淺談醫(yī)療外骨骼康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展

張洋

摘 要 隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國家醫(yī)療水平也在不斷提升，各種輔助患者康復(fù)的外骨骼康復(fù)機(jī)器人也應(yīng)運(yùn)而生。外骨骼康復(fù)機(jī)器人在外觀上和人體生理構(gòu)造相去不遠(yuǎn)，患者可以穿著在身體外側(cè)，對患者日?？祻?fù)訓(xùn)練效果的提升大有裨益。隨著近些年人工智能的火熱興起，醫(yī)療外骨骼康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展，以及將迎來新的時代機(jī)遇。

關(guān)鍵詞 外骨骼康復(fù)機(jī)器人;發(fā)展現(xiàn)狀;未來趨勢

“外骨骼”一詞最初來源于生物學(xué)，用以形容昆蟲身體結(jié)構(gòu)。而外骨骼機(jī)器人的研究發(fā)展，最初是為了提升士兵負(fù)重能力的，隨著各國醫(yī)療水平的不斷增長，外骨骼康復(fù)機(jī)器人在輔助病人康復(fù)訓(xùn)練方面的效果，也越來越受到關(guān)注，在改善患者行走障礙、中風(fēng)等康復(fù)訓(xùn)練中有很好的治療效果?，F(xiàn)階段，外骨骼康復(fù)機(jī)器人在國外研究較為成熟，我國尚處在起步階段，在對外國經(jīng)驗(yàn)取長補(bǔ)短的同時，自身也即將迎來快速發(fā)展期。

1 國外研究現(xiàn)狀

以日本和以色列為例。早在1995年，日本筑波大學(xué)研究中心就已經(jīng)開始了外骨骼動力服的研制，該研究最初是為了幫助運(yùn)動障礙患者提升康復(fù)運(yùn)動的治療效果。這種機(jī)器人是一種行走用機(jī)器人，可以由患者穿在身上，如果患者想要行走，機(jī)器人傳感器就會捕捉到患者大腦中發(fā)出的生物電信號，激活伺服系統(tǒng)，令電動馬達(dá)受到感應(yīng)產(chǎn)生肢體動作。這種外骨骼機(jī)器人的使用者不但在正常生活方面毫無障礙，而且提拎重物、攀爬等具備一定難度的動作也絲毫無礙。在2004年，Cyberdyne公司已經(jīng)生產(chǎn)出了HAL-5產(chǎn)品，相較于普通類型康復(fù)機(jī)器人，患者可以在康復(fù)訓(xùn)練時更加主動，在機(jī)器人刺激人體神經(jīng)回路的作用下，患者能夠逐漸靠自己力量完成行走動作。

在2011年，以色列ReWalk Robotics公司共推出了兩款外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品，其中ReWalk Personal個人版可適用各種社交公共環(huán)境，使患者在爬樓梯、行走方面毫無障礙;而ReWalk Rehabilitation康復(fù)版則更適用臨床康復(fù)訓(xùn)練，在患者康復(fù)運(yùn)動中大有裨益。ReWalk機(jī)器人的控制機(jī)制，是依靠腕戴控制器實(shí)現(xiàn)的，能夠?qū)崟r監(jiān)測病患行走情況。內(nèi)置芯片能夠?qū)Σ』忌眢w重心變化情況做實(shí)時感應(yīng)，基于行走情況做實(shí)時調(diào)整。隨著科技的發(fā)展，ReWalk Personal在材質(zhì)上選擇了質(zhì)地更輕的塑料，將原來背負(fù)電池改換位置，在臀部側(cè)面安裝，從而充分減少病患負(fù)重感[1]。

2 國內(nèi)研究狀況

從2010年起，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在外骨骼機(jī)器人的研究上屢有突破。在人體可穿戴機(jī)器人的研制中，下肢助力外骨骼機(jī)器人能夠最大程度令人體肌肉能力強(qiáng)化，幫助患者從事重體力勞動完全沒有問題。這種機(jī)器人還在多用領(lǐng)域大顯身手，諸如單兵作戰(zhàn)、抗震救災(zāi)領(lǐng)域，都有極大應(yīng)用價(jià)值。2011年，由中科院主導(dǎo)研制的下肢助力外骨骼機(jī)器人，則在髖關(guān)節(jié)與膝蓋部位配備編碼器與傳感器，使機(jī)器人能夠正確理解使用者的行走意圖。

上海理工大學(xué)則研制出了坐臥式外骨骼康復(fù)機(jī)器人，在機(jī)器人下肢處，具備三個方向自由度，可實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)的正常屈伸，令機(jī)器人自身復(fù)雜度大大減少，大幅提升了機(jī)器效率。通過控制驅(qū)動器，控制膝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動，這個驅(qū)動器主要是基于滾珠絲杠副基礎(chǔ)，外加受壓彈簧，實(shí)現(xiàn)對人體肌肉運(yùn)動的有效模擬;而踝關(guān)節(jié)自由度則是由對拉彈簧實(shí)現(xiàn)的，可降低來自外界的沖力，對人體骨骼形成保護(hù)[2]。

浙江大學(xué)同樣在外骨骼機(jī)器人的研制上有所突破，這種機(jī)器人能夠滿足多自由度行走。驅(qū)動原理為氣動，另外也能加強(qiáng)氣缸位移信號和足底壓力信號的關(guān)聯(lián)性，對使用者行走需求產(chǎn)生精準(zhǔn)判斷。除此之外，也能夠?qū)κ褂谜叩睦懑煍?shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄，降低理療師的人力成本。

3 未來發(fā)展趨勢

3.1 降低人們購買成本

外骨骼康復(fù)機(jī)器人之所以未能廣泛進(jìn)入千家萬戶，就是因?yàn)楦甙旱某杀臼谷送鴧s步，價(jià)格普遍在十幾萬美元，這也勸退了一部分真正有需求的患者。因此為了加大機(jī)器人推廣力度，未來研制方向在兼顧強(qiáng)度和疲勞性能的同時，一定會側(cè)重降低成本，在傳感器、電池、電動機(jī)的開發(fā)和生產(chǎn)上做到量產(chǎn)，以此達(dá)到降低設(shè)備成本的目的[3]。

3.2 高度智能化

當(dāng)前外骨骼康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，主要通過傳感器感應(yīng)與反饋信號，通過算法對信號進(jìn)行處理，令馬達(dá)產(chǎn)生運(yùn)動，這對機(jī)器人內(nèi)置算法和傳感器都有較高要求。

而隨著傳感器與人工智能技術(shù)如火如荼的發(fā)展，外骨骼康復(fù)機(jī)器人在未來，能夠融合信息，感知環(huán)境情況，并第一時間做出類似生物應(yīng)激性的響應(yīng)[4]。

3.3 材料趨于輕柔

當(dāng)前社會背景下，在外骨骼康復(fù)機(jī)器人的材料支撐架選擇方面，通常會以鈦合金與硬鋁合金為主，不僅外觀較為笨重，而且患者整體的穿戴舒適性也無法滿足，在機(jī)器人響應(yīng)速度上也達(dá)不到同步性，影響患者使用體驗(yàn)。因此未來在材料上會趨于輕柔[5]。

4 結(jié)束語

總體來說，外骨骼康復(fù)機(jī)器人在當(dāng)前社會背景下，已有較大突破，在各個領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用價(jià)值。未來隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，人工智能等技術(shù)的完善，外骨骼康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展前景依然廣闊，仍有較高醫(yī)療價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值有待開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李光林，鄭悅，吳新宇，等.醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人研究進(jìn)展及趨勢[J].中國科學(xué)院院刊，2015，30（6）：793-802.

[2] 王一吉，李建軍.一種可提高和改善步行功能的裝置：動力下肢外骨骼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐，2011，17（7）：628-631.

[3] 魏高峰，田豐，王冬梅，等.基于Hill理論及模糊算法的骨骼肌力建模與仿真[J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué)，2011，6（11）：71-74.

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[5] 趙向陽，狄菲菲，尹彥存.一種基于平面連桿機(jī)構(gòu)原理的新型腳踝康復(fù)機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（8）：11-12.