康复训练器械与人机接口

莫子霆　孟红旗　陈镇鹏　保颖怡　周蔚

摘 要 康复训练器械与人机接口相结合，优化人机界面，让康复患者在使用时尽量减少疲倦感，同时使康复训练器械更加智能，更加实用，更加安全。以下肢步行康复器和上下肢主被动康复器为例，描述人机接口在应用于康复训练器械的同时保证其安全性和辅助性。

关键词 康复训练 人机接口 人体工程学 人机界面 康复训练器械

传统的康复手段已经难以满足患者的需求，康复训练器械与人机接口能保证功能障碍者以安全有效的方式来使用康复专业器械，同时由于功能障碍者的肌肉力量和关节活动度对比正常人来说有较大的差距，因此保证功能障碍者在使用器械时的安全也极为重要，正是因为这些原因，人机接口应运而生。[1]

1 新型康复训练器材

1.1 人机接口

人机接口，是指将人与计算机终端相连接完成人向电脑输入信息，电脑对人进行反馈的过程的接口。在人机界面中，人的元素是运动器官、感受器、中枢神经系统，机的元素是控制器、机体与显示器。[2]人机之间通过显示器作用于人的感官以机械运转功能状态的信息形式，通过机械控制器将其输出信息转变为机械的输入信息。转换效率中的人机界面信息主要取决于人的感官特性之间与显示器和人的反应器官特性与控制器之间的匹配系数与程度。有两类机械包括了康复训练患者所使用的人机接口的康复训练器械：（1）辅助功能障碍者能正常完成正常生活所需的动作的辅助性人机接口；（2）在使用康复训练器械过程中，保障功能障碍患者安全性的人机接口。

1.2 人机接口康复器材与传统康复器材的区别

传统康复器材可分为固定型和非固定型，固定型包括：网架、平衡杠、训练用阶梯、墙壁拉力器等等，非固定型包括：巴氏球等等，篮球。张克选等[3]指出使用了人机接口的康复器械可以将康复训练应用到部分健身器材中，可以实现患者与康复训练器材之间快速的穿卸，如果在康复训练器材发生故障的情况下，能够使使用者与训练的器材快速及直接的分离。传统的康复器械可能由于不同使用者之间的不同习惯，因此例如在操作，使用方式，大小，形态等不能符合每一个患者的需求，而用了人机接口的器械，可以根据患者的需求，进行调整。患者不需要被动的去适应器材，而是器材去符合患者的需求。随着科技发展，国内外已经研究出新型的康复训练器械，它比起传统的康复器械更加自动，更加可控，更加智能。[4]

1.3 人机界面的优化方案

进行信息交互的操作方式的人机界面是人和机器之间。好的人机界面简洁却又不失美观性和信息的丰富性，操作既简单又富有引导性，使康复训练患者在使用时轻松愉快，兴趣饱满，器械的使用效率也能得到提高。主要的交互方式有：（1）问答式对话：最简单的对话式问答是把用户的选择限制在yes/no，较为复杂的问题也尽可能把答案限制在范围较少的答案集合。优点是易用，易学，不易错，缺点是效率不高，灵活性较差，用户选择余地较少。（2）菜单界面：把选项集合以线性排列或圆圈顺序排列，让用户有较多的选择。优点是易学易用，容错率有所提高。缺点是降低了高频用户使用时的速度，挤占显示空间等。（3）填表界面：允许用户在表格内自由移动光标填写所需要的信息。优点是：直观，方便，自由度高。缺点是挤占屏幕空间，设备要求较高，用户需要进行训练。（4）命令语言界面：用户按照系统所规定的逻辑输入命令给系统，系统完成命令所规定的功能，并显示结果。优点是：效率高，灵活性高，不挤占屏幕空间，精确。缺点是：需要经过较多的用户培训，语法规则要求较高。

以上几种交互界面可以相互结合，例如可以先使用命令语言界面做一级界面，菜单界面做二级界面，问答式界面为底层界面，同时填表界面作为备用选项。而且命令语言界面的设计应尽量简单，培训的过程也尽可能做到简短深刻。由于图形具备：（1）快速识别，效率高；（2）表示空间和视觉概念，有利于布局的美观性；（3）有利于界面国际化；（4）便于记忆的特点，软界面应该尽可能使用图形图标表达。

2 人机接口与康复训练器械

2.1 康复训练器械在人机接口中的应用

世界上首台微处理器的运动康复训练器是德Medical 公司1993年开发的，首台具有对称反馈训练的电机驱动训练智能康复器于1997年研制成功，具有平衡訓练功能的对称性主被动智能康复器于2005年又推出。这种智能康复器是面对长期住院，身体不能按照自己意愿行动的肢体病痛、身体残障患者所设计的一款康复训练器械，它更为人性化，更易操作，更多元化的操作模式。具有重量轻、体积小、结构简单、价格低廉、使用方便等优点。

Ramon de la Rosa等人提出了UVa-NTS（巴利阿多里德大学神经肌肉训练系统），是采用了人机界面系统的基于EMG和MMG信号的多功能和便携式神经肌肉训练系统。Tohru Kawabe[5]提出了一种新的BMI（Brain Machine Interface）方法基于RHC（Receding Horizon Control）。该方法适用于轮椅的控制，而轮椅又是当代社会中残疾人最常用，最重要的人及系统之一。该系统基于EEG（脑电图）的RHC控制器，自适应DA转换器和BMI构成。

2.2 辅助性人机接口

康复训练器材针对帮助患者活动，通过外部的支撑力量，弥补主动肌肉与拮抗肌肉的失衡，特殊情况设计了不同的辅助人机接口，如帮助患者稳定站立和正确行走步态的下肢康复训练器的辅助人机接口。由于下肢功能障碍者具备强烈的特殊性，在设计下肢功能障碍康复器械时，必须解决以下问题：（1）仿生学和人体工程学是步行康复器械的设计必须建立的基础，并具有身材的兼容性，设计出的产品适用性比较强， 尺寸及其结构应具有可调节性。（2）对于这些下肢残障患者， 必须固定下肢康复器械相互对应的位置的其膝关节和两脚处，其下肢发生功能障碍，肌力及肌张力改变，从而使患者无法保持功能的平衡。肌肉萎缩不能行走的并发症是下肢功能障碍者常见的， 在患者腰部及胸前提供支撑点，在使用者的臀部施加一个压迫力，是为了避免因长时间训练而感觉的劳累，从而使患者轻松、安全地保持站立姿势。

2.3 安全性人机接口

以上下肢主被动康复器械，人机接口运用于的康复器械应强调其安全性。所以在设计上，放在首位的是更应该强调设计过程中的安全系数。安全性包括使用材料的安全性、功能识别安全性、康复器结构的安全性以及外观形态安全性等。[6]在设计康复训练器械时要保证其结构强度，采用人体工程学原理。选取可拆卸式设计，简化设计结构使产品重量减轻，保证功能和结构强度的前提下尽可能减少零件。在器械与地面的接触面上安装摩擦系数较大的橡胶垫，以防在使用时意外的发生。在操作上，严格按照人体工程学以及人体器官的正常活动范围所规定的角度，防止运动过量及姿势错误而影响到使用者。另外制造器材的材料要足够坚硬，例如上下肢连接部分使用钢架等，同时材料要保证无毒无害。产品的外观要保证没有大的拐角，尖锐的凸起，尽可能使用圆润的，曲面的，稳定对称的形态。设备必须装备警报装置，在发生危险时发出警报，同时与人体接触的把手、脚踏等自动与机器分离，以此保护使用者的安全。

3 总结

目前，人机接口方案越来越对地运用于康复器械，经过修整，使人机界面更加简洁又有效，人机接口不仅考虑了康复训练器械的安全性，也考虑了新设备在使用时的可操作性，[6]已经基本完成了康复训练器械与人机接口相结合，解决了康复训练过程中出现的问题。

*通讯作者：孟红旗

参考文献

[1] Bien Z， Chung MJ， Chang PH，et al.Integration of a Rehabilitation Robotic System （KARES II） withHuman-Friendly Man-Machine Interaction Units.Autonomous Robots，2004.16：165-191.

[2] 劉慧喜.人机工程学在家用健身车设计中的应用[J].包装工程，2011.32（10）：47-50.

[3] 张克选，苏智剑，高振奎，林能涛，朱惠玉.康复训练器材的人机接口设计[J].中国组织工程研究.2014.18（3）：488-492

[4] 秦晓勇.康复器械在偏瘫患者肢体功能恢复中的应用[J].中国组织工程研究与临床康复，2011.15（48）：9088-9092

[5] 贾祝军，申黎明，潘天云.残疾人与无障碍设计[J].山西建筑，2011.37（22）：3-4.

[6] 李卫东，陈平，李新章.医疗器械临床试验方案的制定原则与设计方法[J].医疗卫生装备，2010.31（6）：83-84.