下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼發(fā)展現(xiàn)狀綜述

司 訪，李鵬杰，李小奇，許國強(qiáng)，張 煜，葉冬雨

(中國兵器工業(yè)第二〇八所， 北京 102202)

康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用前景，日益成為國內(nèi)外專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)，其中下肢康復(fù)醫(yī)療是康復(fù)醫(yī)療的研究重點(diǎn)。隨著人口老齡化及人們生活水平的提高，下肢行動(dòng)不變的人口數(shù)量急劇升高，行走不便將影響患者的正常生活[1]。我國有著世界上最高的中風(fēng)發(fā)生率，大約有1 500萬人有下肢運(yùn)動(dòng)障礙，大約4 000萬老人在逐漸失去行走能力，每年對下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備需求量高達(dá)35萬套，但是目前市場提供的設(shè)備卻少于2萬臺(tái)[2]。下肢康復(fù)外骨骼可以減輕康復(fù)醫(yī)師的負(fù)擔(dān)，提高康復(fù)訓(xùn)練效率及效果，實(shí)時(shí)獲取康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)和評估訓(xùn)練效果[3]。其功能主要包括：維持關(guān)節(jié)活動(dòng)度、防止關(guān)節(jié)攣縮、糾正步態(tài)、重塑神經(jīng)系統(tǒng)等。根據(jù)結(jié)構(gòu)類型，下肢康復(fù)外骨骼可分為跑步機(jī)式和陸基式兩種，患者可通過使用跑步機(jī)式康復(fù)醫(yī)療外骨骼在跑步機(jī)上獲得行走康復(fù)訓(xùn)練，在這種類型的外骨骼中，為了保證安全，保持平衡，需要一套人體重量支撐系統(tǒng)，來減小重力對腿部的影響。陸基式外骨骼幫助患者在地面上行走，重獲行走能力。按照應(yīng)用類型，下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼可分為輔助行走和康復(fù)訓(xùn)練兩類。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

下肢康復(fù)外骨骼方面的研究起始于1960年[4]，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，這些裝備沒有實(shí)現(xiàn)當(dāng)時(shí)預(yù)期的目標(biāo)，但是為后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)，最近幾十年，尤其是Lokomat應(yīng)用于臨床以后，下肢康復(fù)機(jī)器人逐漸成為世界各國研究的熱點(diǎn)。國外很多企業(yè)和研究所都開展了相關(guān)研究，并且在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面都取得了很多里程碑式的成就(圖1)。目前，針對下肢癱瘓、脊髓損傷及步態(tài)矯正，已有多款產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化階段，如表 1所示。

圖1 商品化的康復(fù)醫(yī)療外骨骼

表1 典型康復(fù)醫(yī)療外骨骼參數(shù)及功能

其中最著名的是以色列的Rewalk[4]，通過手腕移動(dòng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)坐、立、行走等運(yùn)動(dòng)；日本筑波大學(xué)的HAL-5通過采集肌電信號(hào)，做為控制輸入信號(hào)[5]、KineAssist可模擬實(shí)際生活環(huán)境的平地走，爬坡，站立平衡，動(dòng)態(tài)平衡等運(yùn)動(dòng)[6-8]。還有一些進(jìn)行了原理樣機(jī)試驗(yàn)測試，如歐盟研究開發(fā)的基于腦機(jī)接口BCI控制的MindWalker[9]、美國特拉華州立大學(xué)基于彈簧驅(qū)動(dòng)的重力平衡外骨骼、加州大學(xué)伯克利分校設(shè)計(jì)的低成本繩輪驅(qū)動(dòng)的Austin、氣動(dòng)的Lifesuit、輔助兒童患者的ATLAS、以及泰國理工學(xué)員的AIT leg exoskeleton-I等[10]。針對運(yùn)動(dòng)損傷及中風(fēng)患者，荷蘭特文特大學(xué)設(shè)計(jì)了LOPES，系統(tǒng)總重量62 kg，其中機(jī)械腿重量5.15 kg；韓國西江大學(xué)推出了一款能輔助患者行走、站立、坐起等運(yùn)動(dòng)的EXPOS外骨骼系統(tǒng)，該系統(tǒng)重量僅為3.2 kg[11]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

與發(fā)達(dá)國家相比，我國在康復(fù)醫(yī)療外骨骼方面存在巨大差距。我國的高校及研究所已經(jīng)開展了相關(guān)的研究，并取得了一定的成果，上海傅里葉智能科技主要致力于上下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)突破，主要針對截癱或者行走功能障礙的患者[12]；深圳邁步機(jī)器人專注于研究中風(fēng)患者步態(tài)，從而開發(fā)相應(yīng)輔助機(jī)器人；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)對下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼的構(gòu)型、意圖感知、協(xié)調(diào)控制也進(jìn)行了深入的研究。本文對下肢康復(fù)外骨骼的現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，討論了外骨骼設(shè)計(jì)過程中，仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、個(gè)體差異兼容、人機(jī)融合控制等關(guān)鍵技術(shù)[14]。

2 人體步態(tài)分析

舒適性是下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼關(guān)鍵指標(biāo)，外骨骼必須擁有好的穿戴舒適性，人體下肢結(jié)構(gòu)和步態(tài)分析是下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制的基礎(chǔ)。

2.1 人體下肢結(jié)構(gòu)

在解剖學(xué)上，人體可分為3個(gè)基準(zhǔn)面：水平面、冠狀面和矢狀面[15]。在下肢運(yùn)動(dòng)過程中，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)起著主要作用，各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍如表2所示。

表2 下肢主要關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍

其中髖關(guān)節(jié)由髖臼、股骨頸、股骨頭等組成，運(yùn)動(dòng)形式和球鉸副一樣，是人體最穩(wěn)定，自由度最多的關(guān)節(jié)；膝關(guān)節(jié)主要由股骨遠(yuǎn)端、脛骨近端和髕骨構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)形式和旋轉(zhuǎn)副一樣，承擔(dān)著人體最大的負(fù)荷，主要負(fù)責(zé)完成矢狀面內(nèi)的前屈和伸展。踝關(guān)節(jié)由脛骨下端、腓骨下端和距骨組成，主要負(fù)責(zé)跑步、跳躍等功能性活動(dòng)，可完成矢狀面內(nèi)的趾屈和背伸動(dòng)作，也能實(shí)現(xiàn)在冠狀面內(nèi)的內(nèi)翻和外展動(dòng)作[16]。

2.2 人體步態(tài)分析

無法通過直接測量獲得患者正常步態(tài)，因?yàn)樗麄兊男袆?dòng)功能已經(jīng)受損，所以評估和計(jì)算患者的正常步態(tài)十分必要。半身不遂和先天身體殘疾的患者，在康復(fù)訓(xùn)練行走過程中，仍需借助正常步態(tài)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以通過收集大量運(yùn)動(dòng)步態(tài)數(shù)據(jù)來獲得這些運(yùn)動(dòng)軌跡[17]。人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對步態(tài)參數(shù)影響很大，需分析人體正常步態(tài)，研究與步態(tài)密切相關(guān)的特征參數(shù)，如：步幅、步頻等[18]。

通過在不同行走速度下分析步態(tài)參數(shù)和關(guān)節(jié)角度，發(fā)現(xiàn)行走速度是影響步態(tài)的重要參數(shù)[19]，另外研究表明人體高度這一主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，相比于行走速度，對人體步態(tài)的影響較小[20]。

3 下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼的機(jī)械特性分析

下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼需要實(shí)現(xiàn)力和能量傳遞，這些可以通過設(shè)計(jì)合適的機(jī)器人結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。典型下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼機(jī)械特性如表3所示。

表3 典型下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼機(jī)械特性

3.1 下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼結(jié)構(gòu)

下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)需匹配人體運(yùn)動(dòng)，BLEEX的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為后續(xù)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，為了最大限度減小與穿戴者碰撞并保證舒適性，BLEEX采用擬人化結(jié)構(gòu)[21]，如圖2所示，髖關(guān)節(jié)簡化為三自由度球鉸副，以獲得前/后屈、內(nèi)/外展、內(nèi)/外旋自由度；膝關(guān)節(jié)選用簡單的旋轉(zhuǎn)副以獲得前/后屈自由度；踝關(guān)節(jié)簡化為三自由度球鉸副，以獲得前/后屈、內(nèi)/外展、內(nèi)/外旋自由度?，F(xiàn)在的康復(fù)醫(yī)療外骨骼，例如：ALEX[22]、Lokomat[3，23]、LOPES[24]、Rewalk[25]、Rex[26]和HAL[27]，都是基于BLEEX的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。

圖2 BLEEX生物力學(xué)設(shè)計(jì)示意圖

外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是為了支撐盆骨運(yùn)動(dòng)，有些外骨骼將盆骨與設(shè)備連接例如：Kinessist[28]通過柔性帶連接盆骨支撐人體；ALEX III[29]能夠控制輔助人體盆骨運(yùn)動(dòng)；新版的Lokomat[30]提供了一種可選擇的新模式，通過給盆骨側(cè)展和側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)來提升治療質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 髖關(guān)節(jié)治療模式示意圖

但是這樣簡化設(shè)計(jì)意味著在外骨骼與人體之間存在一個(gè)運(yùn)動(dòng)不匹配問題，尤其是人機(jī)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心不匹配最為明顯。所以需改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對于髖關(guān)節(jié)，Y Yu等[31]采用一種3-UPS人體平行結(jié)構(gòu)，自適應(yīng)匹配人體髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，如圖4所示。當(dāng)裝在人體腰部和腿部時(shí)，就與人體連成了一體，將等效于3-UPS/1-S平行結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示。W Zhang等[32]采用一種新的擬人仿生結(jié)構(gòu)，考慮人體髖關(guān)節(jié)康復(fù)治療的不同活動(dòng)需求，其包含兩個(gè)結(jié)構(gòu)：3-UPS/S和2-RPS/UPS/S，如圖4(b)所示。D Wang等[33]設(shè)計(jì)了一種對稱的全約束平行結(jié)構(gòu)被用于髖關(guān)節(jié)助力和康復(fù)訓(xùn)練，一定程度上限制髖關(guān)節(jié)3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，來避免諸如：運(yùn)動(dòng)奇異點(diǎn)、不確定性和兩腿互相干涉等問題，如圖4(c)所示。

圖4 髖關(guān)節(jié)平行助力結(jié)構(gòu)示意圖

膝關(guān)節(jié)都被簡化為旋轉(zhuǎn)副，僅考慮前/后屈自由度，實(shí)際人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)相對來說很復(fù)雜，如圖5所示，D Wang等[34]設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)膝關(guān)節(jié)，來消除對膝關(guān)節(jié)的不良影響?？紤]到膝關(guān)節(jié)的復(fù)雜性，M Lyu等[35]設(shè)計(jì)了一種軸向運(yùn)動(dòng)耦合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)。

圖5 新型膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

由于剛性外骨骼在人機(jī)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性方面短期內(nèi)很難得到很大提高，很多學(xué)者提出了很多新的結(jié)構(gòu)，如圖6所示有的采用繩索這樣的全柔性結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)人體，將大幅降低人體不適感和能量消耗，這種設(shè)計(jì)將成為外骨骼領(lǐng)域新的研究方向。

3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

康復(fù)醫(yī)療外骨骼驅(qū)動(dòng)可分為：主動(dòng)驅(qū)動(dòng)(電機(jī)、液壓等)，被動(dòng)驅(qū)動(dòng)(阻尼、彈簧、彈性體等)，大多數(shù)下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，eLEGS髖關(guān)節(jié)前/后屈自由度和膝關(guān)節(jié)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)采用被動(dòng)自由度[5，36]。Lokomat[36]髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。上述驅(qū)動(dòng)方案的顯著性特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)器都直接安裝在產(chǎn)品上，增加了樣機(jī)重量和復(fù)雜程度。所以將電機(jī)和驅(qū)動(dòng)全都安裝在支撐平臺(tái)上，而不是樣機(jī)上，能夠大幅減輕樣機(jī)本身重量。

圖6 柔性助力外骨骼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼大多采用全剛性驅(qū)動(dòng)，增加了力控制和系統(tǒng)組成的復(fù)雜性。因此RoboKnee[6]設(shè)計(jì)了一種SEA驅(qū)動(dòng)來提高力的可控性和驅(qū)動(dòng)的靈活性；LOPES[8]選用了一種結(jié)合繩纜驅(qū)動(dòng)的SEA；Y Yu等[38]設(shè)計(jì)了一種可變剛度的彈性驅(qū)動(dòng)，如圖7所示，通過調(diào)節(jié)彈性體的剛度來改變驅(qū)動(dòng)的剛度。

圖7 彈性驅(qū)動(dòng)示意圖

3.3 步態(tài)軌跡規(guī)劃

由于步態(tài)軌跡數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)有限，參數(shù)化的運(yùn)動(dòng)步態(tài)產(chǎn)生算法，用來預(yù)測在數(shù)據(jù)庫中不存在的數(shù)據(jù)十分必要。Lokomat[36]外骨骼中的步態(tài)軌跡可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)成特定的患者步長；LOPES[23]步態(tài)軌跡通過一種重構(gòu)人體身高和步行速度的回歸分析算法產(chǎn)生；當(dāng)收集的數(shù)據(jù)足夠多時(shí)，將可以使用數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測，例如：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多層深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法。

大多數(shù)下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼運(yùn)用分層的控制策略，系統(tǒng)分為上、下兩層，上層是控制決策層，負(fù)責(zé)控制決策和規(guī)劃的產(chǎn)生；下層是驅(qū)動(dòng)層，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制[39]。對于陸基式康復(fù)醫(yī)療外骨骼，由于其需要實(shí)現(xiàn)大量的動(dòng)作，如圖8所示，控制層通常分為3層，相對增加了人機(jī)交互層。如表4典型下肢外骨骼控制框架所示，典型外骨骼控制框架情況。

圖8 典型外骨骼控制系統(tǒng)框圖

Lokomat[36]用一種阻抗控制策略來指導(dǎo)腿部運(yùn)動(dòng)和提供髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的力矩，LOPES[23]運(yùn)用虛擬控制模型實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制，ALEX[6]運(yùn)用力控方案用于引導(dǎo)腿部運(yùn)動(dòng)。上述所有控制系統(tǒng)實(shí)際上都是被動(dòng)的，因?yàn)闆]有在環(huán)內(nèi)考慮穿戴者。為了增加患者主動(dòng)參與，需要減少患者對于外骨骼的依賴性，為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，不僅要測量人體的運(yùn)動(dòng)信息，還要測量人機(jī)交互信息。

另一種方案是測量人體肌電信號(hào)(EMG)和腦電信號(hào)(EEG)來獲取人體運(yùn)動(dòng)意圖，HAL[13]應(yīng)用肌電信號(hào)來判斷外骨骼提供助力的時(shí)間。但是基于肌電信號(hào)控制只適用于肌肉擁有高度活性的患者。腦電控制技術(shù)，也已應(yīng)用于很多偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練的外骨骼。但是上述所有研究都還處于初始階段。

表4 典型下肢外骨骼控制框架

4 展望

近年來，受益于機(jī)械和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，多款下肢助力外骨骼系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，但是在人機(jī)一體化融合方面尚存在很大的技術(shù)差距。只有當(dāng)患者與外骨骼形成一個(gè)有機(jī)的整體時(shí)，外骨骼才能起到真正的康復(fù)訓(xùn)練的作用。

本文對下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并分析了典型裝備的結(jié)構(gòu)與控制特性，綜上所述，有如下展望：

1) 需要設(shè)計(jì)擬人化結(jié)構(gòu)和靈活的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)一體化融合。目前，簡化的人體運(yùn)動(dòng)模型和外骨骼剛性結(jié)構(gòu)使得外骨骼運(yùn)動(dòng)與人體運(yùn)動(dòng)不匹配，影響了外骨骼的穿戴舒適性和訓(xùn)練效果。因此可采用SEA驅(qū)動(dòng)增加外骨骼裝備的柔順性，但是增加的柔性不可避免的增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和控制難度。所以能夠?qū)⒛芰扛咝鬟f到人體的剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)，將成為以后研究的熱點(diǎn)。

2) 外骨骼應(yīng)能夠輔助穿戴者恢復(fù)原始步態(tài)，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。對于偏癱和身體殘疾患者的康復(fù)訓(xùn)練，由于人體運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)數(shù)量有限，很難產(chǎn)生適用于所有特定患者的步態(tài)，因此進(jìn)一步明確外骨骼參數(shù)與人體步態(tài)參數(shù)之間關(guān)系，采用參數(shù)化步態(tài)產(chǎn)生算法很有必要。步態(tài)產(chǎn)生不應(yīng)只注重矢狀面，而應(yīng)考慮人體三維運(yùn)動(dòng)特性。

3) 應(yīng)重點(diǎn)研究多模信息融合技術(shù)，目前關(guān)于人體運(yùn)動(dòng)意圖方面的研究還僅僅只包括人體肢體運(yùn)動(dòng)信息、生肌電和腦肌電等，應(yīng)將患者包括在控制環(huán)內(nèi)，需要研究多模信息融合技術(shù)，增加測量人機(jī)交互信息，實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)意圖高效識(shí)別。