下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人研究進展

張嬌嬌，胡秀枋，徐秀林

當前，康復(fù)問題已成為一個社會亟待解決的重要問題。傳統(tǒng)肢體功能障礙的康復(fù)治療主要依賴于治療師一對一的徒手訓(xùn)練，難以實現(xiàn)高強度、有針對性和重復(fù)性的康復(fù)訓(xùn)練要求，特別是在國外，人工訓(xùn)練的成本很高；康復(fù)評價也多為主觀評價，不能夠?qū)崟r監(jiān)測治療效果。為解決康復(fù)訓(xùn)練過程中出現(xiàn)的這些問題，需要安全、定量、有效及可進行重復(fù)訓(xùn)練的新技術(shù)的支持[1]。

康復(fù)機器人(rehabilitation robots)作為一種新型機器人，它貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機械學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、計算機科學(xué)以及機器人等眾多領(lǐng)域，是一種自動化程度很高又有效的康復(fù)訓(xùn)練[2]。康復(fù)機器人分為康復(fù)訓(xùn)練機器人和輔助型康復(fù)機器人。康復(fù)訓(xùn)練機器人的主要功能是幫助患者完成各種運動功能的恢復(fù)訓(xùn)練，如行走功能訓(xùn)練、手臂運動訓(xùn)練、脊椎運動訓(xùn)練、頸部運動訓(xùn)練等；輔助型康復(fù)機器人主要用來幫助肢體運動有困難的患者完成各種動作，如機器人輪椅、導(dǎo)盲手杖、機器人假肢、機器人護士等[3]。

康復(fù)治療的過程中，改善患者的行走能力，提高其生活自理能力，是使其回歸社會的重要方面，因此下肢的康復(fù)十分重要。下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人是康復(fù)訓(xùn)練機器人中重要的一類，它可以模擬正常人的行走姿勢，并且可以承擔一部分人體的重量，對下肢有運動障礙的患者進行有效的康復(fù)訓(xùn)練[4]。通過幫助患者模擬正常人的步行規(guī)律，鍛煉下肢肌肉，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對行走功能的控制能力，達到恢復(fù)下肢運動功能的目的[5]。本文主要介紹下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，對其發(fā)展進程、國內(nèi)外現(xiàn)狀進行概述，指出下肢康復(fù)機器人進一步發(fā)展的方向，并預(yù)測其廣闊的市場前景。

1 康復(fù)訓(xùn)練機器人的發(fā)展進程

康復(fù)機器人技術(shù)在歐美等國家得到了科研工作者和醫(yī)療機構(gòu)的普遍重視，早在20世紀60年代早期，臨床醫(yī)生就使用連續(xù)被動運動機器(continuous passivemotion,CPM)輔助外科手術(shù)后患者的康復(fù)。從第一臺在商業(yè)上獲得巨大成功的康復(fù)機器人Handy至今，康復(fù)機器人獲得了巨大的發(fā)展[6]。為了更好地促進運動康復(fù)和實現(xiàn)運動控制，自動化和機器人輔助的運動康復(fù)從上世紀90年代開始出現(xiàn)[7]。

下肢康復(fù)機器人療法最初集中在肌肉的運動知覺反饋上，后來擴展到以功能電刺激和虛擬現(xiàn)實為基礎(chǔ)的治療系統(tǒng)。第一臺商業(yè)化的植入型足下垂刺激器(foot drop stimulator,FDS)由Rancho Los Amigos醫(yī)療中心和Medtronic公司共同開發(fā)。盡管電極的植入會導(dǎo)致感染等一系列問題，總體來說植入型足下垂刺激器仍是早期康復(fù)機器人一個成功的典范[8]。

對于下肢康復(fù)，醫(yī)學(xué)上通常是通過進行重復(fù)的特定任務(wù)訓(xùn)練讓患者進行足夠的重復(fù)性活動，基于這種方法的訓(xùn)練已取得良好的臨床效果[9]。然而，大量需要進行康復(fù)訓(xùn)練的患者，特別是腦卒中偏癱患者在康復(fù)治療初期進行主動步行訓(xùn)練是非常困難的，因此需要采用減重的方式進行康復(fù)訓(xùn)練。減重訓(xùn)練(partial weight support,PWS)是以傳統(tǒng)實踐為依據(jù)，利用懸吊或平板裝置不同程度地減少體重對下肢的負荷，有利于支撐能力不足的患者早期進行各種步行訓(xùn)練[10-11]。

2 下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的研發(fā)現(xiàn)狀

近年來減重步行訓(xùn)練(partial body weight support treadmill training,PBWSTT)在臨床上的應(yīng)用越來越廣泛。自20世紀90年代初以來，國內(nèi)外多家研究機構(gòu)利用機器人技術(shù)相繼開發(fā)了代替理療師輔助患者的減重步行康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備。利用這種康復(fù)訓(xùn)練機器人進行步行康復(fù)訓(xùn)練，不僅減輕治療師的工作強度，而且步行訓(xùn)練參數(shù)重復(fù)性好，時相指標可以準確設(shè)定，能夠有效加快康復(fù)進程，提高康復(fù)療效[12-13]。

早期的減重步行康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，借助于跑步機、懸吊帶等幫助患者進行下肢運動訓(xùn)練。此類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但訓(xùn)練過程中必須有專業(yè)人員的幫助，而且隨意性較強，不符合人體的運動機理，只能用于病情較輕的患者。隨著機器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，人們對行走步態(tài)有了更加清楚的認識，開發(fā)研制了一些符合人體運動機理的減重步行康復(fù)訓(xùn)練機器人。

瑞士HOCOMA醫(yī)療器械公司與瑞士蘇黎士Balgrist醫(yī)學(xué)院康復(fù)中心合作推出的LOKOMAT步行康復(fù)訓(xùn)練機器人，是腿部驅(qū)動減重步行康復(fù)訓(xùn)練機器人的典型代表。LOKOMAT于1999年研制成功，2001年推向市場，并在隨后的幾年中日臻完善。LOKOMAT是第一套能夠輔助下肢運動障礙患者在醫(yī)用跑步臺上自動進行減重步行訓(xùn)練的產(chǎn)品[14]。

LOKOMAT采用電機驅(qū)動，每條腿安裝有兩臺電機。電機安裝在機械腿的腰部機架和大腿腿桿上，分別驅(qū)動一套絲杠螺母機構(gòu)；通過絲杠轉(zhuǎn)動推動機械腿的大腿和小腿擺動，完成步行動作。同時，安裝在機械腿關(guān)節(jié)處的傳感器將機械腿關(guān)節(jié)的角度和驅(qū)動力等信息反饋給控制計算機。LOKOMAT機器人以使用者為根本，患者的訓(xùn)練狀態(tài)能夠被監(jiān)測、評價和引導(dǎo)；能夠根據(jù)患者個體狀態(tài)的不同提供相應(yīng)的步態(tài)模式和訓(xùn)練方案；能夠通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)為患者提供反饋，以提高患者參與訓(xùn)練的主動性。雖然其功能全面，但其動力學(xué)模型較為復(fù)雜，控制難度較大。

比利時布魯塞爾Vrije大學(xué)開發(fā)了一臺使用可調(diào)式原理的康復(fù)訓(xùn)練機器人(automated locomotion training using an actuated compliant robotic orthosis,ALTACRO)[15]。ALTACRO采用了氣囊型人造肌肉作為驅(qū)動裝置，通過充、放氣來實現(xiàn)氣囊膨脹縮短或收縮伸長，類似于人體肌肉的作用機制。人造肌肉縮短或伸長，帶動外骨骼式機械腿的大、小腿擺動，從而牽引患者肢體完成步行動作。這一設(shè)計更接近人腿真實的運動形式，具有重量輕、輸出力大、有一定柔度等優(yōu)點。此外該康復(fù)機器人還能夠輔助膝關(guān)節(jié)的運動，通過機械腿更加均衡地分配人體重量，患者訓(xùn)練的過程可以監(jiān)視和控制。但是其穿戴復(fù)雜，沒有減重措施，對于病情較為嚴重的患者此方法實現(xiàn)難度較大。

德國Fraunhofer研究所采用最新的機器人技術(shù)、計算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)了Haptic Walker康復(fù)機器人[16-18]。Haptic Walker的機械部分是一套可編程控制踏板，它可以提供各種可能的足部運動軌跡。可編程控制踏板由兩個完全對稱但相互獨立的機械臂組成，踏板安裝在機械臂底部。機械臂安裝在直線導(dǎo)軌上，由一個直線電機驅(qū)動。踏板水平方向上由直線電機控制，豎直方向的位置由安裝在機械臂三個關(guān)節(jié)處的電機控制。各部分協(xié)調(diào)配合可以模擬出任意步態(tài)的運動軌跡。該系統(tǒng)通過位置控制能力為訓(xùn)練者提供平地、上下樓梯等多種訓(xùn)練場景，以提高訓(xùn)練者興趣，增加訓(xùn)練的主動性。但該設(shè)備體積過大，移動不便，且價格昂貴。

2007年日本東京大學(xué)機械工程學(xué)院Hiroshi等[19]研制出一種動力型康復(fù)器械Hart walker(HW)。它由兩個豎直的膝踝足矯形器(Knee-Ankle-Foot Orthosis,KAFO)和一個四輪車組成，由于腰部連接在康復(fù)器械的豎直桿上，減少了患者摔倒的風險，而且在保證正確姿態(tài)的同時患者的雙手也是自由的，可以進行一些輔助操作。在控制方面，采用類似于肌電信號(EMG)的肌纖維收縮信號，利用綁在大腿和小腿上的氣囊內(nèi)氣體的壓力變化來測得。而在人腿自由擺動，即肌纖維不收縮時，則利用關(guān)節(jié)處的電位計式角度傳感器的信號來觸發(fā)驅(qū)動器的動作，其傳感器信號的融合和處理是通過便攜式計算機中的模糊控制來實現(xiàn)的。該儀器小巧方便，便于移動但其僅適用于病情較輕的患者，且安全性不高，需要有專門的治療醫(yī)師看護。

美國的“國防遠景研究計劃署”(DARPA)委托加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制成功了一種機器人，稱為“伯克利末端外骨骼”(BLEEX)[20-22]。BLEEX總共有40多個傳感器以及液壓關(guān)節(jié)，它們組成了一個類似人類神經(jīng)系統(tǒng)的局域網(wǎng)，能夠根據(jù)使用者的動作計算出所需的力量分配，然后調(diào)節(jié)仿生機械腿，將負荷重量合理分配到一對合成金屬制成的不銹鋼鋼架結(jié)構(gòu)上，從而使佩戴者的負荷達到最少。這種機器人除了能幫助下肢運動障礙的患者行走，恢復(fù)其行走功能，還可以幫助正常人增加負載能力。該儀器同樣適用于病情較輕的患者，并且其設(shè)計復(fù)雜，對傳感器的要求很高，價格昂貴。

康復(fù)機器人較早較深入的研發(fā)主要集中在歐美、日本等發(fā)達國家，通過機器人與康復(fù)醫(yī)學(xué)技術(shù)的結(jié)合，研制了較先進的康復(fù)機器人，并取得良好的康復(fù)效果。相比國外的先進技術(shù)，我國在康復(fù)機器人方面的研究就稍顯遜色，但近幾年國內(nèi)的一些大學(xué)也開始康復(fù)機器人的相關(guān)研發(fā)，并取得一定的成就。

清華大學(xué)精密儀器系康復(fù)工程研究中心在國家自然科學(xué)基金和國家科技支撐計劃支持下正在研究步行康復(fù)訓(xùn)練機器人(gait rehabilitation training system,GRTS)。GRTS采用關(guān)節(jié)直接驅(qū)動方式，電機驅(qū)動器直接安裝于機械腿髖、膝關(guān)節(jié)處，通過控制髖和膝處電機的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動完成步行動作。該機能提供主動、被動等多種訓(xùn)練模式，并能根據(jù)患者的體型進行相應(yīng)的調(diào)整。GRTS具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、屈曲角度大等優(yōu)點[23]。但是髖、膝關(guān)節(jié)處驅(qū)動器的軸、徑向尺寸較大，使用時不方便。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的臥式康復(fù)訓(xùn)練機器人(Horizontal lower limbs rehabilitative robot,HLLRR)[24]分為臥式下肢康復(fù)機器人和遠程控制下肢康復(fù)機器人。其中臥式康復(fù)機器人可以在患者平躺時進行雙腿的步態(tài)訓(xùn)練，步態(tài)訓(xùn)練除了帶動大腿、小腿進行伸縮鍛煉，同時腳踝也配合相應(yīng)的運動，達到腿部各關(guān)節(jié)的全方位訓(xùn)練。遠程控制下肢康復(fù)機器人可以模擬正常人行走的運動軌跡，并且控制踝關(guān)節(jié)的運動，從而帶動下肢行走運動，實現(xiàn)對下肢各個關(guān)節(jié)的運動訓(xùn)練、肌肉的訓(xùn)練以及神經(jīng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練。除此之外它還可以通過Internet進行遠程操作。由于平躺訓(xùn)練比較枯燥，患者鍛煉的積極性不高，且訓(xùn)練時患者的用力主動性不強，可能對康復(fù)效果有一定的影響。

由上海理工大學(xué)研制的減重式多態(tài)康復(fù)訓(xùn)練評定系統(tǒng)(Body Weight Loss Multi-function System in Rehabilitation Truning and Assessment)[26]，是一種使用電動斜床、能在任意傾斜角度減重狀態(tài)下，進行下肢功能訓(xùn)練和平衡功能評估的多功能康復(fù)訓(xùn)練評定系統(tǒng)。反饋型下肢智能康復(fù)訓(xùn)練床系統(tǒng)主要由訓(xùn)練床、踏板組件、手動控制裝置、主控計算機等組成[27]。該設(shè)計的背部減重多態(tài)康復(fù)訓(xùn)練評定系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)訓(xùn)練床的旋轉(zhuǎn)角度進行不同程度的減重，避免了目前市場上康復(fù)機器人采用的懸吊減重所產(chǎn)生的患者不舒適感和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點。該系統(tǒng)集訓(xùn)練功能和評定功能于一體，具有體積小、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，功能全面等特點。該系統(tǒng)能實現(xiàn)使腦卒中等疾病引起的患者從患病早期腿腳功能很差時的被動訓(xùn)練過渡到功能逐漸恢復(fù)后的主動訓(xùn)練；該系統(tǒng)游戲訓(xùn)練的環(huán)節(jié)可以增加患者的積極性，有助于康復(fù)效果的提高。此外，該系統(tǒng)還具有人體運動學(xué)和生物力學(xué)多參數(shù)實時檢測功能，可以精確獲得人體各運動參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，從而實現(xiàn)對患者各階段的康復(fù)狀況進行科學(xué)的定量分析，為臨床診斷和制定康復(fù)治療方案提供科學(xué)的依據(jù)。該康復(fù)訓(xùn)練評定系統(tǒng)缺少肌電的測量，且外觀設(shè)計不夠人性化，患者上下訓(xùn)練床不方便，儀器移動不方便，需要進一步的改進。

3 展望

基于目前的研究狀況，下肢康復(fù)治療技術(shù)及康復(fù)機器人輔助治療的研究任重而道遠。康復(fù)訓(xùn)練機器人具備許多人工所無法比擬的優(yōu)點，例如長期、穩(wěn)定地重復(fù)訓(xùn)練，精確、客觀地測定訓(xùn)練與運動參數(shù)，提供實時反饋，遠程訓(xùn)練等[28]。隨著社會老齡化加劇，腦卒中偏癱患者逐漸增多，康復(fù)機器人所具有的這些優(yōu)點具有越來越大的使用價值。

在歐洲、美國和日本等國家，醫(yī)療康復(fù)機器人的市場呈逐年上升的趨勢[29]。據(jù)日本機器人協(xié)會估測，到2025年，日本國內(nèi)機器人市場份額將達9310億日元(合74.5億美元)。而這些機器人將主要應(yīng)用于醫(yī)療護理和福利服務(wù)方面[30]。

在我國，康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到普遍的重視，而康復(fù)機器人的研究仍與國外有一定的差距，目前國內(nèi)一些簡單的康復(fù)器械遠遠不能滿足市場對智能化、人機工程化康復(fù)機器人的需求[31]。通過虛擬現(xiàn)實、腦電、肌電技術(shù)與機器人技術(shù)的集成，為患者提供全方位的治療，而促進康復(fù)機器人進一步的智能化仍是臨床康復(fù)醫(yī)學(xué)工作者普遍關(guān)心的問題，也是康復(fù)機器人發(fā)展的重要方向。相信康復(fù)訓(xùn)練機器人廣闊的市場前景必將推動這一新興的技術(shù)得到更多重視與推廣。

[1]丁敏,李建民,吳慶文,等.下肢步態(tài)康復(fù)機器人：研究進展及臨床應(yīng)用[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2010,14(35):6604-6607.

[2]倪俊瑜.下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人[J].中國傷殘醫(yī)學(xué),2010,19(1):127-128.

[3]Krebs HI,Volpe BT,Aisen ML,et al.Hogan increasing productivity and quality of care:robot-aided neuro-rehabilitation[J].J Rehabil Res Dev,2000,37(6):639-652.

[4]高峰,杜良杰.脊髓損傷患者的下肢功能重建：智能化康復(fù)手段[J].中國康復(fù)理論與實踐,2008,14(9):845-846.

[5]張立勛,顏慶,楊勇,等.下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人AVR單片機控制系統(tǒng)[J].機械與電子,2004,10:52-54.

[6]Hillman M.Rehabilitation robotics from past to present－a historical perspective[C].Proceedings of the ICORR 2003(The Eighth International Conference on Rehabilitation Robotics),2003:23-25.

[7]Hesse S,Schmidt H,Werner C,et al.Upper and lower extremity robotic devices for rehabilitation and for studying motor control[J].Curr Opin Neurol,2003,16(6):705-710.

[8]Thrasher TA,Popovic MR.Functional electrical stimulation of walking:function,exercise and rehabilitation[J].Ann Readapt Med Phys,2008,51(6):452-460.

[9]Sterr A,Freivogel S.Motor-improvement following intensive training in low-functioning chronic hemiparesis[J].Neurology,2003,61:842-844.

[10]Grillner S,Debuc R.Control of locomotion in vertebrates:Spinal and supraspinal mechanisms[J].Adv Neurol,1988,47:425-453.

[11]Grillner S,Ekeberg O,EIManira A,et al.Intrinsic function of a neuronal network－a vertebrate central pattern generator[J].Brain Res Brain Res Rev,1998,26:184-197.

[12]Hornby TG,Zemon DH,Campbdl D.Robotic-assisted,body-weight-supported treadmill training in individuals following motor incomplete spinal cord injury[J]．Phys Ther,2005,85(1):52-66.

[13]Colombo G,Wirz M,Dietz V.Driven gait orthosis for improvement of locomotor training in paraplegic patients[J].Spinal Cord,2001,39(5):252-255.

[14]Hocoma.Lokomat?-Enhanced Functional Locomotion Therapy with Augmented Performance Feedback[OL].http://www.hocoma.com/en/products/lokomat.

[15]Vrije Universiteit Brussel.The ALTACRO Project[OL].http://altacro.vub.ac.be/info/project.htm.(2006).

[16]Schmidt H,Stefan Hesse,Rolf Bernhardt,et al.Haptic Walker－a novel haptic foot device[J].ACM Transactions on Applied Perception,2005,2(3):166-180.

[17]Schmidt H,Sorowka D,Hesse S,et al．Development of a robotic walking simulator for gait rehabilitation[J].Biomed Tech,2003,48(10):281-286.

[18]Medical Park.Robots help to heal:G-EO-System[OL].http://www.medicalpark.de/en/main/g-eo-system.htm.

[19]Hiroshi Kobayshi,Takeo Karato Toshiaki Tsuiji.International Conference on Mechatronics and Automation[C].Sanya,China,2007:1693-1697.

[20]楊智勇,張靜,歸麗華,等.外骨骼機器人控制方法綜述[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報,2009,24(5):520-524.

[21]Kazerooni H,Huang L,Steger R.IEEE ICRA on the control of the Berkeley lower extremity exoskeleton[C].Barcelona,Spain,2005:4353-4360.

[22]Chu A,Kazerooni H,Zoss A.Proc.IEEEICRA on the biomimetic design of the Berkeley lower extremity exoskeleton[C].Barcelona,Spain,2005:4345-4352.

[23]陳鹍,劉啟棟,王人成,等.一種減重步行訓(xùn)練機器人的研制[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2011,26(9):847-851.

[24]夏振濤.助行訓(xùn)練機器人系統(tǒng)設(shè)計及步態(tài)控制實驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[25]張立勛,張曉超.下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人步態(tài)規(guī)劃及運動學(xué)仿真[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2009,30(2):187-191.

[26]徐秀林,鄒任玲,胡秀枋,等.一種用于偏癱患者的減重多態(tài)康復(fù)評定系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,2010,29(6):883-888.

[27]鄒任玲,徐秀林,胡秀枋,等.基于運動協(xié)調(diào)的智能化康復(fù)訓(xùn)練儀的研究及實現(xiàn)[J].微計算機信息,2010,27(2):20-22.

[28]Krebs HI,Hogan N,Aisen ML,et al.Robot-aided neuro-rehabilitation[J].IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering,1998,6(1):75-87.

[29]唐慶玉,冉凡英.康復(fù)儀器的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].技術(shù)論壇,2001,2:44-48.

[30]高釩.日本家用機器人康復(fù)護理都在行[OL].http://news.pharmnet.com.cn/news/2007/04/20/193710.html.(2007)

[31]謝欲曉,白偉,張羽.下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的研究現(xiàn)狀與趨勢[J].國醫(yī)療器械信息,2010,16(2):5-8.