魯守銀袁魯浩

(1.山東建筑大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與智能系統(tǒng)研究院，山東 濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101)

0 引言

近年來(lái)，隨著人口老齡化程度的日趨加深，腦卒中疾病及意外事故所引起的運(yùn)動(dòng)障礙患者顯著增多[1]。現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)和臨床實(shí)踐表明，有效的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練能夠減緩患者運(yùn)動(dòng)功能殘疾，加速腦卒中等患者運(yùn)動(dòng)障礙的康復(fù)進(jìn)程?？祻?fù)機(jī)器人可以幫助患者實(shí)現(xiàn)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)功能訓(xùn)練，亦可幫助患者恢復(fù)或提高其運(yùn)動(dòng)功能、日常生活活動(dòng)能力(Activities of Daily Living，ADL)以及生活質(zhì)量(Quality of Life，QOL)。與傳統(tǒng)醫(yī)師康復(fù)治療訓(xùn)練相比，康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練過(guò)程更加平穩(wěn)可控，既可保證運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的效率和強(qiáng)度，又可在康復(fù)過(guò)程中記錄康復(fù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以便于醫(yī)療效果評(píng)價(jià)。康復(fù)機(jī)器人是緩解康復(fù)醫(yī)療資源緊張、提高康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練水平的有效技術(shù)解決方案之一，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)意義[2]。因此，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用研究獲得了人們的廣泛關(guān)注[3-6]。

針對(duì)運(yùn)動(dòng)障礙患者不同治療訓(xùn)練方式的差別，根據(jù)機(jī)器人提供康復(fù)訓(xùn)練模式的不同，康復(fù)機(jī)器人可分為被動(dòng)訓(xùn)練和主動(dòng)訓(xùn)練兩種。按照腦卒中患者三期康復(fù)治療網(wǎng)[1]的規(guī)定，根據(jù)患者運(yùn)動(dòng)功能障礙情況及其患肢治療過(guò)程的不同階段，需要采取不同的治療方案。被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練主要適用于患者的康復(fù)初期，在這一階段的患者一般肌力較弱，可能不具備自己運(yùn)動(dòng)的能力，此時(shí)需要由康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)患肢按照預(yù)定的活動(dòng)路線或運(yùn)動(dòng)軌跡完成訓(xùn)練動(dòng)作；在康復(fù)中后期，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，肌力得到了一定的恢復(fù)，此時(shí)患者可能更需要根據(jù)自己的意愿進(jìn)行相關(guān)運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。這種根據(jù)患者自己運(yùn)動(dòng)意圖，依靠患者自身力量或部分借助外力完成運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的方式，也稱(chēng)為主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。在主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，通過(guò)患者的主動(dòng)參與，將更加有助于促進(jìn)肢體運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)，即主動(dòng)訓(xùn)練的康復(fù)效果較被動(dòng)訓(xùn)練更為顯著[2]。但是，與被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練相比，由于需要感知患者的運(yùn)動(dòng)意圖并據(jù)此控制機(jī)器人完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡或動(dòng)作等，所以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練將會(huì)更加困難[7]。

由于在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，康復(fù)機(jī)器人和患者肢體要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)意圖的交互和直接的物理接觸，所以康復(fù)機(jī)器人的控制復(fù)雜程度高，控制方式或控制系統(tǒng)的穩(wěn)健性、柔順性將直接影響到康復(fù)機(jī)器人的性能和康復(fù)效果。因此，開(kāi)發(fā)更安全可靠、更有效的交互控制系統(tǒng)以提高康復(fù)機(jī)器人的性能和康復(fù)效果，是當(dāng)前康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用研究道路上亟待解決的重要問(wèn)題之一。

文章分析了機(jī)器人康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練需求，給出了康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)；綜述了比例、積分、微分(Proportion Integral Differential，PID)控制、滑模控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等在被動(dòng)訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用研究中的進(jìn)展情況；重點(diǎn)介紹了目前在主動(dòng)訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中患者運(yùn)動(dòng)意圖感知和人機(jī)交互控制技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀；探究了康復(fù)機(jī)器人交互控制的穩(wěn)定性與安全性研究進(jìn)展；討論了康復(fù)機(jī)器人研究中有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題，并展望了康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用前景。

1 康復(fù)機(jī)器人需求分析及功能設(shè)計(jì)

目前，康復(fù)機(jī)器人主要面向肢體運(yùn)動(dòng)障礙患者，特別是由腦卒中引起的癱瘓患者。在腦卒中患者中，由于其肢體運(yùn)動(dòng)癱瘓的病變位置不同，癱瘓的肢體和嚴(yán)重程度也會(huì)有所不同，所以運(yùn)動(dòng)康復(fù)的治療方案也不同。如上肢偏癱患者的康復(fù)運(yùn)動(dòng)主要通過(guò)對(duì)上臂或手部的主動(dòng)或被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，加強(qiáng)其肌肉組織的力度，實(shí)現(xiàn)臂部或手部的動(dòng)作功能恢復(fù)或好轉(zhuǎn)，以保證患者的日常生活質(zhì)量。因此，上肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)可采用臂部運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人或手部運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人；為了對(duì)踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)等下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)障礙患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，可采用腿部康復(fù)機(jī)器人和踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人等下肢關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，以維持其相關(guān)關(guān)節(jié)活動(dòng)度、防止下肢肌肉痙攣，促進(jìn)其受損的神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能等在一定程度上組織再生，從而提高患者的康復(fù)程度[8]。

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人研究已經(jīng)出現(xiàn)了很多技術(shù)成果，包括機(jī)器人本體機(jī)械設(shè)計(jì)、主動(dòng)控制、柔順性控制、治療方案設(shè)計(jì)、康復(fù)治療評(píng)價(jià)等很多單項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始在臨床得到了應(yīng)用。但是，在現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人整機(jī)系統(tǒng)的臨床應(yīng)用推廣方面，還存在成本高、大規(guī)模推廣難度大以及康復(fù)治療效果有限等問(wèn)題，特別是下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)大規(guī)模臨床應(yīng)用的差距更大，尚有很多問(wèn)題有待進(jìn)一步探討[9]。

運(yùn)動(dòng)康復(fù)療法對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)障礙患者康復(fù)起著非常重要的作用?？祻?fù)機(jī)器人是緩解目前運(yùn)動(dòng)康復(fù)醫(yī)療資源緊張、提高康復(fù)水平的一個(gè)重要技術(shù)解決方案，機(jī)器人輔助運(yùn)動(dòng)康復(fù)治療具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)意義。為配合或替代康復(fù)醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)治療，康復(fù)機(jī)器人應(yīng)具備如下主要功能[10]:

(1)康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練模式設(shè)計(jì)

康復(fù)訓(xùn)練方法是康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，運(yùn)動(dòng)障礙患者早期治療方案一般是被動(dòng)訓(xùn)練治療方案，而中后期康復(fù)治療主要采取主動(dòng)訓(xùn)練方式，以激發(fā)患者中樞神經(jīng)系統(tǒng)的恢復(fù)或重塑，從而恢復(fù)患肢運(yùn)動(dòng)功能。因此，在康復(fù)機(jī)器人功能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)至少可以提供被動(dòng)或主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練兩種訓(xùn)練模式中的一種模式，以輔助患者進(jìn)行相應(yīng)的康復(fù)訓(xùn)練。

(2)患者康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)的運(yùn)動(dòng)軌跡控制

針對(duì)患者具體情況的不同，治療方案也不同，其康復(fù)運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)量及組合方式、運(yùn)動(dòng)方式(轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)、復(fù)合運(yùn)動(dòng))、運(yùn)動(dòng)幅度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)頻率、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等康復(fù)運(yùn)動(dòng)形式多種多樣，所以機(jī)器人的控制系統(tǒng)應(yīng)能具備訓(xùn)練任務(wù)的運(yùn)動(dòng)軌跡控制功能，并驅(qū)動(dòng)機(jī)器人帶動(dòng)患肢及其相關(guān)部位完成運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。

(3)康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中的實(shí)時(shí)力/力矩調(diào)節(jié)

不同患者或患者不同康復(fù)階段，康復(fù)治療方案不同，所采用的康復(fù)運(yùn)動(dòng)形式及其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的康復(fù)力/力矩也會(huì)有所變化。康復(fù)過(guò)程的力度差異可能會(huì)很大，如在腦卒中上肢運(yùn)動(dòng)障礙患者康復(fù)運(yùn)動(dòng)治療早期，患者患肢無(wú)法自己活動(dòng)，應(yīng)以被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練為主，主要完成肌力的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。在這一階段的康復(fù)治療過(guò)程中，要求機(jī)器人要滿足運(yùn)動(dòng)要求，在牽引、拖拽患者上臂時(shí)，機(jī)器人要能克服患肢阻力，帶動(dòng)患肢相關(guān)部位達(dá)到需要運(yùn)動(dòng)范圍的各個(gè)位置，患者上肢處于被動(dòng)跟隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)；在患者具備一定的自主活動(dòng)能力可以進(jìn)行半主動(dòng)康復(fù)治療階段時(shí)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也可以提供較小的力或力矩，根據(jù)患者運(yùn)動(dòng)意圖，由機(jī)器人跟隨患者輔助其上臂運(yùn)動(dòng)；患者的上肢力量足夠大時(shí)，為了強(qiáng)化上肢力量訓(xùn)練，機(jī)器人在隨上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要提供一定的反向阻尼，促進(jìn)上肢及神經(jīng)系統(tǒng)的康復(fù)。

(4)機(jī)器人本體狀態(tài)實(shí)時(shí)感知和運(yùn)動(dòng)控制

為了完成康復(fù)治療方案的訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人在工作過(guò)程中要能實(shí)時(shí)感知其各關(guān)節(jié)位移、速度、力/力矩等本體運(yùn)動(dòng)參數(shù)、患者運(yùn)動(dòng)意圖和患者生理指標(biāo)信息以及環(huán)境相關(guān)信息等，并基于上述相關(guān)信息，根據(jù)治療方案的運(yùn)動(dòng)流程實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，完成訓(xùn)練任務(wù)。

(5)充分的安全防護(hù)保障措施

由于康復(fù)機(jī)器人的服務(wù)對(duì)象是運(yùn)動(dòng)障礙患者，行動(dòng)不便，因此機(jī)器人的安全性就更加重要。在硬件設(shè)計(jì)上，機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要充分考慮機(jī)械安全裝置及足夠的量程安全設(shè)置，并能根據(jù)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)信息保證安全運(yùn)行；在軟件設(shè)計(jì)上，要考慮控制參數(shù)的極限閾值設(shè)置與調(diào)整，確?？刂茩C(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行安全；對(duì)于患者，也要考慮人體生理信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并制定患者生理信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)的處置預(yù)案；在突發(fā)事件時(shí)(比如停電)，機(jī)器人系統(tǒng)要有相應(yīng)的處置預(yù)案。

(6)康復(fù)治療信息智能處理功能

機(jī)器人在康復(fù)治療過(guò)程中，應(yīng)將患者治療方案、患者生理指標(biāo)、機(jī)器人本體狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)保存、記錄，并具備一定的統(tǒng)計(jì)分析功能，以便于醫(yī)師對(duì)患者康復(fù)情況進(jìn)行定量分析。

(7)足夠的人機(jī)交互能力

康復(fù)機(jī)器人需要將醫(yī)師為患者制訂的康復(fù)治療方案中的訓(xùn)練流程轉(zhuǎn)化為機(jī)器人能執(zhí)行的動(dòng)作，并輔助患者完成訓(xùn)練任務(wù)，因此機(jī)器人應(yīng)具備與醫(yī)師就治療方案進(jìn)行交互的功能；在治療過(guò)程中，機(jī)器人應(yīng)能根據(jù)患者的身體情況、患肢康復(fù)情況和運(yùn)動(dòng)意圖來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以機(jī)器人和患者之間應(yīng)有充分的交互能力。

2 被動(dòng)訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人控制技術(shù)

被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練可適用于康復(fù)訓(xùn)練治療全過(guò)程，特別是在患者肌力較弱、無(wú)法靠自身力量活動(dòng)時(shí)，被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練是康復(fù)治療的主要方式。被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的主要目標(biāo)是提高肌肉張力，恢復(fù)患肢的主動(dòng)活動(dòng)能力，并緩解肌肉痙攣可能給患者帶來(lái)的身體傷害。在被動(dòng)訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人控制技術(shù)方面，采用的控制技術(shù)不但涵蓋了PID控制、滑模控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等，為了提高控制效果，還普遍采用了多種控制方法相結(jié)合的混合控制技術(shù)[6-11]。

對(duì)于被動(dòng)訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人的控制問(wèn)題，PID控制是最基本的控制方法。因?yàn)榭祻?fù)機(jī)器人一般采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的、多自由度機(jī)電系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)建模復(fù)雜，而PID控制具有不依賴(lài)于被控對(duì)象模型的特點(diǎn)，利用PID控制方法基本可以獲得較為理想的控制效果。YU等[12]利用PID控制方法對(duì)其所研究的康復(fù)機(jī)器人實(shí)施了控制，并取得了較為理想的控制效果。為了達(dá)到更好的效果，許多學(xué)者還選擇了將經(jīng)典PID控制方法與其他控制方法相結(jié)合的控制方案[13]。

由于滑?？刂凭哂许憫?yīng)快、穩(wěn)健性好和物理實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)器人控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人的末端軌跡跟蹤問(wèn)題，沈顯慶等[14]采用雙曲面正切函數(shù)的滑?？刂破?，對(duì)機(jī)器人末端進(jìn)行直接控制，減弱了傳統(tǒng)滑?？刂拼嬖诘亩墩駟?wèn)題，提高了誤差收斂速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明了雙曲面正切函數(shù)滑?？刂破鞯挠行浴ADANI等[15]給出了一種模塊化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系，利用快速終端滑模方法控制外骨骼完成了康復(fù)任務(wù)。李醒等[16]提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的無(wú)模型滑?？刂品椒ǎ⒁?自由度外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人為仿真對(duì)象，仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性。黃明等[17]通過(guò)基于代理的滑?？刂品椒?，討論了由氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的2自由度可穿戴式康復(fù)機(jī)器人的腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練位置控制問(wèn)題。YANG等[18]針對(duì)5自由度外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)建模不確定性和未知擾動(dòng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于有限時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器的非奇異快速終端滑?？刂破?，實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)角度的跟蹤。

模糊控制是一種基于模糊邏輯推理的智能控制方法，可用于對(duì)難以建立精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)健性控制，特別是在非線性時(shí)變系統(tǒng)控制方面優(yōu)勢(shì)明顯。JU等[19]設(shè)計(jì)了一種可以協(xié)助神經(jīng)肌肉障礙患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的2自由度康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，給出了一種可以跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡并保持運(yùn)動(dòng)方向恒定力/力矩的模糊邏輯控制器。吳青聰?shù)萚20]研究了模糊滑模導(dǎo)納控制方法，給出了基于上肢康復(fù)機(jī)器人平臺(tái)的模糊滑模導(dǎo)納控制算法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制方法的可行性。為了消除滑模控制方法產(chǎn)生的抖振現(xiàn)象，結(jié)合模糊控制技術(shù)和滑模控制技術(shù)，RAHMANI等[21]研究了一種7自由度外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人，設(shè)計(jì)了一種新的快速模糊滑?？刂破?，保證了系統(tǒng)對(duì)外部干擾和未知?jiǎng)恿W(xué)模型的穩(wěn)健性。

自適應(yīng)控制方法可以通過(guò)參數(shù)在線調(diào)整或估計(jì)，有效解決康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)存在的參數(shù)不確定或參數(shù)變化未知等問(wèn)題。王峰等[22]基于自適應(yīng)控制算法開(kāi)發(fā)了機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)器人系統(tǒng)軌跡跟蹤控制的可行性。梁旭等[23]通過(guò)自適應(yīng)模糊逼近器對(duì)人與機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不確定性進(jìn)行估計(jì)，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊控制器，經(jīng)過(guò)多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自適應(yīng)控制器的有效性。

3 主動(dòng)訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人控制技術(shù)

在被動(dòng)訓(xùn)練階段，只需要機(jī)器人帶動(dòng)患肢沿著預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡活動(dòng)即可，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡是預(yù)先設(shè)定的，在被動(dòng)訓(xùn)練治療過(guò)程中，患者只是被動(dòng)參與。但在主動(dòng)訓(xùn)練康復(fù)階段，為了提高康復(fù)效果和患者參與訓(xùn)練的積極性，需要機(jī)器人按照患者運(yùn)動(dòng)意圖提供主動(dòng)訓(xùn)練康復(fù)運(yùn)動(dòng)[23]。因此，為了提高患者在機(jī)器人輔助訓(xùn)練過(guò)程中的參與度，需要機(jī)器人與患者之間加強(qiáng)交互，并根據(jù)所感知的患者運(yùn)動(dòng)意圖來(lái)控制機(jī)器人關(guān)節(jié)的活動(dòng)，從而帶動(dòng)患肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)。與被動(dòng)訓(xùn)練相比，主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的控制問(wèn)題難度更大，主要需要解決如下幾個(gè)方面的問(wèn)題:(1)患者運(yùn)動(dòng)意圖的感知技術(shù)；(2)人機(jī)交互控制技術(shù)；(3)控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定問(wèn)題；(4)人機(jī)交互模式問(wèn)題。

3.1 感知技術(shù)

主動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中，實(shí)時(shí)有效的感知技術(shù)是保證康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練效果的首要條件。通過(guò)感知系統(tǒng)，機(jī)器人可以獲取患者主觀運(yùn)動(dòng)意圖，然后再結(jié)合感知系統(tǒng)檢測(cè)到的機(jī)器人自身狀態(tài)信息及相應(yīng)的控制策略，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與患者的主動(dòng)訓(xùn)練康復(fù)運(yùn)動(dòng)。

感知系統(tǒng)要求既能感知患者和機(jī)器人本體的狀態(tài)信息，還要能夠幫助實(shí)現(xiàn)患者與機(jī)器人的信息交互和物理交互。感知系統(tǒng)是形成閉環(huán)機(jī)器人控制系統(tǒng)，保證機(jī)器人系統(tǒng)控制精度的主要組成部分，也是保證利用力、位置等信息反饋實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)柔順控制的必要環(huán)節(jié)。另外，通過(guò)感知系統(tǒng)所獲取的相關(guān)評(píng)估信號(hào)也是康復(fù)機(jī)器人性能評(píng)估標(biāo)定的主要指標(biāo)。

目前，機(jī)器人感知系統(tǒng)比較成熟的感知技術(shù)包含了人機(jī)運(yùn)動(dòng)信息和人體生理信息等感知技術(shù)。康復(fù)機(jī)器人感知系統(tǒng)所用的傳感器可分為物理信息傳感器和生理信息傳感器。物理信息傳感器主要用于康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中人機(jī)交互運(yùn)動(dòng)的位置、力等物理信息感知；生理信息傳感器主要用于患者的肌電或腦電信息等生理信息的感知。

3.1.1 運(yùn)動(dòng)信息感知技術(shù)

在機(jī)器人康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中，人機(jī)交互運(yùn)動(dòng)信息主要包括位置(速度、加速度)信息和力信息。目前，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)信息的物理量信息傳感器主要包括位置傳感器、角位移傳感器、加速度傳感器、力傳感器等。傳感器設(shè)備種類(lèi)較多，如位置傳感器就有光電編碼器、磁編碼器、霍爾傳感器、電位計(jì)等多種傳感方式。其中，光電編碼器、電位計(jì)等位置/角位移傳感器等可安裝在康復(fù)機(jī)器人的某些關(guān)節(jié)電機(jī)內(nèi)部或電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上，用于檢測(cè)關(guān)節(jié)位置/角度運(yùn)動(dòng)信息等。李劍鋒等[24]研制的踝功能康復(fù)機(jī)器人安裝了絕對(duì)式編碼器，檢測(cè)其3個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的角位移和角速度的信息，為機(jī)器人的軌跡跟蹤提供了反饋控制信息；CHIRI等[25]將霍爾傳感器安裝在關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸上，不但用來(lái)測(cè)量肢體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移，還充當(dāng)了限位開(kāi)關(guān)，保證了機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。

除了位置/角位移傳感器外，為了更好地感知患者身體相關(guān)部位的姿態(tài)，加速度計(jì)、彎曲度傳感器、陀螺儀、數(shù)據(jù)手套等感知裝置或技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。其中，彎曲度傳感器、陀螺儀及加速度計(jì)等傳感器與位置/角位移傳感器類(lèi)似，主要是安裝在機(jī)器人的活動(dòng)關(guān)節(jié)上用來(lái)檢測(cè)患者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。一般情況下，陀螺儀和加速度計(jì)兩者經(jīng)常綜合使用。加速度計(jì)可安裝在待測(cè)物的水平面上，由于重力作用，待測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)加速度計(jì)的敏感軸會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，加速度也會(huì)產(chǎn)生變化，從而可以體現(xiàn)待測(cè)物體的姿態(tài)變化。陀螺儀可用來(lái)檢測(cè)待測(cè)物體的動(dòng)態(tài)角速率，通過(guò)對(duì)角速率積分從而得到待測(cè)物體的姿態(tài)角度。ESQUENAZI等[26]采用陀螺儀檢測(cè)患者姿態(tài)，通過(guò)計(jì)算獲得患者的質(zhì)心活動(dòng)軌跡和步態(tài)特征，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人輔助患者行走的功能。為了降低陀螺儀和加速度計(jì)的測(cè)量誤差，減少傳感器數(shù)據(jù)融合得到姿態(tài)數(shù)據(jù)的漂移現(xiàn)象等噪聲干擾，可以考慮利用濾波算法對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)的噪聲和漂移進(jìn)行校正處理，以提高其測(cè)量精度[27]。

在康復(fù)機(jī)器人主動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中，人機(jī)交互的力信息是非常重要的感知信息，力信息主要是指由于人體上下肢肌肉收縮所形成的作用于機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的力，也稱(chēng)為交互力?？梢酝ㄟ^(guò)將力傳感器安裝在機(jī)械結(jié)構(gòu)中進(jìn)行交互力的測(cè)量，也可通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模進(jìn)行估計(jì)?？祻?fù)機(jī)器人進(jìn)行交互力的信息檢測(cè)時(shí)，常用的力傳感器主要有多維力傳感器、電容式力傳感器、應(yīng)變式力傳感器、壓阻式力傳感器、觸覺(jué)傳感器、電子皮膚等。但在進(jìn)行交互力測(cè)量時(shí)，一般需要借助機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)，所以力信息的獲取較為復(fù)雜，不如人體生理信號(hào)檢測(cè)方便靈活，所以這也限制了基于交互力的康復(fù)機(jī)器人控制方式的應(yīng)用[28]。相比于人體生理指標(biāo)信息，力信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性更高，同時(shí)也能更好地反映患者的主管運(yùn)動(dòng)意圖，因此基于交互力信息的康復(fù)機(jī)器人控制性能更加可靠。

3.1.2 基于表面肌電信號(hào)的感知技術(shù)

現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)器人主要通過(guò)人機(jī)交互力信息來(lái)獲得患者的主觀運(yùn)動(dòng)意圖，但由于交互力信息的滯后性和康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中主觀運(yùn)動(dòng)意圖建模困難，因此基于交互力感知技術(shù)尚不能很好地解決人機(jī)交互控制的安全柔順性問(wèn)題?；谌梭w肌電信息的康復(fù)機(jī)器人交互控制也是目前的研究熱點(diǎn)之一。肌電信號(hào)(Electromyogram，EMG)來(lái)源于人體運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，能夠反映出人體骨骼肌的激活狀態(tài)，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)支配的肌肉神經(jīng)控制信號(hào)。肌電信號(hào)大約先于骨骼肌收縮100 ms產(chǎn)生[29]，通過(guò)人體肌電信號(hào)獲得患者的運(yùn)動(dòng)意圖，可以很好地提高患者在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程的主動(dòng)參與程度。

表面肌電信號(hào)(surface Electromyography，sEMG)是骨骼肌的肌纖維運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼鳟a(chǎn)生的電位變化信息[30]，可以將電極貼合在相應(yīng)的皮膚表面來(lái)獲取該部位的肌電信息，在一定程度上表征神經(jīng)肌肉的活動(dòng)情況[31]。由于sEMG信息電信號(hào)微弱，所以在測(cè)量時(shí)具有很大程度的不穩(wěn)定性，對(duì)于同一個(gè)人同一個(gè)動(dòng)作所采集到的肌電信號(hào)都可能不同。所以，如何提取肌電信號(hào)特征是進(jìn)行基于肌電信號(hào)的交互控制首先要解決的問(wèn)題。目前，常用的提取sEMG信號(hào)特征的方法主要有頻域法、時(shí)域法和時(shí)頻域法等。常用的頻域法包括倒頻譜分析、功率譜估計(jì)等特征計(jì)算方法；時(shí)域法主要有均值、絕對(duì)值積分、均方根、過(guò)零點(diǎn)率、平方和等方法；時(shí)頻域法目前較常見(jiàn)的有小波變換法和維格納分布[9]方法。

表面肌電信號(hào)具有如下特點(diǎn):信號(hào)獲取較為簡(jiǎn)便，不需要較為復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)；傳統(tǒng)力傳感器檢測(cè)到的力信息是所有肌肉群作用下的肢體運(yùn)動(dòng)情況，表面肌電信號(hào)可以反映特定肌肉群的電活動(dòng)程度，可以獲得對(duì)肢體的運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行更加細(xì)致的感知；基于表面肌電信號(hào)的交互控制靈活，可實(shí)現(xiàn)健肢對(duì)患肢的主從控制；表面肌電信號(hào)比常規(guī)檢測(cè)到的力信號(hào)靈敏度高，對(duì)于患肢自主活動(dòng)能力較弱的患者，使用表面肌電信號(hào)檢測(cè)患者主觀運(yùn)動(dòng)意圖更為合適。目前，肌電信號(hào)已廣泛應(yīng)用于康復(fù)治療過(guò)程中。肌電信號(hào)的檢測(cè)一般是通過(guò)在人體皮膚表面粘貼一組貼片電極來(lái)測(cè)量表面肌電信號(hào)，并經(jīng)過(guò)放大、濾波等信號(hào)處理后，可判斷出各肌肉的活動(dòng)程度，從而識(shí)別出人體患肢的動(dòng)作模式并控制康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。單一通道的肌電信號(hào)只能反映某些特定肌肉的活動(dòng)情況，為了獲取患者主觀運(yùn)動(dòng)意圖，一般情況下最好基于多塊肌肉電信號(hào)的活動(dòng)情況，才能較為可靠地獲得患者主觀運(yùn)動(dòng)意圖[32]。

在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，如何通過(guò)肌電信號(hào)識(shí)別出患者的主觀運(yùn)動(dòng)意圖，是康復(fù)機(jī)器人人機(jī)交互控制的關(guān)鍵所在。丁其川等[33]介紹了肌電信號(hào)判別患者主觀運(yùn)動(dòng)意圖的方法有離散動(dòng)作模態(tài)分類(lèi)、關(guān)節(jié)連續(xù)運(yùn)動(dòng)量估計(jì)及關(guān)節(jié)剛度/阻抗估計(jì)，并介紹了基于sEMG的主觀運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別技術(shù)現(xiàn)狀。

3.1.3 基于腦電信號(hào)的感知技術(shù)

人類(lèi)大腦是由眾多神經(jīng)元組成的，人們的思維活動(dòng)就是這些神經(jīng)元之間相互聯(lián)系的反應(yīng)，這些反應(yīng)是通過(guò)人體大腦皮質(zhì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元細(xì)胞電生理活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。人們的思維活動(dòng)也會(huì)引起神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元的活動(dòng)變化，影響神經(jīng)元的電活動(dòng)特性，從而反映為腦電信號(hào)(Electroencephalogram，EEG)發(fā)生了相應(yīng)的變化。腦電信號(hào)是大腦皮質(zhì)錐體細(xì)胞突觸在活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離子交換而形成的電波信號(hào)，是神經(jīng)元細(xì)胞之間傳遞信息時(shí)產(chǎn)生的生物電信號(hào)。

腦電信號(hào)的傳統(tǒng)分析方法主要包括時(shí)域分析、頻域分析和譜分析等，近年來(lái)，隨著非線性動(dòng)力學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深入研究及廣泛應(yīng)用，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和非線性動(dòng)力學(xué)分析等腦電信號(hào)分析方法也得到了廣泛的關(guān)注[34]。

(1)時(shí)頻分析法

早期腦電信號(hào)分析方法是在時(shí)域信號(hào)中直接提取其特定波形特征的信息，常用的分析方法主要有波形參數(shù)分析和波辨識(shí)、峰值檢測(cè)、直方圖分析、自回歸模型(Autoregressive model，AR)、相關(guān)分析、方差分析等時(shí)域分析方法。相對(duì)于時(shí)域描述，腦電信號(hào)的頻域表示更加的簡(jiǎn)單直觀，所以有很多腦電信號(hào)的研究結(jié)果是在頻域下得到的，如階比譜分析、包絡(luò)分析、頻譜分析、全息譜分析、倒頻譜分析等方法都是常用的頻域分析方法。

時(shí)頻分析方法則兼有上述兩種方法優(yōu)點(diǎn)，可在時(shí)域上將信號(hào)的頻率特性展示出來(lái)，在描述腦電信號(hào)的局部頻率及其幅值特性方面具有明顯優(yōu)點(diǎn)。

(2)高階譜分析法

高階譜分析方法是對(duì)功率譜分析法的推廣，也是腦電信號(hào)分析的一種常用方法。由于腦電信號(hào)不是單純的高斯分布，所以采用二階譜分析時(shí)，可能會(huì)丟失部分非線性高階信息，影響腦電信號(hào)分析效果。因此，針對(duì)隨機(jī)的非高斯過(guò)程的腦電信號(hào)，采用高階譜分析法可以從更高階概率描述隨機(jī)信號(hào)，獲得包含偏離分布程度、信號(hào)相位等更多的非線性信息。另外，在理論上高階譜對(duì)高斯噪聲有更好的抑制能力，可提高腦電信號(hào)參數(shù)估計(jì)的可靠性。

由于高階譜計(jì)算量隨階數(shù)的增加而更加復(fù)雜，所以腦電信號(hào)高階譜分析法一般情況下采用雙譜分析法，其可以挖掘出常規(guī)腦電圖無(wú)法顯示的深層次隱含信息。劉海紅等[35]基于不同注意力狀態(tài)下的幾組腦電信號(hào)，采用雙譜分析法研究了雙譜切片特征值，結(jié)果表明不同腦電部位的信號(hào)在相同意識(shí)狀態(tài)下的非線性耦合特性存在差異性，體現(xiàn)了雙譜分析在腦電分析中的潛在價(jià)值。

(3)非線性分析法

近年來(lái)的研究結(jié)果表明，如把腦電信號(hào)視為系統(tǒng)輸出，則人類(lèi)大腦神經(jīng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)[36]。隨著腦電信號(hào)非線性動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，洛倫茲散點(diǎn)圖、李雅普諾夫指數(shù)、關(guān)聯(lián)維數(shù)、復(fù)雜度、奇異譜等非線性方法在腦電信號(hào)分析中得到廣泛應(yīng)用，非線性動(dòng)力學(xué)已成為研究大腦和腦電信號(hào)的有效技術(shù)手段[34]。

(4)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)常被簡(jiǎn)稱(chēng)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是對(duì)人類(lèi)大腦思維功能進(jìn)行抽象、對(duì)人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬的一種并行計(jì)算模型，是由大量的節(jié)點(diǎn)(或神經(jīng)元)相互連接而形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括網(wǎng)絡(luò)輸入層、網(wǎng)絡(luò)隱藏層和網(wǎng)絡(luò)輸出層。早期人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱藏層較少，所以結(jié)構(gòu)一般較為簡(jiǎn)單，隨著隱藏層的增多以及多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型的提出，目前逐漸出現(xiàn)了很多類(lèi)型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其中卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在腦電信號(hào)的分析領(lǐng)域中得到較為廣泛的應(yīng)用[37]。

除了上述4種類(lèi)腦電信號(hào)的分析方法外，其他的一些腦電信號(hào)研究方法如基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與隨機(jī)森林的腦電信號(hào)分類(lèi)法[38]等，也在很大程度上拓展了腦電信號(hào)分析方法的研究應(yīng)用，對(duì)于研究大腦功能機(jī)理也起到了很大的推動(dòng)作用。

3.2 人機(jī)交互控制技術(shù)

在康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，為了給患者提供一個(gè)有效的康復(fù)訓(xùn)練環(huán)境，安全可靠的人機(jī)交互控制系統(tǒng)是關(guān)鍵要素之一[39]。人機(jī)交互控制系統(tǒng)需要根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)要求，將感知系統(tǒng)獲得的患者運(yùn)動(dòng)意圖和機(jī)器人的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息作為反饋信息，采取一定的控制策略，構(gòu)建人機(jī)交互閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的安全可靠控制。安全可靠的人機(jī)交互控制技術(shù)，是康復(fù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練的首要條件，直接影響主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練中患者的參與程度及機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練功能的實(shí)現(xiàn)，在很大程度上直接影響了康復(fù)機(jī)器人的功能和康復(fù)效果。

3.2.1 基于運(yùn)動(dòng)信號(hào)的交互控制

運(yùn)動(dòng)信號(hào)主要是指在患肢訓(xùn)練過(guò)程肢體活動(dòng)時(shí)，通過(guò)相應(yīng)傳感器采集獲得的肢體關(guān)節(jié)等部位的位置、角度、力等運(yùn)動(dòng)信息，基于運(yùn)動(dòng)信號(hào)的控制可分為位置/力控制和阻抗控制，其中位置/力控制又可分為位置控制、力控制、力位混合控制等多種交互控制方式。

(1)位置/力控制方式

位置控制康復(fù)機(jī)器人主要是指進(jìn)行主動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)患肢根據(jù)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡活動(dòng)，輔助患者完成訓(xùn)練任務(wù)。這種控制方式主要以運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差或運(yùn)動(dòng)速度的誤差作為控制對(duì)象，使機(jī)器人跟蹤預(yù)定軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)器人帶動(dòng)肢體沿著預(yù)設(shè)軌跡活動(dòng)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。CEMPINI等[40]研制了外骨骼式手部康復(fù)機(jī)器人，采用位置閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制。張林靈等[41]針對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人位置控制問(wèn)題，研究了運(yùn)動(dòng)方向信息處理系統(tǒng)，濾除了運(yùn)動(dòng)過(guò)程的抖動(dòng)，提高了機(jī)器人位置控制準(zhǔn)確性，保證了機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程的安全性和舒適性。

力控制是指基于傳感器檢測(cè)獲得的患者肢體產(chǎn)生的力/力矩信息，對(duì)與患者接觸的機(jī)器人執(zhí)行器末端或關(guān)節(jié)作用力/力矩所做的控制，如IQBAL等[42]研制的外骨骼機(jī)器人就采用了力反饋控制系統(tǒng)。力控制以患者和機(jī)器人之間的交互力作為控制對(duì)象，使機(jī)器人可以根據(jù)患者運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，從而幫助患者完成康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)。王昱等[43]針對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人，設(shè)計(jì)了融合視覺(jué)反饋的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)，研究分析了基于力跟蹤的康復(fù)機(jī)器人上肢訓(xùn)練的效果。AGARWAL等[44]針對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人，采用力/力矩信號(hào)作為前饋信號(hào)的PID控制，在不引起振蕩的情況下減少延時(shí)，實(shí)現(xiàn)了扭矩的迅速產(chǎn)生，得到了較好的期望轉(zhuǎn)矩軌跡。力/力矩信息可通過(guò)機(jī)器人結(jié)構(gòu)中安裝的力/力矩傳感器直接測(cè)量，也可通過(guò)人機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型獲得。力/力矩信號(hào)是對(duì)患者主觀運(yùn)動(dòng)意圖的直接反映，因此基于力信號(hào)的交互控制較為可靠穩(wěn)定。

力位混合控制是指根據(jù)位置的偏差和力/力矩的偏差作為反饋信號(hào)對(duì)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行控制，從而控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，輔助患者完成主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。JONES等[45]針對(duì)外骨骼式的康復(fù)機(jī)器人，采用了力和位置2類(lèi)信息作為反饋控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了外骨骼機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，保證了機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程的控制精度和系統(tǒng)安全性。王曉峰等[46]設(shè)計(jì)了基于無(wú)模型自適應(yīng)的康復(fù)機(jī)器人主動(dòng)訓(xùn)練控制方法，以交互力矩為輸入，結(jié)合機(jī)器人末端點(diǎn)和參考軌跡相對(duì)位置、補(bǔ)償力的信息，設(shè)計(jì)了阻抗控制器調(diào)節(jié)各關(guān)節(jié)預(yù)定速度，并結(jié)合無(wú)模型自適應(yīng)、離散滑模趨近律的速度控制器，完成了機(jī)器人各關(guān)節(jié)的速度跟蹤。

(2)阻抗控制

阻抗控制是對(duì)機(jī)器人期望機(jī)械阻抗實(shí)施控制，此概念在1985年就被提了出來(lái)[47]，是剛性控制和阻尼控制的推廣。康復(fù)機(jī)器人的阻抗控制技術(shù)可分為基于力/力矩和基于位置的阻抗控制兩類(lèi)。

在基于力/力矩的阻抗控制中，力/力矩控制回路作為內(nèi)環(huán)回路，根據(jù)實(shí)際位置信號(hào)調(diào)整所需的力/力矩，從而實(shí)現(xiàn)期望的力/力矩阻抗。而基于位置的阻抗控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)回路是位置控制回路，根據(jù)反饋的力/力矩信息實(shí)時(shí)調(diào)整期望的運(yùn)動(dòng)軌跡。在機(jī)器人應(yīng)用中，基于力/力矩的阻抗控制需要精確的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并且對(duì)系統(tǒng)的不確定性以及時(shí)變參數(shù)的變化非常敏感，其優(yōu)點(diǎn)是控制器的響應(yīng)帶寬較高[48]。所以，對(duì)于機(jī)器人建模精度較差的系統(tǒng)，可以使用自適應(yīng)/穩(wěn)健軌跡跟蹤方法保證跟蹤誤差的精度。同時(shí)，由于常用的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)一般都具有位置/速度控制模式，針對(duì)康復(fù)機(jī)器人的位置控制系統(tǒng)，采用基于位置的阻抗控制技術(shù)比較容易實(shí)現(xiàn)，這種算法較為成熟，性能也較為穩(wěn)定，因此基于位置的阻抗控制得到了更加廣泛的實(shí)際應(yīng)用[49]。

基于阻抗控制技術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)力控制和位置控制不需要在力控制子空間和位置控制子空間之間切換，阻抗控制可通過(guò)控制機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和接觸力之間的關(guān)系，達(dá)到動(dòng)態(tài)行的理想控制效果，所以阻抗控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)康復(fù)機(jī)器人的主動(dòng)柔順，盡可能地降低機(jī)械機(jī)構(gòu)與患者肢體間的對(duì)抗程度，可為患者帶來(lái)一個(gè)更加舒適、安全的人機(jī)交互，減少患肢再次被傷害的可能性。在采取阻抗控制的機(jī)器人系統(tǒng)中，可以利用位置、速度、加速度的誤差作為反饋信號(hào)。HUSSEIN等[50]針對(duì)康復(fù)機(jī)器人步態(tài)訓(xùn)練，基于阻抗控制技術(shù)設(shè)置了基于速度誤差的柔順偏離窗口，以患者腳底和腳踏板之間的作用力作為反饋信號(hào)，控制窗口內(nèi)訓(xùn)練步態(tài)的速度。

3.2.2 基于肌電信號(hào)的交互控制

基于肌電信號(hào)的控制方法也可以提供根據(jù)患者主觀運(yùn)動(dòng)意圖的控制策略[51]。表面肌電信號(hào)可從驅(qū)動(dòng)肢體關(guān)節(jié)動(dòng)作的肌肉提取，蘊(yùn)含了肌力和關(guān)節(jié)角加速度等很多信息，可為輔助患者康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人多模態(tài)控制策略提供交互信息，并且由于肌電信號(hào)比肢體關(guān)節(jié)實(shí)際動(dòng)作超前產(chǎn)生，可為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)提供信息，也可補(bǔ)償機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算所造成的時(shí)間延遲。因此，基于表面肌電信號(hào)的康復(fù)機(jī)器人控制成為了人機(jī)交互控制中的常用方法之一，也成為了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)康復(fù)的一種主動(dòng)訓(xùn)練方式之一。

人體肌肉群的激活情況可由表面肌電信號(hào)反映，并且通過(guò)對(duì)患者表面肌電信號(hào)的分析，可以得到患者的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型、力量大小等主觀意圖，所以采用患者表面肌電信號(hào)作為控制信號(hào)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制也體現(xiàn)了患者的主觀運(yùn)動(dòng)意圖，從而可以達(dá)到患者通過(guò)機(jī)器人輔助實(shí)現(xiàn)患肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)的目的。

針對(duì)偏癱患者的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，可以根據(jù)患肢的患病程度采取不同的交互控制策略。對(duì)于健肢活動(dòng)自如的患者，可以通過(guò)健肢控制患肢進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，也可以利用患肢的肌電信號(hào)作為控制信號(hào)設(shè)計(jì)機(jī)器人的交互控制器。這樣就使得患者能主動(dòng)收縮患肢的肌肉，能通過(guò)患者主觀意識(shí)的練習(xí)來(lái)促進(jìn)患肢肌力及神經(jīng)功能的康復(fù)。對(duì)于較為嚴(yán)重的偏癱患者，其患肢肌肉可能已嚴(yán)重萎縮，可以通過(guò)重建肌肉相關(guān)神經(jīng)來(lái)進(jìn)行控制，從而使嚴(yán)重癱瘓的患者也可通過(guò)表面肌電信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。ZHANG等[52]研究了基于肌電信號(hào)的上肢康復(fù)機(jī)器人肩肘復(fù)合運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別與控制方法，開(kāi)發(fā)了一種表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)，利用表面肌電信號(hào)的特性干擾動(dòng)作模式，采用肌電積分法確定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器人系統(tǒng)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)識(shí)別率和相應(yīng)的反應(yīng)速度的有效性。

3.2.3 基于腦電的交互控制

對(duì)于肌肉萎縮嚴(yán)重的患者來(lái)說(shuō)，肌電信號(hào)采集是比較困難的，所以運(yùn)用腦電信號(hào)可能是一個(gè)比較好的替代方法。腦電信號(hào)可以直接反應(yīng)患者的主觀運(yùn)動(dòng)意圖，且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以更為快速地識(shí)別運(yùn)動(dòng)意圖。20世紀(jì)90年代末，CHAPIN等[53]為了確定運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元是否可以用于實(shí)時(shí)設(shè)備控制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明利用腦皮層神經(jīng)元信號(hào)可以用于機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)控制，這些結(jié)果為癱瘓病人的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)康復(fù)提供了可行性。

目前，腦電信號(hào)的獲取方式主要包括植入式和非植入式。其中，植入式腦電信號(hào)獲取方式的優(yōu)點(diǎn)是采集的信號(hào)空間分辨率高、信噪比高，包含的信息豐富，便于提取到較為精確可靠的控制信號(hào)，而缺點(diǎn)是電極植入手術(shù)具有較大的風(fēng)險(xiǎn)，有可能給患者帶來(lái)另外的傷害，所以多數(shù)患者可能是不愿意接受的。非植入式腦電信號(hào)采集方式主要采集的是患者頭部表皮的腦電圖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)大腦和外部世界基于腦電信號(hào)的信息溝通，其缺點(diǎn)是腦電圖信號(hào)抗干擾能力差。

由于腦電信號(hào)能真實(shí)反映患者的主觀運(yùn)動(dòng)意圖，所以對(duì)于無(wú)法采集肌電信號(hào)的肢體癱瘓患者可以通過(guò)腦電信號(hào)來(lái)識(shí)別其運(yùn)動(dòng)意圖，從而控制康復(fù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，這為該類(lèi)患者提供一種不需要肌肉系統(tǒng)也能夠與外界環(huán)境進(jìn)行運(yùn)動(dòng)意圖交互的新渠道[54]。運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練可以加快腦卒中癱瘓患者大腦皮層運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)，也可通過(guò)外界刺激誘導(dǎo)患者備用或新生神經(jīng)環(huán)路形成，也可強(qiáng)化原來(lái)正確的神經(jīng)環(huán)路或修正錯(cuò)誤的神經(jīng)環(huán)路[55]。運(yùn)用腦電信號(hào)對(duì)患者進(jìn)行思維訓(xùn)練可以促進(jìn)其神經(jīng)可塑性，對(duì)于腦卒中癱瘓患者運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)具有非常重要的意義。基于腦電信號(hào)的康復(fù)機(jī)器人交互控制，就是采集能夠表達(dá)患者運(yùn)動(dòng)思維的腦電信號(hào)，進(jìn)行特征分析，基于模式分類(lèi)結(jié)果實(shí)現(xiàn)患者運(yùn)動(dòng)意圖的識(shí)別，再利用這些識(shí)別結(jié)果作為康復(fù)機(jī)器人的控制指令，控制機(jī)器人帶動(dòng)患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，促進(jìn)患者的運(yùn)動(dòng)康復(fù)。

利用腦電信號(hào)交互控制技術(shù)關(guān)鍵是設(shè)計(jì)有效的腦機(jī)接口(Brain Computer Interface，BCI)。腦機(jī)接口是指人腦神經(jīng)與外部設(shè)備間建立的直接連接通路，是一種人腦神經(jīng)思維信息與外部設(shè)備進(jìn)行信息交互和功能整合的技術(shù)。腦機(jī)接口為開(kāi)發(fā)一種利用大腦信號(hào)控制的新交流機(jī)制提供了機(jī)會(huì)，其可以不依賴(lài)于外周神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)直接的意圖表達(dá)或控制操作，這種技術(shù)對(duì)那些運(yùn)動(dòng)障礙的人非常有幫助[54-55]。通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)就可以開(kāi)發(fā)出利用腦電信號(hào)的控制裝置，可以幫助肢體運(yùn)動(dòng)障礙嚴(yán)重患者、語(yǔ)言交流障礙患者與外部環(huán)境進(jìn)行信息交互。

根據(jù)功能，腦機(jī)接口可分為:(1)只能單向獲得大腦的信息；(2)只能向大腦單向輸入信息；(3)能夠與大腦雙向交流信息。目前，關(guān)于腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用研究主要集中在只能單向獲得大腦信息的腦機(jī)接口技術(shù)[56]。HOCHBERG等[57]利用四肢癱瘓患者的侵入式腦電信號(hào)成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制。但是，侵入式的腦機(jī)接口由于涉及開(kāi)顱、將探針植入灰質(zhì)等操作，存在很大的人身安全隱患，不可避免地會(huì)造成一些神經(jīng)元細(xì)胞的壞死，具有較大的危害性。并且電極植入時(shí)間久了，可能會(huì)在電極周?chē)哪X細(xì)胞中出現(xiàn)疤痕組織，影響后續(xù)的腦電信號(hào)接收。在半侵入式的腦機(jī)接口中，需要將電極植入到大腦的顱骨內(nèi)部，處于腦膜外而非灰質(zhì)內(nèi)，所測(cè)得的腦電信號(hào)比非侵入式測(cè)量的信號(hào)更清晰，具有更好的精度和靈敏度。

非侵入式的腦機(jī)接口一般布置在頭皮外，雖然得到的腦電信號(hào)是低質(zhì)量的，但是可以避免手術(shù)給患者帶來(lái)的危害。因此，非侵入式的腦機(jī)接口在實(shí)際應(yīng)用中仍然是最為優(yōu)選的方式，也是目前最成熟的腦機(jī)接口技術(shù)。非侵入式腦機(jī)接口常用方法是運(yùn)動(dòng)想象法，從腦電信號(hào)中提取運(yùn)動(dòng)意圖的方法是讓受試者想象自己的左右手或身體某部位運(yùn)動(dòng)，根據(jù)大腦控制身體相關(guān)部位運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)區(qū)域提取出的腦電信號(hào)分析識(shí)別出不同激活度信息。這種基于運(yùn)動(dòng)想象的腦電信息分析方法在康復(fù)機(jī)器人交互控制領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用[58]。

目前，基于腦電信號(hào)的機(jī)器人交互控制研究主要集中在離線的分類(lèi)識(shí)別和回歸分析，只是說(shuō)明了基于腦電信號(hào)進(jìn)行康復(fù)機(jī)器人交互控制的廣泛應(yīng)用前景，但是要想達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的程度，還有一定的距離。所以，實(shí)時(shí)的機(jī)器人腦機(jī)接口交互控制還面臨著很多的挑戰(zhàn)，即(1)采集的實(shí)時(shí)腦電信號(hào)不具備離線研究所用腦電信號(hào)的數(shù)據(jù)完整性，識(shí)別準(zhǔn)確性肯定也會(huì)受到影響；(2)需要保證基于腦電信號(hào)的交互控制實(shí)時(shí)性，這不但要求基于腦電信號(hào)進(jìn)行患者運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別，更重要的是如何保證基于當(dāng)前腦電信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)意圖的預(yù)測(cè)；(3)在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)真正無(wú)法進(jìn)行任何思想溝通交流的患者，如何確認(rèn)其大腦想象的肢體運(yùn)動(dòng)意圖的準(zhǔn)確性等，都是要進(jìn)一步考慮的問(wèn)題。

4 交互控制的穩(wěn)定性與安全性

在康復(fù)機(jī)器人輔助患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)的過(guò)程中，機(jī)器人和患者之間的物理交互是必不可少的，因此如何保證交互過(guò)程中的安全問(wèn)題是首先要解決的問(wèn)題之一。同時(shí)，由于機(jī)器人系統(tǒng)存在動(dòng)力學(xué)不確定性，且人機(jī)物理交互過(guò)程也經(jīng)常發(fā)生一些動(dòng)作沖突，所以現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)器人交互控制閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題還是很難解決的一個(gè)問(wèn)題。

為了提高外骨骼康復(fù)系統(tǒng)與患者交互過(guò)程中的靈活性，AGUIRRE-OLLINGER等[59]提出了一種新的下肢外骨骼控制方法，通過(guò)增加一個(gè)由低通濾波角加速度乘以負(fù)增益組成的反饋回路來(lái)模擬慣性補(bǔ)償提岀一種對(duì)慣量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制器，實(shí)驗(yàn)表明該控制器可以使患者獲得穩(wěn)定的關(guān)節(jié)活動(dòng)頻率。針對(duì)患者與外骨骼機(jī)器人交互系統(tǒng)中的不確定性和非線性問(wèn)題，基于模型參考自適應(yīng)阻抗控制，BI等[60]建立了基于位置控制內(nèi)環(huán)的人機(jī)交互動(dòng)力學(xué)模型，提出了一種外骨骼康復(fù)機(jī)器人交互力控制方法，并依據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論進(jìn)行了自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在外骨骼式手部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人非線性人機(jī)交互力控制的有效性和穩(wěn)健性。

針對(duì)康復(fù)機(jī)器人與患者進(jìn)行直接物理交互可能導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，許多研究人員采取一些創(chuàng)新的控制技術(shù)開(kāi)展了大量的研究工作，也取得了很多有價(jià)值的研究成果。YU等[61]采用一種新型緊密型串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器，提出了一種步態(tài)康復(fù)機(jī)器人的交互控制策略，給出了該控制器下閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的理論證明。MENDOZA等[62]針對(duì)康復(fù)機(jī)器人輔助治療系統(tǒng)，提出了一種改進(jìn)的基于波的雙側(cè)遙操作方案，保證了遙操作器的穩(wěn)定性。LI等[63]基于無(wú)源性判據(jù)和絕對(duì)穩(wěn)定性判據(jù)，研究了雙用戶(hù)觸覺(jué)遙操作系統(tǒng)與三邊觸覺(jué)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)，并就絕對(duì)穩(wěn)定性判據(jù)和無(wú)源性判據(jù)的保守性進(jìn)行了證明。KASHIRI等[64]采用李雅普諾夫方法研究了柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性、無(wú)源性以及系統(tǒng)全局漸近收斂性問(wèn)題，提出了一種將虛質(zhì)量融入位置控制模式中的控制方法，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中存在較大位置誤差時(shí)，系統(tǒng)仍然具有較為理想的阻尼響應(yīng)性能。

5 展望

最近幾年來(lái)，各種各樣的康復(fù)機(jī)器人不斷涌現(xiàn)，為了保證機(jī)器人的安全穩(wěn)定運(yùn)行，很多學(xué)者或技術(shù)人員采取了多種多樣的人機(jī)交互控制技術(shù)，也取得很多富有成效的研究成果。但是，從現(xiàn)有的科技文獻(xiàn)來(lái)看，康復(fù)機(jī)器人的人機(jī)交互控制仍然存在許多有待進(jìn)一步研究的技術(shù)問(wèn)題:(1)如何評(píng)價(jià)機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練效果?這是涉及考慮采取什么樣的人機(jī)交互控制策略的前提條件。由于患者的個(gè)體差異性及其訓(xùn)練策略的不同等，康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也很難統(tǒng)一，因而如何設(shè)計(jì)合理的機(jī)器人和患者之間的交互控制策略也就具有很大的挑戰(zhàn)性。(2)如何精準(zhǔn)地感知患者的運(yùn)動(dòng)意圖?康復(fù)機(jī)器人的目的是輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，因此為了保證機(jī)器人的康復(fù)訓(xùn)練效果，精準(zhǔn)、穩(wěn)定地感知患者的運(yùn)動(dòng)意圖是進(jìn)行康復(fù)機(jī)器人的交互控制的前提條件。(3)如何保證機(jī)器人的安全穩(wěn)定性?由于機(jī)器人和患者之間存在緊密的物理交互，因此機(jī)器人的穩(wěn)定性問(wèn)題是人機(jī)交互控制必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，否則有可能存在對(duì)患者二次傷害的隱患。

總之，隨著康復(fù)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，不久的將來(lái)必將會(huì)有安全穩(wěn)定、更加有效的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人走進(jìn)醫(yī)院、社區(qū)、家庭，造福更多的患者。