上肢康復(fù)機(jī)器人研究進(jìn)展綜述

徐東 徐晗 李益斌 張珝 李曉龍

摘? 要：康復(fù)機(jī)器人已成為上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者進(jìn)行康復(fù)治療的重要方法之一。文章通過回顧國(guó)內(nèi)外近年來的研究進(jìn)展和研究成果，結(jié)合康復(fù)訓(xùn)練需求，將上肢康復(fù)機(jī)器人按照使用方式的分類方法，分為末端引導(dǎo)式和外骨骼式兩大類，并對(duì)其中具有代表性的研究成果從機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制設(shè)計(jì)、康復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容、傳感檢測(cè)等方面進(jìn)行著重介紹，為上肢康復(fù)機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙;康復(fù)治療;康復(fù)機(jī)器人;外骨骼

中圖分類號(hào)：TP242;R496? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）16-0142-04

Review on Research Progress of Upper Limb Rehabilitation Robot

XU Dong，XU Han，LI Yibin，ZHANG Xu，LI Xiaolong

（Auckland Tongji Rehabilitation Medical Equipment Research Center，Tongji Zhejiang College，Jiaxing? 314051，China）

Abstract：Rehabilitation robot has become one of the important methods for rehabilitation treatment of patients with upper limb motor dysfunction. This paper reviews the research progress in recent years at home and abroad and the research results，combined with rehabilitation training needs，the upper limbs rehabilitation robot according to the way of using classification method，divided into two categories：terminal heuristic and exoskeleton，and some representative research results from the structure of the robot design，control design，the rehabilitation training content，sensing detection is introduced，the research and design of the robot for upper limb rehabilitation to provide the reference basis.

Keywords：motor dysfunction of upper limbs;rehabilitation treatment;rehabilitation robot;exoskeleton

0? 引? 言

腦卒中是一種急性腦血管疾病，嚴(yán)重危害人類健康和生命安全，具有高發(fā)病率、高死亡率以及高致殘率的特點(diǎn)[1]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的腦卒中發(fā)病率高于全球平均水平，每年約有250萬新發(fā)腦卒中病例和750萬腦卒中幸存者。在腦卒中幸存者中，70%～80%會(huì)伴有不同程度的殘疾，尤以偏癱最為常見。據(jù)臨床研究表明，積極接受有效的康復(fù)治療可使90%的患者重新獲得行走和生活自理能力，若不進(jìn)行康復(fù)治療，該比例僅為6%[2]。因此，對(duì)于腦卒中癱瘓患者盡早開展康復(fù)訓(xùn)練顯得尤為重要，有效的康復(fù)訓(xùn)練可以輔助患者最大限度地改善運(yùn)動(dòng)功能障礙，減輕后遺癥。

對(duì)于腦卒中患者，傳統(tǒng)康復(fù)治療方法主要是患者定期前往醫(yī)院或者康復(fù)中心，康復(fù)治療師針對(duì)其進(jìn)行“一對(duì)一”的手法治療，康復(fù)效果較大程度依賴醫(yī)師的治療水平，訓(xùn)練強(qiáng)度難以保證。國(guó)內(nèi)外學(xué)者將機(jī)器人技術(shù)與臨床康復(fù)醫(yī)學(xué)結(jié)合，提出基于康復(fù)機(jī)器人的輔助訓(xùn)練方案，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)進(jìn)行重復(fù)性高強(qiáng)度的勞作，減輕醫(yī)護(hù)人員負(fù)擔(dān)，增加患者獲得康復(fù)治療的機(jī)會(huì)，并保證康復(fù)訓(xùn)練強(qiáng)度。同時(shí)，康復(fù)機(jī)器人精度高、智能化程度高，能夠自動(dòng)記錄訓(xùn)練數(shù)據(jù)，提供客觀、詳細(xì)的評(píng)價(jià)參數(shù)，輔助醫(yī)師調(diào)整治療方案，提高康復(fù)訓(xùn)練效果，進(jìn)而進(jìn)一步調(diào)整治療方案，提升康復(fù)訓(xùn)練效果和患者治療積極性，使患者早日恢復(fù)健康水平。

考慮到目前88%的腦卒中幸存者，上肢運(yùn)動(dòng)功能在某種程度上受到限制，且與下肢康復(fù)相比，上肢復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)使其恢復(fù)更加復(fù)雜[3]。上肢康復(fù)機(jī)器人因其完整的上肢運(yùn)動(dòng)控制能力，能夠完成更加復(fù)雜化、精細(xì)化的上肢康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作，已逐漸成為康復(fù)醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。奧克蘭·同濟(jì)康復(fù)醫(yī)療設(shè)備研究中心（以下簡(jiǎn)稱“奧同中心”）致力研究國(guó)內(nèi)外康復(fù)醫(yī)療設(shè)備前沿技術(shù)，開展上肢康復(fù)機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品的自主研發(fā)，本文通過對(duì)近些年來國(guó)內(nèi)外上肢康復(fù)機(jī)器人研究進(jìn)展的綜述，為奧同中心自主研發(fā)項(xiàng)目——上肢協(xié)調(diào)康復(fù)機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)，提供前期研究基礎(chǔ)。

1? 分類

目前上肢康復(fù)機(jī)器人的分類方法較多，可以按照康復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容，分為主動(dòng)式、被動(dòng)式和主被動(dòng)結(jié)合式;也可根據(jù)其使用形式，分為末端引導(dǎo)式和外骨骼式兩類。末端引導(dǎo)式機(jī)器人輔助患者康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，患者的手部抓握或綁定于機(jī)器人的末端執(zhí)行器，機(jī)器人通過驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器從而帶動(dòng)人體手部運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上肢各關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。外骨骼式機(jī)器人常設(shè)計(jì)為典型的仿生手臂結(jié)構(gòu)形式，可穿戴到人體上肢，對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行精確控制，以實(shí)現(xiàn)單關(guān)節(jié)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)和多關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)。本文主要依據(jù)使用形式分類，對(duì)國(guó)內(nèi)外具有代表性的研究成果進(jìn)行闡述，并分析上肢康復(fù)機(jī)器人未來的發(fā)展趨勢(shì)，為上肢康復(fù)機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2? 研究現(xiàn)狀

在美國(guó)、日本和歐洲一些國(guó)家，因受老齡化影響，其國(guó)內(nèi)的康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步較早，并有部分成熟的研究成果進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化投放市場(chǎng)。我國(guó)康復(fù)機(jī)器人相關(guān)研究雖然起步較晚，但隨著我國(guó)老齡化進(jìn)程加劇，政府對(duì)老年人、殘疾人康復(fù)產(chǎn)業(yè)關(guān)注的日益增加，以及機(jī)器人技術(shù)的蓬勃發(fā)展，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)涌現(xiàn)出大量的優(yōu)秀的研究成果，對(duì)于國(guó)內(nèi)康復(fù)機(jī)器人的研究與產(chǎn)業(yè)化具有顯著的引導(dǎo)作用。

2.1? 末端引導(dǎo)式

美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）Hogan教授開發(fā)了第一臺(tái)上肢康復(fù)機(jī)器人MIT-MANUS[4]，如圖1所示。其采用SCARA串聯(lián)式五連桿結(jié)構(gòu)，末端具有二自由度，可輔助患者進(jìn)行肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)在水平面內(nèi)的康復(fù)訓(xùn)練。Hogan教授首次提出阻抗控制算法，以提高康復(fù)訓(xùn)練過程中人機(jī)交互的柔順性?；颊呖筛鶕?jù)自身病情選擇被動(dòng)訓(xùn)練模式，在機(jī)器人的牽引下，以預(yù)設(shè)軌跡完成被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，也可通過增加適當(dāng)?shù)淖枘幔o助患者進(jìn)行肌力訓(xùn)練。MANUS內(nèi)置的傳感器可實(shí)時(shí)采集訓(xùn)練過程中的位置、速度、力等各類數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)界面進(jìn)行可視化，有效幫助患者和醫(yī)師進(jìn)行臨床評(píng)價(jià)。在MANUS的基礎(chǔ)上，MIT團(tuán)隊(duì)增加了對(duì)手腕關(guān)節(jié)的輔助訓(xùn)練裝置，從而實(shí)現(xiàn)肩、肘、腕五自由度的康復(fù)訓(xùn)練，并開展了初步的臨床試驗(yàn)。MIT-MANUS作為上肢康復(fù)機(jī)器人的鼻祖，從結(jié)構(gòu)形式、控制算法、傳感監(jiān)測(cè)等方面，對(duì)于后期學(xué)者開展的康復(fù)機(jī)器人研究具有很好的導(dǎo)向作用。

意大利帕多瓦大學(xué)研制了上肢康復(fù)機(jī)器人Sophia系列[5]，以多組繩索和滑輪實(shí)現(xiàn)肢體末端牽引式康復(fù)訓(xùn)練，如圖2所示。

其代表性的Sophia-4機(jī)器人，共使用了4個(gè)電機(jī)以分別驅(qū)動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，4組滑輪纏繞的繩索共同牽引末端執(zhí)行器，通過手部握持安裝于末端執(zhí)行器處的手柄，實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)。相比MANUS，Sophia-4可對(duì)工作平面進(jìn)行傾角調(diào)整，可以更好地輔助肩關(guān)節(jié)的屈/伸自由度訓(xùn)練。末端執(zhí)行器采集的力學(xué)信息、位置信息以及滑輪組繩索的張力分別傳輸至上位控制器和下位控制器實(shí)時(shí)計(jì)算，其數(shù)據(jù)以及視覺反饋可在PC顯示器上實(shí)時(shí)顯示。

清華大學(xué)是我國(guó)最早開始研究康復(fù)機(jī)器人的科研機(jī)構(gòu)之一，從2000年開始承擔(dān)國(guó)家“863課題”以來，其一直從事與上肢康復(fù)機(jī)器人的研究與產(chǎn)業(yè)化工作。其中比較有代表性的研究成果為二自由度上肢平面康復(fù)機(jī)器人[6]，如圖3所示。其結(jié)構(gòu)形式采用二連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手部末端引導(dǎo)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)的大范圍運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)在康復(fù)訓(xùn)練策略上設(shè)計(jì)有被動(dòng)模式、助力模式和阻抗模式，并可結(jié)合腦電信號(hào)實(shí)現(xiàn)患者的自主訓(xùn)練。系統(tǒng)內(nèi)嵌有位置傳感器、力傳感器，對(duì)患者康復(fù)訓(xùn)練過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息和力量信息進(jìn)行采集和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者康復(fù)情況的跟蹤與評(píng)價(jià)。

末端引導(dǎo)式機(jī)器人側(cè)重關(guān)注末端手部的運(yùn)動(dòng)軌跡，其傳感器往往只用于采集末端手部的位置和力信息，對(duì)于上肢其他關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)信息缺乏有效反饋。并且該類機(jī)器人常用于輔助患者進(jìn)行某一平面內(nèi)的訓(xùn)練，無法較好實(shí)現(xiàn)立體空間的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，尤其對(duì)于具備多自由度的肩關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)的自由度數(shù)量以及關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍均十分有限，從而導(dǎo)致機(jī)器人難以模擬上肢日常行為運(yùn)動(dòng)軌跡，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的康復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容。

2.2? 外骨骼式

自2009年開始，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研制了ARMin系列上肢骨骼康復(fù)機(jī)器人[7]，ARMin Ⅰ如圖4所示。

其最新研制的ARMin Ⅲ，相比ARMin Ⅰ和ARMin Ⅱ自由度更加豐富，并增加了四個(gè)被動(dòng)自由度，增強(qiáng)了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的舒適性和靈活性，較好地適應(yīng)患者肢體尺寸導(dǎo)致的個(gè)體差異。ARMin系列機(jī)器人在各關(guān)節(jié)安裝有位置傳感器和力/力矩傳感器，可對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行采集和記錄，患者在訓(xùn)練時(shí)可通過PC端界面看到虛擬人物在做同樣的動(dòng)作，并通過任務(wù)引導(dǎo)式的游戲提高患者的訓(xùn)練積極性。在控制算法上，研究人員通過阻抗控制和導(dǎo)納控制的算法設(shè)計(jì)，提高了人機(jī)協(xié)作時(shí)的柔順性。

美國(guó)特拉華大學(xué)Mao等人提出了一種繩索牽引驅(qū)動(dòng)的上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人CAREX系列[8]，如圖5所示。該機(jī)器人設(shè)計(jì)有七個(gè)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)肩、肘、腕五自由度運(yùn)動(dòng)。CAREX為一種新型的輕質(zhì)外骨骼，將外骨骼的剛性連接替換為固定在活動(dòng)肢體上的輕質(zhì)袖口結(jié)構(gòu)，通過多股繩索多方向聯(lián)合驅(qū)動(dòng)每個(gè)袖口結(jié)構(gòu)，袖口結(jié)構(gòu)再驅(qū)動(dòng)肢體運(yùn)動(dòng)。這種多股繩索多方向的驅(qū)動(dòng)方式，較好地解決了單股繩索無法提供推力的問題。與ARMin Ⅲ相比，CAREX的總體重量減輕至后者的十分之一，僅有1.5 kg。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳燕燕設(shè)計(jì)了一種混聯(lián)式可調(diào)節(jié)六自由度外骨骼，適用于坐姿/站姿狀態(tài)下人體上肢單關(guān)節(jié)/多關(guān)節(jié)康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練[9]，如圖6所示。該機(jī)器人設(shè)計(jì)有一套重力平衡裝置，可對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)部分平衡，降低了關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)成本。研究人員引入表面肌電信號(hào)（SEMG）來表征患者的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)患者的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判，增強(qiáng)患者康復(fù)訓(xùn)練的主動(dòng)參與性，并以健康人作為受試對(duì)象，進(jìn)行了被動(dòng)、主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練試驗(yàn)，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的基于SEMG和軌跡線性化（TLC）的控制策略具備良好的軌跡跟隨性能。

上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人模擬人體上肢對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)分布特征布置，這要求人機(jī)對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的軸線/心在康復(fù)訓(xùn)練過程中始終保持對(duì)齊或重合。以肩關(guān)節(jié)為例，人體肩關(guān)節(jié)的生理位置是由肩鎖關(guān)節(jié)、胸鎖關(guān)節(jié)、肱骨姿態(tài)等共同決定，外骨骼機(jī)器人的機(jī)械軸線較難做到與肩關(guān)節(jié)軸線/心實(shí)時(shí)對(duì)齊，導(dǎo)致出現(xiàn)人機(jī)協(xié)作不相容問題[10]。但與牽引式康復(fù)機(jī)器人相比，外骨骼康復(fù)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)上肢在立體空間內(nèi)的訓(xùn)練，可以較好地實(shí)現(xiàn)上肢各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制。

目前國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)出一批創(chuàng)新型企業(yè)，通過與高校產(chǎn)學(xué)研合作和自主研發(fā)，推出了一系列的上肢康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品。上海傅利葉智能科技有限公司研發(fā)的ArmMotus M2上肢康復(fù)機(jī)器人[11]，采用二自由度平面引導(dǎo)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可為患者提供沉浸式的康復(fù)訓(xùn)練體驗(yàn)，提高患者運(yùn)動(dòng)的力度、速度、準(zhǔn)確度等多維度的訓(xùn)練效果，重塑上肢功能，如圖7所示。廣州一康醫(yī)療設(shè)備實(shí)業(yè)有限公司推出的三維上肢訓(xùn)練與評(píng)估系統(tǒng)A6[12]，采用七自由度外骨骼式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除實(shí)現(xiàn)常規(guī)的被動(dòng)、助力和主動(dòng)訓(xùn)練外，還增加了軌跡示教功能，可實(shí)時(shí)模擬人體上肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)合情景互動(dòng)、訓(xùn)練反饋和評(píng)估系統(tǒng)，提高患者康復(fù)訓(xùn)練效果，如圖8所示。

3? 結(jié)? 論

目前國(guó)內(nèi)外較多的上肢康復(fù)機(jī)器人仍處于科學(xué)研究中，距離臨床使用還有較多的難題需要解決。末端引導(dǎo)式康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式限制了康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)的復(fù)雜性，不易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，多關(guān)節(jié)聯(lián)合訓(xùn)練時(shí)無法較好兼顧每個(gè)關(guān)節(jié)。外骨骼康復(fù)機(jī)器人存在軸線對(duì)齊、個(gè)體間肢體尺寸差異問題，對(duì)于機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制柔順性都有較高的要求。

康復(fù)訓(xùn)練的目標(biāo)是幫助患者最大程度地改善功能障礙，提升生活自理能力，回歸家庭。在任務(wù)引導(dǎo)方面，應(yīng)更關(guān)注日常生活活動(dòng)的能力要求，設(shè)計(jì)提高適應(yīng)性的訓(xùn)練任務(wù);在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)從肢體生理結(jié)構(gòu)出發(fā)，符合患者的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、身體特征以及訓(xùn)練空間的要求，并能適應(yīng)患者間的個(gè)體化差異。同時(shí)，在機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)加入大量的傳感器，采集患者的力學(xué)信息、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、生物電信號(hào)等數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，實(shí)時(shí)獲得患者訓(xùn)練過程中的狀態(tài)變化，自適應(yīng)調(diào)整訓(xùn)練任務(wù)，提高人機(jī)協(xié)作的柔順性交互。

目前，康復(fù)訓(xùn)練呈現(xiàn)出巨大的剛性需求，國(guó)家政策的大力支持必將促進(jìn)康復(fù)機(jī)器人蓬勃發(fā)展，在北京、上海、廣州等城市先后涌現(xiàn)出大量康復(fù)機(jī)器人研發(fā)企業(yè)，相信不久的將來，康復(fù)機(jī)器人將成為支撐“健康中國(guó)”戰(zhàn)略國(guó)家“大健康”戰(zhàn)略的重要一環(huán)，幫助更多的功能患者重獲健康。

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作者簡(jiǎn)介：徐東（1990.07—），男，漢族，浙江衢州人，助理研究員，碩士，研究方向：康復(fù)機(jī)器人及可穿戴智能設(shè)備。