西交大研制脑控下肢外骨骼康复机器人：意念控制助力患者“站起来”

　　国际在线陕西频道报道（梁明 王莹）：科幻电影中的“意念控制”在现实生活中是否真的存在？

　　2014年巴西世界杯揭幕战上，一名患有截瘫的巴西少年身穿一套“外骨骼”机器人，开出了本届世界杯的第一球，从而成为全世界瞩目的焦点。

　　在2017丝绸之路机器人创意大赛决赛现场，西安交通大学自主研发的脑控下肢外骨骼康复助行机器人荣获亚军。至此，脑控下肢外骨骼康复助行机器人引起了社会的广泛关注。

　　近日，国际在线陕西频道走进西安交通大学，此时正值陕西高校放暑假期间，然而，西安交通大学实验室里，人员满座。教师办公楼里，也时不时能看见教师的身影。在西安交通大学中心三楼办公室，国际在线陕西频道有幸见到研制外骨骼康复机器人的朱爱斌老师，并对其进行了专访。

　　机缘巧合 脑控下肢外骨骼康复机器人“出生”

　　见到朱爱斌老师时，他刚刚从实验室出来，看到我们的到访，他非常的热情。他说：“我们交大研发了脑控下肢外骨骼康复机器人，但是很多人还不知道。”朱爱斌老师所面临的这种问题，也是很多大学科研人员正在面临的问题，即科研成果被积压在实验室不为外人所熟知。

　　学生穿戴脑控下肢外骨骼康复机器人进行测试（西安交通大学 供图）

　　在谈及为何要研制这个项目时，朱爱斌老师说：“随着老龄化人口的增加，中国老龄人口预计到2050年将达到4.37亿。在老龄人群中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫症状。同时，因交通事故、疾病等原因造成的下肢肢体损伤的人数也逐级增加。如何让偏瘫老年人和下肢失能的人拥有和正常人一样的生活质量，这是我们研发下肢外骨骼康复机器人的初衷。”

　　据朱爱斌老师介绍，随着机器人技术和康复医学的发展，在美国、日本和欧洲等国，医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，对于中风、偏瘫、下肢运动技能损伤等患者来说，下肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。

　　近年来，朱爱斌老师带领着自己的学生瞄准下肢外骨骼康复机器人。下肢外骨骼机器人是穿戴在用户下肢外部的一种典型的人机一体化系统，综合了检测、控制、信息融合等机器人技术，将用户的智力和机器人的“体力”结合在一起，提供动力以辅助用户的运动。

　　兴许是冥冥之中的注定，西安交通大学的徐光华教授所研发的脑控技术和朱爱斌老师研发的下肢外骨骼康复机器人有幸结合。“交大徐光华教授在生机电信号处理、脑机协同康复技术方面做了很多杰出的研究和应用工作，当我们对各方面工作深入了解后，突然觉得或许脑控技术和下肢外骨骼康复机器人可以进行结合，也正是这样的结合，我们就合作研发出了脑控下肢外骨骼康复机器人。”朱爱斌老师如是说。

　　学生穿戴脑控下肢外骨骼康复机器人进行测试（西安交通大学 供图）

　　造型似人体 可以适用不同的路面环境

　　在西安交通大学实验室里，国际在线陕西频道见到了第三代“脑控下肢外骨骼康复机器人”，它有脚、有腿，与人的下半身十分形似。

　　朱爱斌老师介绍，这套装备可以辅助患者按正常人体仿生步态行走，进行康复训练和矫正步态，同时可以适应不同的路面环境。通过一个头盔，即可检测患者的大脑神经信号，信号将传输给外骨骼康复机器人，外骨骼康复机器人根据患者的意念展开行动，从而实现站立、行走。

　　据朱爱斌老师介绍，脑控下肢外骨骼康复机器人的意念控制实现，是由西安交通大学徐光华教授团队负责研发。脑-机接口技术，是一种不依赖于外围神经与肌肉的实时通信系统，它建立了脑电信号与机器人设备两者间的直接联系，通过对驱动源信号进行解码与重新编码，来实现外围设备的控制。通俗的讲，即“意念控制”。脑-机接口技术在应用过程中，其通信和控制的信号源是由思维意图所产生的脑信号，对产生的脑信号进行采集、处理、机器人学习、模式识别等多个途径就可以进一步明确思维意图，从而为控制信号与外部设备之间的直接通信和控制成为现实。

　　脑控外骨骼下肢康复机器人信号采集原理图（西安交通大学 供图）

　　脑控下肢外骨骼康复机器人与传统的智能机器人系统相比，区别在于穿戴者不仅仅是智能机器控制命令的发布者或监督者，而是成为控制回路中一个积极因素。外骨骼控制系统中的穿戴者，也就是人，也成为控制系统中的一个组织部分， 即“人在回路中”（man in loop）。一方面，穿戴者为外骨骼系统提供系统所需的目标参数相关的信息；另一方面，穿戴者充当了控制系统的一个重要反馈角色，接收环境对其的反馈信息，并作出控制目标点决策。

　　朱爱斌老师解释说：“脑控下肢外骨骼康复机器人结合了脑机接口技术和外骨骼技术，通过意念控制，为下肢功能障碍患者提供康复助行的基本功能。视觉诱导的脑机接口技术有助于患者运动神经通路的重建，帮助患者站起来，走出去。”

　　国内第一家 患者可用意念实现站立行走

　　机器人技术及其相关领域正在不断发展，西安交通大学团队克服了物理人机紧耦合系统智能控制要求等种种难题，截至目前，脑控下肢外骨骼康复机器人已经完成三代外骨骼的迭代设计和加工。目前西安交通大学开发的脑控下肢外骨骼康复机器人造价大概在15万元左右，本体总重约20千克。

　　目前，我国也有一些公司和高校在研制下肢外骨骼康复机器人，但是把脑控研究和下肢外骨骼康复机器人结合起来并形成机器人实物和应用，在国内，西安交通大学是第一家。

　　朱爱斌老师介绍说，未来脑控下肢外骨骼康复机器人，必须对于患者在不同康复时期的需求，设计“多重控制策略”，即“被动控制”、“半主动控制”、“主动控制”等。“被动控制”，是针对患者康复训练早期，由于患者并没有运动肌力，无法对外施加足够的力，所以被动控制策略是患者完全由外骨骼带动，根据程序规划的步态运动进行被动的步行训练。“半主动控制”，是针对患者康复训练中期，患者恢复一定的肌力后，转为半主动控制方式。半主动控制策略是，通过传感器感知外骨骼穿戴者与外骨骼之间的交互力，根据交互力的大小，利用学习算法，智能控制和调整标准步态曲线，以更加适应穿戴者的行走习惯，使系统更智能化，更适应“人在回路中”的物理人机紧耦合系统。“主动控制”，主要针对的是患者在康复训练后期，随着康复训练的进行，卒中和偏瘫患者下肢肌肉力量及神经功能恢复。在主动控制策略中，由外骨骼穿戴者的主动运动趋势来进行自主的控制。外骨骼在此过程中，只是跟随患者下肢运动趋势，根据设定的算法，提供给患者运动需要的关节力矩，起到助力的作用。

　　在采访接近尾声时，朱爱斌老师谈到目前研发所面临的最大问题是如何将科研成果搬出实验室，机器人成果走出实验室，走向市场，形成产业化。他期待西安交通大学研发团队研发的脑控外骨骼下肢康复机器人能够造福社会，为下肢失能患者带去一份健康和自信，让患者能够骄傲的站起来，走出去。