應(yīng)用于下肢功能障礙者的康復(fù)機(jī)器人：綜述

薛 強(qiáng)，周金滿(mǎn)，楊 碩

(1.天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 00222)

0 引言

下肢功能障礙者由于神經(jīng)通路受阻，無(wú)法自主完成日常生活基本活動(dòng)，醫(yī)學(xué)知識(shí)表明，重復(fù)運(yùn)動(dòng)可重新激活患者的神經(jīng)通路[1]。LLRR將人工智能和機(jī)械動(dòng)力裝置結(jié)合[2]，為患者提供重復(fù)、多樣的下肢運(yùn)動(dòng)，激活神經(jīng)通路，增強(qiáng)肌肉活力，提高患者自理能力和日常生活參與度[3]。

患者使用傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練方法需要多個(gè)護(hù)理人員的幫助，LLRR的使用可以減少護(hù)理人員的投入數(shù)量，也減輕患者的體力及心理負(fù)擔(dān)。目前的LLRR研究與設(shè)計(jì)主要集中在理論上，未對(duì)樣機(jī)進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)的醫(yī)療評(píng)估，受試者的樣本量尚且不足；LLRR設(shè)備的人機(jī)融合性還有待提高；在使用效果方面，LLRR的不利影響尚不明確，例如是否會(huì)對(duì)肢體造成二次傷害、產(chǎn)生并發(fā)癥等；不同患者的步態(tài)有著不對(duì)稱(chēng)性及多變性，LLRR的個(gè)性化研究也有諸多困難。

本文綜述了先進(jìn)、有實(shí)用性的LLRR，按照其主要功能，分為關(guān)節(jié)康復(fù)、步態(tài)康復(fù)機(jī)器人和日?；顒?dòng)輔助機(jī)器人。總結(jié)了各類(lèi)機(jī)器人及其應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)LLRR的研究提供參考方向，也可以幫助下肢殘障患者挑選LLRR。

1 材料與方法

目標(biāo)：總結(jié)經(jīng)學(xué)者研究并驗(yàn)證有效、可實(shí)際應(yīng)用的LLRR及應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀和優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)LLRR研究提供參考方向，幫助下肢障礙者了解并選擇LLRR。

檢索了LLRR相關(guān)的文章，檢索時(shí)間為2020年5月至7月，在以下數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行：IEEE xplore，Science Direct databases，Web of Science，PubMed，ASME，SAGE journals，Mendeley，IOS PRESS，The Royal Society，CINAHL。所使用關(guān)鍵詞為：“康復(fù)輔助設(shè)備(Rehabilitation assistive devices)”或“下肢康復(fù)(Lowerlimb Rehabilitation)”或“髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)外骨(Hip joint，Knee joint and ankle joint Exoskeleton)或下肢康復(fù)機(jī)器人(Lower-limb Rehabilitation Robot)”。

納入標(biāo)準(zhǔn)為：直到2020年出版的，與LLRR相關(guān)的英文文章。

排除標(biāo)準(zhǔn)為：與搜索主題不相關(guān)的、重復(fù)的文章，有關(guān)盲人行走的文章、以及非英文文章。在此基礎(chǔ)上，最初檢索到309篇文章，在閱讀摘要和應(yīng)用納入、排除標(biāo)準(zhǔn)后，去掉了與兒童康復(fù)相關(guān)的文章，最終評(píng)估62篇文章。

2 結(jié)果和討論

2.1 關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人

髖膝踝關(guān)節(jié)構(gòu)成人體下肢運(yùn)動(dòng)鏈，在人體日?；顒?dòng)中有重要作用。髖膝踝關(guān)節(jié)的一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)生疾病或受傷，都會(huì)影響下肢功能，影響生活質(zhì)量。

髖關(guān)節(jié)在人體進(jìn)行步行、下蹲、爬樓梯、坐立轉(zhuǎn)換等動(dòng)作時(shí)皆有著不同的狀態(tài)和作用[4,5]，髖關(guān)節(jié)受損會(huì)使下肢運(yùn)動(dòng)范圍受限[6]，影響正常生活。髖關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人可以幫助患者改善肌肉力量，提高軀干穩(wěn)定性[7]。Zhang等[8]開(kāi)發(fā)的髖外骨骼NREL-Exo，可幫助肌肉無(wú)力的患者主動(dòng)行走，保持身體平衡。Ryder等[9]開(kāi)發(fā)的髖外骨骼，當(dāng)患者的步態(tài)軌跡與參考軌跡不同步時(shí)，外骨骼會(huì)自動(dòng)迅速調(diào)整位置適應(yīng)患者的狀態(tài)，可幫助肌肉無(wú)力、腿部受傷等患者恢復(fù)自然步態(tài)，避免了患者疲勞時(shí)被動(dòng)跟隨外骨骼運(yùn)動(dòng)，減少了對(duì)肢體產(chǎn)生二次傷害的可能。

膝關(guān)節(jié)在人體的下肢運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有支撐體重、輔助下肢擺動(dòng)和吸收沖擊的重要作用[10]，是最容易受傷的下肢關(guān)節(jié)[11]。膝外骨骼可以幫助患者行走[12,13]、進(jìn)行坐立轉(zhuǎn)換[14]。Kashif等[15]設(shè)計(jì)的膝外骨骼，如圖1所示，可根據(jù)肌電信號(hào)識(shí)別患者意圖，控制步行軌跡。如圖2[16]及圖3[17]所示的多中心結(jié)構(gòu)膝外骨骼，可為患者提供真實(shí)真實(shí)自然的下肢運(yùn)動(dòng)，減少人機(jī)之間的不對(duì)準(zhǔn)。Zhang等[18]提出一種柔性膝外骨骼，如圖4所示，采用IMUs測(cè)量膝關(guān)節(jié)角度信息，為患者膝關(guān)節(jié)助力，降低步行代謝成本。

圖1 EICoSI 外骨骼的主要結(jié)構(gòu)[15]

圖2 膝外骨骼模型[16]

圖3 膝外骨骼的運(yùn)動(dòng)范圍[17]

圖4 可穿戴軟膝外骨骼[18]

踝關(guān)節(jié)支撐著人體的站立、行走、坐立轉(zhuǎn)換等活動(dòng)，為下肢活動(dòng)提供了大部分能量[19,20]。踝關(guān)節(jié)受損會(huì)導(dǎo)致患者步態(tài)異常、坐立轉(zhuǎn)換出現(xiàn)障礙、身體失衡。踝外骨骼可以輔助患者進(jìn)行踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練，維持人體平衡，完成日常生活活動(dòng)[21,22]。McCain等[23]設(shè)計(jì)的踝外骨骼可以完成不同速度的步行任務(wù)，改善患者身體的受力情況，保護(hù)患者的身體。Liu等[24]使用四連桿離合器開(kāi)發(fā)了能量存儲(chǔ)和釋放系統(tǒng)，可以在人體的站立階段儲(chǔ)存能量，在其他階段釋放能量，這項(xiàng)技術(shù)可以與適當(dāng)?shù)膹椈蓹C(jī)制[25]結(jié)合，提高機(jī)器人的效率。

3.2 步態(tài)康復(fù)機(jī)器人

步態(tài)康復(fù)機(jī)器人可以輔助患者以正常的步態(tài)行走[26]，或輔助患者進(jìn)行骨盆運(yùn)動(dòng)、平衡訓(xùn)練[27，28]，適用于步態(tài)軌跡或關(guān)節(jié)軌跡異常、下肢力量弱的患者。Chen等[29]提出的“需要時(shí)協(xié)助”（Assist-When-Needed，AWN）控制策略，可僅在患者需要時(shí)提供輔助，有靈活的自適應(yīng)性。Pan等[30]開(kāi)發(fā)的LLRE如圖5所示，利用基于伺服驅(qū)動(dòng)器的多回路調(diào)制方法輔助患者的步態(tài)趨于正常。Wu等[31]設(shè)計(jì)的LLRR如圖6所示，該設(shè)備的髖膝踝關(guān)節(jié)可調(diào)，適用于不同高度的患者。

圖5 LLRE系統(tǒng) [30]

圖6 硬件配置[31]

另有一些具有優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)及設(shè)備，如氣動(dòng)人工肌肉（PAM）可提高設(shè)備的舒適性、安全性[32]，減輕設(shè)備重量、體積、成本，減輕患者身體負(fù)擔(dān)[33，34]。坐/臥式康復(fù)機(jī)器人可以減輕患者的臀和腿部的體重負(fù)擔(dān)，增加下肢關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍[35]，如圖7所示的坐臥康復(fù)機(jī)器人[36]，可以實(shí)現(xiàn)參考軌跡自適應(yīng)柔順控制，為患者提供有效的康復(fù)訓(xùn)練。纜繩/纜索驅(qū)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人可用以進(jìn)行步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練[37]、人體運(yùn)動(dòng)范圍的強(qiáng)化和平衡、本體感覺(jué)訓(xùn)練[38]。如圖8所示的纜繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人[39]，可以完成人體下肢的康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)。

圖7 康復(fù)外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)[36]

圖8 纜索驅(qū)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人[39]

3.3 日?；顒?dòng)輔助機(jī)器人

日?；顒?dòng)輔助機(jī)器人適用于中風(fēng)、腦外傷、脊髓損傷患者，肌肉和關(guān)節(jié)力量不足的老年人，可以輔助患者實(shí)現(xiàn)爬樓梯、下蹲、坐到站及行走運(yùn)動(dòng)，降低體力消耗[40～42]。

Dong等[43]提出了人類(lèi)通用出行協(xié)助（HUMA）外骨骼，如圖9所示，可為患者提供多種行走速度。Li等[44]設(shè)計(jì)了一種不對(duì)稱(chēng)外骨骼，如圖10所示，由外骨骼機(jī)械腿和可單獨(dú)使用的智能假肢組成，大腿和小腿長(zhǎng)度可以調(diào)整，可適應(yīng)不同的人群。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了功能模塊化，可應(yīng)用于個(gè)性化設(shè)置。然而，由于不同患者肢體的不對(duì)稱(chēng)性及習(xí)慣差異性，相關(guān)的理論和技術(shù)需要進(jìn)一步的研究改進(jìn)。

圖9 HUMA及其主要組件 [43]

圖10 外骨骼的結(jié)構(gòu)[44]

對(duì)于生物體和機(jī)器人來(lái)說(shuō)，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)和變化的感知及響應(yīng)能力必不可少[45]。已經(jīng)有學(xué)者證明了一些障礙物探測(cè)器的實(shí)用性[46,47]，可代替患者做一些保障身體安全的行動(dòng)決策。但學(xué)者要注意提高探測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性，以免錯(cuò)誤的決策傷害到患者。一些算法或控制方法也可以提高LLRR的人機(jī)協(xié)調(diào)能力：高斯過(guò)程學(xué)習(xí)算法[48]、基于地面反作用力和力矩（GRF/M）的控制方法[49]可以提高力矩預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性；自抗擾控制可以改進(jìn)抗干擾性，提高跟蹤性能[50]；非線性模型預(yù)測(cè)控制器[51]可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，慣性測(cè)量單元[52]（IMU）及廣義比例積分[53]（GPI）控制策略可以檢測(cè)用戶(hù)運(yùn)動(dòng)意圖，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整。

3.4 討論

不管是步態(tài)異常的人還是健康人，在實(shí)驗(yàn)室和日常生活中的狀態(tài)是不完全一樣的[54]。學(xué)者大多在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下而非生活狀態(tài)下測(cè)試志愿者數(shù)據(jù)，樣本量不足，或許會(huì)與患者的期望有偏差。患者在長(zhǎng)時(shí)間的康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中要克服機(jī)械阻抗，健側(cè)及患側(cè)可能會(huì)因此受傷，所以LLRR的柔性也需要進(jìn)一步提高。

研究表明，長(zhǎng)時(shí)間使用降低肌肉活動(dòng)度和能量消耗的LLRR，不利于提升肌肉強(qiáng)度[55]，所以患者仍然需進(jìn)行力量訓(xùn)練，增強(qiáng)對(duì)肢體的控制能力和協(xié)調(diào)能力。此外，由患者意圖驅(qū)動(dòng)LLRR運(yùn)動(dòng)可以激發(fā)患者的參與并加快康復(fù)過(guò)程[56]，可利用腦電信號(hào)識(shí)別技術(shù)，如HAL外骨骼[57]、ATL框架[58]等，進(jìn)行意圖識(shí)別，或利用肌電信號(hào)[59]識(shí)別下肢狀態(tài)，自適應(yīng)地實(shí)時(shí)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的軌跡。結(jié)合功能性電刺激（FES）[60]，或針灸治療[61]，可增肌肉收縮力和耐力，矯正患者下肢姿態(tài)以及肌肉形態(tài)[62]。

由于LLRR技術(shù)先進(jìn)，多數(shù)患者無(wú)法承受其成本；多數(shù)LLRR自重較重，障礙識(shí)別、輔助治療等功能模塊的應(yīng)用會(huì)使LLRR的重量增加，雖然可以通過(guò)提供扭矩、改變功率等方式來(lái)平衡設(shè)備的自重或者克服結(jié)構(gòu)阻力，但這也影響著LLRR的工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合近年來(lái)的研究成果，應(yīng)用于下肢障礙者的下肢康復(fù)機(jī)器人可從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展：

1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源。LLRR設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的步態(tài)數(shù)據(jù)盡量靠近患者的日常生活狀態(tài)，或在患者的生活狀態(tài)下采集步態(tài)數(shù)據(jù)，并加大樣本數(shù)量，使設(shè)計(jì)具有代表性。

2）改善LLRR的柔性、輕量化設(shè)計(jì)?？蓮牟牧稀⒔Y(jié)構(gòu)方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行輕量化研究，利用轉(zhuǎn)矩控制降低機(jī)械阻抗，實(shí)現(xiàn)柔順的人機(jī)交互，減少對(duì)患者肢體造成二次傷害的可能，并進(jìn)一步研究以降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪音。

3）LLRR的普及。保證訓(xùn)練效果的基礎(chǔ)上改善外觀設(shè)計(jì)，應(yīng)用適當(dāng)?shù)娜藱C(jī)交互界面幫助患者使用LLRR，普及相應(yīng)的知識(shí)，進(jìn)行專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)，使更多患者獲得康復(fù)幫助。

4）意圖識(shí)別及個(gè)性化設(shè)置。進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，添加肌電、腦電信號(hào)識(shí)別及障礙識(shí)別等功能，識(shí)別患者運(yùn)動(dòng)意圖和肢體狀態(tài)，以及康復(fù)訓(xùn)練環(huán)境，根據(jù)反饋信息調(diào)整設(shè)備工作模式，增強(qiáng)適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)置。

5）多種治療方法結(jié)合。FES或針灸治療和康復(fù)訓(xùn)練結(jié)合，提高康復(fù)訓(xùn)練的效果，可用FES模擬針灸治療過(guò)程，或根據(jù)人體穴位位置在LLRR相應(yīng)位置設(shè)置針灸模塊。

6）降低成本。低成本的LLRR會(huì)被更多的患者接受，可以擴(kuò)大普及，為更多的患者提供幫助。