肢体康复机器人研究现状及进展

任 武，陈秋冰，崔雅静，于婷婷，雷婉月，吴 阳，于 毅

(新乡医学院生物医学工程学院，新乡市神经传感与控制工程技术中心，新乡市生物医学信息研究重点实验室，河南 新乡 453003)

传统机械学、生物学、医学等学科及其他新兴智能控制技术、计算机技术的迅速发展，促进了医疗设备的自动化和机器人化。医用机器人结合了多种学科最新研究和发展的成果，应用于医学诊疗、康复等相关的医学领域。经过不断的努力，目前已开发了多种类型的康复机器人，包括臂部和手部上肢康复机器人、腿部和踝关节下肢康复机器人等。

近年来，由于我国逐渐进入老龄化社会，老年性疾病及车祸、扭伤等意外事故而引起的肢体运动性障碍患者明显增加。康复机器人可以帮助患者完成各种运动功能恢复，一定程度上解决了医疗资源紧张和人工训练中存在的问题。与传统康复治疗手段相比，康复机器人更加平稳可控，既能保证训练的效率和强度，又能在训练过程中实时记录数据用于医生评价治疗效果，使之成为近年来国内外研究的热点。

肢体运动瘫痪由于病变位置不同导致不同肢体、不同严重程度的瘫痪。上肢运动功能障碍患者的康复训练主要针对臂部和手部，通过主动或被动的康复训练，能够加强肌肉组织的强度，促进臂部和手部的运动功能恢复或好转，改善患者的日常生活。用于上肢康复训练的主要是臂部康复机器人和手部康复机器人。下肢运动功能障碍患者的康复训练主要针对髋关节、膝关节和踝关节，其神经系统受到损伤后，根据脑的可塑性理论，在适当条件下其结构和功能等均可重新组织再生，因此，尽早进行下肢康复训练能维持关节活动度、防止痉挛，最终提高患者的康复程度。用于下肢康复训练的是腿部康复机器人和踝关节康复机器人。

1 上肢康复机器人研究现状

2010年，姬程等[1]采用坐标变换理论深入地探讨了上肢康复机器人的运动学系统，并建立了康复机器人的运动学模型，从而得到了末端位姿的微分变化和各个关节速度的关系。2011年李梁京[2]设计了一种外附骨骼机械手系统，该系统结合康复理论基础，能够帮助患者进行日常活动。

2012年，李妍姝[3]分析了5-DOF外骨骼式上肢康复机器人的特点，并在此基础上对康复机器人进行了正、逆运动学的分析，在康复运动规划研究中对上肢康复机器人原型进行了仿真，为系统控制提供了帮助。陈文斌[4]针对类人肢体运动学设计和运动规划中的问题，在分析类人肢体运动与性能评价的基础上，研究了类人肢体运动结构与驱动结构设计，并对拟人运动规划的问题展开研究。吴军[5]研制了采用电机和气动肌肉驱动方式的上肢康复机器人，这种机器人可以实现肩部、肘部的伸缩、旋转和扩展，有拆分和混合2种使用方法，大大提高了临床适用范围。

2014年，张宇[6]研制了一种适用于上肢运动功能障碍患者的末端导引式康复机器人，用来模拟人体上肢的日常活动，使患者上肢各个关节肌肉以及运动功能神经得到有效的物理刺激，在神经刺激与肢体活动的信息解析上有重要进展，从而使患者上肢恢复运动功能上提供便利。张辉等[7-8]深入地分析了上肢康复机器人国内外的发展现状以及相关患者的特点，并结合康复医学理论设计了一种新型的外骨骼上肢康复机器人，之后设计出了一种新型的六自由度康复机械手臂。此结构分析了肩关节处三自由度串联分布的多种情况，得出了肩关节采用运动副开环子链和运动副闭环子链并联机构的三自由度组合设计方案。

2010年，香港理工大学TONG等[9]研制一套基于肌电信号控制的外骨骼手指康复机器人。在康复训练中，该机器人将检测到的患者肌电信号进行处理，然后控制机器实现手指弯曲和伸展运动。采用该机器人系统，中风患者可以在机器人的辅助下按自己意图完成一些日常生活。

2011年，北京航空航天大学发明了一种外骨骼手指康复机器人，该机器人根据安装在关节处的传感器反馈的数据来实现主动式康复治疗，其手指关节单元采用小型的平行滑动模块结构，通过外置的驱动结构控制腱鞘式钢丝传动来实现手指关节弯曲运动。

2012年，谭旭晖[10]运用生物机械学理论法进行运动学分析，找出了人体日常运动的规律，为康复机器人的设计提供依据，并对现有的上肢康复机器人进行分类和比较，设计了一种新型多杆欠驱动机械手指，进行了运动学和静力学分析校核。2012年，于美丽等[11]根据人类手指的运动特点，对康复机器人进行了模块化设计，建立了类人日常活动的机器人仿真模型，并在Adams/Hydraulic模块进行运动学仿真，最大程度地满足了手部功能暂时缺失或永久缺失人员的需求，对临床康复有重大指导意义。

我国市场上常见的肢体康复产品有E-SGN手指功能训练器(适用于提高手指活动能力康复的患者)、腕关节康复训练器(适用于腕关节康复训练过程，能改善腕关节活动范围和肌力训练)、前臂康复训练器(适用于前臂旋转功能及腕关节屈伸训练)和上肢协调功能练习器(提高了患者上肢训练稳定性和协调性)等。

2 下肢康复机器人研究现状

2.1腿部康复机器人2013年，刘艳阳[12]研究了一种下肢康复训练机器人行走步态结构，提出了一种根据正常人体步态测试数据规划下肢康复机器人步态轨迹与速度的方法，建立了下肢康复机器人的简化三维模型并做了仿真，为下肢康复机器人结构的进一步优化与系统的稳定控制提供了数据基础。同年，周平[13]提出了用于仿生关节式康复机器人的5款空间结构并进行分析分类和结构设计，在此基础上提出了2类仿生关节式下肢康复机器人的结构模型，一类为全下肢仿生关节式康复机器人，另一类是针对某一关节的专用康复机器人，最后设计了一款基于2-PSS/U结构的模块化仿生关节式下肢康复机器人。

2014年，史小华等[14]设计了一个多关节、坐/卧式下肢康复机器人，该机器人包括2部分，一是靠背角度可自动调节的座椅，二是2条外骨骼型机械腿，通过建立的人机一体化模型，对机器人的运动学和动力学进行了理论分析和仿真。2015年，邹任玲等[15]研究了一种基于减重功能训练的双气囊减重设备，通过临床实验获得减重比与气囊内部气压值的关系，验证了结构设计的合理性，为下肢功能障碍患者康复训练提供了一种有效的减重方法和结构设计的思路。王萍等[16]通过健康人步态行走过程的骨盆运动特征，对复杂的骨盆运动学和运动轨迹进行分析，得出骨盆侧向移动的轨迹和范围，在此基础上提出了一种骨盆侧向移动的结构，配合康复机器人应用在下肢行走训练，解决下肢行走障碍患者在康复训练中身体中心缺乏在左右两脚之间的横向移动能力。同年，石芝喜等[17]对下肢康复机器人在脊髓损伤康复应用进行了分析，详细介绍了下肢康复机器人应用于脊髓损伤的研究现状和应用于不完全性脊髓损伤的训练以及下肢康复机器人应用于脊髓损伤可恢复理论机制，提出了下肢康复机器人在脊髓损伤康复应用中仍存在的问题，包括患者行走中骨盆和下肢活动自由度受到限制、缺乏适应外界环境变化的反馈控制策略等。刘合岭等[18]详细介绍了G-EO下肢康复机器人的结构和功能，为我国康复医院和康复医学工程有关康复设备的研究提供了参考，G-EO系统使患者在站立情况下完全模拟人正常步态运行轨迹，按照正常步态周期和形式，通过下肢远端机器脚带动患者进行正常的下肢步态康复训练。

2016年，合肥工业大学的江世红[19]设计了一款多功能下肢康复机器人。该机器人主要通过曲柄摇杆结构实现髋关节运动，通过五杆组合结构加五杆结构的复合式结构实现膝关节运动，其特点是通过研究轮椅功能和下肢康复训练功能的姿态转变，采用了一种V型抬升结构。这是一种适合家庭使用的下肢康复机器人。同年，华侨大学的高红凯[20]设计了一种机械结构可调整的下肢康复机器人。该机器人可以根据患者的腿部长度来相应选择小孩康复训练模式和成人康复训练模式，同时，关节部位和接头部位设计成可拆卸和调整结构，防止机器人长期使用后关键的关节部件会磨损变形和损坏。

2.2踝关节康复机器人2011年，奥克兰大学提出了一种三自由度的气动软并联机器人，该机器人通过4套空气驱动力臂和缆绳来带动平台运动，从而实现一系列的踝关节运动练习。由于没有球形关节，该机器人具有灵敏度高、结构紧凑、耐磨、便于携带和重量轻等特点[21]。2012年，黄海灵等[22]设计了一种三自由度的并联机器人，该机器人采用柔索驱动，使得结构转动中心能够和踝关节中心始终相重合且柔顺性较好，满足不同患者对踝关节的康复需求。

2013年，侯娅品等[23]设计了一种二自由度卧式踝关节康复结构，该结构能够模拟踝关节的真实运动进行伸屈或内外翻，对偏瘫、踝关节损伤患者进行踝关节康复训练。同年，边辉等[24]设计了一种生物融合式康复机器人，该结构的特点是机械与人体共同作用，形成生物融合式康复结构，其中人体部分包括小腿和脚掌，机械部分包括机架、牵引结构、并联球面结构，可更好地发挥人体的主观能动性和降低患者产生二次损伤的危险，具有较高的安全性。2015年，朱海涛[25]设计了一种新型智能踝关节康复机器人控制系统，患者可根据自身康复需求，采用智能手机主动控制机器人，完成踝关节活动度训练、柔韧性和肌力恢复训练。2016年，单晖[26]设计了一款适用于踝关节内外侧韧带损伤的可穿戴行走的二自由度穿戴式踝关节康复装置，该装置利用了双套索传动系统和优化的扭转弹簧，增加了关节柔顺性和抗干扰性。同年，刘其洪等[27]提出了一种基于串联结构的踝关节智能康复机器人，与并联式机器人相比，该结构更容易实现3个自由度的运动，控制也相对简单，能满足正常人体踝关节运动生理特性。

3 结论和展望

经过多年发展，康复机器人在不改变设计初衷的同时有了新的发展方向：(1)功能化：进行康复训练的模式更加丰富，它可根据患者的具体情况选择合适的模式，从而减少不适感，使康复训练更加具有针对性；(2)便携化：康复机器人的机械结构在满足所需强度的前提下，设计体积尺寸尽可能的小，便于患者携带和使用；(3)智能化：包括人机交互、自动调节等，实现机器与人一体化，对于反馈机制反馈的人体数据信息，控制系统实时进行调整；(4)先进化：将科学前沿的技术应用在康复机器人上，为患者提供更加先进的训练，提高患者的康复率。(5)家庭化：很多患者需要不间断地进行康复训练，对于医院和康复结构来说，数量有限的机器不能满足需求。经济有效的家用康复机器人更易被人们接受，康复训练不再局限于保障伤残者的生命，而是提供他们重返社会所需要的身体功能，康复医学领域的进一步深入研究变得非常必要。我国研究者可以参照发达国家先进的管理体系来规范我国康复机器人的行业管理。但随着国民经济水平的不断提高，国家政策的大力支持，以及人民自身康复意识的提高和健全，我国康复器械的发展趋势在不断上升。可以预测，未来肢体康复机器人将会有很大的进步和市场空间。