張 秀，張宇斐，焦志偉*

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京100029；2.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院，北京100730）

0 引言

隨著生活和醫(yī)療水平的提高，我國(guó)人口老齡化日趨嚴(yán)重。腦卒中在我國(guó)中老年人群中發(fā)病率較高[1]，且偏癱率高達(dá)80%～90%[2]。因此，社會(huì)對(duì)康復(fù)治療資源的需求量不斷增大。

人腦具有可塑性，通過(guò)一定手段給予患者適量和特定的重復(fù)性訓(xùn)練，可以促進(jìn)大腦皮質(zhì)的重組，使患者學(xué)習(xí)并儲(chǔ)存正確的運(yùn)動(dòng)模式[3-4]。傳統(tǒng)康復(fù)治療方法操作復(fù)雜，消耗大量人力、物力，而通過(guò)康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練不僅能降低經(jīng)濟(jì)成本，還容易獲得相當(dāng)于甚至優(yōu)于治療師的功能修復(fù)[5]。

早期康復(fù)機(jī)器人主要為單自由度，運(yùn)動(dòng)模式單一，成本相對(duì)低廉，應(yīng)用范圍廣。1987 年，英國(guó)Mike Topping 公司成功研制出Handy 1 康復(fù)機(jī)器人，如圖1 所示[6]。其他具代表性的產(chǎn)品主要有德國(guó)的THERAVital 智能康復(fù)訓(xùn)練器、美國(guó)的NUSTEP 康復(fù)器、意大利的Fisiotek 下肢被動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練器、以色列的APT系列智能康復(fù)訓(xùn)練器[7]。目前應(yīng)用較為普遍的康復(fù)機(jī)器人是牽引式/懸掛式康復(fù)機(jī)器人，其特點(diǎn)是多功能、高自動(dòng)化程度和多自由度[8]。

近年來(lái)，隨著形狀記憶合金、水凝膠、離子交換聚合金屬材料等智能材料的迅猛發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人的種類日趨多樣化。由天然肌肉組織[9]和軟體電子材料等組成的合成細(xì)胞[10]將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)康復(fù)機(jī)器人達(dá)到全新高度，越來(lái)越多不同種類和不同功能的康復(fù)機(jī)器人逐漸走進(jìn)醫(yī)院、社區(qū)和家庭[11]。本文主要從目前康復(fù)機(jī)器人的類型、康復(fù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)幾個(gè)方面綜述康復(fù)機(jī)器人的研究進(jìn)展，并展望康復(fù)機(jī)器人的研究方向。

圖1 Handy 1 康復(fù)機(jī)器人[6]

1 康復(fù)機(jī)器人的分類

針對(duì)不同病癥，康復(fù)機(jī)器人的功能和結(jié)構(gòu)也大不相同。依據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)，康復(fù)機(jī)器人的分類如圖2所示。

從控制效果看，康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練模式主要包括患者主動(dòng)訓(xùn)練、被動(dòng)訓(xùn)練和阻抗訓(xùn)練等。主動(dòng)訓(xùn)練指人的手臂主動(dòng)發(fā)力，機(jī)器人提供輔助或阻力進(jìn)行訓(xùn)練；被動(dòng)訓(xùn)練指機(jī)器人帶動(dòng)人的手臂進(jìn)行訓(xùn)練；阻抗訓(xùn)練以患者更強(qiáng)烈的自主訓(xùn)練意識(shí)為主導(dǎo)，主要用于患者康復(fù)后期[12]。

圖2 康復(fù)機(jī)器人的分類

從作用機(jī)制看，康復(fù)機(jī)器人可分為牽引式和外骨骼式。牽引式主要提供平面康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于控制；外骨骼式能實(shí)現(xiàn)多方向運(yùn)動(dòng)和全方位訓(xùn)練，穿戴輕便，移動(dòng)便捷。

從致動(dòng)方式看，康復(fù)機(jī)器人的致動(dòng)器主要包括氣壓、液壓、柔索[13]、磁流變液[14]等具有單向作用以及剛度可變特性的驅(qū)動(dòng)器。

從自由度來(lái)看，康復(fù)機(jī)器人分為低、中、高3 類。早期康復(fù)機(jī)器人主要由剛性材料組成，自由度較低，運(yùn)動(dòng)模式較為單一。隨著軟體機(jī)器人的發(fā)展，使用軟材料和柔性驅(qū)動(dòng)器制作的康復(fù)機(jī)器人可擁有更高自由度，但由于軟材料自身特性，難以實(shí)現(xiàn)精確控制。剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人的自由度通常介于剛性和軟體機(jī)器人之間，康復(fù)訓(xùn)練模式更加多元。

從康復(fù)機(jī)器人與人體的相容性看，可將康復(fù)機(jī)器人分為3 類：剛性機(jī)器人、軟體機(jī)器人和剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人?？祻?fù)機(jī)器人自問(wèn)世到逐步成熟，其發(fā)展與材料的更迭相輔相成。剛性材料限制了康復(fù)機(jī)器人的自由度，且質(zhì)量較大，增加了患者的負(fù)擔(dān)。從安全角度看，剛性材料對(duì)患者也并不友好。研究者開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向柔軟的智能材料，出現(xiàn)了軟體機(jī)器人和剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人，與人體的相容性得到提高。本文將從剛性機(jī)器人、軟體機(jī)器人和剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人3 個(gè)方面進(jìn)行分類介紹。

2 剛性機(jī)器人

剛性機(jī)器人一般使用傳統(tǒng)剛性材料結(jié)合較為成熟的控制系統(tǒng)，自由度有限。傳統(tǒng)剛性機(jī)器人在康復(fù)治療中應(yīng)用廣泛。

在國(guó)外，2012 年，以色列制造商ReWalk 機(jī)械公司設(shè)計(jì)制造的ReWalkⅠ下肢康復(fù)機(jī)器人（如圖3 所示[15]）用特定拐杖保持行走過(guò)程中身體的平衡，通過(guò)在手腕上佩戴一個(gè)無(wú)線控制器來(lái)選擇站立或爬樓梯等不同的運(yùn)動(dòng)模式。ReWalk 作為一種安全的、可移動(dòng)的動(dòng)力矯形器，主要幫助脊髓受損導(dǎo)致下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能損傷的患者進(jìn)行康復(fù)治療，對(duì)于脊髓受損患者具有很大的應(yīng)用潛力。

圖3 ReWalk I 下肢康復(fù)機(jī)器人[15]

2015 年，Wang 等[16]設(shè)計(jì)的MINDWALKER 下肢康復(fù)機(jī)器人如圖4 所示。其頭盔中腦電信號(hào)收集器接收患者腦部發(fā)出的指令，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，完成對(duì)外骨骼的控制。當(dāng)患者開(kāi)始行走時(shí)，由處理后的肩部運(yùn)動(dòng)信號(hào)對(duì)外骨骼下肢進(jìn)行控制，主要用于脊髓受損患者的康復(fù)訓(xùn)練。該下肢康復(fù)機(jī)器人可以幫助截癱患者站立和行走，但步態(tài)穩(wěn)定性還需進(jìn)一步改善。

2018 年，Park 等[17]開(kāi)發(fā)了軀干外骨骼RoSE 幫助患者矯正脊柱畸形。該設(shè)計(jì)能夠控制人體軀干特定橫截面的位置/方向，同時(shí)測(cè)量施加在身體上的力/力矩，充分結(jié)合患者特有的軀干剛度特征并利用三維力的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)來(lái)治療脊柱畸形。

在國(guó)內(nèi)，2014 年，張輝等[18-19]設(shè)計(jì)出一種新型的六自由度康復(fù)機(jī)械手臂，如圖5 所示。6 個(gè)自由度分別為肩關(guān)節(jié)處3 自由度、肘關(guān)節(jié)1 自由度、腕關(guān)節(jié)2自由度，可與人手臂運(yùn)動(dòng)相適應(yīng)，從而有效模擬人體上肢運(yùn)動(dòng)。

2015 年，周海濤[20]設(shè)計(jì)了一款采用絲杠螺母進(jìn)行力傳遞的下肢康復(fù)機(jī)器人。這款機(jī)器人設(shè)有急停按鈕，采用拉壓傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高了用戶使用的舒適性。

圖4 MINDWALKER 下肢康復(fù)機(jī)器人[16]

圖5 肩關(guān)節(jié)3 自由度三維模型示意圖[18-19]

3 軟體機(jī)器人

軟體機(jī)器人很少使用剛性材料，而是用凝膠流體及形狀記憶聚合物等彈性物質(zhì)替代。軟體機(jī)器人自由度高、變形連續(xù)、安全性能好，在康復(fù)領(lǐng)域愈受青睞。通過(guò)模仿軟體生物如章魚(yú)、蠕蟲(chóng)、毛毛蟲(chóng)等，軟體機(jī)器人能賦予傳統(tǒng)機(jī)器人不具備的變形能力，如圖6 所示[21]。相比剛性機(jī)器人，軟體機(jī)器人質(zhì)量輕、與人體相容性好、安全性能高。近年來(lái)，軟體康復(fù)機(jī)器人取得一系列重要研究成果。

在國(guó)外，2007 年，Takeda 等[22]模擬肌肉運(yùn)動(dòng)方式，研制出一款康復(fù)手套，同時(shí)被制作成人體假肢。其收縮運(yùn)動(dòng)由壓力氣體的充放帶動(dòng)軟體氣囊的軸向運(yùn)動(dòng)完成，如圖7（a）所示。

2015 年，Polygerinos 等[23]使用纖維強(qiáng)化的軟體致動(dòng)器，研制出一款液壓驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)式手套，伸長(zhǎng)、彎曲、扭轉(zhuǎn)等動(dòng)作由纖維層和保持層完成，如圖7（b）所示。

2017 年，Popov 等[24]設(shè)計(jì)出一款柔性外骨骼手套，可用于戶外生活輔助，便于攜帶。除小拇指外，每個(gè)手指均由一個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)彎曲和伸展運(yùn)動(dòng)。小拇指上的柔性電阻感應(yīng)器可檢測(cè)小拇指運(yùn)動(dòng)來(lái)控制其余四指電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)患者主動(dòng)控制。其指尖抓握力可達(dá)16 N，但缺少機(jī)械結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)軌跡不夠準(zhǔn)確。

圖6 應(yīng)用軟體材料制作的機(jī)器人[21]

2018 年，Lessard 等[25]開(kāi)發(fā)出一款軟外骨骼服CRUX，如圖7（c）所示。CRUX 是一款柔順、多自由度、便攜的外骨骼服，穿戴者可以在眾多非常規(guī)環(huán)境（比如診所外）中增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力，幫助自身進(jìn)行上肢功能恢復(fù)及日?；顒?dòng)。同年，Randazzo 等[26]設(shè)計(jì)出一款穿戴式手指機(jī)器人mano，可輔助患者日常生活動(dòng)作，其制作所用硅樹(shù)脂材料可直接用水清洗。mano采用一個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)手指實(shí)現(xiàn)彎曲和伸展運(yùn)動(dòng)，可適應(yīng)不同人的手部尺寸，與人手部貼合良好，如圖7（d）所示。

圖7 外骨骼式軟體機(jī)器人

在軟體機(jī)器人發(fā)展過(guò)程中，3D 打印使機(jī)器人造價(jià)不斷降低。例如，2017 年，Ang 等[27]設(shè)計(jì)了3D 打印氣動(dòng)式康復(fù)輔助手套，手指的屈伸運(yùn)動(dòng)由位于腰部的氣泵充放氣實(shí)現(xiàn)。食指的掌指關(guān)節(jié)、近端指間關(guān)節(jié)、遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度分別可達(dá)健康手運(yùn)動(dòng)角度的30%、82%、33%，拇指的掌指關(guān)節(jié)、近端指間關(guān)節(jié)、掌腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度分別可達(dá)健康手運(yùn)動(dòng)角度的9%、7%、45%。這款針對(duì)消費(fèi)者的3D 打印手套制造費(fèi)用低，允許患者在家使用3D 打印設(shè)備打印，使康復(fù)機(jī)器人走進(jìn)普通家庭成為可能。2018 年，Bataller等[28]設(shè)計(jì)出一款柔性欠驅(qū)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人（如圖8 所示），用于平時(shí)生活輔助及神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練。該康復(fù)機(jī)器人是用3D 打印機(jī)制備，可復(fù)現(xiàn)人手抓握范圍的70%，具有抓取、準(zhǔn)確抓握、拇指?jìng)?cè)向抓握3 個(gè)輔助功能。

大多數(shù)康復(fù)機(jī)器人質(zhì)量已大幅減輕，但電動(dòng)機(jī)或氣泵仍限制了康復(fù)機(jī)器人的使用，因此便攜式柔性康復(fù)機(jī)器人成為熱門研究方向之一。2019 年，劉鵬等[29]使用氣動(dòng)人工肌肉設(shè)計(jì)出一款四自由度上肢康復(fù)機(jī)器人，結(jié)構(gòu)合理、穿戴方便，將氣動(dòng)人工肌肉作為驅(qū)動(dòng)器，安全性高、移動(dòng)方便，適合在各種室內(nèi)場(chǎng)合進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，在康復(fù)治療中應(yīng)用廣泛。

圖8 柔性欠驅(qū)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人[28]

4 剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人

剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人充分發(fā)揮了傳統(tǒng)剛性機(jī)器人和軟體機(jī)器人這2 類機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)。

在國(guó)外，2011 年，Xie 等[30]設(shè)計(jì)出一種三自由度氣動(dòng)軟并聯(lián)機(jī)器人，由4 套空氣驅(qū)動(dòng)力臂和纜繩來(lái)帶動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，完成踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)練習(xí)。該機(jī)器人無(wú)球形關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、耐磨，且便于攜帶。

2016 年，Park 等[31]設(shè)計(jì)出一款三手指外骨骼手，用一根繩索與電位器相連構(gòu)成一個(gè)關(guān)節(jié)，根據(jù)抓握過(guò)程中繩索的長(zhǎng)短變化計(jì)算各關(guān)節(jié)角度（誤差±1°）。

2018 年，Durairajah 等[32]運(yùn)用雙手協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練模式，采集患者健康手的數(shù)據(jù)來(lái)控制患手的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)橡皮繩與繩索組合驅(qū)動(dòng)，柔性手套帶動(dòng)手指作伸展運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)手背部繩索并克服橡皮繩拉力使手指彎曲。

2019 年，Rose 等[33]開(kāi)發(fā)出一種剛?cè)峄旌闲屯夤趋朗痔譙PAR，如圖9 所示。該手套結(jié)合了意圖檢測(cè)、前臂的肌電圖和近端定位驅(qū)動(dòng)，從而創(chuàng)建了一個(gè)強(qiáng)大的可穿戴系統(tǒng)，主要用于手部輔助和基于功能任務(wù)的訓(xùn)練。

圖9 外骨骼手套SPAR[33]

在國(guó)內(nèi)，2015 年，Huang 等[34]設(shè)計(jì)出一種基于輪椅的輕便上肢機(jī)器人，其機(jī)械臂參數(shù)可調(diào)，可適應(yīng)不同個(gè)體對(duì)左手和右手進(jìn)行主動(dòng)或被動(dòng)訓(xùn)練。此外，其支持語(yǔ)音控制、計(jì)算機(jī)控制等控制方式。如今，該團(tuán)隊(duì)的機(jī)器人已發(fā)展至第四代，可為患者提供經(jīng)濟(jì)、便捷的上肢康復(fù)訓(xùn)練。

2016 年，Zi 等[35]提出一種柔索和氣動(dòng)人工肌肉混合驅(qū)動(dòng)的腰部康復(fù)機(jī)器人，主要包括腰部訓(xùn)練裝置和下肢牽引裝置，由3 根氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)腰部訓(xùn)練裝置。同年，Yang 等[36]使用繩索耦合方式實(shí)現(xiàn)掌指關(guān)節(jié)、近端指間關(guān)節(jié)、遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)3 個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)。這種方式使柔性繩索式手套的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡與健康手運(yùn)動(dòng)軌跡的符合度更高。

2017 年，傅利葉智能科技有限公司與西安交通大學(xué)共同開(kāi)發(fā)的下肢外骨骼機(jī)器人Fourier X2[37]首次采用視覺(jué)誘發(fā)增強(qiáng)的自主腦控技術(shù)，讓人通過(guò)“意念”控制外骨骼機(jī)器人行走，如圖10 所示。

圖10 下肢外骨骼機(jī)器人Fourier X2[37]

2019 年，尖叫智能科技（上海）有限公司推出不同尺碼的下肢版和腰部版外骨骼2 款產(chǎn)品[38]，使用人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)測(cè)用戶行為。外骨骼落地便進(jìn)入無(wú)需拐杖的自平衡狀態(tài)，會(huì)隨著行走模擬實(shí)現(xiàn)重心、安全防線、主動(dòng)糾偏扭轉(zhuǎn)，如圖11 所示。

許多剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人同虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR）結(jié)合，增強(qiáng)了訓(xùn)練的趣味性。國(guó)外研究表明，肢體功能受損較嚴(yán)重患者利用VR系統(tǒng)康復(fù)機(jī)器人能獲得更好的恢復(fù)效果[39]。2010年，Connelly 等[40]利用VR充氣手套對(duì)腦卒中患者手功能進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，改善了手腕關(guān)節(jié)活動(dòng)和手掌收縮。

認(rèn)知功能障礙對(duì)患者日常生活的影響有時(shí)甚至超過(guò)軀體功能障礙，將VR 技術(shù)應(yīng)用在治療認(rèn)知功能障礙上具有傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[41]。在國(guó)外，2010 年，Godfrey[42]將VR 技術(shù)與手部外骨骼機(jī)器人結(jié)合，對(duì)慢性腦卒中手部痙攣患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，改善了患者的手指關(guān)節(jié)活動(dòng)度。2012 年，Caglio 等[43]利用3D 電子游戲進(jìn)行記憶康復(fù)研究，用虛擬航行訓(xùn)練激活記憶區(qū)域，改善成人腦損傷患者記憶功能。

圖11 尖叫智能科技（上海）有限公司外骨骼康復(fù)機(jī)器人[38]

在國(guó)內(nèi)，2009 年戚淮兵等[44]設(shè)計(jì)出基于Agent的虛擬認(rèn)知康復(fù)系統(tǒng)，可刺激患者感官，糾正認(rèn)知偏差，具有開(kāi)放、自主、可移植的特點(diǎn)。

2016 年，王大為等[45]運(yùn)用Anokan-VR 虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)輕度認(rèn)知功能障礙患者進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其在治療輕度認(rèn)知功能障礙方面具有一定作用。

5 結(jié)語(yǔ)

康復(fù)機(jī)器人可為患者提供差異化訓(xùn)練，增強(qiáng)患者主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意識(shí)，減少康復(fù)訓(xùn)練時(shí)間，提高康復(fù)訓(xùn)練效果。剛性康復(fù)機(jī)器人發(fā)展歷史較久，控制系統(tǒng)相對(duì)成熟，但無(wú)法滿足康復(fù)對(duì)安全性能的高要求；軟體機(jī)器人在剛性機(jī)器人的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了更多自由度，但軟體材料仍有很大發(fā)展空間；剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人充分發(fā)揮剛性和軟體機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，具有很高的研究?jī)r(jià)值。不同類型康復(fù)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 不同類型康復(fù)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

同20 世紀(jì)90 年代相比，康復(fù)機(jī)器人取得了很大的進(jìn)步，但仍存在需要深入研究之處：（1）現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人在設(shè)計(jì)時(shí)尺寸多采集平均值，很難適應(yīng)不同個(gè)體。建議結(jié)合快速成型技術(shù)，發(fā)展個(gè)性化定制康復(fù)機(jī)器人。（2）現(xiàn)有的剛性機(jī)器人自由度有限，而軟體機(jī)器人無(wú)法準(zhǔn)確可靠地傳動(dòng)。因此，建議充分發(fā)掘剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人的潛能，提高康復(fù)機(jī)器人的可靠性。（3）現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人因昂貴的售價(jià)無(wú)法進(jìn)入普通家庭。建議尋找性價(jià)比更高的材料，實(shí)現(xiàn)康復(fù)機(jī)器人的普適性。（4）康復(fù)治療本身是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，患者容易產(chǎn)生疲勞及反抗情緒。建議發(fā)揮VR 技術(shù)極具趣味性的優(yōu)勢(shì)，在康復(fù)治療中融入更多游戲元素，讓患者更主動(dòng)完成訓(xùn)練。（5）現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人普遍缺少觸覺(jué)反饋。建議研究各類傳感器，增強(qiáng)康復(fù)機(jī)器人同人體的交互。

為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用普及和商業(yè)化，未來(lái)康復(fù)機(jī)器人應(yīng)向大規(guī)模生產(chǎn)與廉價(jià)方向發(fā)展?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在人工治療費(fèi)用越來(lái)越昂貴的時(shí)代，康復(fù)機(jī)器人的適用場(chǎng)合會(huì)越來(lái)越多。探究和總結(jié)康復(fù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，對(duì)完善康復(fù)機(jī)器人的功能以及未來(lái)醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。