康復(fù)外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)探討

劉恒 白澤楊 陳俊宇 李博皓 魏俏俏

摘要：康復(fù)外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴的、模仿人體生理構(gòu)造的醫(yī)療機(jī)械裝置，穿戴于患者肢體外側(cè)，輔助患者進(jìn)行日常活動(dòng)和康復(fù)訓(xùn)練。近年來(lái)，人工智能、傳感、生物醫(yī)學(xué)等先進(jìn)技術(shù)不斷發(fā)展，吸引了國(guó)內(nèi)外各科研院所、機(jī)構(gòu)對(duì)康復(fù)外骨骼系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。現(xiàn)闡述國(guó)內(nèi)外不同控制方式的外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，并對(duì)康復(fù)外骨骼機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：康復(fù)外骨骼機(jī)器人;現(xiàn)狀;趨勢(shì)

0 ? ?引言

“外骨骼”（Exoskeleton）這一名詞最早來(lái)源于一個(gè)生物學(xué)概念，指的是昆蟲(chóng)等節(jié)肢動(dòng)物的身體結(jié)構(gòu)。隨著人工智能、傳感、生物醫(yī)學(xué)等先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，外骨骼機(jī)器人技術(shù)于近20年間取得了空前進(jìn)步，且廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域。早期對(duì)于外骨骼機(jī)器人的研究主要是為了提高士兵的行動(dòng)和負(fù)重能力，而隨著醫(yī)療需求的不斷增長(zhǎng)，在全球老齡化趨勢(shì)加重的背景下，康復(fù)外骨骼機(jī)器人成為世界各國(guó)研究的新方向。這類(lèi)裝置不僅是中風(fēng)、脊髓損傷引起的運(yùn)動(dòng)障礙康復(fù)訓(xùn)練的重要技術(shù)手段，還能夠幫助卒中患者、腦外傷患者解決行走障礙等問(wèn)題，因而應(yīng)用潛力巨大。

目前，康復(fù)外骨骼機(jī)器人種類(lèi)繁多，廠家主要有以色列的ReWalk公司、美國(guó)的Ekso Bionics公司、日本的Cyberdyne公司、Honda公司和新西蘭的Rex公司等。我國(guó)對(duì)康復(fù)外骨骼下肢助力機(jī)器人的研究始于21世紀(jì)初，目前正處于起步階段。各研究機(jī)構(gòu)在參考借鑒國(guó)外先進(jìn)康復(fù)外骨骼助力機(jī)器人的基礎(chǔ)上，加以自身的創(chuàng)新與研發(fā)，已有不少康復(fù)外骨骼助力機(jī)器人樣機(jī)問(wèn)世，也有相當(dāng)不錯(cuò)的表現(xiàn)。

1 ? ?國(guó)外研究狀況

日本筑波大學(xué)Cybernics研究中心于1995年研制的原型機(jī)HAL（Hybrid Assistive Limb）是一款較早的外骨骼動(dòng)力服。該外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)初衷是幫助年邁者和殘疾人進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)[1]。該康復(fù)外骨骼機(jī)器人本質(zhì)上是一種可穿戴式行走用機(jī)器人，當(dāng)使用者試圖行走時(shí)，大腦會(huì)通過(guò)神經(jīng)向肌肉發(fā)送電生理信號(hào)，HAL通過(guò)傳感器可以在人體的皮膚表面捕捉到這種電信號(hào)，并激活伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)迅速動(dòng)作。在HAL的幫助下使用者不僅可以進(jìn)行正常的日常生活，還可以完成攀爬、抓握、舉重物等高難度動(dòng)作。2004年，山本嘉之教授創(chuàng)立了Cyberdyne公司并推出第5代產(chǎn)品HAL-5，如圖1所示。與其他普通康復(fù)機(jī)器人不同的是，患者使用普通康復(fù)機(jī)器人只能做被動(dòng)式運(yùn)動(dòng)，對(duì)神經(jīng)回路的刺激作用有限;而HAL采用的是主動(dòng)性訓(xùn)練，通過(guò)機(jī)器對(duì)神經(jīng)回路的刺激，患者逐步重建大腦和肌肉運(yùn)動(dòng)的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自力行走[2]。

2009年，美國(guó)伯克利仿生公司與洛克希德·馬丁公司共同利用HULC技術(shù)開(kāi)發(fā)出智能仿生康復(fù)外骨骼機(jī)器人eLEGS，旨在幫助殘障人士恢復(fù)行走、站立等功能。eLEGS康復(fù)外骨骼機(jī)械系統(tǒng)通過(guò)肩部背帶、背包式夾子和粘扣帶等與人體相連，同時(shí)機(jī)械框架上安裝有電動(dòng)機(jī)和傳感器，整體質(zhì)量為20 kg[1]。2011年，該公司更名為Ekso Bionics，其產(chǎn)品eLEGS也更名為Ekso GT，如圖2所示。Ekso GT配備有智能的Variable Assist軟件，為患者身體兩側(cè)提供需要的動(dòng)力，并能在整個(gè)護(hù)理過(guò)程中激發(fā)患者的潛能。2016年，該產(chǎn)品通過(guò)美國(guó)食品及藥物管理局（FDA）的許可，成為首個(gè)獲得FDA許可的用于中風(fēng)及偏癱患者的外骨骼設(shè)備。

2011年，以色列ReWalk Robotics公司研制出ReWalk Personal個(gè)人版和ReWalk Rehabilitation康復(fù)版兩款產(chǎn)品，前者主要適合在家庭、工作等社交環(huán)境中使用，通過(guò)傳感器和監(jiān)控器的反饋，協(xié)助患者站立、行走和爬樓;后者主要用于治療中心的臨床康復(fù)，為癱瘓患者提供運(yùn)動(dòng)和康復(fù)療程。ReWalk受先進(jìn)的腕戴控制器控制，可監(jiān)測(cè)和引導(dǎo)患者的行走;同時(shí)配備有體感芯片，在行走過(guò)程中能實(shí)時(shí)感應(yīng)患者重心的變化，讓步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生正確的轉(zhuǎn)向，并能根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整行走的速度與姿態(tài)。2015年，ReWalk Robotics推出了第六代個(gè)人版產(chǎn)品ReWalk Personal 6.0，如圖3所示。為了減少患者佩戴的負(fù)擔(dān)，ReWalk Personal 6.0使用了更為輕盈的塑料材質(zhì)，并將背負(fù)式電池倉(cāng)改為安裝在臀側(cè)部位，在降低負(fù)重感的同時(shí)增加了穿戴舒適度和步態(tài)控制能力[3]。

2007年，新西蘭Rex Bionics公司研制出一種無(wú)支撐式獨(dú)立行走康復(fù)外骨骼機(jī)器人Rex，如圖4所示。Rex采用多處尼龍搭扣和寬腰帶將患者的身體和外骨骼裝置固定在一起，并用腰間的兩個(gè)操縱桿進(jìn)行姿態(tài)控制，與其他所有康復(fù)外骨骼機(jī)器人不同的是，Rex康復(fù)外骨骼機(jī)器人不需要拐杖支持，患者可利用雙手工作或進(jìn)行其他活動(dòng)，適用于更廣泛的用戶群體[4]。

在2018年的CES Asia上，本田展示了一款新研發(fā)的康復(fù)外骨骼設(shè)備“Honda步行助手”（Honda Walking Assist），如圖5所示，主要針對(duì)醫(yī)療體系里需要康復(fù)訓(xùn)練的患者以及行動(dòng)不便的老年人而設(shè)計(jì)。Honda步行助手分為腰帶和外骨骼兩部分，內(nèi)嵌的角度感應(yīng)器可以感知到步行時(shí)髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)傳輸至處理器內(nèi)進(jìn)行分析，引導(dǎo)髖關(guān)節(jié)的屈曲使下肢擺動(dòng)，并引導(dǎo)伸展動(dòng)作使下肢踢出。在整個(gè)行走過(guò)程中，Honda步行助手可以記錄使用者的步行參數(shù)，包括雙腿步距、步頻、擺角等信息并與手機(jī)APP相連，方便醫(yī)生和醫(yī)護(hù)人員查看，進(jìn)而糾正和幫助使用者行走。

2 ? ?國(guó)內(nèi)研究狀況

哈爾濱工業(yè)大學(xué)自2010年開(kāi)始，在國(guó)家“863計(jì)劃”等項(xiàng)目的支持下，研制了多種用途、不同系列的外骨骼機(jī)器人[5]。其中，下肢助力外骨骼機(jī)器人是一種供人穿戴的人機(jī)一體化機(jī)械裝置，如圖6所示，其通過(guò)機(jī)器人提供助力，增強(qiáng)人體肌能，適合助老助殘或輔助重體力勞動(dòng)者的日常作業(yè)，還可以作為一個(gè)子系統(tǒng)被應(yīng)用到多種領(lǐng)域，如地震救援系統(tǒng)、單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)、極地科考系統(tǒng)等。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)未來(lái)將在剛?cè)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)、多傳感智能融合、人機(jī)智能交互、腦機(jī)智能控制等方面開(kāi)展深入研究，使外骨骼機(jī)器人真正進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域。

2011年，中科院和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)共同研制出了一種下肢外骨骼機(jī)器人[1]，如圖7所示。該外骨骼機(jī)器人在人體下肢的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、足底等部位設(shè)置了相應(yīng)的自由度，并在膝蓋和髖關(guān)節(jié)等位置配備傳感器和編碼器，外骨骼機(jī)器人“讀懂”使用者的思想后，控制機(jī)器人相應(yīng)的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)腿部運(yùn)動(dòng)，從而幫助使用者行走。

尖叫科技公司成立于2015年，是一家致力于人工智能外骨骼機(jī)器人研發(fā)的高科技企業(yè)。2016年，該公司設(shè)計(jì)了一種開(kāi)放式康復(fù)外骨骼機(jī)器人，如圖8所示，該平臺(tái)主要由兩部分組成：由環(huán)境傳感器、人體傳感器和動(dòng)力結(jié)構(gòu)構(gòu)成的硬件，由人機(jī)交互指令與算法和云端引擎構(gòu)成的軟件。該裝置續(xù)航能力強(qiáng)，持續(xù)工作時(shí)間至少一周，具有身隨意動(dòng)的自動(dòng)反應(yīng)能力和承載能力，并且可以實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)行走、爬坡爬樓、自平衡等基本功能。未來(lái)，尖叫科技公司項(xiàng)目的目標(biāo)是盡快超越ReWalk，實(shí)現(xiàn)無(wú)需拐杖輔助的自平衡康復(fù)外骨骼機(jī)器人制造[6-7]。

3 ? ?發(fā)展趨勢(shì)

雖然目前各國(guó)在康復(fù)外骨骼助力機(jī)器人的研制上成果豐碩，并已少量投入市場(chǎng)，但大多數(shù)康復(fù)外骨骼機(jī)器人尚存在成本較高、設(shè)備笨重、智能性和可靠性較低等缺陷，距離大規(guī)模市場(chǎng)化差距較大。隨著人工智能、傳感、生物醫(yī)學(xué)等先進(jìn)技術(shù)的高速發(fā)展，新型康復(fù)外骨骼機(jī)器人將朝著成本親民化、高度智能化、輕型柔性化等方向前進(jìn)。

3.1 ? ?成本親民化

康復(fù)外骨骼機(jī)器人進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)的最大阻礙是高成本問(wèn)題，目前市面上康復(fù)外骨骼機(jī)器人售價(jià)普遍在10萬(wàn)～15萬(wàn)美元，硬件復(fù)雜、材料昂貴、難以量產(chǎn)等問(wèn)題使得其價(jià)格居高不下。強(qiáng)度高、疲勞性能好的新型材料的研發(fā)和選用成為康復(fù)外骨骼機(jī)器人降低成本的必經(jīng)之路。此外，高精度傳感器、微型電動(dòng)機(jī)、高儲(chǔ)能電池等元件的技術(shù)研發(fā)和量產(chǎn)也將大大降低設(shè)備成本[3]。

3.2 ? ?高度智能化

康復(fù)外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)通常是通過(guò)各部位傳感器的信號(hào)反饋，經(jīng)過(guò)算法處理，最終驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過(guò)程對(duì)傳感器的精度、算法的準(zhǔn)確度都提出了很高的要求。隨著傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，未來(lái)外骨骼系統(tǒng)將會(huì)在第一時(shí)間感知到周?chē)h(huán)境的變化[8]，并能實(shí)現(xiàn)多路信息及時(shí)有機(jī)的融合，同時(shí)需要高性能的驅(qū)動(dòng)器根據(jù)指令及時(shí)作出正確響應(yīng)[3]。

3.3 ? ?輕型柔性化

在設(shè)備支撐架材料方面，目前國(guó)外多選擇航空硬鋁合金（HAL-5）、鈦合金（HULC）、復(fù)合材料（eLEGS）等[4]，大多體積較大，比較笨重，影響穿戴舒適性，而且會(huì)帶來(lái)有效載荷和承載效率低下、等效慣性大、響應(yīng)速度慢等問(wèn)題[9]。設(shè)備材料的輕型柔性化成為康復(fù)外骨骼系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。ReWalk Personal 6.0的支持架采用新型塑料材質(zhì)，降低了制造成本的同時(shí)也提高了設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

康復(fù)外骨骼機(jī)器人作為一種輔助機(jī)械裝置，融合傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)技術(shù)等多項(xiàng)學(xué)科前沿技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣泛。國(guó)內(nèi)針對(duì)康復(fù)外骨骼機(jī)器人的研究雖起步較晚，目前較國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品仍有一定差距，但也有部分樣機(jī)和產(chǎn)品問(wèn)世。在康復(fù)外骨骼機(jī)器人未來(lái)的研究進(jìn)程中，需要在新型輕質(zhì)材料、高儲(chǔ)能電池、高精度傳感器、優(yōu)化智能算法等方面進(jìn)一步提升技術(shù)水平。相信在不久的將來(lái)，康復(fù)外骨骼機(jī)器人能夠真正走向大眾、服務(wù)大眾。

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收稿日期：2020-02-14

作者簡(jiǎn)介：劉恒（1999—），男，江蘇南通人，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。