穿戴式上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀分析

張廣舉

【摘 ?要】為解決傳統(tǒng)康復(fù)治療中重復(fù)性運(yùn)動(dòng)效率低、成本高、人力不足等問題，各類外骨骼康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)相繼被研發(fā)。外骨骼機(jī)器人的載體是人，通過剛?cè)狁詈蟻韺?shí)現(xiàn)人機(jī)交互，其中，穿戴式上肢外骨骼體積小、質(zhì)量輕、便攜性佳的特點(diǎn)尤為突出，可以將康復(fù)訓(xùn)練融入日?；顒?dòng)中，具有實(shí)現(xiàn)康復(fù)治療家庭化的潛力，在各類康復(fù)醫(yī)療設(shè)備中具有較明顯的優(yōu)勢。鑒于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、康復(fù)訓(xùn)練模式、主動(dòng)控制方案及自由度等是穿戴式外骨骼康復(fù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)和核心功能，基于上述方面詳細(xì)闡述典型穿戴式上肢外骨骼機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，并對相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，展望未來發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】穿戴式;上肢外骨骼;康復(fù)機(jī)器人

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

目前穿戴式外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)主要有電機(jī)、氣動(dòng)肌肉、液壓等。電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，便于拆卸，運(yùn)動(dòng)精度高，因此是應(yīng)用最為廣泛的外骨骼驅(qū)動(dòng)器。氣動(dòng)肌肉是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式的一種，具有高功率密度、輕質(zhì)及本質(zhì)柔順的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)簡單，功率與質(zhì)量比大，表現(xiàn)出與人類肌肉相似的柔順特性，在外骨骼的運(yùn)動(dòng)中擁有更好的人機(jī)交互性。但其對力的響應(yīng)時(shí)間較慢，輸出不夠線性，單向操作的特性使得需要一對氣動(dòng)肌肉才能實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且氣動(dòng)肌肉質(zhì)量雖輕，但尺寸較大，運(yùn)用在穿戴式外骨骼很難與其他部件同時(shí)布置在同空間小區(qū)域內(nèi)，這一問題在外骨骼自由度較多時(shí)尤為突出。為解決這個(gè)問題，5-DOFs Exoskeleton將氣動(dòng)肌肉放置在外骨骼背囊部分以克服氣動(dòng)肌肉的這一缺點(diǎn)。液壓驅(qū)動(dòng)器有極高的扭矩質(zhì)量比，在一些穿戴式上肢外骨骼中也有應(yīng)用案例，但由于液壓系統(tǒng)包含液壓泵與儲(chǔ)液器且有漏液風(fēng)險(xiǎn)，因此傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)并不適合便攜式設(shè)備，射流驅(qū)動(dòng)器等小型化的液壓系統(tǒng)更為合適。

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)驅(qū)動(dòng)器安裝位置，一般可分為安裝在關(guān)節(jié)處的直驅(qū)方式和安裝在非關(guān)節(jié)處借助傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞扭矩的傳動(dòng)鏈方式。相較于氣動(dòng)肌肉和液壓，目前電機(jī)在穿戴式上肢外骨骼中應(yīng)用的仍然相對較多，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的上肢外骨骼中，電機(jī)直驅(qū)時(shí)，沒有傳動(dòng)鏈的損耗，傳動(dòng)效率最高，運(yùn)動(dòng)精度也最高。但目前技術(shù)下市場上的電機(jī)質(zhì)量仍然較大;在康復(fù)訓(xùn)練中，當(dāng)多個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)時(shí)，笨重且大體積的關(guān)節(jié)會(huì)對其他方向產(chǎn)生扭矩影響，影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度，可能會(huì)出現(xiàn)問題。傳動(dòng)鏈方式的驅(qū)動(dòng)方案是將電機(jī)放在外部的某個(gè)偏遠(yuǎn)位置，并使用傳動(dòng)鏈，例如利用繩、同步帶來驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。驅(qū)動(dòng)器可位于連接在人體背部的背包上，也可以位于人體的上臂結(jié)構(gòu)等，這種傳動(dòng)方式使驅(qū)動(dòng)器的質(zhì)量對于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的影響相對較小。其中繩傳動(dòng)具有尺寸小、質(zhì)量輕、傳動(dòng)路徑靈活多變的特點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離傳遞扭矩，且繩傳動(dòng)的外骨骼具有較大的運(yùn)動(dòng)范圍，被廣泛應(yīng)用于多自由度外骨骼，然而由于普通繩只能提供單向運(yùn)動(dòng)（只能拉不能推），因此需要兩條繩創(chuàng)建關(guān)節(jié)的雙向運(yùn)動(dòng)，該方案很適用于成對出現(xiàn)的氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器與遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)。

1.3 訓(xùn)練模式

目前穿戴式上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練模式主要有被動(dòng)模式、協(xié)作模式、主動(dòng)模式和測試模式。在被動(dòng)模式下，患者處于完全放松狀態(tài)，外骨骼將上肢各部位驅(qū)動(dòng)至預(yù)定目標(biāo)位置，所有的上肢外骨骼基本都具備該模式。協(xié)作模式對傳統(tǒng)被動(dòng)模式進(jìn)行了改進(jìn)，患者依照規(guī)劃的軌跡帶動(dòng)外骨骼進(jìn)行移動(dòng)，當(dāng)關(guān)節(jié)移動(dòng)位置變化速度快于設(shè)定值時(shí)，外骨骼不提供助力，若慢于設(shè)定值，此時(shí)外骨骼提供助力以使患者關(guān)節(jié)達(dá)到預(yù)定位置。以上兩種模式都缺乏對患者運(yùn)動(dòng)意圖的考慮，只能依照固定軌跡對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，但患者的主動(dòng)參與對于神經(jīng)系統(tǒng)重建和運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)具有更好的促進(jìn)作用，主動(dòng)模式因此開始應(yīng)用于外骨骼康復(fù)機(jī)器人。主動(dòng)模式下，系統(tǒng)檢測到患者的運(yùn)動(dòng)意圖后反饋給控制模塊，隨后驅(qū)動(dòng)器提供助力，使自身不足以完成動(dòng)作的患者能依照自身意圖進(jìn)行訓(xùn)練，該模式提升了患者運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)性，不再局限于設(shè)定動(dòng)作，使人機(jī)交互性變得更加友好。測試模式則主要用于患者康復(fù)效果評(píng)估，通過布置在康復(fù)機(jī)器人上各類傳感器定量評(píng)估康復(fù)訓(xùn)練中患者的表現(xiàn)。

1.4 主動(dòng)控制方案

臨床實(shí)踐表明，在康復(fù)訓(xùn)練中加強(qiáng)患者主動(dòng)意愿對腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)具有強(qiáng)化和促進(jìn)作用，有患者運(yùn)動(dòng)意圖主動(dòng)參與的康復(fù)訓(xùn)練對于患者神經(jīng)系統(tǒng)重建和運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)更加有效。目前外骨骼機(jī)器人獲取人體主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖的方式有力信息、肌電信號(hào)、腦電信號(hào)等?；诹π畔⒌目祻?fù)機(jī)器人控制策略及方法分支不多，這種交互方式在工業(yè)外骨骼助力機(jī)器人的應(yīng)用則較為廣泛，如傲鯊科技的MAPS-U上肢外骨骼，其基于力信息反饋，測得人體對外骨骼施加的力以獲取用戶運(yùn)動(dòng)意圖，外骨骼系統(tǒng)作為上肢肌肉力量的放大器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。肌電信號(hào)中表面肌電信號(hào)能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動(dòng)，同時(shí)兼具無創(chuàng)性、實(shí)時(shí)性、操作簡單、多靶點(diǎn)測量等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)展了開關(guān)控制、比例控制、模式識(shí)別控制等控制方式，并廣泛應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

2 展望

2.1 增加自由度數(shù)量

目前穿戴式上肢康復(fù)外骨骼實(shí)現(xiàn)的自由度仍然較少，限制了患者的多關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)化上肢多關(guān)節(jié)重復(fù)性、多方向運(yùn)動(dòng)，可以促進(jìn)肢體運(yùn)動(dòng)感覺的恢復(fù)，有助于上肢功能的改善，進(jìn)一步提高日常生活活動(dòng)能力（activities of daily living），且生活中的絕大多數(shù)動(dòng)作都是多關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，多自由的協(xié)同訓(xùn)練會(huì)使康復(fù)訓(xùn)練更接近復(fù)雜的日常生活功能性活動(dòng)。因此，大部分偏癱患者均需要多關(guān)節(jié)協(xié)同的康復(fù)訓(xùn)練與相應(yīng)的外骨骼機(jī)器人。

2.2 輕量化

穿戴式外骨骼最大的優(yōu)勢就在于它的便攜性，穿戴式的設(shè)計(jì)使得康復(fù)訓(xùn)練變得更加生活化，成為生活輔助的一部分。但受限于電機(jī)、電池等硬件設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀的客觀因素，目前具備多自由度的穿戴式設(shè)計(jì)外骨骼，在實(shí)際訓(xùn)練中仍然偏重。氣動(dòng)肌肉的發(fā)展與電機(jī)的小型化也許能解決這個(gè)問題，氣動(dòng)肌肉具有很好的功率質(zhì)量比，適用于穿戴式外骨骼，但針對其非線性的驅(qū)動(dòng)特性目前尚未解決。此外，柔性材料的外骨骼也是目前研究的熱門，如弗吉尼亞理工大學(xué)的Pneumatic elbow exoskeleton與加州大學(xué)開發(fā)的CRUX，這類柔性外骨骼在輕量化設(shè)計(jì)上先天條件優(yōu)于剛性外骨骼，其發(fā)展值得期待。

2.3 自適應(yīng)助力方式

自適應(yīng)助力是在檢測到患者無法獨(dú)立運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)將會(huì)增大驅(qū)動(dòng)器扭矩以完成運(yùn)動(dòng)，在檢測到患者自主肌力恢復(fù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器扭矩也會(huì)隨之逐步減弱。

2.4 彈性驅(qū)動(dòng)器與變剛度驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用

康復(fù)機(jī)器人主動(dòng)控制的關(guān)鍵因素之一是精確地傳遞力矩。動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的過程中，傳統(tǒng)的位置控制方案在人機(jī)交互設(shè)備中存在不足，再結(jié)合當(dāng)前人機(jī)交互類設(shè)備對于柔性驅(qū)動(dòng)的需要，帶有精確力反饋的彈性驅(qū)動(dòng)器：串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器（series elastic actuators，SEA）成為了目前研究的熱點(diǎn)，它的特點(diǎn)是在關(guān)節(jié)的傳動(dòng)部分布置彈簧或扭簧以增加被動(dòng)柔性，但SEA目前發(fā)展仍不成熟，在市場應(yīng)用中較少。

3 結(jié)論

穿戴式上肢外骨骼以其突出的便攜性使得患者的康復(fù)訓(xùn)練可以不受地點(diǎn)的限制，而不斷增加的腦卒中發(fā)病人數(shù)也決定了康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展需求，因此操作簡便、攜帶便利、康復(fù)效率高的上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人是患者康復(fù)治療所需要的。伴隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷成熟，未來上肢外骨骼的功能、康復(fù)效果與可靠性一定會(huì)有更進(jìn)一步的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]周聰.可穿戴式繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)研究[D].電子科技大學(xué)，2020.

（作者單位：河南羲辰信息科技有限公司）