医疗康复机器人的便携化发展趋势
来源
世界康复工程器械
引言
随着中国人口的老龄化，人口健康问题迎来了新的挑战，尤其是肢体功能障碍，如偏瘫所带来的医疗康复领域。功能障碍患者与理疗师的数量比日渐增大，所导致的结果，必然是医疗康复器械的井喷。以功能训练与功能代偿为目的研发的康复机器人、外骨骼在这种形势下有了很大的发展。目前，医院所使用的康复机器人多为固定式，体积庞大，不易移动。康复机器人作为替代理疗师的康复器械，其目的是为了配合医生指导带动偏瘫患者进行康复训练。若医院的定点使用器械，对于本身就有功能障碍、移动困难的偏瘫患者来说就有着极大的不便；同时，康复训练注重坚持锻炼，医院定点的康复机器人不利于偏瘫患者的经常性使用。因此，未来康复机器人的发展应趋于便携化、家用化。而当前很多已经研发或者正在研发的康复机器人也是朝着便携化的方向发展。
康复机器人的便携化，其最终目的是确保安全性的前提下，面向个人及家庭进行普及。这就要求便携式或者家用式的康复机器人穿戴方便，便于整体移动，而且成本低廉。针对高自由度的康复机器人，减小病患身体负担的解决方案，关键在于改进传动方式将近执行关节的驱动机构分离出来或将设备重量分配至外部支撑上。
一国内外便携式康复外骨骼机器人的最新成果
年6月13日，巴西世界杯开幕式上，一名巴西瘫痪少年在脑控外骨骼的帮助下开球，这是医疗康复器械首次在世界级大事件上的展示（图1）。
图2是美国杜克大学神经工程中心联合了世界多所大学和研究机构设计的一副可以帮助这名开球少年站立、行走、甚至是踢动足球的外骨骼。这副外骨骼带有一个3D打印的头盔，其中的神经系统接口会根据佩带者的思维来控制机械肢体。这个特殊的研发项目名为“再次行走（WalkAgainProject）”（下文以“WAP”代称脑控外骨骼），而本届世界杯将成为该技术的首次展示。未来，研究者还将会帮助全世界其他拥有类似遭遇的残障人士。在研究中，研究者最开始是将发丝粗细的柔性传感器植入到老鼠和猴子的大脑当中。这些微导丝可以检测到由大脑区域中负责自主运动的数百个独立神经元所生成的细微电子信号，而这方面的研究成果也帮助研究者设计出了控制头盔，后者能以非侵入性的方式来控制外骨骼的机械腿。
年5月，美国宾夕法尼亚大学机械工程和应用机械系的四名学生（ElizabethBeattie,NickMcGil,NickParrotta,NikoVladimirov）展示了他们研制的可穿戴上肢机械外骨骼TitanArm（图3）。这款外骨骼的设计目的是增强人体上臂肘关节的举重能力，也可用来帮助中风、手臂受伤的患者进行物理治疗。其设计优点在于将锂电池电机、电缆驱动系统、制动系统集中在一起形成背包，通过背部的支撑板穿戴在人体背部；同时，通过肩带均匀分配重量，使重量对上肢负担达到最小；其电机使用了类似自行车刹车系统的电缆传动来代替以往设备中昂贵的谐波传动，大大降低了造价，并使得机械臂减少了近关节电机所需的载重，减小了人体负担。TitanArm当中的非负重部件由3D打印机制成，负重部件采用铝合金制造，整体的重量在8公斤左右，造价约美元，远低于现行市场上机械外骨骼产品的10万美元售价。
国内方面，华南理工大学自动化科学与工程学院于年自主研发了辅助中风病人康复治疗的可穿戴便携式康复外骨骼机器人，如图4所示。该外骨骼机器人由机器人支架、5自由度上肢外骨骼和4自由度下肢外骨骼组成。支架置于轮式底座上，集成了触摸显示屏、工控计算机、表面肌电信号采集仪与蓄电池，可以随着患者的移动而移动。外骨骼机器人的上臂、前臂、大腿、小腿长度可根据患者的时机尺寸进行调节，以确保机器人关节与患者生理关节相贴合。所有自由度均由盘式电机与谐波减速器驱动。
“再次行走”脑控外骨骼与TitanArm虽然分别针对下肢、上肢的医疗康复目的，但有着相同的设计目标，即便携化。WAP以构筑外骨骼框架，通过刚体将背部驱动与控制系统的重量分担至下肢机械足，人体相当于内嵌于整个外骨骼框架之内，从而减少了负重；TitanArm则是通过对传动系统的改进，将驱动系统由执行机构中分离出来。华南理工大学研发的外骨骼机器人，集合了上肢与下肢的康复训练，通过支架来承受设备负重，减轻病患负担。三者都是使用电机进行驱动并一定程度的实现了康复机器人的便携化。
二气动肌肉驱动的康复外骨骼机器人
康复及机器人的便携化还可以通过采用功率/重量比较高的气动方式来实现。气动肌肉便是一个很好的选择。气动人工肌肉的功率/重量比可以达到10KW/Kg，远大于电机。气动人工肌肉会在达到推拉极限时自动制动，不会突破预定的范围，而且在收放过程中有着很好的柔顺性，能够确保康复训练过程中病患的使用安全。虽然有着高度非线性特点，但是作为需求精度不高的功能训练来说，可以通过非模型控制方法来解决气动肌肉的控制问题。因此，气动人工肌肉在康复机器人领域可以比电机驱动拥有更好的表现。自年以来，气动人工肌肉在医疗康复领域有着很高的活跃表现，尤其是年之后，针对气动肌肉在康复机器人中的应用有了大量的成果。
年，美国亚利桑那州立大学何际平教授研制了一种可穿戴式上肢康复机器人（RobotUpperExtremityRepetitiveTherapydevice，RUPERT），它是一种根据康复医学的运动疗法和作业疗法，针对处于偏瘫恢复期中度和轻度上肢功能障碍的脑卒中偏瘫患者研制的上肢康复机器人（图5）。RUPERT从解剖学的角度，模仿人体的上肢运动进行结构设计，机械结构采用可穿戴外骨骼式，在重力作用辅助下带动患肢完成无重力补偿的各种运动。RUPERT有4个自由度，每个运动关节由一根气动肌肉驱动。由于气动肌肉是一种通过收缩而对外输出拉力的单向驱动执行器，所以RUPERT的每个关节只能单向驱动，反向恢复是通过气动肌肉内部空气释放后由重力作用完成。RUPERT的驱动机构也是采用近执行关节的方式装配，但是其整体支撑结构采用强度高、重量小的碳纤维，驱动器采用重量小的气动肌肉，使得其整体质量小于15KG。同时，在机械结构上，通过背部支撑板将设备重量由单肩承受分担到了背部，对人体的负担小。RUPERT穿戴方便，重量轻，在上肢康复机器人领域有很高的评价，是气动肌肉驱动的上肢康复机器人先驱。国内很多可穿戴式上肢康复机器人都以RUPERT为参考原型。
图6是华中科技大学以RUPERT为参考设计制作的可穿戴三自由度外骨骼式上肢康复机器人。该康复机器人每个自由度对应一个气动肌肉驱动关节，与RUPERT不同的是，每个驱动关节都由一对气动肌肉以主动-拮抗肌肉对的方式进行反向对拉驱动。RUPERT由于单向驱动的原因，只能为患者提供人体被动的康复运动。而该康复机器人可以双向驱动，从而实现病患的主动康复训练；通过力-位控制方式同时控制气动肌肉驱动关节的位置与刚度。为了减轻气动肌肉驱动关节的重量，采用了气动肌肉与驱动关节是分离的结构，这样也可避免人体手臂长度对气动肌肉长度的制约，可以选取足够长度的气动肌肉以保证驱动关节的运动范围。气动肌肉与驱动关节之间的传动与TitanArm相同，通过钢丝绳连接并用柔性套管为钢丝绳提供支撑。这样气动肌肉、控制系统以及气压源都可集成装配在可移动的轮式机箱之内，从而实现整体设备的便携化。
三结论
医疗康复器械作为一个综合学科领域，其便携化依然受到上游技术发展的制约，如大容量移动电源与微型移动气压源等。但是，随着电机微型化、气动肌肉的逐步应用，医疗康复器械的小型化、便携化发展难度日渐减小。通讯网络的发达与通讯终端的智能化，也为便携式康复机器人的普及提供了良好的环境。未来的医疗康复器械将会集功能训练、功能代偿以及功能辅助于一体，作为日常生活用具走入寻常百姓家。
作者：黄心汉先生，华中科技大学自动化学院教授、博士生导师
