氣動(dòng)人工肌肉在康復(fù)器械中的應(yīng)用現(xiàn)狀

周彬?yàn)I，鄒任玲

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海市 200093

氣動(dòng)人工肌肉(pneumatic artificial muscle,PAM)具有傳統(tǒng)氣動(dòng)元件的輕量化和安全性高等特點(diǎn)，同時(shí)有高功率/質(zhì)量比、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高柔順性等特點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外研究人員的青睞，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)器械等領(lǐng)域。

腦卒中或神經(jīng)損傷患者，運(yùn)動(dòng)康復(fù)能夠幫助他們恢復(fù)肢體的功能和健康狀態(tài)[1]，運(yùn)動(dòng)方式通常包括被動(dòng)運(yùn)動(dòng)和主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在患者康復(fù)治療初期，由于患者肌肉力量較小，需要外力輔助；后期患者肌肉力量恢復(fù)，能夠自主進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，甚至可能需要一定的康復(fù)器械施加阻力訓(xùn)練。腦卒中患者在實(shí)施偏癱肢體的康復(fù)訓(xùn)過(guò)程中，基于康復(fù)器械訓(xùn)練的效果顯著，能夠促進(jìn)偏癱肢體功能改善[2]。

一般而言，通常使用的康復(fù)訓(xùn)練器械對(duì)運(yùn)動(dòng)位置控制的準(zhǔn)確度和輸出力的精度要求不是很高，但對(duì)安全性和舒適性的要求很高，相比其他驅(qū)動(dòng)器而言，氣動(dòng)人工肌肉在這些方向的表現(xiàn)更加優(yōu)異，氣動(dòng)人工肌肉技術(shù)在康復(fù)治療中的應(yīng)用已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

1 氣動(dòng)人工肌肉

1.1 結(jié)構(gòu)和類型

氣動(dòng)人工肌肉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)橡膠管，橡膠管的外面包裹著雙螺旋結(jié)構(gòu)的纖維編織層，連接件固定氣動(dòng)肌肉的兩端，一端用于連接負(fù)載，而另外一端是進(jìn)氣端。氣動(dòng)人工肌肉的類型有很多，主要有McKibben氣動(dòng)肌肉、Yarlott氣動(dòng)肌肉、ROMAC氣動(dòng)肌肉、Kukolj氣動(dòng)肌肉和Baldwin氣動(dòng)肌肉。不同類型的氣動(dòng)肌肉工作壓力條件不一樣，Yarlott氣動(dòng)肌肉和Baldwin氣動(dòng)肌肉適合低壓條件，而ROMAC氣動(dòng)肌肉適合高壓條件。不同類型的氣動(dòng)肌肉工作負(fù)載也不一樣，ROMAC氣動(dòng)肌肉最高工作負(fù)載可達(dá)13 600 N，這是其他氣動(dòng)肌肉達(dá)不到的。所以，不同的工作需求應(yīng)該選擇合適的氣動(dòng)肌肉，尤其在氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的康復(fù)器械的應(yīng)用中。

1.2 工作原理

氣動(dòng)人工肌肉工作時(shí)，內(nèi)橡膠管會(huì)緊密地貼住外編織層，并且橡膠管會(huì)徑向膨脹，由于外編織層剛性大，使得氣動(dòng)肌肉產(chǎn)生軸向收縮，產(chǎn)生拉力驅(qū)動(dòng)負(fù)載。氣動(dòng)肌肉這一特點(diǎn)和人體肌肉工作特性類似，且力/長(zhǎng)度特性曲線與生物肌肉的力/長(zhǎng)度特性曲線十分相似[3]。氣動(dòng)人工肌肉的工作原理最初由蘇聯(lián)發(fā)明家S.Garasiev提出，并率先引入實(shí)踐[4]。

1.3 特點(diǎn)

氣動(dòng)人工肌肉與其他驅(qū)動(dòng)器相比有以下優(yōu)勢(shì)[5]：①輸出力/自重比大，能量轉(zhuǎn)換的效率高；②較高的動(dòng)態(tài)特性；③無(wú)爬行現(xiàn)象；④可以通過(guò)改變輸入壓力實(shí)現(xiàn)中間定位；⑤較高的安全性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)易于小型化；⑥可結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)。由于氣動(dòng)人工肌肉的這些優(yōu)勢(shì)，使得在康復(fù)器械中得到廣泛應(yīng)用，且在人體上下肢中應(yīng)用最為普遍。

2 氣動(dòng)人工肌肉在上肢康復(fù)器械中的應(yīng)用

目前，氣動(dòng)人工肌肉在上肢康復(fù)器械中的應(yīng)用包括手部的康復(fù)、腕關(guān)節(jié)的康復(fù)和肘關(guān)節(jié)的康復(fù)。上肢康復(fù)訓(xùn)練器械主要幫助患者進(jìn)行伸展和屈曲等動(dòng)作訓(xùn)練[6]。

2.1 手部康復(fù)器械

手部康復(fù)在于幫助手術(shù)后受傷的手指或手部進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，以盡快恢復(fù)正常狀態(tài)。對(duì)于喪失手部功能的腦卒中患者來(lái)說(shuō)，進(jìn)行高強(qiáng)度的重復(fù)訓(xùn)練有助于手部運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)[7]。這類康復(fù)器械在結(jié)構(gòu)上有剛性和柔性之分，已經(jīng)成為康復(fù)工程領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)方向[8]。

Bao等[9]設(shè)計(jì)的手部康復(fù)器，是一種剛性的外骨骼式康復(fù)器械，采用新設(shè)計(jì)的氣動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，與傳統(tǒng)的氣動(dòng)人工肌肉相比，在橡膠管的外殼中嵌入彈簧，抑制管子徑向變形同時(shí)增加執(zhí)行器的剛度。該手部康復(fù)器的優(yōu)勢(shì)在于收集前臂的表面肌電信號(hào)，確定患者的運(yùn)動(dòng)意圖，以控制康復(fù)器；不足之處在于只包含四個(gè)手指的康復(fù)，沒(méi)有包含拇指。對(duì)于拇指的康復(fù)，Shiota等[10]設(shè)計(jì)拇指康復(fù)系統(tǒng)，采用柔軟的氣動(dòng)執(zhí)行器對(duì)拇指進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)，在腕掌關(guān)節(jié)處使用平行連桿原理由氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)。對(duì)于五個(gè)手指的康復(fù)，Tjahyono等[11]設(shè)計(jì)由氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的五手指外骨骼，具有19個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)大部分健康手的動(dòng)作，同時(shí)開(kāi)發(fā)了一種新型應(yīng)變傳感器來(lái)搭配氣動(dòng)人工肌肉使用，提高了手外骨骼的實(shí)用性。

對(duì)于柔性穿戴式的手部康復(fù)器械，Al-Fahaam等[12]設(shè)計(jì)一款柔性康復(fù)手套，其氣動(dòng)人工肌肉基于McKibben人工肌肉設(shè)計(jì)，由橡膠氣囊組成。通過(guò)加強(qiáng)氣動(dòng)肌肉的一側(cè)以防止伸展，加壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲。這種彎曲的氣動(dòng)肌肉附在康復(fù)手套每個(gè)手指后部，施加壓力時(shí)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器彎曲，從而帶動(dòng)手指關(guān)節(jié)彎曲。康復(fù)手套共使用8根彎曲氣動(dòng)肌肉，能夠?qū)崿F(xiàn)多種手部康復(fù)動(dòng)作。

2.2 手腕康復(fù)器械

Meng等[13]設(shè)計(jì)一種腕關(guān)節(jié)矯形器，采用剛性結(jié)構(gòu)。與此類似，黃明等[14]研究一款便攜式二自由度的腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)腕關(guān)節(jié)的內(nèi)收、外展以及屈伸康復(fù)動(dòng)作。這兩種機(jī)器人都是氣動(dòng)人工肌肉產(chǎn)生的拉力通過(guò)鋼絲繩傳遞帶動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)康復(fù)動(dòng)作。

與剛性結(jié)構(gòu)相比，柔性結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性較好。Andrikopoulos等[15]設(shè)計(jì)一款外骨骼腕關(guān)節(jié)康復(fù)器，通過(guò)一個(gè)可穿戴的橡膠手套實(shí)現(xiàn)，四個(gè)氣動(dòng)肌肉圍繞在前臂周?chē)ㄟ^(guò)控制氣動(dòng)肌肉收縮實(shí)現(xiàn)不同的腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。而Al-Fahaam等[16]設(shè)計(jì)的手腕康復(fù)外骨骼機(jī)器人，與Andrikopoulos等設(shè)計(jì)的不同之處在于氣動(dòng)人工肌肉能夠彎曲運(yùn)動(dòng)。與此類似的有燕山大學(xué)姚建濤等[17]設(shè)計(jì)的一款柔性可穿戴動(dòng)力手套，能夠?qū)崿F(xiàn)腕關(guān)節(jié)屈/伸、內(nèi)收/外展兩自由度運(yùn)動(dòng)，通過(guò)氣動(dòng)人工肌肉的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Das等[18]設(shè)計(jì)一種具有力反饋的氣動(dòng)人工肌肉手套ForceHand Glove，主要針對(duì)人體的手腕，實(shí)現(xiàn)屈曲、伸展、旋前和旋后。與前幾種柔性手套相比，該手套可以為受試者提供良好的力反饋感。

2.3 肘關(guān)節(jié)和手臂康復(fù)器械

Tu等[19]針對(duì)手臂屈肌高張力的腦卒中患者開(kāi)發(fā)一種外骨骼康復(fù)機(jī)器人RUPERT，關(guān)節(jié)采用氣動(dòng)人工肌肉單向驅(qū)動(dòng)，同時(shí)采用功能電刺激激活癱瘓的手臂肌肉，兩者配合實(shí)現(xiàn)患者主動(dòng)抓握訓(xùn)練。一些學(xué)者將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)配合康復(fù)設(shè)備或康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行上肢康復(fù)治療。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為康復(fù)治療領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)方向[20]。郭萌等[21]研究一款穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人，能實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)外旋以及肘關(guān)節(jié)的屈伸康復(fù)動(dòng)作，借助眼動(dòng)跟蹤儀的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)與其結(jié)合進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，可以解決康復(fù)治療中的乏味。

雖然氣動(dòng)人工肌肉在上肢康復(fù)器械中應(yīng)用的研究多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)研究的階段，還未應(yīng)用于臨床當(dāng)中，但已經(jīng)有很大突破。氣動(dòng)人工肌肉的結(jié)構(gòu)不再局限于傳統(tǒng)的軸向收縮，比如Al-Fahaam等設(shè)計(jì)的可彎曲的氣動(dòng)人工肌肉；同時(shí)，康復(fù)訓(xùn)練不再限于傳統(tǒng)的重復(fù)性動(dòng)作，與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合，增加了康復(fù)訓(xùn)練的有效性和趣味性。

3 氣動(dòng)人工肌肉在下肢康復(fù)器械中的應(yīng)用

下肢康復(fù)器械可幫助偏癱和下肢功能障礙患者進(jìn)行踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及腿部康復(fù)訓(xùn)練，臨床效果顯著，能明顯提高下肢功能評(píng)分[22]。傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)在下肢康復(fù)器械中應(yīng)用較廣，但電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為剛性驅(qū)動(dòng)，稍有不當(dāng)，很容易對(duì)患者造成二次傷害[23]。氣動(dòng)人工肌肉是一種柔性驅(qū)動(dòng)器，安全性和柔順性比電機(jī)高。近年來(lái)，利用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的康復(fù)器械實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一。

3.1 腿部康復(fù)器械

對(duì)于下肢的康復(fù)器械，結(jié)構(gòu)上較多采用外骨骼形式。Wan等[24]設(shè)計(jì)的氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的仿生下肢外骨骼HLLE，可模擬人的步態(tài)行為進(jìn)行康復(fù)鍛煉，但尚在人體上進(jìn)行研究。Sun等[25]設(shè)計(jì)的氣動(dòng)肌肉智能外骨骼機(jī)器人，引入肌電圖進(jìn)行輔助控制。Su等[26]開(kāi)發(fā)的步態(tài)康復(fù)外骨骼機(jī)器人同時(shí)具有主動(dòng)和被動(dòng)控制策略。在對(duì)嬰兒和幼兒腿康復(fù)中，Park等[27]開(kāi)發(fā)了一種二維平面結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)人工肌肉，引入零容積氣室的概念，進(jìn)一步減少人工肌肉的厚度，用于嬰兒和幼兒可穿戴康復(fù)機(jī)器人中。傳統(tǒng)的McKibben氣動(dòng)肌肉結(jié)構(gòu)中會(huì)存在一定體積的氣室；零容積的概念消除了無(wú)用的空氣體積，使得氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)更加緊湊。

3.2 膝關(guān)節(jié)康復(fù)器械

Dao等[28]開(kāi)發(fā)一種名為AirGait的高順應(yīng)性下肢康復(fù)矯形系統(tǒng)，采用氣動(dòng)人工肌肉提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的步態(tài)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。氣動(dòng)肌肉以拮抗的方式配置，機(jī)器人步態(tài)訓(xùn)練系統(tǒng)包括髖關(guān)節(jié)下端的大腿和膝關(guān)節(jié)下端的小腿，使康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)化和模塊化。Diteesawat等[29]提出一種高強(qiáng)度的人工肌肉BAM(Bubble Artificial Muscle)，用于矯正器械，改善行動(dòng)不便者的膝關(guān)節(jié)屈曲，與傳統(tǒng)McKibben人工肌肉不同之處在于BAM可在低壓條件下啟動(dòng)，并且十分輕便。

3.3 踝關(guān)節(jié)康復(fù)器械

劉海濤等[30]設(shè)計(jì)一種3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)AirGait，可分別控制背屈/跖屈和外翻/內(nèi)翻運(yùn)動(dòng)。Noda等[31]設(shè)計(jì)一種雙桿踝足矯形器，用于腦卒中后步態(tài)康復(fù)，驅(qū)動(dòng)方式開(kāi)發(fā)出嵌套氣缸氣動(dòng)人工肌肉系統(tǒng)，有很好的保護(hù)。類似的有Ulkir等[32]開(kāi)發(fā)的氣動(dòng)踝足矯形器。Hong等[33]提出高背屈輔助機(jī)器人技術(shù)，由于偏癱患者不能自主產(chǎn)生足夠的踝關(guān)節(jié)背屈力，使用氣動(dòng)人工肌肉提供活躍的背屈扭矩，用于踝關(guān)節(jié)步態(tài)康復(fù)中，這使得氣動(dòng)人工肌肉有了新的應(yīng)用范圍。

對(duì)于柔性的踝關(guān)節(jié)康復(fù)器械，Park等[34]設(shè)計(jì)一種可穿戴的踝足康復(fù)機(jī)器人，完全采用柔性結(jié)構(gòu)，不會(huì)限制自然狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)的自由度，采用四個(gè)氣動(dòng)人工肌肉輔助背屈和跖屈以及內(nèi)翻和外翻。

氣動(dòng)人工肌肉在下肢的康復(fù)中多作用于關(guān)節(jié)，多數(shù)采用剛性的外骨骼形式。對(duì)于特殊人群的康復(fù)訓(xùn)練，研究人員對(duì)氣動(dòng)肌肉做出相應(yīng)的改進(jìn)，比如Park等設(shè)計(jì)的零容積氣室的氣動(dòng)肌肉以及Diteesawat等設(shè)計(jì)的BAM。這些改進(jìn)擴(kuò)大了氣動(dòng)人工肌肉的應(yīng)用范圍，也同時(shí)提高了康復(fù)治療的技術(shù)。

4 氣動(dòng)人工肌肉在其他康復(fù)器械中的應(yīng)用

目前，氣動(dòng)人工肌肉在身體其他部位的康復(fù)中應(yīng)用較少。Kim等[35]開(kāi)發(fā)一種用于矯正頸部姿勢(shì)的康復(fù)設(shè)備，由柔性傳感器和氣動(dòng)人工肌肉組成，分別用于監(jiān)測(cè)和校正頸部角度，能夠監(jiān)視姿勢(shì)變化的同時(shí)校正頭部姿勢(shì)。Zi等[36]設(shè)計(jì)了一種柔索氣動(dòng)肌肉混合驅(qū)動(dòng)腰部康復(fù)機(jī)器人，通過(guò)雙并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模擬步態(tài)時(shí)骨盆軌跡運(yùn)動(dòng)，訓(xùn)練人體腰部。氣動(dòng)人工肌肉的這兩項(xiàng)應(yīng)用為今后的研究提供了良好借鑒。

5 小結(jié)

近年來(lái)，氣動(dòng)人工肌肉的相關(guān)研究受到關(guān)注，特別是在康復(fù)領(lǐng)域，涉及機(jī)械技術(shù)、控制設(shè)計(jì)和材料等。

未來(lái)研究應(yīng)考慮：①氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，如設(shè)計(jì)可彎曲的氣動(dòng)人工肌肉，應(yīng)用于需要進(jìn)行彎曲等復(fù)雜動(dòng)作的康復(fù)訓(xùn)練；②康復(fù)器械與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合的綜合治療，提高康復(fù)治療的趣味性和治療效果；③氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的康復(fù)器械在身體其他康復(fù)部位的應(yīng)用，如腰背部，目前主要針對(duì)上下肢康復(fù)訓(xùn)練較多；④研究更精確的氣動(dòng)肌肉控制方法，采用多控制策略，服務(wù)于實(shí)際應(yīng)用。

相信在不久的將來(lái)，氣動(dòng)人工肌肉的技術(shù)日趨成熟，在康復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用將進(jìn)一步發(fā)展。