包仁人 馮健 陸英男 沈慶杰 鄧德智

摘? ?要：伴隨著人口老齡化和意外事故的不斷增加，需要進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練和下肢功能代償?shù)娜巳阂膊粩嘣黾樱轮珓恿ν夤趋罊C(jī)器人恰好能在這一過程能發(fā)揮重要的作用。目前已經(jīng)商品化的外骨骼產(chǎn)品主要集中在美國、歐洲、日本，主要應(yīng)用領(lǐng)域為醫(yī)療、助殘、助務(wù);而中國2015年后也在此方向出現(xiàn)了一批創(chuàng)業(yè)公司，以醫(yī)療和助殘為主要目的，部分產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入到了實際應(yīng)用環(huán)節(jié)。本文通過介紹主要商品化的下肢動力外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品，給各位研究者提供參考。

關(guān)鍵詞：下肢? 外骨骼機(jī)器人? 醫(yī)療康復(fù)? 助殘? 能力增強(qiáng)

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0076-03

伴隨著人口老齡化和意外事故的不斷增加，偏癱、中風(fēng)、腦卒中、截癱等患者也不斷增多，其中只有相當(dāng)一小部分能得到肢體康復(fù)訓(xùn)練。根據(jù)當(dāng)代醫(yī)學(xué)理論和臨床醫(yī)學(xué)實踐證明，欲對肢體運(yùn)動功能進(jìn)行恢復(fù)、提高和代償，除了必要的醫(yī)療手段外，科學(xué)和正確的康復(fù)訓(xùn)練也是十分有效的，而下肢動力外骨骼機(jī)器人恰好能滿足這些需求[1]。目前下肢外骨骼機(jī)器人主要在醫(yī)用康復(fù)、養(yǎng)老、助殘等領(lǐng)域里有更為實際的應(yīng)用。本文通過對下肢外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀的論述，給相關(guān)研究人員提供參考。

1? 國外動力下肢外骨骼機(jī)器人研究進(jìn)展

外骨骼的研究始于20個世紀(jì)60年代，隨著科技進(jìn)步，2000年以后涌現(xiàn)出一批外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)，應(yīng)用領(lǐng)域以軍用、醫(yī)療輔助、助力行走為主。

1.1 美國下肢外骨骼機(jī)器人

2000年，美國伯克利大學(xué)機(jī)器人和人體工程實驗室研制了其第一代下肢外骨骼機(jī)器人，2008年研制出了其第三代軍用外骨骼系統(tǒng)HULC，如圖1（a）所示，自重24kg，采用液力驅(qū)動[2]。在HULC基礎(chǔ)上，2010年推出了針對截癱患者的下肢步態(tài)修復(fù)外骨骼系統(tǒng)eLEGS（Exoskeleton Lower Extremity Gait System），如圖1（b）所示，骨架部分采用鋁和鈦合金制作，驅(qū)動機(jī)構(gòu)也更改為電機(jī)。2011年eLEGS更名為Ekso，并于2012年初獲得FDA批準(zhǔn)，為脊髓損傷（SCI）患者提供步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練。

2013年5月，范德堡大學(xué)設(shè)計制造名為“Indego”的動力外骨骼機(jī)器人，目前“Indego”重量僅為17.7kg，其模塊化設(shè)計也使穿著更為方便，使用時需要配合助行架或拐杖，其適用人群為上肢功能完整的截癱患者、神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者和下肢能力衰弱的人群[3]，如圖2所示。

1.2 日本下肢外骨骼機(jī)器人

2004年筑波大學(xué)的山海嘉之（Yoshiyuke Sankai）教授創(chuàng)立了Cyberdyne公司，其研制的HAL系列機(jī)器人2013年成為全球首個獲得安全認(rèn)證（ISO/DIS 13482）的機(jī)器人外骨骼產(chǎn)品，主要應(yīng)用于醫(yī)療、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)進(jìn)行康復(fù)性訓(xùn)練，如圖3（a）所示，此外骨骼的最大特點在于采用了人體表面肌電信號作為讀取穿著者運(yùn)動意圖的信息來源。同時此公司也開發(fā)了髖關(guān)節(jié)助力外骨骼，如圖3（b）所示，主要應(yīng)用于重物搬運(yùn)工作時保護(hù)工作人員腰部。

1.3 以色列ReWalk下肢外骨骼系統(tǒng)

ReWalk下肢外骨骼主要目標(biāo)群體為截癱患者，脊髓損傷導(dǎo)致的腿部完全或不完全癱瘓，但是可以上半身和手臂功能無礙的患者可以使用[4]。2012年末ReWalk個人版獲得歐洲CE認(rèn)證，2014年6月獲得美國FDA批準(zhǔn)上市，如圖4所示。

2? 國內(nèi)下肢動力外骨骼機(jī)器人研究進(jìn)展

2005年前后，國內(nèi)多家科研院所開展了下肢外骨骼方面的研究，多以學(xué)術(shù)為主，這一領(lǐng)域中具代表性的有中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械所[5]、中科院常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、電子科技大學(xué)等。

2015年后，不斷有下肢外骨骼機(jī)器人被產(chǎn)品化。北京大艾機(jī)器人科技有限公司，其外骨骼產(chǎn)品大艾機(jī)器人已于2018年8月成為國內(nèi)首個取得醫(yī)療器械認(rèn)證的外骨骼機(jī)器人，如圖5（a）所示，主要用于康復(fù)治療和殘疾人輔助[6]。傅利葉智能推出的下肢外骨骼機(jī)器人Fourier X2目標(biāo)是為下肢癱瘓或偏癱患者提供行走的能力，其同時推出了個人版和醫(yī)療版，如圖5（b）所示。深圳市邁步機(jī)器人科技有限公司的外骨骼機(jī)器人具有六個關(guān)節(jié)的主動驅(qū)動，包括雙側(cè)的髖、膝、踝關(guān)節(jié)，以柔性驅(qū)動器作為輸出，設(shè)計目標(biāo)是在醫(yī)院進(jìn)行使用，適用于中風(fēng)患者的康復(fù)治療，如圖5（c）所示。

3? 結(jié)語

商品化的下肢外骨骼主要集中在正常人增力——增加其作業(yè)時間與強(qiáng)度，病人下肢康復(fù)訓(xùn)練以及殘疾人下肢功能代償三個方面。受到成本、消費(fèi)水平的限制，下肢外骨骼機(jī)器人在醫(yī)用康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域受到的關(guān)注更多，但目前來看，由于下肢外骨骼機(jī)器人在中國還是一個新興的醫(yī)療機(jī)器人產(chǎn)業(yè)方向，相關(guān)配套的供應(yīng)商、國家標(biāo)準(zhǔn)、醫(yī)療器械分類與檢測等都存在滯后，所以距離大范圍的實際應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱昕毅，梅濤，王玉成，等.外骨骼機(jī)器人人機(jī)耦合控制系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化，2016，38（2）：35-37.

[2] Kazerooi H. Exoskeletons for Human Performance Augmentation[M]. 2008.

[3] Tefertiller C，Hays K， Jonnes J， et al. Initial Outcomes from a Multicenter Study Utilizing the Indego Powered Exoskeleton in Spinal Cord Injury [J]. Topics in Spinal Cord Injury Rehabilitation， 2018， 24（1）：78.

[4] 周奇方.外骨骼服性能評估系統(tǒng)的研究[D].電子科技大學(xué)，2013.

[5] Hongbing Tao， Yong Yu， et al. A control system based on MCU for wearable power assist legs[C]： Robotics and Biomimetics （ROBIO）， 2011 IEEE International Conference on， 2011.

[6] 單新穎，張騰宇，張曉玉.可穿戴技術(shù)在康復(fù)輔具領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2016，31（10）：1149-1151.