下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人人因工程研究進(jìn)展

王秋惠，姚景一

下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人人因工程研究進(jìn)展

王秋惠，姚景一

(天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387)

下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人是專門針對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)障礙及行動(dòng)不便者，提供康復(fù)鍛煉的智能化裝備，其發(fā)展對(duì)于中國(guó)康復(fù)事業(yè)具有重大的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。人因工程研究可有效提高下肢康復(fù)機(jī)器人HRI人機(jī)交互安全性與交互效率。因此，深入探討國(guó)內(nèi)外下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人人因工程研究進(jìn)展，對(duì)其研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)歸納。通過(guò)文獻(xiàn)檢索方法對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)人機(jī)交互、步態(tài)行為、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全問(wèn)題等是下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人人因工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并從人因出發(fā)，系統(tǒng)梳理國(guó)內(nèi)外下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人人因工程研究進(jìn)展和發(fā)展動(dòng)態(tài)，提出我國(guó)在下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人人因工程領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)，研究重點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

下肢外骨骼機(jī)器人；康復(fù)機(jī)器人；人因工程；人機(jī)關(guān)系；研究與應(yīng)用進(jìn)展

中國(guó)人均壽命普遍延長(zhǎng)，老齡化群體逐漸擴(kuò)大，截止2019年數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)60周歲及以上的老年人占總?cè)藬?shù)的18.1%，65周歲及以上的老年人占總?cè)藬?shù)的12.6%[1]，而且這個(gè)比重還在逐年增長(zhǎng)。快速老齡化及高齡化趨勢(shì)導(dǎo)致下肢康復(fù)服務(wù)的需求不斷加大，使得各國(guó)加強(qiáng)了對(duì)醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究。通過(guò)康復(fù)師利用專業(yè)知識(shí)幫助患者恢復(fù)下肢運(yùn)動(dòng)功能是各國(guó)的傳統(tǒng)方式，由于康復(fù)師人數(shù)有限，康復(fù)治療時(shí)間和地點(diǎn)有限，總是滿足不了需求。為此，醫(yī)療機(jī)器人經(jīng)常因成本低、治療效果好、安全可靠等優(yōu)勢(shì)被各國(guó)醫(yī)療機(jī)構(gòu)用于患者康復(fù)訓(xùn)練[2]。

而隨著社會(huì)老齡化進(jìn)程不斷加深，康復(fù)機(jī)器人的社會(huì)需求得到廣泛關(guān)注。高校、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，并希望能夠造福人類。

國(guó)防軍工最初使用下肢外骨骼機(jī)器人作為單兵作戰(zhàn)武器，旨在提高士兵作戰(zhàn)能力與后勤保障能力，而后在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)步入全面發(fā)展時(shí)期，而國(guó)內(nèi)研究時(shí)間較短，在研究成果和經(jīng)驗(yàn)方面相對(duì)不足。隨著科學(xué)技術(shù)的更新和國(guó)內(nèi)需求的增加，國(guó)內(nèi)部分高校和科研機(jī)構(gòu)如上海交通大學(xué)、電子科技大學(xué)以及中科院合肥研究所等，正在加大對(duì)其研究，且取得一系列研究成果[3]。

在研究下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人如何輔助下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者行走過(guò)程中，人因工程是十分重要的環(huán)節(jié)，良好的人因工程設(shè)計(jì)可以提升產(chǎn)品的工作效率，提升患者的舒適度和心理接受能力。本文從文獻(xiàn)綜述的角度對(duì)國(guó)內(nèi)外下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀、人因工程研究進(jìn)展、人機(jī)協(xié)作安全問(wèn)題等進(jìn)行梳理，并闡述其目前面臨的挑戰(zhàn)及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

全球第一個(gè)下肢外骨骼機(jī)器人是由俄羅斯YAGNN[4]于1890年研制的，該機(jī)器人可有效提高使用者的下肢運(yùn)動(dòng)能力[5]，從而帶動(dòng)各國(guó)對(duì)其研究的熱潮，并積極地推動(dòng)了下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人后續(xù)的發(fā)展，此后越來(lái)越多的國(guó)家和科學(xué)家投入到康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人的研究中。

1935年，美國(guó)研發(fā)出Wind-up機(jī)器人應(yīng)用于協(xié)助下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者行走[6]。1970年初，南斯拉夫研制出下肢外骨骼機(jī)器人，該裝置采用氣動(dòng)作為動(dòng)力源，對(duì)此后的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[7]。

2001年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了“Exo-skeletons for Human Performance Augmentation”(增強(qiáng)人體機(jī)能外骨骼)項(xiàng)目[8]，極大地推動(dòng)了外骨骼機(jī)器人在醫(yī)療康復(fù)方面的發(fā)展。

Lokomat康復(fù)機(jī)器人是第一臺(tái)懸掛式下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人并搭載全自動(dòng)步態(tài)評(píng)估訓(xùn)練系統(tǒng)(圖1(a))，其特點(diǎn)是適用年齡廣、適用人群多[9]。該康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要作用于下肢的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)主要是滾珠絲杠，單腿自由度個(gè)數(shù)為2個(gè)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力主要靠其傳遞，進(jìn)而完成髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在矢狀面上的運(yùn)動(dòng)[10]。荷蘭研發(fā)的Lopes康復(fù)機(jī)器人所使用的控制器為阻抗控制器，可控制外骨骼穿戴設(shè)備與下肢同步運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置的反向驅(qū)動(dòng)通過(guò)串聯(lián)彈性致動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并可實(shí)現(xiàn)步態(tài)恢復(fù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)功能評(píng)估和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)康復(fù)狀態(tài)功能[11]。美國(guó)研發(fā)了ALEXⅠ機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)信號(hào)是借助機(jī)械裝置中的非線性濾波器傳遞的，并引導(dǎo)用戶按照外骨骼機(jī)械裝置的預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)[12]。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)技術(shù)，其視覺(jué)反饋優(yōu)勢(shì)明顯[13]。

HAL外骨骼機(jī)器人由日本筑波大學(xué)于2001年研制成功，可為佩戴者提供步態(tài)訓(xùn)練和下肢質(zhì)量支持，輔助患者實(shí)現(xiàn)行走功能(圖1(b))[14]。經(jīng)過(guò)研究人員不斷開(kāi)發(fā)新技術(shù)[15]，配合上肢機(jī)械外骨骼的使用，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)更精簡(jiǎn)、質(zhì)量更輕便、續(xù)航時(shí)間更持久[5]。

圖1 Lokomat機(jī)器人和HAL機(jī)器人

((a) Lokomat robot[9]; (b) HAL robot[14])

ReWalk機(jī)器人適用人群主要是因脊髓損傷而導(dǎo)致下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能受損的患者[16]，由電池供電，關(guān)節(jié)傳遞的運(yùn)動(dòng)信號(hào)可由傾斜傳感器感應(yīng)并傳遞，從而輔助患者行走[17]。

WalkTrainer機(jī)器人是由法國(guó)洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)設(shè)計(jì)的，驅(qū)動(dòng)下肢運(yùn)動(dòng)的力可以借助該裝置采集到的肌電信號(hào)計(jì)算。腿部相應(yīng)肌肉可由電極刺激傳遞相關(guān)信號(hào)，動(dòng)力來(lái)自機(jī)器人的線性制動(dòng)器，并可由曲柄機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力，輔助下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能[18]。

MOLTENI等[19]認(rèn)為，康復(fù)機(jī)器人可以對(duì)患者產(chǎn)生復(fù)雜可控的多感覺(jué)刺激，應(yīng)該從機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、復(fù)雜性和特異性來(lái)判斷機(jī)器人治療的功效和效率。HAMZA等[20]提出動(dòng)靜平衡、防止跌落、確?？刂破鞯姆€(wěn)定性等對(duì)用戶安全至關(guān)重要，并通過(guò)相關(guān)研究驗(yàn)證。

1.2 國(guó)內(nèi)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比在該方面研究起步時(shí)間較晚。

2014年，上海交通大學(xué)研制出一款下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，很好地融合了表面肌電信號(hào)與交互力，功能更完善，性能也得到更大提高[21]。2016年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)了HIT-LEX機(jī)器人[22]。

2018年，北京大艾機(jī)器人科技有限公司研制出了Ailegs機(jī)器人。該裝置的動(dòng)力來(lái)源為電動(dòng)機(jī)，髖、膝關(guān)節(jié)的動(dòng)力也來(lái)自于電動(dòng)機(jī)，可與拐杖配合使用，保證使用者的安全，提高產(chǎn)品的安全系數(shù)，并盡量不改變使用者的步行習(xí)慣，提高產(chǎn)品的適用性，并配合患者康復(fù)(圖2(a))[23]。該機(jī)器人各部位可根據(jù)使用者自身情況自由調(diào)節(jié)，并輔助適應(yīng)因各種問(wèn)題產(chǎn)生的下肢障礙，滿足使用者各自目的[5]。

2017年，上海傅利葉智能科技有限公司研制出FourierX1機(jī)器人，可以提高用戶使用時(shí)的安全性，感知周圍環(huán)境。2019年，該企業(yè)研制出第二代康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品FourierX2，該裝置在第一代的基礎(chǔ)上又增加了許多功能，提高產(chǎn)品的適用性(圖2(b))[24]。

圖2 Ailegs機(jī)器人和FourierX2機(jī)器人

((a) Ailegs robot[23]; (b) FourierX2 robot[24])

2019年，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究所研發(fā)出Auto-LEE，該裝置自由度個(gè)數(shù)為10，各個(gè)部位可獨(dú)自運(yùn)動(dòng)，共同輔助人體行走，保證安全，不需借助其他裝置協(xié)助，這與傳統(tǒng)外骨骼大不相同[25]。

由人口老齡化導(dǎo)致的下肢病患問(wèn)題是各國(guó)共同面對(duì)的問(wèn)題，為了更好地提升老年人下肢康復(fù)效果、康復(fù)效率和舒適度，國(guó)外一直在下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域開(kāi)展探索性研究，取得一定成果，并不斷投入醫(yī)療市場(chǎng)。中國(guó)雖然步入該領(lǐng)域時(shí)間不長(zhǎng)，但是高校、企業(yè)和科研院所等都在積極開(kāi)展基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，力圖打造舒適度高、人機(jī)協(xié)作安全程度高、續(xù)航時(shí)間久、質(zhì)量輕，適合中國(guó)老年群體的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人。

2 下肢康復(fù)機(jī)器人分類

人體的運(yùn)動(dòng)是依靠關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)均影響著人體的下肢運(yùn)動(dòng)[10]，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍見(jiàn)表1。

表1 人體下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍[26]

按照關(guān)節(jié)作用部位、力傳動(dòng)方式和自由度的不同，下肢康復(fù)機(jī)器人可分類如下：按照關(guān)節(jié)作用部位的不同，可分為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)下肢康復(fù)機(jī)器人以及多關(guān)節(jié)結(jié)合下肢康復(fù)機(jī)器人；按照力傳動(dòng)方式的不同，可分為齒輪傳動(dòng)、鮑登線傳動(dòng)和絲杠螺母下肢康復(fù)機(jī)器人以及多種傳動(dòng)方式組合的下肢康復(fù)機(jī)器人；按照自由度的不同，下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人可分為單側(cè)自由度為1～7的機(jī)器人。驅(qū)動(dòng)方式的改進(jìn)有助于改善患者的康復(fù)效果，并且影響整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制策略和功能等[10]。

3 人因工程設(shè)計(jì)研究

3.1 人因工程學(xué)內(nèi)涵

人因工程的研究重點(diǎn)是提高使用者在使用產(chǎn)品時(shí)的舒適性和滿意度，讓使用者在使用產(chǎn)品時(shí)能夠得心應(yīng)手，提高使用效率[27]。人因工程學(xué)在二戰(zhàn)中迅速發(fā)展，人因工程學(xué)在儀表盤等的應(yīng)用，在很大程度上減少了駕駛員的傷亡。安全有效的人因系統(tǒng)架構(gòu)是提升使用效率、使用安全以及設(shè)計(jì)體驗(yàn)的重要保證。

用戶在使用下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的過(guò)程中，與周圍環(huán)境共同構(gòu)成了完整的“人-機(jī)器人-環(huán)境”復(fù)雜人因系統(tǒng)。在其設(shè)計(jì)過(guò)程中，人機(jī)交互關(guān)系顯得尤為重要，從“人”方面需要充分考慮到人體的基本素質(zhì)、心理生理特點(diǎn)；從“機(jī)器人”方面需要充分考慮到性能、相關(guān)參數(shù)等；在“環(huán)境”方面需要充分考慮到環(huán)境的作業(yè)特征。充分考慮到人與機(jī)器人的動(dòng)作分析、穩(wěn)定性、適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)軌跡，并結(jié)合周圍環(huán)境進(jìn)行綜合分析[28]。因此，人因工程研究對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人人因系統(tǒng)至關(guān)重要，且對(duì)其整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等有較大影響。目前，各國(guó)都非常注重人因工程在下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用，在設(shè)計(jì)中考慮到用戶人體的尺寸、生理和心理特性，以人為中心，提高產(chǎn)品的舒適度和人機(jī)協(xié)作關(guān)系。

3.2 下肢康復(fù)機(jī)器人人因工程研究?jī)?nèi)容

面向下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的人因工程，從人的需求出發(fā)，系統(tǒng)梳理該裝置中人因工程的研究?jī)?nèi)容，論述國(guó)內(nèi)外在其領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和不足之處。以下肢外骨骼機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、人因工程等為關(guān)鍵詞搜索到二百余篇來(lái)自國(guó)內(nèi)外期刊的文獻(xiàn)，并通過(guò)SATI軟件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)步態(tài)規(guī)劃、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是研究熱點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 分析研究熱點(diǎn)

3.2.1 步態(tài)分析

人類的行走是周期性過(guò)程，配合雙腿交叉搖擺前進(jìn)，其是通過(guò)肢體協(xié)調(diào)配合運(yùn)動(dòng)并前進(jìn)，步行、跑步等均屬于步態(tài)。全球的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式主要為2種，①用戶提前設(shè)定裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡；②機(jī)器人通過(guò)實(shí)時(shí)提取分析用戶的需求，配合人行走[29]。只有深入分析步態(tài)行為，才能設(shè)計(jì)出符合人機(jī)工程學(xué)的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人。步態(tài)分析在人機(jī)工程學(xué)的研究中占據(jù)重要地位，通過(guò)對(duì)人的步態(tài)行為分析，人的尺寸分析，可以設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的合適尺寸和角度。

2015年，香港中文大學(xué)研制出機(jī)器人CUHK-EXO，該裝置的驅(qū)動(dòng)來(lái)源為電動(dòng)機(jī)，髖、膝關(guān)節(jié)的動(dòng)力也來(lái)自于電動(dòng)機(jī)，并可與外部裝置如拐杖配合使用，幫助使用者實(shí)現(xiàn)行走等功能。該裝置可對(duì)使用者的行走數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而更好地提高人機(jī)協(xié)作能力[30]。該款機(jī)器人有良好的人機(jī)協(xié)作能力，可以輔助使用者進(jìn)行穩(wěn)步行走，減少運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的障礙，人機(jī)工程學(xué)在其中得到很好的應(yīng)用。由荷蘭的特溫特大學(xué)研制出的MindWalker機(jī)器人，可幫助使用者以0.8 m/s實(shí)現(xiàn)行走等功能[31]。該裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)控人體行走狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整機(jī)器人作業(yè)姿勢(shì)，并配合相關(guān)檢測(cè)及時(shí)修正[5]。通過(guò)精確的步態(tài)分析，能夠極大提高產(chǎn)品的舒適性和工作效率，保證人機(jī)關(guān)系的協(xié)調(diào)和安全性，步態(tài)分析是人機(jī)工程研究領(lǐng)域不可缺少的組成部分。

3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要考慮人因工程學(xué)。傳統(tǒng)的人因工程學(xué)涵蓋人體解剖學(xué)、測(cè)量學(xué)、生理學(xué)和生物力學(xué)等[32]。在下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，人因工程學(xué)主要包括各關(guān)節(jié)自由度分析，人使用時(shí)的安全及心理生理反應(yīng)，有良好人機(jī)關(guān)系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)健康檢測(cè)等。

為了提高使用者舒適性和人機(jī)協(xié)作關(guān)系，機(jī)器人應(yīng)該充分考慮到人體關(guān)節(jié)的特征。通過(guò)對(duì)人體進(jìn)行步態(tài)分析，得到下肢運(yùn)動(dòng)時(shí)的關(guān)鍵部位是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)，并將1～2個(gè)自由度分給髖關(guān)節(jié)，僅將1個(gè)自由度分給膝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)使用球鉸結(jié)構(gòu)，有3個(gè)自由度[33]。

文獻(xiàn)[33]采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)髖關(guān)節(jié)，能夠輔助用戶完成行走等功能。文獻(xiàn)[34]設(shè)計(jì)的機(jī)器人髖關(guān)節(jié)自由度個(gè)數(shù)為2，膝關(guān)節(jié)自由度個(gè)數(shù)為1，踝關(guān)節(jié)自由度個(gè)數(shù)為3。該款機(jī)器人可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓的松緊來(lái)調(diào)節(jié)適合使用者的寬度和長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)節(jié)。

3.2.3 人機(jī)關(guān)系

在研究下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人人因工程過(guò)程中，人機(jī)關(guān)系是必須要考慮的內(nèi)容，良好的人機(jī)關(guān)系是該機(jī)器人成功的關(guān)鍵。在各國(guó)的研究中，如何處理人機(jī)關(guān)系，提高用戶安全性和使用效率一直是研究重點(diǎn)。

人機(jī)關(guān)系中最基本的關(guān)系就是共存關(guān)系[35]，即人與機(jī)器人之間互相依存、單獨(dú)存在，可共同執(zhí)行相同的任務(wù)，彼此之間互相協(xié)作。在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了另外一種關(guān)系——交互關(guān)系。交互關(guān)系也是人機(jī)關(guān)系中重要的組成部分，交互關(guān)系與共存關(guān)系最根本的區(qū)別在于具有交互關(guān)系的人和機(jī)器之間可以互相“理解”彼此意圖，有交流溝通的環(huán)節(jié)，不再是單獨(dú)執(zhí)行任務(wù)。人機(jī)關(guān)系中還有合作關(guān)系，即人與機(jī)器為了完成同一目標(biāo)，互相幫助，也有溝通的環(huán)節(jié)[32]。

在這里，裝置與人之間是直接物理接觸，并執(zhí)行行走這一相同的任務(wù)。人和下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人既是交互關(guān)系也是協(xié)作關(guān)系。通過(guò)對(duì)人的步態(tài)行為分析，機(jī)器可以順利地輔助使用者實(shí)現(xiàn)行走的功能，和諧共生是人機(jī)關(guān)系的發(fā)展方向。

3.2.4 人機(jī)交互安全性問(wèn)題

人機(jī)交互的安全性問(wèn)題是人因工程要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。最好的人機(jī)關(guān)系不是靠外部裝置或外力來(lái)保證使用者的安全，而是在人與機(jī)器人共同工作的過(guò)程中，機(jī)器人產(chǎn)生的一種本能的反應(yīng)，能夠提前預(yù)判或及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，及時(shí)發(fā)出警告或立即采取保護(hù)措施[36]。在評(píng)估人機(jī)交互安全性的問(wèn)題上，HORVáTH和ERD?S[37]建議使用仿真手段。人機(jī)交互安全性問(wèn)題是急需解決的難題。例如一些下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，還需要借助拐杖等外部裝置維持用戶行走時(shí)身體的平衡，可能會(huì)在用戶進(jìn)行上肢操作時(shí)，產(chǎn)生安全問(wèn)題[32]。

有些機(jī)器人還可以配合輪椅使用，安全性得到很大程度上的提高。某些裝置還可以及時(shí)上傳并分析使用者的生理、心理等數(shù)據(jù)[38]。信息的迅速準(zhǔn)確傳遞還可以及時(shí)預(yù)防或發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。如，當(dāng)機(jī)器人感受到使用者有摔倒趨勢(shì)或步態(tài)角度異常，會(huì)及時(shí)報(bào)警并保護(hù)使用者。

從以上對(duì)人機(jī)關(guān)系的分析可以看出，下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人人機(jī)一體化趨勢(shì)明顯，其首要任務(wù)仍然是保障人的安全，提升人機(jī)交互的安全性[36]。由于該機(jī)器人面臨的人群主要是下肢運(yùn)動(dòng)障礙的老齡群體，所以在其設(shè)計(jì)過(guò)程中要預(yù)防產(chǎn)品出錯(cuò)，給使用者帶來(lái)二次創(chuàng)傷。這就要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮到人體各部位尺寸，神經(jīng)敏感度以及機(jī)器如何在出現(xiàn)危險(xiǎn)和故障時(shí)能首先保證使用者的安全?？紤]到老年人面臨的生理變化，如感知能力下降、神經(jīng)功能衰退、認(rèn)知能力退化等，以及心理上的變化如安全感降低、孤獨(dú)感增強(qiáng)、適應(yīng)性變差等，從色彩上的選擇到機(jī)構(gòu)的建立都要慎重選擇，考慮到老年人的審美和實(shí)際需求，盡量減少操作步驟，延長(zhǎng)機(jī)器人的使用壽命。在滿足使用功能的前提下如何提高產(chǎn)品舒適度，提高工作效率，完善良好的人機(jī)關(guān)系，簡(jiǎn)化操作方式，是一直要面對(duì)和突破的問(wèn)題。機(jī)器人的步態(tài)分析、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、人機(jī)關(guān)系分析等是該裝置的研究重點(diǎn)和突破點(diǎn)，各國(guó)在人因工程方面都投入了很大的人力和財(cái)力，都在積極利用人因工程學(xué)技術(shù)提高下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人使用效率和交互安全性，改善人機(jī)關(guān)系，逐漸由“以技術(shù)為中心”轉(zhuǎn)變成“以人為中心”。

4 挑戰(zhàn)與展望

國(guó)內(nèi)外在下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究方面都還存在著一些問(wèn)題，尤其中國(guó)在下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究時(shí)間相對(duì)國(guó)外晚，人因工程學(xué)在國(guó)內(nèi)發(fā)展也不夠成熟，因此，有必要分析下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人人因工程方面的不足和挑戰(zhàn)，并據(jù)此提出一些發(fā)展建議。

4.1 挑 戰(zhàn)

國(guó)外在下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人人因工程方面所面臨的挑戰(zhàn)主要是能否增強(qiáng)人與下肢機(jī)器人的人機(jī)協(xié)作能力及使用者的心理適應(yīng)能力。

國(guó)內(nèi)在下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人人因工程方面所面臨的挑戰(zhàn)主要是學(xué)科建設(shè)、科學(xué)研究和社會(huì)接受度等方面。

人因工程學(xué)引入國(guó)內(nèi)時(shí)間不長(zhǎng)，在知識(shí)儲(chǔ)備和影響力方面還存在諸多不足。高等工程教育階段對(duì)本學(xué)科的基礎(chǔ)理論知識(shí)的培養(yǎng)重視程度不高，且很多企業(yè)在研發(fā)過(guò)程中，只注重產(chǎn)品的功能性，很少考慮到“人”的因素，導(dǎo)致人機(jī)關(guān)系協(xié)調(diào)性差，使用者體驗(yàn)感較差，產(chǎn)品的工作效率也大大折扣。

“人”是下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的研究核心，而人本身就是一個(gè)復(fù)雜的研究對(duì)象，在生理、心理等方面存在大量復(fù)雜問(wèn)題和不確定性。尤其是心理方面，人的心理非常復(fù)雜，很難通過(guò)數(shù)學(xué)模型或程序分析，這對(duì)人因工程也提出了挑戰(zhàn)，需要更加細(xì)致地進(jìn)行分析，提高人機(jī)協(xié)作能力[32]。

該裝置能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，保證人的安全，降低使用者的心理負(fù)擔(dān)，順利完成輔助行走功能，準(zhǔn)確充分理解使用者的感受等都是能否被大眾所接受的關(guān)鍵。大眾對(duì)機(jī)器人的信賴程度還有待提高，尤其是老齡人群，在思想上能否從傳統(tǒng)的人工康復(fù)向機(jī)器人康復(fù)轉(zhuǎn)變，也是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

4.2 展 望

根據(jù)上述挑戰(zhàn)，綜合下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用發(fā)展情況，提出如下建議。

(1) 加強(qiáng)對(duì)人因工程學(xué)方面的研究與普及。國(guó)家要將人因工程學(xué)列為重點(diǎn)發(fā)展的學(xué)科內(nèi)容，凸顯人因工程學(xué)在相應(yīng)課程體系的重要性。同時(shí)，鼓勵(lì)高校和科研部門，加強(qiáng)對(duì)人因工程學(xué)方面的研究，讓人因工程學(xué)的理念應(yīng)用到機(jī)器人等的智能裝備設(shè)計(jì)與制造中去，推動(dòng)人因工程學(xué)在機(jī)器人等領(lǐng)域的發(fā)展與延伸。

(2) 構(gòu)建下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)中的信息反饋環(huán)節(jié)，建立人體信息分析數(shù)據(jù)庫(kù)，及時(shí)分析使用者生理和心理數(shù)據(jù)，包括感知能力，認(rèn)知能力，運(yùn)動(dòng)機(jī)能衰退，心理適應(yīng)性變差等，及時(shí)調(diào)整機(jī)器人的下一步操作，預(yù)防和發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，保證使用者的安全。

(3) 加強(qiáng)在社會(huì)中宣傳康復(fù)機(jī)器人較傳統(tǒng)康復(fù)手段的優(yōu)點(diǎn)，解答大眾對(duì)康復(fù)機(jī)器人的疑問(wèn)與憂慮，從心理上減輕使用者負(fù)擔(dān)。同時(shí)，各國(guó)要加強(qiáng)合作，充分利用現(xiàn)有技術(shù)，改善人機(jī)關(guān)系，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品舒適度，增強(qiáng)產(chǎn)品耐久性，輕便性。加強(qiáng)該裝置的模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的康復(fù)功能，可分析不同患者的需求采用不同康復(fù)方法的針對(duì)性訓(xùn)練。

5 結(jié) 論

通過(guò)以上的研究與分析，更加明確人因工程在其研究與應(yīng)用中的重要性。未來(lái)的下肢康復(fù)機(jī)器人會(huì)向著智能化、人性化方向發(fā)展，舒適度、安全性、滿意度等會(huì)得到提高，用戶也會(huì)更加愿意借助該設(shè)備輔助行走，可以很大程度上提高老齡群體的康復(fù)效果。

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Progress in the research of exogenic lower limb rehabilitation robot

WANG Qiu-hui, YAO Jing-yi

(School of Mechanical Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China)

Lower limb exoskeleton rehabilitation robot is a kind of intelligent equipment providings rehabilitation exercise for the patients with lower limb dyskinesia or impaired mobility. Its development is of great theoretical significance and practical application value for the rehabilitation in China. Human factors engineering research can effectively improve the safety and efficiency of human-computer interaction of lower limb rehabilitation robot HRI. The research progress of human factors engineering of lower limb exoskeleton rehabilitation robot at home and abroad was deeply explored, and its research status and development trend were summarized. The related literatures was analyzed by literature retrieval method. It was found that HRI, gait behavior, structure design and safety issues are the research hotspots in the field of human factors engineering. Starting from human factors, this paper systematically reviewed the research progress and development trend of human factors engineering of lower limb exoskeleton rehabilitation robot at home and abroad, and presented the challenges, research focus and future development trend in the field of human factors engineering of lower limb exoskeleton rehabilitation robot in China.

lower limb exoskeleton robot; rehabilitation robot; human factors engineering; the human-robot interaction; research and application progress

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2021050712

A

2095-302X(2021)05-0712-07

2021-01-08；

2021-02-17

8 January，2021；

17 February，2021

王秋惠(1969-)，女，山東濰坊人，教授，博士。主要研究方向?yàn)橹悄苋艘驅(qū)W、設(shè)計(jì)人因?qū)W、機(jī)器人HRE人因工程及機(jī)器人HRI人機(jī)界面設(shè)計(jì)。E-mail：wangqiuhui@126.com

WANG Qiu-hui (1969-), female, professor, Ph.D. Her main research interests cover smart robot ergonomics, ergonomics in design, robot HRE human factors engineering and robot HRI human-machine interface design, etc. E-mail：wangqiuhui@126.com