下肢外骨骼康復機器人的研究進展及發展趨勢

韓稷鈺，王衍鴻，萬大千

同濟大學附屬同濟醫院骨關節科，上海 200065

近年來，世界人口老齡化問題日益嚴重，運動系統損傷、腦血管疾病以及脊髓損傷等疾病造成的患者下肢運動功能障礙的情況大幅增加。下肢運動功能障礙會嚴重影響該類患者的生活質量，因此安全且高效地恢復運動功能是目前面臨的至關重要的問題［1］。失去行動能力的患者絕大部分局限于久坐甚至臥床的生活方式。而缺乏運動會增加心血管并發癥、呼吸系統并發癥、胃腸和膀胱功能障礙、肌肉萎縮、肥胖、骨質疏松和壓瘡等次級健康風險，進而會降低患者的預期壽命［2-6］。因此，下肢運動功能障礙患者的康復訓練是非常值得重視的問題。

下肢外骨骼機器人一般指可穿戴的機器人，是一種涵蓋了生物力學、機械學、材料學、機器人學、仿生學、計算機學等諸多技術的綜合體［7］。其最早在軍事領域為了滿足提高作戰能力，增強士兵防護水平，減少能量消耗等需求而研發出來［8］。隨著科技的發展和社會老齡化問題的凸顯，可穿戴下肢外骨骼機器人逐漸應用于康復醫學領域。目前，下肢外骨骼機器人主要針對患者的康復訓練，可以協助患者的日?；顒?、功能和步態的訓練等。其結構設計從人體仿生角度出發，不僅為穿戴者提供保護、支撐、助力等作用，還兼具重量輕、體積小、穿戴便攜等優點［9-11］。

本文結合國內外文獻，對下肢外骨骼康復機器人的關鍵技術和臨床應用的國內外現狀進行綜述，以期為該領域的研發與應用提供參考。

1 下肢外骨骼康復機器人關鍵技術

可穿戴下肢外骨骼機器人所涵蓋的學科包括材料學、機器人學、生物力學、人體工程學、計算機學、仿生學等。其還涉及了傳感器技術、控制理論技術、驅動技術、人機交互技術、信息處理分析技術、人工智能技術等高新技術，是一個多學科交叉的高精尖的技術產品。目前，通過國內外大量研究成果可以看出，其研發生產過程中主要包括以下幾個關鍵技術。

1.1 感知系統

感知系統與人機交互系統相輔相成，要想達成人機交互的前提是迅速、精確地識別、分析、處理人體的運動意圖，然后傳達到控制系統，進一步通過驅動系統使外骨骼機器人完成對應動作。感知系統包括壓力傳感器、角度傳感器、肌電傳感器等等。下肢外骨骼康復機器人主要是通過各類傳感器收集使用者關節處的運動、步態信息，分析出一段時間內關節的運動變化規律，再重新運用到外骨骼對應的關節上，完成使用者個性化的關節運動和步態訓練計劃。下肢外骨骼康復機器人為了能夠更精確地識別人體運動意圖，僅靠一個或一類傳感器是不能滿足需求的。多模態信號感知系統是目前的研究熱點，能夠將感受器接受的多種信號綜合編輯傳達運動信息，使控制系統能夠精確判斷使用者的運動模式，進一步給予最安全、及時、合適的決策。王海蓮［12］提出了3 種感知方法的混合控制策略：①腦電信號超前識別動作方向。②表面肌電信號識別下肢動作模式。③光纖動作捕捉技術實施反饋位置和姿態，最終綜合后應用于外骨骼系統。感知系統對使用者的運動完成實時準確的識別，是確保高精度、高流暢度的切換運動模式的前提，在此基礎上輔助下肢運動障礙的患者更好地實現康復訓練。

1.2 控制系統

可穿戴機器人的控制系統主要是負責制定決策，決定外骨骼機器人的性能和功能。外骨骼的控制類型可以分為基于位置的控制、基于力信息的人機交互控制、基于生物電信號的人機交互控制和智能控制［13］。當外部信息和使用者步態信息給予機器的反饋復雜難辨時，控制系統需要做出決策。外骨骼機器人在康復訓練應用時，對于控制系統的要求有：準確性、及時性、實時性、個性化。設計控制系統的原則首先要對使用者生理和運動信息響應迅速、降低成本和復雜程度、降低行走干涉、簡化控制策略、降低人體行走代謝［14］。通過對外骨骼康復機器人的精確控制，不僅可以提高訓練效果，而且可以避免出現對使用者的二次傷害。

1.3 驅動系統

驅動系統是外骨骼機器人的核心動力，根據驅動方式不同可以分為電機驅動、液壓驅動和氣壓驅動［15］。目前研究最廣泛的仍是電機驅動，其優點在于結構簡單、扭矩大、不需要能量轉化、控制相對靈活等。最嚴重的缺點是體積大、質量大、整體較笨重。液壓驅動是將油壓泵產生的壓力轉變為機械能以提供動力。液壓驅動的優點包括慣性小、反應速度快、可靠性高、功率密度大、傳動穩定等。但是由于其成本高、噪聲大、污染環境、傳動效率相對較差等缺點，國內外對其研究相對較少。與前兩者相比，氣壓驅動的原理是壓縮氣源所產生的空氣來提供動力。氣動驅動的優勢在于體積小、質量小、成本低、柔順特性好、結構簡單、易于操作。氣壓驅動的下肢外骨骼康復機器人能夠給穿戴者提供高效率、低能耗、低成本的康復訓練。其缺點主要是動力小，控制不穩定。盡管氣壓驅動應用到實際中產品相對較少，但在下肢外骨骼機器人未來發展中具有巨大潛力。

1.4 人機交互系統

人機交互系統是一個雙向通信系統，用來將使用者預定的運動信息傳輸到外骨骼轉化為動力進行運動，與此同時也將外骨骼的動力運動信息反饋給使用者，主要分為2 大類。第1 類是運動學信息感知與交互，主要感知使用者與外骨骼機器人之間的交互信息。外骨骼康復機器人一般通過多種傳感器來反映出使用者即時的關節角度、角速度、人機交互力、運動加速度和步態模式等信息，可以保證其穩定性、安全性和連續性。第2 類是人體的生理信息感知與交互，主要是通過腦電信號和肌電信號［16］。腦電信號是通過腦-機接口將頭皮腦電位（electroencephalogram，EEG）進行傳遞［17］，其優點在于實用性好、信號傳輸快、應用廣泛、便攜性好等。肌電信號是人體中樞神經系統支配的神經肌肉的動作電位，其先于骨骼肌收縮發生，可以比運動信息更快感知到使用者運動意圖［18］。表 面 肌 電 信 號（surface electromyogram，sEMG）通常是利用粘貼于皮膚表面的貼片電極進行檢測，判斷肌肉的活動，識別下肢運動模式并進一步控制外骨骼適應并糾正肢體的運動［19］。隨著人工智能技術的發展，交互的方式變得更加高級且簡單。可以通過簡單的手勢、直接通過語言甚至腦電信號與機器進行交互。這些智能化、人性化的交互方式本質上都是為了確保使用者與外骨骼機器人的高度契合，保持協調一致，最終達到理想的康復效果。

1.5 能源系統

無論下肢外骨骼機器人的研發融入了何種新技術，能源問題都是不可避免要面對的重要問題。作為康復領域研究熱點的可穿戴下肢外骨骼康復機器人，其能源的容量大、續航時間長是核心，其次還應該具有便攜、環保、可持續利用等特性。目前下肢外骨骼機器人最廣泛應用的能源動力系統是電池-電動機驅動系統。常用的電池類型一般為蓄電池、可充電鋰電池或燃料電池等。但是電池的體積、質量、容量和效率等限制是其目前不可避免的缺點［20］。所以在能源問題上，可以從3 個角度考量：①在電池特性方面，設計出輕便、續航時間長且安全性高的電池。②可以考慮引入新的能源技術，如太陽能。③降低外骨骼使用的功耗并設計出可循環持續利用的能源系統等［21］。

2 臨床應用

2.1 國外現狀

國外對外骨骼機器人的研發相對較早，最早可追溯到1890 年Yagn 設計的Assisted-walking Device。隨著科技的進步，外骨骼機器人技術逐漸成熟，從實驗階段到商業產品化，逐漸代替了傳統康復器材。下面概述不同國家的外骨骼機器的進展。

美國Parker Hannifin 公司研發的可穿戴機器人［22］在2016 年獲得FDA 批準，自質量為12 kg，續航時間為1 h，可以幫助下肢功能障礙的患者進行中后期康復。其可以通過傳感器檢測患者的平衡狀態來控制體位變化，使外骨骼跟隨人體運動。多種模式不僅可以實現坐、立、走的切換，還可以改變行走時的步長、步速和步態［23-25］。美國Ekso Bionics 公司研發的Ekso GTTM外骨骼機器人，自質量為23 kg，續航時間為24 h，可以根據穿戴者的需求不同，為患者設置個體化且自然的步態。該類機器人主要側重腦卒中和脊髓損傷等重癥患者康復治療［26］。美國加州SuitX公司也研發出可穿戴下肢外骨骼機器人Phoenix［27］，自質量為12.5 kg，續航時間為4～8 h；其采用了模塊化的設計方案，從髖、膝、腳3 個部位設計了對應的模塊，穿脫和組裝均更方便，同時也可以單獨或自由組裝使用［28］。美國哈佛大學先后研發并更新了3 代柔性下肢可穿戴外骨骼機器人Soft Exosuit［29］：第1 代選擇氣驅動，是通過氣動肌肉輔助關節扭矩產生助力；第2 代則采用柔性紡織材料，無需主動驅動也可提供輔助力矩；第3 代采用柔性紡織帶連接和繩-滑輪驅動方式進行助力，主要能夠改善“足下垂”［30］。

日本Cyberdyne公司研發的HAL機器人，自質量為23 kg，續航時間為160 min，于2013 年獲全球安全認證后進行批量產出［31］。HAL 具有生物意識控制和自主意識控制2 個系統。其中，生物意識控制系統通過采集使用者的肌電信號來判斷穿戴者的意圖，進一步控制外骨骼的運動；自主控制系統是通過系統所存儲的模型來完成同時記憶助力運動［32］。KADONE等［33］評估了HAL機器人在壓迫性脊髓病而導致的步態障礙患者的應用效果；患者完成HAL 訓練階段后，步態得到改善，恢復接近正常的關節輪廓，關節活動范圍更大，行走速度更快，步長更大。日本藤田保衛大學設計研發了Wearable Power Assist Locomotor（WPAL），其特點在于外骨骼內側有滑輪軌道，外側有人機接口，可以連接輪椅并在輪椅上使用［34］。

以色列ReWalk Robotics 公司研發的ReWalk 外骨骼機器人，是第1 批用于醫療的外骨骼機器人［35］。其可以通過計算機控制系統和傳感技術判斷使用者的行動意圖，進一步控制外骨骼機器人做出調整，使其與人體協調，完成康復訓練［36］。AWAD 教授等［37］將該外骨骼機器人應用于44 名患有中風后偏癱的患者。結果表明，在有執照的物理治療師的指導下使用時，ReStoreTM軟式外裝護具可安全可靠地用于中風后步態康復期。當患者在跑步機和地上行走時，該類外骨骼機器人能夠為麻痹性踝關節的患者完成跖屈和背屈提供有針對性的幫助。

荷蘭特溫特大學研發了MindWalker 可穿戴外骨骼機器人，質量達28 kg，但可以輔助支撐截癱患者完成行走，提高適應性和舒適性［38］。西班牙Technaid 公司研發出Exo-H3 外骨骼機器人，自質量僅14 kg，框架靈活，驅動電動機小巧［39］。其主要通過儲存步態數據來驅動關節活動。該產品具有無線網絡連接（wifi）和藍牙連接功能，用戶可通過手機進行操控。其在幫助下肢功能障礙的患者康復和行走的同時，還可以個性化地制定策略［40］。

2.2 國內現狀

我國在該領域的研究與西方國家相比較晚。最初我國的外骨骼研究都主要局限于實驗階段。隨著我國科技和經濟的發展，外骨骼機器人技術逐漸接近了國外水平，逐步將研發的產品投入生產，應用于康復醫療領域。

北京大艾機器人科技有限公司研發出可穿戴的外骨骼Ailegs 艾動。Ailegs 外骨骼機器人設計的目的主要為了骨關節術后運動恢復、脊髓損傷、腦損傷、癱瘓、腦卒中、肌無力等患者的個性化需求［41］。Ailegs艾動可以輔助患者恢復自然步態，以真實、正確的行走姿態進行訓練。

上海傅利葉智能科技有限公司推出了Fourier X2可穿戴下肢外骨骼機器人，是Fourier X1 的升級版［42］，主要用于輔助行走、康復訓練、強化運動功能等方面。其具有多傳感融合技術、運動控制系統及動力單元，可以智能分析使用者意圖，根據運動軌跡和速度等外部力學環境動態調整動力輸出。其核心的反饋控制算法，也可以依據動態環境以及著力點用力大小進行實時調整。

浙江大學研發的一款可穿戴機器人使用的驅動方式是液壓驅動，自質量僅為5.355 kg，無需輔助支撐，以髖、膝為主動關節幫助患者康復訓練［43］。其采用特有的人機交互系統和算法，自適應模糊控制來提高外骨骼的控制精度和控制性能。東南大學研發出QEPLEX，其應用主要是針對下肢兩側肌力不等患者的康復訓練［44］。哈爾濱工業大學研發的HIT-LEX 采用模塊化設計和準擬人化結構［45］，續航時間可達2 h，可以支撐患者在復雜的環境負重行走。香港中文大學研發的CUHK-EXO，特色在于將外骨骼機器人的控制系統設計成采用離線和在線修改的綜合體，可以實時根據實地情況進行數據收集、修改后再應用［46］。

中科院深圳先進技術研究所研制出外骨骼機器人Auto-LEE，多達10 個自由度。該外骨骼不僅將助力關節分別獨立驅動，而且在融入多模態人機交互基礎上直接采用模塊化結構概念。該機器人既可以保持使用者在無輔助支撐情況下的行走平衡，還增加了3 種步態算法［47］。

3 總結與展望

隨著社會老齡化問題的日益嚴重，下肢運動功能障礙患者不斷增加，下肢外骨骼康復機器人毫無疑問將在治療、輔助行走和肌肉骨骼康復中發揮重要作用。外骨骼機器人在康復領域近10 年已經取得了突飛猛進的成果。隨著科技的發展和經濟社會的需求，未來發展的外骨骼康復機器人需解決很多技術難題，如穿戴的便攜性、智能化操控、模塊化結構設計等［48-49］。穿戴便攜性是為了方便穿戴者使用，既往已經研發的外骨骼機器人多數比較笨重，不便于使用者穿戴和使用。從材料方面，設計外骨骼框架應考慮具備低密度、高強度和韌性等特點，如碳纖維。外骨骼的某些部位可以通過3D 打印技術制作。同時，隨著能源技術的發展，應考慮應用體積小、效率高、功率質量比高的能源，以減輕使用者的負擔。

隨著人工智能技術的不斷發展，外骨骼機器人的設計應該將人工智能充分納入，以盡可能減少康復治療師的工作量。而且人工智能操作簡單，能夠智能化驅動和控制外骨骼，同時給予使用者更加舒適的體驗感和人性化的康復訓練。模塊化設計即將整體的外骨骼機器人按區域或功能進行模塊劃分，不僅大大降低成本，而且在功能獨立性方面更有針對性。將整體復雜的產品和系統分割成模塊可以使操控精度提高，更有利于后續的研發、使用和維修［50］。

研發下肢外骨骼康復機器人應重點關注外骨骼的使用材料、模塊化設計、人機交互界面、云端數據、安全性、智能化、能源效率和成本效益等方面。這些方面是下肢外骨骼康復機器人能夠更廣泛應用于臨床的未來研究方向。