冷 冰，李旺鑫*，劉 斌

(1.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，蘇州 215000；2.濟(jì)南國科醫(yī)工科技發(fā)展有限公司，濟(jì)南 250101)

目前人口老齡化日趨嚴(yán)重是全球工業(yè)化國家普遍面臨的問題。2019年中國60歲以上人口比重達(dá)到17.3%，65歲以上人口比重達(dá)到11.4%[1]。根據(jù)預(yù)測，中國60歲以上老年人口數(shù)量將在2050年左右達(dá)到高峰，約4.8億人[2]。

人口的老齡化加速及壽命的延長致使老齡化人群四肢的肌力衰退進(jìn)而導(dǎo)致活動(dòng)能力下降，而且伴隨著心腦血管疾病的發(fā)病率提高，其主要典型病癥就是腦卒中與脊髓損傷等，都導(dǎo)致肢體殘疾，增加了殘疾人的數(shù)量。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球中低收入國家發(fā)生中風(fēng)的比例為70%[3]，居民腦卒中標(biāo)化患病率由2012年的1.89%上升至 2016年的2.19%[4]。其中絕大部分病患為超過65歲的老人，但也有研究表明，發(fā)病年齡層級正在下降[5]。腦卒中是中樞神經(jīng)性運(yùn)動(dòng)障礙，對此的有效治療方法是通過運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)受損中樞神經(jīng)的康復(fù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對機(jī)體的有效康復(fù)[6]。上肢關(guān)節(jié)復(fù)雜程度較高，恢復(fù)周期長，需要長期重復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練，理療師進(jìn)行患者訓(xùn)練的康復(fù)成本較高且需專業(yè)康復(fù)機(jī)構(gòu)訓(xùn)練[7]。這對中國的康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域提出了巨大的要求，人口老齡化對醫(yī)療衛(wèi)生成本帶來了巨大的影響[8]。與此同時(shí)，中國專業(yè)的醫(yī)療護(hù)理人員大量缺失，缺口已經(jīng)達(dá)到了百萬級別，并且現(xiàn)有人工的康復(fù)方法存在效果不明顯等問題[9]?？祻?fù)機(jī)器人對患者能夠進(jìn)行高效的重復(fù)康復(fù)訓(xùn)練[10]，因此康復(fù)機(jī)器人成為解決目前困境的一種重要技術(shù)手段，具有極好的社會應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)中投顧問的預(yù)測，康復(fù)機(jī)器人在中國的市場將在2021年達(dá)18億美元[11]。

1 上肢康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及意義

上肢康復(fù)機(jī)器人涉及人工智能、康復(fù)醫(yī)學(xué)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)和信息科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉。上肢康復(fù)機(jī)器人研究起源于20世紀(jì)80年代，1987年，英國的Mike Topping公司研制出Handy1型康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，并取得巨大成功[12]。之后，對上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究取得巨大進(jìn)展，1991年，麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Techno-logy, MIT)設(shè)計(jì)并完成全球第一臺上肢康復(fù)機(jī)器人MIT-MANUS[13]。目前，國際上成熟的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人有瑞士Zurich大學(xué)的ARMin Ⅲ機(jī)器人[14]、美國Nemours公司的WREX機(jī)器人[15]、瑞士Hocoma公司的Armeo?Spring機(jī)器人[16]、美國加州大學(xué)歐文分校的BONES機(jī)器人[17]、美國馬里蘭大學(xué)的MGA機(jī)器人[18]、美國華盛頓大學(xué)的CADEN-7機(jī)器人[19]、美國麻省理工大學(xué)的MIT-MANUS機(jī)器人[20]、英國雷丁大學(xué)的GENTLE/s機(jī)器人[21]和美國斯坦福大學(xué)的MIME機(jī)器人[22]等。中國對上肢康復(fù)機(jī)器人也有一定研究，包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)[23]、清華大學(xué)[24]、上海交通大學(xué)[25]、華中科技大學(xué)[26]和東南大學(xué)[27]等。

上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人有多種分類方法，如按照自由度劃分可以分為單自由度、雙自由度、三自由度和多自由度機(jī)器人[28]；按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以劃分為本地康復(fù)機(jī)器人、遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人和基于虛擬環(huán)境的康復(fù)機(jī)器人[29]。現(xiàn)按照不同的支撐方式區(qū)分方式對世界范圍內(nèi)的外骨骼式和末端牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人的研究進(jìn)展及技術(shù)特點(diǎn)介紹。

1.1 外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人

外骨骼式康復(fù)機(jī)器人是一種結(jié)合智能與機(jī)械動(dòng)力的人機(jī)結(jié)合可穿戴設(shè)備，其通過對人上肢的手腕、前臂、上臂等各部位關(guān)節(jié)進(jìn)行支撐和牽引，從而引導(dǎo)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。國外研究的外骨骼康復(fù)機(jī)器人主要有ARMin Ⅲ機(jī)器人、WREX機(jī)器人、Armeo?Spring機(jī)器人、BONES機(jī)器人、MGA機(jī)器人和CADEN-7機(jī)器人等。中國目前東南大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)等對外骨骼式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)研究。

英國南安普頓大學(xué)研制的5-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人(圖1)，其結(jié)合電刺激信號與機(jī)械手臂支承機(jī)構(gòu)組成上肢中風(fēng)患者的康復(fù)系統(tǒng)，開發(fā)了對應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，輔助患者在虛擬3D環(huán)境中進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，按照預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過電信號刺激肌肉進(jìn)行康復(fù)。結(jié)構(gòu)采用無動(dòng)力的被動(dòng)系統(tǒng)，通過機(jī)構(gòu)內(nèi)部彈簧克服重力阻尼，患者在運(yùn)動(dòng)過程中集中精力在特定受損肌肉[30]。此上肢康復(fù)機(jī)器人具有良好的人機(jī)交互功能、數(shù)據(jù)記錄及監(jiān)測功能，適用于存在一定肌力的人群，肌力強(qiáng)度較低及肌力完全喪失患者并不適用。

圖1 英國南安普頓大學(xué)康復(fù)機(jī)器人[30]Fig.1 Rehabilitation robot, University of Southampton, UK[30]

美國亞利桑那大學(xué)He等研發(fā)了一種4-DOF機(jī)器人設(shè)備(RUPERT)(圖2)，用于輔助人體上肢康復(fù)治療，其在肩部、肘部及腕部采用氣動(dòng)肌肉(PM)驅(qū)動(dòng)手臂伸展實(shí)現(xiàn)3-D的空間運(yùn)動(dòng)，采用人工氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)方式使得設(shè)備可穿戴，更加輕巧并增加其便攜性，能夠更好模擬人體手臂的運(yùn)動(dòng)特征，關(guān)節(jié)活動(dòng)具有一定的柔性設(shè)計(jì)，使得其運(yùn)動(dòng)性能更加符合人體手臂特性[31-32]。

圖2 氣動(dòng)4-DOF康復(fù)機(jī)器人[31-32]Fig.2 Pneumatic 4-DOF rehabilitation robot[31-32]

瑞士Zurich大學(xué)的Nef等[33-36]最先開發(fā)的ARMin系列機(jī)器人，逐步發(fā)展出了ARMin-Ⅲ機(jī)器人。ARMin-Ⅲ機(jī)器人是6-DOF半外骨骼裝置(圖3)，肩部3個(gè)自由度，肘部單自由度，并且附加模塊提供了下臂和腕部自由度。其可實(shí)現(xiàn)肩部、肘部和腕部的上肢全范圍訓(xùn)練。ARMin-Ⅲ關(guān)節(jié)采取伺服電機(jī)與諧振減速器配套的驅(qū)動(dòng)模式，直流電機(jī)與變速箱匹配，采用皮帶傳送的方式傳輸動(dòng)力。ARMin-Ⅲ機(jī)器人選擇相較助力模式和主動(dòng)模式更為安全的被動(dòng)模式搭配抗阻模式的控制策略。但ARMin-Ⅲ機(jī)器人質(zhì)量高達(dá)18.755 kg，而華盛頓大學(xué)的CADEN-7外骨骼機(jī)器人的質(zhì)量僅為6.8 kg[37]。因此ARMin-Ⅲ機(jī)器人具有較大運(yùn)動(dòng)慣性。

圖3 ARMin系列康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人[33-36]Fig.3 ARMin series rehabilitation training robot[33-36]

美國加州大學(xué)Sanchez等[38]研制的T-WREX上肢康復(fù)機(jī)器人(圖4)，具有測量和輔助自然手臂運(yùn)動(dòng)以及軟件增強(qiáng)模擬功能。此機(jī)器人是一種 5-DOF的矯形器，通過彈性帶實(shí)現(xiàn)對手臂自身重力的平衡，對嚴(yán)重中風(fēng)患者依然可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)輔助，具有更高強(qiáng)度及安全性。之后，又設(shè)計(jì)一種6-DOF的氣動(dòng)外骨骼式機(jī)器人[39]，能實(shí)現(xiàn)肩部、肘部及腕部的活動(dòng)，增加握力傳感器，可提供較大的輔助力支持，具有非線性力支持及被動(dòng)平衡功能。

圖4 T-WREX康復(fù)機(jī)器人[38]Fig.4 T-WREX rehabilitation robot[38]

加拿大麥吉爾大學(xué)設(shè)計(jì)的7-DOF 多自由度ETS-MARSE外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人(圖5)可輔助手臂完成多種運(yùn)動(dòng)，肩部、肘部及腕部可以多種方式組合運(yùn)動(dòng)也可單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，可對肌力喪失患者進(jìn)行被動(dòng)輔助訓(xùn)練，外骨骼臂沿預(yù)定軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人具備人機(jī)交互功能，可在軟件界面設(shè)置關(guān)節(jié)在位置和速度上的限制，能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)與人手臂之間的接觸力反饋進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練指令的修改調(diào)整[40-43]。

圖5 7-DOF康復(fù)機(jī)器人[40-43]Fig.5 7-DOF rehabilitation robot[40-43]

瑞士Armeo?Spring機(jī)器人是一種6-DOF的外骨骼式手臂矯形康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，動(dòng)力部分采用輔助平衡彈簧結(jié)構(gòu)(圖6)。其結(jié)構(gòu)相對簡單，傳感器部分采用光電編碼器和壓力傳感器，控制策略采用簡單的助力模式。Armeo?Spring本身只是模塊化的康復(fù)訓(xùn)練方案中的一部分。在成熟的Armeo模塊化治療體系中，不同的康復(fù)階段將配備不同型號機(jī)器人，統(tǒng)一配備了相同的用戶界面，并共享同一病歷記錄數(shù)據(jù)庫。目前Armeo?Spring機(jī)器人已經(jīng)成功為超過800名患者提供了有效的康復(fù)訓(xùn)練，并且開展了大量的臨床研究[44-48]。

圖6 Armeo?Spring康復(fù)機(jī)器人[44-48]Fig.6 Armeo?Spring rehabilitation robot[44-48]

美國愛達(dá)荷大學(xué)的Perry和加州大學(xué)的Rosen設(shè)計(jì)了7-DOF的CADEN-7上肢康復(fù)機(jī)器人(圖7)。具有肩部外展/內(nèi)收和收屈/伸展，肩關(guān)節(jié)內(nèi)外旋和肘關(guān)節(jié)的收縮與伸展，前臂內(nèi)外旋轉(zhuǎn)、腕部曲張和橈尺偏斜七自由度。CADEN-7采取伺服電機(jī)搭配行星減速器驅(qū)動(dòng)，采用電纜驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力傳輸。其采用六維力傳感器和光電編碼器，設(shè)置冗余位置傳感器測定關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和電機(jī)位置。采用被動(dòng)模式及抗阻模式控制方案。

圖7 CADEN-7康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人Fig.7 CADEN-7 rehabilitation training robot

圖8所示為哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的5-DOF外骨骼康復(fù)機(jī)器人，包括肩部屈伸、外展內(nèi)收，肘部的屈伸，腕部的屈伸和內(nèi)外旋轉(zhuǎn)。在保證系統(tǒng)剛度前提下采用硬鋁材料減輕質(zhì)量。關(guān)節(jié)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為伺服電機(jī)與諧波減速器結(jié)合，輸出力矩大并且效率高。在對應(yīng)位置添加了光電編碼器和扭矩傳感器以進(jìn)行位置監(jiān)測。針對不同康復(fù)狀態(tài)的患者，采用基于位置的助力模式和阻抗模式的不同控制策略，對不同康復(fù)需求的患者具有廣泛適應(yīng)性。

圖8 哈爾濱工業(yè)大學(xué)上肢康復(fù)機(jī)器人Fig.8 Rehabilitation robot of Harbin Institute of Technology

上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)一種7-DOF的Rehab-Arm外骨骼式康復(fù)機(jī)器人(圖9)[49]。其包括肩部外展/內(nèi)收、屈曲/伸展、內(nèi)旋/外旋，肘部屈曲/伸展、內(nèi)旋/外旋，腕部內(nèi)旋/外旋及橈偏/尺偏運(yùn)動(dòng)自由度。機(jī)器人關(guān)節(jié)部分配備微型馬達(dá)，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)每個(gè)自由度協(xié)同運(yùn)動(dòng)，通過比例-積分-微分(proportion integration differention, PID)控制算法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)電機(jī)速度、力矩的控制。對結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)降低了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)阻尼，具有主被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練模式。

圖9 上海交通大學(xué)Rehab-Arm康復(fù)機(jī)器人[49]Fig.9 Rehab-Arm rehabilitation robot of SHJD[49]

1.2 末端牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人

末端牽引式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人以普通連桿機(jī)構(gòu)或者串聯(lián)機(jī)械結(jié)構(gòu)為主體機(jī)構(gòu)，通過末端執(zhí)行器同人體手臂固連，牽引人體上肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，以機(jī)器人的末端運(yùn)動(dòng)規(guī)劃調(diào)整患者的康復(fù)訓(xùn)練模式。其中，機(jī)器人關(guān)節(jié)與人體關(guān)節(jié)并無固定匹配關(guān)系，患者只需手部同機(jī)械手臂末端連接，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，其在安裝使用上有著外骨骼式機(jī)器人無可比擬的簡易優(yōu)勢。但是，末端牽引式康復(fù)機(jī)器人無法對上肢各關(guān)節(jié)進(jìn)行精確的力量引導(dǎo)，牽引中易造成損傷。這類康復(fù)機(jī)器人代表有MIT-MANUS、GENTLE/s機(jī)器人、MIME機(jī)器人和英國利茲大學(xué)的iPAM機(jī)器人[50]等。

美國麻省理工學(xué)院(MIT)設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人MIT-MANUS，最初為可實(shí)現(xiàn)重力補(bǔ)償?shù)?-DOF平面康復(fù)機(jī)器人[51]，后開發(fā)4-DOF康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)[52](圖10)。MIT-MANUS采用五連桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)[圖10(a)]?；颊咄ㄟ^握住末端的手柄，在設(shè)備的牽引下實(shí)現(xiàn)肩部和肘部的康復(fù)訓(xùn)練。通過阻抗控制策略以實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練過程的快速穩(wěn)定且安全平滑的康復(fù)運(yùn)動(dòng)[圖10(b)]。系統(tǒng)通過在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安置關(guān)節(jié)電位器和力傳感器實(shí)現(xiàn)精確測量和記錄運(yùn)動(dòng)位置、速度及力的狀態(tài)，通過計(jì)算機(jī)界面視覺反饋[53]。MIT-MANUS在臨床上實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用并取得良好評價(jià)[54]。

美國斯坦福大學(xué)開發(fā)的鏡像運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)型上肢鏡像康復(fù)機(jī)器人(圖11)?；诘湫土杂啥萈UMA560工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的MIME-Ⅲ[55-58]。其中包括兩個(gè)可移動(dòng)的手臂支架,通過PUMA560的鏡像驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)將患者健康側(cè)的手臂活動(dòng)復(fù)制到癱瘓側(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)患者肩部、肘部和前臂的三個(gè)關(guān)節(jié)的多自由度運(yùn)動(dòng)。目前的臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備對于患肢的肌肉力量恢復(fù)具有良好的效果[59]，對于患者手臂具有較高的康復(fù)效率，但其為三關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，無法進(jìn)行單關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)鍛煉。

圖10 MIT-MANUS康復(fù)機(jī)器人[52]Fig.10 MIT-MANUS rehabilitation robot[52]

圖11 MIME上肢康復(fù)機(jī)器人[55-58]Fig.11 MIME upper limb rehabilitation robot[55-58]

意大利帕多瓦大學(xué)Rosati等[60]于2007年設(shè)計(jì)了3-DOF的NeReBot機(jī)器人(圖12)，通過3個(gè)獨(dú)立電機(jī)進(jìn)行繩索驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上肢的末端牽引。其驅(qū)動(dòng)方式阻尼小，控制靈活性高。NeReBot機(jī)器人采用的繩索式簡易機(jī)械結(jié)構(gòu)保證安全性，在低自由度數(shù)量及空間性能之間取得良好平衡。

英國利茲大學(xué)Jackson等[61]設(shè)計(jì)了一款智能氣動(dòng)手臂康復(fù)(intelligent pneumatic arm movement, iPAM)的3-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人(圖13)，其具有雙附著點(diǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，與其配合的iPAM MkⅡ系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互，輔助患者通過矯形器的牽引輔助完成上肢的各關(guān)節(jié)的復(fù)合康復(fù)運(yùn)動(dòng)。

重慶理工大學(xué)提出了一種繩牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人的新型構(gòu)型[62]，其具有柔性好、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，其采用混聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式，使其同時(shí)具有串聯(lián)及并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制精度，其在上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)中有效地緩解了慣性沖擊。

UECM是清華大學(xué)設(shè)計(jì)的2-DOF上肢康復(fù)機(jī)器人(圖14)[63]，是中國較早的末端牽引式康復(fù)機(jī)器人，能夠在2D平面上實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，其康復(fù)系統(tǒng)具有主動(dòng)模式、被動(dòng)模式及助力模式的多種訓(xùn)練模式。

圖12 NeReBot機(jī)器人[60]Fig.12 NeReBot robot[60]

圖13 iPAM康復(fù)機(jī)器人[61]Fig.13 iPAM rehabilitation robot[61]

圖14 清華大學(xué)康復(fù)機(jī)器人[63]Fig.14 Rehabilitation robot of Tsinghua University[63]

華中科技大學(xué)設(shè)計(jì)了一種6-DOF龍門式末端牽引上肢康復(fù)機(jī)器人，具有三個(gè)直線自由度及三個(gè)正交旋轉(zhuǎn)自由度可以合成復(fù)雜的上肢運(yùn)動(dòng)，具有較大的上肢運(yùn)動(dòng)范圍，并通過傳感器實(shí)現(xiàn)對康復(fù)數(shù)據(jù)的反饋，為康復(fù)效果評估提供依據(jù)[64]。

末端牽引式康復(fù)機(jī)器人開發(fā)較早，其結(jié)構(gòu)簡單、便于應(yīng)用的特點(diǎn)使其較早用于臨床，在東南大學(xué)[65]、哈爾濱理工大學(xué)[66]、中山大學(xué)[67]等對末端牽引式康復(fù)機(jī)器人控制、結(jié)構(gòu)等方面都有相應(yīng)的研究。

2 上肢康復(fù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

上肢康復(fù)機(jī)器人在近幾十年內(nèi)取得了重大的發(fā)展，在醫(yī)療康復(fù)行業(yè)中占據(jù)了重要的地位?？祻?fù)機(jī)器人是信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)及人工智能等技術(shù)的高度融合產(chǎn)物。綜合中外目前對外骨骼式及末端牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，對上肢康復(fù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1 上肢康復(fù)機(jī)器人整體機(jī)械構(gòu)型設(shè)計(jì)

上肢康復(fù)機(jī)器人本身以上肢的康復(fù)訓(xùn)練為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，整體的構(gòu)型設(shè)計(jì)需滿足人體手臂的運(yùn)動(dòng)特性，符合各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)度。其本身是帶動(dòng)患者肢體進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)的直接媒介，控制單元以其作為裝配載體。目前臨床應(yīng)用的多為三連桿低自由度串聯(lián)式機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高且可控性強(qiáng)。在整體機(jī)械構(gòu)型設(shè)計(jì)中，首先，需與人體上肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律相符合，在保證關(guān)節(jié)活動(dòng)度的情況下，增加關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。在機(jī)器人的整體構(gòu)型設(shè)計(jì)中各連桿結(jié)構(gòu)部分要著重考慮患者的適用性，連桿結(jié)構(gòu)按照人體的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)上肢康復(fù)機(jī)器人目前應(yīng)用較為成熟，是中國上肢康復(fù)機(jī)器人的主體構(gòu)型，串聯(lián)式的結(jié)構(gòu)簡單、模型成熟、控制方便、關(guān)節(jié)部件組成少，滿足關(guān)節(jié)活動(dòng)度的范圍需求。但串聯(lián)式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)連接多為剛性連接，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)集中在機(jī)械臂本體結(jié)構(gòu)上，運(yùn)動(dòng)對機(jī)械臂產(chǎn)生較大的慣性沖擊，空間體積利用率低，空間位姿逆解計(jì)算復(fù)雜，求解不唯一，對機(jī)械臂的控制算法要求較高。其次，串聯(lián)式的康復(fù)機(jī)器人各部件產(chǎn)生誤差累積，導(dǎo)致機(jī)械臂末端的控制精度低，控制要求高。

新型的并聯(lián)式構(gòu)型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)補(bǔ)足了串聯(lián)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，其減小結(jié)構(gòu)的空間尺寸，減輕機(jī)械臂重力阻尼。并聯(lián)式機(jī)械臂結(jié)構(gòu)采用多點(diǎn)支承的方式，本身結(jié)構(gòu)剛度大，支撐力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)沖擊以及慣性沖擊相對較小，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)無須固連于機(jī)械臂。但是并聯(lián)式的結(jié)構(gòu)機(jī)械臂目前發(fā)展不成熟，其工作空間范圍存在限制，以單一運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)為活動(dòng)載體，多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)控制復(fù)雜。最后，在串聯(lián)式及并聯(lián)式的結(jié)構(gòu)發(fā)展基礎(chǔ)上，綜合兩者之間的優(yōu)缺點(diǎn)，上肢康復(fù)機(jī)器人整體機(jī)械構(gòu)型研究集中于混聯(lián)式的結(jié)構(gòu)開發(fā)[68]，以外骨骼式機(jī)械臂為基體，采用混聯(lián)式整體的機(jī)械構(gòu)型，將成為上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)方向。

2.2 上肢康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)

末端牽引式康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，但其無法實(shí)現(xiàn)對患者康復(fù)訓(xùn)練中各關(guān)節(jié)控制，不能準(zhǔn)確地進(jìn)行關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。外骨骼式其結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，控制難度高，但其可對肢體關(guān)節(jié)精確輔助操作。外骨骼式康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)目前逐步代替末端牽引式康復(fù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)。外骨骼式需對機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度及驅(qū)動(dòng)力矩控制。實(shí)際上肢康復(fù)過程中需根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練模式及訓(xùn)練中的角度及力矩變化，實(shí)時(shí)助力檢測，最優(yōu)化輔助患者完成上肢的康復(fù)訓(xùn)練[69]。因此控制系統(tǒng)需對患者及設(shè)備運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理及反饋操作，對不同程度病情的患者采取最佳匹配模式訓(xùn)練。針對不同病情患者高度細(xì)化控制策略，高精度的控制系統(tǒng)及控制算法也已出現(xiàn)。當(dāng)前機(jī)器人控制系統(tǒng)以微控制器為核心，多為工控計(jì)算機(jī)與微控制器結(jié)合的控制方式進(jìn)行控制。上肢康復(fù)機(jī)器人的控制模式主要為被動(dòng)模式、主動(dòng)模式以及助力模式?？刂葡到y(tǒng)主要是基于控制算法的力控制策略[70]，位置控制策略和阻抗控制策略。

圖15 機(jī)器人康復(fù)輔助系統(tǒng)Fig.15 Robot-Assisted rehabilitation system

隨著傳感器、控制芯片等硬件及控制算法的不斷發(fā)展，與人體直接信息交互的控制技術(shù)同時(shí)出現(xiàn)。土耳其葉迪特佩大學(xué)設(shè)計(jì)的具有內(nèi)部魯棒位置控制環(huán)的導(dǎo)納控制系統(tǒng)已應(yīng)用于RehabRoby康復(fù)機(jī)器人[圖15(a)][71]。美國德克薩斯大學(xué)設(shè)計(jì)基于位置阻抗控制的外骨骼式康復(fù)機(jī)器人檢測并補(bǔ)償關(guān)節(jié)摩擦力矩[72]。上海理工大學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于伺服電機(jī)的上肢康復(fù)機(jī)器人力矩交互式控制系統(tǒng)[圖15(b)]，對主動(dòng)訓(xùn)練中的力矩實(shí)現(xiàn)較為精確控制[73]。重慶大學(xué)基于移動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)智能控制系統(tǒng)[圖15(c)]可通過肌電刺激及信號反饋對康復(fù)策略調(diào)整[74]。中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)自適應(yīng)阻抗控制器對機(jī)器人[圖15(d)]的剛度自動(dòng)調(diào)節(jié)達(dá)到最佳匹配[75]。由此可見，對力矩精確檢測及控制是重要技術(shù)方向。

同時(shí)設(shè)備對人體信息處理的控制算法也不斷發(fā)展，控制算法作為實(shí)現(xiàn)控制策略的重要部分，同樣占有重要地位，傳統(tǒng)對驅(qū)動(dòng)采用PID控制算法及樣條插值計(jì)算。目前對控制算法更加注重自適應(yīng)及柔性的調(diào)節(jié)控制。英國布魯內(nèi)爾大學(xué)基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對肢體姿態(tài)判別[76]。東南大學(xué)提出一種PID與模糊控制相結(jié)合的改進(jìn)滑膜控制算法，有效降低跟蹤誤差[77]。華中科技大學(xué)基于動(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對上肢康復(fù)機(jī)器人肌電控制分類[78]。上肢康復(fù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)融合遺傳算法[79]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等智能控制算法達(dá)到對機(jī)器人的最優(yōu)控制，是未來發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 上肢康復(fù)機(jī)器人人機(jī)交互

上肢康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用主要針對于腦卒中等中樞神經(jīng)受損的偏癱患者，其運(yùn)動(dòng)功能、活動(dòng)能力等受到限制。良好的人機(jī)交互功能能夠充分發(fā)揮康復(fù)機(jī)器人的功能。人機(jī)交互的關(guān)鍵核心在于人體感知與機(jī)器人訓(xùn)練信息的交互傳遞，因此上肢康復(fù)機(jī)器人需對康復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)信息準(zhǔn)確感知。目前對于人體活動(dòng)信號的獲取主要為表面肌電信號及腦電信號的采集。通過對信號的采集及處理能夠準(zhǔn)確判斷患者的運(yùn)動(dòng)意圖從而實(shí)現(xiàn)高效的人機(jī)交互。人體骨骼肌產(chǎn)生的電信號為表面肌電信號，利用皮膚表面的貼合電極進(jìn)行信號采集，具有安全、易操作等特點(diǎn)。清華大學(xué)研究通過表面肌電信號區(qū)分手指運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的機(jī)器手[80]。上海交通大學(xué)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)模式提取表面肌電信號對機(jī)械臂連續(xù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制[81]。德國圖賓根大學(xué)實(shí)現(xiàn)基于表面肌電信號的機(jī)器人輔助康復(fù)治療的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)計(jì)算如圖16所示，通過對肌電信號的解碼確定患者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[82]。

圖16 肌電信號采集[82]Fig.16 EMG signal acquisition[82]

目前對腦電信號采集作為人機(jī)交互媒介的研究不斷取得進(jìn)展。腦電信號傳遞人體的運(yùn)動(dòng)意圖，相對于表面肌電信號更真實(shí)地反映出人體主觀運(yùn)動(dòng)意識。采用腦電信號的人機(jī)交互方式其關(guān)鍵是腦機(jī)接口的設(shè)計(jì)，保證有效幫助患者同外界進(jìn)行交流。對腦電信號的處理方法較為復(fù)雜，如模型法、時(shí)頻分析、小波分析等方法，在對腦電信號模式識別等處理有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

2012年日本立命館大學(xué)對腦電驅(qū)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行中風(fēng)患者康復(fù)的可行性進(jìn)行研究，利用腦電信號中特征實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的輔助起搏運(yùn)動(dòng)[83]。英國雷丁大學(xué)采用腦機(jī)接口分析腦電信號研究運(yùn)動(dòng)意圖，預(yù)測上肢運(yùn)動(dòng)，并采用3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供視覺反饋(圖17)[84]。東南大學(xué)提出一種腦電觸發(fā)的上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，通過腦電圖探索患者運(yùn)動(dòng)意識并控制機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練(圖18)[85]。西安交通大學(xué)利用腦機(jī)接口技術(shù)進(jìn)行患者運(yùn)動(dòng)康復(fù)，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面輔助患者康復(fù)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對機(jī)械臂控制[86]。

圖17 腦電信號康復(fù)系統(tǒng)[84]Fig.17 Rehabilitation system of EEG signals[84]

多數(shù)的偏癱患者存在一定的認(rèn)知功能障礙，嚴(yán)重影響日常生活。由于康復(fù)訓(xùn)練是一個(gè)長期的恢復(fù)過程，患者易產(chǎn)生疲勞、厭倦情緒?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互技術(shù)，方便了患者的康復(fù)訓(xùn)練，減輕了患者的訓(xùn)練疲勞。有研究表明采用虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)提高了偏癱患者的身體恢復(fù)效果[87]。西班牙瓦拉多利德大學(xué)基于機(jī)器人輔助神經(jīng)康復(fù)平臺的虛擬療法對用戶情緒狀態(tài)具有一定的影響[88]。基于虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互的技術(shù)，上肢康復(fù)場景訓(xùn)練同樣是未來康復(fù)機(jī)器人關(guān)鍵的技術(shù)發(fā)展方向。

3 結(jié)論

根據(jù)世界范圍內(nèi)上肢康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀，外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人與末端牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)取得較大發(fā)展。其中末端牽引式康復(fù)機(jī)器人研究較早，其具有結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、易于裝配等優(yōu)點(diǎn)，較早應(yīng)用于臨床醫(yī)療。外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人相對于末端牽引式，其在21世紀(jì)初開始引起廣泛關(guān)注，由于外骨骼式康復(fù)機(jī)器人按照肢體各個(gè)關(guān)節(jié)輔助人體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，其更為真實(shí)地輔助模擬人體的運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。隨著對康復(fù)醫(yī)療的更高水平需求，最初的開環(huán)式工業(yè)機(jī)械臂的康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的患者需求，其需要更加智能、靈活、輕便的輔助患者訓(xùn)練。因此對于多自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)、柔性關(guān)節(jié)連接、智能化人機(jī)交互等方面是上肢康復(fù)機(jī)器人發(fā)展的重要方向。目前的外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人就人機(jī)交互、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)初步具有智能化、混聯(lián)結(jié)構(gòu)的發(fā)展特點(diǎn)，但主要集中在樣機(jī)的開發(fā)測試階段，對成熟的設(shè)計(jì)應(yīng)用相對較少。綜上所述，上肢康復(fù)機(jī)器人的未來發(fā)展趨勢如下：

(1)從低自由度向高自由度發(fā)展。目前臨床應(yīng)用的串聯(lián)式康復(fù)機(jī)器人，其自由度低、結(jié)構(gòu)簡單、康復(fù)訓(xùn)練模式單一，無法滿足不同用戶復(fù)雜的訓(xùn)練需要。單一的康復(fù)訓(xùn)練模式其訓(xùn)練效果無法達(dá)到最佳適應(yīng)。發(fā)展更高自由度的康復(fù)機(jī)器人是未來的發(fā)展趨勢之一。以并聯(lián)機(jī)構(gòu)代替串聯(lián)機(jī)構(gòu)，更好地輔助人體上肢的康復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成多種軌跡運(yùn)動(dòng)的訓(xùn)練模式，充分對上肢各部分肌力激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)高效率的康復(fù)訓(xùn)練。多自由度的康復(fù)機(jī)械臂未來滿足上肢的復(fù)雜活動(dòng)鍛煉，是重要的發(fā)展方向。

(2)從傳統(tǒng)材料向新型輕質(zhì)材料發(fā)展。目前康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)本體多以金屬、合金等傳統(tǒng)材料為主，在滿足結(jié)構(gòu)支撐條件的情況下，其運(yùn)動(dòng)慣性、重力阻尼大，影響系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致機(jī)器噪聲及不穩(wěn)定性增大。過于笨重的體積影響患者的舒適感，對康復(fù)治療不利，更會造成意外情況，影響患者的使用安全。因此康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要輕量化，采用新型輕質(zhì)材料如輕質(zhì)合金、復(fù)合材料等提高結(jié)構(gòu)的支撐效率，以新型的輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料。保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的支撐強(qiáng)度，提高支撐效率，又可降低系統(tǒng)慣性阻尼。新型輕質(zhì)材料的應(yīng)用將是康復(fù)機(jī)器人未來的發(fā)展方向之一。

(3)從剛性關(guān)節(jié)向柔性關(guān)節(jié)發(fā)展。上肢康復(fù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)是傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。上肢康復(fù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)形成機(jī)器人的工作軌跡，帶動(dòng)人體上肢完成訓(xùn)練。剛性關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)單一，與人體關(guān)節(jié)的融合程度不高，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)變形。運(yùn)動(dòng)過程中易產(chǎn)生剛性沖擊。柔性關(guān)節(jié)能夠更好地?cái)M合康復(fù)機(jī)器人同人體的運(yùn)動(dòng)軌跡。采用彈性體等柔性材料有效吸收沖擊時(shí)的能量，減少?zèng)_擊。目前基于人工肌肉[89]、形狀記憶合金[90]、介電彈性體[91]的軟體機(jī)器人。柔性關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)下關(guān)節(jié)的自由度范圍更大，采用高精度的控制可以實(shí)現(xiàn)對上肢康復(fù)訓(xùn)練的精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)。柔性關(guān)節(jié)將是未來康復(fù)機(jī)器人的重要發(fā)展方向之一。

(4)從傳統(tǒng)控制方法向人工智能控制發(fā)展。傳統(tǒng)控制方法主要以機(jī)電系統(tǒng)的控制為主，控制算法及控制方式單一。信號種類及獲取方式少，有效地交互信息難以獲得。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展?；诒砻婕‰娦盘栆约澳X電信號控制的上肢康復(fù)機(jī)器人不斷取得進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)人機(jī)直接的信息交互。傳統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)不斷被人機(jī)結(jié)合的智能控制技術(shù)代替。人工智能算法同康復(fù)機(jī)器人結(jié)合，促使康復(fù)機(jī)器人更加智能及安全地輔助患者康復(fù)訓(xùn)練。友好的人機(jī)交互及智能控制技術(shù)，促使患者在訓(xùn)練時(shí)保持積極心態(tài)。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，患者的訓(xùn)練積極性會大大提高，擺脫單一的康復(fù)模式。未來上肢康復(fù)機(jī)器人與人工智能結(jié)合將是必然的發(fā)展趨勢。