4、上肢康复外骨骼机器人的开发与控制

上肢康复外骨骼机器人的开发与控制

1. 引言

人类神经系统易受多种疾病影响，如结构缺陷、脑瘫、脑肿瘤、脊髓损伤、多发性硬化症等神经疾病，这些会损害神经系统，导致功能丧失。对于瘫痪患者，可通过物理治疗和机器人设备恢复最大功能。物理治疗和神经康复计划旨在帮助患者达到最佳状态，实现功能独立，预防、减少或消除疾病可能引发的后续问题。

近年来，新型物理治疗康复机器人应运而生，用于辅助物理治疗。这类机器人在限制患者残疾程度、增加功能运动、助力回归正常生活以及协助日常生活活动等方面展现出巨大潜力。使用这些设备不仅能提高物理治疗效果，还能节省治疗师的时间和精力，激励患者，推动整体康复进程。

神经损伤后的机器人辅助策略有不同级别。事故后的紧急护理阶段（通常是事故后的前6周）采用被动物理治疗，在此模式下，机器人带动完全被动的患者肢体完成治疗任务，其优势在于能长时间提供高强度治疗。主动辅助和主动模式则允许患者自主发起运动，外骨骼穿戴者可自由运动（主动模式），或由机器人纠正或引导运动（主动辅助模式），例如限制震颤或纠正轨迹。检测到预定运动启动后，机器人通常利用阻抗和/或导纳控制引导活动完成。理论上，在这些模式下患者不应感觉到外骨骼机器人的存在，即实现机器人透明性，使患者完全自主运动，外骨骼机器人不影响其动作。

然而，外骨骼机器人仍处于发展阶段，面临诸多挑战。由于其为人类使用设计的复杂机械结构、辅助运动类型以及与不同人类穿戴者交互的敏感性，这类机器人的控制比传统机器人操纵器更为复杂。这些情况使机器人系统易受动力学不确定性和外部干扰影响，如饱和、摩擦力、间隙和负载变化等。主要挑战是开发一种鲁棒控制系统，使外骨骼机器人在存在这些不确定性和外部干扰的情况下实现理想的物理治疗效果。