一、Lokomat簡介
下肢康復機器人臨牀上廣泛用於由神經損傷以及其它疾病導致的下肢行走障礙患者，能夠爲因神經損傷導致行走功能障礙的患者提供了安全，有效的步行訓練平臺。通過機械腿帶動患者完成大量重複的生理步態訓練，讓患者在早期即建立正確的運動模式，爲今後重新正常行走打下良好基礎。
Lokomat是一款機器人步態訓練系統。用於因腦部損傷、脊柱損傷、神經性損傷、肌肉損傷和骨科疾病等原因造成步態異常的患者進行步態訓練，並提高神經疾病患者的行動能力。
二、理論依據
在中風或脊髓損傷後出現運動障礙的患者，可以通過加強運動訓練來改善行走功能。在過去20年裏，步態訓練經常採用的一種方法是在跑步機上結合部分體重支持進行運動訓練，這種訓練方法叫做：Locomotor training. 如下圖所示。這種治療方法需要治療師進行人工輔助。
人工輔助的缺點很明顯：治療師的工作不符合人體工程學，體力消耗很大，從而導致治療效率低、治療的患者少，持續治療時間短。另外，人工輔助治療的效果不具有重複性，表現在兩個方面，不同的治療師輔助手法不一樣；同一個治療師不同時間段治療效果不一樣。
爲了克服傳統人工輔助的缺陷，開發了下肢康復機器人訓練系統。與傳統療法相比，康復機器人可以進行更長時間、更密集的訓練。機器人輔助跑步機訓練還提供了在一次訓練中提供客觀反饋的能力，以及隨着時間的推移監測功能改進的能力。
三、設計思路
以第一代Lokomat原型機的設計過程來說明整個系統的設計思路。第一代Lokomat原型機如下圖所示，雖然與最新的Lokomat Pro相比，第一代看起來比較簡單粗糙，但是其設計思路很值得學習。
1.整體組成
第一代Lokomat的主要組成部分如下圖所示，最新版Lokomat也包含了這些部分，只是具體的技術實現方式有所更新。
- 配重、絞車和揹帶共同組成了減重系統，在訓練過程中減輕一定的體重。減重系統是Lokomat的重要組成部分，在每一代Lokomat裏面都有，具體設計有所不同，在第一代裏面是最簡單的被動減重方式，而最新版本採用Levi專利技術減重。
- 驅動式步態矯形器（DGO），用於驅動患者髖關節和膝關節進行步態訓練，左右兩條腿共四個自由度。
- 由於步態矯形器只有四個自由度，踝關節不帶驅動，所以需要擡腳器，確保步行訓練時擡起腳面。
- 平行四邊形機構用於支撐DGO的重量，同時隨着步態上下浮動，讓步態更自然。
- 跑臺用於帶動行走。
2.DGO驅動式步態矯正器
2.1 DGO的設計思路
DGO（Driven gait orthosis）驅動式步態矯正器如下圖所示：
爲了讓DGO適用於不同的患者且容易調節，設計了8個可調自由度：
- 髖關節的寬度；
- 靠背的高度；
- 靠背的水平距離；
- 大腿的長度；
- 小腿的長度；
- 小腿支撐板的左右位置；
- 小腿支撐板的前後位置；
- 小腿支撐板的尺寸可更換。
2.2 DGO的驅動選型
每條腿有兩個自由度，膝關節和髖關節。對這兩個關節驅動器的要求是：
即使存在痙攣性肌張力亢進，膝關節和髖關節的驅動力也必須足夠強才能帶動腿部進行步態訓練。同時矯形器應該易於操作，因此驅動器不應該太大或太重。
爲什麼只設計了膝和髖兩個關節，而忽略了踝關節？
如果矯形器的設計目的是向前推動身體，那麼移動踝關節所需的扭矩要大於髖關節和膝關節所需的扭矩。因此，在腳踝處省略了一個主動的驅動力，而是利用了移動的跑步機。在站立階段，跑步機控制腳的運動，而在搖擺階段，踝關節的背屈是通過被動擡腳器來實現的。
兩個關節驅動設計參數如下表所示：
2.3 DGO的控制框架
DGO控制框架如下圖所示：
- PC作爲最上層控制主機，主要實現了用戶界面和患者數據庫；
- 中間層是實時控制系統層，主要實現的是步態控制、各關節位置控制、編碼器的採樣等；
- 最低層是硬件層包括電機、編碼器等。
3.平行四邊形機構
平行四邊形機構如下圖所示：
圖中，由上到下依次是：DGO的連接裝置、平行四邊形機構、平行四邊形機構的連接裝置以及氣動彈簧。
平行四邊形機構的作用有三點：
- 保持平衡，對DGO起到支撐作用，讓DGO在行走過程中不會傾倒；
- 保證DGO不會在跑臺帶動下往後運動；
- 這個結構可以補償DGO的自重，而且可以隨着步態產生浮動，類似人行走過程中腰部的自然上下浮動，使步態更自然。
4.人機界面
人機界面最重要的目標是爲了方便操作，主要實現了用戶界面和患者數據庫。
- 用戶界面：
爲了安全起見，對用戶界面的編程做了如下規定，程序的每一步都是在程序的單獨序列中指定的，治療師必須在進行之前確認每一步。 - 患者數據庫：
患者數據庫是用於存儲關於患者的個人數據，以及不同調整的設置。對於新患者由於需要調整DGO，平均需要15分鐘，而對於保存過數據的患者只需要5分鐘時間。
5.生物步態模式
實驗發現，正常行走步態下，如果減重低於40%就會出現拖地現象，如果採用正常人跨越3cm障礙物的步態進行訓練就能大大改善拖地現象。
下圖是幾種步態對比，第一張是髖關節角度，第二張是膝關節角度。normal表示正常人行走步態曲線；DGO表示正常人穿上DGO行走的步態曲線；DGO w. FC表示正常人穿上DGO跨越障礙的步態曲線。可以看出，採用跨越障礙物的步態時，大腿擡腿高度明顯比正常步態要高。
四、核心技術
下肢康復機器人的核心技術如下圖所示：
1.步態控制
用的比較多的控制策略是阻抗控制，如下圖所示：
基於阻抗控制發展出來的適應能力更強的一種控制策略是參考軌跡自適應控制，如下圖所示：
一種更先進的控制策略是path control，如下圖所示：
2.減重策略
減重策略的發展歷程如下圖所示：
可以看出，只有在第一代Lokomat中採用了配重式的被動減重方式。而當前Lokomat最先進的減重策略是Levi專利技術，但是找不到任何公開的資料。介於兩者之間的Lokolift的減重策略也非常複雜，結合了主動式減重和被動式減重的優點，在Lokolift產品中有所應用。
常見的幾種減重策略如下圖：
A是靜態減重系統，B是被動動態減重系統，C是彈簧式被動動態減重系統，D主動動態減重系統，這四種減重方式各有各的優點和缺陷，不一一詳述。
Lokolift的減重策略如下圖，比較複雜就不詳細展開了。
這套系統的控制框圖如下：
3.生物反饋
就是將訓練結果進行量化與激勵。
4.診斷評估
Lokomat可以通過內置傳感器對肌張力等各種指標進行診斷與評估。
5.臨牀數據
Lokomat這麼多年積累了大量的臨牀數據，這些數據不論是用於科研還是臨牀治療，對Lokomat產品來說都是良性循環。這也是除技術壁壘之外，其他同類產品無法企及的最大壁壘。
五、參考文獻
[1] R. Riener, L. Lünenburger, I. C. Maier, G. Colombo, V. Dietz. Locomotor Training in Subjects with Sensori-Motor Deficits: An Overview of the Robotic Gait Orthosis Lokomat.
[2] Gery Colombo, Matthias Joerg, Reinhard Schreier, Volker Dietz. Treadmill training of paraplegic patients using a robotic orthosis.