【中國(guó)智能制造網(wǎng) 新品速遞】在2017絲綢之路機(jī)器人創(chuàng)意大賽決賽現(xiàn)場(chǎng)，西安交通大學(xué)自主研發(fā)的腦控下肢外骨骼康復(fù)助行機(jī)器人榮獲亞軍。至此，腦控下肢外骨骼康復(fù)助行機(jī)器人引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。
 

　　科幻電影中的“意念控制”在現(xiàn)實(shí)生活中是否真的存在？
 

　　2014年巴西世界杯揭幕戰(zhàn)上，一名患有截癱的巴西少年身穿一套“外骨骼”機(jī)器人，開(kāi)出了本屆世界杯的球，從而成為全世界矚目的焦點(diǎn)。
 

　　在2017絲綢之路機(jī)器人創(chuàng)意大賽決賽現(xiàn)場(chǎng)，西安交通大學(xué)自主研發(fā)的腦控下肢外骨骼康復(fù)助行機(jī)器人榮獲亞軍。至此，腦控下肢外骨骼康復(fù)助行機(jī)器人引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。
 

　　近日，在線陜西頻道走進(jìn)西安交通大學(xué)，此時(shí)正值陜西高校放暑假期間，然而，西安交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，人員滿座。教師辦公樓里，也時(shí)不時(shí)能看見(jiàn)教師的身影。在西安交通大學(xué)中心三樓辦公室，在線陜西頻道有幸見(jiàn)到研制外骨骼康復(fù)機(jī)器人的朱愛(ài)斌老師，并對(duì)其進(jìn)行了專訪。
 

　　機(jī)緣巧合 腦控下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人“出生”
 

　　見(jiàn)到朱愛(ài)斌老師時(shí)，他剛剛從實(shí)驗(yàn)室出來(lái)，看到我們的到訪，他非常的熱情。他說(shuō)：“我們交大研發(fā)了腦控下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，但是很多人還不知道。”朱愛(ài)斌老師所面臨的這種問(wèn)題，也是很多大學(xué)科研人員正在面臨的問(wèn)題，即科研成果被積壓在實(shí)驗(yàn)室不為外人所熟知。
 

　　在談及為何要研制這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，朱愛(ài)斌老師說(shuō)：“隨著老齡化人口的增加，中國(guó)老齡人口預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到4.37億。在老齡人群中有大量的腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數(shù)伴有偏癱癥狀。同時(shí)，因交通事故、疾病等原因造成的下肢肢體損傷的人數(shù)也逐級(jí)增加。如何讓偏癱老年人和下肢失能的人擁有和正常人一樣的生活質(zhì)量，這是我們研發(fā)下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的初衷。”
 

　　據(jù)朱愛(ài)斌老師介紹，隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，在美國(guó)、日本和歐洲等國(guó)，醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的市場(chǎng)占有率呈逐年上升的趨勢(shì)，對(duì)于中風(fēng)、偏癱、下肢運(yùn)動(dòng)技能損傷等患者來(lái)說(shuō)，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人有著很好的治療效果。
 

　　近年來(lái)，朱愛(ài)斌老師帶領(lǐng)著自己的學(xué)生瞄準(zhǔn)下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人。下肢外骨骼機(jī)器人是穿戴在用戶下肢外部的一種典型的人機(jī)一體化系統(tǒng)，綜合了檢測(cè)、控制、信息融合等機(jī)器人技術(shù)，將用戶的智力和機(jī)器人的“體力”結(jié)合在一起，提供動(dòng)力以輔助用戶的運(yùn)動(dòng)。
 

　　興許是冥冥之中的注定，西安交通大學(xué)的徐光華教授所研發(fā)的腦控技術(shù)和朱愛(ài)斌老師研發(fā)的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人有幸結(jié)合。“交大徐光華教授在生機(jī)電信號(hào)處理、腦機(jī)協(xié)同康復(fù)技術(shù)方面做了很多杰出的研究和應(yīng)用工作，當(dāng)我們對(duì)各方面工作深入了解后，突然覺(jué)得或許腦控技術(shù)和下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人可以進(jìn)行結(jié)合，也正是這樣的結(jié)合，我們就合作研發(fā)出了腦控下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人。”朱愛(ài)斌老師如是說(shuō)。
 

　　造型似人體 可以適用不同的路面環(huán)境
 

　　在西安交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，在線陜西頻道見(jiàn)到了第三代“腦控下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人”，它有腳、有腿，與人的下半身十分形似。
 

　　朱愛(ài)斌老師介紹，這套裝備可以輔助患者按正常人體仿生步態(tài)行走，進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練和矯正步態(tài)，同時(shí)可以適應(yīng)不同的路面環(huán)境。通過(guò)一個(gè)頭盔，即可檢測(cè)患者的大腦神經(jīng)信號(hào)，信號(hào)將傳輸給外骨骼康復(fù)機(jī)器人，外骨骼康復(fù)機(jī)器人根據(jù)患者的意念展開(kāi)行動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)站立、行走。
 

　　據(jù)朱愛(ài)斌老師介紹，腦控下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的意念控制實(shí)現(xiàn)，是由西安交通大學(xué)徐光華教授團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)研發(fā)。腦-機(jī)接口技術(shù)，是一種不依賴于外圍神經(jīng)與肌肉的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)，它建立了腦電信號(hào)與機(jī)器人設(shè)備兩者間的直接聯(lián)系，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)源信號(hào)進(jìn)行解碼與重新編碼，來(lái)實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的控制。通俗的講，即“意念控制”。腦-機(jī)接口技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，其通信和控制的信號(hào)源是由思維意圖所產(chǎn)生的腦信號(hào)，對(duì)產(chǎn)生的腦信號(hào)進(jìn)行采集、處理、機(jī)器人學(xué)習(xí)、模式識(shí)別等多個(gè)途徑就可以進(jìn)一步明確思維意圖，從而為控制信號(hào)與外部設(shè)備之間的直接通信和控制成為現(xiàn)實(shí)。
 

　　腦控外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人信號(hào)采集原理圖(西安交通大學(xué) 供圖)
 

　　腦控下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人與傳統(tǒng)的智能機(jī)器人系統(tǒng)相比，區(qū)別在于穿戴者不僅僅是智能機(jī)器控制命令的發(fā)布者或監(jiān)督者，而是成為控制回路中一個(gè)積極因素。外骨骼控制系統(tǒng)中的穿戴者，也就是人，也成為控制系統(tǒng)中的一個(gè)組織部分， 即“人在回路中”(man in loop)。一方面，穿戴者為外骨骼系統(tǒng)提供系統(tǒng)所需的目標(biāo)參數(shù)相關(guān)的信息；另一方面，穿戴者充當(dāng)了控制系統(tǒng)的一個(gè)重要反饋角色，接收環(huán)境對(duì)其的反饋信息，并作出控制目標(biāo)點(diǎn)決策。
 

　　朱愛(ài)斌老師解釋說(shuō)：“腦控下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人結(jié)合了腦機(jī)接口技術(shù)和外骨骼技術(shù)，通過(guò)意念控制，為下肢功能障礙患者提供康復(fù)助行的基本功能。視覺(jué)誘導(dǎo)的腦機(jī)接口技術(shù)有助于患者運(yùn)動(dòng)神經(jīng)通路的重建，幫助患者站起來(lái)，走出去。”
 

　　國(guó)內(nèi)家 患者可用意念實(shí)現(xiàn)站立行走
 

　　機(jī)器人技術(shù)及其相關(guān)領(lǐng)域正在不斷發(fā)展，西安交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)克服了物理人機(jī)緊耦合系統(tǒng)智能控制要求等種種難題，截至目前，腦控下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)完成三代外骨骼的迭代設(shè)計(jì)和加工。目前西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的腦控下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人造價(jià)大概在15萬(wàn)元左右，本體總重約20千克。
 

　　目前，我國(guó)也有一些公司和高校在研制下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，但是把腦控研究和下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人結(jié)合起來(lái)并形成機(jī)器人實(shí)物和應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)是家。
 

　　朱愛(ài)斌老師介紹說(shuō)，未來(lái)腦控下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，必須對(duì)于患者在不同康復(fù)時(shí)期的需求，設(shè)計(jì)“多重控制策略”，即“被動(dòng)控制”、“半主動(dòng)控制”、“主動(dòng)控制”等。“被動(dòng)控制”，是針對(duì)患者康復(fù)訓(xùn)練早期，由于患者并沒(méi)有運(yùn)動(dòng)肌力，無(wú)法對(duì)外施加足夠的力，所以被動(dòng)控制策略是患者完全由外骨骼帶動(dòng)，根據(jù)程序規(guī)劃的步態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行被動(dòng)的步行訓(xùn)練。“半主動(dòng)控制”，是針對(duì)患者康復(fù)訓(xùn)練中期，患者恢復(fù)一定的肌力后，轉(zhuǎn)為半主動(dòng)控制方式。半主動(dòng)控制策略是，通過(guò)傳感器感知外骨骼穿戴者與外骨骼之間的交互力，根據(jù)交互力的大小，利用學(xué)習(xí)算法，智能控制和調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)曲線，以更加適應(yīng)穿戴者的行走習(xí)慣，使系統(tǒng)更智能化，更適應(yīng)“人在回路中”的物理人機(jī)緊耦合系統(tǒng)。“主動(dòng)控制”，主要針對(duì)的是患者在康復(fù)訓(xùn)練后期，隨著康復(fù)訓(xùn)練的進(jìn)行，卒中和偏癱患者下肢肌肉力量及神經(jīng)功能恢復(fù)。在主動(dòng)控制策略中，由外骨骼穿戴者的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)來(lái)進(jìn)行自主的控制。外骨骼在此過(guò)程中，只是跟隨患者下肢運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，根據(jù)設(shè)定的算法，提供給患者運(yùn)動(dòng)需要的關(guān)節(jié)力矩，起到助力的作用。
 

　　在采訪接近尾聲時(shí)，朱愛(ài)斌老師談到目前研發(fā)所面臨的大問(wèn)題是如何將科研成果搬出實(shí)驗(yàn)室，機(jī)器人成果走出實(shí)驗(yàn)室，走向市場(chǎng)，形成產(chǎn)業(yè)化。他期待西安交通大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的腦控外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人能夠造福社會(huì)，為下肢失能患者帶去一份健康和自信，讓患者能夠驕傲的站起來(lái)，走出去。
 

　　原標(biāo)題：腦控下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人：意念控制助力患者“站起來(lái)”