上肢康复机器人研究进展①

刘恩辰，梁蔓安

脑卒中是威胁人类生命健康的重要疾病。世界卫生组织MONICA研究表明，我国脑卒中发生率正以每年8.7%的速率上升，发病者约30%死亡，70%的生存者多有偏瘫失语等残障[1]。临床证明，对有肢体运动障碍的脑卒中患者进行及时准确的治疗可以取得好的康复效果。

用于治疗脑卒中上肢偏瘫的上肢康复机器人，结合了机械学、康复医学、传感技术、控制工程等学科，已经成为康复器械研究中的重要部分。上肢康复机器人的研究目的，已从最初试图代替医务人员的部分工作，发展到采集数据、记录患者康复训练过程中的运动参数、进行科学研究、量化训练强度、理解运动功能和康复机理、准确评价和参与康复方案制定等多维应用。

临床上，脑卒中患者瘫肢通常会经历软瘫期、痉挛期和恢复期3个阶段，康复训练模式有主动运动训练、被动运动训练以及抗阻训练等。理想的上肢康复机器人要能够提供多种模式的训练，满足训练需求。目前的上肢康复机器人距离理想状态还有诸多问题未解决。

已有的上肢康复机器人按作用机制，可以分为牵引式和外骨骼式。

1 牵引式

牵引式上肢康复机器人的训练形式是对人体末端施加作用力，可模拟被动运动、辅助运动和抗阻运动的效果。牵引式上肢康复机器人主要提供平面运动训练，即两自由度康复训练。此类机器人结构相对简单，易于规划轨迹和控制。在主动运动训练时，可以通过虚拟现实技术，使受训者直观观察和感受训练任务；被动运动训练时，受训者前臂由机器人附带的肘臂托架支撑，手固定在机器人手柄上，机器人施力带动腕、肩、肘关节自由组合运动，达到上肢的整体运动。根据机构的不同，牵引式又可以分为刚性杆牵引式和绳索牵引式两类。

1.1 刚性杆牵引式

刚性杆牵引式康复机器人代表性的是麻省理工学院研制的MIT-Manus[2]。MIT-Manus采用SCARA串联开式链结构，具有两个自由度，提供水平面规划轨迹的上肢被动运动训练、特定任务轨迹及方向的主动运动训练，以及在特定方向上加入阻尼的抗组训练；康复训练任务通过竖立在受训者面前的显示器传达给受训者；MIT-Manus带有力传感器和位置传感器，可以记录手柄所到达和经过的位置[3-4]。

意大利热那亚大学研制了Braccio di Ferro上肢康复机器人。它的外表和MIT-Manus相似，使用时，事先根据实际测量尺寸在训练台上找出一些任务位置，这些位置与显示器上的圆点对应；康复训练时，操作者移动手柄到达任务点，机器人同时测量记录运动过程中速度及经过的路径[5]。

国内有代表性的有清华大学研制的UECM。UECM采用二连杆机构，有两个自由度，能够完成水平面内的被动运动训练和特定轨迹的主动训练，以及阻抗控制模式下特定轨迹的抗阻训练[6]。与MIT-Manus相比，UECM平台能够调整训练平面的角度，使康复训练从水平面范围拓展到一定角度的空间平面范围；在人机信息交互方面，UECM采用了双视频反馈系统，可以实现受训者手眼配合训练，使训练操作更符合日常行为习惯，适应不同患者需求[6]。

1.2 绳索牵引式

意大利帕多瓦大学研究以绳索驱动的牵引式上肢康复机器人。与刚性杆牵引相比，绳索驱动除了能够实现被动运动训练，还能够实现平面内较复杂轨迹的主动运动训练[7]。他们研制的三绳牵引式上肢康复机器人Sophia-3使用3个电机驱动，其中一个随着导轨上的滑块移动[7]。

2 外骨骼

外骨骼上肢康复机器人的名称来源于外骨骼机器人(Exoskeleton Robot)。外骨骼机器人是将机器人套在人体外，像体外的骨骼，因此也称为穿戴式机器人。外骨骼机器人对身体起保护和增强能力的作用，最初应用于军事领域，目的是增强军人的作战能力。外骨骼上肢康复机器人结合了外骨骼机器人的设计特点，在康复训练时减轻患者对瘫肢的负载，同时辅助患者运动；训练任务通过虚拟现实技术表现给受训者。

被动运动训练时，辅助人员帮助受训者穿戴好上肢康复机器人，机器人根据规划的训练任务提供完全的运动辅助，对相应的瘫痪关节施加作用力，从而实现瘫肢的整体运动。当患者具有了一定运动能力后，可使用主动运动训练模式进行训练。与牵引式康复机器人相比，外骨骼康复机器人明显的特点和设计的初衷是使康复训练范围从平面拓展到立体空间。

如同牵引式上肢康复机器人一样，现有外骨骼上肢康复机器人也可以分为两种类型：刚性杆外骨骼上肢康复机器人和绳索驱动外骨骼上肢康复机器人。

2.1 刚性杆

外骨骼上肢康复机器人研究中最具有代表性的是苏黎世联邦理工学院与美国天主教大学研制的ARMin、ARMinⅡ和ARMinⅢ系列。ARMin具有6个自由度，带有力和位置传感器[8-9]。使人体末端运动在三维空间进行，目的是为了更接近日常生活活动能力训练。

ARMinⅡ在ARMin的基础上进行了改进，具有7个自由度。可调节杆的长度以适应患者肢体尺寸。有位置和力传感器，能够对肩、肘、腕关节进行康复训练[8]。在ARMinⅡ的基础上研究设计的ARMinⅢ已被苏黎世联邦理工学院、美国天主教大学及美国国家康复医院应用生物力学与康复研究中心进行了健康人试验[8-11]。

美国华盛顿大学设计了7自由度外骨骼上肢康复机器人，它采集表面肌电信号参与控制[12]。加州大学欧文分校设计了BONES，能够完成3自由度的肩部运动，采用并联机构气动驱动，可以提供足够的动力，且减轻重量[13]。

2.2 绳索驱动

意大利帕多瓦大学研究了绳索式牵引外骨骼上肢康复机器人NeReBot以及在此基础上的MariBot。NeReBot有3个自由度，MariBot有5个自由度；改进后机构更简单，运动惯性更小，更安全稳定。MariBot从软件设计等方面提高了人机交互设计，更加注重训练者的感受[7,14]。

美国特拉华大学研究的绳索牵引式外骨骼上肢康复机器人CAREX具有7个自由度。CAREX结构轻便，运动惯量低，能够完成空间复杂轨迹主、被动训练。通过合理的机构设计，一个方向上使用一系列绳牵引控制，合成运动，以代替单根绳牵引，克服了绳牵引容易松懈的缺点[15-16]。此机器人使用绳索牵引，同时使用刚性骨架支撑瘫肢；比完全刚性杆外骨骼康复机器人运动惯性低，在主动训练时采集的患者训练参数误差更小，能够结合虚拟现实进行趣味性康复训练[12]。

3 存在的主要问题与困难

上肢康复机器人研究中有很多难题尚未解决。从技术和机构的角度分析，有传感技术和合理结构两个重要方面。

刚性杆牵引式上肢康复机器人提供的运动范围和运动轨迹与日常行为运动规律不完全一致，运动轨迹与日常行为动作曲线轨迹差别较大，不能直接反映出患者日常行为运动的缺陷。刚性杆牵引式康复机器人的机构特性限制了运动任务，不能够提供复杂的运动轨迹，不易实现复杂运动训练，特别是主动训练，多数只能进行大关节训练，多关节训练不能兼顾[17]。

考虑到刚性杆牵引式的缺点，一些科研机构研究使用柔性机构进行牵引，如绳索牵引。但是绳索牵引式上肢康复机器人缺点是绳索易弹性变形，只能够承受沿轴线的拉力，不能提供扭矩和承受压力，难以支撑患者瘫肢重量和降低惯性力的影响[18-20]。

使用外骨骼康复机器人的过程中，患者在不同阶段有复杂的情况，如痉挛期患者出现异常肌电信号，手臂肌肉出现抖动，训练中不应该强力限制患者的运动倾向，这就要求机器人具有柔性和低的运动惯量，避免对患者造成伤害，这与较大质量的外骨骼机器是矛盾的。上肢康复机器人机构应该具有主动柔性和被动柔性。主动柔性是指康复机器人在提供训练方案时能够适应训练需要，提供复杂轨迹和空间范围内的训练；被动柔性是指在患者主动运动时，机器人能够适应患者的运动，对患者的运动实时反映，具有敏感性，在患者出现异常运动时不产生强制力，不对患者造成伤害[21-22]。目前的上肢康复机器人的主要难题是缺少被动柔性。

4 发展趋势

康复训练的目的是使患者最大程度地恢复功能，能够自主生活、回归社会。这要求康复训练接近或等效于日常生活运动能力训练，机器人提供的训练任务能够训练日常运动能力。上肢康复机器人应该符合患者的运动特点、身体特征，训练空间要满足不同肢体大小患者的要求[23]。能够进行日常行为训练、具有主动柔性和被动柔性的机构，是上肢康复机器人未来发展的方向。

在主动运动训练中，需要使用大量传感器采集信息，信息反馈参与机器人施力和运动辅助的控制，这些信号也是进行人机交互信息和安全保护的控制依据。目前人机交互信息采集难以与受训者意识同步。合理有效地信息交互，是上肢康复机器人研究中的重点和难点；研究实时反馈与获得足够信息的传感技术也是重要内容之一。还有学者研究了虚拟现实技术[26]。更丰富的训练任务，更完善的虚拟现实技术的应用，充分利用患者体验要素，与多媒体结合是上肢康复机器人软件方面发展的主要趋势。

[1]中国脑卒中康复大会[EB/OL].http://www.cnstroke.cn/(2013).

[2]Volpe BT,Krebs HI,Hogan N.Is robot-aided sensorimotor training in stroke rehabilitation a realistic option[J].Curr Opin Neurol,2001,14:745-752.

[3]Krebs HI,Ferraro M,Buerger SP,et al.Rehabilitation robotics:pilot trial of a spatial extension for MIT-Manus[J].J Neuroeng Rehabil,2004,1(1):5.

[4]Lum PS,Burgar CG,Van der Loos M,et al.MIME robotic device for upper-limb neurorehabilitation in subacute stroke subjects:A follow-up study[J].J Rehabil Res Dev,2006,43(5):631-642

[5]Casadio M,Morasso P,Noriaki Ide A,et al.Measuring functional recovery of hemiparetic subjects during gentle robot therapy[J].Measurement,2009,42(8):1176-1187.

[6]陈里宁.实现多位姿训练的上肢康复机器人平台的研制[D].北京:清华大学,2004.

[7]Zanotto D.Design and control of two planar cable-driven robots for upper-limb neurorehabilitation[D].Padua:University of Padua,2011.

[8]Nef T,Mihelj M,Riener R.ARMin:a robot for patient-cooperative arm therapy[J].Med Biol Eng Comput,2007,45(9):887-900.

[9]CABRR Research:Gallery[EB/OL].http://cabrr.cua.edu/devicegallery.cfm.[2010-12-15].

[10]Nef T,Guidali M,Riener R.ARMin III-Arm therapy exoskeleton with ergonomic shoulder actuation[J].Appl Bionic Biomechan,2009,6(2):127-142.

[11]Staubli P,Nef T,Klamroth-Marganska V,et al.Effects of intensive arm training with the rehabilitation robot ARMin II in chronic stroke patients:four single-cases[J].J Neuroeng Rehabil,2009,6:46.

[12]Perry JC,Rosen J,Burns S.Upper-limb powered exoskeleton design[J].IEEE/ASME TransMechatron,2007,12(4):408-417.

[13]Klein J,Spencer SJ,Allington J,et al.Biomimetic Orthosis forthe Neurorehabilitation ofthe Elbow and Shoulder(BONES)[C].BioRobot,2008.

[14]Rosati G,Gallina P,Masiero S.Design,implementation and clinical tests of a wire-based robot for neurorehabilitation[J].IEEE Trans Neural Sys Rehabil Eng,2007,15(4):560-569.

[15]Mao Yi,Agrawal SK.Transition from mechanical arm to human arm with CAREX:a Cable Driven ARm EXoskeleton(CAREX)for neural rehabilitation[C].IEEE International Conference on Robotics and Automation River Centre,Saint Paul,Minnesota,USA,2012:14-18.

[16]Mao Y,Agrawal SK.Design of a Cable-Driven Arm Exoskeleton(CAREX)for Neural Rehabilitation[J].IEEE Trans Robot,2012,28(4):922-931.

[17]Kwakkel G,Kollen BJ,Krebs HI.Effects of robot-assisted therapy on upper limb recovery after stroke:a systematic review[J].Neurorehabil Neural Repair,2008,22(2):111-121.

[18]刘攀,张立勤,王克义,等.绳牵引康复机器人的动力学分析与控制[J].中国机械工程,2009,20(11):1335-1339.

[19]孙奎,金明河,谢宗武,等.一种稳定的冗余度机器人动力学解法[J].哈尔滨工业大学学报,2009,41(9):38-42.

[20]Lo HS,Xie SQ.Exoskeleton robots for upper-limb rehabilitation:State of the art and future prospects[J].Med Eng Phys,2012,34(3):261-268.

[21]Pan LZ,Song AG,Xu GZ,et al.Safety supervisory strategy for an upper-limb rehabilitation robot based on impedance control[J].Int JAdv Robot Sys,2013,10:127-139.

[22]黄佳,郭敏,刘骏,等.脑血管意外的运动功能评定[J].神经疾病与精神卫生,2005,5(6):480-484.

[23]梁天佳,吴小平,莫明玉.上肢康复机器人训练对偏瘫患者上肢功能恢复的影响[J].中国康复医学杂志,2012,27(3):254-257.

[24]夏熙双,牛光明.虚拟现实康复治疗对脑血管病偏瘫患者运动功能恢复的疗效[J].中国实用神经疾病杂志,2010,13(2):28-30.