春 130000)

        當(dāng)前我國癱瘓患者的數(shù)量在不斷增加,其康復(fù)訓(xùn)練受到了人們的共同關(guān)注。輔助康復(fù)訓(xùn)練機器人的出現(xiàn)能夠有效提升康復(fù)訓(xùn)練的效率,在降低投入成本的基礎(chǔ)上減少了理療師的體力消耗,保障康復(fù)醫(yī)療資源的合理利用。

        1 下肢康復(fù)機器人

        按照普遍接受的理解,下肢康復(fù)機器人是機電裝置,可以幫助患者較低的肢體電機功能損傷,自動或半自動地完成康復(fù)訓(xùn)練,以達到神經(jīng)康復(fù)的目的,回饋受傷的中樞神經(jīng)系統(tǒng),刺激受傷神經(jīng)的再生或補償受傷功能的受傷神經(jīng)。

        1.1 坐臥式機器人

        下肢康復(fù)機器人最大的優(yōu)勢在于,在運動訓(xùn)練中,患者有癥狀,如坐姿、強迫性疾病等。由于下肢不提供對身體的支持,所以它適用于完全失去運動的患者。然而,對于能夠控制下肢肌肉收縮的患者,姿勢不利于受影響肢體的致病功能的恢復(fù)。根據(jù)機構(gòu)與受影響的肢體之間的相互作用,下肢康復(fù)機器人可以進一步分為兩種類型:終端和外骨骼。終端機器人通常使用一對踏板來接觸患者的腳。此外,機制和患者之間沒有相互作用的點。這個機器人的成本很低,但它只能實現(xiàn)相對簡單的訓(xùn)練策略和終端軌跡。它屬于下肢康復(fù)機器人的低端設(shè)備,用于緩解由臂上物體的癱瘓和肌肉萎縮引起的并發(fā)癥,并進行康復(fù)治療。電動自行車是最常用的終端型下肢康復(fù)機器人,具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點和單一自由度驅(qū)動。在運動訓(xùn)練中,患者的腳被放置在踏板上,以完成固定軌道的騎自行車運動。除了共同的踏板外,一些研究機構(gòu)還制定了其他形式的多程度的自由終點效果,哈爾濱工程大學(xué)開發(fā)了一個扁平的下肢康復(fù)裝置,它采用三度自由平行機械結(jié)構(gòu),滑動接頭實現(xiàn)兩條腿的圓周運動,并且兩個旋轉(zhuǎn)自由度用于調(diào)節(jié)腳踝關(guān)節(jié)角度運動培訓(xùn)。與跑步機設(shè)備相比,機器人在踏板上增加了兩個獨立驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)接頭,以控制踝關(guān)節(jié)的角度,但下肢(踝關(guān)節(jié))的軌跡仍然是固定的,因此只有被動康復(fù)訓(xùn)練策略。當(dāng)下,放置時,除了踏板和腳之間的接觸之外,腿部和腿部機構(gòu)之間可能存在相互作用點。外骨骼下肢康復(fù)機器人可以輕松實現(xiàn)單個關(guān)節(jié)運動,完全多聯(lián)合協(xié)調(diào)訓(xùn)練。軌跡可以在工作區(qū)中自由編程,并具有各種主機被動康復(fù)培訓(xùn)策略。

        1.2 直立式機器人

        患者在使用直立的下肢康復(fù)機器人時使用常設(shè)姿勢,這更接近肢體日常生活的活動而不是坐姿姿勢訓(xùn)練,這有利于刺激患者為身體提供支持,并有助于恢復(fù)肢體腳功能。它不僅具有很少的恢復(fù)效果,而且可能導(dǎo)致肢體的二次傷害。按照重量支撐,垂直機器人可分為兩種類型:懸掛式負載步態(tài)訓(xùn)練機器人和獨立可佩帶的機器人。BWSTT 通過懸架機構(gòu)和安全帶支撐患者重量的一部分,并將其放在跑步機上。這個過程既昂貴又艱苦。懸浮的減肥步態(tài)訓(xùn)練機器人可以大大降低物理治療師的身體需求和物理消耗的成本,確保傳統(tǒng)方法的有效性。所謂的懸掛式黏液體重損失是將患者的腰部和帶有主體連接。頭支架的繩索可以通過提升軀干來實現(xiàn)負荷支持,并保持患者的直立姿勢。這種機器人具有類似人體的腿部結(jié)構(gòu)的機械矯形器。當(dāng)患者穿著它時,有時用于在同時進行支持和康復(fù)培訓(xùn)時保持患者的平衡。

        1.3 輔助起立式機器人

        輔助提升機器人為患者的運動提供了一定的支持,同時能夠確保患者的身體平衡,但這種單個的提升訓(xùn)練無法滿足下肢電機功能康復(fù)的實際需求,因此,對設(shè)備的研究較少;多位置機器人提供不同位置的患者的運動訓(xùn)練,并且患者可以按照其實際需求選擇不同的位置,因此這種設(shè)備具有許多應(yīng)用程序。輔助升降站的下肢康復(fù)機器人主要在站立或坐著的過程中提供支持和平衡,并在坐在地上訓(xùn)練下肢。然而,單獨的站立訓(xùn)練對于較低肢體電機功能的康復(fù)并不重要,因此,對這種設(shè)備的發(fā)展的研究相對較小。更常見的是,輔助垂直機器人具有帶驅(qū)動器的移動機械平臺。

        2 交互控制方法

        互動控制可以為患者創(chuàng)造一個安全、舒適、自然、積極的訓(xùn)練環(huán)境,避免由于肌肉痙攣和搖動而對抗機器人,并能夠保護患者免受二次傷害。

        2.1 基于力信號的交互控制

        在基于力信號的交互式控制中,力信號是指機械結(jié)構(gòu)中的肢體肌肉收縮的力,其可以通過力/扭矩傳感器或人機混合模型系統(tǒng)通過智能機械結(jié)構(gòu)來測量。因此,力信號交互式控制相對可行、可靠且穩(wěn)定。然而,相互作用力的獲取通常取決于機械結(jié)構(gòu),這不如檢測生物醫(yī)學(xué)信號那么方便,因此該相互作用控制方法的應(yīng)用范圍是有限的。在康復(fù)機器人和患者之間的相互作用力的控制策略中,混合力位置控制和阻抗控制是最廣泛使用的,用于解決有限環(huán)境中機器人的控制問題。這個問題可以簡單地描述為機器人之間的一個方向之間的相互作用和其他外部之間的相互作用。因此,在攪拌控制和位置的攪拌控制中,當(dāng)機器人與外部環(huán)境接觸時,將任務(wù)空間自然分為兩個子空間:位置空間和動力空間。下肢康復(fù)機器人的交互是為了創(chuàng)造一個安全、舒適、自然的康復(fù)環(huán)境,在患者的訓(xùn)練環(huán)境中,很少需要精確的軌跡跟蹤,因此有必要提高機器人的性能,并提高機器人的運動性能混合位置控制方法在患者與機器人的交互中并不常見。

        2.2 在生物醫(yī)學(xué)信號方面

        當(dāng)前的研究主要集中在離線分類和回歸分析中,只有心肌信號相互作用控制的潛力,但實際應(yīng)用和實驗研究差,而實時互動控制與離線研究相比更挑戰(zhàn),實際電信號不能從離線研究中具有數(shù)據(jù)的完整性,因此它可以影響識別的準確性,并且需要相互作用時間,這不僅需要EEG 信號的運動識別,還需要預(yù)測。

        生物醫(yī)學(xué)信號是表面肌電圖中最常見的信號,兩者都是非侵入性的。因此,兩者都具有強大的可操作性和安全性,主要是指肌肉電信號。De Bar 電活動的功能來自骨骼肌。其優(yōu)點方便、全面、靈活、靈敏。缺點是信號采集具有大的隨機性,這只能反映特定肌肉的活動,并且不能主動呈現(xiàn)患者的運動意向?;谛募⌒盘柎嬖趦煞N相互作用控制方法,是受影響肢體影響的肌肉電力。另一種是使用左臂和右臂或上肢和下肢四肢。這個方法用作活動培訓(xùn)。能夠有效地適用于一些重癥患者的癱瘓中。主要通過電極電活動收集大腦信息,大腦內(nèi)部神經(jīng)元之間有明顯的波動,它的優(yōu)點是玩腦筋功能。它適用于脊髓完整的患者受傷,其主要是由重建腦控制信號,有效地促進了身體素質(zhì)的恢復(fù),但其缺點是不能滿足腦損傷患者的實際需求,肢體分辨率有著十分重要的意義。

        3 結(jié)語

        由上可知,下肢康復(fù)機器人的應(yīng)用為下肢癱瘓的患者提供了人性化的訓(xùn)練方式,通過對其研究能夠有效地豐富機器人的類型以及交互控制的方法,患者可以依據(jù)自身的實際情況選擇合適的機器人類型和交互控制方法。

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