華南理工大學(xué)自動化學(xué)院研制多款可穿戴康復(fù)機器人，面向助老、助殘、醫(yī)療輔助康復(fù)高端機器人領(lǐng)域攻克主動康復(fù)訓(xùn)練的關(guān)鍵技術(shù)難題，并取得一系列具有國際先進(jìn)性的創(chuàng)新成果。
近年來，中國人口老齡化嚴(yán)重，導(dǎo)致肢體運動障礙以及感官障礙患者在逐年增加，每年新發(fā)腦卒中人群超過300萬，并持續(xù)以8.7%的速度增長，腦卒中高于75%的致殘率使多數(shù)患者終生留下偏癱，給患者家庭以及社會帶來巨大的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)和精神壓力。
幸運的是，腦卒中導(dǎo)致的偏癱并非無法治療。患者通過康復(fù)訓(xùn)練可以逐漸恢復(fù)運動能力和日常生活能力。但目前大多數(shù)的康復(fù)訓(xùn)練需要由康復(fù)醫(yī)師主導(dǎo)完成，偏癱患者需要在康復(fù)醫(yī)師的輔助下進(jìn)行長期的肌力增強練習(xí)、耐力練習(xí)、步行訓(xùn)練等康復(fù)活動才能改善運動模式，逐漸恢復(fù)肢體運動機能。
然而目前我國康復(fù)醫(yī)師與基本人群的比例僅約為0.4:100000，人才緊缺使得醫(yī)療機構(gòu)面臨日漸增大的壓力，迫切需要開發(fā)適合的醫(yī)療康復(fù)服務(wù)設(shè)備。為此，華南理工大學(xué)李智軍教授團(tuán)隊研發(fā)了結(jié)合物理交互和認(rèn)知信息交互技術(shù)的智能人機交互仿生可穿戴康復(fù)機器人。
可穿戴康復(fù)機器人以人體康復(fù)應(yīng)用需求為重點，研究智能可穿戴外骨骼康復(fù)機器人的本體設(shè)計、智能控制和應(yīng)用系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)，著力解決安全可靠性能、感知與信息融合系統(tǒng)、基于腦電和肌電生物信號獲取、處理與控制技術(shù)等方面的關(guān)鍵問題。研究團(tuán)隊研制的22自由度仿生可穿戴柔性外骨骼機器人，包含變剛度、輕量化、人機交互安全型上下肢。這種可穿戴外骨骼機器人結(jié)合了機器人運動/力的混合控制技術(shù)和主從遙操作外骨骼機器人控制技術(shù)。研究團(tuán)隊通過硬軟件結(jié)合的腦電、肌電檢測裝置及電流刺激反饋系統(tǒng)，設(shè)計了多源生物信息感知以及信息融合處理方法；融合腦肌電與陀螺儀等多種康復(fù)訓(xùn)練模式于一體，開發(fā)了基于運動意圖的機器人控制技術(shù)，系國內(nèi)首次在多家醫(yī)院應(yīng)用。
針對上肢殘疾、中風(fēng)、偏癱、截癱等操作能力受限的老年人和殘疾人運動障礙問題，李智軍教授團(tuán)隊設(shè)計了利用多源信號反饋控制的柔性外骨骼可穿戴智能交互康復(fù)機器人，融合腦肌電等多種技術(shù)，在傳感、執(zhí)行、控制層面有機進(jìn)行人機物理和信息交互，識別用戶意圖，輔助康復(fù)訓(xùn)練。
針對治療的不同階段，該系統(tǒng)設(shè)計了多種訓(xùn)練模式，包括被動訓(xùn)練模式、主動訓(xùn)練模式。被動訓(xùn)練模式下，患者在康復(fù)過程中處于被動狀態(tài)，康復(fù)治療師可以通過軟件界面設(shè)置訓(xùn)練動作，由上肢機器人帶動患肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這種模式主要用于偏癱早期患者的康復(fù)訓(xùn)練；主動模式下，患者在康復(fù)過程中占主導(dǎo)地位，訓(xùn)練過程中不再使用預(yù)設(shè)好的訓(xùn)練動作，而是可以通過患者的自主意識控制康復(fù)訓(xùn)練機器人的訓(xùn)練過程。主動模式下的訓(xùn)練主要有兩種方式：腦電模式和肌電模式。這兩種方式都能將患者的運動意圖融入到康復(fù)機器人輔助康復(fù)治療中，使得康復(fù)機器人在患者運動意圖的作用下自適應(yīng)交互，協(xié)同完成康復(fù)訓(xùn)練動作。腦電模式通過采集患者的腦電信號，通過模式識別算法估計出患者的想象運動意圖，并將估計出的意圖用于機器人的控制中，實現(xiàn)患者單憑思維想象就能自主控制患肢做動作。進(jìn)入康復(fù)訓(xùn)練后期，患者的運動能力獲得一定的恢復(fù)后，可以采用肌電模式下的康復(fù)訓(xùn)練。肌電模式通過采集患者的肌電信號，利用識別算法從肌電信號中估計運動意圖，患者可以通過控制肌肉狀態(tài)來控制機器人帶動患肢康復(fù)訓(xùn)練。
針對偏癱患者的下肢運動功能康復(fù)訓(xùn)練，李智軍教授團(tuán)隊還設(shè)計了一款步態(tài)訓(xùn)練康復(fù)機器人系統(tǒng)，它是一款幫助下肢功能障礙患者進(jìn)行步態(tài)矯正再學(xué)習(xí)訓(xùn)練的康復(fù)機器人裝置。該下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)由兩關(guān)節(jié)的下肢外骨骼、減重裝置以及跑步機構(gòu)成。下肢外骨骼分為左右兩條腿，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)均用直流伺服電機驅(qū)動，可精確控制各關(guān)節(jié)活動角度及行走速度。大小腿采用扎帶固定。腰部通過吊帶與減重系統(tǒng)相連接，起到幫助患者垂直升落、方便由輪椅上轉(zhuǎn)移至站立狀態(tài)的作用。系統(tǒng)還配備了控制跑臺，該跑臺可以與步態(tài)訓(xùn)練同步速度，根據(jù)機器人行走速度實時調(diào)整，最低速度可達(dá)100米/小時。
這款步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人基于神經(jīng)可塑性原理，根據(jù)亞洲人步態(tài)曲線設(shè)計；與上肢康復(fù)機器人類似，步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人擁有主、被動訓(xùn)練模式。被動模式下各個關(guān)節(jié)電機執(zhí)行預(yù)設(shè)的離線步行關(guān)節(jié)角度曲線，帶動患者進(jìn)行步態(tài)行走動作，配合跑步機，可以對行走速度進(jìn)行控制。主動模式下系統(tǒng)采集患者腦電信號和下肢肌電信號，通過模式識別算法估計患者意圖，結(jié)合患者行走習(xí)慣進(jìn)行步態(tài)偏移調(diào)整和離線采集健康人的步態(tài)曲線，計算出下肢機器人的運動角度，通過患者的自主意識控制步態(tài)軌跡來進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。
該系統(tǒng)可結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)置訓(xùn)練場景，讓患者身臨其境；還具有游戲訓(xùn)練環(huán)節(jié)，利用上肢運動及肌電信號進(jìn)行人機交互，對虛擬游戲進(jìn)行控制；此外還可以通過模式識別及生物肌電反饋來實現(xiàn)多關(guān)節(jié)參與訓(xùn)練的效果，并對訓(xùn)練過程中患者的肌肉疲勞狀況進(jìn)行跟蹤評價和報警。
在智能輪椅方面，傳統(tǒng)的輪椅人機交互由聲音、搖桿和按鍵等實現(xiàn)。而對于高位癱瘓、不具備語言能力的人來說，腦機接口（BCI）技術(shù)可以很好地幫助他們實現(xiàn)意念控制外部設(shè)備的愿望。團(tuán)隊研制的智能輪椅采用多源信息融合技術(shù)，結(jié)合腦電、Kinect、激光、里程計等多源物理信息實現(xiàn)機器人控制對象在物理信息與認(rèn)知模型中的融合與統(tǒng)一，大幅提高智能輪椅對環(huán)境智能感知的能力。
針對截肢患者，李智軍教授團(tuán)隊研制了醫(yī)療康復(fù)人機交互安全仿生手。該仿生手臂充分考慮人體肢體的承壓能力，通過安全型可變剛度設(shè)計，采用小質(zhì)量、慣量運動零件，柔性關(guān)節(jié)，安全限位等減少意外碰撞，實現(xiàn)安全機械。同時，仿生手還包含抓握功能評估與訓(xùn)練系統(tǒng)，利用肌電信號、力學(xué)信號多參數(shù)進(jìn)行人機交互。患者通過仿生手能夠完成必要的日常活動，如抓、拿物體，吃東西，喝水等。
李智軍教授團(tuán)隊與中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院、上海瑞金醫(yī)院、廣東第二中醫(yī)院等機構(gòu)合作，對可穿戴康復(fù)機器人進(jìn)行了臨床試驗改進(jìn)，形成了較為完善的功能體系和服務(wù)體系，取得了十分顯著的經(jīng)濟社會效益。
作者：李智軍、邱詩元
(李智軍，華南理工大學(xué)自動化學(xué)院教授、博導(dǎo)，IEEE高級會員，主要研究領(lǐng)域仿生機器人和生機電系統(tǒng)。目前擔(dān)任IEEE人機智能控制協(xié)會生機電與仿生機器人系統(tǒng)專委會主席；2016年IEEE先進(jìn)機器人與機電系統(tǒng)大會主席，2017年IEEE先進(jìn)機器人與機電系統(tǒng)程序委員會主席。
