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下肢康复机器人机制及控制策略的最新进展
摘要
机器人辅助康复和治疗越来越频繁地用于帮助老年人，残疾患者或运动障碍进行锻炼和训练。在过去十年中，机器人辅助下肢康复领域迅速发展。本文介绍了关于下肢康复机器人的机制，培训模式和控制策略的最新进展（从2001年到2014年）。在机器人辅助被动和主动下肢康复中考虑混合数据融合和患者评估的自适应机器人控制方法受到特别关注。分析和总结了近期研究中不同训练模式和控制算法的特点和临床效果。本文还强调了研究差距和未来发展方向，以改善机器人辅助康复的结果。
第1章 绪论
根据世界卫生组织（WHO）的数据，世界60岁以上人口的比例将在2000年至2050年间从11％增加到22％。同期，60岁以上的老年人数量将增加从6.05亿到20亿。超过一半的全球老年人居住在亚洲（54％），其次是欧洲（22％）[1]。许多国家已逐渐进入老龄化社会。与此同时，全世界约有6.5亿残疾人，约占世界总人口的10％，其中80％的残疾人生活在发展中国家[2] “2013中国残疾人统计年鉴”报告显示，中国残疾人总数约为3795万[3]身体肢体残疾人数为1564万，占残疾人总数的59％。在老年社会和越来越多的残疾人口中，这些人的生理功能将明显衰退，严重影响他们的日常生活。
老年人，残疾人和其他运动障碍的康复和训练已成为一个重大的社会问题然而，传统的手法治疗主要依赖于治疗师的经验，难以满足高强度和重复性训练的要求[4]物理治疗师的数量严重不足，评估方法多为主观，因此无法保证治疗效果[5]在这种情况下，先进康复设备的需求显着增加，预计将帮助患者精确，定量和科学地进行训练[6]。康复机器人已成为一个在过去十年中引起越来越多关注的研究领域。将机器人应用于康复治疗不仅可以使医生免于承担训练任务的沉重负担，还可以通过分析机器人训练过程中记录的数据来评估患者的康复状态。由于其在准确性和可靠性方面的优势，康复机器人能够提供有效的方法来改善中风或手术后的恢复结果。
如今，已有几篇关于机器人康复和训练控制策略的评论文章。例如，对各类康复机器人的控制策略类别进行了综述[7]然而，很少有关于下肢康复机器人的机制和控制算法的细节。迪亚兹等人。对现有的下肢康复机器人系统进行了全面调查[8].这篇评论非常有用。它涵盖了大多数现有的下肢机器人，然而，机器人训练模式和控制策略并未以某种方式得到强调。Kwakkel等。对机器人辅助治疗的效果进行了系统评价，主要关注不同机器人的临床结果[9]，其中还包括机器人控制策略的详细讨论。另一方面，Hussain等人。提供了基于跑步机的机器人步态训练设备的评论，但特别关注与跑步机机器人相关的控制策略[10].穆罕默德等人。回顾了下肢可穿戴式机器人的最新技术[11,12]，主要关注驱动外骨骼及其控制策略。另一篇专注于下肢外骨骼和活动矫形器的综述由Dollar和Herr完成[13]，但它仅涵盖与人腿平行操作的设备。近年来，新型控制策略（如自适应控制和辅助控制）已广泛应用于下肢康复机器人，但在以前的论文中没有具体讨论。随着新兴的人机交互技术的出现，生物反馈和混合控制在新开发的康复机器人中也越来越受欢迎。虽然许多评论文章提到基于生物信号的控制策略被认为是有效的策略并成为一个受欢迎的研究领域，但是，他们都没有调查或总结最近关于这种策略的研究。[14].
本文对机制，培训进行了回顾和分析下肢康复机器人的模式和控制策略，特别是考虑混合数据融合和自适应规律的控制方法。它介绍了机器人辅助下肢康复的最新进展，以及总结了研究差距和未来潜在方向。其余论文的结构如下。部分2 比较下肢康复机器人的不同机制。在节中3，分析了不同恢复阶段的机器人辅助训练模式。部分4 介绍了机器人控制策略的最新发展，包括位置控制，阻抗控制，生物反馈控制和自适应控制。在节中5，讨论和总结了研究局限和未来方向。
第2章 下肢康复机器人的机制
机械设计是机器人辅助康复系统的基础，应遵循保持其结构简单，轻便，易于控制的基本原则。近年来，已经开发了用于下肢康复的各种类型的机器人。通常，这些机器人可以分为两类：外骨骼和末端执行器机器人[15].例如，Lokomat[16]bleex，[17] 和LOPES[18,19] 是典型的外骨骼机器人，而罗格斯踝[20]和Haptic Walker[21] 是末端执行器机器人。根据他们的机制和康复原则，外骨骼机器人可以被分组为基于跑步机的设备和基于矫形器的机器人，而末端执行器机器人具有基于脚踏板和基于平台的类型。最近代表性机器人的概述及其特征在以下进行了论述表格1.
表格1 近期下肢康复机器人概述
图1.基于跑步机的外骨骼机器人
2.1用于下肢康复的外骨骼机器人
2.2.1基于跑步机的外骨骼机器人
基于跑步机的外骨骼机器人通常包括体重支撑系统和患者在跑步机框架上行走时佩戴的下肢外骨骼。由Hocoma（瑞士苏黎世）开发的Lokomat是一种典型的基于跑步机的外骨骼，具有体重支撑机制（图1（a））。患者的腿被绑在可调节的框架上，以便在臀部和膝盖处提供动力辅助[34]。 Lokohelp小组开发了一种结构类似于Lokomat的下肢康复机器人[22]。它将跑步机运动传递到位于设备两侧的杠杆，因此通过杠杆的轨迹来实现步态的模拟[35]。该机器人可以帮助患者进行主动训练。另一个重要的体重支持的跑步机器人系统是AutoAmbulator（Healthsouth，US），其中机器人手臂绑在患者的腿上。但是，使用该设备报告的文献很少。最近，一个新的步态训练机器人LOPES [18]由特温特大学开发，如图1（b）所示。它结合了可平移和2-D驱动的骨盆段和腿外骨骼，腿外骨骼包含三个致动的旋转关节。在跑步机上行走时，LOPES可以与人的腿平行移动。特拉华大学的研究人员开发了一种活动腿外骨骼（ALEX）[23]。它是一种动力腿矫形器，在髋关节和膝关节处具有线性致动器，并且具有用于在行走期间为患者提供帮助的力场控制器[36]。虽然基于跑步机的机器人装置在能量消耗减少方面对患者可能是有益的，但是这些机器人的操作通常需要两个以上的操作者，因此需要相当大的努力。这些装置中存在的另一个常见问题是重量支撑机构，其可能限制患者自己发起的自由运动。
2.1.2腿矫形器和外骨骼
腿部矫形器是可致动的可穿戴外骨骼，可提供步行动力辅助。来自麻省理工学院的Blaya和Herr开发了一种活动踝足矫形器（AAFO）（图2(a)) [24]，这是设计用于治疗称为跌足的步态病理学的主要装置之一。然而，驱动该机器人的系统和控制方案需要进一步改进。由于其力 - 重量比和本质安全性，人工气动肌肉可能是外骨骼矫形器的良好选择。密歇根大学的Sawicki和Ferris开发了一种由人工气动肌肉驱动的膝 - 足 - 足矫形器（KAFO），如图所示图2(b) [25].它用于马达修复，以在人类行走期间提供弯曲和伸展扭矩。Fleischer等人。来自柏林科技大学开发出动力矫形器[37]，其中通过EMG信号评估受试者的预期运动。Hybrid Assistive Limb（HAL）是由筑波大学和Cyberdyne开发的用于康复和重度支撑的全身外骨骼[26].HAL中还使用EMG信号来测量人机交互的水平。然而，对于截瘫患者来说这种技术很难实现，因为瘫痪的肌肉不能产生有效的EMG信号。Berkley下肢外骨骼（BLEEX）是加利福尼亚大学开发的一种外骨骼，用于提高穿着者的力量和耐力。[27].BLEEX有七个DOF，其中四个由液压执行器驱动。尽管通过这些矫正系统可以实现灵活的步态康复，但是诸如高能量成本的缺点也阻碍了它们的广泛应用。另一方面，外骨骼ortheses的控制参数也需要经常调整，而机器人和用户之间的主动交互使得调整过程具有挑战性。
2.2用于下肢康复的末端执行器机器人
2.2.1基于脚踏板的末端执行器装置
对于这种机器人，患者的脚将定位在脚板上，脚板由可编程系统控制，以刺激步态的不同阶段。基于脚踏板的机器人的一个例子是步态训练师GTI（Reha-Stim，德国）（图3(a)) [28]，这是一个伺服控制的步态训练器，以帮助患者恢复他/她的下肢运动能力。它被认为是开创性的康复机器人系统之一[8].最近，Hesse等人。设计了一种名为Haptic Walker的下肢康复机器人，它由两个机械板组成，可以驱动患者的肢体，实现任意运动[21]，如中所述图3(b).Haptic Walker是一个重大的重新设计和GTI的演变。它
图2.腿部矫形器和外骨骼。
允许模拟各种步态模式和可调节的步行速度。G-EO-Systems（瑞士Reha Technology AG）最近用于模拟步行和爬楼梯的研究[29].它由两个脚踏板组成，可以垂直和水平运动编程，实现步行和攀爬运动。G-EO-Systems遵循Haptic Walker的意图，但规定尺寸较小[41].然而，在这些开发的机器人设备中，关于它们刺激不同地形类型的能力的报道很少。Yoon等人。[42] 展示了一款6自由度步态康复机器人，其脚端执行器设计为由两个线性执行器驱动的并联机构。它允许患者在各种地形类型（如步行，楼梯和爬坡）上更新其行走速度。与在站立阶段期间可以支撑膝盖的基于外骨骼的系统相比，末端执行器的装置在这样的阶段期间可能需要手动辅助。
图3.基于脚踏板的末端执行器装置。
2.2.2 基于平台的康复机器人
基于平台的机器人使患者能够静止，只需将他/她的下肢（通常是脚）固定在平台上，该平台被控制以执行训练计划。由于结构简单，适应性强，并联机器人在基于平台的医疗机器人中越来越受欢迎。Istituto Italiano di Tecnologia（IIT）提出了一种用于踝关节康复的并联机器人来进行所需的练习，并设计了一种新的定制线性执行器[30].然而，该装置仅允许足底/背屈和翻转/外翻的运动。谢等人。来自奥克兰大学开发了并联机器人，用于在3个自由度训练中进行踝关节康复训练[32].首先，设计了一个由直流电机驱动器驱动的四连杆机器人，然后是一个可穿戴的4轴冗余并联机器人，由人工气动肌肉驱动，具有灵活轻便的特点（图4(a)) [33].然而，使用人造气动肌肉存在一些缺点。例如，控件当使用人造气动肌肉时，方法可能变得相对复杂。而且，人造气动肌的控制带宽相对较低[11] 与电动驱动器相比。Rutgers Ankle是一款基于Stewart平台的典型踝关节康复机器人，如图所示图4(b) [20].通过其六个电动缸的协调控制实现该运动。在[43]，该系统进一步扩展到双Stewart平台配置，用于步态模拟和康复。
相比之下，外骨骼机器人通常必须与人体肢体的各个部分固定，以同时在不同部位上施加不同的力/扭矩。然而，外骨骼的这种附着不一定有利于患者的功能恢复，因为它们对不同患者的适应性较差的缺点，并且外骨骼机器人的设计通常也是昂贵且耗时的。[44].相比之下，末端执行器机器人通常在某一点接触患者的身体，使这种机器人易于设计和控制。由于对人体运动冗余没有限制，因此效应器机器人更容易适应不同的患者[45].最近的一篇评论[46] 研究末端执行器和外骨骼器械之间差异的研究发现，末端执行器方法可能更有利于中风后的步态训练，尽管这种优势的原因尚不清楚[35]。
图4.基于平台的末端执行器机器人。
第3章 机器人辅助训练模式
机器人辅助康复和治疗的有效性很大程度上取决于其根据患者不同的恢复阶段以多种不同模式协助患者运动的能力[47].适当的训练模式应由物理治疗师的经验和受试者的残疾程度决定。正如研究中所述
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