淺談醫療外骨骼康復機器人的發展

張洋

摘 要 隨著經濟的飛速發展，國家醫療水平也在不斷提升，各種輔助患者康復的外骨骼康復機器人也應運而生。外骨骼康復機器人在外觀上和人體生理構造相去不遠，患者可以穿著在身體外側，對患者日常康復訓練效果的提升大有裨益。隨著近些年人工智能的火熱興起，醫療外骨骼康復機器人的發展，以及將迎來新的時代機遇。

關鍵詞 外骨骼康復機器人;發展現狀;未來趨勢

“外骨骼”一詞最初來源于生物學，用以形容昆蟲身體結構。而外骨骼機器人的研究發展，最初是為了提升士兵負重能力的，隨著各國醫療水平的不斷增長，外骨骼康復機器人在輔助病人康復訓練方面的效果，也越來越受到關注，在改善患者行走障礙、中風等康復訓練中有很好的治療效果。現階段，外骨骼康復機器人在國外研究較為成熟，我國尚處在起步階段，在對外國經驗取長補短的同時，自身也即將迎來快速發展期。

1 國外研究現狀

以日本和以色列為例。早在1995年，日本筑波大學研究中心就已經開始了外骨骼動力服的研制，該研究最初是為了幫助運動障礙患者提升康復運動的治療效果。這種機器人是一種行走用機器人，可以由患者穿在身上，如果患者想要行走，機器人傳感器就會捕捉到患者大腦中發出的生物電信號，激活伺服系統，令電動馬達受到感應產生肢體動作。這種外骨骼機器人的使用者不但在正常生活方面毫無障礙，而且提拎重物、攀爬等具備一定難度的動作也絲毫無礙。在2004年，Cyberdyne公司已經生產出了HAL-5產品，相較于普通類型康復機器人，患者可以在康復訓練時更加主動，在機器人刺激人體神經回路的作用下，患者能夠逐漸靠自己力量完成行走動作。

在2011年，以色列ReWalk Robotics公司共推出了兩款外骨骼機器人產品，其中ReWalk Personal個人版可適用各種社交公共環境，使患者在爬樓梯、行走方面毫無障礙;而ReWalk Rehabilitation康復版則更適用臨床康復訓練，在患者康復運動中大有裨益。ReWalk機器人的控制機制，是依靠腕戴控制器實現的，能夠實時監測病患行走情況。內置芯片能夠對病患身體重心變化情況做實時感應，基于行走情況做實時調整。隨著科技的發展，ReWalk Personal在材質上選擇了質地更輕的塑料，將原來背負電池改換位置，在臀部側面安裝，從而充分減少病患負重感[1]。

2 國內研究狀況

從2010年起，哈爾濱工業大學在外骨骼機器人的研究上屢有突破。在人體可穿戴機器人的研制中，下肢助力外骨骼機器人能夠最大程度令人體肌肉能力強化，幫助患者從事重體力勞動完全沒有問題。這種機器人還在多用領域大顯身手，諸如單兵作戰、抗震救災領域，都有極大應用價值。2011年，由中科院主導研制的下肢助力外骨骼機器人，則在髖關節與膝蓋部位配備編碼器與傳感器，使機器人能夠正確理解使用者的行走意圖。

上海理工大學則研制出了坐臥式外骨骼康復機器人，在機器人下肢處，具備三個方向自由度，可實現髖關節、膝關節與踝關節的正常屈伸，令機器人自身復雜度大大減少，大幅提升了機器效率。通過控制驅動器，控制膝關節與髖關節的運動，這個驅動器主要是基于滾珠絲杠副基礎，外加受壓彈簧，實現對人體肌肉運動的有效模擬;而踝關節自由度則是由對拉彈簧實現的，可降低來自外界的沖力，對人體骨骼形成保護[2]。

浙江大學同樣在外骨骼機器人的研制上有所突破，這種機器人能夠滿足多自由度行走。驅動原理為氣動，另外也能加強氣缸位移信號和足底壓力信號的關聯性，對使用者行走需求產生精準判斷。除此之外，也能夠對使用者的理療數據進行詳細記錄，降低理療師的人力成本。

3 未來發展趨勢

3.1 降低人們購買成本

外骨骼康復機器人之所以未能廣泛進入千家萬戶，就是因為高昂的成本使人望而卻步，價格普遍在十幾萬美元，這也勸退了一部分真正有需求的患者。因此為了加大機器人推廣力度，未來研制方向在兼顧強度和疲勞性能的同時，一定會側重降低成本，在傳感器、電池、電動機的開發和生產上做到量產，以此達到降低設備成本的目的[3]。

3.2 高度智能化

當前外骨骼康復機器人系統，主要通過傳感器感應與反饋信號，通過算法對信號進行處理，令馬達產生運動，這對機器人內置算法和傳感器都有較高要求。

而隨著傳感器與人工智能技術如火如荼的發展，外骨骼康復機器人在未來，能夠融合信息，感知環境情況，并第一時間做出類似生物應激性的響應[4]。

3.3 材料趨于輕柔

當前社會背景下，在外骨骼康復機器人的材料支撐架選擇方面，通常會以鈦合金與硬鋁合金為主，不僅外觀較為笨重，而且患者整體的穿戴舒適性也無法滿足，在機器人響應速度上也達不到同步性，影響患者使用體驗。因此未來在材料上會趨于輕柔[5]。

4 結束語

總體來說，外骨骼康復機器人在當前社會背景下，已有較大突破，在各個領域都有巨大的應用價值。未來隨著科技的進一步發展，人工智能等技術的完善，外骨骼康復機器人的發展前景依然廣闊，仍有較高醫療價值與經濟價值有待開發。

參考文獻

[1] 李光林，鄭悅，吳新宇，等.醫療康復機器人研究進展及趨勢[J].中國科學院院刊，2015，30（6）：793-802.

[2] 王一吉，李建軍.一種可提高和改善步行功能的裝置：動力下肢外骨骼系統的設計及應用[J].中國康復理論與實踐，2011，17（7）：628-631.

[3] 魏高峰，田豐，王冬梅，等.基于Hill理論及模糊算法的骨骼肌力建模與仿真[J].中國數字醫學，2011，6（11）：71-74.

[4] 張祥，喻洪流，雷毅，等.國內外飲食護理機器人的發展狀況研究[J].中國康復醫學雜志，2015，30（6）：627-630.

[5] 趙向陽，狄菲菲，尹彥存.一種基于平面連桿機構原理的新型腳踝康復機的設計與研究[J].現代制造技術與裝備，2017（8）：11-12.