劉 冰，李 寧，于 鵬，楊 鐵，陳文遠(yuǎn)，楊 洋，王文學(xué)，姚 辰

(1. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110168；2. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽(yáng) 110016；3. 中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院 沈陽(yáng) 110169；4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 懷柔區(qū) 100049)

研究表明，腦卒中已成為全球第二大致死病因，成人第一大致殘病因。其中，近80%的腦卒中存活者會(huì)發(fā)生不同程度的肢體功能運(yùn)動(dòng)障礙，導(dǎo)致生活不能自理，嚴(yán)重影響人們的日常生活活動(dòng)能力以及生活質(zhì)量[1-4]。腦卒中后及時(shí)有效的康復(fù)訓(xùn)練有助于患者運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)以及腦功能重塑[5]。傳統(tǒng)的康復(fù)治療手段主要是通過(guò)康復(fù)治療師手動(dòng)或采用一些簡(jiǎn)單的儀器設(shè)備對(duì)患者進(jìn)行一對(duì)一的康復(fù)訓(xùn)練。在康復(fù)治療師數(shù)量、康復(fù)效率及醫(yī)療成本等方面均無(wú)法滿(mǎn)足患者治療需求。機(jī)器人系統(tǒng)具有特有的優(yōu)勢(shì)，可以克服康復(fù)治療師緊缺以及人工康復(fù)耗時(shí)、昂貴的問(wèn)題限制[6]，因此，機(jī)器人輔助康復(fù)非常適用于康復(fù)訓(xùn)練并得到越來(lái)越廣泛的研究[7]。自20 世紀(jì)90 年代末以來(lái)，就已經(jīng)出現(xiàn)了大量有關(guān)中風(fēng)后康復(fù)的機(jī)器人設(shè)備[8]。通過(guò)采用符合康復(fù)要求的輔助策略，來(lái)提供長(zhǎng)期高強(qiáng)度的治療性訓(xùn)練。截至目前，在這些機(jī)器人系統(tǒng)中，與人類(lèi)手臂解剖結(jié)構(gòu)相似并與患肢并行工作的上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)引起了廣泛的研究興趣[9]。

在眾多上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的研究中，控制策略是其中的核心技術(shù)，其科學(xué)性與人機(jī)融合性影響著康復(fù)效果。受患者康復(fù)治療時(shí)間線(xiàn)的啟發(fā)，定義了兩類(lèi)控制策略：一類(lèi)是由于患者自身無(wú)法運(yùn)動(dòng)，需要機(jī)器人起引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)作用的被動(dòng)控制策略；一類(lèi)是患者自身具有一定運(yùn)動(dòng)能力，由機(jī)器人起跟隨運(yùn)動(dòng)作用的主動(dòng)控制策略?？祻?fù)治療的過(guò)程可以分為三個(gè)時(shí)期：軟癱期、痙攣期以及恢復(fù)期。針對(duì)不同患病階段的患者，需要設(shè)計(jì)與其需求相對(duì)應(yīng)的控制策略。當(dāng)患者處于軟癱期時(shí)，肌肉張力消失或者不足，自身難以提供力量完成康復(fù)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)處于痙攣期時(shí)，肌肉張力有所恢復(fù)，但狀態(tài)不穩(wěn)定容易痙攣多發(fā)；當(dāng)處于恢復(fù)期時(shí)，肌肉力量逐漸恢復(fù)，患者具有了一定的運(yùn)動(dòng)能力。因此，被動(dòng)控制策略可以在康復(fù)治療的全過(guò)程發(fā)揮作用，主動(dòng)控制策略則更加適用于康復(fù)治療過(guò)程中的恢復(fù)期。由此可見(jiàn)，相較于傳統(tǒng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的控制增加了一定的復(fù)雜性，應(yīng)用不同的控制策略將直接影響到控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及康復(fù)效果。上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的控制適應(yīng)性、魯棒性、準(zhǔn)確性與柔順性影響著輔助康復(fù)效果。所以，開(kāi)發(fā)更高效的控制策略以輔助患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力將是當(dāng)前外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展的主要方向[10-11]。

本文從被動(dòng)控制以及主動(dòng)控制兩方面綜述了上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的研究進(jìn)展。闡述了不同控制方法應(yīng)用于上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人中的情況，詳細(xì)介紹了它們的特點(diǎn)與研究現(xiàn)狀。此外，本文還提出了目前發(fā)展中潛在的應(yīng)用與可能面臨的挑戰(zhàn)，最后對(duì)未來(lái)應(yīng)用于上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的控制方法進(jìn)行展望。

1 被動(dòng)控制

被動(dòng)控制策略適用于康復(fù)治療的全過(guò)程，尤其在軟癱期與痙攣期發(fā)揮重要作用。在這兩個(gè)時(shí)期，康復(fù)訓(xùn)練的主要目標(biāo)是提高肌肉張力，誘發(fā)患肢的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)能力并消除可能由于痙攣產(chǎn)生的對(duì)人體的傷害。針對(duì)這些目標(biāo)，提出了多種控制方法，盡管存在混合使用的情況，但主要可以概括為PID 控制、滑?？刂啤⒛：刂?、肌電信號(hào)控制等。

1.1 PID 控制

在對(duì)患者進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，最常用的方法就是PID 控制。因?yàn)樯现祻?fù)外骨骼機(jī)器人的模型復(fù)雜并難以獲得，而PID 控制具有動(dòng)態(tài)特性可調(diào)、不依賴(lài)于被控對(duì)象的模型的特點(diǎn)，通過(guò)該方法調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)可以獲得滿(mǎn)意的控制效果。文獻(xiàn)[12]采用線(xiàn)性PID 控制方法通過(guò)上肢外骨骼主手對(duì)MARSE-4外骨骼機(jī)器人進(jìn)行遙操作，規(guī)定其沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，MARSE-4 能有效跟蹤期望軌跡并對(duì)患者的腕部、肘部及前臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行被動(dòng)治療，達(dá)到滿(mǎn)意的訓(xùn)練效果。文獻(xiàn)[13]提出了一種不需要系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)設(shè)計(jì)的PID 控制器，保證了機(jī)器人的漸近穩(wěn)定性。利用EXO-UL7這一外骨骼系統(tǒng)的控制器參數(shù)的理論結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真評(píng)估，驗(yàn)證了系統(tǒng)的半全局漸近穩(wěn)定性。

為了實(shí)現(xiàn)良好的控制性能，對(duì)于上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人控制方法的選擇，學(xué)者們更偏好于將經(jīng)典PID 控制方法與其他方法相結(jié)合?；诖?，文獻(xiàn)[14]將PID 控制與神經(jīng)補(bǔ)償結(jié)合使用，減小了系統(tǒng)誤差并提高了系統(tǒng)適應(yīng)性。文獻(xiàn)[15]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全局PID 滑模控制方法，用于有界不確定性機(jī)器人的跟蹤控制，給出了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和收斂性的數(shù)學(xué)證明。仿真結(jié)果表明，該方法消除了抖振和穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)了滿(mǎn)意的軌跡跟蹤。由此可見(jiàn)，多種控制方法的混合使用相對(duì)于單獨(dú)使用傳統(tǒng)的PID 控制方法性能優(yōu)越。

1.2 滑?？刂?/h3>

滑?？刂茖儆诜蔷€(xiàn)性控制方法，憑借響應(yīng)快速、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。與PID 控制方法不同，滑?？刂瓶梢栽趧?dòng)態(tài)過(guò)程中，按系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)有目的地發(fā)生變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定滑動(dòng)模態(tài)的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)?；？刂频陌l(fā)展是以滑動(dòng)模態(tài)的選擇為基礎(chǔ)，從只能實(shí)現(xiàn)漸近穩(wěn)定的線(xiàn)性超平面的傳統(tǒng)滑模控制到終端滑?？刂疲俚椒瞧娈惤K端滑?？刂?，如今到快速終端滑模控制?；？刂撇粩喟l(fā)展，控制性能也愈加優(yōu)越。

文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)出一種模塊化控制體系，采用快速終端滑模方法驅(qū)動(dòng)外骨骼執(zhí)行康復(fù)任務(wù)。在該控制器中，假設(shè)除了與某些參數(shù)有界性有關(guān)的經(jīng)典屬性外，所有模型函數(shù)都是未知的。同時(shí)，擾動(dòng)也被認(rèn)為是有界的。這允許了位置和速度在有限時(shí)間收斂到期望的軌跡。該控制器已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)具有三自由度的上肢外骨骼。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該控制器的有效性和魯棒性。

面對(duì)非線(xiàn)性系統(tǒng)中未知但有界的動(dòng)態(tài)不確定性以及受測(cè)人體動(dòng)力學(xué)模型未知等問(wèn)題，文獻(xiàn)[17]提出了魯棒自適應(yīng)積分終端滑模控制方法對(duì)三自由度上肢外骨骼進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)患者的被動(dòng)康復(fù)運(yùn)動(dòng)。利用積分終端滑動(dòng)模態(tài)曲面，使滑模跟蹤誤差在有限時(shí)間內(nèi)收斂到零。該滑?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)保證了滑模的可達(dá)性和有限時(shí)間內(nèi)良好的跟蹤性能。該控制方案在不增加任何約束的情況下消除了奇異性問(wèn)題。并以一名健康的受試者為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用外骨骼來(lái)執(zhí)行與被動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的軌跡。結(jié)果表明，該控制方法能有效地用于康復(fù)目的，控制力矩在實(shí)際應(yīng)用中是便于獲得和實(shí)現(xiàn)的。

文獻(xiàn)[18]針對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)出現(xiàn)的由于建模不確定性以及受到未知擾動(dòng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于有限時(shí)間擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器的非奇異快速終端滑模控制的五自由度上肢康復(fù)外骨骼。通過(guò)有限時(shí)間擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器估計(jì)未知擾動(dòng)同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，該觀(guān)測(cè)器可在小于0.05 s的時(shí)間內(nèi)估計(jì)出擾動(dòng)且誤差為零。相較于此前諸多其他傳統(tǒng)方案大大提高了快速性。通過(guò)準(zhǔn)確的擾動(dòng)估計(jì)，使用滑模控制來(lái)跟蹤要求的關(guān)節(jié)角度，減輕了抖振效應(yīng)，可以使外骨骼的角度跟蹤誤差在有限的時(shí)間內(nèi)快速降到零，保證了收斂精度。值得注意的是，系統(tǒng)的初始狀態(tài)會(huì)影響有限時(shí)間收斂，從而導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用會(huì)有局限性。在固定時(shí)間控制方法中，解析時(shí)間則不受初始狀態(tài)的影響。因此，固定時(shí)間滑?？刂茖?huì)是下一步需要關(guān)注的研究方向。

1.3 模糊控制

模糊控制是具有邏輯推理的一種控制方法，適用于對(duì)難以建模的系統(tǒng)進(jìn)行魯棒控制，并且其控制形式簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，屬于“白箱”控制。在滑模控制方法中，最主要的缺點(diǎn)之一就是易產(chǎn)生抖振現(xiàn)象，為了解決這一問(wèn)題，引入了模糊控制與滑?？刂葡嘟Y(jié)合。文獻(xiàn)[19]提出了一種基于PID 滑模面以及模糊控制律的改進(jìn)模糊滑模控制方法，保證了系統(tǒng)的魯棒性和最優(yōu)位置控制性能。文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)出一種七自由度上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人，采用了模糊控制與滑?？刂平Y(jié)合的控制策略，既對(duì)外界的干擾和未知的動(dòng)力學(xué)模型有很強(qiáng)的魯棒性，又消除抖振現(xiàn)象提高了控制性能。

文獻(xiàn)[21]在未知外界干擾、未知輸入飽和、未知?jiǎng)恿W(xué)建模的情況下，利用模糊近似設(shè)計(jì)了擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器來(lái)補(bǔ)償未知輸入飽和、模糊近似誤差引起的擾動(dòng)力矩。自適應(yīng)模糊控制采用更新的參數(shù)機(jī)制和額外的扭矩輸入，利用干擾觀(guān)測(cè)器通過(guò)前饋環(huán)施加到機(jī)器人外骨骼來(lái)抵消干擾。通過(guò)這種方法，系統(tǒng)不需要任何內(nèi)置的扭矩傳感器。利用狀態(tài)反饋和輸出反饋控制對(duì)上肢外骨骼進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的性能。

1.4 肌電信號(hào)控制

人體肌電信號(hào)包含了大量的人體運(yùn)動(dòng)信息，可以直接反映出神經(jīng)肌肉的活動(dòng)情況。因此，被廣泛應(yīng)用于上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人。將肌電信號(hào)作為機(jī)器人控制源，是一種有前景的控制手段。對(duì)于上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人這類(lèi)輔助設(shè)備來(lái)說(shuō)，能夠從用戶(hù)的肌電信號(hào)中檢測(cè)出人類(lèi)的運(yùn)動(dòng)意圖，分析出運(yùn)動(dòng)軌跡并觸發(fā)控制是至關(guān)重要的[22-23]。

文獻(xiàn)[24]為了能夠?qū)崟r(shí)控制外骨骼，開(kāi)發(fā)出腦電圖和肌電圖信號(hào)混合的系統(tǒng)，提出了采用肌電信號(hào)估計(jì)關(guān)節(jié)角度的新方法。該方法基于神經(jīng)科學(xué)研究中的肌肉骨骼系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，建立出肌電信號(hào)與關(guān)節(jié)角度的公式關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了基于肌電信號(hào)實(shí)時(shí)控制。研究采用了一個(gè)六自由度的外骨骼輔助整個(gè)手臂和手指運(yùn)動(dòng)，可用于實(shí)際康復(fù)和日?；顒?dòng)支持。4 名身體健全的受試者和一名上肢脊髓損傷的患者佩戴了該外骨骼進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，完成搬運(yùn)和釋放一個(gè)球的手部和手臂的運(yùn)動(dòng)。

同樣想要通過(guò)肌電信號(hào)來(lái)估計(jì)關(guān)節(jié)角度，文獻(xiàn)[25]采用了具有三自由度的上肢外骨骼，利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把采集到的肌電信號(hào)提取特征后作為輸入，輸出相應(yīng)的肘關(guān)節(jié)角度建立出了肘關(guān)節(jié)角度與肌電信號(hào)特征之間的關(guān)系模型。肌電信號(hào)對(duì)外骨骼的控制是為了估計(jì)關(guān)節(jié)角度，從而實(shí)現(xiàn)上肢的運(yùn)動(dòng)估計(jì)，提高了運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。4 名受試者參與實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的性能達(dá)到期望。但是系統(tǒng)在可靠準(zhǔn)確采集肌電信號(hào)方面仍然存在挑戰(zhàn)，實(shí)驗(yàn)中傳感器的放置位置、人體表皮的處理情況等都會(huì)影響信號(hào)采集結(jié)果。

針對(duì)上述信號(hào)采集過(guò)程可能出現(xiàn)的問(wèn)題，文獻(xiàn)[26]提出將肌電信號(hào)視為觀(guān)察變量，由觀(guān)察結(jié)果估計(jì)用戶(hù)的預(yù)期運(yùn)動(dòng)，建立一個(gè)用于肌電輔助機(jī)器人控制和生物信號(hào)傳感器故障檢測(cè)的人體運(yùn)動(dòng)模型。將該模型應(yīng)用于一個(gè)四自由度的上肢外骨骼機(jī)器人，通過(guò)對(duì)5 個(gè)健康受試者的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明，受試者都能成功控制機(jī)器人，并且在傳感器失效的情況下也完成了適當(dāng)?shù)目刂?。這一新方法的提出解決了傳統(tǒng)的肌電信號(hào)采集時(shí)人體與傳感器接觸面易分離，電極易錯(cuò)位等異常問(wèn)題，為以后肌電信號(hào)輔助機(jī)器人控制提供了新思路。

此外，肌電信號(hào)控制在康復(fù)治療中的應(yīng)用形式愈加豐富。為使控制過(guò)程更靈活，交互性更好，文獻(xiàn)[27]提出了基于自適應(yīng)肌電信號(hào)的外骨骼控制器，該控制器可以生成個(gè)性化的肌電信號(hào)特征分類(lèi)器，實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制。該系統(tǒng)對(duì)肌電信號(hào)傳感器的放置具有較強(qiáng)的魯棒性，同時(shí)對(duì)真皮下肌肉移位也具有較強(qiáng)的魯棒性。實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)拇指外骨骼完成了一項(xiàng)放書(shū)任務(wù)，并對(duì)18 名受試者進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)在壓力觸發(fā)前約0.2～0.3 s 預(yù)測(cè)用戶(hù)的動(dòng)作，可以及時(shí)移動(dòng)用戶(hù)的拇指。結(jié)果表明，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的基于肌電信號(hào)的外骨骼控制是可能的。

2 主動(dòng)控制

當(dāng)患者處于恢復(fù)期時(shí)，肢體肌肉力量增強(qiáng)，能夠具有一定的運(yùn)動(dòng)能力。在這一時(shí)期要求上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人由初期的引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)過(guò)渡到跟隨運(yùn)動(dòng)，可以采用主動(dòng)控制策略進(jìn)行控制，包括阻抗/導(dǎo)納控制、自適應(yīng)控制、協(xié)調(diào)控制、智能控制等。

2.1 阻抗/導(dǎo)納控制

阻抗控制自Hogan 提出以來(lái)[28]，經(jīng)過(guò)不斷的研究發(fā)展，如今已經(jīng)成為機(jī)器人領(lǐng)域的經(jīng)典控制方法。阻抗控制可分為基于力的阻抗控制和基于位置的阻抗控制即導(dǎo)納控制，且兩者對(duì)偶。阻抗控制通過(guò)分析機(jī)器人末端與環(huán)境之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系將力控制與位置控制綜合考慮起來(lái)，用相同的策略實(shí)現(xiàn)力控制和位置控制[29-32]。

文獻(xiàn)[33]提出了一種利用生物信號(hào)對(duì)上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行自適應(yīng)阻抗控制的方法。該方法通過(guò)建立人體上肢的參考骨骼肌肉模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)，以匹配操作者的運(yùn)動(dòng)行為。采用阻抗算法通過(guò)肌電信號(hào)傳輸人體剛度，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的參考阻抗模型。除此之外，文獻(xiàn)[34]針對(duì)所研制的外骨骼機(jī)器人，提出了一種自適應(yīng)導(dǎo)納控制框架來(lái)處理人體的運(yùn)動(dòng)意圖以及機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型未知的問(wèn)題。該框架由雙控制回路構(gòu)成。利用內(nèi)環(huán)以反饋的方式處理機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的未知質(zhì)量和慣性矩，利用外環(huán)考慮人體運(yùn)動(dòng)意圖來(lái)調(diào)整交互模型，利用自適應(yīng)技術(shù)對(duì)內(nèi)環(huán)中的未知?jiǎng)討B(tài)進(jìn)行處理，保證了外環(huán)執(zhí)行任務(wù)的效果。實(shí)驗(yàn)表明，該導(dǎo)納控制方法在人與機(jī)器人的物理交互任務(wù)中具有較好的控制性能，能夠有效地實(shí)現(xiàn)人體對(duì)外骨骼機(jī)器人的導(dǎo)納控制。

文獻(xiàn)[35]設(shè)計(jì)了一個(gè)七自由度的上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人，為了實(shí)現(xiàn)被動(dòng)訓(xùn)練與主動(dòng)訓(xùn)練模式的自由切換，選用了基于模糊滑模導(dǎo)納控制的控制策略。由導(dǎo)納控制建立出患者和外骨骼之間的交互力以及康復(fù)訓(xùn)練軌跡調(diào)節(jié)量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。通過(guò)調(diào)整導(dǎo)納參數(shù)，調(diào)節(jié)患者的訓(xùn)練過(guò)程，增強(qiáng)了人機(jī)交互的柔順性，提高了患者治療的參與程度。而另一組設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種新的上肢外骨骼患者協(xié)作控制框架，提出一種基于最小介入的導(dǎo)納控制策略，來(lái)引導(dǎo)患者積極參與，并在訓(xùn)練中最大限度地利用恢復(fù)的運(yùn)動(dòng)功能。所開(kāi)發(fā)的控制方法可以基于患者的運(yùn)動(dòng)能力轉(zhuǎn)化為三種不同的控制模式，即人導(dǎo)模式、機(jī)器人輔助模式和運(yùn)動(dòng)受限模式，根據(jù)患者的運(yùn)動(dòng)意圖調(diào)節(jié)不同工作區(qū)域的人機(jī)交互[36]。

2.2 自適應(yīng)控制

在上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的控制任務(wù)中，會(huì)出現(xiàn)被控系統(tǒng)具有參數(shù)不確定或參數(shù)未知變化等問(wèn)題。自適應(yīng)控制方法可以通過(guò)參數(shù)在線(xiàn)校正或估計(jì)解決這類(lèi)問(wèn)題。文獻(xiàn)[37]考慮到動(dòng)力學(xué)建模未知以及環(huán)境干擾等問(wèn)題。在給定前臂位置期望軌跡的情況下，利用自適應(yīng)模糊逼近器估計(jì)人與機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)不確定性，并利用迭代學(xué)習(xí)方法對(duì)未知時(shí)變周期擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。該控制器不需要精確的外骨骼模型，在未知?jiǎng)恿W(xué)模型的情況下，進(jìn)行了3 組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，使用所提出的控制器跟蹤誤差可以收斂得越來(lái)越小，而這一良好性能主要是由于“自適應(yīng)”機(jī)制，驗(yàn)證了該控制方案的有效性。

文獻(xiàn)[38]研究了具有五自由度的上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人，該機(jī)器人受到不確定動(dòng)力學(xué)、干擾力矩、不可全狀態(tài)測(cè)量和不同類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)故障的影響。因此，提出了一種基于滑模控制策略的自適應(yīng)非線(xiàn)性控制方案。方案將高增益狀態(tài)觀(guān)測(cè)器與動(dòng)態(tài)高增益矩陣相結(jié)合，將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別用于狀態(tài)向量和非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)估計(jì)。利用動(dòng)態(tài)參數(shù)，為同時(shí)處理模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近誤差、擾動(dòng)力矩和驅(qū)動(dòng)故障的影響提供了一種有效的方法。仿真表明，采用這一方法可以獲得較低振幅的無(wú)抖振力矩，且具有響應(yīng)快、跟蹤精度高等優(yōu)點(diǎn)。在接下來(lái)的研究中，將是對(duì)基于觀(guān)測(cè)器的自適應(yīng)容錯(cuò)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)[39]提出了一種基于肌電信號(hào)的神經(jīng)模糊外骨骼控制器的有效自適應(yīng)控制。該控制過(guò)程分為3 個(gè)階段，分別是輸入信號(hào)選擇階段、姿態(tài)區(qū)域選擇階段、神經(jīng)模糊控制階段。當(dāng)外骨骼的使用者發(fā)生改變時(shí)，外骨骼的控制器必須使用所提出的適應(yīng)策略來(lái)適應(yīng)新使用者的物理和生理?xiàng)l件?？刂破髯赃m應(yīng)采用用戶(hù)指示其運(yùn)動(dòng)意圖的運(yùn)動(dòng)指示器。該指示器可以有效地指示關(guān)節(jié)的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)和肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，肌肉活動(dòng)水平也在外骨骼的適應(yīng)階段根據(jù)用戶(hù)的情況或康復(fù)階段進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該自適應(yīng)方法的科學(xué)有效性。

為了確保在參數(shù)不確定性和環(huán)境干擾下軌跡跟蹤的準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)[40]提出一種基于徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)模糊自適應(yīng)控制方案。通過(guò)李亞普諾夫穩(wěn)定性理論，證明了該方案的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)一名健康受試者與兩名腦卒中患者進(jìn)行位置跟蹤實(shí)驗(yàn)和頻響實(shí)驗(yàn)表明，這一方法的提出比較級(jí)聯(lián)PID 控制器和模糊滑?？刂破鞯目刂菩阅埽軌颢@得較低的位置跟蹤誤差和較好的頻響特性。

文獻(xiàn)[41]研究了輸入飽和狀態(tài)下上肢外骨骼的控制設(shè)計(jì)，提出了利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)近似不確定的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的自適應(yīng)控制器。采用輔助系統(tǒng)來(lái)處理輸入飽和的影響，使用狀態(tài)反饋和輸出反饋從測(cè)量的反饋誤差在線(xiàn)估計(jì)不確定性，代替了基于模型的控制。通過(guò)干擾觀(guān)測(cè)器，在線(xiàn)抑制未知干擾，實(shí)現(xiàn)了軌跡跟蹤。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，證明了該方法的有效性。然而，實(shí)驗(yàn)中也顯示出這些控制器在飽和較小時(shí)使用的局限性，所以在線(xiàn)學(xué)習(xí)控制方案有望在不久的將來(lái)被開(kāi)發(fā)出來(lái)用以?xún)?yōu)化控制性能。

2.3 協(xié)調(diào)控制

隨著康復(fù)訓(xùn)練不斷深入，患者需要外骨骼機(jī)器人提供的幫助會(huì)越來(lái)越少。為了響應(yīng)被控對(duì)象性能隨時(shí)間變化，提高人機(jī)交互的水平，提出了協(xié)調(diào)控制方法。

對(duì)于外骨骼機(jī)器人的協(xié)調(diào)研究，是為了增強(qiáng)機(jī)器人的行為能力，解決其運(yùn)動(dòng)控制方面的問(wèn)題?？紤]到患者恢復(fù)過(guò)程運(yùn)動(dòng)能力不斷增強(qiáng)，其主觀(guān)運(yùn)動(dòng)意圖明顯，這時(shí)要求控制方法的目的是調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的協(xié)調(diào)效應(yīng)，即控制各關(guān)節(jié)位置或相對(duì)于其他關(guān)節(jié)的速度，以保證上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人能夠柔順運(yùn)動(dòng)，不對(duì)人體造成二次傷害。文獻(xiàn)[42]設(shè)計(jì)了一個(gè)雙臂外骨骼系統(tǒng)，提出了非對(duì)稱(chēng)雙手協(xié)調(diào)控制策略以執(zhí)行協(xié)作操作，保證運(yùn)動(dòng)的柔順性。

2.4 智能控制

在人工智能飛速發(fā)展的大環(huán)境下，用于上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的一些自身具有學(xué)習(xí)能力的智能控制方法逐漸得到研究人員的重視。例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法、強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制方法。

文獻(xiàn)[43]提出了一種基于貪心神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的神經(jīng)損傷患者上肢康復(fù)訓(xùn)練方案。該控制模式包括一個(gè)基線(xiàn)控制器和一個(gè)高斯徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)用于模擬受試者的功能能力，并為受試者提供相應(yīng)的任務(wù)挑戰(zhàn)。為了鼓勵(lì)受試者的主動(dòng)參與，基于貪心策略對(duì)評(píng)價(jià)受試損傷程度的徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)向量進(jìn)行更新，使受試提供的最大力量隨時(shí)間的推移逐步被學(xué)習(xí)。同時(shí)，根據(jù)受試者的任務(wù)表現(xiàn)，采用挑戰(zhàn)等級(jí)修正算法對(duì)任務(wù)挑戰(zhàn)進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，所提出的控制器對(duì)促進(jìn)受試者在訓(xùn)練過(guò)程中的自愿參與度具有顯著的潛力。然而，該工作僅使用平均誤差作為評(píng)估受試者任務(wù)績(jī)效的指標(biāo)。如何對(duì)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量進(jìn)行更準(zhǔn)確的評(píng)估，例如是否可以通過(guò)對(duì)照臨床試驗(yàn)來(lái)評(píng)估該控制方法的治療效果，是未來(lái)的一個(gè)研究重點(diǎn)。

除神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法之外，已有大量研究表明強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制方法適用于上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的控制。引入強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制方法不但可以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，過(guò)多依賴(lài)于專(zhuān)家知識(shí)、先驗(yàn)知識(shí)、精確的訓(xùn)練樣本以及示教信息等內(nèi)容，還可以通過(guò)與被控對(duì)象間的交互，逐步優(yōu)化系統(tǒng)的控制性能[44]。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)是控制模擬上肢功能性電刺激系統(tǒng)的一種方法。文獻(xiàn)[45]應(yīng)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)了一種用于外骨骼系統(tǒng)的非線(xiàn)性控制器。強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法通過(guò)與環(huán)境的相互作用來(lái)學(xué)習(xí)，為了有效地利用收集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)模擬大量的經(jīng)驗(yàn)片段。將該控制方案與PID 控制比較，并對(duì)5 名健康受試者在平面伸展實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)進(jìn)行比較。結(jié)果表明，兩個(gè)控制器都正確地驅(qū)動(dòng)手臂到目標(biāo)位置，平均絕對(duì)誤差<1°。但強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制在整定時(shí)間、位置精度和平滑度方面明顯優(yōu)于PID 控制。

文獻(xiàn)[46]提出了一個(gè)機(jī)器人訓(xùn)練器的框架。它是用戶(hù)自適應(yīng)的，既不需要特定的期望軌跡，也不需要用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的物理模型，通過(guò)使用無(wú)模型強(qiáng)化學(xué)習(xí)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在該研究中，采用了一種策略梯度類(lèi)型的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法作為輔助機(jī)器人訓(xùn)練的核心。該學(xué)習(xí)算法的目標(biāo)是使任務(wù)完成度最大化，同時(shí)使機(jī)器人的輔助力最小化。策略梯度方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以選擇對(duì)任務(wù)有意義的狀態(tài)和策略表示并合并領(lǐng)域知識(shí)，這通常在學(xué)習(xí)過(guò)程中比基于值函數(shù)的方法需要更少的參數(shù)；另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它是一種無(wú)模型方法?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，該方法已應(yīng)用于機(jī)器人學(xué)習(xí)研究中，包括人機(jī)交互研究。

文獻(xiàn)[47]在2016 年提出直接從用戶(hù)和機(jī)器人之間的交互來(lái)學(xué)習(xí)輔助策略。將輔助策略的學(xué)習(xí)問(wèn)題表述為策略搜索問(wèn)題。為了減輕用戶(hù)在數(shù)據(jù)獲取方面的負(fù)擔(dān)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于數(shù)據(jù)效率的模型強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架。使用開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了該方法的有效性。對(duì)于機(jī)械臂輔助控制任務(wù)的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)，僅通過(guò)30 s 的交互就可以獲得實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制任務(wù)并減少用戶(hù)肌電信號(hào)的適當(dāng)輔助策略。

基于以上基礎(chǔ)，文獻(xiàn)[48]又在2017 年對(duì)模型強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架進(jìn)行了豐富。在成本函數(shù)中并沒(méi)有明確提供所需的軌跡，而是只考慮用戶(hù)通過(guò)肌電信號(hào)測(cè)量的肌肉運(yùn)動(dòng)來(lái)學(xué)習(xí)輔助策略，使用戶(hù)通過(guò)自己的意圖動(dòng)作來(lái)執(zhí)行任務(wù)。由于肌電信號(hào)是通過(guò)用戶(hù)自己的肌肉產(chǎn)生而不是機(jī)器人的協(xié)助來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以肌電信號(hào)可以被理解為當(dāng)前協(xié)助的“成本”。將改進(jìn)的方法應(yīng)用到一自由度的外骨骼機(jī)器人上，并進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該方法學(xué)習(xí)了正確的輔助策略，明確地考慮了用戶(hù)和機(jī)器人之間的雙向交互只有60 s，同時(shí)能夠有效地處理機(jī)器人動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)軌跡的變化。對(duì)于上述的上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的主要特征如表1 所示。

表1 智能控制上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的主要特征

到目前為止，臨床研究還不能證明機(jī)器人治療優(yōu)于傳統(tǒng)方法。根據(jù)個(gè)體的運(yùn)動(dòng)缺陷進(jìn)行個(gè)性化的機(jī)器人輔助治療可能有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。因此，個(gè)性化控制這一智能控制方法開(kāi)始廣受關(guān)注[49]。

文獻(xiàn)[50]提出了一種統(tǒng)計(jì)方法，自動(dòng)個(gè)性化機(jī)器人康復(fù)。該方法使用不同的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)指標(biāo)來(lái)評(píng)估運(yùn)動(dòng)改善并在治療期間適應(yīng)運(yùn)動(dòng)任務(wù)。將該方法在患者身上進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果與接受傳統(tǒng)物理治療的類(lèi)似患者進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果顯示，使用個(gè)性化機(jī)器人方法訓(xùn)練的受試者在臨床測(cè)試、運(yùn)動(dòng)學(xué)和肌肉活動(dòng)方面有更好的結(jié)果。

文獻(xiàn)[51]設(shè)計(jì)了一種基于患者定制方法的三維上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，它通過(guò)將患者包含在控制回路中，實(shí)時(shí)調(diào)整治療特性以適應(yīng)患者的需求。該系統(tǒng)由七自由度機(jī)器人手臂、自適應(yīng)交互控制系統(tǒng)和患者性能評(píng)估模塊組成。它通過(guò)一個(gè)不顯眼的感知系統(tǒng)記錄患者的生物力學(xué)數(shù)據(jù)，評(píng)估患者的生物力學(xué)狀態(tài)，更新機(jī)器人的控制參數(shù)，以修改三維空間中的輔助水平和任務(wù)復(fù)雜性。通過(guò)對(duì)健康受試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性，并提供了二維和三維空間的結(jié)果。

文獻(xiàn)[52]考慮到如何優(yōu)化上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的效用，采用最陡梯度這一新的原則進(jìn)行運(yùn)動(dòng)性能的選擇。其原理是基于映射整個(gè)工作空間的運(yùn)動(dòng)性能，然后選擇位于性能最好和最差之間最陡峭的過(guò)渡區(qū)域的運(yùn)動(dòng)。為了評(píng)估該原則的好處，進(jìn)行了對(duì)照試驗(yàn)，分別比較了15 次機(jī)器人輔助觸達(dá)訓(xùn)練對(duì)兩組因中風(fēng)而患有中重度慢性上肢偏癱患者上肢運(yùn)動(dòng)障礙的效果。與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組有明顯改善，但是實(shí)驗(yàn)也表明該方法更加適用短期訓(xùn)練。在未來(lái)的發(fā)展中，下一步將是評(píng)估較長(zhǎng)時(shí)間的個(gè)性化培訓(xùn)以及這個(gè)原理是否適用于其他運(yùn)動(dòng)障礙例如步態(tài)運(yùn)動(dòng)，或者其他設(shè)備例如下肢外骨骼，甚至一些不需要輔助力的設(shè)備。

3 討論與展望

本文從基于控制策略的角度介紹了上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展，系統(tǒng)的控制流程及特點(diǎn)如圖1 所示。將人體主動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)傳遞給機(jī)器人，依據(jù)康復(fù)需求進(jìn)行被動(dòng)控制策略或主動(dòng)控制策略的選擇與切換。不同的控制方法具有各自的特點(diǎn)。在被動(dòng)控制策略中，PID 控制不依賴(lài)于模型，滑模控制可以變結(jié)構(gòu)適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的變化，模糊控制的出現(xiàn)使系統(tǒng)具有了容錯(cuò)能力，肌電信號(hào)控制可以生成參考軌跡；在主動(dòng)控制策略中，阻抗/導(dǎo)納控制具有柔順性，自適應(yīng)控制可以在線(xiàn)校正調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程，協(xié)調(diào)控制具有動(dòng)態(tài)交互性，智能控制具有學(xué)習(xí)能力。

圖1 上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人控制流程及特點(diǎn)

當(dāng)前，關(guān)于上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)還有許多問(wèn)題有待研究，關(guān)于其控制策略的發(fā)展將會(huì)有以下幾個(gè)趨勢(shì)：

1) 研究復(fù)合控制策略。通過(guò)對(duì)上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的控制策略分析發(fā)現(xiàn)，盡管本文中將每一種控制方法單獨(dú)列出，但是已經(jīng)出現(xiàn)了多種控制方法混合使用的情況。單一的控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，而復(fù)合控制策略可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，滿(mǎn)足控制要求。因此，在未來(lái)的研究中不同控制方法的混合使用將成為一種趨勢(shì)。

2) 從下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人中獲得啟示。下肢運(yùn)動(dòng)的節(jié)律性使其相關(guān)的研究進(jìn)展比上肢要快。文獻(xiàn)[53]采用智能仿生技術(shù)設(shè)計(jì)與下肢關(guān)節(jié)特性更為貼近的假肢；文獻(xiàn)[54]在下肢康復(fù)外骨骼中采用了層次交互學(xué)習(xí)方法；文獻(xiàn)[55]設(shè)計(jì)具有用戶(hù)反饋的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下肢矯形器。此類(lèi)在下肢中使用的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)上肢的發(fā)展是一個(gè)啟發(fā)與引領(lǐng)。

3) 康復(fù)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)問(wèn)題。對(duì)于控制系統(tǒng)如何選取適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)指標(biāo)是學(xué)者們一直關(guān)注的問(wèn)題之一。以往經(jīng)常使用傳統(tǒng)機(jī)器人控制的測(cè)量方法，如軌跡誤差、生物學(xué)相關(guān)的測(cè)量方法或是特定任務(wù)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量測(cè)量方法等。度量的選擇不僅是對(duì)交互的調(diào)節(jié)，還包括對(duì)人與機(jī)器人之間物理交互的有效性評(píng)估。文獻(xiàn)[56]將信息論原理應(yīng)用于人機(jī)交互的研究，使身體作為信息通道、身體的運(yùn)動(dòng)作為信息傳遞，使定量解釋成為一種可能。這一理論為未來(lái)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)提供了一個(gè)新思路。因此，未來(lái)研究有必要選擇更為合適的康復(fù)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4) 臨床測(cè)試與應(yīng)用問(wèn)題。在對(duì)上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的歸納分析中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的大部分機(jī)器人系統(tǒng)只對(duì)部分健康受試者或患者進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，距離投入實(shí)際應(yīng)用還面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，還需更嚴(yán)格的臨床測(cè)試與康復(fù)評(píng)價(jià)，同時(shí)保證控制系統(tǒng)的安全性顯得尤為重要。面對(duì)臨床醫(yī)學(xué)中大量的需求，外骨骼機(jī)器人現(xiàn)在已成為倍受人們關(guān)注的前沿研究領(lǐng)域。隨著外骨骼機(jī)器人控制策略不斷豐富完善，將會(huì)吸引越來(lái)越多的科研人員加入這一研究行列?？傊?，發(fā)展也就意味著機(jī)遇，作為造福人類(lèi)健康的工具，在未來(lái)，外骨骼機(jī)器人將會(huì)更好地服務(wù)于人。

本文工作得到沈陽(yáng)市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃重大科技研發(fā)項(xiàng)目(18-400-6-16)的資助，在此表示感謝。