醫(yī)療外骨骼康復(fù)機器人的發(fā)展

摘要：醫(yī)療外骨骼康復(fù)機器人主要用于行走訓(xùn)練、手臂運動訓(xùn)練、脊椎運動訓(xùn)練等，是醫(yī)療衛(wèi)生裝備信息化、智能化的重要發(fā)展方向之一。本文從研究現(xiàn)狀、工作原理、設(shè)計特點、控制方法以及關(guān)鍵技術(shù)等方面對外骨骼康復(fù)機器人進行介紹，進一步表明外骨骼機器人在改善患者行走功能以及提升生活自理能力具有重大的意義。

關(guān)鍵詞：外骨骼外骨骼康復(fù)機器人;智能化;信息化

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.09.004

文章編號：1006-1959（2019）09-0011-03

Abstract：Medical exoskeleton rehabilitation robot is mainly used for walking training， arm sports training， spine sports training， etc. It is one of the important development directions of medical and health equipment informationization and intelligence. This paper introduces the external bone rehabilitation robot from the research status， working principle， design features， control methods and key technologies， which further demonstrates that exoskeleton robots have great significance in improving patients' walking function and improving their self-care ability.

Key words：Exoskeleton exoskeleton rehabilitation robot;Intelligent;Information

由于年齡的增長、意外事故以及疾病等原因，人們的一些行為能力慢慢衰退以至于最終喪失，這也使得世界各國的醫(yī)療研究人員將積極研究使患者重獲正常行為能力的康復(fù)療法[1]。有數(shù)據(jù)顯示，在腦卒中后3個月，約有1/3幸存的患者不能恢復(fù)正常的行走功能，只能以不對稱的步行姿態(tài)進行走路，其步行速度和耐力也漸衰退。目前對神經(jīng)系統(tǒng)所引起肢體功能障礙的恢復(fù)治療主要由治療師一對一或多對一的對患者進行訓(xùn)練，對高強度、有針對性和重復(fù)性的康復(fù)訓(xùn)練要求現(xiàn)在難以實現(xiàn)。同時人工所采取的訓(xùn)練成本較高，康復(fù)評價大多為主觀評價，對于治療效果不能夠?qū)崟r監(jiān)測[2，3]。因此，如何通過有效的康復(fù)療法來改善患者的行走功能，提高其生活自理能力，以最快的速度回歸社會成為了當(dāng)前熱門的研究。

目前，在醫(yī)療健康領(lǐng)域，將智能機器人技術(shù)與康復(fù)醫(yī)療進行結(jié)合并應(yīng)用于醫(yī)療與功能康復(fù)等多個方面，已經(jīng)成為當(dāng)前非常重要的研究課題[4]。外骨骼康復(fù)機器人的研制作為康復(fù)醫(yī)療中的一個重要的研究方向，其包含了很多領(lǐng)域，擁有相當(dāng)大的實用價值和市場價值。現(xiàn)在，外骨骼康復(fù)機器人憑借其方便、可靠、精確的對數(shù)據(jù)進行測量與反饋等優(yōu)點，對有運動功能障礙的患者可以進行有效的輔助康復(fù)醫(yī)療，使廣大患者可以回歸正常生活。本文通過對醫(yī)療外骨骼康復(fù)機器人研究背景、現(xiàn)狀及構(gòu)造等方面進行闡述，為推動醫(yī)療康復(fù)機器人領(lǐng)域的發(fā)展和人機智能科學(xué)合理的應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

1研究背景及現(xiàn)狀

1.1國外研究背景及現(xiàn)狀? 20世紀(jì)80年代，美國、英國和加拿大等有限的幾個大國對外骨骼機器人進行研究，吸引了全世界醫(yī)療人士的關(guān)注，外骨骼機器人開始進入康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代初，56個外骨骼康復(fù)機器人研究中心已經(jīng)遍布全球，主要分布在日本、歐洲、北美地區(qū)。1996年，德國柏林自由大學(xué)成功研制機械式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練器。2000年，美國成功研制一種運用傳感設(shè)備來測量運動學(xué)和力學(xué)參數(shù)并由機械臂引導(dǎo)患者下肢運動的康復(fù)的機器人，目前國外的外骨骼康復(fù)機器人有以下幾種。

1.1.1以色列Re Walk Robotics公司的Re Walk機器人? 2014年6月，Re Walk Robotics公司研制成功外骨骼產(chǎn)品Re Walk機器人。該機器人在手腕處放置控制器，人體工程學(xué)綁帶把外骨骼和患者雙腿進行捆綁，多個傳感器安置在整套裝備各個節(jié)點，傳感器將測試重心的前移量反饋到控制系統(tǒng)，系統(tǒng)模仿人體正常的行走姿態(tài)，從而幫助患者獲得行走能力，同時，該設(shè)備還可以幫助患者完成轉(zhuǎn)身和站立等日常動作[5]。

1.1.2瑞士HCOMA AG公司的下肢康復(fù)機器人? 該公司研發(fā)的智能型懸掛式Lokomat下肢康復(fù)機器人，該機器人將反饋與評估融合在一起，并添加虛擬現(xiàn)實，同時將下肢運動障礙患者進行專業(yè)擬合行走步態(tài)，從而訓(xùn)練和恢復(fù)患者的行走能力[6]。

1.1.3美國Ekso Bionics公司的外骨骼康復(fù)機器人? 該公司生產(chǎn)的外骨骼機器人運用人體工程對人體行走步態(tài)進行擬合，通過整套設(shè)備多個傳感器的反饋到控制器的信號，利用單關(guān)節(jié)驅(qū)動人體下肢進行活動，使下肢運動障礙患者重新獲得行走能力[7]。

1.2國內(nèi)研究背景及現(xiàn)狀? 國內(nèi)對外骨骼康復(fù)機器人的研究比較晚，很多產(chǎn)品還是不夠成熟，國內(nèi)外骨骼康復(fù)機器人具有很大的市場空間。21世紀(jì)初，國內(nèi)各個高等院校以及研究中心非常重視對康復(fù)醫(yī)療機器人的研制，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的的重心可以進行調(diào)控的下肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機器人，中科大、浙大等國內(nèi)各個高等院校研制的可穿戴式下肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機器人等。目前國內(nèi)各高校研制的具有代表性的康復(fù)醫(yī)療設(shè)備有以下幾種。

1.2.1哈爾濱工業(yè)大學(xué)新型5DOF外骨骼康復(fù)機器人? 哈爾濱工業(yè)大學(xué)在外骨骼康復(fù)機器人研究領(lǐng)域具有很高的建樹，其中下肢康復(fù)助行機構(gòu)最具有代表性。所研制出來的新型5DOF外骨骼式康復(fù)機器人利用一種新型的構(gòu)型方式驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，并基于模塊化的設(shè)計思想完成了6自由度外骨骼機器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且基于彈性梁結(jié)構(gòu)與力傳感器，設(shè)計了一種新型人機交互接口結(jié)構(gòu)，可有效獲取人機交互力信息，為控制方法研究提供了基礎(chǔ)。同時結(jié)合穿戴者的舒適特性，研究人員研制了一整套人-機-環(huán)境系統(tǒng)，此設(shè)備包括助行行走機構(gòu)和抬升機構(gòu)兩個部分。下肢行動障礙的患者在沒有醫(yī)療護理人員幫助的時候也可以穿戴此設(shè)備進行功能性的康復(fù)訓(xùn)練。

1.2.2上海理工大學(xué)坐臥式外骨骼康復(fù)機器人? 上海理工大學(xué)研制的坐臥式外骨骼康復(fù)機器人單下肢具有3個自由度，分別是髖關(guān)節(jié)的屈曲/伸展;膝關(guān)節(jié)的屈曲/伸展;踝關(guān)節(jié)的跖屈/背屈，利用較少的自由度來實現(xiàn)行走，降低了機構(gòu)的復(fù)雜程度，提高了裝置的效率。髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運動通過驅(qū)動器實現(xiàn)，該驅(qū)動器是在滾珠絲杠副基礎(chǔ)之上加了兩對受壓彈簧，這可以有效地實現(xiàn)運動的緩沖和模擬關(guān)節(jié)運動時肌肉的動作方式;踝關(guān)節(jié)自由度通過一副對拉彈簧實現(xiàn)，可以有效地減少地面的對外骨骼本體的沖擊能量。人體不同程度的減重是通過此設(shè)備利用訓(xùn)練床的傾斜來完成，在患者進行行走功能訓(xùn)練的過程中，由傳感器測量的運動參數(shù)、足底壓力以及靜態(tài)平衡參數(shù)等數(shù)據(jù)由控制器進行系統(tǒng)的分析。

1.2.3浙江大學(xué)多自由度外骨骼助行機器人? 浙江大學(xué)研制的多自由度外骨骼助行機器人，利用氣動進行驅(qū)動，同時它可以將足底壓力信號和氣缸的位移控制信號直接關(guān)聯(lián)起來，能夠較好的判斷穿戴者的運動意圖。同時所研制的外骨骼康復(fù)機器人把下肢外骨骼技術(shù)運用于康復(fù)訓(xùn)練之中，可以將理療師從繁重的訓(xùn)練任務(wù)中解放出來，還可以客觀記錄訓(xùn)練過程中患者的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，供理療師分析評價治療效果，機器人所記錄下的詳細數(shù)據(jù)，使理療師能夠深入了解中樞神經(jīng)康復(fù)的規(guī)律。

2 外骨骼康復(fù)機器人構(gòu)造

2.1工作原理? 外骨骼康復(fù)機器人將傳感器安裝在設(shè)備的各個部位，傳感器從設(shè)備各個點獲得角度、扭矩以及能量等各項數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)中心中央控制處理器，經(jīng)過控制器內(nèi)部接收、計算以及轉(zhuǎn)化等對外骨骼康復(fù)機器人的動作進行調(diào)節(jié)，最后由驅(qū)動裝置驅(qū)動設(shè)備完成與行動障礙的患者一系列運動動作，見圖1。

2.2外骨骼康復(fù)機器人設(shè)計特點? 外骨骼機器人是一種由機械機構(gòu)組成的人工制造外骨骼，設(shè)備能夠給患者提供一定程度的保護，使患者能夠在沒有專人陪護的情況下完成很多正常人的活動動作。

2.2.1可穿戴性? 設(shè)備要擁有良好的可穿戴性，在沒有訓(xùn)練師專業(yè)的指導(dǎo)下就可以自身很順利的穿上和脫下設(shè)備來進行康復(fù)治療。

2.2.2魯棒性? 設(shè)備要擁有較好的魯棒性，包括：①外骨骼材料的質(zhì)地要堅硬，能夠支撐患者的體重重量②設(shè)備的各個執(zhí)行機構(gòu)和控制算法要有好的性能，確保設(shè)備能夠準(zhǔn)確、可靠、的完成各項預(yù)期功能。

2.2.3柔順性及舒適性? 外骨骼結(jié)構(gòu)與人體各個部位的運動動作要擁有很好的協(xié)調(diào)性，設(shè)備的配置要與人體的結(jié)構(gòu)與自由度相互匹配。同時患者穿戴上設(shè)備后感覺非常舒服，患者對設(shè)備不能有較大的干擾，外骨骼腳接觸地面時對患者的沖擊盡量減少到最小，使患者感覺舒適。

2.3外骨骼康復(fù)機器人控制方法? 外骨骼康復(fù)機器人與其他類型機器人的最大差別在于它不是由機器操作的，而是由人來進行操作的，設(shè)備操作者始終處于系統(tǒng)的回路之中，設(shè)備操作者與外骨骼康復(fù)機器人進行物理接觸，形成了一個人機耦合的一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)的控制目的是能夠讓患者和設(shè)備相互協(xié)調(diào)性進行工作。目前各國研制的外骨骼康復(fù)機器人系統(tǒng)的主要控制方法如下。

2.3.1操作者控制? 一些用于康復(fù)治療的外骨骼康復(fù)機器人，設(shè)備的步態(tài)矯正裝置能夠利用外部能源進行驅(qū)動的，在這些設(shè)備中由操作者控制的主要是下肢外骨骼康復(fù)機器人，用來支撐患者的重量，使設(shè)備在患者的操作下能夠輕松順利的進行下肢的康復(fù)訓(xùn)練。這些由操作者控制設(shè)備的命令信號前期由正常人的動作測量而得。如由Yano設(shè)計的外骨骼康復(fù)機器人，設(shè)備使用了一種開關(guān)和地面反作用力的傳感器，在患者的操作下，利用驅(qū)動器驅(qū)動患者的髖關(guān)節(jié)進行活動，進而改變患者腳底離開地面的距離。

2.3.2預(yù)編程控制? 有些外骨骼裝置在面世之前已經(jīng)在設(shè)備的控制系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先編好程序，操作者不能進行有效的干預(yù)。例如，下肢運動矯正裝置的運動軌跡在設(shè)計時依據(jù)正常人的運動動作來預(yù)先編好固定的程序，操作者根據(jù)預(yù)先編好的程序來進行康復(fù)訓(xùn)練。針對腿部受到物理損傷的患者而進行設(shè)計的有源步態(tài)矯正裝置，其利用已經(jīng)編好的程序來控制機械關(guān)節(jié)來模仿正常人的行走步態(tài)，進而使患者能夠有序的進行運動。Colombo的步態(tài)矯正器是一個由位置控制的外骨骼康復(fù)機器人，設(shè)備的步幅、速度等程序控制參數(shù)能夠依據(jù)不同患者來進行調(diào)節(jié)。

2.3.3 ZMP控制? 新加坡南洋理工大學(xué)設(shè)計的下肢能量增強外骨骼康復(fù)機器人運用下肢軌跡跟蹤和零力矩點ZMP的控制方法進行控制設(shè)備。安裝在患者腿上的角度傳感器將所測量的人體位置信號傳遞給控制系統(tǒng)，進而驅(qū)使設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)腿來跟蹤患者腿的運動動作，同時系統(tǒng)通過控制外骨骼康復(fù)機器人的ZMP來維持設(shè)備的穩(wěn)定運行。患者在運動行走的過程中，只用ZMP的行動軌跡維持在特定的運動區(qū)域內(nèi)，才能保持患者在運動行走的過程中穩(wěn)定。通過測量正常人的ZMP作為外骨骼康復(fù)機器人控制系統(tǒng)的ZMP的參考輸入，進而使設(shè)備的ZMP和患者的ZMP維持一致。在控制系統(tǒng)中，如果設(shè)備的ZMP偏離系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好的ZMP，系統(tǒng)在髖關(guān)節(jié)處驅(qū)動器的驅(qū)使下，控制設(shè)備的機械構(gòu)造對其ZMP來進行補償，使設(shè)備和患者的ZMP保持一致。

2.4外骨骼康復(fù)機器人的關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1外骨骼機器人的步態(tài)分析性控制? 步態(tài)分析與步態(tài)穩(wěn)定是設(shè)備外骨骼機械構(gòu)造設(shè)計所必須考慮的。因為設(shè)備外骨骼機械構(gòu)造隨著患者下肢的走動而進行動作，作為設(shè)計者要考慮的就是設(shè)備外骨骼應(yīng)該與患者擁有協(xié)調(diào)一致的活動動作，同時，也應(yīng)該具有和患者下肢動作一樣的自由度和運動形式。所以，分析患者動作自由度和研究分析人體步態(tài)穩(wěn)定是設(shè)計外骨骼康復(fù)機器人行走的基礎(chǔ)。

2.4.2外骨骼機器人多傳感器的選擇與信息融合? 傳感器作為完成設(shè)備系統(tǒng)自動控制的重要環(huán)節(jié)，設(shè)備的傳感器就如同人的神經(jīng)一樣，在系統(tǒng)的控制過程中起著非常重要的作用，控制系統(tǒng)通過傳感器能夠獲得操作者和設(shè)備機械構(gòu)造的各種數(shù)據(jù)，這樣才可以使設(shè)備的控制系統(tǒng)能夠及時有序的進行運動。

2.4.3外骨骼機器人的驅(qū)動方式與能源? 合理選擇系統(tǒng)驅(qū)動方式對外骨骼康復(fù)機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能也有很大的影響。外骨骼康復(fù)機器人一般采用電機驅(qū)動，液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動三種驅(qū)動方式。以上這3種驅(qū)動方式他們各有自己的優(yōu)點和缺點，研究人員在應(yīng)用設(shè)計設(shè)備時需要根據(jù)實際情況進行合理的分析選擇。

3總結(jié)

外骨骼康復(fù)機器人涉及到機械、電子、控制、計算機等各個領(lǐng)域，是很多高新科技技術(shù)集成產(chǎn)品。隨著科技的不斷創(chuàng)新與進步，外骨骼機器人可以逐步向智能化、模塊化、微型化發(fā)展，進一步提高人機耦合技術(shù)，其功能也就越強大，未來的外骨骼機器人會更加適合操作者。隨著社會的發(fā)展，老齡化加重，可穿戴式外骨骼機器人對于殘疾人或身體機能薄弱者具有很大的康復(fù)效果，減輕了社會與家庭的壓力，具有較高的社會與經(jīng)濟價值。

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收稿日期：2018-12-10;修回日期：2018-12-29

編輯/宋偉作者簡介：薛建明（1968.9-），男，黑龍江佳木斯人，本科，高級經(jīng)濟師，主要從事醫(yī)療器械方面研究