下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究進(jìn)展

張嬌嬌，胡秀枋，徐秀林

當(dāng)前，康復(fù)問題已成為一個(gè)社會(huì)亟待解決的重要問題。傳統(tǒng)肢體功能障礙的康復(fù)治療主要依賴于治療師一對(duì)一的徒手訓(xùn)練，難以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、有針對(duì)性和重復(fù)性的康復(fù)訓(xùn)練要求，特別是在國(guó)外，人工訓(xùn)練的成本很高；康復(fù)評(píng)價(jià)也多為主觀評(píng)價(jià)，不能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)治療效果。為解決康復(fù)訓(xùn)練過程中出現(xiàn)的這些問題，需要安全、定量、有效及可進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練的新技術(shù)的支持[1]。

康復(fù)機(jī)器人(rehabilitation robots)作為一種新型機(jī)器人，它貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人等眾多領(lǐng)域，是一種自動(dòng)化程度很高又有效的康復(fù)訓(xùn)練[2]?？祻?fù)機(jī)器人分為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和輔助型康復(fù)機(jī)器人?？祻?fù)訓(xùn)練機(jī)器人的主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練，如行走功能訓(xùn)練、手臂運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、頸部運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等；輔助型康復(fù)機(jī)器人主要用來幫助肢體運(yùn)動(dòng)有困難的患者完成各種動(dòng)作，如機(jī)器人輪椅、導(dǎo)盲手杖、機(jī)器人假肢、機(jī)器人護(hù)士等[3]。

康復(fù)治療的過程中，改善患者的行走能力，提高其生活自理能力，是使其回歸社會(huì)的重要方面，因此下肢的康復(fù)十分重要。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人中重要的一類，它可以模擬正常人的行走姿勢(shì)，并且可以承擔(dān)一部分人體的重量，對(duì)下肢有運(yùn)動(dòng)障礙的患者進(jìn)行有效的康復(fù)訓(xùn)練[4]。通過幫助患者模擬正常人的步行規(guī)律，鍛煉下肢肌肉，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)行走功能的控制能力，達(dá)到恢復(fù)下肢運(yùn)動(dòng)功能的目的[5]。本文主要介紹下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，對(duì)其發(fā)展進(jìn)程、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行概述，指出下肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)一步發(fā)展的方向，并預(yù)測(cè)其廣闊的市場(chǎng)前景。

1 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程

康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等國(guó)家得到了科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，早在20世紀(jì)60年代早期，臨床醫(yī)生就使用連續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)器(continuous passivemotion,CPM)輔助外科手術(shù)后患者的康復(fù)。從第一臺(tái)在商業(yè)上獲得巨大成功的康復(fù)機(jī)器人Handy至今，康復(fù)機(jī)器人獲得了巨大的發(fā)展[6]。為了更好地促進(jìn)運(yùn)動(dòng)康復(fù)和實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，自動(dòng)化和機(jī)器人輔助的運(yùn)動(dòng)康復(fù)從上世紀(jì)90年代開始出現(xiàn)[7]。

下肢康復(fù)機(jī)器人療法最初集中在肌肉的運(yùn)動(dòng)知覺反饋上，后來擴(kuò)展到以功能電刺激和虛擬現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)的治療系統(tǒng)。第一臺(tái)商業(yè)化的植入型足下垂刺激器(foot drop stimulator,FDS)由Rancho Los Amigos醫(yī)療中心和Medtronic公司共同開發(fā)。盡管電極的植入會(huì)導(dǎo)致感染等一系列問題，總體來說植入型足下垂刺激器仍是早期康復(fù)機(jī)器人一個(gè)成功的典范[8]。

對(duì)于下肢康復(fù)，醫(yī)學(xué)上通常是通過進(jìn)行重復(fù)的特定任務(wù)訓(xùn)練讓患者進(jìn)行足夠的重復(fù)性活動(dòng)，基于這種方法的訓(xùn)練已取得良好的臨床效果[9]。然而，大量需要進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的患者，特別是腦卒中偏癱患者在康復(fù)治療初期進(jìn)行主動(dòng)步行訓(xùn)練是非常困難的，因此需要采用減重的方式進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。減重訓(xùn)練(partial weight support,PWS)是以傳統(tǒng)實(shí)踐為依據(jù)，利用懸吊或平板裝置不同程度地減少體重對(duì)下肢的負(fù)荷，有利于支撐能力不足的患者早期進(jìn)行各種步行訓(xùn)練[10-11]。

2 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研發(fā)現(xiàn)狀

近年來減重步行訓(xùn)練(partial body weight support treadmill training,PBWSTT)在臨床上的應(yīng)用越來越廣泛。自20世紀(jì)90年代初以來，國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)利用機(jī)器人技術(shù)相繼開發(fā)了代替理療師輔助患者的減重步行康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備。利用這種康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人進(jìn)行步行康復(fù)訓(xùn)練，不僅減輕治療師的工作強(qiáng)度，而且步行訓(xùn)練參數(shù)重復(fù)性好，時(shí)相指標(biāo)可以準(zhǔn)確設(shè)定，能夠有效加快康復(fù)進(jìn)程，提高康復(fù)療效[12-13]。

早期的減重步行康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，借助于跑步機(jī)、懸吊帶等幫助患者進(jìn)行下肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。此類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，但訓(xùn)練過程中必須有專業(yè)人員的幫助，而且隨意性較強(qiáng)，不符合人體的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，只能用于病情較輕的患者。隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)行走步態(tài)有了更加清楚的認(rèn)識(shí)，開發(fā)研制了一些符合人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理的減重步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。

瑞士HOCOMA醫(yī)療器械公司與瑞士蘇黎士Balgrist醫(yī)學(xué)院康復(fù)中心合作推出的LOKOMAT步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，是腿部驅(qū)動(dòng)減重步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的典型代表。LOKOMAT于1999年研制成功，2001年推向市場(chǎng)，并在隨后的幾年中日臻完善。LOKOMAT是第一套能夠輔助下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者在醫(yī)用跑步臺(tái)上自動(dòng)進(jìn)行減重步行訓(xùn)練的產(chǎn)品[14]。

LOKOMAT采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每條腿安裝有兩臺(tái)電機(jī)。電機(jī)安裝在機(jī)械腿的腰部機(jī)架和大腿腿桿上，分別驅(qū)動(dòng)一套絲杠螺母機(jī)構(gòu)；通過絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)機(jī)械腿的大腿和小腿擺動(dòng)，完成步行動(dòng)作。同時(shí)，安裝在機(jī)械腿關(guān)節(jié)處的傳感器將機(jī)械腿關(guān)節(jié)的角度和驅(qū)動(dòng)力等信息反饋給控制計(jì)算機(jī)。LOKOMAT機(jī)器人以使用者為根本，患者的訓(xùn)練狀態(tài)能夠被監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和引導(dǎo)；能夠根據(jù)患者個(gè)體狀態(tài)的不同提供相應(yīng)的步態(tài)模式和訓(xùn)練方案；能夠通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為患者提供反饋，以提高患者參與訓(xùn)練的主動(dòng)性。雖然其功能全面，但其動(dòng)力學(xué)模型較為復(fù)雜，控制難度較大。

比利時(shí)布魯塞爾Vrije大學(xué)開發(fā)了一臺(tái)使用可調(diào)式原理的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人(automated locomotion training using an actuated compliant robotic orthosis,ALTACRO)[15]。ALTACRO采用了氣囊型人造肌肉作為驅(qū)動(dòng)裝置，通過充、放氣來實(shí)現(xiàn)氣囊膨脹縮短或收縮伸長(zhǎng)，類似于人體肌肉的作用機(jī)制。人造肌肉縮短或伸長(zhǎng)，帶動(dòng)外骨骼式機(jī)械腿的大、小腿擺動(dòng)，從而牽引患者肢體完成步行動(dòng)作。這一設(shè)計(jì)更接近人腿真實(shí)的運(yùn)動(dòng)形式，具有重量輕、輸出力大、有一定柔度等優(yōu)點(diǎn)。此外該康復(fù)機(jī)器人還能夠輔助膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，通過機(jī)械腿更加均衡地分配人體重量，患者訓(xùn)練的過程可以監(jiān)視和控制。但是其穿戴復(fù)雜，沒有減重措施，對(duì)于病情較為嚴(yán)重的患者此方法實(shí)現(xiàn)難度較大。

德國(guó)Fraunhofer研究所采用最新的機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)了Haptic Walker康復(fù)機(jī)器人[16-18]。Haptic Walker的機(jī)械部分是一套可編程控制踏板，它可以提供各種可能的足部運(yùn)動(dòng)軌跡?？删幊炭刂铺ぐ逵蓛蓚€(gè)完全對(duì)稱但相互獨(dú)立的機(jī)械臂組成，踏板安裝在機(jī)械臂底部。機(jī)械臂安裝在直線導(dǎo)軌上，由一個(gè)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。踏板水平方向上由直線電機(jī)控制，豎直方向的位置由安裝在機(jī)械臂三個(gè)關(guān)節(jié)處的電機(jī)控制。各部分協(xié)調(diào)配合可以模擬出任意步態(tài)的運(yùn)動(dòng)軌跡。該系統(tǒng)通過位置控制能力為訓(xùn)練者提供平地、上下樓梯等多種訓(xùn)練場(chǎng)景，以提高訓(xùn)練者興趣，增加訓(xùn)練的主動(dòng)性。但該設(shè)備體積過大，移動(dòng)不便，且價(jià)格昂貴。

2007年日本東京大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院Hiroshi等[19]研制出一種動(dòng)力型康復(fù)器械Hart walker(HW)。它由兩個(gè)豎直的膝踝足矯形器(Knee-Ankle-Foot Orthosis,KAFO)和一個(gè)四輪車組成，由于腰部連接在康復(fù)器械的豎直桿上，減少了患者摔倒的風(fēng)險(xiǎn)，而且在保證正確姿態(tài)的同時(shí)患者的雙手也是自由的，可以進(jìn)行一些輔助操作。在控制方面，采用類似于肌電信號(hào)(EMG)的肌纖維收縮信號(hào)，利用綁在大腿和小腿上的氣囊內(nèi)氣體的壓力變化來測(cè)得。而在人腿自由擺動(dòng)，即肌纖維不收縮時(shí)，則利用關(guān)節(jié)處的電位計(jì)式角度傳感器的信號(hào)來觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作，其傳感器信號(hào)的融合和處理是通過便攜式計(jì)算機(jī)中的模糊控制來實(shí)現(xiàn)的。該儀器小巧方便，便于移動(dòng)但其僅適用于病情較輕的患者，且安全性不高，需要有專門的治療醫(yī)師看護(hù)。

美國(guó)的“國(guó)防遠(yuǎn)景研究計(jì)劃署”(DARPA)委托加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制成功了一種機(jī)器人，稱為“伯克利末端外骨骼”(BLEEX)[20-22]。BLEEX總共有40多個(gè)傳感器以及液壓關(guān)節(jié)，它們組成了一個(gè)類似人類神經(jīng)系統(tǒng)的局域網(wǎng)，能夠根據(jù)使用者的動(dòng)作計(jì)算出所需的力量分配，然后調(diào)節(jié)仿生機(jī)械腿，將負(fù)荷重量合理分配到一對(duì)合成金屬制成的不銹鋼鋼架結(jié)構(gòu)上，從而使佩戴者的負(fù)荷達(dá)到最少。這種機(jī)器人除了能幫助下肢運(yùn)動(dòng)障礙的患者行走，恢復(fù)其行走功能，還可以幫助正常人增加負(fù)載能力。該儀器同樣適用于病情較輕的患者，并且其設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)傳感器的要求很高，價(jià)格昂貴。

康復(fù)機(jī)器人較早較深入的研發(fā)主要集中在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，通過機(jī)器人與康復(fù)醫(yī)學(xué)技術(shù)的結(jié)合，研制了較先進(jìn)的康復(fù)機(jī)器人，并取得良好的康復(fù)效果。相比國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，我國(guó)在康復(fù)機(jī)器人方面的研究就稍顯遜色，但近幾年國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)也開始康復(fù)機(jī)器人的相關(guān)研發(fā)，并取得一定的成就。

清華大學(xué)精密儀器系康復(fù)工程研究中心在國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家科技支撐計(jì)劃支持下正在研究步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人(gait rehabilitation training system,GRTS)。GRTS采用關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直接安裝于機(jī)械腿髖、膝關(guān)節(jié)處，通過控制髖和膝處電機(jī)的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)完成步行動(dòng)作。該機(jī)能提供主動(dòng)、被動(dòng)等多種訓(xùn)練模式，并能根據(jù)患者的體型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。GRTS具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、屈曲角度大等優(yōu)點(diǎn)[23]。但是髖、膝關(guān)節(jié)處驅(qū)動(dòng)器的軸、徑向尺寸較大，使用時(shí)不方便。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的臥式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人(Horizontal lower limbs rehabilitative robot,HLLRR)[24]分為臥式下肢康復(fù)機(jī)器人和遠(yuǎn)程控制下肢康復(fù)機(jī)器人。其中臥式康復(fù)機(jī)器人可以在患者平躺時(shí)進(jìn)行雙腿的步態(tài)訓(xùn)練，步態(tài)訓(xùn)練除了帶動(dòng)大腿、小腿進(jìn)行伸縮鍛煉，同時(shí)腳踝也配合相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到腿部各關(guān)節(jié)的全方位訓(xùn)練。遠(yuǎn)程控制下肢康復(fù)機(jī)器人可以模擬正常人行走的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且控制踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)下肢行走運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、肌肉的訓(xùn)練以及神經(jīng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練。除此之外它還可以通過Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。由于平躺訓(xùn)練比較枯燥，患者鍛煉的積極性不高，且訓(xùn)練時(shí)患者的用力主動(dòng)性不強(qiáng)，可能對(duì)康復(fù)效果有一定的影響。

由上海理工大學(xué)研制的減重式多態(tài)康復(fù)訓(xùn)練評(píng)定系統(tǒng)(Body Weight Loss Multi-function System in Rehabilitation Truning and Assessment)[26]，是一種使用電動(dòng)斜床、能在任意傾斜角度減重狀態(tài)下，進(jìn)行下肢功能訓(xùn)練和平衡功能評(píng)估的多功能康復(fù)訓(xùn)練評(píng)定系統(tǒng)。反饋型下肢智能康復(fù)訓(xùn)練床系統(tǒng)主要由訓(xùn)練床、踏板組件、手動(dòng)控制裝置、主控計(jì)算機(jī)等組成[27]。該設(shè)計(jì)的背部減重多態(tài)康復(fù)訓(xùn)練評(píng)定系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)訓(xùn)練床的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行不同程度的減重，避免了目前市場(chǎng)上康復(fù)機(jī)器人采用的懸吊減重所產(chǎn)生的患者不舒適感和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)。該系統(tǒng)集訓(xùn)練功能和評(píng)定功能于一體，具有體積小、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，功能全面等特點(diǎn)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)使腦卒中等疾病引起的患者從患病早期腿腳功能很差時(shí)的被動(dòng)訓(xùn)練過渡到功能逐漸恢復(fù)后的主動(dòng)訓(xùn)練；該系統(tǒng)游戲訓(xùn)練的環(huán)節(jié)可以增加患者的積極性，有助于康復(fù)效果的提高。此外，該系統(tǒng)還具有人體運(yùn)動(dòng)學(xué)和生物力學(xué)多參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，可以精確獲得人體各運(yùn)動(dòng)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)患者各階段的康復(fù)狀況進(jìn)行科學(xué)的定量分析，為臨床診斷和制定康復(fù)治療方案提供科學(xué)的依據(jù)。該康復(fù)訓(xùn)練評(píng)定系統(tǒng)缺少肌電的測(cè)量，且外觀設(shè)計(jì)不夠人性化，患者上下訓(xùn)練床不方便，儀器移動(dòng)不方便，需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

3 展望

基于目前的研究狀況，下肢康復(fù)治療技術(shù)及康復(fù)機(jī)器人輔助治療的研究任重而道遠(yuǎn)?？祻?fù)訓(xùn)練機(jī)器人具備許多人工所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如長(zhǎng)期、穩(wěn)定地重復(fù)訓(xùn)練，精確、客觀地測(cè)定訓(xùn)練與運(yùn)動(dòng)參數(shù)，提供實(shí)時(shí)反饋，遠(yuǎn)程訓(xùn)練等[28]。隨著社會(huì)老齡化加劇，腦卒中偏癱患者逐漸增多，康復(fù)機(jī)器人所具有的這些優(yōu)點(diǎn)具有越來越大的使用價(jià)值。

在歐洲、美國(guó)和日本等國(guó)家，醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的市場(chǎng)呈逐年上升的趨勢(shì)[29]。據(jù)日本機(jī)器人協(xié)會(huì)估測(cè)，到2025年，日本國(guó)內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng)份額將達(dá)9310億日元(合74.5億美元)。而這些機(jī)器人將主要應(yīng)用于醫(yī)療護(hù)理和福利服務(wù)方面[30]。

在我國(guó)，康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到普遍的重視，而康復(fù)機(jī)器人的研究仍與國(guó)外有一定的差距，目前國(guó)內(nèi)一些簡(jiǎn)單的康復(fù)器械遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)對(duì)智能化、人機(jī)工程化康復(fù)機(jī)器人的需求[31]。通過虛擬現(xiàn)實(shí)、腦電、肌電技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的集成，為患者提供全方位的治療，而促進(jìn)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)一步的智能化仍是臨床康復(fù)醫(yī)學(xué)工作者普遍關(guān)心的問題，也是康復(fù)機(jī)器人發(fā)展的重要方向。相信康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人廣闊的市場(chǎng)前景必將推動(dòng)這一新興的技術(shù)得到更多重視與推廣。

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