上肢康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀分析

郭慧宇　程秀芳

摘 要：隨著社會老齡化日益嚴重，腦卒中患者患病人數(shù)不斷提升，急需將更加先進的技術(shù)引入康復(fù)治療領(lǐng)域。本文對上肢康復(fù)機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了闡述，并結(jié)合臨床康復(fù)醫(yī)學理論對上肢康復(fù)機器人的發(fā)展趨勢進行了展望。

關(guān)鍵詞：腦卒中；上肢康復(fù)；機器人

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.248

1 研究背景

腦卒中，俗稱中風，是因急性腦血管病變引起血液循環(huán)被破壞造成局部或全腦神經(jīng)功能障礙的一種疾病。是當今我國社會中老年人多發(fā)的一種疾病，且發(fā)病率逐年上升。這種疾病會使患者肢體運動功能喪失，尤其是上肢運動功能的喪失，所以極大地影響了患者日常生活的能力。伴隨經(jīng)濟的發(fā)展，人們對生活期望的不斷提高，對中風患者進行及時有效的康復(fù)運動治療變得尤為迫切和重要。

全球平均每年中風的發(fā)病比率達到200/10萬。世界衛(wèi)生組織有關(guān)調(diào)查表明：中國腦卒中發(fā)病率居所有國家之首位，遠超于美國。根據(jù)我國現(xiàn)有的社會醫(yī)療水平，將近1/4的腦卒中患者會因治療水平的限制而喪失生命，腦卒中已成為中國第一致死因素。以“腦可塑性”為基礎(chǔ)的康復(fù)鍛煉，是早已被臨床醫(yī)學實踐應(yīng)用所證明了的有效的治療方法。目前，傳統(tǒng)的醫(yī)療康復(fù)訓練主要是以專業(yè)康復(fù)治療師徒手操作為主，此類方法對患者自身和病患家屬及醫(yī)務(wù)人員來說都是一項耗時、費力、單調(diào)乏味的工作。而且由于我國患者眾多，專業(yè)康復(fù)治療師嚴重缺失（大概比例1%），使得更多患者因康復(fù)運動強度不足而導致康復(fù)效果不能達到理想狀態(tài)。因此，有必要將機器人技術(shù)引入康復(fù)治療領(lǐng)域，讓機器人代替理療師進行繁重的工作。上肢康復(fù)機器人的研究和應(yīng)用，對我國康復(fù)醫(yī)療水平的提高及多學科交叉研究的進步都具有重要意義。

2 上肢康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀

康復(fù)機器人是機器人技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學應(yīng)用的產(chǎn)物，涉及多門學科知識。如今，康復(fù)機器人已有了較為全面的發(fā)展。

1991年，美國麻省理工學院開發(fā)了一款康復(fù)訓練機器人MIT—MANUS，可以幫助偏癱患者進行康復(fù)訓練。該設(shè)備的運動主體是五連桿機構(gòu)，提供兩個自由度的運動，可以輔助患者完成手臂的平面運動，可同步獲取手臂運動速度、角度等參數(shù)，且能夠通過微機界面對患者反饋信息?；颊弑环殖蓛山M進行傳統(tǒng)治療方法和機器人輔助康復(fù)訓練的對比分析試驗，實驗結(jié)果顯示表明：康復(fù)機器人可以有效地幫助患者進行治療，治療效果較傳統(tǒng)方法有明顯的提高，且不會對患者有任何損傷及其他不良作用。

1993年，加利福尼亞大學的Lum P. S.等人研制了一種利用雙手協(xié)調(diào)性進行鍛煉的康復(fù)系統(tǒng)系統(tǒng)--“手-物體-手”（hand-object-hand system）。系統(tǒng)包含兩個把手，其中一個把手有電機驅(qū)動，電機可以帶動患者雙手完成平面移動和對物體擠壓的練習，以鍛煉雙手協(xié)調(diào)性，由于兩個剛性夾板限制了腕關(guān)節(jié)自由度，患者只能進行手腕的屈伸運動，保證了康復(fù)動作的準確性，同時在夾板處安裝有力學傳感器，便于醫(yī)生采集相關(guān)參數(shù)。

1995年，Lum P. S.團隊又研發(fā)了一款雙手向上舉物的康復(fù)系統(tǒng)（bimanual lifting rehabilitator），該裝置為2DOF連桿機構(gòu)，可以鍛煉患者上舉及平移動作，獲取垂直位移及旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)，當患者肌力不足時為患者提供適當?shù)闹亓χ?，從而保持上舉運動的平衡。

1999年，加州大學與芝加哥康復(fù)研究所聯(lián)合研發(fā)了ARM- Guide，用于測定患者手臂的活動范圍，同時幫助上肢進行完成康復(fù)鍛煉。

2002年，英國雷丁大學牽頭組建的歐洲跨國研究小組針對肩肘關(guān)節(jié)研制了一款上肢康復(fù)機器人GENTLE?；颊呤直塾玫跛髋cHapticMaster機器人相連，由工業(yè)機器人提供驅(qū)動力和重力支撐，與虛擬技術(shù)相結(jié)合提供視覺上的反饋信息，在對患者的看反復(fù)訓練中取得了顯著的療效。

英國利茲大學的Raymond Holt等人研制發(fā)了IPAM雙臂康復(fù)機器人，每個機械臂上都有3個關(guān)節(jié)，通過氣壓驅(qū)動裝置提供力矩。

CADEN-7是由華盛頓大學的Joel Perry等人設(shè)計出的一款7自由度的外骨骼機器人。既能夠幫助患者的肩、肘、腕關(guān)節(jié)完成康復(fù)鍛煉，也能夠用于對健康人體的實驗探究。

在中國，人們雖然加強了對康復(fù)醫(yī)學的重視，但與國外相比，康復(fù)機器人的研究水平仍然相對落后。大多數(shù)康復(fù)機器人的研發(fā)都是由學校進行的，且都處于較淺層次階段，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的研究成果以簡易單關(guān)節(jié)康復(fù)訓練器居多。

清華大學是我國較早進入康復(fù)領(lǐng)域進行研究的大學之一，到目前為止研發(fā)了多種康復(fù)機器人，其中包括肩肘復(fù)合康復(fù)運動機器人和肩關(guān)節(jié)康復(fù)機器人。

哈爾濱工程大學同期也研制出了一款上臂康復(fù)機器人。該機器人能夠幫助患者的肩肘關(guān)節(jié)完成平面運動。他們還對機器人控制部分進行了深入的研究，在分析與仿真技術(shù)領(lǐng)域取得了一定的成果。

河北工業(yè)大學研制的一款上肢外骨骼機器人采用氣動控制系統(tǒng)，可以幫助患者完成肩肘關(guān)節(jié)三個自由度的訓練。并可通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程操控，完成數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

3 發(fā)展展望

上肢康復(fù)機器人將智能控制與肢體運動用機器人系統(tǒng)完美的結(jié)合起來，可以幫助患者完成各種康復(fù)運動，具備傳統(tǒng)康復(fù)治療方法無法比擬的優(yōu)點：替代康復(fù)治療師完成高強度，高密集度的重復(fù)性體力勞動，彌補我國專業(yè)理療師人員不足的現(xiàn)狀，保證每位患者得到客觀、均衡的治療。控制系統(tǒng)可施加更精確的驅(qū)動力矩，對治療數(shù)據(jù)和運動參數(shù)及訓練次數(shù)詳實記錄，便于治療師根據(jù)數(shù)據(jù)，做出客觀評價，及時改善治療方案。科研人員也可以將參數(shù)和療效進行對比，從而發(fā)現(xiàn)機器人輔助康復(fù)治療的更多規(guī)律，為進一步改善治療效果提供更詳實的科學依據(jù)。結(jié)合虛擬技術(shù)將鍛煉科目制作成游戲，使整個治療過程更具趣味性，患者對康復(fù)訓練參與性更強；同時也便于治療后期治療師遠程指導，使康復(fù)治療持續(xù)進行，取得更好的康復(fù)效果。

今后對上肢康復(fù)機器人的研究工作有可能在以下幾方面進行展開：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，能夠帶動患肢完成大幅度、多關(guān)節(jié)的空間運動；

（2）患者病理及身體條件各異，制定多樣的控制策略以適應(yīng)不同患病程度患者的治療，提高康復(fù)機器人的適用性；

（3）上肢康復(fù)機器人服務(wù)對象為肢體存在運動障礙的患者，要從硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)設(shè)計入手，設(shè)置合理的保護裝置，保證患者的絕對安全。

（4）開發(fā)新型的治療效果評價機制，將訓練參數(shù)與治療效果的評價指標建立較為明確的關(guān)系，可以實時有效的觀察康復(fù)效果。

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作者簡介：郭慧宇（1976-），女，河北唐山人，工學學士，高校實驗師，研究方向：康復(fù)機器人。