下肢康复训练机器人研究进展

张娇娇，胡秀枋，徐秀林

当前，康复问题已成为一个社会亟待解决的重要问题。传统肢体功能障碍的康复治疗主要依赖于治疗师一对一的徒手训练，难以实现高强度、有针对性和重复性的康复训练要求，特别是在国外，人工训练的成本很高；康复评价也多为主观评价，不能够实时监测治疗效果。为解决康复训练过程中出现的这些问题，需要安全、定量、有效及可进行重复训练的新技术的支持[1]。

康复机器人(rehabilitation robots)作为一种新型机器人，它贯穿了康复医学、生物力学、机械学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人等众多领域，是一种自动化程度很高又有效的康复训练[2]。康复机器人分为康复训练机器人和辅助型康复机器人。康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，如行走功能训练、手臂运动训练、脊椎运动训练、颈部运动训练等；辅助型康复机器人主要用来帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，如机器人轮椅、导盲手杖、机器人假肢、机器人护士等[3]。

康复治疗的过程中，改善患者的行走能力，提高其生活自理能力，是使其回归社会的重要方面，因此下肢的康复十分重要。下肢康复训练机器人是康复训练机器人中重要的一类，它可以模拟正常人的行走姿势，并且可以承担一部分人体的重量，对下肢有运动障碍的患者进行有效的康复训练[4]。通过帮助患者模拟正常人的步行规律，锻炼下肢肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力，达到恢复下肢运动功能的目的[5]。本文主要介绍下肢康复训练机器人，对其发展进程、国内外现状进行概述，指出下肢康复机器人进一步发展的方向，并预测其广阔的市场前景。

1 康复训练机器人的发展进程

康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，早在20世纪60年代早期，临床医生就使用连续被动运动机器(continuous passivemotion,CPM)辅助外科手术后患者的康复。从第一台在商业上获得巨大成功的康复机器人Handy至今，康复机器人获得了巨大的发展[6]。为了更好地促进运动康复和实现运动控制，自动化和机器人辅助的运动康复从上世纪90年代开始出现[7]。

下肢康复机器人疗法最初集中在肌肉的运动知觉反馈上，后来扩展到以功能电刺激和虚拟现实为基础的治疗系统。第一台商业化的植入型足下垂刺激器(foot drop stimulator,FDS)由Rancho Los Amigos医疗中心和Medtronic公司共同开发。尽管电极的植入会导致感染等一系列问题，总体来说植入型足下垂刺激器仍是早期康复机器人一个成功的典范[8]。

对于下肢康复，医学上通常是通过进行重复的特定任务训练让患者进行足够的重复性活动，基于这种方法的训练已取得良好的临床效果[9]。然而，大量需要进行康复训练的患者，特别是脑卒中偏瘫患者在康复治疗初期进行主动步行训练是非常困难的，因此需要采用减重的方式进行康复训练。减重训练(partial weight support,PWS)是以传统实践为依据，利用悬吊或平板装置不同程度地减少体重对下肢的负荷，有利于支撑能力不足的患者早期进行各种步行训练[10-11]。

2 下肢康复训练机器人的研发现状

近年来减重步行训练(partial body weight support treadmill training,PBWSTT)在临床上的应用越来越广泛。自20世纪90年代初以来，国内外多家研究机构利用机器人技术相继开发了代替理疗师辅助患者的减重步行康复训练设备。利用这种康复训练机器人进行步行康复训练，不仅减轻治疗师的工作强度，而且步行训练参数重复性好，时相指标可以准确设定，能够有效加快康复进程，提高康复疗效[12-13]。

早期的减重步行康复训练设备，借助于跑步机、悬吊带等帮助患者进行下肢运动训练。此类产品结构简单、价格便宜，但训练过程中必须有专业人员的帮助，而且随意性较强，不符合人体的运动机理，只能用于病情较轻的患者。随着机器人技术和康复医学的发展，人们对行走步态有了更加清楚的认识，开发研制了一些符合人体运动机理的减重步行康复训练机器人。

瑞士HOCOMA医疗器械公司与瑞士苏黎士Balgrist医学院康复中心合作推出的LOKOMAT步行康复训练机器人，是腿部驱动减重步行康复训练机器人的典型代表。LOKOMAT于1999年研制成功，2001年推向市场，并在随后的几年中日臻完善。LOKOMAT是第一套能够辅助下肢运动障碍患者在医用跑步台上自动进行减重步行训练的产品[14]。

LOKOMAT采用电机驱动，每条腿安装有两台电机。电机安装在机械腿的腰部机架和大腿腿杆上，分别驱动一套丝杠螺母机构；通过丝杠转动推动机械腿的大腿和小腿摆动，完成步行动作。同时，安装在机械腿关节处的传感器将机械腿关节的角度和驱动力等信息反馈给控制计算机。LOKOMAT机器人以使用者为根本，患者的训练状态能够被监测、评价和引导；能够根据患者个体状态的不同提供相应的步态模式和训练方案；能够通过虚拟现实技术为患者提供反馈，以提高患者参与训练的主动性。虽然其功能全面，但其动力学模型较为复杂，控制难度较大。

比利时布鲁塞尔Vrije大学开发了一台使用可调式原理的康复训练机器人(automated locomotion training using an actuated compliant robotic orthosis,ALTACRO)[15]。ALTACRO采用了气囊型人造肌肉作为驱动装置，通过充、放气来实现气囊膨胀缩短或收缩伸长，类似于人体肌肉的作用机制。人造肌肉缩短或伸长，带动外骨骼式机械腿的大、小腿摆动，从而牵引患者肢体完成步行动作。这一设计更接近人腿真实的运动形式，具有重量轻、输出力大、有一定柔度等优点。此外该康复机器人还能够辅助膝关节的运动，通过机械腿更加均衡地分配人体重量，患者训练的过程可以监视和控制。但是其穿戴复杂，没有减重措施，对于病情较为严重的患者此方法实现难度较大。

德国Fraunhofer研究所采用最新的机器人技术、计算机技术和虚拟现实技术开发了Haptic Walker康复机器人[16-18]。Haptic Walker的机械部分是一套可编程控制踏板，它可以提供各种可能的足部运动轨迹。可编程控制踏板由两个完全对称但相互独立的机械臂组成，踏板安装在机械臂底部。机械臂安装在直线导轨上，由一个直线电机驱动。踏板水平方向上由直线电机控制，竖直方向的位置由安装在机械臂三个关节处的电机控制。各部分协调配合可以模拟出任意步态的运动轨迹。该系统通过位置控制能力为训练者提供平地、上下楼梯等多种训练场景，以提高训练者兴趣，增加训练的主动性。但该设备体积过大，移动不便，且价格昂贵。

2007年日本东京大学机械工程学院Hiroshi等[19]研制出一种动力型康复器械Hart walker(HW)。它由两个竖直的膝踝足矫形器(Knee-Ankle-Foot Orthosis,KAFO)和一个四轮车组成，由于腰部连接在康复器械的竖直杆上，减少了患者摔倒的风险，而且在保证正确姿态的同时患者的双手也是自由的，可以进行一些辅助操作。在控制方面，采用类似于肌电信号(EMG)的肌纤维收缩信号，利用绑在大腿和小腿上的气囊内气体的压力变化来测得。而在人腿自由摆动，即肌纤维不收缩时，则利用关节处的电位计式角度传感器的信号来触发驱动器的动作，其传感器信号的融合和处理是通过便携式计算机中的模糊控制来实现的。该仪器小巧方便，便于移动但其仅适用于病情较轻的患者，且安全性不高，需要有专门的治疗医师看护。

美国的“国防远景研究计划署”(DARPA)委托加利福尼亚大学伯克利分校研制成功了一种机器人，称为“伯克利末端外骨骼”(BLEEX)[20-22]。BLEEX总共有40多个传感器以及液压关节，它们组成了一个类似人类神经系统的局域网，能够根据使用者的动作计算出所需的力量分配，然后调节仿生机械腿，将负荷重量合理分配到一对合成金属制成的不锈钢钢架结构上，从而使佩戴者的负荷达到最少。这种机器人除了能帮助下肢运动障碍的患者行走，恢复其行走功能，还可以帮助正常人增加负载能力。该仪器同样适用于病情较轻的患者，并且其设计复杂，对传感器的要求很高，价格昂贵。

康复机器人较早较深入的研发主要集中在欧美、日本等发达国家，通过机器人与康复医学技术的结合，研制了较先进的康复机器人，并取得良好的康复效果。相比国外的先进技术，我国在康复机器人方面的研究就稍显逊色，但近几年国内的一些大学也开始康复机器人的相关研发，并取得一定的成就。

清华大学精密仪器系康复工程研究中心在国家自然科学基金和国家科技支撑计划支持下正在研究步行康复训练机器人(gait rehabilitation training system,GRTS)。GRTS采用关节直接驱动方式，电机驱动器直接安装于机械腿髋、膝关节处，通过控制髋和膝处电机的协调转动完成步行动作。该机能提供主动、被动等多种训练模式，并能根据患者的体型进行相应的调整。GRTS具有结构简单紧凑、屈曲角度大等优点[23]。但是髋、膝关节处驱动器的轴、径向尺寸较大，使用时不方便。

哈尔滨工业大学研制的卧式康复训练机器人(Horizontal lower limbs rehabilitative robot,HLLRR)[24]分为卧式下肢康复机器人和远程控制下肢康复机器人。其中卧式康复机器人可以在患者平躺时进行双腿的步态训练，步态训练除了带动大腿、小腿进行伸缩锻炼，同时脚踝也配合相应的运动，达到腿部各关节的全方位训练。远程控制下肢康复机器人可以模拟正常人行走的运动轨迹，并且控制踝关节的运动，从而带动下肢行走运动，实现对下肢各个关节的运动训练、肌肉的训练以及神经功能的恢复训练。除此之外它还可以通过Internet进行远程操作。由于平躺训练比较枯燥，患者锻炼的积极性不高，且训练时患者的用力主动性不强，可能对康复效果有一定的影响。

由上海理工大学研制的减重式多态康复训练评定系统(Body Weight Loss Multi-function System in Rehabilitation Truning and Assessment)[26]，是一种使用电动斜床、能在任意倾斜角度减重状态下，进行下肢功能训练和平衡功能评估的多功能康复训练评定系统。反馈型下肢智能康复训练床系统主要由训练床、踏板组件、手动控制装置、主控计算机等组成[27]。该设计的背部减重多态康复训练评定系统通过调节训练床的旋转角度进行不同程度的减重，避免了目前市场上康复机器人采用的悬吊减重所产生的患者不舒适感和结构复杂等缺点。该系统集训练功能和评定功能于一体，具有体积小、结构优化，功能全面等特点。该系统能实现使脑卒中等疾病引起的患者从患病早期腿脚功能很差时的被动训练过渡到功能逐渐恢复后的主动训练；该系统游戏训练的环节可以增加患者的积极性，有助于康复效果的提高。此外，该系统还具有人体运动学和生物力学多参数实时检测功能，可以精确获得人体各运动参数和力学参数，从而实现对患者各阶段的康复状况进行科学的定量分析，为临床诊断和制定康复治疗方案提供科学的依据。该康复训练评定系统缺少肌电的测量，且外观设计不够人性化，患者上下训练床不方便，仪器移动不方便，需要进一步的改进。

3 展望

基于目前的研究状况，下肢康复治疗技术及康复机器人辅助治疗的研究任重而道远。康复训练机器人具备许多人工所无法比拟的优点，例如长期、稳定地重复训练，精确、客观地测定训练与运动参数，提供实时反馈，远程训练等[28]。随着社会老龄化加剧，脑卒中偏瘫患者逐渐增多，康复机器人所具有的这些优点具有越来越大的使用价值。

在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人的市场呈逐年上升的趋势[29]。据日本机器人协会估测，到2025年，日本国内机器人市场份额将达9310亿日元(合74.5亿美元)。而这些机器人将主要应用于医疗护理和福利服务方面[30]。

在我国，康复医学工程虽然得到普遍的重视，而康复机器人的研究仍与国外有一定的差距，目前国内一些简单的康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化康复机器人的需求[31]。通过虚拟现实、脑电、肌电技术与机器人技术的集成，为患者提供全方位的治疗，而促进康复机器人进一步的智能化仍是临床康复医学工作者普遍关心的问题，也是康复机器人发展的重要方向。相信康复训练机器人广阔的市场前景必将推动这一新兴的技术得到更多重视与推广。

[1]丁敏,李建民,吴庆文,等.下肢步态康复机器人：研究进展及临床应用[J].中国组织工程研究与临床康复,2010,14(35):6604-6607.

[2]倪俊瑜.下肢康复训练机器人[J].中国伤残医学,2010,19(1):127-128.

[3]Krebs HI,Volpe BT,Aisen ML,et al.Hogan increasing productivity and quality of care:robot-aided neuro-rehabilitation[J].J Rehabil Res Dev,2000,37(6):639-652.

[4]高峰,杜良杰.脊髓损伤患者的下肢功能重建：智能化康复手段[J].中国康复理论与实践,2008,14(9):845-846.

[5]张立勋,颜庆,杨勇,等.下肢康复训练机器人AVR单片机控制系统[J].机械与电子,2004,10:52-54.

[6]Hillman M.Rehabilitation robotics from past to present－a historical perspective[C].Proceedings of the ICORR 2003(The Eighth International Conference on Rehabilitation Robotics),2003:23-25.

[7]Hesse S,Schmidt H,Werner C,et al.Upper and lower extremity robotic devices for rehabilitation and for studying motor control[J].Curr Opin Neurol,2003,16(6):705-710.

[8]Thrasher TA,Popovic MR.Functional electrical stimulation of walking:function,exercise and rehabilitation[J].Ann Readapt Med Phys,2008,51(6):452-460.

[9]Sterr A,Freivogel S.Motor-improvement following intensive training in low-functioning chronic hemiparesis[J].Neurology,2003,61:842-844.

[10]Grillner S,Debuc R.Control of locomotion in vertebrates:Spinal and supraspinal mechanisms[J].Adv Neurol,1988,47:425-453.

[11]Grillner S,Ekeberg O,EIManira A,et al.Intrinsic function of a neuronal network－a vertebrate central pattern generator[J].Brain Res Brain Res Rev,1998,26:184-197.

[12]Hornby TG,Zemon DH,Campbdl D.Robotic-assisted,body-weight-supported treadmill training in individuals following motor incomplete spinal cord injury[J]．Phys Ther,2005,85(1):52-66.

[13]Colombo G,Wirz M,Dietz V.Driven gait orthosis for improvement of locomotor training in paraplegic patients[J].Spinal Cord,2001,39(5):252-255.

[14]Hocoma.Lokomat®-Enhanced Functional Locomotion Therapy with Augmented Performance Feedback[OL].http://www.hocoma.com/en/products/lokomat.

[15]Vrije Universiteit Brussel.The ALTACRO Project[OL].http://altacro.vub.ac.be/info/project.htm.(2006).

[16]Schmidt H,Stefan Hesse,Rolf Bernhardt,et al.Haptic Walker－a novel haptic foot device[J].ACM Transactions on Applied Perception,2005,2(3):166-180.

[17]Schmidt H,Sorowka D,Hesse S,et al．Development of a robotic walking simulator for gait rehabilitation[J].Biomed Tech,2003,48(10):281-286.

[18]Medical Park.Robots help to heal:G-EO-System[OL].http://www.medicalpark.de/en/main/g-eo-system.htm.

[19]Hiroshi Kobayshi,Takeo Karato Toshiaki Tsuiji.International Conference on Mechatronics and Automation[C].Sanya,China,2007:1693-1697.

[20]杨智勇,张静,归丽华,等.外骨骼机器人控制方法综述[J].海军航空工程学院学报,2009,24(5):520-524.

[21]Kazerooni H,Huang L,Steger R.IEEE ICRA on the control of the Berkeley lower extremity exoskeleton[C].Barcelona,Spain,2005:4353-4360.

[22]Chu A,Kazerooni H,Zoss A.Proc.IEEEICRA on the biomimetic design of the Berkeley lower extremity exoskeleton[C].Barcelona,Spain,2005:4345-4352.

[23]陈鹍,刘启栋,王人成,等.一种减重步行训练机器人的研制[J].中国康复医学杂志,2011,26(9):847-851.

[24]夏振涛.助行训练机器人系统设计及步态控制实验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.

[25]张立勋,张晓超.下肢康复训练机器人步态规划及运动学仿真[J].哈尔滨工程大学学报,2009,30(2):187-191.

[26]徐秀林,邹任玲,胡秀枋,等.一种用于偏瘫患者的减重多态康复评定系统的设计[J].中国生物医学工程学报,2010,29(6):883-888.

[27]邹任玲,徐秀林,胡秀枋,等.基于运动协调的智能化康复训练仪的研究及实现[J].微计算机信息,2010,27(2):20-22.

[28]Krebs HI,Hogan N,Aisen ML,et al.Robot-aided neuro-rehabilitation[J].IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering,1998,6(1):75-87.

[29]唐庆玉,冉凡英.康复仪器的现状与发展[J].技术论坛,2001,2:44-48.

[30]高钒.日本家用机器人康复护理都在行[OL].http://news.pharmnet.com.cn/news/2007/04/20/193710.html.(2007)

[31]谢欲晓,白伟,张羽.下肢康复训练机器人的研究现状与趋势[J].国医疗器械信息,2010,16(2):5-8.