上肢康復機器人研究進展①

劉恩辰，梁蔓安

腦卒中是威脅人類生命健康的重要疾病。世界衛生組織MONICA研究表明，我國腦卒中發生率正以每年8.7%的速率上升，發病者約30%死亡，70%的生存者多有偏癱失語等殘障[1]。臨床證明，對有肢體運動障礙的腦卒中患者進行及時準確的治療可以取得好的康復效果。

用于治療腦卒中上肢偏癱的上肢康復機器人，結合了機械學、康復醫學、傳感技術、控制工程等學科，已經成為康復器械研究中的重要部分。上肢康復機器人的研究目的，已從最初試圖代替醫務人員的部分工作，發展到采集數據、記錄患者康復訓練過程中的運動參數、進行科學研究、量化訓練強度、理解運動功能和康復機理、準確評價和參與康復方案制定等多維應用。

臨床上，腦卒中患者癱肢通常會經歷軟癱期、痙攣期和恢復期3個階段，康復訓練模式有主動運動訓練、被動運動訓練以及抗阻訓練等。理想的上肢康復機器人要能夠提供多種模式的訓練，滿足訓練需求。目前的上肢康復機器人距離理想狀態還有諸多問題未解決。

已有的上肢康復機器人按作用機制，可以分為牽引式和外骨骼式。

1 牽引式

牽引式上肢康復機器人的訓練形式是對人體末端施加作用力，可模擬被動運動、輔助運動和抗阻運動的效果。牽引式上肢康復機器人主要提供平面運動訓練，即兩自由度康復訓練。此類機器人結構相對簡單，易于規劃軌跡和控制。在主動運動訓練時，可以通過虛擬現實技術，使受訓者直觀觀察和感受訓練任務；被動運動訓練時，受訓者前臂由機器人附帶的肘臂托架支撐，手固定在機器人手柄上，機器人施力帶動腕、肩、肘關節自由組合運動，達到上肢的整體運動。根據機構的不同，牽引式又可以分為剛性桿牽引式和繩索牽引式兩類。

1.1 剛性桿牽引式

剛性桿牽引式康復機器人代表性的是麻省理工學院研制的MIT-Manus[2]。MIT-Manus采用SCARA串聯開式鏈結構，具有兩個自由度，提供水平面規劃軌跡的上肢被動運動訓練、特定任務軌跡及方向的主動運動訓練，以及在特定方向上加入阻尼的抗組訓練；康復訓練任務通過豎立在受訓者面前的顯示器傳達給受訓者；MIT-Manus帶有力傳感器和位置傳感器，可以記錄手柄所到達和經過的位置[3-4]。

意大利熱那亞大學研制了Braccio di Ferro上肢康復機器人。它的外表和MIT-Manus相似，使用時，事先根據實際測量尺寸在訓練臺上找出一些任務位置，這些位置與顯示器上的圓點對應；康復訓練時，操作者移動手柄到達任務點，機器人同時測量記錄運動過程中速度及經過的路徑[5]。

國內有代表性的有清華大學研制的UECM。UECM采用二連桿機構，有兩個自由度，能夠完成水平面內的被動運動訓練和特定軌跡的主動訓練，以及阻抗控制模式下特定軌跡的抗阻訓練[6]。與MIT-Manus相比，UECM平臺能夠調整訓練平面的角度，使康復訓練從水平面范圍拓展到一定角度的空間平面范圍；在人機信息交互方面，UECM采用了雙視頻反饋系統，可以實現受訓者手眼配合訓練，使訓練操作更符合日常行為習慣，適應不同患者需求[6]。

1.2 繩索牽引式

意大利帕多瓦大學研究以繩索驅動的牽引式上肢康復機器人。與剛性桿牽引相比，繩索驅動除了能夠實現被動運動訓練，還能夠實現平面內較復雜軌跡的主動運動訓練[7]。他們研制的三繩牽引式上肢康復機器人Sophia-3使用3個電機驅動，其中一個隨著導軌上的滑塊移動[7]。

2 外骨骼

外骨骼上肢康復機器人的名稱來源于外骨骼機器人(Exoskeleton Robot)。外骨骼機器人是將機器人套在人體外，像體外的骨骼，因此也稱為穿戴式機器人。外骨骼機器人對身體起保護和增強能力的作用，最初應用于軍事領域，目的是增強軍人的作戰能力。外骨骼上肢康復機器人結合了外骨骼機器人的設計特點，在康復訓練時減輕患者對癱肢的負載，同時輔助患者運動；訓練任務通過虛擬現實技術表現給受訓者。

被動運動訓練時，輔助人員幫助受訓者穿戴好上肢康復機器人，機器人根據規劃的訓練任務提供完全的運動輔助，對相應的癱瘓關節施加作用力，從而實現癱肢的整體運動。當患者具有了一定運動能力后，可使用主動運動訓練模式進行訓練。與牽引式康復機器人相比，外骨骼康復機器人明顯的特點和設計的初衷是使康復訓練范圍從平面拓展到立體空間。

如同牽引式上肢康復機器人一樣，現有外骨骼上肢康復機器人也可以分為兩種類型：剛性桿外骨骼上肢康復機器人和繩索驅動外骨骼上肢康復機器人。

2.1 剛性桿

外骨骼上肢康復機器人研究中最具有代表性的是蘇黎世聯邦理工學院與美國天主教大學研制的ARMin、ARMinⅡ和ARMinⅢ系列。ARMin具有6個自由度，帶有力和位置傳感器[8-9]。使人體末端運動在三維空間進行，目的是為了更接近日常生活活動能力訓練。

ARMinⅡ在ARMin的基礎上進行了改進，具有7個自由度。可調節桿的長度以適應患者肢體尺寸。有位置和力傳感器，能夠對肩、肘、腕關節進行康復訓練[8]。在ARMinⅡ的基礎上研究設計的ARMinⅢ已被蘇黎世聯邦理工學院、美國天主教大學及美國國家康復醫院應用生物力學與康復研究中心進行了健康人試驗[8-11]。

美國華盛頓大學設計了7自由度外骨骼上肢康復機器人，它采集表面肌電信號參與控制[12]。加州大學歐文分校設計了BONES，能夠完成3自由度的肩部運動，采用并聯機構氣動驅動，可以提供足夠的動力，且減輕重量[13]。

2.2 繩索驅動

意大利帕多瓦大學研究了繩索式牽引外骨骼上肢康復機器人NeReBot以及在此基礎上的MariBot。NeReBot有3個自由度，MariBot有5個自由度；改進后機構更簡單，運動慣性更小，更安全穩定。MariBot從軟件設計等方面提高了人機交互設計，更加注重訓練者的感受[7,14]。

美國特拉華大學研究的繩索牽引式外骨骼上肢康復機器人CAREX具有7個自由度。CAREX結構輕便，運動慣量低，能夠完成空間復雜軌跡主、被動訓練。通過合理的機構設計，一個方向上使用一系列繩牽引控制，合成運動，以代替單根繩牽引，克服了繩牽引容易松懈的缺點[15-16]。此機器人使用繩索牽引，同時使用剛性骨架支撐癱肢；比完全剛性桿外骨骼康復機器人運動慣性低，在主動訓練時采集的患者訓練參數誤差更小，能夠結合虛擬現實進行趣味性康復訓練[12]。

3 存在的主要問題與困難

上肢康復機器人研究中有很多難題尚未解決。從技術和機構的角度分析，有傳感技術和合理結構兩個重要方面。

剛性桿牽引式上肢康復機器人提供的運動范圍和運動軌跡與日常行為運動規律不完全一致，運動軌跡與日常行為動作曲線軌跡差別較大，不能直接反映出患者日常行為運動的缺陷。剛性桿牽引式康復機器人的機構特性限制了運動任務，不能夠提供復雜的運動軌跡，不易實現復雜運動訓練，特別是主動訓練，多數只能進行大關節訓練，多關節訓練不能兼顧[17]。

考慮到剛性桿牽引式的缺點，一些科研機構研究使用柔性機構進行牽引，如繩索牽引。但是繩索牽引式上肢康復機器人缺點是繩索易彈性變形，只能夠承受沿軸線的拉力，不能提供扭矩和承受壓力，難以支撐患者癱肢重量和降低慣性力的影響[18-20]。

使用外骨骼康復機器人的過程中，患者在不同階段有復雜的情況，如痙攣期患者出現異常肌電信號，手臂肌肉出現抖動，訓練中不應該強力限制患者的運動傾向，這就要求機器人具有柔性和低的運動慣量，避免對患者造成傷害，這與較大質量的外骨骼機器是矛盾的。上肢康復機器人機構應該具有主動柔性和被動柔性。主動柔性是指康復機器人在提供訓練方案時能夠適應訓練需要，提供復雜軌跡和空間范圍內的訓練；被動柔性是指在患者主動運動時，機器人能夠適應患者的運動，對患者的運動實時反映，具有敏感性，在患者出現異常運動時不產生強制力，不對患者造成傷害[21-22]。目前的上肢康復機器人的主要難題是缺少被動柔性。

4 發展趨勢

康復訓練的目的是使患者最大程度地恢復功能，能夠自主生活、回歸社會。這要求康復訓練接近或等效于日常生活運動能力訓練，機器人提供的訓練任務能夠訓練日常運動能力。上肢康復機器人應該符合患者的運動特點、身體特征，訓練空間要滿足不同肢體大小患者的要求[23]。能夠進行日常行為訓練、具有主動柔性和被動柔性的機構，是上肢康復機器人未來發展的方向。

在主動運動訓練中，需要使用大量傳感器采集信息，信息反饋參與機器人施力和運動輔助的控制，這些信號也是進行人機交互信息和安全保護的控制依據。目前人機交互信息采集難以與受訓者意識同步。合理有效地信息交互，是上肢康復機器人研究中的重點和難點；研究實時反饋與獲得足夠信息的傳感技術也是重要內容之一。還有學者研究了虛擬現實技術[26]。更豐富的訓練任務，更完善的虛擬現實技術的應用，充分利用患者體驗要素，與多媒體結合是上肢康復機器人軟件方面發展的主要趨勢。

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