下肢動力外骨骼機器人進展研究

包仁人 馮健 陸英男 沈慶杰 鄧德智

摘? ?要：伴隨著人口老齡化和意外事故的不斷增加，需要進行下肢康復訓練和下肢功能代償?shù)娜巳阂膊粩嘣黾?，而下肢動力外骨骼機器人恰好能在這一過程能發(fā)揮重要的作用。目前已經商品化的外骨骼產品主要集中在美國、歐洲、日本，主要應用領域為醫(yī)療、助殘、助務;而中國2015年后也在此方向出現(xiàn)了一批創(chuàng)業(yè)公司，以醫(yī)療和助殘為主要目的，部分產品已經進入到了實際應用環(huán)節(jié)。本文通過介紹主要商品化的下肢動力外骨骼機器人產品，給各位研究者提供參考。

關鍵詞：下肢? 外骨骼機器人? 醫(yī)療康復? 助殘? 能力增強

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0076-03

伴隨著人口老齡化和意外事故的不斷增加，偏癱、中風、腦卒中、截癱等患者也不斷增多，其中只有相當一小部分能得到肢體康復訓練。根據(jù)當代醫(yī)學理論和臨床醫(yī)學實踐證明，欲對肢體運動功能進行恢復、提高和代償，除了必要的醫(yī)療手段外，科學和正確的康復訓練也是十分有效的，而下肢動力外骨骼機器人恰好能滿足這些需求[1]。目前下肢外骨骼機器人主要在醫(yī)用康復、養(yǎng)老、助殘等領域里有更為實際的應用。本文通過對下肢外骨骼機器人產品發(fā)展現(xiàn)狀的論述，給相關研究人員提供參考。

1? 國外動力下肢外骨骼機器人研究進展

外骨骼的研究始于20個世紀60年代，隨著科技進步，2000年以后涌現(xiàn)出一批外骨骼機器人系統(tǒng)，應用領域以軍用、醫(yī)療輔助、助力行走為主。

1.1 美國下肢外骨骼機器人

2000年，美國伯克利大學機器人和人體工程實驗室研制了其第一代下肢外骨骼機器人，2008年研制出了其第三代軍用外骨骼系統(tǒng)HULC，如圖1（a）所示，自重24kg，采用液力驅動[2]。在HULC基礎上，2010年推出了針對截癱患者的下肢步態(tài)修復外骨骼系統(tǒng)eLEGS（Exoskeleton Lower Extremity Gait System），如圖1（b）所示，骨架部分采用鋁和鈦合金制作，驅動機構也更改為電機。2011年eLEGS更名為Ekso，并于2012年初獲得FDA批準，為脊髓損傷（SCI）患者提供步態(tài)康復訓練。

2013年5月，范德堡大學設計制造名為“Indego”的動力外骨骼機器人，目前“Indego”重量僅為17.7kg，其模塊化設計也使穿著更為方便，使用時需要配合助行架或拐杖，其適用人群為上肢功能完整的截癱患者、神經系統(tǒng)疾病患者和下肢能力衰弱的人群[3]，如圖2所示。

1.2 日本下肢外骨骼機器人

2004年筑波大學的山海嘉之（Yoshiyuke Sankai）教授創(chuàng)立了Cyberdyne公司，其研制的HAL系列機器人2013年成為全球首個獲得安全認證（ISO/DIS 13482）的機器人外骨骼產品，主要應用于醫(yī)療、養(yǎng)老機構進行康復性訓練，如圖3（a）所示，此外骨骼的最大特點在于采用了人體表面肌電信號作為讀取穿著者運動意圖的信息來源。同時此公司也開發(fā)了髖關節(jié)助力外骨骼，如圖3（b）所示，主要應用于重物搬運工作時保護工作人員腰部。

1.3 以色列ReWalk下肢外骨骼系統(tǒng)

ReWalk下肢外骨骼主要目標群體為截癱患者，脊髓損傷導致的腿部完全或不完全癱瘓，但是可以上半身和手臂功能無礙的患者可以使用[4]。2012年末ReWalk個人版獲得歐洲CE認證，2014年6月獲得美國FDA批準上市，如圖4所示。

2? 國內下肢動力外骨骼機器人研究進展

2005年前后，國內多家科研院所開展了下肢外骨骼方面的研究，多以學術為主，這一領域中具代表性的有中國科學院合肥智能機械所[5]、中科院常州先進制造技術研究所、浙江大學、哈爾濱工業(yè)大學、電子科技大學等。

2015年后，不斷有下肢外骨骼機器人被產品化。北京大艾機器人科技有限公司，其外骨骼產品大艾機器人已于2018年8月成為國內首個取得醫(yī)療器械認證的外骨骼機器人，如圖5（a）所示，主要用于康復治療和殘疾人輔助[6]。傅利葉智能推出的下肢外骨骼機器人Fourier X2目標是為下肢癱瘓或偏癱患者提供行走的能力，其同時推出了個人版和醫(yī)療版，如圖5（b）所示。深圳市邁步機器人科技有限公司的外骨骼機器人具有六個關節(jié)的主動驅動，包括雙側的髖、膝、踝關節(jié)，以柔性驅動器作為輸出，設計目標是在醫(yī)院進行使用，適用于中風患者的康復治療，如圖5（c）所示。

3? 結語

商品化的下肢外骨骼主要集中在正常人增力——增加其作業(yè)時間與強度，病人下肢康復訓練以及殘疾人下肢功能代償三個方面。受到成本、消費水平的限制，下肢外骨骼機器人在醫(yī)用康復訓練領域受到的關注更多，但目前來看，由于下肢外骨骼機器人在中國還是一個新興的醫(yī)療機器人產業(yè)方向，相關配套的供應商、國家標準、醫(yī)療器械分類與檢測等都存在滯后，所以距離大范圍的實際應用還有相當?shù)木嚯x。

參考文獻

[1] 朱昕毅，梅濤，王玉成，等.外骨骼機器人人機耦合控制系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化，2016，38（2）：35-37.

[2] Kazerooi H. Exoskeletons for Human Performance Augmentation[M]. 2008.

[3] Tefertiller C，Hays K， Jonnes J， et al. Initial Outcomes from a Multicenter Study Utilizing the Indego Powered Exoskeleton in Spinal Cord Injury [J]. Topics in Spinal Cord Injury Rehabilitation， 2018， 24（1）：78.

[4] 周奇方.外骨骼服性能評估系統(tǒng)的研究[D].電子科技大學，2013.

[5] Hongbing Tao， Yong Yu， et al. A control system based on MCU for wearable power assist legs[C]： Robotics and Biomimetics （ROBIO）， 2011 IEEE International Conference on， 2011.

[6] 單新穎，張騰宇，張曉玉.可穿戴技術在康復輔具領域的應用研究[J].中國康復醫(yī)學雜志，2016，31（10）：1149-1151.