醫療外骨骼康復機器人的發展
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摘要：醫療外骨骼康復機器人主要用于行走訓練、手臂運動訓練、脊椎運動訓練等，是醫療衛生裝備信息化、智能化的重要發展方向之一。本文從研究現狀、工作原理、設計特點、控制方法以及關鍵技術等方面對外骨骼康復機器人進行介紹，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。
關鍵詞：外骨骼外骨骼康復機器人;智能化;信息化
中圖分類號：TP242 文獻標識碼：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療研究人員將積極研究使患者重獲正常行為能力的康復療法[1]。有數據顯示，在腦卒中后3個月，約有1/3幸存的患者不能恢復正常的行走功能，只能以不對稱的步行姿態進行走路，其步行速度和耐力也漸衰退。目前對神經系統所引起肢體功能障礙的恢復治療主要由治療師一對一或多對一的對患者進行訓練，對高強度、有針對性和重復性的康復訓練要求現在難以實現。同時人工所采取的訓練成本較高，康復評價大多為主觀評價，對于治療效果不能夠實時監測[2，3]。因此，如何通過有效的康復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前熱門的研究。
目前，在醫療健康領域，將智能機器人技術與康復醫療進行結合并應用于醫療與功能康復等多個方面，已經成為當前非常重要的研究課題[4]。外骨骼康復機器人的研制作為康復醫療中的一個重要的研究方向，其包含了很多領域，擁有相當大的實用價值和市場價值?，F在，外骨骼康復機器人憑借其方便、可靠、精確的對數據進行測量與反饋等優點，對有運動功能障礙的患者可以進行有效的輔助康復醫療，使廣大患者可以回歸正常生活。本文通過對醫療外骨骼康復機器人研究背景、現狀及構造等方面進行闡述，為推動醫療康復機器人領域的發展和人機智能科學合理的應用打下良好基礎。
1研究背景及現狀
1.1國外研究背景及現狀 20世紀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，吸引了全世界醫療人士的關注，外骨骼機器人開始進入康復醫療領域。20世紀90年代初，56個外骨骼康復機器人研究中心已經遍布全球，主要分布在日本、歐洲、北美地區。1996年，德國柏林自由大學成功研制機械式步態康復訓練器。2000年，美國成功研制一種運用傳感設備來測量運動學和力學參數并由機械臂引導患者下肢運動的康復的機器人，目前國外的外骨骼康復機器人有以下幾種。
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品Re Walk機器人。該機器人在手腕處放置控制器，人體工程學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點，傳感器將測試重心的前移量反饋到控制系統，系統模仿人體正常的行走姿態，從而幫助患者獲得行走能力，同時，該設備還可以幫助患者完成轉身和站立等日常動作[5]。
1.1.2瑞士HCOMA AG公司的下肢康復機器人 該公司研發的智能型懸掛式Lokomat下肢康復機器人，該機器人將反饋與評估融合在一起，并添加虛擬現實，同時將下肢運動障礙患者進行專業擬合行走步態，從而訓練和恢復患者的行走能力[6]。
1.1.3美國Ekso Bionics公司的外骨骼康復機器人 該公司生產的外骨骼機器人運用人體工程對人體行走步態進行擬合，通過整套設備多個傳感器的反饋到控制器的信號，利用單關節驅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國內研究背景及現狀 國內對外骨骼康復機器人的研究比較晚，很多產品還是不夠成熟，國內外骨骼康復機器人具有很大的市場空間。21世紀初，國內各個高等院校以及研究中心非常重視對康復醫療機器人的研制，如哈爾濱工業大學研制的的重心可以進行調控的下肢外骨骼康復訓練機器人，中科大、浙大等國內各個高等院校研制的可穿戴式下肢外骨骼康復訓練機器人等。目前國內各高校研制的具有代表性的康復醫療設備有以下幾種。
1.2.1哈爾濱工業大學新型5DOF外骨骼康復機器人 哈爾濱工業大學在外骨骼康復機器人研究領域具有很高的建樹，其中下肢康復助行機構最具有代表性。所研制出來的新型5DOF外骨骼式康復機器人利用一種新型的構型方式驅動關節轉動，并基于模塊化的設計思想完成了6自由度外骨骼機器人的整體結構設計，并且基于彈性梁結構與力傳感器，設計了一種新型人機交互接口結構，可有效獲取人機交互力信息，為控制方法研究提供了基礎。同時結合穿戴者的舒適特性，研究人員研制了一整套人-機-環境系統，此設備包括助行行走機構和抬升機構兩個部分。下肢行動障礙的患者在沒有醫療護理人員幫助的時候也可以穿戴此設備進行功能性的康復訓練。
1.2.2上海理工大學坐臥式外骨骼康復機器人 上海理工大學研制的坐臥式外骨骼康復機器人單下肢具有3個自由度，分別是髖關節的屈曲/伸展;膝關節的屈曲/伸展;踝關節的跖屈/背屈，利用較少的自由度來實現行走，降低了機構的復雜程度，提高了裝置的效率。髖關節和膝關節的運動通過驅動器實現，該驅動器是在滾珠絲杠副基礎之上加了兩對受壓彈簧，這可以有效地實現運動的緩沖和模擬關節運動時肌肉的動作方式;踝關節自由度通過一副對拉彈簧實現，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備利用訓練床的傾斜來完成，在患者進行行走功能訓練的過程中，由傳感器測量的運動參數、足底壓力以及靜態平衡參數等數據由控制器進行系統的分析。
1.2.3浙江大學多自由度外骨骼助行機器人 浙江大學研制的多自由度外骨骼助行機器人，利用氣動進行驅動，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聯起來，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機器人把下肢外骨骼技術運用于康復訓練之中，可以將理療師從繁重的訓練任務中解放出來，還可以客觀記錄訓練過程中患者的訓練數據，供理療師分析評價治療效果，機器人所記錄下的詳細數據，使理療師能夠深入了解中樞神經康復的規律。
2 外骨骼康復機器人構造
2.1工作原理 外骨骼康復機器人將傳感器安裝在設備的各個部位，傳感器從設備各個點獲得角度、扭矩以及能量等各項數據，并將數據傳輸給系統中心中央控制處理器，經過控制器內部接收、計算以及轉化等對外骨骼康復機器人的動作進行調節，最后由驅動裝置驅動設備完成與行動障礙的患者一系列運動動作，見圖1。
2.2外骨骼康復機器人設計特點 外骨骼機器人是一種由機械機構組成的人工制造外骨骼，設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 設備要擁有良好的可穿戴性，在沒有訓練師專業的指導下就可以自身很順利的穿上和脫下設備來進行康復治療。
2.2.2魯棒性 設備要擁有較好的魯棒性，包括：①外骨骼材料的質地要堅硬，能夠支撐患者的體重重量②設備的各個執行機構和控制算法要有好的性能，確保設備能夠準確、可靠、的完成各項預期功能。
2.2.3柔順性及舒適性 外骨骼結構與人體各個部位的運動動作要擁有很好的協調性，設備的配置要與人體的結構與自由度相互匹配。同時患者穿戴上設備后感覺非常舒服，患者對設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外骨骼康復機器人控制方法 外骨骼康復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，設備操作者始終處于系統的回路之中，設備操作者與外骨骼康復機器人進行物理接觸，形成了一個人機耦合的一體化系統。系統的控制目的是能夠讓患者和設備相互協調性進行工作。目前各國研制的外骨骼康復機器人系統的主要控制方法如下。
2.3.1操作者控制 一些用于康復治療的外骨骼康復機器人，設備的步態矯正裝置能夠利用外部能源進行驅動的，在這些設備中由操作者控制的主要是下肢外骨骼康復機器人，用來支撐患者的重量，使設備在患者的操作下能夠輕松順利的進行下肢的康復訓練。這些由操作者控制設備的命令信號前期由正常人的動作測量而得。如由Yano設計的外骨骼康復機器人，設備使用了一種開關和地面反作用力的傳感器，在患者的操作下，利用驅動器驅動患者的髖關節進行活動，進而改變患者腳底離開地面的距離。
2.3.2預編程控制 有些外骨骼裝置在面世之前已經在設備的控制系統內預先編好程序，操作者不能進行有效的干預。例如，下肢運動矯正裝置的運動軌跡在設計時依據正常人的運動動作來預先編好固定的程序，操作者根據預先編好的程序來進行康復訓練。針對腿部受到物理損傷的患者而進行設計的有源步態矯正裝置，其利用已經編好的程序來控制機械關節來模仿正常人的行走步態，進而使患者能夠有序的進行運動。Colombo的步態矯正器是一個由位置控制的外骨骼康復機器人，設備的步幅、速度等程序控制參數能夠依據不同患者來進行調節。
2.3.3 ZMP控制 新加坡南洋理工大學設計的下肢能量增強外骨骼康復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，進而驅使設備的機械結構腿來跟蹤患者腿的運動動作，同時系統通過控制外骨骼康復機器人的ZMP來維持設備的穩定運行?；颊咴谶\動行走的過程中，只用ZMP的行動軌跡維持在特定的運動區域內，才能保持患者在運動行走的過程中穩定。通過測量正常人的ZMP作為外骨骼康復機器人控制系統的ZMP的參考輸入，進而使設備的ZMP和患者的ZMP維持一致。在控制系統中，如果設備的ZMP偏離系統預先設定好的ZMP，系統在髖關節處驅動器的驅使下，控制設備的機械構造對其ZMP來進行補償，使設備和患者的ZMP保持一致。 2.4外骨骼康復機器人的關鍵技術
2.4.1外骨骼機器人的步態分析性控制 步態分析與步態穩定是設備外骨骼機械構造設計所必須考慮的。因為設備外骨骼機械構造隨著患者下肢的走動而進行動作，作為設計者要考慮的就是設備外骨骼應該與患者擁有協調一致的活動動作，同時，也應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穩定是設計外骨骼康復機器人行走的基礎。
2.4.2外骨骼機器人多傳感器的選擇與信息融合 傳感器作為完成設備系統自動控制的重要環節，設備的傳感器就如同人的神經一樣，在系統的控制過程中起著非常重要的作用，控制系統通過傳感器能夠獲得操作者和設備機械構造的各種數據，這樣才可以使設備的控制系統能夠及時有序的進行運動。
2.4.3外骨骼機器人的驅動方式與能源 合理選擇系統驅動方式對外骨骼康復機器人系統的結構和性能也有很大的影響。外骨骼康復機器人一般采用電機驅動，液壓驅動，氣壓驅動三種驅動方式。以上這3種驅動方式他們各有自己的優點和缺點，研究人員在應用設計設備時需要根據實際情況進行合理的分析選擇。
3總結
外骨骼康復機器人涉及到機械、電子、控制、計算機等各個領域，是很多高新科技技術集成產品。隨著科技的不斷創新與進步，外骨骼機器人可以逐步向智能化、模塊化、微型化發展，進一步提高人機耦合技術，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效果，減輕了社會與家庭的壓力，具有較高的社會與經濟價值。
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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，高級經濟師，主要從事醫療器械方面研究
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