康复机器人研究进展

张

秀1袁张宇斐2袁焦志伟1*北京100730冤

[摘要]

阐述了康复机器人的分类袁从刚性机器人尧软体机器人尧刚柔耦合机器人3个方面介绍了康复机器人的发展

渊1.北京化工大学机电工程学院机械工程系袁北京100029曰2.中国医学科学院北京协和医院袁

现状及其康复原理袁总结了不同类型康复机器人的优势与不足袁指出了未来康复机器人应向定制化尧更高可靠性尧普适性尧互动性等方向发展遥[关键词]

机器人曰康复曰刚性机器人曰软体机器人曰刚柔耦合机器人

[文章编号]1003-8868渊2020冤04-0097-06

[中国图书资料分类号]R318曰TP242[文献标志码]A

DOI院10.19745/j.1003-8868.2020095

Researchprogressofrehabilitationrobot

ZHANGXiu1,ZHANGYu-fei2,JIAOZhi-wei1*

Beijing100730,China)

(1.DepartmentofMechanicalEngineering,SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China;2.PekingUnionMedicalCollegeHospital,ChineseAcademyofMedicalSciences,

Abstract

wereintroducedfromtheaspectsofrigidrobot,softrobotandrigid-flexiblecouplingrobot.Theadvantagesanddeficienciesoftypesofrehabilitationrobotsweresummarized,andit'spointedoutrehabilitationrobotwouldbeenhancedincustomization,reliability,universality,interactivityandetc.[悦澡蚤灶藻泽藻酝藻凿蚤糟葬造耘择怎蚤责皂藻灶贼允燥怎则灶葬造袁2020袁41渊4冤院97-102]Keywordsrobot;rehabilitation;rigidrobot;softrobot;rigid-flexiblecouplingrobot

Theclassificationofrehabilitationrobotwasdescribed,andthenitspresentsituationandrehabilitationprinciple

0引言

随着生活和医疗水平的提高袁我国人口老龄化日

趋严重遥脑卒中在我国中老年人群中发病率较高[1]袁

系列智能康复训练器[7]遥目前应用较为普遍的康复机器人是牵引式/悬挂式康复机器人袁其特点是多功能尧高自动化程度和多自由度[8]遥近年来袁随着形状记忆合金尧水凝胶尧离子交换聚合

且偏瘫率高达80%~90%[2]遥因此袁社会对康复治疗资源的需求量不断增大遥

人脑具有可塑性袁通过一定手段给予患者适量和特定的重复性训练袁可以促进大脑皮质的重组袁使

[3-4]患者学习并储存正确的运动模式遥传统康复治疗方法操作复杂袁消耗大量人力尧物力袁而通过康复机器人训练不仅能降低经济成本袁还容易获得相当于甚至优于治疗师的功能修复[5]遥

早期康复机器人主要为单自由度袁运动模式单一袁成本相对低廉袁应用范围广遥1987年袁英国Mike1所示[6]遥其他具代表性的产品主要有德国的THERA-

金属材料等智能材料的迅猛

发展袁康复机器人的种类日趋多样化遥由天然肌肉组织[9]和软体电子材料等组成的合成细胞[10]将会进一步推动康复机器人达到全新高度袁越来越多不同种类和不同功能的康复机器人逐渐走进医院尧社区和家庭[11]遥本文主要从目前康复机器人的类型尧康复原

图1Handy1康复机器人[6]

Topping公司成功研制出Handy1康复机器人袁如图Vital智能康复训练器尧美国的NUSTEP康复器尧意大利的Fisiotek下肢被动运动训练器尧以色列的APT

渊1995要冤袁女袁硕士研究生袁研究方向为秀

软体机器人袁E-mail院13520478397@163.com遥

通信作者院焦志伟袁E-mail院jiaozw@mail.buct.edu.cn窑医疗卫生装备窑2020年4月第41卷第4期作者简介院张

理及优缺点几个方面综述康复机器人的研究进展袁

并展望康复机器人的研究方向遥1康复机器人的分类

针对不同病症袁康复机器人的功能和结构也大不相同遥依据不同标准袁康复机器人的分类如图2所示遥

从控制效果看袁康复机器人的训练模式主要包

悦澡蚤灶藻泽藻酝藻凿蚤糟葬造耘择怎蚤责皂藻灶贼允燥怎则灶葬造窑灾燥造援41窑晕燥援4窑April窑2020

·98·医疗卫生装备袁2020袁41渊4冤院97-102.张秀袁张宇斐袁焦志伟.康复机器人研究进展[J].GeneralReview主动综述控制效果被动阻抗进行分类介绍遥

2刚性机器人

刚性机器人一般使用传统刚性材料结合较为成熟的控制系统袁自由度有限遥传统刚性机器人在康复治疗中应用广泛遥

在国外袁2012年袁以色列制造商ReWalk机械公

渊如图3所司设计制造的ReWalk玉下肢康复机器人

示[15]冤用特定拐杖保持行走过程中身体的平衡袁通过在手腕上佩戴一个无线控制器来选择站立或爬楼梯

等不同的运动模式遥ReWalk作为一种安全的尧可移动的动力矫形器袁主要帮助脊髓受损导致下肢运动机能损伤的患者进行康复治疗袁对于脊髓受损患者具有很大的应用潜力遥

作用机制牵引式外骨骼式气压致动方式康复机器人液压磁流变液柔索低自由度中高刚性机器人与人体相容性软体机器人刚柔耦合机器人图2康复机器人的分类括患者主动训练尧被动训练和阻抗训练等遥主动训练指人的手臂主动发力袁机器人提供辅助或阻力进行训练曰被动训练指机器人带动人的手臂进行训练曰阻抗训练以患者更强烈的自主训练意识为主导袁主要用于患者康复后期[12]遥

从作用机制看袁康复机器人可分为牵引式和外

骨骼式遥牵引式主要提供平面康复运动训练袁结构简单袁便于控制曰外骨骼式能实现多方向运动和全方位训练袁穿戴轻便袁移动便捷遥

从致动方式看袁康复机器人的致动器主要包括

图3ReWalkI下肢康复机器人[15]

气压尧液压尧柔索[13]尧磁流变液[14]等具有单向作用以及刚度可变特性的驱动器遥

从自由度来看袁康复机器人分为低尧中尧高3类遥早期康复机器人主要由刚性材料组成袁自由度较低袁

康复机器人如图4所示遥其头盔中脑电信号收集器接收患者脑部发出的指令袁电动机产生驱动力袁完成对外骨骼的控制遥当患者开始行走时袁由处理后的肩部运动信号对外骨骼下肢进行控制袁主要用于脊髓受损患者的康复训练遥该下肢康复机器人可以帮助截瘫患者站立和行走袁但步态稳定性还需进一步改善遥

2015年袁Wang等[16]设计的MINDWALKER下肢

运动模式较为单一遥随着软体机器人的发展袁使用软材料和柔性驱动器制作的康复机器人可拥有更高自由度袁但由于软材料自身特性袁难以实现精确控制遥刚柔耦合机器人的自由度通常介于刚性和软体机器人之间袁康复训练模式更加多元遥

从康复机器人与人体的相容性看袁可将康复机器人分为3类院刚性机器人尧软体机器人和刚柔耦合机器人遥康复机器人自问世到逐步成熟袁其发展与材料的更迭相辅相成遥刚性材料了康复机器人的自由度袁且质量较大袁增加了患者的负担遥从安全角度看袁刚性材料对患者也并不友好遥研究者开始将目光转向柔软的智能材料袁出现了软体机器人和刚柔耦合机器人袁与人体的相容性得到提高遥本文将从刚性机器人尧软体机器人和刚柔耦合机器人3个方面

窑医疗卫生装备窑2020年4月第41卷第4期

患者矫正脊柱畸形遥该设计能够控制人体躯干特定

横截面的位置/方向袁同时测量施加在身体上的力/力矩袁充分结合患者特有的躯干刚度特征并利用三维力的动态调节来治疗脊柱畸形遥

在国内袁2014年袁张辉等[18-19]设计出一种新型的六自由度康复机械手臂袁如图5所示遥6个自由度分别为肩关节处3自由度尧肘关节1自由度尧腕关节2自由度袁可与人手臂运动相适应袁从而有效模拟人体上肢运动遥

2018年袁Park等[17]开发了躯干外骨骼RoSE帮助

行力传递的下肢康复机器人遥这款机器人设有急停

2015年袁周海涛[20]设计了一款采用丝杠螺母进

悦澡蚤灶藻泽藻酝藻凿蚤糟葬造耘择怎蚤责皂藻灶贼允燥怎则灶葬造窑灾燥造援41窑晕燥援4窑April窑2020

综述GeneralReview张秀袁张宇斐袁焦志伟.康复机器人研究进展[J].渊4冤院97-102.医疗卫生装备袁2020袁41·99·渊a冤由充满颗粒状物质的柔渊b冤以章鱼特有的肌肉结构

性囊组成的软夹持器为模型的柔性机械手

渊c冤毛虫GoQBot

渊d冤由压缩空气驱动的多步态软步行器

渊a冤结构示意图

渊b冤框架示意图

图4MINDWALKER下肢康复机器人[16]

肩部滑块肩部连杆

2

13

圆弧导轨

按钮袁采用拉压传感器实时检测运动

状态袁提高了用户使用的舒适性遥3软体机器人软体机器人很少使用刚性材料袁而是用凝胶流体及形状记忆聚合物等弹性物质替代遥软

图6

渊e冤蠕动运动收缩线虫

应用软体材料制作的机器人[21]

上臂连杆

手腕滑块

前臂连杆

度尧便携的外骨骼服袁穿戴者可以在众多非常规环境渊比如诊所外冤中增强运动能力袁帮助自身进行上肢功能恢复及日常活动遥同年袁Randazzo等[26]设计出一款穿戴式手指机器人mano袁可辅助患者日常生活动作袁其制作所用硅树脂材料可直接用水清洗遥mano采用一个电动机带动一个手指实现弯曲和伸展运动袁可适应不同人的手部尺寸袁与人手部贴合良好袁如图7渊d冤所示遥

够准确遥

2018年袁Lessard等[25]开发出一款软外骨骼服CRUX袁如图7渊c冤所示遥CRUX是一款柔顺尧多自由

手部摆杆

图5

体机器人自由度

高尧变形连续尧安全性能好袁在康复领域愈受青睐遥通过模仿软体生物如章鱼尧蠕虫尧毛毛虫等袁软体机器人能赋予传统机器人不具备的变形能力袁如图6所示[21]遥相比刚性机器人袁软体机器人质量轻尧与人体相容性好尧安全性能高遥近年来袁软体康复机器人取得一系列重要研究成果遥

在国外袁2007年袁Takeda等[22]模拟肌肉运动方式袁研制出一款康复手套袁同时被制作成人体假肢遥其收缩运动由压力气体的充放带动软体气囊的轴向

渊a冤所示遥运动完成袁如图7

2015年袁Polygerinos等[23]使用纤维强化的软体

致动器袁研制出一款液压驱动的移动式手套袁伸长尧渊b冤弯曲尧扭转等动作由纤维层和保持层完成袁如图7

所示遥

肩关节3自由度三维模型示意图[18-19]

渊a冤康复手套[22]渊b冤移动式手套[23]图7外骨骼式软体机器人

渊c冤软外骨骼服

CRUX[25]渊d冤穿戴式手指机

器人mano[26]在软体机器人发展过程中袁3D打印使机器人造价不断降低遥例如袁2017年袁Ang等[27]设计了3D打印气动式康复辅助手套袁手指的屈伸运动由位于腰部的气泵充放气实现遥食指的掌指关节尧近端指间关节尧远端指间关节运动角度分别可达健康手运动角度的30%尧82%尧33%袁拇指的掌指关节尧近端指间关节尧掌腕关节运动角度分别可达健康手运动角度的9%尧7%尧45%遥这款针对消费者的3D打印手套制造

2017年袁Popov等[24]设计出一款柔性外骨骼手套袁可用于户外生活辅助袁便于携带遥除小拇指外袁每个手指均由一个电动机带动弯曲和伸展运动遥小拇指上的柔性电阻感应器可检测小拇指运动来控制其余四指电动机的运动袁最终实现患者主动控制遥其指尖抓握力可达16N袁但缺少机械结构袁运动轨迹不

窑医疗卫生装备窑2020年4月第41卷第4期

费用低袁允许患者在家使用3D打印设备打印袁使康

复机器人走进普通家庭成为可能遥2018年袁Bataller

悦澡蚤灶藻泽藻酝藻凿蚤糟葬造耘择怎蚤责皂藻灶贼允燥怎则灶葬造窑灾燥造援41窑晕燥援4窑April窑2020

·100·医疗卫生装备袁2020袁41渊4冤院97-102.张秀袁张宇斐袁焦志伟.康复机器人研究进展[J].GeneralReview综述渊如图8所等[28]设计出一款柔性欠驱动康复机器人

示冤袁用于平时生活辅助及神经康复训练遥该康复机器人是用3D打印机制备袁可复现人手抓握范围的70%袁具有抓取尧准确抓握尧拇指侧向抓握3个辅助功能遥

大多数康复机器人质量已大幅减轻袁但电动机或气泵仍了康复机器人的使用袁因此便携式柔性康复机器

图8

柔性欠驱动康复机器人[28]

该团队的机器人已发展至袁可为患者提供经济尧便捷的上肢康复训练遥

混合驱动的腰部康复机器人袁主要包括腰部训练装置和下肢牵引装置袁由3根气动人工肌肉驱动腰部训练装置遥同年袁Yang等[36]使用绳索耦合方式实现掌指关节尧近端指间关节尧远端指间关节3个关节的关联运动遥这种方式使柔性绳索式手套的关节运动轨迹与健康手运动轨迹的符合度更高遥

大学共同开发的下肢外骨骼机器人FourierX2[37]首

野意次采用视觉诱发增强的自主脑控技术袁让人通过念冶控制外骨骼机器人行走袁如图10所示遥

2017年袁傅利叶智能科技有限公司与西安交通

2016年袁Zi等[35]提出一种柔索和气动人工肌肉

人成为热门研究方向之

一遥2019年袁刘鹏等[29]使用气动人工肌肉设计出一款四自由度上肢康复机器人袁结构合理尧穿戴方便袁将气动人工肌肉作为驱动器袁安全性高尧移动方便袁适合在各种室内场合进行康复训练袁在康复治疗中应用广泛遥4刚柔耦合机器人

刚柔耦合机器人充分发挥了传统刚性机器人和软体机器人这2类机器人的优点遥

在国外袁2011年袁Xie等[30]设计出一种三自由度气动软并联机器人袁由4套空气驱动力臂和缆绳来带动平台运动袁完成踝关节运动练习遥该机器人无球形关节袁结构紧凑尧灵敏度高尧耐磨袁且便于携带遥用一根绳索与电位器相连构成一个关节袁根据抓握

渊误差依1毅冤遥过程中绳索的长短变化计算各关节角度

模式袁采集患者健康手的数据来控制患手的运动遥通

过橡皮绳与绳索组合驱动袁柔性手套带动手指作伸展运动袁电动机带动手背部绳索并克服橡皮绳拉力使手指弯曲遥

骼手套SPAR袁如图9所示遥该手套结合了意图检测尧前臂的肌电图和近端定位驱动袁从而创建了一个强大的可穿戴系统袁主要用于手部辅助和基于功能任务的训练遥

在国内袁2015年袁Huang等[34]设计出一

2019年袁Rose等[33]开发出一种刚柔混合型外骨2018年袁Durairajah等[32]运用双手协同康复训练2016年袁Park等[31]设计出一款三手指外骨骼手袁

图10下肢外骨骼机器人FourierX2[37]

2019年袁尖叫智能科技渊上海冤有限公司推出不同尺码的下肢版和腰部版外骨骼2款产品[38]袁使用人工智能和神经网络学习来预测用户行为遥外骨骼落地便进入无需拐杖的自平衡状态袁会随着行走模拟实现重心尧安全防线尧主动纠偏扭转袁如图11所示遥许多刚柔耦合机器

渊vir-人同虚拟现实技术强了训练的趣味性遥国外研究表明袁肢体功能受损较严重患者利用VR系统康复机器人能获得更好的恢复效果[39]遥2010年袁Connelly等[40]利用VR充气手套对脑卒中患者手功能进行康复训练袁

图11尖叫智能科技渊上海冤有限

公司外骨骼康复机器人[38]

tualreality袁VR冤结合袁增

改善了手腕关节活动和手掌收缩遥

认知功能障碍对患者日常生活的影响有时甚至超过躯体功能障碍袁将VR技术应用在治疗认知功

种基于轮椅的轻便上肢机器人袁其机械臂参数可调袁可适应不同个

图9

外骨骼手套SPAR[33]

体对左手和右手进行主动或被动训练遥此

能障碍上具有传统方法无法比拟的优势[41]遥在国外袁2010年袁Godfrey[42]将VR技术与手部外骨骼机器人结合袁对慢性脑卒中手部痉挛患者进行康复训练袁改善了患者的手指关节活动度遥2012年袁Caglio等[43]利

外袁其支持语音控制尧计算机控制等控制方式遥如今袁

窑医疗卫生装备窑2020年4月第41卷第4期

用3D电子游戏进行记忆康复研究袁用虚拟航行训

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综述GeneralReview张秀袁张宇斐袁焦志伟.康复机器人研究进展[J].渊4冤院97-102.医疗卫生装备袁2020袁41·101·练激活记忆区域袁改善成人脑损伤患者记忆功能遥

在国内袁2009年戚淮兵等[44]设计出基于Agent的虚拟认知康复系统袁可刺激患者感官袁纠正认知偏差袁具有开放尧自主尧可移植的特点遥

实康复训练系统对轻度认知功能障碍患者进行研究袁发现其在治疗轻度认知功能障碍方面具有一定作用遥5结语

康复机器人可为患者提供差异化训练袁增强患者主动运动意识袁减少康复训练时间袁提高康复训练效果遥刚性康复机器人发展历史较久袁控制系统相对成熟袁但无法满足康复对安全性能的高要求曰软体机器人在刚性机器人的基础上实现了更多自由度袁但软体材料仍有很大发展空间曰刚柔耦合机器人充分发挥刚性和软体机器人的优势袁具有很高的研究价值遥不同类型康复机器人的优缺点对比见表1遥

表1不同类型康复机器人的优缺点对比

康复机器人

自由度数量

种类

安全性

相容性

质量大小

价格高低

有重要意义遥

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器人软体机器人绎绎绎绎绎绎绎绎绎翌绎绎绎绎翌绎绎绎翌翌绎绎绎翌翌注院绎表示期望已达到程度

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oftheMINDWALKERexoskeleton[J]援IEEETransNeuralSyst渊8冤院95-100.技术研究[J].医疗卫生装备袁2018袁39

同20世纪90年代相比袁康复机器人取得了很

渊1冤现有康大的进步袁但仍存在需要深入研究之处院

复机器人在设计时尺寸多采集平均值袁很难适应不

同个体遥建议结合快速成型技术袁发展个性化定制康复机器人遥渊2冤现有的刚性机器人自由度有限袁而软体机器人无法准确可靠地传动遥因此袁建议充分发掘刚柔耦合机器人的潜能袁提高康复机器人的可靠性遥渊3冤现有康复机器人因昂贵的售价无法进入普通家庭遥建议寻找性价比更高的材料袁实现康复机器人的普适性遥渊4冤康复治疗本身是一个漫长的过程袁患者容易产生疲劳及反抗情绪遥建议发挥VR技术极具趣味性的优势袁在康复治疗中融入更多游戏元素袁让渊5冤现有康复机器人普遍缺少患者更主动完成训练遥

触觉反馈遥建议研究各类传感器袁增强康复机器人同人体的交互遥

为实现应用普及和商业化袁未来康复机器人应向大规模生产与廉价方向发展遥可以预见袁在人工治疗费用越来越昂贵的时代袁康复机器人的适用场合会越来越多遥探究和总结康复机器人的研究现状袁对完善康复机器人的功能以及未来医疗领域的发展具

窑医疗卫生装备窑2020年4月第41卷第4期

悦澡蚤灶藻泽藻酝藻凿蚤糟葬造耘择怎蚤责皂藻灶贼允燥怎则灶葬造窑灾燥造援41窑晕燥援4窑April窑2020

·102·医疗卫生装备袁2020袁41渊4冤院97-102.张秀袁张宇斐袁焦志伟.康复机器人研究进展[J].GeneralReview综述exoskeleton渊RoSE冤院characterizingthe3-DstiffnessofthensNeuralSystRehabilEng袁2018袁26渊5冤院1026-1035.东华大学袁2014.

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