徐東 徐晗 李益斌 張珝 李曉龍

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

關(guān)鍵詞：上肢運動功能障礙;康復治療;康復機器人;外骨骼

中圖分類號：TP242;R496? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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[1]。根據(jù)統(tǒng)計，我國的腦卒中發(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治療可使90%的患者重新獲得行走和生活自理能力，若不進行康復治療，該比例僅為6%[2]。因此，對于腦卒中癱瘓患者盡早開展康復訓練顯得尤為重要，有效的康復訓練可以輔助患者最大限度地改善運動功能障礙，減輕后遺癥。

對于腦卒中患者，傳統(tǒng)康復治療方法主要是患者定期前往醫(yī)院或者康復中心，康復治療師針對其進行“一對一”的手法治療，康復效果較大程度依賴醫(yī)師的治療水平，訓練強度難以保證。國內(nèi)外學者將機器人技術(shù)與臨床康復醫(yī)學結(jié)合，提出基于康復機器人的輔助訓練方案，發(fā)揮其優(yōu)勢進行重復性高強度的勞作，減輕醫(yī)護人員負擔，增加患者獲得康復治療的機會，并保證康復訓練強度。同時，康復機器人精度高、智能化程度高，能夠自動記錄訓練數(shù)據(jù)，提供客觀、詳細的評價參數(shù)，輔助醫(yī)師調(diào)整治療方案，提高康復訓練效果，進而進一步調(diào)整治療方案，提升康復訓練效果和患者治療積極性，使患者早日恢復健康水平。

考慮到目前88%的腦卒中幸存者，上肢運動功能在某種程度上受到限制，且與下肢康復相比，上肢復雜的解剖結(jié)構(gòu)使其恢復更加復雜[3]。上肢康復機器人因其完整的上肢運動控制能力，能夠完成更加復雜化、精細化的上肢康復訓練動作，已逐漸成為康復醫(yī)學工程領(lǐng)域中的研究熱點。奧克蘭·同濟康復醫(yī)療設(shè)備研究中心（以下簡稱“奧同中心”）致力研究國內(nèi)外康復醫(yī)療設(shè)備前沿技術(shù)，開展上肢康復機器人相關(guān)產(chǎn)品的自主研發(fā)，本文通過對近些年來國內(nèi)外上肢康復機器人研究進展的綜述，為奧同中心自主研發(fā)項目——上肢協(xié)調(diào)康復機器人的研究與設(shè)計，提供前期研究基礎(chǔ)。

1? 分類

目前上肢康復機器人的分類方法較多，可以按照康復訓練內(nèi)容，分為主動式、被動式和主被動結(jié)合式;也可根據(jù)其使用形式，分為末端引導式和外骨骼式兩類。末端引導式機器人輔助患者康復訓練時，患者的手部抓握或綁定于機器人的末端執(zhí)行器，機器人通過驅(qū)動末端執(zhí)行器從而帶動人體手部運動，進而實現(xiàn)上肢各關(guān)節(jié)的康復訓練。外骨骼式機器人常設(shè)計為典型的仿生手臂結(jié)構(gòu)形式，可穿戴到人體上肢，對各關(guān)節(jié)進行精確控制，以實現(xiàn)單關(guān)節(jié)獨立運動和多關(guān)節(jié)復合運動。本文主要依據(jù)使用形式分類，對國內(nèi)外具有代表性的研究成果進行闡述，并分析上肢康復機器人未來的發(fā)展趨勢，為上肢康復機器人的研究與設(shè)計提供參考依據(jù)。

2? 研究現(xiàn)狀

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

2.1? 末端引導式

美國麻省理工學院（MIT）Hogan教授開發(fā)了第一臺上肢康復機器人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，可輔助患者進行肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)在水平面內(nèi)的康復訓練。Hogan教授首次提出阻抗控制算法，以提高康復訓練過程中人機交互的柔順性。患者可根據(jù)自身病情選擇被動訓練模式，在機器人的牽引下，以預設(shè)軌跡完成被動康復訓練，也可通過增加適當?shù)淖枘?，輔助患者進行肌力訓練。MANUS內(nèi)置的傳感器可實時采集訓練過程中的位置、速度、力等各類數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機界面進行可視化，有效幫助患者和醫(yī)師進行臨床評價。在MANUS的基礎(chǔ)上，MIT團隊增加了對手腕關(guān)節(jié)的輔助訓練裝置，從而實現(xiàn)肩、肘、腕五自由度的康復訓練，并開展了初步的臨床試驗。MIT-MANUS作為上肢康復機器人的鼻祖，從結(jié)構(gòu)形式、控制算法、傳感監(jiān)測等方面，對于后期學者開展的康復機器人研究具有很好的導向作用。

意大利帕多瓦大學研制了上肢康復機器人Sophia系列[5]，以多組繩索和滑輪實現(xiàn)肢體末端牽引式康復訓練，如圖2所示。

其代表性的Sophia-4機器人，共使用了4個電機以分別驅(qū)動滑輪轉(zhuǎn)動，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，實現(xiàn)上肢運動。相比MANUS，Sophia-4可對工作平面進行傾角調(diào)整，可以更好地輔助肩關(guān)節(jié)的屈/伸自由度訓練。末端執(zhí)行器采集的力學信息、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時計算，其數(shù)據(jù)以及視覺反饋可在PC顯示器上實時顯示。

清華大學是我國最早開始研究康復機器人的科研機構(gòu)之一，從2000年開始承擔國家“863課題”以來，其一直從事與上肢康復機器人的研究與產(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機器人[6]，如圖3所示。其結(jié)構(gòu)形式采用二連桿機構(gòu)，實現(xiàn)手部末端引導訓練，實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)的大范圍運動，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單。該系統(tǒng)在康復訓練策略上設(shè)計有被動模式、助力模式和阻抗模式，并可結(jié)合腦電信號實現(xiàn)患者的自主訓練。系統(tǒng)內(nèi)嵌有位置傳感器、力傳感器，對患者康復訓練過程中的運動學信息和力量信息進行采集和處理，實現(xiàn)對患者康復情況的跟蹤與評價。

末端引導式機器人側(cè)重關(guān)注末端手部的運動軌跡，其傳感器往往只用于采集末端手部的位置和力信息，對于上肢其他關(guān)節(jié)的運動學和力學信息缺乏有效反饋。并且該類機器人常用于輔助患者進行某一平面內(nèi)的訓練，無法較好實現(xiàn)立體空間的關(guān)節(jié)運動，尤其對于具備多自由度的肩關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)的自由度數(shù)量以及關(guān)節(jié)活動范圍均十分有限，從而導致機器人難以模擬上肢日常行為運動軌跡，無法實現(xiàn)復雜的康復訓練內(nèi)容。

2.2? 外骨骼式

自2009年開始，蘇黎世聯(lián)邦理工學院研制了ARMin系列上肢骨骼康復機器人[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，并增加了四個被動自由度，增強了關(guān)節(jié)運動的舒適性和靈活性，較好地適應(yīng)患者肢體尺寸導致的個體差異。ARMin系列機器人在各關(guān)節(jié)安裝有位置傳感器和力/力矩傳感器，可對關(guān)節(jié)運動信息進行采集和記錄，患者在訓練時可通過PC端界面看到虛擬人物在做同樣的動作，并通過任務(wù)引導式的游戲提高患者的訓練積極性。在控制算法上，研究人員通過阻抗控制和導納控制的算法設(shè)計，提高了人機協(xié)作時的柔順性。

美國特拉華大學Mao等人提出了一種繩索牽引驅(qū)動的上肢外骨骼康復機器人CAREX系列[8]，如圖5所示。該機器人設(shè)計有七個電機，可實現(xiàn)肩、肘、腕五自由度運動。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)動每個袖口結(jié)構(gòu)，袖口結(jié)構(gòu)再驅(qū)動肢體運動。這種多股繩索多方向的驅(qū)動方式，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)大學的陳燕燕設(shè)計了一種混聯(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)康復運動訓練[9]，如圖6所示。該機器人設(shè)計有一套重力平衡裝置，可對機器人系統(tǒng)進行靜態(tài)和動態(tài)部分平衡，降低了關(guān)節(jié)驅(qū)動成本。研究人員引入表面肌電信號（SEMG）來表征患者的主動運動意圖，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對患者的運動趨勢進行預判，增強患者康復訓練的主動參與性，并以健康人作為受試對象，進行了被動、主動康復訓練試驗，驗證了其設(shè)計的基于SEMG和軌跡線性化（TLC）的控制策略具備良好的軌跡跟隨性能。

上肢外骨骼康復機器人模擬人體上肢對應(yīng)關(guān)節(jié)分布特征布置，這要求人機對應(yīng)關(guān)節(jié)的軸線/心在康復訓練過程中始終保持對齊或重合。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，外骨骼機器人的機械軸線較難做到與肩關(guān)節(jié)軸線/心實時對齊，導致出現(xiàn)人機協(xié)作不相容問題[10]。但與牽引式康復機器人相比，外骨骼康復機器人可以實現(xiàn)上肢在立體空間內(nèi)的訓練，可以較好地實現(xiàn)上肢各個關(guān)節(jié)的運動控制。

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

3? 結(jié)? 論

目前國內(nèi)外較多的上肢康復機器人仍處于科學研究中，距離臨床使用還有較多的難題需要解決。末端引導式康復機器人的結(jié)構(gòu)形式限制了康復訓練任務(wù)的復雜性，不易實現(xiàn)復雜運動訓練，多關(guān)節(jié)聯(lián)合訓練時無法較好兼顧每個關(guān)節(jié)。外骨骼康復機器人存在軸線對齊、個體間肢體尺寸差異問題，對于機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制柔順性都有較高的要求。

康復訓練的目標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)引導方面，應(yīng)更關(guān)注日常生活活動的能力要求，設(shè)計提高適應(yīng)性的訓練任務(wù);在機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，應(yīng)從肢體生理結(jié)構(gòu)出發(fā)，符合患者的運動特點、身體特征以及訓練空間的要求，并能適應(yīng)患者間的個體化差異。同時，在機器人控制系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)加入大量的傳感器，采集患者的力學信息、運動學參數(shù)、生物電信號等數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理、分析，實時獲得患者訓練過程中的狀態(tài)變化，自適應(yīng)調(diào)整訓練任務(wù)，提高人機協(xié)作的柔順性交互。

目前，康復訓練呈現(xiàn)出巨大的剛性需求，國家政策的大力支持必將促進康復機器人蓬勃發(fā)展，在北京、上海、廣州等城市先后涌現(xiàn)出大量康復機器人研發(fā)企業(yè)，相信不久的將來，康復機器人將成為支撐“健康中國”戰(zhàn)略國家“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：康復機器人及可穿戴智能設(shè)備。