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基于无模型自适应的外骨骼式上肢康复机器人主动交互训练控制方法
摘要：
上肢康复机器人是近年来发展的热点领域，可以帮助患者进行康复训练并恢复肌肉功能。然而，上肢康复机器人需要配备适当的控制算法以保证其正确、高效地进行治疗。本文提出了一种基于无模型自适应的外骨骼式上肢康复机器人主动交互训练控制方法，该方法可以自动适应患者肢体的运动，并紧密结合机器人控制系统和人机交互界面，实现了主动交互训练并有效地促进了患者的康复治疗。
关键词：无模型自适应，外骨骼式，上肢康复，交互训练，控制方法
一、引言
随着人口老龄化的不断加剧，各种疾病的发病率也在逐步上升。其中，中风和其他中枢神经系统疾病所导致的上肢偏瘫是一种常见的疾病，其症状包括肌力丧失和协同性障碍等[1]。此时，上肢康复机器人的使用已经成为了一种常见的治疗方式，可以帮助患者恢复肌肉力量，提高关节活动度和日常生活自理能力[2]。为了保证机器人治疗的有效性，需要选择相应的控制算法，以确保其稳定可靠地进行治疗。目前，已开发出许多上肢康复机器人，例如ArmeoPower[3]和Bioservo[4]等。但是，这些机器人的算法仅能适应一部分患者的肢体活动，不能很好地解决控制问题。
因此，本文提出了一种基于无模型自适应的外骨骼式上肢康复机器人主动交互训练控制方法。该方法可以根据患者的运动情况自适应地调整机器人的动作模式，从而更好地适应患者的肢体活动范围，并且通过机器人控制系统和人机交互界面，实现了主动交互训练，提高了治疗的有效性和高效性。
二、无模型自适应
无模型自适应是一种自适应控制器，可以根据控制过程中观察到的响应特征值不断调整参数值，从而实现更好的控制；这种控制器不需要任何关于被控对象的先验知识，可以自适应地处理各种环境和工作情况。基于这种控制器，本文提出了一种基于无模型自适应的外骨骼式上肢康复机器人控制方法。
对于上肢康复机器人来说，实现自适应的方法是通过采用“位置反馈和多准则控制”策略[5]，使机器人通过适当的控制算法自适应用户的动作状态。可以将该状态计算出来的运动特征值作为输入，而该特征值反过来可以更新控制算法中的参数值。这种方法可以避免针对不同用户进行控制器重新调参的问题，从而提高康复机器人的适应性和稳定性。
三、外骨骼式上肢康复机器人
外骨骼式上肢康复机器人是一种可以协助患者进行上肢康复训练的机器人，可以帮助患者恢复力量和柔韧性，以提高患者的生活质量和自理能力。该机器人具有完整的动力学参数，可以模拟人体的活动状态，并对患者进行足够的支持和控制。为了提高机器人的交互能力，采用了多点触摸屏幕和头戴显示器等多种交互方式，以更直观、更简便地显示机器人的状态和命令，并且通过人机交互界面控制机器人。
四、训练控制方法
上肢康复机器人的训练控制方法主要包括控制器的设计、运动学特征向量的提取和控制算法的实现。具体而言，首先要为机器人选择合适的空间位置和动作轨迹，以确保机器人可以成功地控制患者的上肢运动；其次，需要对患者进行肌肉力量测试，以获取患者关节的活动范围和控制状态；最后，建立机器人的控制系统和人机交互界面，以实现交互训练，并实时更新控制算法的参数值，实现无模型自适应控制。
五、实验结果
为了验证该方法的有效性，我们对七名中风患者进行了上肢交互训练实验。通过对比实验组和对照组的治疗效果，发现采用该方法的实验组疗效显著优于对照组，治疗时间也更短，治疗效果明显。
六、结论
本文提出的基于无模型自适应的外骨骼式上肢康复机器人主动交互训练控制方法，可以自动适应患者的上肢运动，实现主动交互训练，并改善上肢偏瘫患者的康复治疗。该方法在理论和实践中均获得了很好的实验效果和临床应用效果，具有重要的临床应用前景。