下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

0外骨骼康復(fù)機(jī)器人的研究進(jìn)展外骨是指為生物提供保護(hù)和支持的硬外部結(jié)構(gòu)。外骨骼機(jī)器人是指具有可穿戴的堅(jiān)硬的外部結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。外骨骼機(jī)器人最先起步于軍事領(lǐng)域,軍人通過(guò)穿戴外骨骼機(jī)器人提高其軍事作戰(zhàn)能力,穿戴者可攜載更多的武器裝備,提高防護(hù)水平,同時(shí)可克服任何障礙,長(zhǎng)時(shí)間高速前進(jìn),不會(huì)產(chǎn)生疲勞感。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,外骨骼機(jī)器人已逐步應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。它是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的針對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)損傷的康復(fù)治療技術(shù)?；颊咄ㄟ^(guò)穿戴外骨骼康復(fù)機(jī)器人,不但可以進(jìn)行有效的功能康復(fù)訓(xùn)練,而且可以通過(guò)自身肌電信號(hào)控制幫助患者早期下地行走,達(dá)到促進(jìn)中樞神經(jīng)恢復(fù)、提高生活質(zhì)量的目的。外骨骼康復(fù)機(jī)器人作為國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn),其研制涵蓋了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域。近年來(lái)康復(fù)機(jī)器人的研究主要集中在康復(fù)機(jī)械手、醫(yī)院機(jī)器人系統(tǒng)、智能輪椅、假肢和康復(fù)治療機(jī)器人等幾個(gè)方面。而傳統(tǒng)機(jī)械學(xué)、傳感技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、智能控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及新材料、新能源技術(shù)的發(fā)展明顯促進(jìn)了外骨骼康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的高速發(fā)展。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人研制的關(guān)鍵技術(shù)和臨床應(yīng)用最新研究進(jìn)展綜述如下。1數(shù)據(jù)和方法1.1數(shù)據(jù)來(lái)源1.2標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的包含(1)文章所述內(nèi)容為醫(yī)用下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人。(2)同一領(lǐng)域選擇近期發(fā)表或在權(quán)威雜志上發(fā)表的文章。1.3重復(fù)試驗(yàn)的排除1.4數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)初檢得到47篇文獻(xiàn),閱讀標(biāo)題和摘要進(jìn)行初篩,排除因研究目的與本文無(wú)關(guān)及內(nèi)容重復(fù)的研究21篇,共保留其中的26篇?dú)w納總結(jié)。1.5外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究進(jìn)展符合納入標(biāo)準(zhǔn)的26篇文獻(xiàn)中,文獻(xiàn)[1-13]探討了外骨骼康復(fù)機(jī)器人研制的關(guān)鍵技術(shù),文獻(xiàn)[14-21]探討了平板減重訓(xùn)練對(duì)步態(tài)的影響,文獻(xiàn)[22-24]探討了能源與動(dòng)力技術(shù)及人工智能系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的影響,文獻(xiàn)[25-26]探討了外骨骼康復(fù)機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。2結(jié)果2.3發(fā)展與展望2.3.1可組配材料、方便裝配外骨骼需要具有良好的可穿戴性,因此外骨骼機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和自由度分布應(yīng)與人體運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和自由度相匹配,同時(shí)還可非常方便地根據(jù)不同穿戴者的體形和身材進(jìn)行調(diào)節(jié)。碳纖維、稀土永磁等新型材料以其輕便,且具有足夠的強(qiáng)度和韌性,同時(shí)不會(huì)影響穿戴者的健康等特點(diǎn)將逐漸被應(yīng)用到康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域。外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)滿足體積小、輕便、低功耗、大功率輸出等要求,同時(shí)具有響應(yīng)快、低慣性、高精度和高安全性等性能。2.3.2防側(cè)料模塊的統(tǒng)一要實(shí)現(xiàn)整個(gè)外骨骼系統(tǒng)的控制,需要快速的信息傳感技術(shù)以獲取所需的控制信息,并對(duì)多信息進(jìn)行高效快速融合,發(fā)出控制指令。需要尖端的人機(jī)耦合接口技術(shù),實(shí)現(xiàn)操作者和外骨骼機(jī)械之間的數(shù)據(jù)和信息互動(dòng),在感知層和執(zhí)行層分別實(shí)現(xiàn)人和機(jī)器的統(tǒng)一。需要研究基于“人機(jī)一體化”思想的控制策略,研究人的智慧在整個(gè)控制系統(tǒng)中的作用,充分考慮人在整個(gè)控制環(huán)中的影響,建立全新的人機(jī)智能系統(tǒng)控制理論。建立人與外骨骼之間任務(wù)的合理分配規(guī)則研究,根據(jù)人和外骨骼各自的優(yōu)勢(shì),進(jìn)行任務(wù)分配。2.3.3康復(fù)醫(yī)學(xué)專家系統(tǒng)知識(shí)的整合與發(fā)展在外骨骼智能控制系統(tǒng)中,應(yīng)充分發(fā)揮康復(fù)醫(yī)學(xué)專家的作用。要使患者身體得到較快康復(fù),需不斷學(xué)習(xí)和總結(jié)現(xiàn)有的康復(fù)知識(shí),并充分利用現(xiàn)有的臨床及專家的經(jīng)驗(yàn),通過(guò)對(duì)重復(fù)性功能運(yùn)動(dòng)對(duì)改善神經(jīng)損傷患者的肌力和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性、患者康復(fù)受益程度的臨床研究,結(jié)合計(jì)算機(jī)處理技術(shù)將康復(fù)理論與臨床經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合,歸納、整理形成康復(fù)醫(yī)學(xué)專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)。對(duì)患者的康復(fù)效果進(jìn)行實(shí)時(shí)定量評(píng)估,在大量臨床實(shí)踐的基礎(chǔ)上探索訓(xùn)練參數(shù)與康復(fù)治療效果的關(guān)系,為機(jī)器人輔助運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)和建立有效的評(píng)估機(jī)制提供理論支持。3外骨骼康復(fù)機(jī)器人對(duì)患者下肢功能的影響下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人對(duì)患者肢體運(yùn)動(dòng)功能的回復(fù)和提高起到了非常重要的作用。康復(fù)機(jī)器人作為一種自動(dòng)化的設(shè)備,可以幫助患者進(jìn)行科學(xué)而有效的康復(fù)訓(xùn)練,使患者的運(yùn)動(dòng)功能得到更大化的恢復(fù)。隨著機(jī)器人技術(shù)、機(jī)電工程、微能源技術(shù)、微驅(qū)動(dòng)技術(shù)、材料技術(shù)和控制技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展,外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究關(guān)鍵技術(shù)必將實(shí)現(xiàn)突破,可使神經(jīng)損傷患者下肢功能最大化地恢復(fù)成為可能。重復(fù)性研究。2.1外骨骨骼康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)技術(shù)2.1.1semg的應(yīng)用人機(jī)一體化交互接口是指人與機(jī)械系統(tǒng)之間的信息交互方式,機(jī)器人是典型的人-機(jī)交互系統(tǒng)。機(jī)器通過(guò)檢測(cè)表面肌電信號(hào)(surfaceelectromyogram,sEMG)來(lái)了解使用者的情況,人也是根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況對(duì)自己進(jìn)行調(diào)整,而機(jī)器是通過(guò)人機(jī)交互接口來(lái)了解人的情況,從而確定機(jī)器的運(yùn)動(dòng),人也是通過(guò)人機(jī)交互接口來(lái)了解機(jī)器的運(yùn)行情況。在正常生理狀況下,人體肌肉收縮是伴隨著電位信號(hào)的產(chǎn)生,肌肉信號(hào)產(chǎn)生sEMG來(lái)完成一個(gè)簡(jiǎn)單或復(fù)雜的動(dòng)作。而這簡(jiǎn)單或復(fù)雜運(yùn)動(dòng)又離不開(kāi)控制系統(tǒng),有關(guān)機(jī)器人的控制和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)外已有部分文獻(xiàn)報(bào)道。如韓國(guó)Sogang大學(xué)的IntelligenWalkingAssistiveRobot,在控制方面,他們采用類似于sEMG的肌纖維收縮信號(hào),利用綁在大腿和小腿上的氣囊內(nèi)氣體的變化測(cè)得壓力變化。而在人體下肢自由擺動(dòng),即肌纖維不收縮時(shí),則利用關(guān)節(jié)處的電位計(jì)式角度傳感器的信號(hào)變化觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作。傳感器信號(hào)的融合和處理是通過(guò)便攜式計(jì)算機(jī)中的模糊控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該機(jī)器人由兩個(gè)部分組成:外骨骼和手推車。所有的驅(qū)動(dòng)元件,包括電池和馬達(dá),以及控制器等較重的周邊設(shè)備都布置在手推車中,這樣既減輕操作者的負(fù)擔(dān),又保證了行走平衡。而哈爾濱工程大學(xué)研制的康復(fù)機(jī)器人,引入sEMG實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。根據(jù)患者意圖實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作,由于腦卒中患者多為單側(cè)受損,其利用健側(cè)sEMG驅(qū)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人輔助患者的患側(cè)肢體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。這有助于保持患者正確的運(yùn)動(dòng)感覺(jué),同時(shí)提供了一個(gè)較好的人機(jī)交互接口。但是sEMG信號(hào)容易被電磁噪聲污損,而且為了精確測(cè)量,sEMG需要用特殊的膠粘接在皮膚表面,因而sEMG被認(rèn)為不適合在人們的日常生活中作為操作外骨骼裝置的接口。2.1.2模式2:平板訓(xùn)練,初具體器術(shù)在特殊領(lǐng)域訓(xùn)練中的應(yīng)用平板康復(fù)訓(xùn)練可以顯著改善脊髓損傷和腦損傷造成的下肢長(zhǎng)期癱瘓,其功能性步行評(píng)定及站立平衡功能訓(xùn)練比傳統(tǒng)康復(fù)治療前后有顯著的改善,腦血管病腦卒中偏癱患者早期在傳統(tǒng)的康復(fù)治療基礎(chǔ)上應(yīng)用減重步行訓(xùn)練,能更大程度提高下肢運(yùn)動(dòng)功能、步行能力及日常生活能力。瑞士的聯(lián)邦技術(shù)大學(xué)、HocomaAG公司和德國(guó)神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練中心分別開(kāi)發(fā)了外骨骼系統(tǒng)Locomat和Hapticwalker。這些系統(tǒng)結(jié)合活動(dòng)平板訓(xùn)練模式,改變傳統(tǒng)卒中或者截癱患者人工康復(fù)訓(xùn)練模式,減輕了體療師的工作強(qiáng)度,保證了康復(fù)訓(xùn)練的質(zhì)量,提高了訓(xùn)練效果。Locomat系統(tǒng)中還加入了人工智能系統(tǒng),不僅幫助患者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練,還可以根據(jù)不同患者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)抵觸情況實(shí)時(shí)修正步態(tài),實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的協(xié)調(diào)康復(fù)訓(xùn)練。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,平板減重訓(xùn)練完美應(yīng)用于下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人對(duì)神經(jīng)損傷患者的肌肉力量和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性恢復(fù)訓(xùn)練有著極大地幫助。人類步態(tài)是一種典型的重復(fù)性功能運(yùn)動(dòng),減重平板訓(xùn)練為脊髓損傷患者或腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練起到了很好的作用。研究表明,減重平板訓(xùn)練可以改善患者的下肢肌力及運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性。尤其對(duì)于輕度偏癱患者,減重平板訓(xùn)練可以顯著改善患者的平衡能力、步行速度、步長(zhǎng)和雙腿支撐站立時(shí)間,促進(jìn)下肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。但是減重平板康復(fù)訓(xùn)練有一定的局限性;首先需要至少3個(gè)康復(fù)師相互配合。其次訓(xùn)練時(shí)間較少,達(dá)不到最佳治療效果所必需的時(shí)間。第三,傳統(tǒng)減重活動(dòng)平板訓(xùn)練步態(tài)模式不可重復(fù)并沒(méi)有對(duì)患者進(jìn)行直接反饋。而現(xiàn)在的康復(fù)機(jī)器人,如瑞士HOCOMA醫(yī)療器械公司與瑞士蘇黎士Balgrist醫(yī)學(xué)院康復(fù)中心合作推出的Lokomat步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可增加訓(xùn)練的可重復(fù)性?？祻?fù)機(jī)器人可以延長(zhǎng)訓(xùn)練時(shí)間,減少人力成本,一個(gè)治療師可以同時(shí)操作幾個(gè)機(jī)器。另外,可以協(xié)助治療師時(shí)刻掌握康復(fù)治療情況、準(zhǔn)確為患者功能訓(xùn)練提供相匹配的治療。2.1.3下肢外骨骼機(jī)器人的研究與研制在各種類型的機(jī)器人研究中,能源問(wèn)題是必須面對(duì)的一個(gè)重要問(wèn)題,由于電池容量、體積以及技術(shù)上的限制,很難對(duì)下肢外骨骼提供持久的能源。例如日本研制的P3型機(jī)器人,體質(zhì)量130kg,電池質(zhì)量達(dá)30kg,而其活動(dòng)25min后,電量即被耗盡。為了提高下肢外骨骼機(jī)器人的待機(jī)時(shí)間,各個(gè)國(guó)家都在努力研制用于下肢外骨骼機(jī)器人的有效能源與驅(qū)動(dòng)技術(shù)。Kazerooni等嘗試制造了一種氣動(dòng)控制裝置,用氣動(dòng)力來(lái)為外骨骼機(jī)器人提供能源,Goldfarb等設(shè)計(jì)的流體推進(jìn)式能源推動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)能源。這兩種能源都可以產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力,滿足作為下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的能源需要。但是,如何解決其體積過(guò)大,驅(qū)動(dòng)力大小不易掌控等問(wèn)題,還需要進(jìn)一步研究。2.2臨床應(yīng)用研究2.2.1elegs外骨骼日本處于領(lǐng)先地位,日本筑波大學(xué)CybernicsLab開(kāi)發(fā)的HAL-5(HybirdAssistiveLimb)技術(shù)比較成熟,已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于臨床,它可以協(xié)助步態(tài)紊亂的患者行走和增強(qiáng)人體負(fù)重行走能力。它采用角度傳感器、肌電信號(hào)傳感器和地面接觸力傳感器等設(shè)備來(lái)獲得外骨骼和操作者的狀態(tài)信息,同時(shí)擁有混合控制系統(tǒng),包括控制身體姿態(tài)的自動(dòng)控制器以及舒適助力控制器等,保證了外骨骼關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與人體下肢肌肉運(yùn)動(dòng)的一致性。其設(shè)計(jì)符合人體工程動(dòng)力學(xué),該產(chǎn)品的舒適度達(dá)到了較為理想的水平,但其負(fù)重能力有限,美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校機(jī)器人和人體工程實(shí)驗(yàn)室研制出美軍“伯克利下肢外骨骼”BLEEX(BerkeleyLowerExtremityExoskeleton)其先進(jìn)性在于可以明顯減輕肌體負(fù)重,可以幫助患者在使用較小肌力的同時(shí)負(fù)擔(dān)人體負(fù)重最大值數(shù)倍的質(zhì)量。美國(guó)一家公司以HULC外骨骼模型為基礎(chǔ),開(kāi)發(fā)了eLegs外骨骼系統(tǒng)將于2011年應(yīng)用于部分康復(fù)中心,可能在2013年上市銷售。以上研究主要分為兩個(gè)方向:一個(gè)是利用電壓或電流等電信號(hào)刺激神經(jīng)肌肉,使喪失神經(jīng)控制的肌肉產(chǎn)生收縮,達(dá)到康復(fù)治療和功能重建的目的;另一個(gè)是利用分離的肌群電信號(hào)(肌電信號(hào))控制康復(fù)器械,使其能夠具有與肢體相同的對(duì)外界刺激的反應(yīng)能力和對(duì)腦神經(jīng)信號(hào)的識(shí)別和處理能力,模擬肢體動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)肢體的康復(fù)治療。2.2.2下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人目前,國(guó)內(nèi)康復(fù)醫(yī)療設(shè)備自動(dòng)化程度較高的設(shè)備大多數(shù)為進(jìn)口,隨著國(guó)家“十二五規(guī)劃”的實(shí)施及國(guó)家有關(guān)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的制定,康復(fù)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化已成必然趨勢(shì)。通過(guò)外骨骼康復(fù)機(jī)器人基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)研究,開(kāi)發(fā)了基于sEMG和終板電位信號(hào)的適合下肢殘疾或偏癱患者使用的外骨骼康復(fù)機(jī)器人。以增強(qiáng)其活動(dòng)能力,滿足不同路況下行走、跑步,體位變換以及佩戴舒適、裝卸方便的要求。在國(guó)內(nèi),針對(duì)外骨骼技術(shù)的研究雖然處于起步階段,但起點(diǎn)高,發(fā)展比較迅速。哈爾濱工程大學(xué)開(kāi)展了外骨骼式上肢康復(fù)