下肢康復醫(yī)療外骨骼發(fā)展現(xiàn)狀綜述

司 訪，李鵬杰，李小奇，許國強，張 煜，葉冬雨

(中國兵器工業(yè)第二〇八所， 北京 102202)

康復醫(yī)療機器人具有廣闊的應用前景，日益成為國內(nèi)外專家學者的研究熱點，其中下肢康復醫(yī)療是康復醫(yī)療的研究重點。隨著人口老齡化及人們生活水平的提高，下肢行動不變的人口數(shù)量急劇升高，行走不便將影響患者的正常生活[1]。我國有著世界上最高的中風發(fā)生率，大約有1 500萬人有下肢運動障礙，大約4 000萬老人在逐漸失去行走能力，每年對下肢康復訓練設備需求量高達35萬套，但是目前市場提供的設備卻少于2萬臺[2]。下肢康復外骨骼可以減輕康復醫(yī)師的負擔，提高康復訓練效率及效果，實時獲取康復訓練數(shù)據(jù)和評估訓練效果[3]。其功能主要包括：維持關節(jié)活動度、防止關節(jié)攣縮、糾正步態(tài)、重塑神經(jīng)系統(tǒng)等。根據(jù)結(jié)構(gòu)類型，下肢康復外骨骼可分為跑步機式和陸基式兩種，患者可通過使用跑步機式康復醫(yī)療外骨骼在跑步機上獲得行走康復訓練，在這種類型的外骨骼中，為了保證安全，保持平衡，需要一套人體重量支撐系統(tǒng)，來減小重力對腿部的影響。陸基式外骨骼幫助患者在地面上行走，重獲行走能力。按照應用類型，下肢康復醫(yī)療外骨骼可分為輔助行走和康復訓練兩類。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

下肢康復外骨骼方面的研究起始于1960年[4]，由于當時技術(shù)的限制，這些裝備沒有實現(xiàn)當時預期的目標，但是為后續(xù)研究打下了基礎，最近幾十年，尤其是Lokomat應用于臨床以后，下肢康復機器人逐漸成為世界各國研究的熱點。國外很多企業(yè)和研究所都開展了相關研究，并且在基礎理論和應用方面都取得了很多里程碑式的成就(圖1)。目前，針對下肢癱瘓、脊髓損傷及步態(tài)矯正，已有多款產(chǎn)品實現(xiàn)了商業(yè)化階段，如表 1所示。

圖1 商品化的康復醫(yī)療外骨骼

表1 典型康復醫(yī)療外骨骼參數(shù)及功能

其中最著名的是以色列的Rewalk[4]，通過手腕移動設備可以實現(xiàn)坐、立、行走等運動；日本筑波大學的HAL-5通過采集肌電信號，做為控制輸入信號[5]、KineAssist可模擬實際生活環(huán)境的平地走，爬坡，站立平衡，動態(tài)平衡等運動[6-8]。還有一些進行了原理樣機試驗測試，如歐盟研究開發(fā)的基于腦機接口BCI控制的MindWalker[9]、美國特拉華州立大學基于彈簧驅(qū)動的重力平衡外骨骼、加州大學伯克利分校設計的低成本繩輪驅(qū)動的Austin、氣動的Lifesuit、輔助兒童患者的ATLAS、以及泰國理工學員的AIT leg exoskeleton-I等[10]。針對運動損傷及中風患者，荷蘭特文特大學設計了LOPES，系統(tǒng)總重量62 kg，其中機械腿重量5.15 kg；韓國西江大學推出了一款能輔助患者行走、站立、坐起等運動的EXPOS外骨骼系統(tǒng)，該系統(tǒng)重量僅為3.2 kg[11]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

與發(fā)達國家相比，我國在康復醫(yī)療外骨骼方面存在巨大差距。我國的高校及研究所已經(jīng)開展了相關的研究，并取得了一定的成果，上海傅里葉智能科技主要致力于上下肢康復機器人技術(shù)突破，主要針對截癱或者行走功能障礙的患者[12]；深圳邁步機器人專注于研究中風患者步態(tài)，從而開發(fā)相應輔助機器人；中國科學技術(shù)大學對下肢康復醫(yī)療外骨骼的構(gòu)型、意圖感知、協(xié)調(diào)控制也進行了深入的研究。本文對下肢康復外骨骼的現(xiàn)狀進行綜述，討論了外骨骼設計過程中，仿生結(jié)構(gòu)設計、個體差異兼容、人機融合控制等關鍵技術(shù)[14]。

2 人體步態(tài)分析

舒適性是下肢康復醫(yī)療外骨骼關鍵指標，外骨骼必須擁有好的穿戴舒適性，人體下肢結(jié)構(gòu)和步態(tài)分析是下肢康復醫(yī)療外骨骼結(jié)構(gòu)設計和控制的基礎。

2.1 人體下肢結(jié)構(gòu)

在解剖學上，人體可分為3個基準面：水平面、冠狀面和矢狀面[15]。在下肢運動過程中，髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)起著主要作用，各關節(jié)運動范圍如表2所示。

表2 下肢主要關節(jié)運動范圍

其中髖關節(jié)由髖臼、股骨頸、股骨頭等組成，運動形式和球鉸副一樣，是人體最穩(wěn)定，自由度最多的關節(jié)；膝關節(jié)主要由股骨遠端、脛骨近端和髕骨構(gòu)成，運動形式和旋轉(zhuǎn)副一樣，承擔著人體最大的負荷，主要負責完成矢狀面內(nèi)的前屈和伸展。踝關節(jié)由脛骨下端、腓骨下端和距骨組成，主要負責跑步、跳躍等功能性活動，可完成矢狀面內(nèi)的趾屈和背伸動作，也能實現(xiàn)在冠狀面內(nèi)的內(nèi)翻和外展動作[16]。

2.2 人體步態(tài)分析

無法通過直接測量獲得患者正常步態(tài)，因為他們的行動功能已經(jīng)受損，所以評估和計算患者的正常步態(tài)十分必要。半身不遂和先天身體殘疾的患者，在康復訓練行走過程中，仍需借助正常步態(tài)的運動軌跡，可以通過收集大量運動步態(tài)數(shù)據(jù)來獲得這些運動軌跡[17]。人體運動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對步態(tài)參數(shù)影響很大，需分析人體正常步態(tài)，研究與步態(tài)密切相關的特征參數(shù)，如：步幅、步頻等[18]。

通過在不同行走速度下分析步態(tài)參數(shù)和關節(jié)角度，發(fā)現(xiàn)行走速度是影響步態(tài)的重要參數(shù)[19]，另外研究表明人體高度這一主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，相比于行走速度，對人體步態(tài)的影響較小[20]。

3 下肢康復醫(yī)療外骨骼的機械特性分析

下肢康復醫(yī)療外骨骼需要實現(xiàn)力和能量傳遞，這些可以通過設計合適的機器人結(jié)構(gòu)和驅(qū)動實現(xiàn)。典型下肢康復醫(yī)療外骨骼機械特性如表3所示。

表3 典型下肢康復醫(yī)療外骨骼機械特性

3.1 下肢康復醫(yī)療外骨骼結(jié)構(gòu)

下肢康復醫(yī)療外骨骼的機械結(jié)構(gòu)需匹配人體運動，BLEEX的結(jié)構(gòu)設計為后續(xù)設計奠定了基礎，為了最大限度減小與穿戴者碰撞并保證舒適性，BLEEX采用擬人化結(jié)構(gòu)[21]，如圖2所示，髖關節(jié)簡化為三自由度球鉸副，以獲得前/后屈、內(nèi)/外展、內(nèi)/外旋自由度；膝關節(jié)選用簡單的旋轉(zhuǎn)副以獲得前/后屈自由度；踝關節(jié)簡化為三自由度球鉸副，以獲得前/后屈、內(nèi)/外展、內(nèi)/外旋自由度。現(xiàn)在的康復醫(yī)療外骨骼，例如：ALEX[22]、Lokomat[3，23]、LOPES[24]、Rewalk[25]、Rex[26]和HAL[27]，都是基于BLEEX的結(jié)構(gòu)設計的。

圖2 BLEEX生物力學設計示意圖

外骨骼結(jié)構(gòu)設計主要是為了支撐盆骨運動，有些外骨骼將盆骨與設備連接例如：Kinessist[28]通過柔性帶連接盆骨支撐人體；ALEX III[29]能夠控制輔助人體盆骨運動；新版的Lokomat[30]提供了一種可選擇的新模式，通過給盆骨側(cè)展和側(cè)向轉(zhuǎn)動來提升治療質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 髖關節(jié)治療模式示意圖

但是這樣簡化設計意味著在外骨骼與人體之間存在一個運動不匹配問題，尤其是人機關節(jié)旋轉(zhuǎn)中心不匹配最為明顯。所以需改進結(jié)構(gòu)設計，對于髖關節(jié)，Y Yu等[31]采用一種3-UPS人體平行結(jié)構(gòu)，自適應匹配人體髖關節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，如圖4所示。當裝在人體腰部和腿部時，就與人體連成了一體，將等效于3-UPS/1-S平行結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示。W Zhang等[32]采用一種新的擬人仿生結(jié)構(gòu)，考慮人體髖關節(jié)康復治療的不同活動需求，其包含兩個結(jié)構(gòu)：3-UPS/S和2-RPS/UPS/S，如圖4(b)所示。D Wang等[33]設計了一種對稱的全約束平行結(jié)構(gòu)被用于髖關節(jié)助力和康復訓練，一定程度上限制髖關節(jié)3個旋轉(zhuǎn)自由度，來避免諸如：運動奇異點、不確定性和兩腿互相干涉等問題，如圖4(c)所示。

圖4 髖關節(jié)平行助力結(jié)構(gòu)示意圖

膝關節(jié)都被簡化為旋轉(zhuǎn)副，僅考慮前/后屈自由度，實際人體膝關節(jié)運動相對來說很復雜，如圖5所示，D Wang等[34]設計了一種自適應膝關節(jié)，來消除對膝關節(jié)的不良影響。考慮到膝關節(jié)的復雜性，M Lyu等[35]設計了一種軸向運動耦合旋轉(zhuǎn)運動的復雜機械結(jié)構(gòu)。

圖5 新型膝關節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

由于剛性外骨骼在人機運動協(xié)調(diào)性方面短期內(nèi)很難得到很大提高，很多學者提出了很多新的結(jié)構(gòu)，如圖6所示有的采用繩索這樣的全柔性結(jié)構(gòu)驅(qū)動人體，將大幅降低人體不適感和能量消耗，這種設計將成為外骨骼領域新的研究方向。

3.2 驅(qū)動系統(tǒng)設計

康復醫(yī)療外骨骼驅(qū)動可分為：主動驅(qū)動(電機、液壓等)，被動驅(qū)動(阻尼、彈簧、彈性體等)，大多數(shù)下肢康復醫(yī)療外骨骼是由電機驅(qū)動，eLEGS髖關節(jié)前/后屈自由度和膝關節(jié)由電機驅(qū)動，踝關節(jié)采用被動自由度[5，36]。Lokomat[36]髖關節(jié)和膝關節(jié)采用滾珠絲杠驅(qū)動。上述驅(qū)動方案的顯著性特點是驅(qū)動器都直接安裝在產(chǎn)品上，增加了樣機重量和復雜程度。所以將電機和驅(qū)動全都安裝在支撐平臺上，而不是樣機上，能夠大幅減輕樣機本身重量。

圖6 柔性助力外骨骼驅(qū)動系統(tǒng)設計示意圖

下肢康復醫(yī)療外骨骼大多采用全剛性驅(qū)動，增加了力控制和系統(tǒng)組成的復雜性。因此RoboKnee[6]設計了一種SEA驅(qū)動來提高力的可控性和驅(qū)動的靈活性；LOPES[8]選用了一種結(jié)合繩纜驅(qū)動的SEA；Y Yu等[38]設計了一種可變剛度的彈性驅(qū)動，如圖7所示，通過調(diào)節(jié)彈性體的剛度來改變驅(qū)動的剛度。

圖7 彈性驅(qū)動示意圖

3.3 步態(tài)軌跡規(guī)劃

由于步態(tài)軌跡數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)有限，參數(shù)化的運動步態(tài)產(chǎn)生算法，用來預測在數(shù)據(jù)庫中不存在的數(shù)據(jù)十分必要。Lokomat[36]外骨骼中的步態(tài)軌跡可以自適應調(diào)節(jié)成特定的患者步長；LOPES[23]步態(tài)軌跡通過一種重構(gòu)人體身高和步行速度的回歸分析算法產(chǎn)生；當收集的數(shù)據(jù)足夠多時，將可以使用數(shù)據(jù)自學習技術(shù)，實現(xiàn)運動軌跡預測，例如：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、多層深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡等算法。

大多數(shù)下肢康復醫(yī)療外骨骼運用分層的控制策略，系統(tǒng)分為上、下兩層，上層是控制決策層，負責控制決策和規(guī)劃的產(chǎn)生；下層是驅(qū)動層，實現(xiàn)驅(qū)動控制[39]。對于陸基式康復醫(yī)療外骨骼，由于其需要實現(xiàn)大量的動作，如圖8所示，控制層通常分為3層，相對增加了人機交互層。如表4典型下肢外骨骼控制框架所示，典型外骨骼控制框架情況。

圖8 典型外骨骼控制系統(tǒng)框圖

Lokomat[36]用一種阻抗控制策略來指導腿部運動和提供髖關節(jié)和膝關節(jié)的力矩，LOPES[23]運用虛擬控制模型實現(xiàn)機器人控制，ALEX[6]運用力控方案用于引導腿部運動。上述所有控制系統(tǒng)實際上都是被動的，因為沒有在環(huán)內(nèi)考慮穿戴者。為了增加患者主動參與，需要減少患者對于外骨骼的依賴性，為了達到這個目標，不僅要測量人體的運動信息，還要測量人機交互信息。

另一種方案是測量人體肌電信號(EMG)和腦電信號(EEG)來獲取人體運動意圖，HAL[13]應用肌電信號來判斷外骨骼提供助力的時間。但是基于肌電信號控制只適用于肌肉擁有高度活性的患者。腦電控制技術(shù)，也已應用于很多偏癱患者康復訓練的外骨骼。但是上述所有研究都還處于初始階段。

表4 典型下肢外骨骼控制框架

4 展望

近年來，受益于機械和控制系統(tǒng)設計技術(shù)的發(fā)展，多款下肢助力外骨骼系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化，但是在人機一體化融合方面尚存在很大的技術(shù)差距。只有當患者與外骨骼形成一個有機的整體時，外骨骼才能起到真正的康復訓練的作用。

本文對下肢康復醫(yī)療外骨骼國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行了介紹，并分析了典型裝備的結(jié)構(gòu)與控制特性，綜上所述，有如下展望：

1) 需要設計擬人化結(jié)構(gòu)和靈活的驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)人機一體化融合。目前，簡化的人體運動模型和外骨骼剛性結(jié)構(gòu)使得外骨骼運動與人體運動不匹配，影響了外骨骼的穿戴舒適性和訓練效果。因此可采用SEA驅(qū)動增加外骨骼裝備的柔順性，但是增加的柔性不可避免的增加了結(jié)構(gòu)的復雜性和控制難度。所以能夠?qū)⒛芰扛咝鬟f到人體的剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)，將成為以后研究的熱點。

2) 外骨骼應能夠輔助穿戴者恢復原始步態(tài)，以實現(xiàn)人機協(xié)調(diào)運動。對于偏癱和身體殘疾患者的康復訓練，由于人體運動軌跡數(shù)據(jù)數(shù)量有限，很難產(chǎn)生適用于所有特定患者的步態(tài)，因此進一步明確外骨骼參數(shù)與人體步態(tài)參數(shù)之間關系，采用參數(shù)化步態(tài)產(chǎn)生算法很有必要。步態(tài)產(chǎn)生不應只注重矢狀面，而應考慮人體三維運動特性。

3) 應重點研究多模信息融合技術(shù)，目前關于人體運動意圖方面的研究還僅僅只包括人體肢體運動信息、生肌電和腦肌電等，應將患者包括在控制環(huán)內(nèi)，需要研究多模信息融合技術(shù)，增加測量人機交互信息，實現(xiàn)人體運動意圖高效識別。