一项关于下肢外骨骼在康复不同阶段的应用的运动控制研究

《Robotics and Autonomous Systems》：A motion control study of lower extremity exoskeleton for different stages of rehabilitation

本研究设计了一款基于lasso驱动的下肢外骨骼机器人，采用分阶段运动控制算法优化康复训练。早期阶段结合重力补偿与滑模变结构控制实现精准轨迹跟踪，验证外骨骼增强效果；后期阶段实施双模切换控制，支持相位采用阻抗控制，摆动相位通过灵敏度放大与力反馈补偿提升人机协同。旨在提升患者下肢康复效果。

　　

作者：韩雅丽、陈志阳、孙涵、孙松莉、刘顺宇

单位：南京工业大学机械工程学院，中国南京 211167

摘要

本文介绍了一种由电机驱动的下肢外骨骼机器人的设计，该机器人采用了基于套索驱动运动的控制算法。所提出的方法旨在优化康复训练的各个阶段。在康复初期，我们采用重力补偿位置控制和滑模变结构控制来实现精确的轨迹跟随运动，并验证了外骨骼的放大效果；在康复后期，建议采用双模切换控制来提高人与机器之间的协调性和互动性。该方案在支撑阶段实施阻抗控制，在摆动阶段实施力矩反馈控制。本研究旨在为外骨骼提供一种控制方法，以增强患者的下肢功能。

引言

机电外骨骼机器人由可穿戴框架、传感器、控制系统和执行器组成，能够增强生理功能并克服人体局限。由于人口外流和低生育率，全球老龄化问题日益严重，中风、神经肌肉疾病、心血管疾病以及跌倒相关伤害的发生率显著增加，导致老年人功能障碍[1,2]。例如，2023年中国60岁及以上人口占比为21.1%，其中65岁及以上人口占比为15.4%[3]。此外，超过600万人患有脑瘫，其中30%为12岁以下儿童，且这一数字仍在上升。轮椅仍然是残疾人的常见辅助工具，但长期久坐会显著增加患心血管疾病的风险，还会导致骨质疏松、神经系统并发症和肌肉萎缩，从而降低步态恢复的可能性[4,5]。这些趋势凸显了早期步态康复以及开发具有先进运动控制功能的下肢康复外骨骼的重要性，以满足日益增长的康复需求[6,7]。

与传统康复设备相比，可穿戴下肢外骨骼属于人机交互系统，其交互方式会根据康复阶段的不同而变化。在康复初期，当患者尚无法稳定行走时，设备主要提供患侧重量支撑和基本步态训练[8]；在康复后期，当患者恢复一定行走能力后，外骨骼会辅助行走，人机交互方法可提高参与度和训练效果[9,10]。因此，能够在整个康复阶段都适用的外骨骼对康复具有重要意义。

下肢康复外骨骼因其在改善下肢功能障碍患者步态方面的潜力而受到广泛研究关注。1997年筑波大学开发的HAL外骨骼[11, [12], [13]]首次实现了意图感知控制，通过结合表面肌电图（EMG）和生物力学传感来推断用户意图并合成关节扭矩辅助[14, [15], [16]]。张晓东团队利用表面EMG数据实现了人机交互：支撑阶段和摆动阶段分别采用不同的控制策略。EMG信号可以预测患者的主动关节力矩和关节角度轨迹[17,18]，通过将所需角度轨迹与外骨骼轨迹进行比较来控制支撑阶段；主动关节力矩和动力学模型力矩则用于调节摆动阶段的力矩跟踪。然而，由于不同用户的EMG数据差异较大，系统需要特定的识别和校准过程，这降低了实用性并限制了易用性。苏黎世联邦理工学院Lokomat外骨骼康复机器人采用比例-微分位置控制来调节髋关节和膝关节的运动[19,20]；康复控制包括人机交互，以实现预编程的步态调节[21]。加州大学伯克利分校开发的BLEEX外骨骼具有7个自由度，在行走摆动阶段实现了灵敏度放大，根据佩戴者的交互力调整辅助扭矩，提高响应性[22,23]；REX外骨骼注重稳定性，是唯一一款无需拐杖或扶手即可实现自由站立和行走的商用系统[24,25]，它采用刚性腰骶支撑结构、背带固定方式、十个执行器以及执行预编程的稳定性导向步态模式的传感器和处理单元[26]。不过，这种设计的稳健性需要权衡，其设备质量约为38公斤，体积较大，成本较高，辅助步态速度较慢，可能限制了轻度功能障碍患者的训练强度。

通过对现有外骨骼控制策略的评估，我们认为提高康复训练的可操作性和稳定性至关重要。为此，我们开发了一种由电机和套索机制驱动的下肢外骨骼机器人，并探索了适用于不同康复阶段的多种控制策略。本文总结了当前的控制方法：在康复初期，综合运用了重力补偿和滑模变结构控制；在后期阶段，根据支撑和摆动阶段的不同运动需求调整控制策略：支撑阶段采用阻抗控制，摆动阶段则采用灵敏度放大控制来补偿交互力和位置偏差。

部分内容摘录

下肢外骨骼设计

人类下肢的正常步态依赖于髋关节、膝关节和踝关节的屈伸运动。由于髋关节和膝关节的活动范围较大且行走时需要较大的扭矩，因此被设计为主动驱动关节；而踝关节在行走中主要起稳定作用，其活动范围相对较小。

在本研究中，

外骨骼控制策略

不同康复阶段需要不同的控制策略。在康复初期，外骨骼通过重力补偿位置控制引导佩戴者的下肢沿预设轨迹行走；在后期阶段，研究了人机协同的双模切换策略，并开发了基于足底力的模糊逻辑算法用于步态阶段识别，以及针对支撑和摆动阶段的特定控制方法。

轨迹跟随运动控制实验

该实验旨在评估外骨骼辅助行走的能力，通过实施轨迹跟随控制策略进行测试。实验在无负载和佩戴两种条件下进行，以评估系统在辅助行走方面的性能，特别是外骨骼跟随预设轨迹的能力以及其对行走动作的平滑性和精确性的影响。

结论

外骨骼对于增强人类力量和促进康复具有重要意义。我们提供了适用于配备电机和套索驱动系统的下肢外骨骼机器人的详细机械设计和控制方法。针对早期康复患者，开发了轨迹跟随控制方法以实现机器主导的效果；同时开发了人机协同控制方法，可以在人和机器模式之间切换，从而提高康复效果。

CRediT作者贡献声明

韩雅丽：撰写初稿、软件开发、方法论构建、概念设计。陈志阳：审稿与编辑、数据整理。孙涵：资源调配、形式化分析。孙松莉：验证工作、监督指导。刘顺宇：数据可视化、实验研究。

韩雅丽于2011年获得东南大学博士学位，现任南京工业大学机械工程学院教授，研究方向包括机器人技术、智能控制及人类运动生物力学。