康复机器人研究进展

张 秀，张宇斐，焦志伟*

（1.北京化工大学机电工程学院机械工程系，北京100029；2.中国医学科学院北京协和医院，北京100730）

0 引言

随着生活和医疗水平的提高，我国人口老龄化日趋严重。脑卒中在我国中老年人群中发病率较高[1]，且偏瘫率高达80%～90%[2]。因此，社会对康复治疗资源的需求量不断增大。

人脑具有可塑性，通过一定手段给予患者适量和特定的重复性训练，可以促进大脑皮质的重组，使患者学习并储存正确的运动模式[3-4]。传统康复治疗方法操作复杂，消耗大量人力、物力，而通过康复机器人训练不仅能降低经济成本，还容易获得相当于甚至优于治疗师的功能修复[5]。

早期康复机器人主要为单自由度，运动模式单一，成本相对低廉，应用范围广。1987 年，英国Mike Topping 公司成功研制出Handy 1 康复机器人，如图1 所示[6]。其他具代表性的产品主要有德国的THERAVital 智能康复训练器、美国的NUSTEP 康复器、意大利的Fisiotek 下肢被动运动训练器、以色列的APT系列智能康复训练器[7]。目前应用较为普遍的康复机器人是牵引式/悬挂式康复机器人，其特点是多功能、高自动化程度和多自由度[8]。

近年来，随着形状记忆合金、水凝胶、离子交换聚合金属材料等智能材料的迅猛发展，康复机器人的种类日趋多样化。由天然肌肉组织[9]和软体电子材料等组成的合成细胞[10]将会进一步推动康复机器人达到全新高度，越来越多不同种类和不同功能的康复机器人逐渐走进医院、社区和家庭[11]。本文主要从目前康复机器人的类型、康复原理及优缺点几个方面综述康复机器人的研究进展，并展望康复机器人的研究方向。

图1 Handy 1 康复机器人[6]

1 康复机器人的分类

针对不同病症，康复机器人的功能和结构也大不相同。依据不同标准，康复机器人的分类如图2所示。

从控制效果看，康复机器人的训练模式主要包括患者主动训练、被动训练和阻抗训练等。主动训练指人的手臂主动发力，机器人提供辅助或阻力进行训练；被动训练指机器人带动人的手臂进行训练；阻抗训练以患者更强烈的自主训练意识为主导，主要用于患者康复后期[12]。

图2 康复机器人的分类

从作用机制看，康复机器人可分为牵引式和外骨骼式。牵引式主要提供平面康复运动训练，结构简单，便于控制；外骨骼式能实现多方向运动和全方位训练，穿戴轻便，移动便捷。

从致动方式看，康复机器人的致动器主要包括气压、液压、柔索[13]、磁流变液[14]等具有单向作用以及刚度可变特性的驱动器。

从自由度来看，康复机器人分为低、中、高3 类。早期康复机器人主要由刚性材料组成，自由度较低，运动模式较为单一。随着软体机器人的发展，使用软材料和柔性驱动器制作的康复机器人可拥有更高自由度，但由于软材料自身特性，难以实现精确控制。刚柔耦合机器人的自由度通常介于刚性和软体机器人之间，康复训练模式更加多元。

从康复机器人与人体的相容性看，可将康复机器人分为3 类：刚性机器人、软体机器人和刚柔耦合机器人。康复机器人自问世到逐步成熟，其发展与材料的更迭相辅相成。刚性材料限制了康复机器人的自由度，且质量较大，增加了患者的负担。从安全角度看，刚性材料对患者也并不友好。研究者开始将目光转向柔软的智能材料，出现了软体机器人和刚柔耦合机器人，与人体的相容性得到提高。本文将从刚性机器人、软体机器人和刚柔耦合机器人3 个方面进行分类介绍。

2 刚性机器人

刚性机器人一般使用传统刚性材料结合较为成熟的控制系统，自由度有限。传统刚性机器人在康复治疗中应用广泛。

在国外，2012 年，以色列制造商ReWalk 机械公司设计制造的ReWalkⅠ下肢康复机器人（如图3 所示[15]）用特定拐杖保持行走过程中身体的平衡，通过在手腕上佩戴一个无线控制器来选择站立或爬楼梯等不同的运动模式。ReWalk 作为一种安全的、可移动的动力矫形器，主要帮助脊髓受损导致下肢运动机能损伤的患者进行康复治疗，对于脊髓受损患者具有很大的应用潜力。

图3 ReWalk I 下肢康复机器人[15]

2015 年，Wang 等[16]设计的MINDWALKER 下肢康复机器人如图4 所示。其头盔中脑电信号收集器接收患者脑部发出的指令，电动机产生驱动力，完成对外骨骼的控制。当患者开始行走时，由处理后的肩部运动信号对外骨骼下肢进行控制，主要用于脊髓受损患者的康复训练。该下肢康复机器人可以帮助截瘫患者站立和行走，但步态稳定性还需进一步改善。

2018 年，Park 等[17]开发了躯干外骨骼RoSE 帮助患者矫正脊柱畸形。该设计能够控制人体躯干特定横截面的位置/方向，同时测量施加在身体上的力/力矩，充分结合患者特有的躯干刚度特征并利用三维力的动态调节来治疗脊柱畸形。

在国内，2014 年，张辉等[18-19]设计出一种新型的六自由度康复机械手臂，如图5 所示。6 个自由度分别为肩关节处3 自由度、肘关节1 自由度、腕关节2自由度，可与人手臂运动相适应，从而有效模拟人体上肢运动。

2015 年，周海涛[20]设计了一款采用丝杠螺母进行力传递的下肢康复机器人。这款机器人设有急停按钮，采用拉压传感器实时检测运动状态，提高了用户使用的舒适性。

图4 MINDWALKER 下肢康复机器人[16]

图5 肩关节3 自由度三维模型示意图[18-19]

3 软体机器人

软体机器人很少使用刚性材料，而是用凝胶流体及形状记忆聚合物等弹性物质替代。软体机器人自由度高、变形连续、安全性能好，在康复领域愈受青睐。通过模仿软体生物如章鱼、蠕虫、毛毛虫等，软体机器人能赋予传统机器人不具备的变形能力，如图6 所示[21]。相比刚性机器人，软体机器人质量轻、与人体相容性好、安全性能高。近年来，软体康复机器人取得一系列重要研究成果。

在国外，2007 年，Takeda 等[22]模拟肌肉运动方式，研制出一款康复手套，同时被制作成人体假肢。其收缩运动由压力气体的充放带动软体气囊的轴向运动完成，如图7（a）所示。

2015 年，Polygerinos 等[23]使用纤维强化的软体致动器，研制出一款液压驱动的移动式手套，伸长、弯曲、扭转等动作由纤维层和保持层完成，如图7（b）所示。

2017 年，Popov 等[24]设计出一款柔性外骨骼手套，可用于户外生活辅助，便于携带。除小拇指外，每个手指均由一个电动机带动弯曲和伸展运动。小拇指上的柔性电阻感应器可检测小拇指运动来控制其余四指电动机的运动，最终实现患者主动控制。其指尖抓握力可达16 N，但缺少机械结构，运动轨迹不够准确。

图6 应用软体材料制作的机器人[21]

2018 年，Lessard 等[25]开发出一款软外骨骼服CRUX，如图7（c）所示。CRUX 是一款柔顺、多自由度、便携的外骨骼服，穿戴者可以在众多非常规环境（比如诊所外）中增强运动能力，帮助自身进行上肢功能恢复及日常活动。同年，Randazzo 等[26]设计出一款穿戴式手指机器人mano，可辅助患者日常生活动作，其制作所用硅树脂材料可直接用水清洗。mano采用一个电动机带动一个手指实现弯曲和伸展运动，可适应不同人的手部尺寸，与人手部贴合良好，如图7（d）所示。

图7 外骨骼式软体机器人

在软体机器人发展过程中，3D 打印使机器人造价不断降低。例如，2017 年，Ang 等[27]设计了3D 打印气动式康复辅助手套，手指的屈伸运动由位于腰部的气泵充放气实现。食指的掌指关节、近端指间关节、远端指间关节运动角度分别可达健康手运动角度的30%、82%、33%，拇指的掌指关节、近端指间关节、掌腕关节运动角度分别可达健康手运动角度的9%、7%、45%。这款针对消费者的3D 打印手套制造费用低，允许患者在家使用3D 打印设备打印，使康复机器人走进普通家庭成为可能。2018 年，Bataller等[28]设计出一款柔性欠驱动康复机器人（如图8 所示），用于平时生活辅助及神经康复训练。该康复机器人是用3D 打印机制备，可复现人手抓握范围的70%，具有抓取、准确抓握、拇指侧向抓握3 个辅助功能。

大多数康复机器人质量已大幅减轻，但电动机或气泵仍限制了康复机器人的使用，因此便携式柔性康复机器人成为热门研究方向之一。2019 年，刘鹏等[29]使用气动人工肌肉设计出一款四自由度上肢康复机器人，结构合理、穿戴方便，将气动人工肌肉作为驱动器，安全性高、移动方便，适合在各种室内场合进行康复训练，在康复治疗中应用广泛。

图8 柔性欠驱动康复机器人[28]

4 刚柔耦合机器人

刚柔耦合机器人充分发挥了传统刚性机器人和软体机器人这2 类机器人的优点。

在国外，2011 年，Xie 等[30]设计出一种三自由度气动软并联机器人，由4 套空气驱动力臂和缆绳来带动平台运动，完成踝关节运动练习。该机器人无球形关节，结构紧凑、灵敏度高、耐磨，且便于携带。

2016 年，Park 等[31]设计出一款三手指外骨骼手，用一根绳索与电位器相连构成一个关节，根据抓握过程中绳索的长短变化计算各关节角度（误差±1°）。

2018 年，Durairajah 等[32]运用双手协同康复训练模式，采集患者健康手的数据来控制患手的运动。通过橡皮绳与绳索组合驱动，柔性手套带动手指作伸展运动，电动机带动手背部绳索并克服橡皮绳拉力使手指弯曲。

2019 年，Rose 等[33]开发出一种刚柔混合型外骨骼手套SPAR，如图9 所示。该手套结合了意图检测、前臂的肌电图和近端定位驱动，从而创建了一个强大的可穿戴系统，主要用于手部辅助和基于功能任务的训练。

图9 外骨骼手套SPAR[33]

在国内，2015 年，Huang 等[34]设计出一种基于轮椅的轻便上肢机器人，其机械臂参数可调，可适应不同个体对左手和右手进行主动或被动训练。此外，其支持语音控制、计算机控制等控制方式。如今，该团队的机器人已发展至第四代，可为患者提供经济、便捷的上肢康复训练。

2016 年，Zi 等[35]提出一种柔索和气动人工肌肉混合驱动的腰部康复机器人，主要包括腰部训练装置和下肢牵引装置，由3 根气动人工肌肉驱动腰部训练装置。同年，Yang 等[36]使用绳索耦合方式实现掌指关节、近端指间关节、远端指间关节3 个关节的关联运动。这种方式使柔性绳索式手套的关节运动轨迹与健康手运动轨迹的符合度更高。

2017 年，傅利叶智能科技有限公司与西安交通大学共同开发的下肢外骨骼机器人Fourier X2[37]首次采用视觉诱发增强的自主脑控技术，让人通过“意念”控制外骨骼机器人行走，如图10 所示。

图10 下肢外骨骼机器人Fourier X2[37]

2019 年，尖叫智能科技（上海）有限公司推出不同尺码的下肢版和腰部版外骨骼2 款产品[38]，使用人工智能和神经网络学习来预测用户行为。外骨骼落地便进入无需拐杖的自平衡状态，会随着行走模拟实现重心、安全防线、主动纠偏扭转，如图11 所示。

许多刚柔耦合机器人同虚拟现实技术（virtual reality，VR）结合，增强了训练的趣味性。国外研究表明，肢体功能受损较严重患者利用VR系统康复机器人能获得更好的恢复效果[39]。2010年，Connelly 等[40]利用VR充气手套对脑卒中患者手功能进行康复训练，改善了手腕关节活动和手掌收缩。

认知功能障碍对患者日常生活的影响有时甚至超过躯体功能障碍，将VR 技术应用在治疗认知功能障碍上具有传统方法无法比拟的优势[41]。在国外，2010 年，Godfrey[42]将VR 技术与手部外骨骼机器人结合，对慢性脑卒中手部痉挛患者进行康复训练，改善了患者的手指关节活动度。2012 年，Caglio 等[43]利用3D 电子游戏进行记忆康复研究，用虚拟航行训练激活记忆区域，改善成人脑损伤患者记忆功能。

图11 尖叫智能科技（上海）有限公司外骨骼康复机器人[38]

在国内，2009 年戚淮兵等[44]设计出基于Agent的虚拟认知康复系统，可刺激患者感官，纠正认知偏差，具有开放、自主、可移植的特点。

2016 年，王大为等[45]运用Anokan-VR 虚拟现实康复训练系统对轻度认知功能障碍患者进行研究，发现其在治疗轻度认知功能障碍方面具有一定作用。

5 结语

康复机器人可为患者提供差异化训练，增强患者主动运动意识，减少康复训练时间，提高康复训练效果。刚性康复机器人发展历史较久，控制系统相对成熟，但无法满足康复对安全性能的高要求；软体机器人在刚性机器人的基础上实现了更多自由度，但软体材料仍有很大发展空间；刚柔耦合机器人充分发挥刚性和软体机器人的优势，具有很高的研究价值。不同类型康复机器人的优缺点对比见表1。

表1 不同类型康复机器人的优缺点对比

同20 世纪90 年代相比，康复机器人取得了很大的进步，但仍存在需要深入研究之处：（1）现有康复机器人在设计时尺寸多采集平均值，很难适应不同个体。建议结合快速成型技术，发展个性化定制康复机器人。（2）现有的刚性机器人自由度有限，而软体机器人无法准确可靠地传动。因此，建议充分发掘刚柔耦合机器人的潜能，提高康复机器人的可靠性。（3）现有康复机器人因昂贵的售价无法进入普通家庭。建议寻找性价比更高的材料，实现康复机器人的普适性。（4）康复治疗本身是一个漫长的过程，患者容易产生疲劳及反抗情绪。建议发挥VR 技术极具趣味性的优势，在康复治疗中融入更多游戏元素，让患者更主动完成训练。（5）现有康复机器人普遍缺少触觉反馈。建议研究各类传感器，增强康复机器人同人体的交互。

为实现应用普及和商业化，未来康复机器人应向大规模生产与廉价方向发展。可以预见，在人工治疗费用越来越昂贵的时代，康复机器人的适用场合会越来越多。探究和总结康复机器人的研究现状，对完善康复机器人的功能以及未来医疗领域的发展具有重要意义。