多自由度并联康复机器人及其人机交互控制

?四轴并联机器人平台1. 基于运动平板/跑步机的外骨骼式机器人基于运动平板/跑步机的外骨骼式机器人通常包括一个身体减重支撑系统，穿戴于患者下肢，在患者于跑步机上进行行走训练时提供辅助。瑞士苏黎世Hocoma公司的Lokomat机器人如图11（a）所示，是一种典型的基于跑步机和减重支撑系统的下肢康复机器人。患者下肢固定于机器人的外骨骼框架之内，通过控制机器人向患者髋关节和膝关节提供辅助力\[39\]。德国Lokohelp小组开发了一种与Lokomat结构相类似的下肢康复机器人\[27\]，不同之处在于此机器人将跑步机的运动传递给运动平板，通过对平板的跟踪控制来模拟步态运动\[40\]。近年来，荷兰特温特大学开发了一种新的步态训练机器人LOPES\[23\]，如图11（b）所示。LOPES外骨骼式机器人包括三个驱动旋转关节以及在髋关节处的平移和自由组件，在辅助患者进行跑步机训练时可与其下肢保持并行。美国特拉华大学设计了一种外骨骼式机器人ALEX\[28\]，在髋关节和膝关节通过线性驱动器为下肢提供辅助动力\[41\]。虽然基于减重支撑系统和跑步机的外骨骼机器人能够为患者提供较好的训练，但此类机器人设备笨重、价格昂贵、操作复杂，完成一位患者的训练通常需要两位以上的操作者，进行下肢康复训练的成本较大。此外，减重支撑系统的使用可能会在某种程度上限制患者的运动自由。图11典型的基于跑步机的外骨骼式康复机器人2. 下肢矫形器类外骨骼式机器人下肢矫形器是一种穿戴于患者下肢的外骨骼式机器人，在患者行走过程中提供辅助动力。美国麻省理工学院的Blaya和Herr开发了一种主动踝足关节矫形器（active anklefoot orthosis，AAFO）\[29\]，如图12（a）所示，是一种用于足下垂（dropfoot）患者步态康复训练的重要设备。美国密歇根大学的Sawicki和Ferris采用气动肌肉作为外骨骼机器人的驱动单元，开发了一种膝踝足关节矫形器机器人（kneeanklefoot orthosis，KAFO），如图12（b）所示\[30\]。气动肌肉具有输出力与自重之比大和内在柔顺安全等优点，使机器人可在患者行走过程中提供屈/伸力矩以实现运动康复训练。德国的Fleischer等人也开发了一种下肢矫形器\[44\]，其通过解析肌电信号获得患者运动意图。混合辅助机器人（hybrid assistive limb，HAL）是由日本筑波大学和Cyberdyne公司开发的一种全身可穿戴式机器人，可用于康复训练以及负重辅助等\[31\]。伯克利下肢外骨骼（Berkley lower extremity exoskeleton，BLEEX）是由美国加州大学伯克利分校开发的一种提高用户行走能力和力量的外骨骼式机器人\[32\]，该机器人具有7个自由度，其中4个由液压执行器驱动。虽然矫形器类外骨骼式机器人能够为患者的步态屈伸运动提供辅助动力，但外骨骼式机器人存在造价高、能量需求大、难以适用于不同患者的缺点。另外，在人机交互时外骨骼式机器人的控制存在诸多不确定性，这在一定程度上限制了该类机器人的广泛应用。图12典型的下肢矫形器类外骨骼式机器人3. 基于踏板的端部式机器人对于此类下肢康复机器人，患者脚部将固定于机器人踏板之上，通过控制踏板带动下肢运动来模拟不同的步态阶段。德国RehaStim公司的步态训练器Gait Trainer GTI\[33\]如图13（a）所示，是一个伺服控制的步态训练机器人，用于帮助患者恢复其肢体运动能力\[46\]。Hesse等人设计了名为Haptic Walker的下肢康复机器人，如图13（b）所示，该机器人包括两个机械平台，可驱动患者肢体实现任意运动\[26\]。Haptic Walker可视为GTI机器人的重新设计和演化，可实现不同步态模式和可调节步行速度的模拟仿真。瑞士Reha Technology AG公司的GEOSystems机器人被用于模拟行走和上下台阶的运动\[34\]，该机器人由两个踏板组成，可在水平和垂直方向上编程实现行走与攀爬训练。GEOSystems与Haptic Walker机器人的设计应用目标类似，不过其尺寸规格更小\[47\]。然而，这些机器人设备很少能够模拟在不同地形的行走状态。Yoon等\[48\]提出了一种六自由度步态训练机器人，其脚部末端设计为由两个直线执行器驱动的并联机构，允许患者实现在不同地形的训练，如步行、爬楼梯或斜坡等。由于外骨骼式机器人能够在患者站立阶段提供支撑，与之相比，此类端部式机器人的缺点在于其训练过程需要额外的人工帮助。图13典型的基于踏板的端部式机器人4. 基于平台的端部式机器人基于平台的端部式机器人使患者在训练过程中保持不动，仅将其下肢（如脚部）固定于动平台之上，通过控制动平台的运动实现肢体训练。由于并联机器人具有结构明确、控制简单、适应性强等优点，多自由度并联机构在下肢康复机器人中应用越来越广泛。意大利理工学院提出了一种用于脚踝康复的并联机器人\[35\]，利用定制化的直线驱动器来执行所需要的训练。此设备仅能实现背屈/跖屈、内翻/外翻两个自由度的运动。新西兰奥克兰大学的Xie等人开发了面向脚踝三自由度运动的并联康复机器人\[37\]，首先提出了一种由直线电机驱动的四轴机器人，然后设计了一种由气动肌肉驱动的可穿戴式四轴冗余并联机器人\[38\]，如图14（a）所示。Rutgers Ankle是一种典型的基于Stewart平台结构的脚踝康复机器人\[25\]，通过协同控制其六根直线电动缸实现上平台的自由运动，如图14（b）所示。在本章参考文献\[49\]中，该系统又进一步扩展为基于双Stewart平台配置的步态模拟与康复机器人系统。图14典型的基于平台的端部式康复机器人通过上述分析比较可知，外骨骼式机器人通常与患肢多部位接触，然而这种多方位接触方式可能不利于患者某部分运动功能的恢复，这也导致了其对不同患者的适应能力较差。另外，外骨骼式机器人一般结构复杂、造价较高\[50\]。与之相比，端部式机器人通常仅与患肢某一部位接触，不会对患者肢体的其他运动自由产生限制，更适合不同的患者使用\[51\]。同时，端部式机器人结构明确，控制简单，成本较低。本章参考文献\[52\]也指出，通过端部式机器人和外骨骼式机器人的比较研究发现，端部式机器人在患者的康复训练中效果更好。