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辅具情报研究第六期 国内外外骨骼研究

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近年来,下肢康复机器人在关键技术上不断取得突破,其中的一些研究成果已经成功地实现产品化,为了满足不同患者的康复需求,各类下肢康复机器人都得到广泛的研究,进入医院或家庭开展康复训练任务,按照患者康复作业姿态的分类方法,本文主要对悬挂减重站立式和独立可穿戴站立式两类下肢康复机器人进行分析和比较。

一、国内研究

(一)BEAR-H1                   

图2-7迈步外骨骼机器人BEAR-H1 迈步机器人BEAR-H1是一款用于辅助脑卒中患者步态康复训练的新型可穿戴式下肢外骨骼机器人,是全球首款采用了柔性驱动器作为动力输出的外骨骼机器人。该外骨骼拥有带动力的6关节(双侧髋、膝、踝),和髋部旋转辅助关节,可实现自然步态,适合身高150-190cm之间,体重小于85kg的患者使用。此外,该外骨骼装有很多传感器,可以实时检测人体的运动状态,并且可以通过AI算法预测人体的意图,例如运动的快慢、启动与停止、左腿还是右腿等等,这些信息都会被采集并用于控制。

    机器人。该产品配备了步态监测评估系统,理疗师或家人可通过触摸屏实时监察病人的运动数据。同时,该产品拥有主动被动训练模式,通过对患者髋、膝、踝关节提供助力完成行走训练,可以节省人力,并提高康复效果。       

(二)艾动(AILEGS)

    支持并带动下肢运动功能障碍患者以自然行走步态、真实行走方式进行康复训练,重塑患者正确行走姿势,锻炼患者平衡运动能力及行走肌肉和神经。应用场景包含脊髓损伤、脊髓炎、脑损伤、脑瘫、中风、偏瘫、骨关节术后运动恢复、肌无力等。                                               

由康复师及患者本人控制设备自主行走训练,可精细化控制, 提供适应不同病程不同病种的步态训练, 适合不同患者的个性化运动需求。患者于机器人具有更充分的互动协调配合, 能够充分调动全身的运动, 平衡和协调运动能力, 提升了康复运动效率。其尺寸调节范围大, 尺寸精准, 调节便利, 适用于更大范围不同身高患者的精准快速适配。 此外,该产品体积占用空间小, 重量轻, 便于随车携带挪移,适合患者康复训练和个人居家使用。                                          

(三)Buffalo Robot

Buffalo Robot是首款具备只能AI自主学习能力的康复外骨骼机器人,其具有3种运动模式、10级人机交互力度和7大功能,可分钟独立快速穿戴,自重为11.5千克,最大承重为90千克,适用于身高范围150cm-190cm的用户。

(四)ExoMotus™

傅利叶智能的ExoMotus™下肢康复机器人采用双足机器人模块化结构设计,搭载自主研发的运动控制器、多维力传感器以及一体化柔性关节电机,以步行功能为核心,提供前行动力。总重量18千克,采用铝合金及碳纤维材料,结构紧凑。精巧的机械传动设计、高性能伺服电机与减速器为外骨骼提供了强大的扭矩输出。内置傅利叶智能自主研发的运动控制模块,为运动轨迹、速度的动态调整与数据采集提供了强大的算力支持。此外,用户还可通过无线手表自定义调节参数使行走步态更轻松。

二、国外研究

(一)悬挂减重站立式下肢康复机器人

1.Lokomat下肢康复训练机器人

1999年瑞士Hocoma医疗器械公司与瑞士苏黎世Balgrist医学院康复中心合作研制出的Lokomat下肢康复训练机器人,如图5所示,是第一套能够辅助下肢运动障碍患者在医用跑步台上进行减重步行训练的产品,由Hocoma公司实现商业化。目前,Lokomat全自动机器人步态训练与评估系统包括Lokomatpro(专业型下肢康复机器人)、LokomatNanos(基础型下肢康复机器人)和Lokomatpro Pediatric(儿童型下肢康复机器人)三类产品,在全球600多家康复医院和研究所实现了安装和使用,装机量超过1000台,主要应用于神经康复、工伤康复等领域的康复训练及科研等工作。

 

2.Loko Help 下肢康复训练机器人

2006年,德国WOODWAY公司在 Loko Station 下肢康复训练机器人的基础上,研发了Loko Help,如图6所示。Loko Help由跑步机、学步机Pedago和悬挂减重装置三部分组成。跑步机表面多个减震缝可以减少对关节、肌肉、软组织 90% 的冲击力。学步机的腿部矫形装置固连在矫形支架上,固定了步幅、离地距离、步速、画圈半径及左右对称性,通过跑步机链条装置上的铰接点驱动人体踝部沿着固定轨迹运动,形成模式化的感觉输入,刺激股四头肌及两端的本体感受器,使双腿进行生理学上的自主运动。通过多次重复刺激,在大脑皮质下重建步行功能区,       图2-12 LokoHelp下肢康复训练机器人

使患者恢复运动机能。Loko Help是一个高度模块化的产品,具有易于组装、拆卸和调整的优点。它独特的设计还可以在不同坡度情况下进行运动训练。

(二)独立可穿戴式下肢康复机器人

1.HAL 下肢外骨骼机器人

HAL( hybrid assistive limb) 是日本筑波大学研制的可穿戴式下肢康复外骨骼机器人,并由日本公司 Cyberdyne实现产品化,如图7所示。该机器人是旨在改善、辅助、扩展身体功能的首款穿戴式医疗辅助设备,可以帮助下肢运动功能障碍者完成直立行走、起立、坐下以及上下楼梯等日常动作,2013年成为世界上首个获得全球安全认证的外骨骼机器人,被全球近 200 家医疗机构所使用,目前已发展到第五代。HAL机器人主要由无线LAN( 局域网)系统、电动驱动系统、传感系统(足底压力传感器、表面肌电传感器、角度传感器) 、执行机构等组成,它最神奇之处在于可探测到皮肤表面非常微弱的信号,之后通过动力装置控制肌肉和骨骼的移动。全身型外骨骼HAL-5系列质量约23 kg,下肢15 kg,续航时间接近2小时40分钟,全身共26 个自由度,每条腿各 8 个,主动运动关节处均采用电机驱动。另外,针对偏瘫和儿童患者,HAL 分别有单腿和小尺寸版本的产品。它可以通过运动神经元获取大脑的神经信号。

2.ReWalk下肢外骨骼机器人

ReWalk是由以色列Rewalk Robotics公司( 前身为Argo医疗技术公司) 设计开发的下肢外骨骼康复机器人,如图8所示,机械构成包括两侧对称的机械腿、腰部支架、平衡拐杖和背包,每条机械腿具有2个旋转自由度,分别对应髋关节和膝关节的屈伸运动; 腰部支架用于两侧机械腿与背包的连接,并承担背包的大部分重量; 背包内集成了可充电电池与控制系统,保证机器人不依附其他装置协助人体独立运动; 平衡拐杖用于维持身体平衡和动作设定。目前,ReWalk 具有助行型ReWalk 6.0 和康复型ReWalk6.0两种型号,ReWalk 6.0帮助截瘫患者摆脱轮椅,重新回归家庭与生活,可以针对不同患者量身配制,使安全、功能与关节对准达到最优化;康复型Rewalk适用于临床,为患者提供运动训练治疗。

3.Indego下肢外骨骼机器人

Indego轻量外骨骼机器人由美国范德堡大学( Vander-bilt University) 与派克汉尼汾公司( Parker Hannifin corporation)共同研制,根据截瘫与偏瘫患者的运动能力评估结果提供行走辅助功能,如图 9所示。Indego外骨骼机器人包含髋部、左右腿上部和左右腿下部5个模块,采用4个直流无刷电机驱动髋关节与膝关节运动,整套系统搭建在碳纤维踝足矫形器上来保持稳定并把重力传递到地面,通过可充电的锂离子电池提供能量。在意图感知方面,Indego机器人通过微处理器接收集成传感器检测到的患者位姿与倾角等反馈信息,根据压力中心( COP) 的倾斜方向调整运动模式与启停动作,本体质量约12 kg,通过蓝牙连接与Apple iPod Touch配套使用。Indego于 2015 年获准进入欧盟市场,并于2016年获得FDA的认证,美国西北大学联合科罗拉多州克雷格医院等5家医院对Indego外骨骼机器人对脊髓损伤患者在户内与户外环境下的康复安全性与有效性做出来了临床评估。                                        

(三)技术参数对比

下肢康复机器人作为一种智能仿生辅助康复设备,是一种复杂的人机耦合一体化系统,目前已取得了关键技术上的突破并逐渐向商业化、标准化的方向发展,为下肢失能患者提供了一种安全有效的康复训练手段。本文从机器人的主被动自由度、驱动方式、传动关节、感知技术、运动控制策略和训练模式等方面对国际上应用较广的下肢康复机器人进行了调研和比较,并对其典型的临床测试案例进行了分析和对比。

                                                                                                                      (中国船舶集团有限公司第七一三研究所 彭雪锋)


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