陳佳宇 楊一凡

摘 要：針對(duì)骨折、老年恢復(fù)等手臂功能受損的患者，研究智能穿戴上肢助力機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及總結(jié)現(xiàn)有產(chǎn)品的局限性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種柔性氣動(dòng)式智能穿戴上肢助力機(jī)器人系統(tǒng)，主要包括機(jī)構(gòu)模型、智能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)、設(shè)備租賃系統(tǒng)三大組成部分，旨在增強(qiáng)患者的手臂肌肉功能自主恢復(fù)性，從而恢復(fù)其上肢的關(guān)節(jié)功能。

關(guān)鍵詞：智能穿戴;上肢助力;康復(fù)機(jī)器人;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)老齡化社會(huì)的迅速發(fā)展，腦卒中、骨折等病癥的發(fā)病率逐年上升，該類病癥患者的手臂肌肉功能自主恢復(fù)性差，間接影響患者肢體關(guān)節(jié)功能的恢復(fù)。近年來，我國(guó)重視醫(yī)療器械設(shè)備領(lǐng)域，針對(duì)各類患病群體的治療器械的開發(fā)與研究不斷推陳出新。國(guó)內(nèi)外康復(fù)機(jī)器人、智能穿戴等領(lǐng)域的很多研究者在上肢類康復(fù)醫(yī)療器械領(lǐng)域做出大量工作。本文將對(duì)已有產(chǎn)品作出分析與特性研究，旨在設(shè)計(jì)一種能夠減緩病人病體壓力的智能可穿戴上肢助力機(jī)器人，并展望該類技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

1 上肢康復(fù)機(jī)器人的類型歸納

（1）姿勢(shì)跟蹤型。重慶大學(xué)研制的三自由度上肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)助力裝置，是一種利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多自由度機(jī)械臂系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶的運(yùn)動(dòng)意圖輔助患肢完成取物等運(yùn)動(dòng)任務(wù)。該三自由度機(jī)械臂采用運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤、運(yùn)動(dòng)速度-時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了編程設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)患者的肩、肘、腕部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)生理性質(zhì)，進(jìn)行相應(yīng)的階段性控制。

（2）游戲沉浸型。廣州彌德科技有限公司研制的智能裸眼VR康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種無需外骨骼式設(shè)備的虛擬場(chǎng)景操作訓(xùn)練系統(tǒng)，患者能夠在系統(tǒng)中虛擬場(chǎng)景中，根據(jù)指示訓(xùn)練手、腦、眼三者的協(xié)調(diào)性。訓(xùn)練過后，系統(tǒng)可對(duì)患者進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)量化分析訓(xùn)練效果，分析訓(xùn)練數(shù)據(jù)，從而對(duì)患者的康復(fù)效果進(jìn)行評(píng)估。

（3）剛體結(jié)構(gòu)型。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的五自由度外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，分別對(duì)用戶的肩、部、部的關(guān)節(jié)屈伸、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作進(jìn)行分解，再由多個(gè)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制。用戶佩戴機(jī)械臂后，設(shè)備通過用戶的行為動(dòng)作采集皮膚表面機(jī)電信號(hào)，完成患臂的康復(fù)訓(xùn)練。

（4）認(rèn)知訓(xùn)練型。上海卓道醫(yī)療科技有限公司研制的ARMGUIDER是一款在平面操作的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，它能夠有效的根據(jù)患者的不同患病情況，錄制醫(yī)生專業(yè)制定的恢復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作軌跡，有針對(duì)性的對(duì)患者的患臂進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，為患者提供了涵蓋被動(dòng)、助力、阻力及評(píng)估的訓(xùn)練模式。

（5）軟體評(píng)估型。上海交通大學(xué)研制的智能軟體康復(fù)機(jī)器人手套，突破傳統(tǒng)外骨骼剛體機(jī)器人的局限，采用軟體手套設(shè)計(jì)。該設(shè)備結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，增強(qiáng)了患者在康復(fù)過程中的訓(xùn)練趣味性，訓(xùn)練過后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)患者的運(yùn)動(dòng)過程集成數(shù)據(jù)，對(duì)患者的康復(fù)情況做出相應(yīng)的評(píng)估。

2 已有上肢助力康復(fù)機(jī)器人的局限性

柔順性差;便攜性差;適配性差;[1]造價(jià)高昂。

3 一種智能穿戴式上肢助力機(jī)器人設(shè)計(jì)的提出

智能穿戴上肢助力機(jī)器人系統(tǒng)包含三個(gè)組成部分：上肢助力機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)、智能訓(xùn)練系統(tǒng)APP端、設(shè)備租賃系統(tǒng)電腦端。

（1）機(jī)構(gòu)模型。智能穿戴上肢助力康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)分為兩部分：助力結(jié)構(gòu);驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。[2]助力結(jié)構(gòu)主要包括：①分區(qū)模塊;②剛體支撐;③柔性結(jié)構(gòu);④塑性支撐;⑤彈性繩;⑥彈性結(jié)構(gòu);⑦傳感器與人體信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要包括：①柔性束帶;②固定結(jié)構(gòu);③電量顯示;④驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu);⑤柔性貼身結(jié)構(gòu)。

（2）智能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)。智能訓(xùn)練系統(tǒng)[3]根據(jù)患者的患肢復(fù)健需求與醫(yī)師對(duì)患者的診斷指令設(shè)定視頻訓(xùn)練模式，分為被動(dòng)與主動(dòng)訓(xùn)練兩個(gè)階段。被動(dòng)訓(xùn)練針對(duì)患者腦卒中、骨折、偏癱等骨骼受損病癥恢復(fù)期，恢復(fù)期的骨骼常呈現(xiàn)習(xí)慣于石膏等材料長(zhǎng)期固定的僵硬狀態(tài)，患者佩戴上肢助力復(fù)健設(shè)備，能夠在被動(dòng)模式下緩慢移動(dòng)患肢，肩部、肘部、腕部均可做小幅度的屈伸、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，階段性的訓(xùn)練有助于恢復(fù)患者患肢的肌肉功能。主動(dòng)訓(xùn)練針對(duì)老年恢復(fù)期，用戶佩戴助力復(fù)健設(shè)備，根據(jù)視頻指示，做對(duì)應(yīng)動(dòng)作，有助于提高用戶手臂肌肉與關(guān)節(jié)的自主恢復(fù)性，減緩病體壓力。

（3）設(shè)備租賃系統(tǒng)設(shè)計(jì)。助力設(shè)備租賃系統(tǒng)，構(gòu)建患者/監(jiān)護(hù)人—設(shè)備供應(yīng)商—醫(yī)生/醫(yī)療機(jī)構(gòu)—保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)之間的四方網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，便于用戶對(duì)助力復(fù)健設(shè)備的提取與供應(yīng)商對(duì)設(shè)備的管理。市場(chǎng)中現(xiàn)有的助力設(shè)備大多造價(jià)高昂，對(duì)普通的骨折患者來說，助力器僅在其復(fù)健恢復(fù)期起關(guān)鍵作用，產(chǎn)品的流通能夠增強(qiáng)資源的使用效率，同時(shí)緩解用戶的經(jīng)濟(jì)壓力。租賃系統(tǒng)中，醫(yī)生或醫(yī)療機(jī)構(gòu)能夠根據(jù)患者的患病情況選擇供應(yīng)商所提供的與病征相對(duì)應(yīng)的助力設(shè)備，并設(shè)置使用期限，系統(tǒng)向醫(yī)生方核對(duì)信息后，患者家屬憑借醫(yī)囑中的設(shè)備編號(hào)領(lǐng)取，支付租金便可在租賃期內(nèi)使用助力器。器械被歸還后，設(shè)備供應(yīng)商及保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)核實(shí)是否損壞，對(duì)其進(jìn)行定期的修理與維護(hù)。

4 上肢助力機(jī)器人的研究及發(fā)展趨勢(shì)

（1）智能輕量化?，F(xiàn)有上肢助力機(jī)器人多由設(shè)備、檢測(cè)系統(tǒng)兩大部分組成，剛體結(jié)構(gòu)與柔性結(jié)構(gòu)逐漸融合，將來向以簡(jiǎn)單機(jī)電和智能輕量化方向發(fā)展。

（2）移動(dòng)醫(yī)療化。設(shè)備的結(jié)構(gòu)與檢測(cè)系統(tǒng)將一體化，[4]由外骨骼剛體趨向輕質(zhì)可穿戴，更加注重機(jī)器人結(jié)構(gòu)的便捷可移動(dòng)。

（3）遠(yuǎn)程控制和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)化。為了適應(yīng)患病人群的助力醫(yī)療康復(fù)需求，醫(yī)療資源將由固定模式向遠(yuǎn)程操控與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)展，[5]實(shí)現(xiàn)技術(shù)共享的同時(shí)，調(diào)整醫(yī)療服務(wù)結(jié)構(gòu)，使病人共享醫(yī)療資源。

5 結(jié)語

通過對(duì)上肢助力機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、功能等方面的現(xiàn)狀分析，提出了一種智能穿戴上肢助力機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)體結(jié)構(gòu)可以輔助上肢運(yùn)動(dòng)障礙患者實(shí)現(xiàn)患臂的屈伸、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，提高患者的康復(fù)率，系統(tǒng)構(gòu)建了患者—監(jiān)護(hù)人—醫(yī)生—設(shè)備供應(yīng)商的四方關(guān)系，密切四者之間的相互聯(lián)系。后續(xù)研究將深入分析用戶行為，根據(jù)人體測(cè)量學(xué)的具體數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)體機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并完成樣機(jī)試驗(yàn)，為智能上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供理論支持。

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