医疗外骨骼康复机器人的发展

来源:用户上传      作者:

　　摘要：医疗外骨骼康复机器人主要用于行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等，是医疗卫生装备信息化、智能化的重要发展方向之一。本文从研究现状、工作原理、设计特点、控制方法以及关键技术等方面对外骨骼康复机器人进行介绍，进一步表明外骨骼机器人在改善患者行走功能以及提升生活自理能力具有重大的意义。
　　关键词：外骨骼外骨骼康复机器人;智能化;信息化
　　中图分类号：TP242                                  文献标识码：A                                 DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.09.004
　　文章編号：1006-1959（2019）09-0011-03
　　Abstract：Medical exoskeleton rehabilitation robot is mainly used for walking training， arm sports training， spine sports training， etc. It is one of the important development directions of medical and health equipment informationization and intelligence. This paper introduces the external bone rehabilitation robot from the research status， working principle， design features， control methods and key technologies， which further demonstrates that exoskeleton robots have great significance in improving patients' walking function and improving their self-care ability.
　　Key words：Exoskeleton exoskeleton rehabilitation robot;Intelligent;Information
　　由于年龄的增长、意外事故以及疾病等原因，人们的一些行为能力慢慢衰退以至于最终丧失，这也使得世界各国的医疗研究人员将积极研究使患者重获正常行为能力的康复疗法[1]。有数据显示，在脑卒中后3个月，约有1/3幸存的患者不能恢复正常的行走功能，只能以不对称的步行姿态进行走路，其步行速度和耐力也渐衰退。目前对神经系统所引起肢体功能障碍的恢复治疗主要由治疗师一对一或多对一的对患者进行训练，对高强度、有针对性和重复性的康复训练要求现在难以实现。同时人工所采取的训练成本较高，康复评价大多为主观评价，对于治疗效果不能够实时监测[2，3]。因此，如何通过有效的康复疗法来改善患者的行走功能，提高其生活自理能力，以最快的速度回归社会成为了当前热门的研究。
　　目前，在医疗健康领域，将智能机器人技术与康复医疗进行结合并应用于医疗与功能康复等多个方面，已经成为当前非常重要的研究课题[4]。外骨骼康复机器人的研制作为康复医疗中的一个重要的研究方向，其包含了很多领域，拥有相当大的实用价值和市场价值。现在，外骨骼康复机器人凭借其方便、可靠、精确的对数据进行测量与反馈等优点，对有运动功能障碍的患者可以进行有效的辅助康复医疗，使广大患者可以回归正常生活。本文通过对医疗外骨骼康复机器人研究背景、现状及构造等方面进行阐述，为推动医疗康复机器人领域的发展和人机智能科学合理的应用打下良好基础。
　　1研究背景及现状
　　1.1国外研究背景及现状  20世纪80年代，美国、英国和加拿大等有限的几个大国对外骨骼机器人进行研究，吸引了全世界医疗人士的关注，外骨骼机器人开始进入康复医疗领域。20世纪90年代初，56个外骨骼康复机器人研究中心已经遍布全球，主要分布在日本、欧洲、北美地区。1996年，德国柏林自由大学成功研制机械式步态康复训练器。2000年，美国成功研制一种运用传感设备来测量运动学和力学参数并由机械臂引导患者下肢运动的康复的机器人，目前国外的外骨骼康复机器人有以下几种。
　　1.1.1以色列Re Walk Robotics公司的Re Walk机器人  2014年6月，Re Walk Robotics公司研制成功外骨骼产品Re Walk机器人。该机器人在手腕处放置控制器，人体工程学绑带把外骨骼和患者双腿进行捆绑，多个传感器安置在整套装备各个节点，传感器将测试重心的前移量反馈到控制系统，系统模仿人体正常的行走姿态，从而帮助患者获得行走能力，同时，该设备还可以帮助患者完成转身和站立等日常动作[5]。
　　1.1.2瑞士HCOMA AG公司的下肢康复机器人  该公司研发的智能型悬挂式Lokomat下肢康复机器人，该机器人将反馈与评估融合在一起，并添加虚拟现实，同时将下肢运动障碍患者进行专业拟合行走步态，从而训练和恢复患者的行走能力[6]。
　　1.1.3美国Ekso Bionics公司的外骨骼康复机器人  该公司生产的外骨骼机器人运用人体工程对人体行走步态进行拟合，通过整套设备多个传感器的反馈到控制器的信号，利用单关节驱动人体下肢进行活动，使下肢运动障碍患者重新获得行走能力[7]。 　　1.2国内研究背景及现状  国内对外骨骼康復机器人的研究比较晚，很多产品还是不够成熟，国内外骨骼康复机器人具有很大的市场空间。21世纪初，国内各个高等院校以及研究中心非常重视对康复医疗机器人的研制，如哈尔滨工业大学研制的的重心可以进行调控的下肢外骨骼康复训练机器人，中科大、浙大等国内各个高等院校研制的可穿戴式下肢外骨骼康复训练机器人等。目前国内各高校研制的具有代表性的康复医疗设备有以下几种。
　　1.2.1哈尔滨工业大学新型5DOF外骨骼康复机器人  哈尔滨工业大学在外骨骼康复机器人研究领域具有很高的建树，其中下肢康复助行机构最具有代表性。所研制出来的新型5DOF外骨骼式康复机器人利用一种新型的构型方式驱动关节转动，并基于模块化的设计思想完成了6自由度外骨骼机器人的整体结构设计，并且基于弹性梁结构与力传感器，设计了一种新型人机交互接口结构，可有效获取人机交互力信息，为控制方法研究提供了基础。同时结合穿戴者的舒适特性，研究人员研制了一整套人-机-环境系统，此设备包括助行行走机构和抬升机构两个部分。下肢行动障碍的患者在没有医疗护理人员帮助的时候也可以穿戴此设备进行功能性的康复训练。
　　1.2.2上海理工大学坐卧式外骨骼康复机器人  上海理工大学研制的坐卧式外骨骼康复机器人单下肢具有3个自由度，分别是髋关节的屈曲/伸展;膝关节的屈曲/伸展;踝关节的跖屈/背屈，利用较少的自由度来实现行走，降低了机构的复杂程度，提高了装置的效率。髋关节和膝关节的运动通过驱动器实现，该驱动器是在滚珠丝杠副基础之上加了两对受压弹簧，这可以有效地实现运动的缓冲和模拟关节运动时肌肉的动作方式;踝关节自由度通过一副对拉弹簧实现，可以有效地减少地面的对外骨骼本体的冲击能量。人体不同程度的减重是通过此设备利用训练床的倾斜来完成，在患者进行行走功能训练的过程中，由传感器测量的运动参数、足底压力以及静态平衡参数等数据由控制器进行系统的分析。
　　1.2.3浙江大学多自由度外骨骼助行机器人  浙江大学研制的多自由度外骨骼助行机器人，利用气动进行驱动，同时它可以将足底压力信号和气缸的位移控制信号直接关联起来，能够较好的判断穿戴者的运动意图。同时所研制的外骨骼康复机器人把下肢外骨骼技术运用于康复训练之中，可以将理疗师从繁重的训练任务中解放出来，还可以客观记录训练过程中患者的训练数据，供理疗师分析评价治疗效果，机器人所记录下的详细数据，使理疗师能够深入了解中枢神经康复的规律。
　　2 外骨骼康复机器人构造
　　2.1工作原理  外骨骼康复机器人将传感器安装在设备的各个部位，传感器从设备各个点获得角度、扭矩以及能量等各项数据，并将数据传输给系统中心中央控制处理器，经过控制器内部接收、计算以及转化等对外骨骼康复机器人的动作进行调节，最后由驱动装置驱动设备完成与行动障碍的患者一系列运动动作，见图1。
　　2.2外骨骼康复机器人设计特点  外骨骼机器人是一种由机械机构组成的人工制造外骨骼，设备能够给患者提供一定程度的保护，使患者能够在没有专人陪护的情况下完成很多正常人的活动动作。
　　2.2.1可穿戴性  设备要拥有良好的可穿戴性，在没有训练师专业的指导下就可以自身很顺利的穿上和脱下设备来进行康复治疗。
　　2.2.2鲁棒性  设备要拥有较好的鲁棒性，包括：①外骨骼材料的质地要坚硬，能够支撑患者的体重重量②设备的各个执行机构和控制算法要有好的性能，确保设备能够准确、可靠、的完成各项预期功能。
　　2.2.3柔顺性及舒适性  外骨骼结构与人体各个部位的运动动作要拥有很好的协调性，设备的配置要与人体的结构与自由度相互匹配。同时患者穿戴上设备后感觉非常舒服，患者对设备不能有较大的干扰，外骨骼脚接触地面时对患者的冲击尽量减少到最小，使患者感觉舒适。
　　2.3外骨骼康复机器人控制方法  外骨骼康复机器人与其他类型机器人的最大差别在于它不是由机器操作的，而是由人来进行操作的，设备操作者始终处于系统的回路之中，设备操作者与外骨骼康复机器人进行物理接触，形成了一个人机耦合的一体化系统。系统的控制目的是能够让患者和设备相互协调性进行工作。目前各国研制的外骨骼康复机器人系统的主要控制方法如下。
　　2.3.1操作者控制  一些用于康复治疗的外骨骼康复机器人，设备的步态矫正装置能够利用外部能源进行驱动的，在这些设备中由操作者控制的主要是下肢外骨骼康复机器人，用来支撑患者的重量，使设备在患者的操作下能够轻松顺利的进行下肢的康复训练。这些由操作者控制设备的命令信号前期由正常人的动作测量而得。如由Yano设计的外骨骼康复机器人，设备使用了一种开关和地面反作用力的传感器，在患者的操作下，利用驱动器驱动患者的髋关节进行活动，进而改变患者脚底离开地面的距离。
　　2.3.2预编程控制  有些外骨骼装置在面世之前已经在设备的控制系统内预先编好程序，操作者不能进行有效的干预。例如，下肢运动矫正装置的运动轨迹在设计时依据正常人的运动动作来预先编好固定的程序，操作者根据预先编好的程序来进行康复训练。针对腿部受到物理损伤的患者而进行设计的有源步态矫正装置，其利用已经编好的程序来控制机械关节来模仿正常人的行走步态，进而使患者能够有序的进行运动。Colombo的步态矫正器是一个由位置控制的外骨骼康复机器人，设备的步幅、速度等程序控制参数能够依据不同患者来进行调节。
　　2.3.3 ZMP控制  新加坡南洋理工大学设计的下肢能量增强外骨骼康复机器人运用下肢轨迹跟踪和零力矩点ZMP的控制方法进行控制设备。安装在患者腿上的角度传感器将所测量的人体位置信号传递给控制系统，进而驱使设备的机械结构腿来跟踪患者腿的运动动作，同时系统通过控制外骨骼康复机器人的ZMP来维持设备的稳定运行。患者在运动行走的过程中，只用ZMP的行动轨迹维持在特定的运动区域内，才能保持患者在运动行走的过程中稳定。通过测量正常人的ZMP作为外骨骼康复机器人控制系统的ZMP的参考输入，进而使设备的ZMP和患者的ZMP维持一致。在控制系统中，如果设备的ZMP偏离系统预先设定好的ZMP，系统在髋关节处驱动器的驱使下，控制设备的机械构造对其ZMP来进行补偿，使设备和患者的ZMP保持一致。 　　2.4外骨骼康复机器人的關键技术
　　2.4.1外骨骼机器人的步态分析性控制  步态分析与步态稳定是设备外骨骼机械构造设计所必须考虑的。因为设备外骨骼机械构造随着患者下肢的走动而进行动作，作为设计者要考虑的就是设备外骨骼应该与患者拥有协调一致的活动动作，同时，也应该具有和患者下肢动作一样的自由度和运动形式。所以，分析患者动作自由度和研究分析人体步态稳定是设计外骨骼康复机器人行走的基础。
　　2.4.2外骨骼机器人多传感器的选择与信息融合  传感器作为完成设备系统自动控制的重要环节，设备的传感器就如同人的神经一样，在系统的控制过程中起着非常重要的作用，控制系统通过传感器能够获得操作者和设备机械构造的各种数据，这样才可以使设备的控制系统能够及时有序的进行运动。
　　2.4.3外骨骼机器人的驱动方式与能源  合理选择系统驱动方式对外骨骼康复机器人系统的结构和性能也有很大的影响。外骨骼康复机器人一般采用电机驱动，液压驱动，气压驱动三种驱动方式。以上这3种驱动方式他们各有自己的优点和缺点，研究人员在应用设计设备时需要根据实际情况进行合理的分析选择。
　　3总结
　　外骨骼康复机器人涉及到机械、电子、控制、计算机等各个领域，是很多高新科技技术集成产品。随着科技的不断创新与进步，外骨骼机器人可以逐步向智能化、模块化、微型化发展，进一步提高人机耦合技术，其功能也就越强大，未来的外骨骼机器人会更加适合操作者。随着社会的发展，老龄化加重，可穿戴式外骨骼机器人对于残疾人或身体机能薄弱者具有很大的康复效果，减轻了社会与家庭的压力，具有较高的社会与经济价值。
　　参考文献：
　　[1]徐图.气动肌肉驱动脚踝康复机器人控制方法研究[D].武汉理工大学，2015.
　　[2]邓超，陶志奎.基于FMEA和FTA的脚踝康复机器人可靠性分析[J].机器人技术与应用，2018（1）：27-33.
　　[3]熊瑶，陈敏.人工智能在医疗领域应用现状探讨[J].医学信息学杂志，2018，39（4）：24-28.
　　[4]张莹.机器人技术在健康管理领域中的应用[J].医学信息学杂志，2016，37（11）：6-9.
　　[5]赵向阳，狄菲菲，尹彦存.一种基于平面连杆机构原理的新型脚踝康复机的设计与研究[J].现代制造技术与装备，2017（8）：11-12，15.
　　[6]隋鹏举.踝部关节运动建模及踝关节康复机构设计[D].福州大学，2011.
　　[7]潘晶.医疗及健康服务机器人从眼球效应到刚需[J].机器人产业，2018（6）：47-50.
　　收稿日期：2018-12-10;修回日期：2018-12-29
　　编辑/宋伟作者简介：薛建明（1968.9-），男，黑龙江佳木斯人，本科，高级经济师，主要从事医疗器械方面研究
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14801107.htm