下肢外骨骼康復機器人的研究現狀和發展趨勢

李薇，鄭鵬遠，4，丁嬋嬋 ，李魯亞，李立國，，4，張凌曦

（1.鄭州大學第五附屬醫院，河南 鄭州 450001；2.鄭州衛生職業健康學院，河南 鄭州 450001；3.鄭州安杰萊智能科技有限公司，河南 鄭州 450001；4.遵義市院士工作中心，貴州 遵義 563000）

下肢外骨骼康復機器人是機器人領域的一大熱點分支。隨著現代醫療水平的高速發展與提高，腦中風、腦外傷和脊髓損傷導致的死亡率相對降低，人均壽命普遍延長。然而，隨之而來的人口老齡化問題日益凸顯，腦血管病和脊髓損傷等疾病帶來的致殘率也在逐年升高，相關的康復治療需求隨之日益增加，尤其對于疾病引起的偏癱，截癱等下肢功能不全的患者的主動與被動肢體功能改善、代償與替代問題。最近的研究表明，中樞神經系統可以在受傷后進行修復重組，在神經功能恢復方面，有意義的神經組織重組取決于康復訓練期間的運動情況。但只憑借康復醫師與康復治療師的人工康復治療訓練，會受到治療成本高、實施場地與設備要求嚴格和醫患比例緊張的制約而帶來不太理想的治療效果。因此，對于不斷增長的康復訓練服務需求，康復機器人技術致力于解決傳統康復治療的弊端。下肢外骨骼康復機器人可設計用于臨床提供給完全或不完全下肢肢體功能不全的患者進行肌肉訓練，促進患者恢復運動與感覺功能，提高神經可塑性，代償或替代失能下肢功能，提高患者的日常生活活動能力，幫助患者重返家庭和社會，提高其生活質量和幸福指數，從而減輕家庭與社會的沉重負擔。此外，下肢外骨骼機器人也可轉化為助力工具，設計應用于正常的健康人群，幫助戰場士兵和各個需要承重行業的工作人員完成快速行進運動與承重負荷卸荷的作業任務。因此,下肢外骨骼機器人研究與發展對于醫療、軍隊與日常生活有著深遠的積極意義。本文主要介紹下肢外骨骼康復機器人的國內外研究現狀，論述其目前存在的問題，展望其發展方向。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

有關于康復醫療機器人的研究最早可追溯至1890年，俄羅斯人Yagn 以空氣包為動力，設計了一款用于增強健康人跑跳能力的類外骨骼輔助行走裝置—Assisted-Walking Device，并申請了專利。雖然該項目裝備未能成功進入實施實用階段，但這個概念想法激發了人們對外骨骼康復機器人在增強人體運動機能方面的思考與研究。1960 年，最早的外骨骼機器人概念與相關項目出現。1965 年，美國通用電氣公司與康奈爾大學合作研制出的全身外骨骼機器人Hardman，包含了30個關節自由度，使用者可舉起約1500 磅的重物，極大展現了外骨骼機器人在提高人類行走與負荷能力的可能性。1974 年，南斯拉夫科學家Vukobratovic，M 系統地提出了下肢動力外骨骼設計理論與方法，研制出了用于截癱患者的外骨骼試驗機—Active anthropomorphic exoskeleton，對之后的外骨骼康復機器人的研究奠定了深厚的基礎。20 世紀80 年代，外骨骼機器人的研制與應用得到了全球普遍的高度重視。外骨骼康復機器人在醫療、工業與軍事領域開始了全面發展。2001 年，瑞士蘇黎世聯邦工業大學醫學院與HOCOMA 公司合作研制出的減重式腿部驅動下肢外骨骼康復機器人Lokomat，在康復機器人領域實現了一個階段性的質的飛躍。該裝置電機與滾珠絲杠組合作為驅動輸入機構，使用跑步機與患者的雙足進行交互，進而帶動使用者的大小腿做有規律的周期性擺動，使得使用者擁有更自然的行走體驗。作為同類產品的先驅，Lokomat 實現了多種主被動訓練策略，是一款能夠提供即時反饋與評估的步態訓練機器人，對中風、脊髓損傷、創傷性腦損傷、多發性硬化癥等神經系統疾病患者有良好的康復效果。但其動力模型復雜，操作較為困難,并且存在體積過于龐大，價格昂貴等一系列問題，遠遠超過大部分患者的承擔能力。2006 年，由德國WOODWAY 公司研發的名為Lokohelp 的下肢康復訓練機器人，在跑步機傳遞運動的設計思想基礎上運行。與Lokomat 相比，Lokohelp 的結果和步態評估系統與Lokomat 相似，但其成本明顯降低，驅動方式也更加簡便。然而，LokoHelp 裝備的足部訓練軌跡固定且較難調整，無法改變步長，是它的一個標志性的缺點。

進入21 世紀，國外的外骨骼機器人技術已經逐步達到全面發展的階段。從研發到應用，目前外骨骼機器人的研究發展已經走過了一百年。雖然眾多企業高校尚處于研究開發與臨床試驗階段，但仍有部分公司已經開始實現外骨骼機器人的市場產品化發展，可移動式外骨骼機器人逐漸打開市場。其中以美國的研究規模最大，技術較為發達成熟，其次為歐洲，日本等。當前，有5 種此類系統已獲得美國食品藥品監督管理局(US Food and Drug Administration,FDA)批準，允許其在美國生產使用：分別為以色列Barrett Medical的Rewalk， 美國Ekso Bionics 的Ekso GTTM、 美國Parker Hannifin 公司的IndegoTM、日本Cyberdyne 公司的Hybrid Assisted Limb(HAL)和美國SuitX 公司的可穿戴下肢外骨骼機器人Phoenix。每個系統都有特定的包含和排除標準，并且已經在不同的環境中進行了測試。以上五種外骨骼康復機器人都屬于II 類醫療設備。ReWalk和Indego的系統已獲批準在社區和機構中使用，而Ekso 已被批準在僅受過訓練的醫療監督的醫療機構中使用，尚未在美國獲得批準。HAL 于2018 年正式獲得美國食品及藥物管理局(FDA)批準。Phoenix 已于2019年獲得FDA 批準，計劃2020 年上市。

1.2 國內研究現狀

我國在外骨骼機器人研發與應用方面起步較晚，21世紀初才開始陸續進行研發。但隨著我國綜合實力的提升，機器人研制技術的愈發成熟，已經有出現一批專門研發外骨骼機器人的公司，并將所研發的機器人投入市場商業化。并且隨著國內5G 技術，主動健康技術和3D掃描打印技術的快速發展，我國在康復機器人的研制開發與商業化方面有望彎道超車歐美與日本相關領域，步入世界領先梯隊。目前，在穿戴式下肢康復機器人方面，我國取得一定研究成果的單位有北京大艾機器人科技有限公司、杭州程天科技發展有限公司、中航創世機器人（西安）有限公司、布法羅機器人科技（成都）有限公司、上海傅利葉智能科技有限公司、尖叫科技有限公司、中國科學院深圳先進技術研究所、浙江大學、上海交通大學、哈爾濱工業大學、香港中文大學、東南大學等。當前已有4 家公司獲得國家食品藥品監督管理總局(China Food and Drug Administration, CFDA)批準，分別是北京大艾科技公司、布法羅機器人科技公司、中航創世機器人公司和杭州程天科技發展有限公司。整體來講，國內的相關外骨骼機器人團隊均取得了一定的研究成果，但距離市場化銷售還有一段距離。

2 存在問題、發展趨勢

2.1 存在問題

下肢外骨骼康復機器人已成為當前研究熱點，國外研究起步早，技術較為成熟，國內處于起步階段，技術亟待突破。目前存在的主要問題如下。

（1）下肢外骨骼機器人實際推廣應用困難。目前，下肢外骨骼機器人的人機耦合技術、可穿戴性、成本問題是制約下肢外骨骼康復機器人發展推廣應用的瓶頸問題。雖然下肢外骨骼康復機器人的研究發展日新月異，大量國內外研究機構和企業投入該領域的研究，但是，下肢外骨骼康復機器人仍處于人機被動交互模式，重量高于20kg、靈活舒適穿戴性差，每臺價格高達350 萬人民幣，導致下肢外骨骼康復機器人的推廣與應用實際上仍處于實驗室階段或是極少數人的昂貴消費品。

（2）基于主動健康技術的大腦主動意圖識別與控制技術亟待突破。在國內外下肢外骨骼康復機器人研發領域中，基于主動健康技術的大腦主動意圖識別與主動運動控制技術是當前的核心熱點技術，該技術能夠實現患者大腦主動運動意圖控制下的失能下肢主動運動，真正實現患者的獨立行走與生活自理，在下肢外骨骼康復機器人研發領域具有革命性的意義。目前，全球僅有日本公Cyberdyne 掌握該技術，但該公司研發的HAL 設備針對個體大腦主動動作意圖適配需要60 天，嚴重影響患者使用。并且HAL 僅限于日本和歐美地區銷售，對我國形成技術壟斷和技術封鎖，產品生產亟待國產化。

（3）5G+智慧技術優勢未能夠充分發揮。5G 無線傳輸網絡具有高速、高頻傳輸，穩定性強的優勢，直接帶動了物聯網的發展，這為下肢外骨骼康復機器人實時無線物聯鏈接創造了成熟條件。同時，數據挖掘處理技術、機器深度學習、AI 智能技術等智慧技術的迅猛發展為下肢外骨骼康復機器人相關信息數據庫的建設、大數據融合處理及智慧控制等功能的實現打下了技術基礎。5G+智慧技術在下肢外骨骼康復機器人領域應用具有廣闊的空間，是當前康復工程領域發展的必然趨勢。但目前下肢外骨骼康復機器人行業整體仍未能充分利用5G+智慧技術的優勢。本項目團隊基于5G+智慧處理技術，擬實現下肢外骨骼康復機器人與患者、康復師和技術支撐平臺實時在線溝通和信息共享，并建立患者健康信息和設備使用信息大數據庫，采用數據驅動技術，實現康復治療方案和設備性能持續優化。

2.2 發展趨勢

基于上述問題，下肢外骨骼康復機器人的研發將呈現以下發展趨勢。

（1）采用3D 掃描打印技術與創新材料，降低下肢外骨骼康復機器人自重，實現輕量化可穿戴式設計，大幅生產成本，實現下肢外骨骼康復機器人的規模化推廣與應用。

（2）攻克基于主動健康技術的大腦主動運動意圖識別與控制技術，使下肢外骨骼康復機器人快速準確識別并執行使用者大腦主動動作意圖，實現失能或半失能下肢實時主動運動。

（3）集成5G+智慧處理技術，實時采集使用者康復治療動態信息和外骨骼機器人自身運行信息，自動生成高效訓練方案，建立相應大數據庫，基于數據驅動技術，實現患者治療方案與裝備性能持續優化。

3 結語

國外在下肢外骨骼康復機器人領域發展較早，技術較為成熟，并且相對于國內存在一定技術壟斷的問題。我國關于下肢外骨骼康復機器人的研究起步相對較晚。但近年來隨著我國主動健康技術、5G 智能網絡技術和3D 打印技術的迅猛發展，國內機器人相關領域技術不斷成熟，我國在下肢外骨骼康復機器人領域得到了全方位的高速發展，在一定程度上取得了豐碩的成果，并逐漸縮小與國外下肢外骨骼機器人領域之間的差距，甚至在有些方面開始逐步趕超國外。外骨骼的控制方法、對人體下肢運動的跟蹤技術與人機耦合技術還有待研究，目前國外的研究也主要集中在這方面。為了更好地實現康復訓練，我國在可穿戴下肢外骨骼康復機器人領域的研發上應注重人體意圖識別方法，融入5G ＋智慧處理技術，并建立完善的康復評價大數據庫。整體上提高穿戴下肢外骨骼康復機器人的功能、性能和安全性，同時，降低下肢外骨骼康復機器人的成本，更好更快地推向市場發展，使得下肢外骨骼康復機器人更多地幫助康復醫師和患者，在康復醫療領域普遍使用將是一個亟待進行的發展趨勢。