下肢动力外骨骼机器人进展研究

包仁人 冯健 陆英男 沈庆杰 邓德智

摘   要：伴随着人口老龄化和意外事故的不断增加，需要进行下肢康复训练和下肢功能代偿的人群也不断增加，而下肢动力外骨骼机器人恰好能在这一过程能发挥重要的作用。目前已经商品化的外骨骼产品主要集中在美国、欧洲、日本，主要应用领域为医疗、助残、助务;而中国2015年后也在此方向出现了一批创业公司，以医疗和助残为主要目的，部分产品已经进入到了实际应用环节。本文通过介绍主要商品化的下肢动力外骨骼机器人产品，给各位研究者提供参考。

关键词：下肢  外骨骼机器人  医疗康复  助残  能力增强

中图分类号：TP242                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（a）-0076-03

伴随着人口老龄化和意外事故的不断增加，偏瘫、中风、脑卒中、截瘫等患者也不断增多，其中只有相当一小部分能得到肢体康复训练。根据当代医学理论和临床医学实践证明，欲对肢体运动功能进行恢复、提高和代偿，除了必要的医疗手段外，科学和正确的康复训练也是十分有效的，而下肢动力外骨骼机器人恰好能满足这些需求[1]。目前下肢外骨骼机器人主要在医用康复、养老、助残等领域里有更为实际的应用。本文通过对下肢外骨骼机器人产品发展现状的论述，给相关研究人员提供参考。

1  国外动力下肢外骨骼机器人研究进展

外骨骼的研究始于20个世纪60年代，随着科技进步，2000年以后涌现出一批外骨骼机器人系统，应用领域以军用、医疗辅助、助力行走为主。

1.1 美国下肢外骨骼机器人

2000年，美国伯克利大学机器人和人体工程实验室研制了其第一代下肢外骨骼机器人，2008年研制出了其第三代军用外骨骼系统HULC，如图1（a）所示，自重24kg，采用液力驱动[2]。在HULC基础上，2010年推出了针对截瘫患者的下肢步态修复外骨骼系统eLEGS（Exoskeleton Lower Extremity Gait System），如图1（b）所示，骨架部分采用铝和钛合金制作，驱动机构也更改为电机。2011年eLEGS更名为Ekso，并于2012年初获得FDA批准，为脊髓损伤（SCI）患者提供步态康复训练。

2013年5月，范德堡大学设计制造名为“Indego”的动力外骨骼机器人，目前“Indego”重量仅为17.7kg，其模块化设计也使穿着更为方便，使用时需要配合助行架或拐杖，其适用人群为上肢功能完整的截瘫患者、神经系统疾病患者和下肢能力衰弱的人群[3]，如图2所示。

1.2 日本下肢外骨骼机器人

2004年筑波大学的山海嘉之（Yoshiyuke Sankai）教授创立了Cyberdyne公司，其研制的HAL系列机器人2013年成为全球首个获得安全认证（ISO/DIS 13482）的机器人外骨骼产品，主要应用于医疗、养老机构进行康复性训练，如图3（a）所示，此外骨骼的最大特点在于采用了人体表面肌电信号作为读取穿着者运动意图的信息来源。同时此公司也开发了髋关节助力外骨骼，如图3（b）所示，主要应用于重物搬运工作时保护工作人员腰部。

1.3 以色列ReWalk下肢外骨骼系统

ReWalk下肢外骨骼主要目标群体为截瘫患者，脊髓损伤导致的腿部完全或不完全瘫痪，但是可以上半身和手臂功能无碍的患者可以使用[4]。2012年末ReWalk个人版获得欧洲CE认证，2014年6月获得美国FDA批准上市，如图4所示。

2  国内下肢动力外骨骼机器人研究进展

2005年前后，国内多家科研院所开展了下肢外骨骼方面的研究，多以学术为主，这一领域中具代表性的有中国科学院合肥智能机械所[5]、中科院常州先进制造技术研究所、浙江大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学等。

2015年后，不断有下肢外骨骼机器人被产品化。北京大艾机器人科技有限公司，其外骨骼产品大艾机器人已于2018年8月成为国内首个取得医疗器械认证的外骨骼机器人，如图5（a）所示，主要用于康复治疗和残疾人辅助[6]。傅利叶智能推出的下肢外骨骼机器人Fourier X2目标是为下肢瘫痪或偏瘫患者提供行走的能力，其同时推出了个人版和医疗版，如图5（b）所示。深圳市迈步机器人科技有限公司的外骨骼机器人具有六个关节的主动驱动，包括双侧的髋、膝、踝关节，以柔性驱动器作为输出，设计目标是在医院进行使用，适用于中风患者的康复治疗，如图5（c）所示。

3  结语

商品化的下肢外骨骼主要集中在正常人增力——增加其作业时间与强度，病人下肢康复训练以及残疾人下肢功能代偿三个方面。受到成本、消费水平的限制，下肢外骨骼机器人在医用康复训练领域受到的关注更多，但目前来看，由于下肢外骨骼机器人在中国还是一个新兴的医疗机器人产业方向，相关配套的供应商、国家标准、医疗器械分类与检测等都存在滞后，所以距离大范围的实际应用还有相当的距离。

参考文献

[1] 朱昕毅，梅涛，王玉成，等.外骨骼机器人人机耦合控制系统研究[J].制造业自动化，2016，38（2）：35-37.

[2] Kazerooi H. Exoskeletons for Human Performance Augmentation[M]. 2008.

[3] Tefertiller C，Hays K， Jonnes J， et al. Initial Outcomes from a Multicenter Study Utilizing the Indego Powered Exoskeleton in Spinal Cord Injury [J]. Topics in Spinal Cord Injury Rehabilitation， 2018， 24（1）：78.

[4] 周奇方.外骨骼服性能評估系统的研究[D].电子科技大学，2013.

[5] Hongbing Tao， Yong Yu， et al. A control system based on MCU for wearable power assist legs[C]： Robotics and Biomimetics （ROBIO）， 2011 IEEE International Conference on， 2011.

[6] 单新颖，张腾宇，张晓玉.可穿戴技术在康复辅具领域的应用研究[J].中国康复医学杂志，2016，31（10）：1149-1151.