肢體康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

任 武，陳秋冰，崔雅靜，于婷婷，雷婉月，吳 陽(yáng)，于 毅

(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，新鄉(xiāng)市神經(jīng)傳感與控制工程技術(shù)中心，新鄉(xiāng)市生物醫(yī)學(xué)信息研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453003)

傳統(tǒng)機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科及其他新興智能控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了醫(yī)療設(shè)備的自動(dòng)化和機(jī)器人化。醫(yī)用機(jī)器人結(jié)合了多種學(xué)科最新研究和發(fā)展的成果，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診療、康復(fù)等相關(guān)的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)不斷的努力，目前已開(kāi)發(fā)了多種類(lèi)型的康復(fù)機(jī)器人，包括臂部和手部上肢康復(fù)機(jī)器人、腿部和踝關(guān)節(jié)下肢康復(fù)機(jī)器人等。

近年來(lái)，由于我國(guó)逐漸進(jìn)入老齡化社會(huì)，老年性疾病及車(chē)禍、扭傷等意外事故而引起的肢體運(yùn)動(dòng)性障礙患者明顯增加?？祻?fù)機(jī)器人可以幫助患者完成各種運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)，一定程度上解決了醫(yī)療資源緊張和人工訓(xùn)練中存在的問(wèn)題。與傳統(tǒng)康復(fù)治療手段相比，康復(fù)機(jī)器人更加平穩(wěn)可控，既能保證訓(xùn)練的效率和強(qiáng)度，又能在訓(xùn)練過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)用于醫(yī)生評(píng)價(jià)治療效果，使之成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

肢體運(yùn)動(dòng)癱瘓由于病變位置不同導(dǎo)致不同肢體、不同嚴(yán)重程度的癱瘓。上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的康復(fù)訓(xùn)練主要針對(duì)臂部和手部，通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練，能夠加強(qiáng)肌肉組織的強(qiáng)度，促進(jìn)臂部和手部的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)或好轉(zhuǎn)，改善患者的日常生活。用于上肢康復(fù)訓(xùn)練的主要是臂部康復(fù)機(jī)器人和手部康復(fù)機(jī)器人。下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的康復(fù)訓(xùn)練主要針對(duì)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，其神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷后，根據(jù)腦的可塑性理論，在適當(dāng)條件下其結(jié)構(gòu)和功能等均可重新組織再生，因此，盡早進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練能維持關(guān)節(jié)活動(dòng)度、防止痙攣，最終提高患者的康復(fù)程度。用于下肢康復(fù)訓(xùn)練的是腿部康復(fù)機(jī)器人和踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人。

1 上肢康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

2010年，姬程等[1]采用坐標(biāo)變換理論深入地探討了上肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)，并建立了康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，從而得到了末端位姿的微分變化和各個(gè)關(guān)節(jié)速度的關(guān)系。2011年李梁京[2]設(shè)計(jì)了一種外附骨骼機(jī)械手系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合康復(fù)理論基礎(chǔ)，能夠幫助患者進(jìn)行日?；顒?dòng)。

2012年，李妍姝[3]分析了5-DOF外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人的特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析，在康復(fù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究中對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人原型進(jìn)行了仿真，為系統(tǒng)控制提供了幫助。陳文斌[4]針對(duì)類(lèi)人肢體運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中的問(wèn)題，在分析類(lèi)人肢體運(yùn)動(dòng)與性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，研究了類(lèi)人肢體運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)擬人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的問(wèn)題展開(kāi)研究。吳軍[5]研制了采用電機(jī)和氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)方式的上肢康復(fù)機(jī)器人，這種機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)肩部、肘部的伸縮、旋轉(zhuǎn)和擴(kuò)展，有拆分和混合2種使用方法，大大提高了臨床適用范圍。

2014年，張宇[6]研制了一種適用于上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的末端導(dǎo)引式康復(fù)機(jī)器人，用來(lái)模擬人體上肢的日?；顒?dòng)，使患者上肢各個(gè)關(guān)節(jié)肌肉以及運(yùn)動(dòng)功能神經(jīng)得到有效的物理刺激，在神經(jīng)刺激與肢體活動(dòng)的信息解析上有重要進(jìn)展，從而使患者上肢恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能上提供便利。張輝等[7-8]深入地分析了上肢康復(fù)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀以及相關(guān)患者的特點(diǎn)，并結(jié)合康復(fù)醫(yī)學(xué)理論設(shè)計(jì)了一種新型的外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人，之后設(shè)計(jì)出了一種新型的六自由度康復(fù)機(jī)械手臂。此結(jié)構(gòu)分析了肩關(guān)節(jié)處三自由度串聯(lián)分布的多種情況，得出了肩關(guān)節(jié)采用運(yùn)動(dòng)副開(kāi)環(huán)子鏈和運(yùn)動(dòng)副閉環(huán)子鏈并聯(lián)機(jī)構(gòu)的三自由度組合設(shè)計(jì)方案。

2010年，香港理工大學(xué)TONG等[9]研制一套基于肌電信號(hào)控制的外骨骼手指康復(fù)機(jī)器人。在康復(fù)訓(xùn)練中，該機(jī)器人將檢測(cè)到的患者肌電信號(hào)進(jìn)行處理，然后控制機(jī)器實(shí)現(xiàn)手指彎曲和伸展運(yùn)動(dòng)。采用該機(jī)器人系統(tǒng)，中風(fēng)患者可以在機(jī)器人的輔助下按自己意圖完成一些日常生活。

2011年，北京航空航天大學(xué)發(fā)明了一種外骨骼手指康復(fù)機(jī)器人，該機(jī)器人根據(jù)安裝在關(guān)節(jié)處的傳感器反饋的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式康復(fù)治療，其手指關(guān)節(jié)單元采用小型的平行滑動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)，通過(guò)外置的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)控制腱鞘式鋼絲傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)手指關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)。

2012年，譚旭暉[10]運(yùn)用生物機(jī)械學(xué)理論法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，找出了人體日常運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，為康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并對(duì)現(xiàn)有的上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行分類(lèi)和比較，設(shè)計(jì)了一種新型多桿欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)分析校核。2012年，于美麗等[11]根據(jù)人類(lèi)手指的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，建立了類(lèi)人日常活動(dòng)的機(jī)器人仿真模型，并在Adams/Hydraulic模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，最大程度地滿足了手部功能暫時(shí)缺失或永久缺失人員的需求，對(duì)臨床康復(fù)有重大指導(dǎo)意義。

我國(guó)市場(chǎng)上常見(jiàn)的肢體康復(fù)產(chǎn)品有E-SGN手指功能訓(xùn)練器(適用于提高手指活動(dòng)能力康復(fù)的患者)、腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器(適用于腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程，能改善腕關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍和肌力訓(xùn)練)、前臂康復(fù)訓(xùn)練器(適用于前臂旋轉(zhuǎn)功能及腕關(guān)節(jié)屈伸訓(xùn)練)和上肢協(xié)調(diào)功能練習(xí)器(提高了患者上肢訓(xùn)練穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性)等。

2 下肢康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

2.1腿部康復(fù)機(jī)器人2013年，劉艷陽(yáng)[12]研究了一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人行走步態(tài)結(jié)構(gòu)，提出了一種根據(jù)正常人體步態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)規(guī)劃下肢康復(fù)機(jī)器人步態(tài)軌跡與速度的方法，建立了下肢康復(fù)機(jī)器人的簡(jiǎn)化三維模型并做了仿真，為下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化與系統(tǒng)的穩(wěn)定控制提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同年，周平[13]提出了用于仿生關(guān)節(jié)式康復(fù)機(jī)器人的5款空間結(jié)構(gòu)并進(jìn)行分析分類(lèi)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上提出了2類(lèi)仿生關(guān)節(jié)式下肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型，一類(lèi)為全下肢仿生關(guān)節(jié)式康復(fù)機(jī)器人，另一類(lèi)是針對(duì)某一關(guān)節(jié)的專(zhuān)用康復(fù)機(jī)器人，最后設(shè)計(jì)了一款基于2-PSS/U結(jié)構(gòu)的模塊化仿生關(guān)節(jié)式下肢康復(fù)機(jī)器人。

2014年，史小華等[14]設(shè)計(jì)了一個(gè)多關(guān)節(jié)、坐/臥式下肢康復(fù)機(jī)器人，該機(jī)器人包括2部分，一是靠背角度可自動(dòng)調(diào)節(jié)的座椅，二是2條外骨骼型機(jī)械腿，通過(guò)建立的人機(jī)一體化模型，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了理論分析和仿真。2015年，鄒任玲等[15]研究了一種基于減重功能訓(xùn)練的雙氣囊減重設(shè)備，通過(guò)臨床實(shí)驗(yàn)獲得減重比與氣囊內(nèi)部氣壓值的關(guān)系，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為下肢功能障礙患者康復(fù)訓(xùn)練提供了一種有效的減重方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路。王萍等[16]通過(guò)健康人步態(tài)行走過(guò)程的骨盆運(yùn)動(dòng)特征，對(duì)復(fù)雜的骨盆運(yùn)動(dòng)學(xué)和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，得出骨盆側(cè)向移動(dòng)的軌跡和范圍，在此基礎(chǔ)上提出了一種骨盆側(cè)向移動(dòng)的結(jié)構(gòu)，配合康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用在下肢行走訓(xùn)練，解決下肢行走障礙患者在康復(fù)訓(xùn)練中身體中心缺乏在左右兩腳之間的橫向移動(dòng)能力。同年，石芝喜等[17]對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人在脊髓損傷康復(fù)應(yīng)用進(jìn)行了分析，詳細(xì)介紹了下肢康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用于脊髓損傷的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用于不完全性脊髓損傷的訓(xùn)練以及下肢康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用于脊髓損傷可恢復(fù)理論機(jī)制，提出了下肢康復(fù)機(jī)器人在脊髓損傷康復(fù)應(yīng)用中仍存在的問(wèn)題，包括患者行走中骨盆和下肢活動(dòng)自由度受到限制、缺乏適應(yīng)外界環(huán)境變化的反饋控制策略等。劉合嶺等[18]詳細(xì)介紹了G-EO下肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能，為我國(guó)康復(fù)醫(yī)院和康復(fù)醫(yī)學(xué)工程有關(guān)康復(fù)設(shè)備的研究提供了參考，G-EO系統(tǒng)使患者在站立情況下完全模擬人正常步態(tài)運(yùn)行軌跡，按照正常步態(tài)周期和形式，通過(guò)下肢遠(yuǎn)端機(jī)器腳帶動(dòng)患者進(jìn)行正常的下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練。

2016年，合肥工業(yè)大學(xué)的江世紅[19]設(shè)計(jì)了一款多功能下肢康復(fù)機(jī)器人。該機(jī)器人主要通過(guò)曲柄搖桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)五桿組合結(jié)構(gòu)加五桿結(jié)構(gòu)的復(fù)合式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，其特點(diǎn)是通過(guò)研究輪椅功能和下肢康復(fù)訓(xùn)練功能的姿態(tài)轉(zhuǎn)變，采用了一種V型抬升結(jié)構(gòu)。這是一種適合家庭使用的下肢康復(fù)機(jī)器人。同年，華僑大學(xué)的高紅凱[20]設(shè)計(jì)了一種機(jī)械結(jié)構(gòu)可調(diào)整的下肢康復(fù)機(jī)器人。該機(jī)器人可以根據(jù)患者的腿部長(zhǎng)度來(lái)相應(yīng)選擇小孩康復(fù)訓(xùn)練模式和成人康復(fù)訓(xùn)練模式，同時(shí)，關(guān)節(jié)部位和接頭部位設(shè)計(jì)成可拆卸和調(diào)整結(jié)構(gòu)，防止機(jī)器人長(zhǎng)期使用后關(guān)鍵的關(guān)節(jié)部件會(huì)磨損變形和損壞。

2.2踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人2011年，奧克蘭大學(xué)提出了一種三自由度的氣動(dòng)軟并聯(lián)機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)4套空氣驅(qū)動(dòng)力臂和纜繩來(lái)帶動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)一系列的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)練習(xí)。由于沒(méi)有球形關(guān)節(jié)，該機(jī)器人具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊、耐磨、便于攜帶和重量輕等特點(diǎn)[21]。2012年，黃海靈等[22]設(shè)計(jì)了一種三自由度的并聯(lián)機(jī)器人，該機(jī)器人采用柔索驅(qū)動(dòng)，使得結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)中心能夠和踝關(guān)節(jié)中心始終相重合且柔順性較好，滿足不同患者對(duì)踝關(guān)節(jié)的康復(fù)需求。

2013年，侯婭品等[23]設(shè)計(jì)了一種二自由度臥式踝關(guān)節(jié)康復(fù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠模擬踝關(guān)節(jié)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行伸屈或內(nèi)外翻，對(duì)偏癱、踝關(guān)節(jié)損傷患者進(jìn)行踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。同年，邊輝等[24]設(shè)計(jì)了一種生物融合式康復(fù)機(jī)器人，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是機(jī)械與人體共同作用，形成生物融合式康復(fù)結(jié)構(gòu)，其中人體部分包括小腿和腳掌，機(jī)械部分包括機(jī)架、牽引結(jié)構(gòu)、并聯(lián)球面結(jié)構(gòu)，可更好地發(fā)揮人體的主觀能動(dòng)性和降低患者產(chǎn)生二次損傷的危險(xiǎn)，具有較高的安全性。2015年，朱海濤[25]設(shè)計(jì)了一種新型智能踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，患者可根據(jù)自身康復(fù)需求，采用智能手機(jī)主動(dòng)控制機(jī)器人，完成踝關(guān)節(jié)活動(dòng)度訓(xùn)練、柔韌性和肌力恢復(fù)訓(xùn)練。2016年，單暉[26]設(shè)計(jì)了一款適用于踝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)韌帶損傷的可穿戴行走的二自由度穿戴式踝關(guān)節(jié)康復(fù)裝置，該裝置利用了雙套索傳動(dòng)系統(tǒng)和優(yōu)化的扭轉(zhuǎn)彈簧，增加了關(guān)節(jié)柔順性和抗干擾性。同年，劉其洪等[27]提出了一種基于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的踝關(guān)節(jié)智能康復(fù)機(jī)器人，與并聯(lián)式機(jī)器人相比，該結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，控制也相對(duì)簡(jiǎn)單，能滿足正常人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)生理特性。

3 結(jié)論和展望

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人在不改變?cè)O(shè)計(jì)初衷的同時(shí)有了新的發(fā)展方向：(1)功能化：進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的模式更加豐富，它可根據(jù)患者的具體情況選擇合適的模式，從而減少不適感，使康復(fù)訓(xùn)練更加具有針對(duì)性；(2)便攜化：康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)在滿足所需強(qiáng)度的前提下，設(shè)計(jì)體積尺寸盡可能的小，便于患者攜帶和使用；(3)智能化：包括人機(jī)交互、自動(dòng)調(diào)節(jié)等，實(shí)現(xiàn)機(jī)器與人一體化，對(duì)于反饋機(jī)制反饋的人體數(shù)據(jù)信息，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整；(4)先進(jìn)化：將科學(xué)前沿的技術(shù)應(yīng)用在康復(fù)機(jī)器人上，為患者提供更加先進(jìn)的訓(xùn)練，提高患者的康復(fù)率。(5)家庭化：很多患者需要不間斷地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，對(duì)于醫(yī)院和康復(fù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，數(shù)量有限的機(jī)器不能滿足需求。經(jīng)濟(jì)有效的家用康復(fù)機(jī)器人更易被人們接受，康復(fù)訓(xùn)練不再局限于保障傷殘者的生命，而是提供他們重返社會(huì)所需要的身體功能，康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步深入研究變得非常必要。我國(guó)研究者可以參照發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)的管理體系來(lái)規(guī)范我國(guó)康復(fù)機(jī)器人的行業(yè)管理。但隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，國(guó)家政策的大力支持，以及人民自身康復(fù)意識(shí)的提高和健全，我國(guó)康復(fù)器械的發(fā)展趨勢(shì)在不斷上升?？梢灶A(yù)測(cè)，未來(lái)肢體康復(fù)機(jī)器人將會(huì)有很大的進(jìn)步和市場(chǎng)空間。