中华物理医学与康复杂志2021年1月第43卷第1期Chin J Phys Med Rehabil,January202l,Vol.43,No.1 ·83· 神经中枢系统 控制器 度· 为 神经信号 控制信号 运动神经元 驱动系统 传感器 运动意图 运动指令 人体感知系统 肌纤维 外骨骼机器人 肌肉收缩 人体骨酪 人体运动 外骨骼运动 人体运动中枢系统 人一-外骨酪系统 外骨酪机器人系统 图1人体-外骨骼控制系统 神经中枢系统，对人体运动进行主动或反射式的反馈调整，从 而通过采集生物电信号，分析并提取人的运动意图，将其作为 而构成一个闭环控制系统。然而，对于大多数的下肢运动功 控制信号以更加灵活安全地进行康复机器人交互训练，使得 能障碍患者，当运动神经通路受到损伤时，运动神经信号无法 康复机器人能够主动“理解”人的行为意图。目前，下肢外骨 向下传递到肌纤维产生收缩力，因此不能进行有效的运动控 骼机器人的感知系统多是通过传感器获取并分析人体关节等 制：另外，当感知器官神经通路受到损伤时，患者无法感知下 运动信息，并根据运动学和动力学的相似性原理，将人体各个 肢运动状况，下肢也无法进行准确、稳定的运动控制。故人体 关节随时间的变化规律运用到外骨骼结构对应的关节上，建 对下肢进行有效运动控制的前提是保证运动控制系统闭环回 立基于人类步态数据的步态规划。由于此种控制方式是一种 路的完整性。 典型的被动式控制，下肢外骨骼机器人系统只能在特定时间 外骨骼机器人的运动控制系统如图1所示，人体产生控 内按照已知的动作模式执行相应的动作，而人机间的交互性 制信号，将外骨骼关节运动信息作为反馈信号，运动控制器获 差，难以完成高随意性的多动作模式的切换。考虑到可穿戴 取目标关节转矩来控制驱动系统，从而带动外骨酪相应关节 下肢外骨骼机器人作为助老助残等智能康复助行辅具，常常 转动。因此，具有完整运动功能的下肢外骨骼机器人是下肢 需要动作模式切换，因此，感知系统必须要准确识别人体运动 运动功能障碍患者理想的代偿设备。而人机交互接口使患者 意图，以保证模式间的流畅切换和高精度的人机动作协调一 可以根据自身要求控制外骨骼机器人进行自主运动，并反馈 致，并增强人机系统间的交互性和不同动作模式下的自适应 下肢外骨酪机器人的运动信息，及时修正偏差，实现人体与外 能力。 骨骼的协调运动，从而使外骨骼机器人技术真正应用于临床 人机交互感知分类 康复治疗]。 二、下肢外骨骼机器人感知控制的原理 人机交互感知要求人体与外骨骼之间进行双向通信，外 下肢动力外骨骼控制系统主要包括感知系统和控制决策 骨骼提供机械动力并将信息反馈给穿戴者：同时，外骨骼从穿 系统。首先，感知系统通过多类人机交互接口获取人体下肢 戴者那里接收并解释预定的运动信息，实时向穿戴者传递机 某动作状态下的运动意图并进行分析、处理，然后通过一定的 械动力。智能人机交互系统主要包括运动信息和人体生理信 控制策略驱动外骨骼完成相应的动作。 息的感知与交互。因此，按照人体运动神经和肌肉外骨骼系 生物电信号可直观反映人的运动意图，力/力矩是人体运 统执行过程分析，可以将信息感知大致分为三类，即大脑皮质 动意图的直观体现。如肌电信号能够较为直观反映患者肌肉 活动意图感知、外围神经活动感知和下肢运动（关节力矩和位 状态，脑电信号能够直观反映大脑皮质相关运动区域状况，因 置)感知（表1） 表1人体运动意图感知分类 信息感知类别 人机交互方式 感知信息 感知方法 大脑皮质活动意图感知 感知型人机交互 脑电信号 脑机接口 外围神经活动感知 感知型人机交互 肌电信号 肌电传感器 下肢运动感知 物理型人机交互 运动学信息力、力矩信息 角度传感器、压力传感器、陀螺仪等图 １ 人体￣外骨骼控制系统 神经中枢系统ꎬ对人体运动进行主动或反射式的反馈调整ꎬ从 而构成一个闭环控制系统ꎮ 然而ꎬ对于大多数的下肢运动功 能障碍患者ꎬ当运动神经通路受到损伤时ꎬ运动神经信号无法 向下传递到肌纤维产生收缩力ꎬ因此不能进行有效的运动控 制ꎻ另外ꎬ当感知器官神经通路受到损伤时ꎬ患者无法感知下 肢运动状况ꎬ下肢也无法进行准确、稳定的运动控制ꎮ 故人体 对下肢进行有效运动控制的前提是保证运动控制系统闭环回 路的完整性ꎮ 外骨骼机器人的运动控制系统如图 １ 所示ꎬ人体产生控 制信号ꎬ将外骨骼关节运动信息作为反馈信号ꎬ运动控制器获 取目标关节转矩来控制驱动系统ꎬ从而带动外骨骼相应关节 转动ꎮ 因此ꎬ具有完整运动功能的下肢外骨骼机器人是下肢 运动功能障碍患者理想的代偿设备ꎮ 而人机交互接口使患者 可以根据自身要求控制外骨骼机器人进行自主运动ꎬ并反馈 下肢外骨骼机器人的运动信息ꎬ及时修正偏差ꎬ实现人体与外 骨骼的协调运动ꎬ从而使外骨骼机器人技术真正应用于临床 康复治疗[１２] ꎮ 二、下肢外骨骼机器人感知控制的原理 下肢动力外骨骼控制系统主要包括感知系统和控制决策 系统ꎮ 首先ꎬ感知系统通过多类人机交互接口获取人体下肢 某动作状态下的运动意图并进行分析、处理ꎬ然后通过一定的 控制策略驱动外骨骼完成相应的动作ꎮ 生物电信号可直观反映人的运动意图ꎬ力/ 力矩是人体运 动意图的直观体现ꎮ 如肌电信号能够较为直观反映患者肌肉 状态ꎬ脑电信号能够直观反映大脑皮质相关运动区域状况ꎬ因 而通过采集生物电信号ꎬ分析并提取人的运动意图ꎬ将其作为 控制信号以更加灵活安全地进行康复机器人交互训练ꎬ使得 康复机器人能够主动“理解”人的行为意图ꎮ 目前ꎬ下肢外骨 骼机器人的感知系统多是通过传感器获取并分析人体关节等 运动信息ꎬ并根据运动学和动力学的相似性原理ꎬ将人体各个 关节随时间的变化规律运用到外骨骼结构对应的关节上ꎬ建 立基于人类步态数据的步态规划ꎮ 由于此种控制方式是一种 典型的被动式控制ꎬ下肢外骨骼机器人系统只能在特定时间 内按照已知的动作模式执行相应的动作ꎬ而人机间的交互性 差ꎬ难以完成高随意性的多动作模式的切换ꎮ 考虑到可穿戴 下肢外骨骼机器人作为助老助残等智能康复助行辅具ꎬ常常 需要动作模式切换ꎬ因此ꎬ感知系统必须要准确识别人体运动 意图ꎬ以保证模式间的流畅切换和高精度的人￣机动作协调一 致ꎬ并增强人机系统间的交互性和不同动作模式下的自适应 能力ꎮ 人机交互感知分类 人机交互感知要求人体与外骨骼之间进行双向通信ꎬ外 骨骼提供机械动力并将信息反馈给穿戴者ꎻ同时ꎬ外骨骼从穿 戴者那里接收并解释预定的运动信息ꎬ实时向穿戴者传递机 械动力ꎮ 智能人机交互系统主要包括运动信息和人体生理信 息的感知与交互ꎮ 因此ꎬ按照人体运动神经和肌肉外骨骼系 统执行过程分析ꎬ可以将信息感知大致分为三类ꎬ即大脑皮质 活动意图感知、外围神经活动感知和下肢运动(关节力矩和位 置)感知(表 １) ꎮ 表 １ 人体运动意图感知分类 信息感知类别 人机交互方式 感知信息 感知方法 大脑皮质活动意图感知 感知型人机交互 脑电信号 脑机接口 外围神经活动感知 感知型人机交互 肌电信号 肌电传感器 下肢运动感知 物理型人机交互 运动学信息力、力矩信息 角度传感器、压力传感器、陀螺仪等 中华物理医学与康复杂志 ２０２１ 年 １ 月第 ４３ 卷第 １ 期 Ｃｈｉｎ Ｊ Ｐｈｙｓ Ｍｅｄ Ｒｅｈａｂｉｌꎬ Ｊａｎｕａｒｙ ２０２１ꎬ Ｖｏｌ. ４３ꎬ Ｎｏ.１ 􀅰８３􀅰