李龍飛，朱凌云，2*，茍向鋒，2

（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和醫(yī)療水平提高的同時(shí)，人均壽命延長(zhǎng)，社會(huì)老齡群體和運(yùn)動(dòng)功能障礙患者數(shù)量逐年上升，對(duì)輔助運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的需求隨之增大。除了初期的康復(fù)治療外，后期借助輔助醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練具有重大意義。傳統(tǒng)的治療手段是由具有一定經(jīng)驗(yàn)的康復(fù)醫(yī)師一對(duì)一地對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，該方法治療效果好，但受康復(fù)醫(yī)師人力所限，治療成本高，治療的時(shí)間、地點(diǎn)受限，通常不能達(dá)到預(yù)期效果。為此，國(guó)內(nèi)外醫(yī)療機(jī)構(gòu)通常選用醫(yī)療機(jī)器人代替治療師進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這樣不僅降低成本、提高治療效果，還可以為患者提供安全可靠的治療方案和手段[1]。傳統(tǒng)大型康復(fù)器械通常體積大、不可移動(dòng)、訓(xùn)練模式單一、環(huán)境枯燥?？纱┐飨轮夤趋揽祻?fù)機(jī)器人是機(jī)械、電子、人機(jī)交互、仿生學(xué)等交叉融合的學(xué)科，穿戴于患者肢體上，通過(guò)檢測(cè)穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖，輔助并保護(hù)其進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的智能化、機(jī)械化康復(fù)設(shè)備?？纱┐飨轮夤趋揽祻?fù)機(jī)器人彌補(bǔ)了傳統(tǒng)治療方式的不足，擺脫了懸掛式等大型康復(fù)設(shè)備的場(chǎng)地局限性，備受社會(huì)關(guān)注[2]。本文主要介紹可穿戴下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的研究狀況，論述其關(guān)鍵技術(shù)，展望其發(fā)展方向。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人最早始于1890年俄羅斯人Yagn[3]設(shè)計(jì)的世界第一個(gè)增強(qiáng)跑跳能力的下肢外骨骼裝置——Assistead-walking Device。1965年，美國(guó)通用電氣公司與康奈爾大學(xué)研制了全身外骨骼試驗(yàn)樣機(jī)Hardiman[4-5]。20世紀(jì)70年代初，南斯拉夫人Vukobratovic[6]系統(tǒng)性地提出了下肢動(dòng)力外骨骼設(shè)計(jì)理論與方法，并研制出具有骨盆扭轉(zhuǎn)補(bǔ)償功能的電動(dòng)下肢外骨骼樣機(jī)——Active Anthropomorphic Exoskeletons。

21世紀(jì)之前，材料、控制、傳感等機(jī)器人技術(shù)發(fā)展緩慢，導(dǎo)致外骨骼技術(shù)發(fā)展緩慢，其智能化、機(jī)械化、自動(dòng)化程度遠(yuǎn)不能滿足患者康復(fù)訓(xùn)練的要求。2000年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼項(xiàng)目研究[7]，其中提出了一種借助于機(jī)器外骨骼以提高人的能力的新型機(jī)器人概念，對(duì)外骨骼機(jī)器人的發(fā)展起到了推動(dòng)性作用?？纱┐飨轮夤趋罊C(jī)器人主要針對(duì)患者中后期的康復(fù)訓(xùn)練，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循人體仿生原則，穿戴方便、體積小、質(zhì)量輕，可為穿戴者提供保護(hù)、支撐、助力等作用；采用自平衡技術(shù)或支撐設(shè)備，擺脫場(chǎng)地的限制，同時(shí)具有多種訓(xùn)練模式以幫助穿戴者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

近年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟，輔助型機(jī)器人的研究在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域取得了一些成果?？纱┐骺祻?fù)外骨骼機(jī)器人已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練器械，并成功推廣應(yīng)用于殘疾人或老年人助殘助力等康復(fù)訓(xùn)練中。目前國(guó)外已經(jīng)有部分可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人投入市場(chǎng)。

日本Cyberdyne公司研發(fā)的可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人 Hybrid Assistive Leg（HAL）[如圖 1（a）所示][8]在2008年市場(chǎng)化，2013年獲得全球安全認(rèn)證并進(jìn)行批量生產(chǎn)。該機(jī)器人主要包括控制器、電池、電動(dòng)機(jī)動(dòng)力單元、肌電傳感器、角度/加速度傳感器、地面反作用力傳感器等6個(gè)部分。HAL自重23 kg，下肢動(dòng)力裝置位于髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，無(wú)需輔助支撐，可續(xù)航160 min[9]。HAL的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是具有生物意識(shí)控制系統(tǒng)和自主控制系統(tǒng)。生物意識(shí)控制系統(tǒng)模式根據(jù)傳感器采集人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的生物電位信號(hào)、下肢關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行計(jì)算，并判斷穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖，控制外骨骼運(yùn)動(dòng)；自主控制系統(tǒng)模式利用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的動(dòng)作模型完成并記憶助力動(dòng)作（坐下、站立、行走、上下樓梯等）。HAL配合正常物理治療對(duì)脊髓損傷、全膝關(guān)節(jié)置換和腦癱等患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，均可使其步態(tài)得到明顯的改善[10]。

新西蘭Rex Bionics公司研發(fā)的可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人Rex[如圖1（b）所示]主要針對(duì)下肢松弛和癱瘓的患者設(shè)計(jì)[11]。該裝置質(zhì)量為39 kg，由10個(gè)電動(dòng)機(jī)為外骨骼髖、膝、踝關(guān)節(jié)提供動(dòng)力。為確保連續(xù)使用，采用充電和可替換電池2種方式供電，續(xù)航時(shí)間2 h。為配合輪椅使用，在腰間安裝操縱桿扶手，穿戴者可在無(wú)輔助支撐的情況下保持平穩(wěn)緩慢移動(dòng)。Rex采用定制的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，由五十萬(wàn)行專用代碼控制27個(gè)板載微處理器構(gòu)成，該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)旨在確保整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的穩(wěn)定性[12-13]。

以色列ReWalk Robotics（RWLK）公司研發(fā)的可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人ReWalk[如圖1（c）所示][14]于2012年底拿到歐盟CE認(rèn)證，2014年6月通過(guò)美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）認(rèn)證，成為第一批醫(yī)學(xué)外骨骼。ReWalk主要針對(duì)脊髓損傷患者，其自重20 kg，高度和寬度可調(diào)，髖、膝關(guān)節(jié)采用獨(dú)立電動(dòng)機(jī)控制，踝關(guān)節(jié)處采用彈簧輔助被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并在臀部框架上配置可充電電池以及便攜式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該下肢外骨骼通過(guò)掛繩和綁帶與穿戴者相連，其工作時(shí)便攜式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)體感技術(shù)和腕部傳感技術(shù)獲得人體信息來(lái)判斷下肢運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)對(duì)外骨骼機(jī)器人的步態(tài)和步速做出改進(jìn)，使其與人體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，幫助穿戴者完成康復(fù)訓(xùn)練。其續(xù)航時(shí)長(zhǎng)為160 min[15-16]。

美國(guó)Parker Hannifin公司所研發(fā)的可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人Indego[如圖1（d）所示][17]由范德比爾特大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)，于2016年獲得FDA批準(zhǔn)，可幫助下肢受傷、脊髓損傷、多發(fā)性硬化或因中風(fēng)不能行走的患者進(jìn)行后期恢復(fù)。Indego自重12 kg，采用模塊化設(shè)計(jì)，包括1個(gè)髖關(guān)節(jié)模塊、2個(gè)大腿模塊和2個(gè)小腿模塊，由4個(gè)電動(dòng)機(jī)（每個(gè)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)各一個(gè)）提供動(dòng)力，踝關(guān)節(jié)采用被動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該下肢外骨骼可在輪椅上穿戴，通過(guò)陀螺儀和傳感器檢測(cè)穿戴者平衡狀態(tài)來(lái)控制裝置體位變化，使外骨骼跟隨人體運(yùn)動(dòng)，穿戴者靠前臂拐杖保持平衡，可實(shí)現(xiàn)坐、站立、行走等多種模式自由切換，續(xù)航時(shí)間1 h[18-20]。

美國(guó)Ekso Bionics公司研發(fā)的可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人 Ekso GTTM如圖 1（e）所示[21]。Ekso GTTM自重23 kg，具有高精度的感應(yīng)器、微型驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、擬人關(guān)節(jié)，配備了速度極快的中央處理器和強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)。其髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)為主動(dòng)助力關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)為彈簧控制的被動(dòng)關(guān)節(jié)，可續(xù)航24 h[22]。該裝置主要針對(duì)脊髓損傷、中風(fēng)恢復(fù)等患者，采用傳統(tǒng)的傳感器和智能支撐拐杖進(jìn)行動(dòng)作控制，根據(jù)穿戴者的不同需求，可選擇康復(fù)醫(yī)師輔助訓(xùn)練模式、穿戴者自主定義模式和自感應(yīng)肢體運(yùn)動(dòng)觸發(fā)模式。

美國(guó)加州SuitX公司于2016年研發(fā)出可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人Phoenix[23]。該外骨骼機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，由1個(gè)髖關(guān)節(jié)模塊、2個(gè)膝關(guān)節(jié)模塊和2個(gè)腳模塊組成，3種模塊可獨(dú)立或組合進(jìn)行使用。該裝置設(shè)計(jì)方案極簡(jiǎn)，質(zhì)量只有12.25 kg，主要針對(duì)脊髓損傷患者設(shè)計(jì)。外骨骼工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)髖、膝、踝關(guān)節(jié)幫助穿戴者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)助力，需使用手杖保持平衡，其續(xù)航時(shí)長(zhǎng)為4~8 h[24]。

西班牙馬德里Technaid公司在2019年5月推出最新版本的可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人Exo-H3[如圖1（f）所示][25]。該裝置是Technaid公司第三個(gè)版本的外骨骼機(jī)器人，是西班牙國(guó)家研究委員會(huì)生物工程組多年研究的成果。Exo-H3驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)很小，而且與大多數(shù)外骨骼相比，其框架非常靈活，自重14 kg。Exo-H3通過(guò)系統(tǒng)存儲(chǔ)的步態(tài)模式數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)外骨骼髖、膝、踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，可以完全模仿人體行走的過(guò)程，且可搭配使用拐杖，幫助下肢行動(dòng)不便或功能喪失的人進(jìn)行輔助行走和康復(fù)訓(xùn)練。Exo-H3具有Wi-Fi、藍(lán)牙等通信功能，通過(guò)使用手機(jī)中的App實(shí)現(xiàn)控制外骨骼機(jī)器人的步行速度、電動(dòng)機(jī)輔助運(yùn)動(dòng)、站起和坐下等基本功能。其主要優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)，專為研究而設(shè)計(jì)，允許更改算法以及應(yīng)用不同的控制策略，可匹配患者不同的需求[26]。

法國(guó)RB3D防務(wù)公司研發(fā)的可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人HERCULE、韓國(guó)現(xiàn)代公司研發(fā)設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人HMEX等[27]均在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域具有一定影響。此外，國(guó)外還有一些知名院校也在可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域有相應(yīng)的研究[28-32]。

美國(guó)哈佛大學(xué)在美國(guó)國(guó)防部資助下開(kāi)發(fā)了一款柔性氣壓驅(qū)動(dòng)可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人Soft Exosuit[如圖 1（g）所示]，該裝置質(zhì)量為 9.12 kg，主驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)為髖、膝、踝關(guān)節(jié)，無(wú)需輔助支撐就可以幫助行動(dòng)不便和癱瘓人士重新站起來(lái)，運(yùn)動(dòng)續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)45 min[28]。這種柔性外骨骼裝置由編織帶狀紡織物組成，包裹在穿戴者腰部和腿部，從而降低機(jī)械阻抗和慣性，具有輕便的特點(diǎn)[29-30]。

荷蘭特溫特大學(xué)研發(fā)的可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人 MindWalker[如圖 1（h）所示]質(zhì)量為 28 kg，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)外骨骼髖、膝、踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，可以使截癱患者在輔助支撐幫助下以0.8 m/s的速度進(jìn)行無(wú)障礙行走，最大限度地提高舒適性和適應(yīng)能力[31]。MindWalker擁有一個(gè)多控制策略的控制系統(tǒng)，將人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的步態(tài)循環(huán)進(jìn)行多“階段”定義，根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)前傾和側(cè)傾導(dǎo)致人體重心的變化進(jìn)行整體步行控制，并可以通過(guò)該裝置的傳感器（編碼器、重力傳感器和陀螺儀）來(lái)檢測(cè)控制的精確性。

日本藤田保健衛(wèi)生大學(xué)研發(fā)了可幫助截癱患者安全、自然行走的外骨骼機(jī)器人Wearable Power Assist Locomotor（WPAL）[如圖 1（i）所示]，該裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由髖、膝和踝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)組成，工作時(shí)有3種行走模式，穿戴者靠拐杖保持運(yùn)動(dòng)平衡，最快步行速度1.3 km/h，最大續(xù)航時(shí)間為1 h[32]。其與其他外骨骼機(jī)器人的差異在于外骨骼內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有滑動(dòng)軌道，外側(cè)設(shè)計(jì)可與輪椅連接的人機(jī)接口，可以在輪椅上使用。

圖1 國(guó)外可穿戴下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)在可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域的研究較晚，21世紀(jì)初才陸續(xù)開(kāi)始進(jìn)行。2004年中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所研制出第一代實(shí)體樣機(jī)WPAL，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其對(duì)人體剛體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行修正，對(duì)速度-力控制模型進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)柔順控制，穿戴舒適，且可減少肌肉疲勞[33]。2006年，海軍航空學(xué)院研制了能量輔助外骨骼服[34]，采用上肢控制下肢原理，通過(guò)檢測(cè)上肢運(yùn)動(dòng)信息控制下肢膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，其他關(guān)節(jié)巧妙地使用氣彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷支撐，跟蹤行走步態(tài)。隨著我國(guó)綜合實(shí)力的提升，機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟，已經(jīng)出現(xiàn)了一批專注研究可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人的公司，并且將所研發(fā)的產(chǎn)品投入市場(chǎng)銷售。

成都布法羅機(jī)器人科技有限公司在2017年研發(fā)出第一代產(chǎn)品個(gè)人助行可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人系統(tǒng) AIDER[如圖 2（a）所示]，該裝置自重 19 kg，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)外骨骼兩側(cè)髖、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，需使用拐杖輔助支撐下肢截癱患者保持運(yùn)動(dòng)平衡，實(shí)現(xiàn)起立坐下、行走跑步、上下樓梯、蹲下起立等動(dòng)作，起到康復(fù)治療和個(gè)人助行的作用[35]。其控制系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)意圖并驅(qū)動(dòng)外骨骼，也可以根據(jù)特定步態(tài)曲線驅(qū)動(dòng)外骨骼進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，續(xù)航時(shí)間5 h。

北京大艾機(jī)器人科技有限公司于2018年發(fā)布了可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人Ailegs艾動(dòng)[如圖2（b）所示][36]。Ailegs艾動(dòng)外骨骼機(jī)器人主要針對(duì)脊髓損傷、脊髓炎、腦損傷、腦癱、中風(fēng)、偏癱、骨關(guān)節(jié)術(shù)后運(yùn)動(dòng)恢復(fù)、肌無(wú)力等患者設(shè)計(jì)[37]。該外骨骼機(jī)器人由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)髖、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，支持并帶動(dòng)患者下肢運(yùn)動(dòng)，需使用拐杖保持平衡，以自然的行走步態(tài)、真實(shí)的行走方式進(jìn)行訓(xùn)練，可重塑患者正確行走姿勢(shì)，鍛煉患者平衡運(yùn)動(dòng)能力及行走肌肉神經(jīng)。該裝置背部、大腿和小腿長(zhǎng)度尺寸調(diào)節(jié)范圍大，調(diào)節(jié)便利，尺寸精準(zhǔn)，適用于更大范圍不同身高患者的精確快速適配；且體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶；其控制系統(tǒng)精細(xì)化，提供適應(yīng)不同病程、不同病種的步態(tài)訓(xùn)練，適用不同患者的個(gè)性化康復(fù)需求。

上海傅利葉智能科技有限公司2017年發(fā)布了可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人Fourier X1，為下肢殘疾患者提供有“觸覺(jué)”的外骨骼機(jī)器人訓(xùn)練方式；2019年發(fā)布的第二代可穿戴外骨骼產(chǎn)品Fourier X2[如圖2（c）所示]可用于輔助行走、康復(fù)訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)功能強(qiáng)化等多個(gè)領(lǐng)域[38]。Fourier X2自重18 kg，具有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、動(dòng)力單元以及力學(xué)傳感系統(tǒng)。動(dòng)力單元位于髖、膝關(guān)節(jié)，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)控制單元為該公司自主研發(fā)，為運(yùn)動(dòng)軌跡、速度的動(dòng)態(tài)調(diào)整與數(shù)據(jù)采集提供強(qiáng)大算力支持。通過(guò)力反饋控制算法，該裝置可以根據(jù)受力點(diǎn)處力的大小調(diào)整動(dòng)力輸出，從而實(shí)現(xiàn)被動(dòng)、主動(dòng)、助力等模式，必要時(shí)需使用拐杖保持系統(tǒng)平衡。

尖叫智能科技（上海）有限公司研發(fā)的外骨骼機(jī)器人S1、邁步科技有限公司研發(fā)的外骨骼機(jī)器人BEARH1等均已投入市場(chǎng)銷售[39]。此外，在國(guó)內(nèi)還有許多院校團(tuán)隊(duì)在可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域有相應(yīng)的研究[39-45]。

上海交通大學(xué)于2015年研發(fā)了一種新型混聯(lián)可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人[如圖2（d）所示][40]。該裝置根據(jù)人體下肢生理結(jié)構(gòu)，每條腿設(shè)計(jì)6個(gè)自由度，采用電動(dòng)機(jī)和液壓混合驅(qū)動(dòng)方式，主驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)為髖、踝關(guān)節(jié)，且并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有更好的承載性能，不需要輔助支撐，能自適應(yīng)不同身高的穿戴者。該裝置采用一種新型模糊自適應(yīng)PID控制器，實(shí)現(xiàn)了步態(tài)與動(dòng)作的智能控制。

香港中文大學(xué)于2015年成功研發(fā)了可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人 CUHK-EXO[如圖 2（e）所示]，該裝置自重18 kg，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)髖、膝、踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，需使用拐杖支撐，幫助截癱等患者恢復(fù)站立、坐下和行走的靈活性，續(xù)航時(shí)間3 h[41]。該外骨骼步態(tài)控制系統(tǒng)采用離線設(shè)計(jì)和在線修改算法，能夠生成用于步行輔助的參考路徑，同時(shí)可以在助行過(guò)程中根據(jù)軌跡生成算法，對(duì)步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和修改[42]，能有效地抵消運(yùn)動(dòng)障礙，為佩戴者提供穩(wěn)定的輔助。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2016年研發(fā)了可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人HIT-LEX[如圖2（f）所示]，該下肢外骨骼質(zhì)量為43 kg，整機(jī)具有14個(gè)自由度，采用模塊化設(shè)計(jì)，髖關(guān)節(jié)采用“準(zhǔn)擬人化”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[43]。該外骨骼設(shè)計(jì)了分布式的人機(jī)交互傳感系統(tǒng)，工作時(shí)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)髖、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)為被動(dòng)關(guān)節(jié)，不需要輔助支撐，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜路面環(huán)境并輔助人體負(fù)重行走，續(xù)航時(shí)間2 h，具有質(zhì)量輕、包絡(luò)尺寸緊湊的特點(diǎn)。

浙江大學(xué)于2017年研發(fā)的可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴液壓驅(qū)動(dòng)下肢外骨骼機(jī)器人，如圖 2（g）所示[44]。該外骨骼自重 5.355 kg，髖、膝關(guān)節(jié)為主動(dòng)關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)為被動(dòng)關(guān)節(jié)，輔助患者康復(fù)訓(xùn)練時(shí)不需要輔助支撐。該外骨骼采用一種有效解決人機(jī)交互系統(tǒng)中病態(tài)雅可比矩陣問(wèn)題的方法，保證了末端速度方向一致且避免速度突變；并使用干擾力模糊逼近算法，采用自適應(yīng)模糊控制提高結(jié)構(gòu)控制性能和控制精度。

東南大學(xué)2017年研發(fā)了一種半被動(dòng)節(jié)能性質(zhì)電動(dòng)機(jī)套索驅(qū)動(dòng)可穿戴下肢外骨骼QEPLEX[如圖2（h）所示]，主要應(yīng)用于下肢力量不足等患者的助力及康復(fù)訓(xùn)練[45]。整機(jī)自重12 kg，共16個(gè)自由度，主要包括套索傳動(dòng)裝置、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、傳感器裝置和控制裝置。QEPLEX依靠被動(dòng)雙足行走理論和人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理設(shè)計(jì)，無(wú)需輔助支撐，助力關(guān)節(jié)只有髖關(guān)節(jié)，具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)少、整機(jī)質(zhì)量輕、被動(dòng)柔性關(guān)節(jié)和儲(chǔ)能元件多、穿戴舒適、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)。

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究所于2019年研發(fā)出新型智能可穿戴下肢外骨骼Auto-LEE，與傳統(tǒng)外骨骼不同，Auto-LEE具有10個(gè)自由度[如圖2（i）所示]，其主動(dòng)助力關(guān)節(jié)——髖、膝、踝關(guān)節(jié)分別被直流電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，在無(wú)輔助支撐的情況下可保持行走平衡[46]。該裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)概念，并考慮了多模態(tài)人機(jī)交互。為了驗(yàn)證雙足步行的自平衡能力，還研究出3種生成步行模式的通用算法，并進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。

圖2 國(guó)內(nèi)可穿戴下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人

1.3 總結(jié)

通過(guò)國(guó)內(nèi)外可穿戴下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的基本情況對(duì)照（見(jiàn)表1）可以看出，可穿戴下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人正向質(zhì)量輕量化、續(xù)航能力強(qiáng)等方面發(fā)展。目前，大多數(shù)外骨骼機(jī)器人是以電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)的剛性外骨骼，主要驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)為髖、膝、踝關(guān)節(jié)，采用仿生原理與人的肢體并聯(lián)，無(wú)需外部輔助支撐，可以部分或全部支撐人體質(zhì)量，輔助人體下肢運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練。

隨著科技的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外充分將現(xiàn)代先進(jìn)科技融入到可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人中，如HAL、Fourier X2等下肢外骨骼可搭配外接設(shè)備，使用VR平臺(tái)、腦電圖計(jì)算機(jī)采集，將腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為外骨骼的控制命令；Exo-H3含有Wi-Fi、藍(lán)牙等通信功能，可連接自主研發(fā)的App實(shí)時(shí)對(duì)穿戴者的生理信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，并可以主動(dòng)對(duì)外骨骼進(jìn)行調(diào)整，提升康復(fù)訓(xùn)練效果。在監(jiān)測(cè)、控制方面，絕大部分外骨骼機(jī)器人使用自主研發(fā)的控制系統(tǒng)和分析軟件。而國(guó)內(nèi)的Fourier X2搭載以軟件為中心、模塊化硬件的外骨骼機(jī)器人生態(tài)系統(tǒng)EXOPS開(kāi)放平臺(tái)，并配有一套軟件開(kāi)發(fā)工具包供相關(guān)人員進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，獲取穿戴者實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息并控制動(dòng)力單元實(shí)現(xiàn)步行輔助，這將加快我國(guó)在可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)速度。

雖然我國(guó)在該領(lǐng)域研發(fā)較晚，但是近年來(lái)的研究已經(jīng)取得了一些成果，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)等方面都已經(jīng)形成了一套相對(duì)完整的研究體系，可以進(jìn)行獨(dú)立自主的研發(fā)工作。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

可穿戴下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人涉及機(jī)器人學(xué)、人體工程學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)等學(xué)科，是多種高新科技的集成。外骨骼機(jī)器人是一種復(fù)雜的高精度機(jī)器人，可以為穿戴者提供康復(fù)訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)助力等功能。通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外研究成果，其設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中主要有以下幾大關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為外骨骼的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，為外骨骼提供動(dòng)力。目前常用的外骨骼驅(qū)動(dòng)方式有電動(dòng)機(jī)、液壓、氣壓3種[47]。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)分為盤式電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)推桿，盤式電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于拆卸、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，但是體積大且笨重；電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)是將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為推桿的直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，其自鎖性好。液壓驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、慣性小、可靠性高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，但其成本高、噪聲大、體積質(zhì)量大、不便于攜帶。氣壓驅(qū)動(dòng)分為氣缸驅(qū)動(dòng)和人工肌肉驅(qū)動(dòng)，氣缸驅(qū)動(dòng)具有質(zhì)量、體積小，成本低等特點(diǎn)，但工作不穩(wěn)定，容易受外界影響；人工肌肉類似氣缸，采用擬人化設(shè)計(jì)，這種聚合物人工肌肉比天然肌肉工作能力大100倍，雖然性能很強(qiáng)，但目前該技術(shù)尚未成熟[48]。隨著同步電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)以及減速器的發(fā)展，復(fù)雜模塊簡(jiǎn)單化，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率質(zhì)量比也在逐漸提高。因此，外骨骼多采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前市場(chǎng)中流通的外骨骼均采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，如Ekso Bionics外骨骼采用高性能無(wú)刷電動(dòng)機(jī)配合行星減速器與蝸輪蝸桿減速器二級(jí)減速；ReWalk外骨骼、AIDER外骨骼采用高性能無(wú)刷電動(dòng)機(jī)配合行星減速器與正交錐齒輪減速器二級(jí)減速；HAL-5、Ailegs艾動(dòng)外骨骼采用盤式電動(dòng)機(jī)組合諧波減速器一級(jí)減速[49]。

表1 國(guó)內(nèi)外可穿戴下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人基本情況對(duì)照

2.2 感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)包括角度傳感器、壓力傳感器、肌電傳感器、編碼器、電子羅盤、陀螺儀、加速度計(jì)等。目前，已經(jīng)研發(fā)出以手勢(shì)識(shí)別為代表的非接觸式的體感技術(shù)。為了使外骨骼運(yùn)動(dòng)得到更精確、柔順的運(yùn)動(dòng)控制，需要根據(jù)外骨骼的訓(xùn)練模式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在所需求的位置安裝傳感器等感知裝置收集人體生理和運(yùn)動(dòng)信息、外骨骼位置位姿信息、各個(gè)關(guān)節(jié)處的速度和力矩信息等數(shù)據(jù)，所收集信息數(shù)據(jù)的正確性將直接影響外骨骼整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。單一傳感器給出測(cè)量信息容錯(cuò)率低，一旦信息錯(cuò)誤就會(huì)使系統(tǒng)判定錯(cuò)誤，從而帶來(lái)安全隱患，因此目前多采用多傳感器感知系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行綜合判斷，得到更準(zhǔn)確可信的步態(tài)信息[50]。感知系統(tǒng)一方面用于監(jiān)測(cè)人體位姿，預(yù)判運(yùn)動(dòng)意圖；另一方面可以檢測(cè)穿戴者康復(fù)訓(xùn)練整個(gè)過(guò)程中的人體生理狀態(tài)、訓(xùn)練效果，為康復(fù)醫(yī)師提供客觀數(shù)據(jù)。

2.3 控制系統(tǒng)

可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人的控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的“大腦”，決定外骨骼的功能和主要性能。根據(jù)控制系統(tǒng)一體化思想，控制系統(tǒng)分為感知、決策、執(zhí)行3個(gè)方面[51]。感知層面是通過(guò)感知系統(tǒng)獲得穿戴者運(yùn)動(dòng)步態(tài)和環(huán)境信息。由于康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中人體運(yùn)動(dòng)步態(tài)信息和外部環(huán)境信息的不確定性，人機(jī)交互變得更為復(fù)雜，這時(shí)就需要通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行決策。為實(shí)現(xiàn)控制的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，控制系統(tǒng)針對(duì)不同的康復(fù)訓(xùn)練模式采取相對(duì)應(yīng)的控制策略，并根據(jù)人體步態(tài)與環(huán)境信息的變化，快速、準(zhǔn)確地對(duì)原本設(shè)定好的步態(tài)軌跡進(jìn)行優(yōu)化處理并發(fā)出控制命令。最后由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行命令完成精確、柔順的運(yùn)動(dòng)輔助。綜上，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)要把握的原則為對(duì)人體生理和運(yùn)動(dòng)信息響應(yīng)迅速、降低行走干涉、降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本、簡(jiǎn)化控制策略、降低人體行走代謝[52]。

2.4 人機(jī)匹配技術(shù)

可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人是與穿戴者接觸的人機(jī)一體化裝備，其機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器、傳感器和自由度分配都要合理設(shè)計(jì)才能與人體匹配，避免人機(jī)干涉，在保證外骨骼機(jī)器人穿戴安全性、舒適性的前提下使裝置有效地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練[51，53]?？纱┐魍夤趋罊C(jī)器人機(jī)構(gòu)的自由度直接影響人機(jī)匹配運(yùn)動(dòng)，自由度過(guò)低將導(dǎo)致肢體達(dá)不到正常運(yùn)動(dòng)角度，造成穿戴不舒適；自由度過(guò)高產(chǎn)生冗余，可能造成肢體位置不可控，達(dá)不到康復(fù)訓(xùn)練要求且不能保證穿戴者的安全。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也要符合人體運(yùn)動(dòng)機(jī)制，在保證運(yùn)動(dòng)正確性的同時(shí)，最大化地模擬人體肌肉運(yùn)動(dòng)特性。外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足在保證自身剛度強(qiáng)的前提下盡可能輕量化，在支撐人體質(zhì)量、減少人體關(guān)節(jié)支撐受力的情況下不影響人體正常運(yùn)動(dòng)和康復(fù)訓(xùn)練。裝備尺寸應(yīng)可以快速調(diào)節(jié)，能夠滿足不同身高、體質(zhì)量的穿戴者快速穿卸的需求?？纱┐魍夤趋朗菑?fù)雜的人機(jī)交互系統(tǒng)，人體在系統(tǒng)回路中的安全性很重要，外骨骼與人體接觸部位應(yīng)選用對(duì)人體無(wú)害且舒適的材料，在適當(dāng)?shù)奈恢锰砑訌椥跃彌_裝置，設(shè)置關(guān)節(jié)活動(dòng)限位裝置，保證穿戴者的絕對(duì)安全，避免二次傷害。

2.5 人機(jī)交互技術(shù)

人機(jī)交互技術(shù)是為了保證外骨骼和穿戴者的運(yùn)動(dòng)保持協(xié)調(diào)一致性。交互方法有物理型和感知型，物理型人機(jī)交互法通過(guò)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等信息感知穿戴者和外骨骼之間的交互，感知型人機(jī)交互法通過(guò)人體肌肉、腦部信號(hào)等識(shí)別實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[39]。隨著傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)交互技術(shù)逐漸變得更人性化、智能化。交互方式也開(kāi)始向更高級(jí)的方式發(fā)展，可通過(guò)語(yǔ)言、手勢(shì)等進(jìn)行交互，還可以通過(guò)人體生物信號(hào)，如皮膚電信號(hào)、腦電信號(hào)等進(jìn)行交互。在數(shù)據(jù)傳輸上，也可以使用更加高級(jí)的全浸入式圖形化環(huán)境、三維全息環(huán)境建模進(jìn)行多方位的高效數(shù)據(jù)傳輸。這種交互方式的建立，可保證外骨骼與人體運(yùn)動(dòng)契合度，以及運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性、安全性。一方面可以使外骨骼做出更準(zhǔn)確、快速的動(dòng)作，提高穿戴者的舒適性；另一方面康復(fù)醫(yī)師可以通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)穿戴者的情況進(jìn)行分析，快速施加康復(fù)訓(xùn)練指令，達(dá)到理想的康復(fù)訓(xùn)練效果。

2.6 電池及管理技術(shù)

可穿戴下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的能源應(yīng)具有質(zhì)量輕、容量大、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、便攜、環(huán)保等特點(diǎn)。外骨骼機(jī)器人的能源-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般分為2種：一種為燃料-發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓缸驅(qū)動(dòng)，另一種是電池-電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。電池-電動(dòng)機(jī)方案憑借其低噪聲、小振動(dòng)、小發(fā)熱量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和良好的可控性能等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外眾多的外骨骼設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，電驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)器人一般依靠可充電鋰電池、蓄電池、燃料電池來(lái)為能源動(dòng)力系統(tǒng)提供能量來(lái)源。

由于電池受體積和質(zhì)量等因素限制，存在能量密度、功率密度低等缺點(diǎn)[54]。因此，為使外骨骼機(jī)器人的工作時(shí)間更長(zhǎng)、工作更加穩(wěn)定，一方面需要研究常規(guī)電池或燃料電池的特性，設(shè)計(jì)續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、質(zhì)量功率比高、安全性能符合要求的專用動(dòng)力輸出能源，為動(dòng)力、信號(hào)采集和控制機(jī)構(gòu)提供能源；另一方面需要綜合考慮低功耗技術(shù)、節(jié)能控制技術(shù)和能源回收技術(shù)等[55]。

3 展望

我國(guó)在可穿戴下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些突破和進(jìn)展，現(xiàn)有的康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)也在不斷地完善，為了能更好地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，在今后的發(fā)展中應(yīng)側(cè)重以下幾點(diǎn)。

3.1 外骨骼結(jié)構(gòu)模塊化

模塊化理論研究可以概括為復(fù)雜產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)、復(fù)雜系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)和產(chǎn)業(yè)組織的模塊化建設(shè)。目前的外骨骼機(jī)器人大多采用整體式的設(shè)計(jì)。將外骨骼機(jī)器人按照一定的規(guī)則進(jìn)行模塊劃分，使每個(gè)模塊功能獨(dú)立且具有針對(duì)性，降低外骨骼機(jī)器人的復(fù)雜性，在科研方面更容易突破。而且模塊化設(shè)計(jì)不僅可以使外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、性能穩(wěn)定、成本降低，在使用和維修上也具有一定的優(yōu)勢(shì)，可以更好地滿足不同用戶的實(shí)際需求。

3.2 控制系統(tǒng)智能化

科技發(fā)展迅速，5G時(shí)代的到來(lái)促使人工智能技術(shù)深度發(fā)展。外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，使機(jī)器人可以自主學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)智能控制，使操作簡(jiǎn)單容易，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)更加舒適的、人性化的康復(fù)訓(xùn)練。

3.3 康復(fù)訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)能力

目前，外骨骼機(jī)器人大多數(shù)基于人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，能夠順利地完成人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，但康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，其助力能力、助力效果、骨骼穩(wěn)定性、新陳代謝值、穿戴者疲勞程度等不能在訓(xùn)練時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并呈現(xiàn)，且每一次康復(fù)訓(xùn)練結(jié)束后不能直接檢測(cè)并呈現(xiàn)出康復(fù)訓(xùn)練的醫(yī)療效果。因此，外骨骼的康復(fù)效果評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)康復(fù)訓(xùn)練具有很大作用。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷成熟，我國(guó)在可穿戴下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域得到了多方位的發(fā)展，并取得一定成果，但與外國(guó)的可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人相比還存在一定的差距，尤其是在智能控制和康復(fù)效果評(píng)價(jià)方面。為了更好地實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練，我國(guó)在可穿戴下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)上應(yīng)注重結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，采用更高級(jí)的人工智能控制系統(tǒng)，并建立完善的康復(fù)效果評(píng)價(jià)系統(tǒng)。隨著可穿戴下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人功能完善、性能和可靠性的提高，康復(fù)醫(yī)療效果會(huì)更好，未來(lái)將會(huì)在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域普遍使用。