简述下肢康复机器人的现状、关键技术及发展
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摘 要 对于有肢体功能障碍的人群而言，高强度且具有重复性和针对性的康复治疗是肢体康复的最有效手段。人口的老龄化和康复治疗师的缺少，催生出了庞大的康复市场需求。在各个行业走向自动化、智能化的大背景下，机器人在医疗康复行业的应用也越来越多。本文就下肢康复机器人的现状、其中的关键技术以及未来的发展进行概述和分析，为下肢康复机器人的发展提供借鉴。
关键词 下肢康复机器人;康复训练;关键技术
引言
肢体康复功能的治疗理念来自于运动疗法和神经重塑概念。通过反复的运动训练，重新建立控制肢体运动的神经环路，从而达到恢复肢体功能的目的。传统的康复治疗极其耗时耗力，特别是下肢的康复训练，对治疗师造成极大的负担，进而更加难以保证治疗的强度和时长。这一需求催生了自动化康复机器人，并且在当今与未来，康复机器人都有快速的发展和增长。
1 国内外下肢康复机器人的现状
康复机器人大约起源于二十世纪八十年代，到九十年代后康复机器人开始全面发展。
1.1 国外的下肢康复机器人产品
下肢康复机器人在欧美、日本有较为成熟的发展和应用。典型的产品有：
（1）HAL
HAL是一款穿戴在使用者身上的外骨骼机器人。它可以感知使用者意图，辅助站起、坐下或者步行等动作。
HAL在使用者髋部与膝部对应位置装有动力单元，在使用者腿部装有生物电传感器。控制单元依据生物电信号判断使用者的行动意愿，并为使用者的躯体提供跟随其意愿的运动辅助。HAL的足底部分装有地面反作用力传感器，配合关节处的角度传感器，可以提供配合使用者动作的运动辅助。此外，其连接单元会对使用者的腰部、膝部辅助的量度进行微量调整，控制肢体屈曲与伸展的平衡[1]。
（2）Rewalk
Rewalk的个人版是通过美国FDA批准和欧盟认证的第一款可供个人使用的外骨骼机器人，支持站、坐、走、爬几种运动模式。Rewalk配备拐杖，使用者需要能够使用双臂控制拐杖，这与Rewalk的传感器处理和自然步态控制算法有关。
Rewalk利用安装在腰部的倾斜传感器检测用户重心位置的变化，配合安装在膝部和髋部的关节角度传感器实现外骨骼关节运动的闭环控制。当用户利用拐杖将身体前倾时，来自倾斜传感器的倾斜角度值大于所设定的阈值，控制器便会控制外骨骼关节进行相应的步态运动。当用户利用拐杖将身体直立时，由于倾斜角度值小于阈值，控制器会控制关节运动到站立位姿。
Rewalk还具有一定的安全设计。为了减小用户不慎跌倒时的伤害，Rewalk的外骨骼和使用者身上均安装了安全气囊。Rewalk也装备了一系列传感器用以获取参数来判断用户是否跌倒，以及跌倒的方向和速度。
（3）KineAssist
不同于前述的外骨骼机器人，KineAssist并没有外骨骼机构来为患者的关节提供辅助的动力。KineAssist的机器臂用来支撑部分患者的体重并提供足够的髋部自由度，满足人类行走时骨盆在前后、左右、上下方向的平移以及一定角度的旋转。在患者失去平衡快要跌倒时，KineAssist能托住患者，防止其受到伤害。KineAssist搭配有可变速的跑台，控制单元可以根据使用者的加减速意图来调整跑带的速度。
（4）Andago
Andago同样没有外骨骼机构包围在使用者的腿部。它的减重方式为悬吊支撑，为患者提供动态减重力。Andago并不是固定在跑步机上使用，而是可以跟随患者移动。它的底部具有多个可转向轮和防碰撞传感器。
1.2 国内下肢康复机器人的发展
国内潜在的康复机器人市场非常巨大。虽然国内康复机器人起步较晚，但最近几年的发展非常迅速。傅立叶智能、大艾机器人、尖叫智能等新兴公司均研发了自己的下肢外骨骼产品，并将新技术添加其中：傅立叶智能发布了外骨骼机器人开发平台，尖叫智能将深度学习技术运用于此[2]。
2 下肢康复机器人中的关键技术
下肢康复机器人是一个极为复杂的系统，它涵盖机械、电气、控制等方面的知识。下肢康复机器人涉及的几大关键技术分别如下：
2.1 减重系统
减重步行康复训练是下肢康复的常见治疗方法。因为肢体障碍患者的腿部支撑力往往不足，在训练步行时需要康复机器人能够卸载一定的患者自身重量。减重系统可以由竖直支撑结构、骨盆支撑结构和背部支撑结构组成。
竖直支撑结构用来作为患者的重量支撑，它可以跟随患者步行时重心的上下移动而移动。该机构可以通过柔索驱动，配以减重质量块来为患者提供支撑力。或者利用电动推杆或电机以及滚珠丝杠等传动件控制机构做上下运动及动态的体重支撑。
骨盆结构用以将竖直支撑机构与使用者连接。骨盆结构需要满足一定的自由度。人体在运动时，骨盆可以有六个自由度的运动（前后、左右、上下的平动以及绕垂直轴、冠状轴、矢状轴的转动）。骨盆结构与竖直支撑结构可以采用柔性连接满足自由度需求。若为刚性连接，可以通过平行四边形机构跟随人体骨盆绕垂直轴的旋转[3]。
背部支撑结构用来防止患者上半身的倾倒。可以通过拉索和靠背限制前倾和后仰的角度，
2.2 移动平台
对于肢体功能障碍较为严重的患者，一般依靠固定的康复机器人在跑台上进行行走训练。这种情况下，治疗师可以坐在跑台边辅助患者完成正确的步态。但跑台一般只能提供一个方向上的移动，对于模拟实际的行走有一定的局限性。现在已有关于全向跑台的研究，虽然目前主要用于军事训练方面，但未来也可用于下肢康复机器人。全向跑台一般由两层机构构成。底层的滚柱可以带动上层機构进行一个方向的移动，而上层机构本身是由多个滚柱组成，可以满足另一个方向的移动。平面上两个方向的运动叠加，即可满足平面上任意方向的移动需求。 对于有一定行走能力的患者，可以配合可跟随移动的下肢康复机器人在医院内甚至室外进行行走训练。移动机构可以采用转向轮加动力轮的方式，将速度控制与方向控制解耦。也可以利用全向轮（麦克纳姆轮），通过控制轮之间的速度差异来控制方向[4]。
2.3 传感器
下肢康复机器人系统离不开多种多样的传感器。
人在有运动的意图时，脑部的生物电信号会沿着神经元传到相关的肌肉组织。目前比较成熟的生物电信号传感器为表面肌电传感器。表面肌电传感器不需要植入人体，并且可以提供运动预判的信息，非常适合应用在下肢康复机器人的控制系统中。
足底压力是反应步态和稳定情况的最直接的生物力学参数，下肢康复机器人可以利用足底压力信息控制步态和姿态。同时识别病态步态有助于下肢康复机器人辅助患者模仿正常步态。测量足底力可以采用多维力传感器以及柔性压力传感器。柔性压力传感器具有轻薄的特点，可以放入用户的鞋中，现在已有成熟的产品应用于医疗康复之中[5]。
此外多维力传感器、位姿传感器等也有广泛的应用。
3 下肢康复机器人的未来展望
康复训练是枯燥、重复性高的训练，对于患者而言，增加训练的娱乐性有助于增强患者的主观能动性。下肢康复机器人系统会越来越重视与游戏和康复训练评估的结合，帮助患者更加了解自身的肢体恢复情况[6]。
利用VR技术可以营造更有代入感的训练场景，设计更有使用意义的训练场景（如过马路等）有利于患者在训练之后融入实际的生活。但目前由于头戴式VR眼镜比较重，会对患者的体力和肌力有所要求，所以也可以利用AR技术，在患者可见的现实环境中增加游戏元素或评价信息。
现在下肢康复机器人不仅仅被视为是一个独立的系统，它也可以是物联网中的一个节点。未来下肢康复机器人可以从医院走入社区甚至家庭中，就像如今的可穿戴设备一样，结合其他多种便捷式医疗设备与智能家居构建出智能化的家庭健康护理管家。它更可以是一个数据平台的接口，通过记录和搜集海量用户的使用和康复的电子化数据，可以用于临床研究与分析，并且可以作为机器学习的样本，利用人工智能进化康复训练的算法，并推动这方面的相关研究。可以预见，未来的下肢康复机器人将会朝着更加智能化、数据化与可视化的方向发展。
参考文献
[1] 丛林.骨盆控制机构及实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2012.
[2] 陈鹏，刘启栋，王人成，等. 一种减重步行訓练机器人的研制[J]. 中国康复医学杂志，2011，26（9）：847-851.
[3] 陈博翁，范传康，贺骥.基于麦克纳姆轮的全方位移动平台关键技术研究[J].东方电气评论，2013，27（108）：7-11.
[4] 丁其川，熊安斌，赵新刚，等.基于表面肌电的运动意图识别方法研究及应用综述[J].自动化学报，2016，42（1）：13-25.
[5] 王立平，李建设.足底压力测量技术的发展现状与应用研究[J].浙江体育科学，2004，26（1）：40-87.
[6] 张立勋，夏振涛，刘富强，等.助行训练机器人骨盆位姿控制机构研究[J].机械设计，2009，26（5）：42-45.
作者简介
陆瑾瑶（1992-），女，湖南株洲人;学历：大学，研发工程师，现就职单位：波科医疗器械技术（上海）有限公司，研究方向：医疗器械。
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