王秋惠，姚景一

下肢外骨骼康復機器人人因工程研究進展

王秋惠，姚景一

(天津工業(yè)大學機械工程學院，天津 300387)

下肢外骨骼康復機器人是專門針對下肢運動障礙及行動不便者，提供康復鍛煉的智能化裝備，其發(fā)展對于中國康復事業(yè)具有重大的理論意義與實際應用價值。人因工程研究可有效提高下肢康復機器人HRI人機交互安全性與交互效率。因此，深入探討國內(nèi)外下肢外骨骼康復機器人人因工程研究進展，對其研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢進行總結(jié)歸納。通過文獻檢索方法對相關(guān)文獻進行分析，發(fā)現(xiàn)人機交互、步態(tài)行為、結(jié)構(gòu)設計、安全問題等是下肢外骨骼康復機器人人因工程領(lǐng)域的研究熱點，并從人因出發(fā)，系統(tǒng)梳理國內(nèi)外下肢外骨骼康復機器人人因工程研究進展和發(fā)展動態(tài)，提出我國在下肢外骨骼康復機器人人因工程領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)，研究重點和未來發(fā)展趨勢。

下肢外骨骼機器人；康復機器人；人因工程；人機關(guān)系；研究與應用進展

中國人均壽命普遍延長，老齡化群體逐漸擴大，截止2019年數(shù)據(jù)顯示，中國60周歲及以上的老年人占總?cè)藬?shù)的18.1%，65周歲及以上的老年人占總?cè)藬?shù)的12.6%[1]，而且這個比重還在逐年增長。快速老齡化及高齡化趨勢導致下肢康復服務的需求不斷加大，使得各國加強了對醫(yī)療康復機器人相關(guān)技術(shù)的研究。通過康復師利用專業(yè)知識幫助患者恢復下肢運動功能是各國的傳統(tǒng)方式，由于康復師人數(shù)有限，康復治療時間和地點有限，總是滿足不了需求。為此，醫(yī)療機器人經(jīng)常因成本低、治療效果好、安全可靠等優(yōu)勢被各國醫(yī)療機構(gòu)用于患者康復訓練[2]。

而隨著社會老齡化進程不斷加深，康復機器人的社會需求得到廣泛關(guān)注。高校、企業(yè)和科研機構(gòu)開始研究下肢外骨骼康復機器人，并希望能夠造福人類。

國防軍工最初使用下肢外骨骼機器人作為單兵作戰(zhàn)武器，旨在提高士兵作戰(zhàn)能力與后勤保障能力，而后在醫(yī)療康復領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)在國外已經(jīng)步入全面發(fā)展時期，而國內(nèi)研究時間較短，在研究成果和經(jīng)驗方面相對不足。隨著科學技術(shù)的更新和國內(nèi)需求的增加，國內(nèi)部分高校和科研機構(gòu)如上海交通大學、電子科技大學以及中科院合肥研究所等，正在加大對其研究，且取得一系列研究成果[3]。

在研究下肢外骨骼康復機器人如何輔助下肢運動障礙患者行走過程中，人因工程是十分重要的環(huán)節(jié)，良好的人因工程設計可以提升產(chǎn)品的工作效率，提升患者的舒適度和心理接受能力。本文從文獻綜述的角度對國內(nèi)外下肢外骨骼康復機器人的發(fā)展現(xiàn)狀、人因工程研究進展、人機協(xié)作安全問題等進行梳理，并闡述其目前面臨的挑戰(zhàn)及未來的發(fā)展趨勢。

1 國內(nèi)外研究與應用現(xiàn)狀

1.1 國外研究與應用現(xiàn)狀

全球第一個下肢外骨骼機器人是由俄羅斯YAGNN[4]于1890年研制的，該機器人可有效提高使用者的下肢運動能力[5]，從而帶動各國對其研究的熱潮，并積極地推動了下肢外骨骼康復機器人后續(xù)的發(fā)展，此后越來越多的國家和科學家投入到康復醫(yī)療機器人的研究中。

1935年，美國研發(fā)出Wind-up機器人應用于協(xié)助下肢運動障礙患者行走[6]。1970年初，南斯拉夫研制出下肢外骨骼機器人，該裝置采用氣動作為動力源，對此后的下肢外骨骼康復機器人發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響[7]。

2001年，美國國防高級研究計劃局啟動了“Exo-skeletons for Human Performance Augmentation”(增強人體機能外骨骼)項目[8]，極大地推動了外骨骼機器人在醫(yī)療康復方面的發(fā)展。

Lokomat康復機器人是第一臺懸掛式下肢外骨骼康復機器人并搭載全自動步態(tài)評估訓練系統(tǒng)(圖1(a))，其特點是適用年齡廣、適用人群多[9]。該康復機器人的驅(qū)動設計主要作用于下肢的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)主要是滾珠絲杠，單腿自由度個數(shù)為2個，電機驅(qū)動力主要靠其傳遞，進而完成髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在矢狀面上的運動[10]。荷蘭研發(fā)的Lopes康復機器人所使用的控制器為阻抗控制器，可控制外骨骼穿戴設備與下肢同步運動，驅(qū)動裝置的反向驅(qū)動通過串聯(lián)彈性致動來實現(xiàn)，并可實現(xiàn)步態(tài)恢復、運動學功能評估和實時監(jiān)測康復狀態(tài)功能[11]。美國研發(fā)了ALEXⅠ機器人，其運動信號是借助機械裝置中的非線性濾波器傳遞的，并引導用戶按照外骨骼機械裝置的預設軌跡進行運動[12]。經(jīng)過不斷改進技術(shù)，其視覺反饋優(yōu)勢明顯[13]。

HAL外骨骼機器人由日本筑波大學于2001年研制成功，可為佩戴者提供步態(tài)訓練和下肢質(zhì)量支持，輔助患者實現(xiàn)行走功能(圖1(b))[14]。經(jīng)過研究人員不斷開發(fā)新技術(shù)[15]，配合上肢機械外骨骼的使用，導致其結(jié)構(gòu)更精簡、質(zhì)量更輕便、續(xù)航時間更持久[5]。

圖1 Lokomat機器人和HAL機器人

((a) Lokomat robot[9]; (b) HAL robot[14])

ReWalk機器人適用人群主要是因脊髓損傷而導致下肢運動機能受損的患者[16]，由電池供電，關(guān)節(jié)傳遞的運動信號可由傾斜傳感器感應并傳遞，從而輔助患者行走[17]。

WalkTrainer機器人是由法國洛桑聯(lián)邦理工大學設計的，驅(qū)動下肢運動的力可以借助該裝置采集到的肌電信號計算。腿部相應肌肉可由電極刺激傳遞相關(guān)信號，動力來自機器人的線性制動器，并可由曲柄機構(gòu)傳遞動力，輔助下肢運動障礙患者實現(xiàn)運動功能[18]。

MOLTENI等[19]認為，康復機器人可以對患者產(chǎn)生復雜可控的多感覺刺激，應該從機器人的運動強度、復雜性和特異性來判斷機器人治療的功效和效率。HAMZA等[20]提出動靜平衡、防止跌落、確保控制器的穩(wěn)定性等對用戶安全至關(guān)重要，并通過相關(guān)研究驗證。

1.2 國內(nèi)研究與應用現(xiàn)狀

中國與發(fā)達國家相比在該方面研究起步時間較晚。

2014年，上海交通大學研制出一款下肢外骨骼康復機器人，很好地融合了表面肌電信號與交互力，功能更完善，性能也得到更大提高[21]。2016年，哈爾濱工業(yè)大學研發(fā)了HIT-LEX機器人[22]。

2018年，北京大艾機器人科技有限公司研制出了Ailegs機器人。該裝置的動力來源為電動機，髖、膝關(guān)節(jié)的動力也來自于電動機，可與拐杖配合使用，保證使用者的安全，提高產(chǎn)品的安全系數(shù)，并盡量不改變使用者的步行習慣，提高產(chǎn)品的適用性，并配合患者康復(圖2(a))[23]。該機器人各部位可根據(jù)使用者自身情況自由調(diào)節(jié)，并輔助適應因各種問題產(chǎn)生的下肢障礙，滿足使用者各自目的[5]。

2017年，上海傅利葉智能科技有限公司研制出FourierX1機器人，可以提高用戶使用時的安全性，感知周圍環(huán)境。2019年，該企業(yè)研制出第二代康復機器人產(chǎn)品FourierX2，該裝置在第一代的基礎上又增加了許多功能，提高產(chǎn)品的適用性(圖2(b))[24]。

圖2 Ailegs機器人和FourierX2機器人

((a) Ailegs robot[23]; (b) FourierX2 robot[24])

2019年，中國科學院深圳先進技術(shù)研究所研發(fā)出Auto-LEE，該裝置自由度個數(shù)為10，各個部位可獨自運動，共同輔助人體行走，保證安全，不需借助其他裝置協(xié)助，這與傳統(tǒng)外骨骼大不相同[25]。

由人口老齡化導致的下肢病患問題是各國共同面對的問題，為了更好地提升老年人下肢康復效果、康復效率和舒適度，國外一直在下肢外骨骼康復機器人領(lǐng)域開展探索性研究，取得一定成果，并不斷投入醫(yī)療市場。中國雖然步入該領(lǐng)域時間不長，但是高校、企業(yè)和科研院所等都在積極開展基礎與應用研究，力圖打造舒適度高、人機協(xié)作安全程度高、續(xù)航時間久、質(zhì)量輕，適合中國老年群體的下肢外骨骼康復機器人。

2 下肢康復機器人分類

人體的運動是依靠關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)均影響著人體的下肢運動[10]，關(guān)節(jié)運動范圍見表1。

表1 人體下肢關(guān)節(jié)運動范圍[26]

按照關(guān)節(jié)作用部位、力傳動方式和自由度的不同，下肢康復機器人可分類如下：按照關(guān)節(jié)作用部位的不同，可分為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)下肢康復機器人以及多關(guān)節(jié)結(jié)合下肢康復機器人；按照力傳動方式的不同，可分為齒輪傳動、鮑登線傳動和絲杠螺母下肢康復機器人以及多種傳動方式組合的下肢康復機器人；按照自由度的不同，下肢外骨骼康復機器人可分為單側(cè)自由度為1～7的機器人。驅(qū)動方式的改進有助于改善患者的康復效果，并且影響整個裝置的結(jié)構(gòu)設計、控制策略和功能等[10]。

3 人因工程設計研究

3.1 人因工程學內(nèi)涵

人因工程的研究重點是提高使用者在使用產(chǎn)品時的舒適性和滿意度，讓使用者在使用產(chǎn)品時能夠得心應手，提高使用效率[27]。人因工程學在二戰(zhàn)中迅速發(fā)展，人因工程學在儀表盤等的應用，在很大程度上減少了駕駛員的傷亡。安全有效的人因系統(tǒng)架構(gòu)是提升使用效率、使用安全以及設計體驗的重要保證。

用戶在使用下肢外骨骼康復機器人的過程中，與周圍環(huán)境共同構(gòu)成了完整的“人-機器人-環(huán)境”復雜人因系統(tǒng)。在其設計過程中，人機交互關(guān)系顯得尤為重要，從“人”方面需要充分考慮到人體的基本素質(zhì)、心理生理特點；從“機器人”方面需要充分考慮到性能、相關(guān)參數(shù)等；在“環(huán)境”方面需要充分考慮到環(huán)境的作業(yè)特征。充分考慮到人與機器人的動作分析、穩(wěn)定性、適應性和運動軌跡，并結(jié)合周圍環(huán)境進行綜合分析[28]。因此，人因工程研究對下肢康復機器人人因系統(tǒng)至關(guān)重要，且對其整個結(jié)構(gòu)設計等有較大影響。目前，各國都非常注重人因工程在下肢外骨骼康復機器人的應用，在設計中考慮到用戶人體的尺寸、生理和心理特性，以人為中心，提高產(chǎn)品的舒適度和人機協(xié)作關(guān)系。

3.2 下肢康復機器人人因工程研究內(nèi)容

面向下肢外骨骼康復機器人的人因工程，從人的需求出發(fā)，系統(tǒng)梳理該裝置中人因工程的研究內(nèi)容，論述國內(nèi)外在其領(lǐng)域的研究重點和不足之處。以下肢外骨骼機器人、康復機器人、人因工程等為關(guān)鍵詞搜索到二百余篇來自國內(nèi)外期刊的文獻，并通過SATI軟件進行分析，發(fā)現(xiàn)步態(tài)規(guī)劃、結(jié)構(gòu)設計是研究熱點，如圖3所示。

圖3 分析研究熱點

3.2.1 步態(tài)分析

人類的行走是周期性過程，配合雙腿交叉搖擺前進，其是通過肢體協(xié)調(diào)配合運動并前進，步行、跑步等均屬于步態(tài)。全球的下肢外骨骼康復機器人的運動方式主要為2種，①用戶提前設定裝置的運動軌跡；②機器人通過實時提取分析用戶的需求，配合人行走[29]。只有深入分析步態(tài)行為，才能設計出符合人機工程學的下肢外骨骼康復機器人。步態(tài)分析在人機工程學的研究中占據(jù)重要地位，通過對人的步態(tài)行為分析，人的尺寸分析，可以設計出產(chǎn)品的合適尺寸和角度。

2015年，香港中文大學研制出機器人CUHK-EXO，該裝置的驅(qū)動來源為電動機，髖、膝關(guān)節(jié)的動力也來自于電動機，并可與外部裝置如拐杖配合使用，幫助使用者實現(xiàn)行走等功能。該裝置可對使用者的行走數(shù)據(jù)進行分析，從而更好地提高人機協(xié)作能力[30]。該款機器人有良好的人機協(xié)作能力，可以輔助使用者進行穩(wěn)步行走，減少運動過程中的障礙，人機工程學在其中得到很好的應用。由荷蘭的特溫特大學研制出的MindWalker機器人，可幫助使用者以0.8 m/s實現(xiàn)行走等功能[31]。該裝置可實時監(jiān)控人體行走狀態(tài)，及時調(diào)整機器人作業(yè)姿勢，并配合相關(guān)檢測及時修正[5]。通過精確的步態(tài)分析，能夠極大提高產(chǎn)品的舒適性和工作效率，保證人機關(guān)系的協(xié)調(diào)和安全性，步態(tài)分析是人機工程研究領(lǐng)域不可缺少的組成部分。

3.2.2 結(jié)構(gòu)設計

良好的結(jié)構(gòu)設計必須要考慮人因工程學。傳統(tǒng)的人因工程學涵蓋人體解剖學、測量學、生理學和生物力學等[32]。在下肢外骨骼康復機器人結(jié)構(gòu)設計中，人因工程學主要包括各關(guān)節(jié)自由度分析，人使用時的安全及心理生理反應，有良好人機關(guān)系的結(jié)構(gòu)設計，實時健康檢測等。

為了提高使用者舒適性和人機協(xié)作關(guān)系，機器人應該充分考慮到人體關(guān)節(jié)的特征。通過對人體進行步態(tài)分析，得到下肢運動時的關(guān)鍵部位是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)，并將1～2個自由度分給髖關(guān)節(jié)，僅將1個自由度分給膝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)使用球鉸結(jié)構(gòu)，有3個自由度[33]。

文獻[33]采用曲柄滑塊機構(gòu)設計髖關(guān)節(jié)，能夠輔助用戶完成行走等功能。文獻[34]設計的機器人髖關(guān)節(jié)自由度個數(shù)為2，膝關(guān)節(jié)自由度個數(shù)為1，踝關(guān)節(jié)自由度個數(shù)為3。該款機器人可以通過調(diào)節(jié)螺栓的松緊來調(diào)節(jié)適合使用者的寬度和長度，實現(xiàn)無極調(diào)節(jié)。

3.2.3 人機關(guān)系

在研究下肢外骨骼康復機器人人因工程過程中，人機關(guān)系是必須要考慮的內(nèi)容，良好的人機關(guān)系是該機器人成功的關(guān)鍵。在各國的研究中，如何處理人機關(guān)系，提高用戶安全性和使用效率一直是研究重點。

人機關(guān)系中最基本的關(guān)系就是共存關(guān)系[35]，即人與機器人之間互相依存、單獨存在，可共同執(zhí)行相同的任務，彼此之間互相協(xié)作。在此基礎上產(chǎn)生了另外一種關(guān)系——交互關(guān)系。交互關(guān)系也是人機關(guān)系中重要的組成部分，交互關(guān)系與共存關(guān)系最根本的區(qū)別在于具有交互關(guān)系的人和機器之間可以互相“理解”彼此意圖，有交流溝通的環(huán)節(jié)，不再是單獨執(zhí)行任務。人機關(guān)系中還有合作關(guān)系，即人與機器為了完成同一目標，互相幫助，也有溝通的環(huán)節(jié)[32]。

在這里，裝置與人之間是直接物理接觸，并執(zhí)行行走這一相同的任務。人和下肢外骨骼康復機器人既是交互關(guān)系也是協(xié)作關(guān)系。通過對人的步態(tài)行為分析，機器可以順利地輔助使用者實現(xiàn)行走的功能，和諧共生是人機關(guān)系的發(fā)展方向。

3.2.4 人機交互安全性問題

人機交互的安全性問題是人因工程要解決的關(guān)鍵問題。最好的人機關(guān)系不是靠外部裝置或外力來保證使用者的安全，而是在人與機器人共同工作的過程中，機器人產(chǎn)生的一種本能的反應，能夠提前預判或及時發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，及時發(fā)出警告或立即采取保護措施[36]。在評估人機交互安全性的問題上，HORVáTH和ERD?S[37]建議使用仿真手段。人機交互安全性問題是急需解決的難題。例如一些下肢外骨骼康復機器人，還需要借助拐杖等外部裝置維持用戶行走時身體的平衡，可能會在用戶進行上肢操作時，產(chǎn)生安全問題[32]。

有些機器人還可以配合輪椅使用，安全性得到很大程度上的提高。某些裝置還可以及時上傳并分析使用者的生理、心理等數(shù)據(jù)[38]。信息的迅速準確傳遞還可以及時預防或發(fā)現(xiàn)問題。如，當機器人感受到使用者有摔倒趨勢或步態(tài)角度異常，會及時報警并保護使用者。

從以上對人機關(guān)系的分析可以看出，下肢外骨骼康復機器人人機一體化趨勢明顯，其首要任務仍然是保障人的安全，提升人機交互的安全性[36]。由于該機器人面臨的人群主要是下肢運動障礙的老齡群體，所以在其設計過程中要預防產(chǎn)品出錯，給使用者帶來二次創(chuàng)傷。這就要求在設計過程中，充分考慮到人體各部位尺寸，神經(jīng)敏感度以及機器如何在出現(xiàn)危險和故障時能首先保證使用者的安全?？紤]到老年人面臨的生理變化，如感知能力下降、神經(jīng)功能衰退、認知能力退化等，以及心理上的變化如安全感降低、孤獨感增強、適應性變差等，從色彩上的選擇到機構(gòu)的建立都要慎重選擇，考慮到老年人的審美和實際需求，盡量減少操作步驟，延長機器人的使用壽命。在滿足使用功能的前提下如何提高產(chǎn)品舒適度，提高工作效率，完善良好的人機關(guān)系，簡化操作方式，是一直要面對和突破的問題。機器人的步態(tài)分析、整體結(jié)構(gòu)設計、人機關(guān)系分析等是該裝置的研究重點和突破點，各國在人因工程方面都投入了很大的人力和財力，都在積極利用人因工程學技術(shù)提高下肢外骨骼康復機器人使用效率和交互安全性，改善人機關(guān)系，逐漸由“以技術(shù)為中心”轉(zhuǎn)變成“以人為中心”。

4 挑戰(zhàn)與展望

國內(nèi)外在下肢外骨骼康復機器人研究方面都還存在著一些問題，尤其中國在下肢外骨骼康復機器人研究時間相對國外晚，人因工程學在國內(nèi)發(fā)展也不夠成熟，因此，有必要分析下肢外骨骼康復機器人人因工程方面的不足和挑戰(zhàn)，并據(jù)此提出一些發(fā)展建議。

4.1 挑 戰(zhàn)

國外在下肢外骨骼康復機器人人因工程方面所面臨的挑戰(zhàn)主要是能否增強人與下肢機器人的人機協(xié)作能力及使用者的心理適應能力。

國內(nèi)在下肢外骨骼康復機器人人因工程方面所面臨的挑戰(zhàn)主要是學科建設、科學研究和社會接受度等方面。

人因工程學引入國內(nèi)時間不長，在知識儲備和影響力方面還存在諸多不足。高等工程教育階段對本學科的基礎理論知識的培養(yǎng)重視程度不高，且很多企業(yè)在研發(fā)過程中，只注重產(chǎn)品的功能性，很少考慮到“人”的因素，導致人機關(guān)系協(xié)調(diào)性差，使用者體驗感較差，產(chǎn)品的工作效率也大大折扣。

“人”是下肢外骨骼康復機器人的研究核心，而人本身就是一個復雜的研究對象，在生理、心理等方面存在大量復雜問題和不確定性。尤其是心理方面，人的心理非常復雜，很難通過數(shù)學模型或程序分析，這對人因工程也提出了挑戰(zhàn)，需要更加細致地進行分析，提高人機協(xié)作能力[32]。

該裝置能否及時發(fā)現(xiàn)危險，保證人的安全，降低使用者的心理負擔，順利完成輔助行走功能，準確充分理解使用者的感受等都是能否被大眾所接受的關(guān)鍵。大眾對機器人的信賴程度還有待提高，尤其是老齡人群，在思想上能否從傳統(tǒng)的人工康復向機器人康復轉(zhuǎn)變，也是一個需要解決的問題。

4.2 展 望

根據(jù)上述挑戰(zhàn)，綜合下肢外骨骼康復機器人在國內(nèi)外研究及應用發(fā)展情況，提出如下建議。

(1) 加強對人因工程學方面的研究與普及。國家要將人因工程學列為重點發(fā)展的學科內(nèi)容，凸顯人因工程學在相應課程體系的重要性。同時，鼓勵高校和科研部門，加強對人因工程學方面的研究，讓人因工程學的理念應用到機器人等的智能裝備設計與制造中去，推動人因工程學在機器人等領(lǐng)域的發(fā)展與延伸。

(2) 構(gòu)建下肢外骨骼康復機器人設計中的信息反饋環(huán)節(jié)，建立人體信息分析數(shù)據(jù)庫，及時分析使用者生理和心理數(shù)據(jù)，包括感知能力，認知能力，運動機能衰退，心理適應性變差等，及時調(diào)整機器人的下一步操作，預防和發(fā)現(xiàn)危險，保證使用者的安全。

(3) 加強在社會中宣傳康復機器人較傳統(tǒng)康復手段的優(yōu)點，解答大眾對康復機器人的疑問與憂慮，從心理上減輕使用者負擔。同時，各國要加強合作，充分利用現(xiàn)有技術(shù)，改善人機關(guān)系，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，提高產(chǎn)品舒適度，增強產(chǎn)品耐久性，輕便性。加強該裝置的模塊化設計，實現(xiàn)個性化的康復功能，可分析不同患者的需求采用不同康復方法的針對性訓練。

5 結(jié) 論

通過以上的研究與分析，更加明確人因工程在其研究與應用中的重要性。未來的下肢康復機器人會向著智能化、人性化方向發(fā)展，舒適度、安全性、滿意度等會得到提高，用戶也會更加愿意借助該設備輔助行走，可以很大程度上提高老齡群體的康復效果。

[1] 國家統(tǒng)計局. 中國老年人口達到2.54億人[EB/OL]. [2020-01-21]. http://feng.ifeng.com/c/7tJA9u9P5jt.

National Bureau of Statistics. China’s elderly population has reached 254 million[EB/OL]. [2020-01-21]. http://feng.ifeng.com/c/7tJA9u9P5jt(in Chinese).

[2] MENG W, LIU Q, DE ZHOU Z, et al. Recent development of mechanisms and control strategies for robot-assisted lower limb rehabilitation[J]. Mechatronics, 2015, 31: 132-145.

[3] 蔡玉強, 曾健. 下肢外骨骼康復機器人的設計及仿真分析[J]. 華北理工大學學報: 自然科學版, 2019, 41(4): 82-88, 94.

CAI Y Q, ZENG J. Design and simulation analysis of lower limb exoskeleton rehabilitation robot[J]. Journal of North China University of Science and Technology: Natural Science Edition, 2019, 41(4): 82-88, 94 (in Chinese).

[4] YAGNN. Apparatus to facilitate walking and running[EB/OL]. (1890-01-28)[2019-07-21].https://www.mendeley.com/research-papers/apparatus-facilitate-walking-running.

[5] 李龍飛, 朱凌云, 茍向鋒. 可穿戴下肢外骨骼康復機器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2019, 40(12): 89-97.

LI L F, ZHU L Y, GOU X F. Current status and development trend of wearable lower-limb exoskeleton rehabilitation robot[J]. Chinese Medical Equipment Journal, 2019, 40(12): 89-97 (in Chinese).

[6] YASUHARA K, ENDO Y. Walking motion assist device: US9610209[P]. 2017-04-04.

[7] VUKOBRATOVICM. Biped locomotion: dynamics, stability, control and application[M]. Berlin: Springer-Verlag, 1990: 36.

[8] GARCIA E, SATER J M, MAIN J. Exoskeletons for human performance augmentation (EHPA): a program summary[J]. Journal of the Robotics Society of Japan, 2002, 20(8): 822-826.

[9] HIDLER J, WISMAN W, NECKEL N. Kinematic trajectories while walking within the Lokomat robotic gait-orthosis[J]. Clinical Biomechanics, 2008, 23(10): 1251-1259.

[10] 徐飛, 佀國寧, 程云章, 等. 下肢康復機器人結(jié)構(gòu)設計的研究進展[J]. 北京生物醫(yī)學工程, 2018, 37(1): 96-102.

XU F, SI G N, CHENG Y Z, et al. Research advances in structural design of lower limb rehabilitation robot[J]. Beijing Biomedical Engineering, 2018, 37(1): 96-102 (in Chinese).

[11] VENEMAN J F, KRUIDHOF R, HEKMAN E E G, et al. Design and evaluation of the LOPES exoskeleton robot for interactive gait rehabilitation[J]. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2007, 15(3): 379-386.

[12] BANALA S K, KIM S H, AGRAWAL S K, et al. Robot assisted gait training with active leg exoskeleton (ALEX)[J]. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2009, 17(1): 2-8.

[13] ZANOTTO D, STEGALL P, AGRAWAL S K. Adaptive assist-as-needed controller to improve gait symmetry in robot-assisted gait training[C]//2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). New York: IEEE Press, 2014: 724-729.

[14] SANKAI Y. Leading edge of cybernics: robot suit HAL[C]//2006 SICE-ICASE International Joint Conference. New York: IEEE Press, 2006: 1-2.

[15] KAWAMOTO H, LEE S, KANBE S, et al. Power assist method for HAL-3 using EMG-based feedback controller[C]//2003 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics. Conference Theme - System Security and Assurance. New York: IEEE Press, 2003: 1648-1653.

[16] ESQUENAZI A, TALATY M, PACKEL A, et al. The ReWalk powered exoskeleton to restore ambulatory function to individuals with thoracic-level motor-complete spinal cord injury[J]. American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation, 2012, 91(11): 911-921.

[17] TALATY M, ESQUENAZI A, BRICE?O J E. Differentiating ability in users of the ReWalkTM powered exoskeleton: an analysis of walking kinematics[C]//2013 IEEE 13th International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR).New York: IEEE Press, 2013: 1-5.

[18] STAUFFER Y, ALLEMAND Y, BOURI M, et al. The WalkTrainer—a new generation of walking reeducation device combining orthoses and muscle stimulation[J]. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2009, 17(1): 38-45.

[19] MOLTENI F, GASPERINI G, CANNAVIELLO G, et al. Exoskeleton and end-effector robots for upper and lower limbs rehabilitation: narrative review[J]. PM&R, 2018, 10(9): S174-S188.

[20] HAMZA M F, GHAZILLA R A R, MUHAMMAD B B, et al. Balance and stability issues in lower extremity exoskeletons: a systematic review[J]. Biocybernetics and Biomedical Engineering, 2020, 40(4): 1666-1679.

[21] 范淵杰. 基于sEMG與交互力等多源信號融合的下肢外骨骼康復機器人及其臨床實驗研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2014.

FAN Y J. Study on lower limb exoskeleton for rehabilitation based on multi-source information fusion including sEMG&interactive force and its clinical trail[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2014 (in Chinese).

[22] 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.

ZHANG C. Research on lower limbs powered exoskeleton robot[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2016 (in Chinese).

[23] 帥梅. 雙足型下肢外骨骼康復訓練機器人: CN304822498S[P]. 2018-09-18.

SHUAI M. Biped lower extremity exoskeleton rehabilitation training robot: CN304822498S[P]. 2018-09-18 (in Chinese).

[24] 上海傅利葉智能科技有限公司. FourierX2產(chǎn)品介紹[EB/OL]. [2019-07-21]. http://www.fftai.com/product/X2.php.

Fu Li intelligent technology co., LTD. Shanghai FourierX2 product introduction [EB/OL]. [2019-07-21]. http://www.fftai. com/product/X2.php (in Chinese).

[25] HE Y, LI N, WANG C, et al. Development of a novel autonomous lower extremity exoskeleton robot for walking assistance[J]. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 2019, 20(3): 318-329.

[26] PonsJL. Wearable robots: biomechatronic exoskeletons[M]. Souther Gate, Chichester: John Wiley&Sons Ltd, 2008.

[27] 孫林巖. 人因工程[M]. 北京: 中國科技出版社, 2005.

SUN Y L. Human factors engineering[M]. 2nd ed. Beijing: China Science and Technology Press, 2005 (in Chinese).

[28] 王年文, 朱亦吳, 姜文博等. 下肢外骨骼康復機器人人機交互系統(tǒng)分析[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè), 2018, 1: 181-183.

WANG N W, ZHU Y W, JIANG W B, et al. Human-computer interaction system analysis of lower extremity exoskeleton rehabilitation robot[J]. Modern Business Trade Industry, 2018, 39(1): 181-183 (in Chinese).

[29] 林焰, 衣正堯, 李玉平, 等. 一種塢內(nèi)船體外板噴涂新方法研究[J]. 大連理工大學學報, 2018, 58(1): 43-49.

LIN Y, YI Z Y, LI Y P, et al. Research on new method for ship shell plate spraying in dock[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2018, 58(1): 43-49 (in Chinese).

[30] CHEN B, ZHONG C H, ZHAO X, et al. Reference joint trajectories generation of CUHK-EXO exoskeleton for system balance in walking assistance[J]. IEEE Access, 2019, 7: 33809-33821.

[31] WANG S Q, VAN DIJK W, VAN DER KOOIJ H. Spring uses in exoskeleton actuation design[C]//2011 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics. New York: IEEE Press, 2011: 1-6.

[32] 王柏村, 黃思翰, 易兵, 等. 面向智能制造的人因工程研究與發(fā)展[J]. 機械工程學報, 2020, 56(16): 240-253.

WANG B C, HUANG S H, YI B, et al. State-of-art of human factors/ergonomics in intelligent manufacturing[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(16): 240-253 (in Chinese).

[33] 汪步云, 王月朋, 梁藝, 等. 下肢外骨骼助力機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動設計及試驗分析[J]. 機械工程學報, 2019, 55(23): 55-66.

WANG B Y, WANG Y P, LIANG Y, et al. Design on articular motion & servo driving with experimental analysis for lower limb exoskeleton robot[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(23): 55-66 (in Chinese).

[34] 周偉杰, 韓亞麗, 朱松青等. 下肢外骨骼助力機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動設計及試驗分析[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2020, 3: 48.

ZHOU W J, HAN W L, ZHU S Q, etal. Design and experimental analysis of joint drive for lower limb exoskeleton assist robot[J]. Modern Manufacturing Engineering, 2020, 3:48(in Chinese).

[35] WANG L, GAO R, VáNCZA J, et al. Symbiotic human-robot collaborative assembly[J]. CIRP Annals, 2019, 68(2): 701-726.

[36] 王秋惠, 張一凡, 劉力蒙. 老齡服務機器人人機界面設計研究進展[J].機械設計, 2018, 35(9): 105-113.

WANG Q H, ZHANG Y F, LIU L M. Advance in Human-Robot interface design of service robot for the elderly[J]. Journal of Machine Design, 2018, 35(9): 105-113 (in Chinese).

[37] HORVáTH G, ERD?S F G. Gesture control of cyber physical systems[J]. Procedia CIRP, 2017, 63: 184-188.

[38] ROMERO D, STAHRE J, WUEST, et al. Towards an operator 4.0 typology: a human-centric perspective on the fourth industrial revolution technologies[C]//The International Conference on Computers and Industrial Engineering (CIE46).New York: IEEE Press, 2016: 29-31.

Progress in the research of exogenic lower limb rehabilitation robot

WANG Qiu-hui, YAO Jing-yi

(School of Mechanical Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China)

Lower limb exoskeleton rehabilitation robot is a kind of intelligent equipment providings rehabilitation exercise for the patients with lower limb dyskinesia or impaired mobility. Its development is of great theoretical significance and practical application value for the rehabilitation in China. Human factors engineering research can effectively improve the safety and efficiency of human-computer interaction of lower limb rehabilitation robot HRI. The research progress of human factors engineering of lower limb exoskeleton rehabilitation robot at home and abroad was deeply explored, and its research status and development trend were summarized. The related literatures was analyzed by literature retrieval method. It was found that HRI, gait behavior, structure design and safety issues are the research hotspots in the field of human factors engineering. Starting from human factors, this paper systematically reviewed the research progress and development trend of human factors engineering of lower limb exoskeleton rehabilitation robot at home and abroad, and presented the challenges, research focus and future development trend in the field of human factors engineering of lower limb exoskeleton rehabilitation robot in China.

lower limb exoskeleton robot; rehabilitation robot; human factors engineering; the human-robot interaction; research and application progress

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2021050712

A

2095-302X(2021)05-0712-07

2021-01-08；

2021-02-17

8 January，2021；

17 February，2021

王秋惠(1969-)，女，山東濰坊人，教授，博士。主要研究方向為智能人因?qū)W、設計人因?qū)W、機器人HRE人因工程及機器人HRI人機界面設計。E-mail：wangqiuhui@126.com

WANG Qiu-hui (1969-), female, professor, Ph.D. Her main research interests cover smart robot ergonomics, ergonomics in design, robot HRE human factors engineering and robot HRI human-machine interface design, etc. E-mail：wangqiuhui@126.com