下肢外骨骼康復(fù)機器人的研究進展及發(fā)展趨勢

韓稷鈺，王衍鴻，萬大千

同濟大學附屬同濟醫(yī)院骨關(guān)節(jié)科，上海 200065

近年來，世界人口老齡化問題日益嚴重，運動系統(tǒng)損傷、腦血管疾病以及脊髓損傷等疾病造成的患者下肢運動功能障礙的情況大幅增加。下肢運動功能障礙會嚴重影響該類患者的生活質(zhì)量，因此安全且高效地恢復(fù)運動功能是目前面臨的至關(guān)重要的問題［1］。失去行動能力的患者絕大部分局限于久坐甚至臥床的生活方式。而缺乏運動會增加心血管并發(fā)癥、呼吸系統(tǒng)并發(fā)癥、胃腸和膀胱功能障礙、肌肉萎縮、肥胖、骨質(zhì)疏松和壓瘡等次級健康風險，進而會降低患者的預(yù)期壽命［2-6］。因此，下肢運動功能障礙患者的康復(fù)訓(xùn)練是非常值得重視的問題。

下肢外骨骼機器人一般指可穿戴的機器人，是一種涵蓋了生物力學、機械學、材料學、機器人學、仿生學、計算機學等諸多技術(shù)的綜合體［7］。其最早在軍事領(lǐng)域為了滿足提高作戰(zhàn)能力，增強士兵防護水平，減少能量消耗等需求而研發(fā)出來［8］。隨著科技的發(fā)展和社會老齡化問題的凸顯，可穿戴下肢外骨骼機器人逐漸應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)學領(lǐng)域。目前，下肢外骨骼機器人主要針對患者的康復(fù)訓(xùn)練，可以協(xié)助患者的日?；顒?、功能和步態(tài)的訓(xùn)練等。其結(jié)構(gòu)設(shè)計從人體仿生角度出發(fā)，不僅為穿戴者提供保護、支撐、助力等作用，還兼具重量輕、體積小、穿戴便攜等優(yōu)點［9-11］。

本文結(jié)合國內(nèi)外文獻，對下肢外骨骼康復(fù)機器人的關(guān)鍵技術(shù)和臨床應(yīng)用的國內(nèi)外現(xiàn)狀進行綜述，以期為該領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 下肢外骨骼康復(fù)機器人關(guān)鍵技術(shù)

可穿戴下肢外骨骼機器人所涵蓋的學科包括材料學、機器人學、生物力學、人體工程學、計算機學、仿生學等。其還涉及了傳感器技術(shù)、控制理論技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、人機交互技術(shù)、信息處理分析技術(shù)、人工智能技術(shù)等高新技術(shù)，是一個多學科交叉的高精尖的技術(shù)產(chǎn)品。目前，通過國內(nèi)外大量研究成果可以看出，其研發(fā)生產(chǎn)過程中主要包括以下幾個關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)與人機交互系統(tǒng)相輔相成，要想達成人機交互的前提是迅速、精確地識別、分析、處理人體的運動意圖，然后傳達到控制系統(tǒng)，進一步通過驅(qū)動系統(tǒng)使外骨骼機器人完成對應(yīng)動作。感知系統(tǒng)包括壓力傳感器、角度傳感器、肌電傳感器等等。下肢外骨骼康復(fù)機器人主要是通過各類傳感器收集使用者關(guān)節(jié)處的運動、步態(tài)信息，分析出一段時間內(nèi)關(guān)節(jié)的運動變化規(guī)律，再重新運用到外骨骼對應(yīng)的關(guān)節(jié)上，完成使用者個性化的關(guān)節(jié)運動和步態(tài)訓(xùn)練計劃。下肢外骨骼康復(fù)機器人為了能夠更精確地識別人體運動意圖，僅靠一個或一類傳感器是不能滿足需求的。多模態(tài)信號感知系統(tǒng)是目前的研究熱點，能夠?qū)⒏惺芷鹘邮艿亩喾N信號綜合編輯傳達運動信息，使控制系統(tǒng)能夠精確判斷使用者的運動模式，進一步給予最安全、及時、合適的決策。王海蓮［12］提出了3 種感知方法的混合控制策略：①腦電信號超前識別動作方向。②表面肌電信號識別下肢動作模式。③光纖動作捕捉技術(shù)實施反饋位置和姿態(tài)，最終綜合后應(yīng)用于外骨骼系統(tǒng)。感知系統(tǒng)對使用者的運動完成實時準確的識別，是確保高精度、高流暢度的切換運動模式的前提，在此基礎(chǔ)上輔助下肢運動障礙的患者更好地實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練。

1.2 控制系統(tǒng)

可穿戴機器人的控制系統(tǒng)主要是負責制定決策，決定外骨骼機器人的性能和功能。外骨骼的控制類型可以分為基于位置的控制、基于力信息的人機交互控制、基于生物電信號的人機交互控制和智能控制［13］。當外部信息和使用者步態(tài)信息給予機器的反饋復(fù)雜難辨時，控制系統(tǒng)需要做出決策。外骨骼機器人在康復(fù)訓(xùn)練應(yīng)用時，對于控制系統(tǒng)的要求有：準確性、及時性、實時性、個性化。設(shè)計控制系統(tǒng)的原則首先要對使用者生理和運動信息響應(yīng)迅速、降低成本和復(fù)雜程度、降低行走干涉、簡化控制策略、降低人體行走代謝［14］。通過對外骨骼康復(fù)機器人的精確控制，不僅可以提高訓(xùn)練效果，而且可以避免出現(xiàn)對使用者的二次傷害。

1.3 驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)是外骨骼機器人的核心動力，根據(jù)驅(qū)動方式不同可以分為電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動［15］。目前研究最廣泛的仍是電機驅(qū)動，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、扭矩大、不需要能量轉(zhuǎn)化、控制相對靈活等。最嚴重的缺點是體積大、質(zhì)量大、整體較笨重。液壓驅(qū)動是將油壓泵產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能以提供動力。液壓驅(qū)動的優(yōu)點包括慣性小、反應(yīng)速度快、可靠性高、功率密度大、傳動穩(wěn)定等。但是由于其成本高、噪聲大、污染環(huán)境、傳動效率相對較差等缺點，國內(nèi)外對其研究相對較少。與前兩者相比，氣壓驅(qū)動的原理是壓縮氣源所產(chǎn)生的空氣來提供動力。氣動驅(qū)動的優(yōu)勢在于體積小、質(zhì)量小、成本低、柔順特性好、結(jié)構(gòu)簡單、易于操作。氣壓驅(qū)動的下肢外骨骼康復(fù)機器人能夠給穿戴者提供高效率、低能耗、低成本的康復(fù)訓(xùn)練。其缺點主要是動力小，控制不穩(wěn)定。盡管氣壓驅(qū)動應(yīng)用到實際中產(chǎn)品相對較少，但在下肢外骨骼機器人未來發(fā)展中具有巨大潛力。

1.4 人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)是一個雙向通信系統(tǒng)，用來將使用者預(yù)定的運動信息傳輸?shù)酵夤趋擂D(zhuǎn)化為動力進行運動，與此同時也將外骨骼的動力運動信息反饋給使用者，主要分為2 大類。第1 類是運動學信息感知與交互，主要感知使用者與外骨骼機器人之間的交互信息。外骨骼康復(fù)機器人一般通過多種傳感器來反映出使用者即時的關(guān)節(jié)角度、角速度、人機交互力、運動加速度和步態(tài)模式等信息，可以保證其穩(wěn)定性、安全性和連續(xù)性。第2 類是人體的生理信息感知與交互，主要是通過腦電信號和肌電信號［16］。腦電信號是通過腦-機接口將頭皮腦電位（electroencephalogram，EEG）進行傳遞［17］，其優(yōu)點在于實用性好、信號傳輸快、應(yīng)用廣泛、便攜性好等。肌電信號是人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)支配的神經(jīng)肌肉的動作電位，其先于骨骼肌收縮發(fā)生，可以比運動信息更快感知到使用者運動意圖［18］。表 面 肌 電 信 號（surface electromyogram，sEMG）通常是利用粘貼于皮膚表面的貼片電極進行檢測，判斷肌肉的活動，識別下肢運動模式并進一步控制外骨骼適應(yīng)并糾正肢體的運動［19］。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，交互的方式變得更加高級且簡單?？梢酝ㄟ^簡單的手勢、直接通過語言甚至腦電信號與機器進行交互。這些智能化、人性化的交互方式本質(zhì)上都是為了確保使用者與外骨骼機器人的高度契合，保持協(xié)調(diào)一致，最終達到理想的康復(fù)效果。

1.5 能源系統(tǒng)

無論下肢外骨骼機器人的研發(fā)融入了何種新技術(shù)，能源問題都是不可避免要面對的重要問題。作為康復(fù)領(lǐng)域研究熱點的可穿戴下肢外骨骼康復(fù)機器人，其能源的容量大、續(xù)航時間長是核心，其次還應(yīng)該具有便攜、環(huán)保、可持續(xù)利用等特性。目前下肢外骨骼機器人最廣泛應(yīng)用的能源動力系統(tǒng)是電池-電動機驅(qū)動系統(tǒng)。常用的電池類型一般為蓄電池、可充電鋰電池或燃料電池等。但是電池的體積、質(zhì)量、容量和效率等限制是其目前不可避免的缺點［20］。所以在能源問題上，可以從3 個角度考量：①在電池特性方面，設(shè)計出輕便、續(xù)航時間長且安全性高的電池。②可以考慮引入新的能源技術(shù)，如太陽能。③降低外骨骼使用的功耗并設(shè)計出可循環(huán)持續(xù)利用的能源系統(tǒng)等［21］。

2 臨床應(yīng)用

2.1 國外現(xiàn)狀

國外對外骨骼機器人的研發(fā)相對較早，最早可追溯到1890 年Yagn 設(shè)計的Assisted-walking Device。隨著科技的進步，外骨骼機器人技術(shù)逐漸成熟，從實驗階段到商業(yè)產(chǎn)品化，逐漸代替了傳統(tǒng)康復(fù)器材。下面概述不同國家的外骨骼機器的進展。

美國Parker Hannifin 公司研發(fā)的可穿戴機器人［22］在2016 年獲得FDA 批準，自質(zhì)量為12 kg，續(xù)航時間為1 h，可以幫助下肢功能障礙的患者進行中后期康復(fù)。其可以通過傳感器檢測患者的平衡狀態(tài)來控制體位變化，使外骨骼跟隨人體運動。多種模式不僅可以實現(xiàn)坐、立、走的切換，還可以改變行走時的步長、步速和步態(tài)［23-25］。美國Ekso Bionics 公司研發(fā)的Ekso GTTM外骨骼機器人，自質(zhì)量為23 kg，續(xù)航時間為24 h，可以根據(jù)穿戴者的需求不同，為患者設(shè)置個體化且自然的步態(tài)。該類機器人主要側(cè)重腦卒中和脊髓損傷等重癥患者康復(fù)治療［26］。美國加州SuitX公司也研發(fā)出可穿戴下肢外骨骼機器人Phoenix［27］，自質(zhì)量為12.5 kg，續(xù)航時間為4～8 h；其采用了模塊化的設(shè)計方案，從髖、膝、腳3 個部位設(shè)計了對應(yīng)的模塊，穿脫和組裝均更方便，同時也可以單獨或自由組裝使用［28］。美國哈佛大學先后研發(fā)并更新了3 代柔性下肢可穿戴外骨骼機器人Soft Exosuit［29］：第1 代選擇氣驅(qū)動，是通過氣動肌肉輔助關(guān)節(jié)扭矩產(chǎn)生助力；第2 代則采用柔性紡織材料，無需主動驅(qū)動也可提供輔助力矩；第3 代采用柔性紡織帶連接和繩-滑輪驅(qū)動方式進行助力，主要能夠改善“足下垂”［30］。

日本Cyberdyne公司研發(fā)的HAL機器人，自質(zhì)量為23 kg，續(xù)航時間為160 min，于2013 年獲全球安全認證后進行批量產(chǎn)出［31］。HAL 具有生物意識控制和自主意識控制2 個系統(tǒng)。其中，生物意識控制系統(tǒng)通過采集使用者的肌電信號來判斷穿戴者的意圖，進一步控制外骨骼的運動；自主控制系統(tǒng)是通過系統(tǒng)所存儲的模型來完成同時記憶助力運動［32］。KADONE等［33］評估了HAL機器人在壓迫性脊髓病而導(dǎo)致的步態(tài)障礙患者的應(yīng)用效果；患者完成HAL 訓(xùn)練階段后，步態(tài)得到改善，恢復(fù)接近正常的關(guān)節(jié)輪廓，關(guān)節(jié)活動范圍更大，行走速度更快，步長更大。日本藤田保衛(wèi)大學設(shè)計研發(fā)了Wearable Power Assist Locomotor（WPAL），其特點在于外骨骼內(nèi)側(cè)有滑輪軌道，外側(cè)有人機接口，可以連接輪椅并在輪椅上使用［34］。

以色列ReWalk Robotics 公司研發(fā)的ReWalk 外骨骼機器人，是第1 批用于醫(yī)療的外骨骼機器人［35］。其可以通過計算機控制系統(tǒng)和傳感技術(shù)判斷使用者的行動意圖，進一步控制外骨骼機器人做出調(diào)整，使其與人體協(xié)調(diào)，完成康復(fù)訓(xùn)練［36］。AWAD 教授等［37］將該外骨骼機器人應(yīng)用于44 名患有中風后偏癱的患者。結(jié)果表明，在有執(zhí)照的物理治療師的指導(dǎo)下使用時，ReStoreTM軟式外裝護具可安全可靠地用于中風后步態(tài)康復(fù)期。當患者在跑步機和地上行走時，該類外骨骼機器人能夠為麻痹性踝關(guān)節(jié)的患者完成跖屈和背屈提供有針對性的幫助。

荷蘭特溫特大學研發(fā)了MindWalker 可穿戴外骨骼機器人，質(zhì)量達28 kg，但可以輔助支撐截癱患者完成行走，提高適應(yīng)性和舒適性［38］。西班牙Technaid 公司研發(fā)出Exo-H3 外骨骼機器人，自質(zhì)量僅14 kg，框架靈活，驅(qū)動電動機小巧［39］。其主要通過儲存步態(tài)數(shù)據(jù)來驅(qū)動關(guān)節(jié)活動。該產(chǎn)品具有無線網(wǎng)絡(luò)連接（wifi）和藍牙連接功能，用戶可通過手機進行操控。其在幫助下肢功能障礙的患者康復(fù)和行走的同時，還可以個性化地制定策略［40］。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國在該領(lǐng)域的研究與西方國家相比較晚。最初我國的外骨骼研究都主要局限于實驗階段。隨著我國科技和經(jīng)濟的發(fā)展，外骨骼機器人技術(shù)逐漸接近了國外水平，逐步將研發(fā)的產(chǎn)品投入生產(chǎn)，應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域。

北京大艾機器人科技有限公司研發(fā)出可穿戴的外骨骼Ailegs 艾動。Ailegs 外骨骼機器人設(shè)計的目的主要為了骨關(guān)節(jié)術(shù)后運動恢復(fù)、脊髓損傷、腦損傷、癱瘓、腦卒中、肌無力等患者的個性化需求［41］。Ailegs艾動可以輔助患者恢復(fù)自然步態(tài)，以真實、正確的行走姿態(tài)進行訓(xùn)練。

上海傅利葉智能科技有限公司推出了Fourier X2可穿戴下肢外骨骼機器人，是Fourier X1 的升級版［42］，主要用于輔助行走、康復(fù)訓(xùn)練、強化運動功能等方面。其具有多傳感融合技術(shù)、運動控制系統(tǒng)及動力單元，可以智能分析使用者意圖，根據(jù)運動軌跡和速度等外部力學環(huán)境動態(tài)調(diào)整動力輸出。其核心的反饋控制算法，也可以依據(jù)動態(tài)環(huán)境以及著力點用力大小進行實時調(diào)整。

浙江大學研發(fā)的一款可穿戴機器人使用的驅(qū)動方式是液壓驅(qū)動，自質(zhì)量僅為5.355 kg，無需輔助支撐，以髖、膝為主動關(guān)節(jié)幫助患者康復(fù)訓(xùn)練［43］。其采用特有的人機交互系統(tǒng)和算法，自適應(yīng)模糊控制來提高外骨骼的控制精度和控制性能。東南大學研發(fā)出QEPLEX，其應(yīng)用主要是針對下肢兩側(cè)肌力不等患者的康復(fù)訓(xùn)練［44］。哈爾濱工業(yè)大學研發(fā)的HIT-LEX 采用模塊化設(shè)計和準擬人化結(jié)構(gòu)［45］，續(xù)航時間可達2 h，可以支撐患者在復(fù)雜的環(huán)境負重行走。香港中文大學研發(fā)的CUHK-EXO，特色在于將外骨骼機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計成采用離線和在線修改的綜合體，可以實時根據(jù)實地情況進行數(shù)據(jù)收集、修改后再應(yīng)用［46］。

中科院深圳先進技術(shù)研究所研制出外骨骼機器人Auto-LEE，多達10 個自由度。該外骨骼不僅將助力關(guān)節(jié)分別獨立驅(qū)動，而且在融入多模態(tài)人機交互基礎(chǔ)上直接采用模塊化結(jié)構(gòu)概念。該機器人既可以保持使用者在無輔助支撐情況下的行走平衡，還增加了3 種步態(tài)算法［47］。

3 總結(jié)與展望

隨著社會老齡化問題的日益嚴重，下肢運動功能障礙患者不斷增加，下肢外骨骼康復(fù)機器人毫無疑問將在治療、輔助行走和肌肉骨骼康復(fù)中發(fā)揮重要作用。外骨骼機器人在康復(fù)領(lǐng)域近10 年已經(jīng)取得了突飛猛進的成果。隨著科技的發(fā)展和經(jīng)濟社會的需求，未來發(fā)展的外骨骼康復(fù)機器人需解決很多技術(shù)難題，如穿戴的便攜性、智能化操控、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計等［48-49］。穿戴便攜性是為了方便穿戴者使用，既往已經(jīng)研發(fā)的外骨骼機器人多數(shù)比較笨重，不便于使用者穿戴和使用。從材料方面，設(shè)計外骨骼框架應(yīng)考慮具備低密度、高強度和韌性等特點，如碳纖維。外骨骼的某些部位可以通過3D 打印技術(shù)制作。同時，隨著能源技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)考慮應(yīng)用體積小、效率高、功率質(zhì)量比高的能源，以減輕使用者的負擔。

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，外骨骼機器人的設(shè)計應(yīng)該將人工智能充分納入，以盡可能減少康復(fù)治療師的工作量。而且人工智能操作簡單，能夠智能化驅(qū)動和控制外骨骼，同時給予使用者更加舒適的體驗感和人性化的康復(fù)訓(xùn)練。模塊化設(shè)計即將整體的外骨骼機器人按區(qū)域或功能進行模塊劃分，不僅大大降低成本，而且在功能獨立性方面更有針對性。將整體復(fù)雜的產(chǎn)品和系統(tǒng)分割成模塊可以使操控精度提高，更有利于后續(xù)的研發(fā)、使用和維修［50］。

研發(fā)下肢外骨骼康復(fù)機器人應(yīng)重點關(guān)注外骨骼的使用材料、模塊化設(shè)計、人機交互界面、云端數(shù)據(jù)、安全性、智能化、能源效率和成本效益等方面。這些方面是下肢外骨骼康復(fù)機器人能夠更廣泛應(yīng)用于臨床的未來研究方向。