劉恒 白澤楊 陳俊宇 李博皓 魏俏俏

摘要：康復外骨骼機器人是一種可穿戴的、模仿人體生理構(gòu)造的醫(yī)療機械裝置，穿戴于患者肢體外側(cè)，輔助患者進行日?；顒雍涂祻陀柧殹＝陙?，人工智能、傳感、生物醫(yī)學等先進技術(shù)不斷發(fā)展，吸引了國內(nèi)外各科研院所、機構(gòu)對康復外骨骼系統(tǒng)進行進一步的研究?，F(xiàn)闡述國內(nèi)外不同控制方式的外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀，并對康復外骨骼機器人的發(fā)展趨勢進行分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：康復外骨骼機器人;現(xiàn)狀;趨勢

0 ? ?引言

“外骨骼”（Exoskeleton）這一名詞最早來源于一個生物學概念，指的是昆蟲等節(jié)肢動物的身體結(jié)構(gòu)。隨著人工智能、傳感、生物醫(yī)學等先進技術(shù)的不斷發(fā)展，外骨骼機器人技術(shù)于近20年間取得了空前進步，且廣泛應用于醫(yī)療、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域。早期對于外骨骼機器人的研究主要是為了提高士兵的行動和負重能力，而隨著醫(yī)療需求的不斷增長，在全球老齡化趨勢加重的背景下，康復外骨骼機器人成為世界各國研究的新方向。這類裝置不僅是中風、脊髓損傷引起的運動障礙康復訓練的重要技術(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題，因而應用潛力巨大。

目前，康復外骨骼機器人種類繁多，廠家主要有以色列的ReWalk公司、美國的Ekso Bionics公司、日本的Cyberdyne公司、Honda公司和新西蘭的Rex公司等。我國對康復外骨骼下肢助力機器人的研究始于21世紀初，目前正處于起步階段。各研究機構(gòu)在參考借鑒國外先進康復外骨骼助力機器人的基礎上，加以自身的創(chuàng)新與研發(fā)，已有不少康復外骨骼助力機器人樣機問世，也有相當不錯的表現(xiàn)。

1 ? ?國外研究狀況

日本筑波大學Cybernics研究中心于1995年研制的原型機HAL（Hybrid Assistive Limb）是一款較早的外骨骼動力服。該外骨骼機器人的設計初衷是幫助年邁者和殘疾人進行康復運動[1]。該康復外骨骼機器人本質(zhì)上是一種可穿戴式行走用機器人，當使用者試圖行走時，大腦會通過神經(jīng)向肌肉發(fā)送電生理信號，HAL通過傳感器可以在人體的皮膚表面捕捉到這種電信號，并激活伺服系統(tǒng)，驅(qū)動電動馬達迅速動作。在HAL的幫助下使用者不僅可以進行正常的日常生活，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。與其他普通康復機器人不同的是，患者使用普通康復機器人只能做被動式運動，對神經(jīng)回路的刺激作用有限;而HAL采用的是主動性訓練，通過機器對神經(jīng)回路的刺激，患者逐步重建大腦和肌肉運動的關(guān)聯(lián)，進而實現(xiàn)自力行走[2]。

2009年，美國伯克利仿生公司與洛克希德·馬丁公司共同利用HULC技術(shù)開發(fā)出智能仿生康復外骨骼機器人eLEGS，旨在幫助殘障人士恢復行走、站立等功能。eLEGS康復外骨骼機械系統(tǒng)通過肩部背帶、背包式夾子和粘扣帶等與人體相連，同時機械框架上安裝有電動機和傳感器，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)提供需要的動力，并能在整個護理過程中激發(fā)患者的潛能。2016年，該產(chǎn)品通過美國食品及藥物管理局（FDA）的許可，成為首個獲得FDA許可的用于中風及偏癱患者的外骨骼設備。

2011年，以色列ReWalk Robotics公司研制出ReWalk Personal個人版和ReWalk Rehabilitation康復版兩款產(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，為癱瘓患者提供運動和康復療程。ReWalk受先進的腕戴控制器控制，可監(jiān)測和引導患者的行走;同時配備有體感芯片，在行走過程中能實時感應患者重心的變化，讓步進電機產(chǎn)生正確的轉(zhuǎn)向，并能根據(jù)實際情況調(diào)整行走的速度與姿態(tài)。2015年，ReWalk Robotics推出了第六代個人版產(chǎn)品ReWalk Personal 6.0，如圖3所示。為了減少患者佩戴的負擔，ReWalk Personal 6.0使用了更為輕盈的塑料材質(zhì)，并將背負式電池倉改為安裝在臀側(cè)部位，在降低負重感的同時增加了穿戴舒適度和步態(tài)控制能力[3]。

2007年，新西蘭Rex Bionics公司研制出一種無支撐式獨立行走康復外骨骼機器人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，并用腰間的兩個操縱桿進行姿態(tài)控制，與其他所有康復外骨骼機器人不同的是，Rex康復外骨骼機器人不需要拐杖支持，患者可利用雙手工作或進行其他活動，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)的康復外骨骼設備“Honda步行助手”（Honda Walking Assist），如圖5所示，主要針對醫(yī)療體系里需要康復訓練的患者以及行動不便的老年人而設計。Honda步行助手分為腰帶和外骨骼兩部分，內(nèi)嵌的角度感應器可以感知到步行時髖關(guān)節(jié)的運動，實時傳輸至處理器內(nèi)進行分析，引導髖關(guān)節(jié)的屈曲使下肢擺動，并引導伸展動作使下肢踢出。在整個行走過程中，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APP相連，方便醫(yī)生和醫(yī)護人員查看，進而糾正和幫助使用者行走。

2 ? ?國內(nèi)研究狀況

哈爾濱工業(yè)大學自2010年開始，在國家“863計劃”等項目的支持下，研制了多種用途、不同系列的外骨骼機器人[5]。其中，下肢助力外骨骼機器人是一種供人穿戴的人機一體化機械裝置，如圖6所示，其通過機器人提供助力，增強人體肌能，適合助老助殘或輔助重體力勞動者的日常作業(yè)，還可以作為一個子系統(tǒng)被應用到多種領(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，研究團隊未來將在剛?cè)嵯到y(tǒng)設計、多傳感智能融合、人機智能交互、腦機智能控制等方面開展深入研究，使外骨骼機器人真正進入實用領(lǐng)域。

2011年，中科院和中國科學技術(shù)大學共同研制出了一種下肢外骨骼機器人[1]，如圖7所示。該外骨骼機器人在人體下肢的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、足底等部位設置了相應的自由度，并在膝蓋和髖關(guān)節(jié)等位置配備傳感器和編碼器，外骨骼機器人“讀懂”使用者的思想后，控制機器人相應的伺服電機轉(zhuǎn)動，帶動腿部運動，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器人研發(fā)的高科技企業(yè)。2016年，該公司設計了一種開放式康復外骨骼機器人，如圖8所示，該平臺主要由兩部分組成：由環(huán)境傳感器、人體傳感器和動力結(jié)構(gòu)構(gòu)成的硬件，由人機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，持續(xù)工作時間至少一周，具有身隨意動的自動反應能力和承載能力，并且可以實現(xiàn)隨動行走、爬坡爬樓、自平衡等基本功能。未來，尖叫科技公司項目的目標是盡快超越ReWalk，實現(xiàn)無需拐杖輔助的自平衡康復外骨骼機器人制造[6-7]。

3 ? ?發(fā)展趨勢

雖然目前各國在康復外骨骼助力機器人的研制上成果豐碩，并已少量投入市場，但大多數(shù)康復外骨骼機器人尚存在成本較高、設備笨重、智能性和可靠性較低等缺陷，距離大規(guī)模市場化差距較大。隨著人工智能、傳感、生物醫(yī)學等先進技術(shù)的高速發(fā)展，新型康復外骨骼機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。

3.1 ? ?成本親民化

康復外骨骼機器人進入消費市場的最大阻礙是高成本問題，目前市面上康復外骨骼機器人售價普遍在10萬～15萬美元，硬件復雜、材料昂貴、難以量產(chǎn)等問題使得其價格居高不下。強度高、疲勞性能好的新型材料的研發(fā)和選用成為康復外骨骼機器人降低成本的必經(jīng)之路。此外，高精度傳感器、微型電動機、高儲能電池等元件的技術(shù)研發(fā)和量產(chǎn)也將大大降低設備成本[3]。

3.2 ? ?高度智能化

康復外骨骼機器人系統(tǒng)通常是通過各部位傳感器的信號反饋，經(jīng)過算法處理，最終驅(qū)動馬達運動。這個過程對傳感器的精度、算法的準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，未來外骨骼系統(tǒng)將會在第一時間感知到周圍環(huán)境的變化[8]，并能實現(xiàn)多路信息及時有機的融合，同時需要高性能的驅(qū)動器根據(jù)指令及時作出正確響應[3]。

3.3 ? ?輕型柔性化

在設備支撐架材料方面，目前國外多選擇航空硬鋁合金（HAL-5）、鈦合金（HULC）、復合材料（eLEGS）等[4]，大多體積較大，比較笨重，影響穿戴舒適性，而且會帶來有效載荷和承載效率低下、等效慣性大、響應速度慢等問題[9]。設備材料的輕型柔性化成為康復外骨骼系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。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也提高了設備的穩(wěn)定性與可靠性。

4 ? ?結(jié)語

康復外骨骼機器人作為一種輔助機械裝置，融合傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)、生物醫(yī)學技術(shù)等多項學科前沿技術(shù)，應用前景十分廣泛。國內(nèi)針對康復外骨骼機器人的研究雖起步較晚，目前較國外先進產(chǎn)品仍有一定差距，但也有部分樣機和產(chǎn)品問世。在康復外骨骼機器人未來的研究進程中，需要在新型輕質(zhì)材料、高儲能電池、高精度傳感器、優(yōu)化智能算法等方面進一步提升技術(shù)水平。相信在不久的將來，康復外骨骼機器人能夠真正走向大眾、服務大眾。

[參考文獻]

[1] 李坦東，王收軍，侍才洪，等.穿戴式外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀及趨勢[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2016，37（9）：116-119.

[2] 張向剛，秦開宇，石宇亮.人體外骨骼服技術(shù)綜述[J].計算機科學，2015，42（8）：1-6.

[3] 戴宗妙，都軍民.外骨骼機器人研究現(xiàn)狀及面臨的問題[J].現(xiàn)代制造工程，2019（3）：154-161.

[4] 宋遒志，王曉光，王鑫，等.多關(guān)節(jié)外骨骼助力機器人發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].兵工學報，2016，37（1）：172-185.

[5] 張超.下肢助力外骨骼機器人研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2016.

[6] 李牧然.基于多軸加速度傳感器的外骨骼機器人步態(tài)控制方法：CN106217353A[P].2016-12-14.

[7] 李牧然.基于壓力傳感器的外骨骼機器人步態(tài)控制方法：CN106217352A[P].2016-12-14.

[8] 李會營，王惠源，張鵬軍，等.外骨骼機器人發(fā)展趨勢研究[J].機械工程師，2011（8）：9-10.

[9] 歐陽小平，范伯騫，丁碩.助力型下肢外骨骼機器人現(xiàn)狀及展望[J].科技導報，2015，33（23）：92-99.

收稿日期：2020-02-14

作者簡介：劉恒（1999—），男，江蘇南通人，研究方向：機械設計制造及其自動化。