智能可穿戴式上肢助力機器人的研究進展綜述

陳佳宇 楊一凡

摘 要：針對骨折、老年恢復等手臂功能受損的患者，研究智能穿戴上肢助力機器人的發展現狀及總結現有產品的局限性。在此基礎上，設計了一種柔性氣動式智能穿戴上肢助力機器人系統，主要包括機構模型、智能康復訓練系統、設備租賃系統三大組成部分，旨在增強患者的手臂肌肉功能自主恢復性，從而恢復其上肢的關節功能。

關鍵詞：智能穿戴;上肢助力;康復機器人;系統設計

隨著我國老齡化社會的迅速發展，腦卒中、骨折等病癥的發病率逐年上升，該類病癥患者的手臂肌肉功能自主恢復性差，間接影響患者肢體關節功能的恢復。近年來，我國重視醫療器械設備領域，針對各類患病群體的治療器械的開發與研究不斷推陳出新。國內外康復機器人、智能穿戴等領域的很多研究者在上肢類康復醫療器械領域做出大量工作。本文將對已有產品作出分析與特性研究，旨在設計一種能夠減緩病人病體壓力的智能可穿戴上肢助力機器人，并展望該類技術發展趨勢。

1 上肢康復機器人的類型歸納

（1）姿勢跟蹤型。重慶大學研制的三自由度上肢運動康復助力裝置，是一種利用步進電機驅動的多自由度機械臂系統，能夠根據用戶的運動意圖輔助患肢完成取物等運動任務。該三自由度機械臂采用運動軌跡追蹤、運動速度-時間等參數進行了編程設計，能夠根據患者的肩、肘、腕部關節的運動生理性質，進行相應的階段性控制。

（2）游戲沉浸型。廣州彌德科技有限公司研制的智能裸眼VR康復訓練系統，采用虛擬現實技術，設計了一種無需外骨骼式設備的虛擬場景操作訓練系統，患者能夠在系統中虛擬場景中，根據指示訓練手、腦、眼三者的協調性。訓練過后，系統可對患者進行數據采集，同時量化分析訓練效果，分析訓練數據，從而對患者的康復效果進行評估。

（3）剛體結構型。哈爾濱工業大學研制的五自由度外骨骼式上肢康復機器人系統，分別對用戶的肩、部、部的關節屈伸、旋轉動作進行分解，再由多個伺服電機實現對機械臂各個關節的運動控制。用戶佩戴機械臂后，設備通過用戶的行為動作采集皮膚表面機電信號，完成患臂的康復訓練。

（4）認知訓練型。上海卓道醫療科技有限公司研制的ARMGUIDER是一款在平面操作的上肢康復訓練機器人，它能夠有效的根據患者的不同患病情況，錄制醫生專業制定的恢復訓練動作軌跡，有針對性的對患者的患臂進行康復訓練，為患者提供了涵蓋被動、助力、阻力及評估的訓練模式。

（5）軟體評估型。上海交通大學研制的智能軟體康復機器人手套，突破傳統外骨骼剛體機器人的局限，采用軟體手套設計。該設備結合虛擬現實技術，增強了患者在康復過程中的訓練趣味性，訓練過后，系統會根據患者的運動過程集成數據，對患者的康復情況做出相應的評估。

2 已有上肢助力康復機器人的局限性

柔順性差;便攜性差;適配性差;[1]造價高昂。

3 一種智能穿戴式上肢助力機器人設計的提出

智能穿戴上肢助力機器人系統包含三個組成部分：上肢助力機器人主體結構、智能訓練系統APP端、設備租賃系統電腦端。

（1）機構模型。智能穿戴上肢助力康復機器人結構分為兩部分：助力結構;驅動結構。[2]助力結構主要包括：①分區模塊;②剛體支撐;③柔性結構;④塑性支撐;⑤彈性繩;⑥彈性結構;⑦傳感器與人體信息動態監測。驅動結構主要包括：①柔性束帶;②固定結構;③電量顯示;④驅動結構;⑤柔性貼身結構。

（2）智能康復訓練系統設計。智能訓練系統[3]根據患者的患肢復健需求與醫師對患者的診斷指令設定視頻訓練模式，分為被動與主動訓練兩個階段。被動訓練針對患者腦卒中、骨折、偏癱等骨骼受損病癥恢復期，恢復期的骨骼常呈現習慣于石膏等材料長期固定的僵硬狀態，患者佩戴上肢助力復健設備，能夠在被動模式下緩慢移動患肢，肩部、肘部、腕部均可做小幅度的屈伸、旋轉動作，階段性的訓練有助于恢復患者患肢的肌肉功能。主動訓練針對老年恢復期，用戶佩戴助力復健設備，根據視頻指示，做對應動作，有助于提高用戶手臂肌肉與關節的自主恢復性，減緩病體壓力。

（3）設備租賃系統設計。助力設備租賃系統，構建患者/監護人—設備供應商—醫生/醫療機構—保險機構之間的四方網絡關系，便于用戶對助力復健設備的提取與供應商對設備的管理。市場中現有的助力設備大多造價高昂，對普通的骨折患者來說，助力器僅在其復健恢復期起關鍵作用，產品的流通能夠增強資源的使用效率，同時緩解用戶的經濟壓力。租賃系統中，醫生或醫療機構能夠根據患者的患病情況選擇供應商所提供的與病征相對應的助力設備，并設置使用期限，系統向醫生方核對信息后，患者家屬憑借醫囑中的設備編號領取，支付租金便可在租賃期內使用助力器。器械被歸還后，設備供應商及保險機構核實是否損壞，對其進行定期的修理與維護。

4 上肢助力機器人的研究及發展趨勢

（1）智能輕量化。現有上肢助力機器人多由設備、檢測系統兩大部分組成，剛體結構與柔性結構逐漸融合，將來向以簡單機電和智能輕量化方向發展。

（2）移動醫療化。設備的結構與檢測系統將一體化，[4]由外骨骼剛體趨向輕質可穿戴，更加注重機器人結構的便捷可移動。

（3）遠程控制和網絡服務化。為了適應患病人群的助力醫療康復需求，醫療資源將由固定模式向遠程操控與網絡服務發展，[5]實現技術共享的同時，調整醫療服務結構，使病人共享醫療資源。

5 結語

通過對上肢助力機器人的結構、功能等方面的現狀分析，提出了一種智能穿戴上肢助力機器人系統設計。實體結構可以輔助上肢運動障礙患者實現患臂的屈伸、旋轉運動，提高患者的康復率，系統構建了患者—監護人—醫生—設備供應商的四方關系，密切四者之間的相互聯系。后續研究將深入分析用戶行為，根據人體測量學的具體數據對實體機構進行優化，并完成樣機試驗，為智能上肢康復機器人設計提供理論支持。

參考文獻：

[1]何宏瑾，王躍林.柔性可穿戴生命體征傳感器的研究進展[J].傳感器與微系統，2018，37（07）：1-6+14.

[2]李向攀，韓建海，郭冰菁，張彥斌，趙菲菲，則次俊郎.基于柔性氣壓驅動器的可穿戴式腰部助力機器人研究[J].自動化學報，2016，42（12）：1849-1858.

[3]張紹嬋，馮國忠.醫藥健康平臺成員合作關系研究[J].衛生經濟研究，2018（08）：34-37.

[4]馬聰聰，李文鋒.基于體域網和云服務的智能穿戴系統研究與實現[J].小型微型計算機系統，2016，37（04）：778-781.

[5]李小寧，郭鐘華.氣動助力醫療康復技術的現狀及發展趨勢[J].機械制造與自動化，2012，41（03）：1-5.