穿戴式上肢外骨骼康复机器人发展现状分析

张广举

【摘  要】为解决传统康复治疗中重复性运动效率低、成本高、人力不足等问题，各类外骨骼康复机器人系统相继被研发。外骨骼机器人的载体是人，通过刚柔耦合来实现人机交互，其中，穿戴式上肢外骨骼体积小、质量轻、便携性佳的特点尤为突出，可以将康复训练融入日常活动中，具有实现康复治疗家庭化的潜力，在各类康复医疗设备中具有较明显的优势。鉴于驱动系统、传动机构、康复训练模式、主动控制方案及自由度等是穿戴式外骨骼康复机器人的关键技术和核心功能，基于上述方面详细阐述典型穿戴式上肢外骨骼机器人的发展现状，并对相关的关键技术进行分析，展望未来发展方向。

【关键词】穿戴式;上肢外骨骼;康复机器人

1 关键技术分析

1.1 驱动系统

目前穿戴式外骨骼机器人系统的驱动器机构主要有电机、气动肌肉、液压等。电机结构简单，便于拆卸，运动精度高，因此是应用最为广泛的外骨骼驱动器。气动肌肉是气动驱动方式的一种，具有高功率密度、轻质及本质柔顺的特点，其结构简单，功率与质量比大，表现出与人类肌肉相似的柔顺特性，在外骨骼的运动中拥有更好的人机交互性。但其对力的响应时间较慢，输出不够线性，单向操作的特性使得需要一对气动肌肉才能实现关节的往复运动，且气动肌肉质量虽轻，但尺寸较大，运用在穿戴式外骨骼很难与其他部件同时布置在同空间小区域内，这一问题在外骨骼自由度较多时尤为突出。为解决这个问题，5-DOFs Exoskeleton将气动肌肉放置在外骨骼背囊部分以克服气动肌肉的这一缺点。液压驱动器有极高的扭矩质量比，在一些穿戴式上肢外骨骼中也有应用案例，但由于液压系统包含液压泵与储液器且有漏液风险，因此传统的液压驱动并不适合便携式设备，射流驱动器等小型化的液压系统更为合适。

1.2 传动机构

根据驱动器安装位置，一般可分为安装在关节处的直驱方式和安装在非关节处借助传动机构传递扭矩的传动链方式。相较于气动肌肉和液压，目前电机在穿戴式上肢外骨骼中应用的仍然相对较多，由电机驱动的上肢外骨骼中，电机直驱时，没有传动链的损耗，传动效率最高，运动精度也最高。但目前技术下市场上的电机质量仍然较大;在康复训练中，当多个关节协同运动时，笨重且大体积的关节会对其他方向产生扭矩影响，影响机器人运动精度，可能会出现问题。传动链方式的驱动方案是将电机放在外部的某个偏远位置，并使用传动链，例如利用绳、同步带来驱动关节。驱动器可位于连接在人体背部的背包上，也可以位于人体的上臂结构等，这种传动方式使驱动器的质量对于机器人运动时的影响相对较小。其中绳传动具有尺寸小、质量轻、传动路径灵活多变的特点，适合远距离传递扭矩，且绳传动的外骨骼具有较大的运动范围，被广泛应用于多自由度外骨骼，然而由于普通绳只能提供单向运动（只能拉不能推），因此需要两条绳创建关节的双向运动，该方案很适用于成对出现的气动肌肉驱动器与远距离的传动。

1.3 训练模式

目前穿戴式上肢外骨骼康复机器人训练模式主要有被动模式、协作模式、主动模式和测试模式。在被动模式下，患者处于完全放松状态，外骨骼将上肢各部位驱动至预定目标位置，所有的上肢外骨骼基本都具备该模式。协作模式对传统被动模式进行了改进，患者依照规划的轨迹带动外骨骼进行移动，当关节移动位置变化速度快于设定值时，外骨骼不提供助力，若慢于设定值，此时外骨骼提供助力以使患者关节达到预定位置。以上两种模式都缺乏对患者运动意图的考虑，只能依照固定轨迹对患者进行康复训练，但患者的主动参与对于神经系统重建和运动功能恢复具有更好的促进作用，主动模式因此开始应用于外骨骼康复机器人。主动模式下，系统检测到患者的运动意图后反馈给控制模块，随后驱动器提供助力，使自身不足以完成动作的患者能依照自身意图进行训练，该模式提升了患者运动的主动性，不再局限于设定动作，使人机交互性变得更加友好。测试模式则主要用于患者康复效果评估，通过布置在康复机器人上各类传感器定量评估康复训练中患者的表现。

1.4 主动控制方案

临床实践表明，在康复训练中加强患者主动意愿对脑卒中患者运动功能康复具有强化和促进作用，有患者运动意图主动参与的康复训练对于患者神经系统重建和运动功能恢复更加有效。目前外骨骼机器人获取人体主动运动意图的方式有力信息、肌电信号、脑电信号等。基于力信息的康复机器人控制策略及方法分支不多，这种交互方式在工业外骨骼助力机器人的应用则较为广泛，如傲鲨科技的MAPS-U上肢外骨骼，其基于力信息反馈，测得人体对外骨骼施加的力以获取用户运动意图，外骨骼系统作为上肢肌肉力量的放大器实现运动。肌电信号中表面肌电信号能在一定程度上反映神经肌肉的活动，同时兼具无创性、实时性、操作简单、多靶点测量等优点，已经发展了开关控制、比例控制、模式识别控制等控制方式，并广泛应用于康复医学领域。

2 展望

2.1 增加自由度数量

目前穿戴式上肢康复外骨骼实现的自由度仍然较少，限制了患者的多关节康复训练。研究发现，强化上肢多关节重复性、多方向运动，可以促进肢体运动感觉的恢复，有助于上肢功能的改善，进一步提高日常生活活动能力（activities of daily living），且生活中的绝大多数动作都是多关节协同运动，多自由的协同训练会使康复训练更接近复杂的日常生活功能性活动。因此，大部分偏瘫患者均需要多关节协同的康复训练与相应的外骨骼机器人。

2.2 轻量化

穿戴式外骨骼最大的优势就在于它的便携性，穿戴式的设计使得康复训练变得更加生活化，成为生活辅助的一部分。但受限于电机、电池等硬件设备发展现状的客观因素，目前具备多自由度的穿戴式设计外骨骼，在实际训练中仍然偏重。气动肌肉的发展与电机的小型化也许能解决这个问题，气动肌肉具有很好的功率质量比，适用于穿戴式外骨骼，但针对其非线性的驱动特性目前尚未解决。此外，柔性材料的外骨骼也是目前研究的热门，如弗吉尼亚理工大学的Pneumatic elbow exoskeleton与加州大学开发的CRUX，这类柔性外骨骼在轻量化设计上先天条件优于刚性外骨骼，其发展值得期待。

2.3 自适应助力方式

自適应助力是在检测到患者无法独立运动时，控制系统将会增大驱动器扭矩以完成运动，在检测到患者自主肌力恢复时，驱动器扭矩也会随之逐步减弱。

2.4 弹性驱动器与变刚度驱动器的应用

康复机器人主动控制的关键因素之一是精确地传递力矩。动态运动的过程中，传统的位置控制方案在人机交互设备中存在不足，再结合当前人机交互类设备对于柔性驱动的需要，带有精确力反馈的弹性驱动器：串联弹性驱动器（series elastic actuators，SEA）成为了目前研究的热点，它的特点是在关节的传动部分布置弹簧或扭簧以增加被动柔性，但SEA目前发展仍不成熟，在市场应用中较少。

3 结论

穿戴式上肢外骨骼以其突出的便携性使得患者的康复训练可以不受地点的限制，而不断增加的脑卒中发病人数也决定了康复机器人的发展需求，因此操作简便、携带便利、康复效率高的上肢外骨骼康复机器人是患者康复治疗所需要的。伴随着机器人技术的不断成熟，未来上肢外骨骼的功能、康复效果与可靠性一定会有更进一步的提升。

参考文献：

[1]周聪.可穿戴式绳驱动踝关节康复机器人设计研究[D].电子科技大学，2020.

（作者单位：河南羲辰信息科技有限公司）