上肢康复机器人研究现状分析

郭慧宇　程秀芳

摘 要：随着社会老龄化日益严重，脑卒中患者患病人数不断提升，急需将更加先进的技术引入康复治疗领域。本文对上肢康复机器人的国内外研究现状进行了阐述，并结合临床康复医学理论对上肢康复机器人的发展趋势进行了展望。

关键词：脑卒中；上肢康复；机器人

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.248

1 研究背景

脑卒中，俗称中风，是因急性脑血管病变引起血液循环被破坏造成局部或全脑神经功能障碍的一种疾病。是当今我国社会中老年人多发的一种疾病，且发病率逐年上升。这种疾病会使患者肢体运动功能丧失，尤其是上肢运动功能的丧失，所以极大地影响了患者日常生活的能力。伴随经济的发展，人们对生活期望的不断提高，对中风患者进行及时有效的康复运动治疗变得尤为迫切和重要。

全球平均每年中风的发病比率达到200/10万。世界卫生组织有关调查表明：中国脑卒中发病率居所有国家之首位，远超于美国。根据我国现有的社会医疗水平，将近1/4的脑卒中患者会因治疗水平的限制而丧失生命，脑卒中已成为中国第一致死因素。以“脑可塑性”为基础的康复锻炼，是早已被临床医学实践应用所证明了的有效的治疗方法。目前，传统的医疗康复训练主要是以专业康复治疗师徒手操作为主，此类方法对患者自身和病患家属及医务人员来说都是一项耗时、费力、单调乏味的工作。而且由于我国患者众多，专业康复治疗师严重缺失（大概比例1%），使得更多患者因康复运动强度不足而导致康复效果不能达到理想状态。因此，有必要将机器人技术引入康复治疗领域，让机器人代替理疗师进行繁重的工作。上肢康复机器人的研究和应用，对我国康复医疗水平的提高及多学科交叉研究的进步都具有重要意义。

2 上肢康复机器人研究现状

康复机器人是机器人技术在康复医学应用的产物，涉及多门学科知识。如今，康复机器人已有了较为全面的发展。

1991年，美国麻省理工学院开发了一款康复训练机器人MIT—MANUS，可以帮助偏瘫患者进行康复训练。该设备的运动主体是五连杆机构，提供两个自由度的运动，可以辅助患者完成手臂的平面运动，可同步获取手臂运动速度、角度等参数，且能够通过微机界面对患者反馈信息。患者被分成两组进行传统治疗方法和机器人辅助康复训练的对比分析试验，实验结果显示表明：康复机器人可以有效地帮助患者进行治疗，治疗效果较传统方法有明显的提高，且不会对患者有任何损伤及其他不良作用。

1993年，加利福尼亚大学的Lum P. S.等人研制了一种利用双手协调性进行锻炼的康复系统系统--“手-物体-手”（hand-object-hand system）。系统包含两个把手，其中一个把手有电机驱动，电机可以带动患者双手完成平面移动和对物体挤压的练习，以锻炼双手协调性，由于两个刚性夹板限制了腕关节自由度，患者只能进行手腕的屈伸运动，保证了康复动作的准确性，同时在夹板处安装有力学传感器，便于医生采集相关参数。

1995年，Lum P. S.团队又研发了一款双手向上举物的康复系统（bimanual lifting rehabilitator），该装置为2DOF连杆机构，可以锻炼患者上举及平移动作，获取垂直位移及旋转角度等参数，当患者肌力不足时为患者提供适当的重力支撑，从而保持上举运动的平衡。

1999年，加州大学与芝加哥康复研究所联合研发了ARM- Guide，用于测定患者手臂的活动范围，同时帮助上肢进行完成康复锻炼。

2002年，英国雷丁大学牵头组建的欧洲跨国研究小组针对肩肘关节研制了一款上肢康复机器人GENTLE。患者手臂用吊索与HapticMaster机器人相连，由工业机器人提供驱动力和重力支撑，与虚拟技术相结合提供视觉上的反馈信息，在对患者的看反复训练中取得了显著的疗效。

英国利兹大学的Raymond Holt等人研制发了IPAM双臂康复机器人，每个机械臂上都有3个关节，通过气压驱动装置提供力矩。

CADEN-7是由华盛顿大学的Joel Perry等人设计出的一款7自由度的外骨骼机器人。既能够帮助患者的肩、肘、腕关节完成康复锻炼，也能够用于对健康人体的实验探究。

在中国，人们虽然加强了对康复医学的重视，但与国外相比，康复机器人的研究水平仍然相对落后。大多数康复机器人的研发都是由学校进行的，且都处于较浅层次阶段，实现产业化的研究成果以简易单关节康复训练器居多。

清华大学是我国较早进入康复领域进行研究的大学之一，到目前为止研发了多种康复机器人，其中包括肩肘复合康复运动机器人和肩关节康复机器人。

哈尔滨工程大学同期也研制出了一款上臂康复机器人。该机器人能够帮助患者的肩肘关节完成平面运动。他们还对机器人控制部分进行了深入的研究，在分析与仿真技术领域取得了一定的成果。

河北工业大学研制的一款上肢外骨骼机器人采用气动控制系统，可以帮助患者完成肩肘关节三个自由度的训练。并可通过网络进行远程操控，完成数据采集传输等工作。

3 发展展望

上肢康复机器人将智能控制与肢体运动用机器人系统完美的结合起来，可以帮助患者完成各种康复运动，具备传统康复治疗方法无法比拟的优点：替代康复治疗师完成高强度，高密集度的重复性体力劳动，弥补我国专业理疗师人员不足的现状，保证每位患者得到客观、均衡的治疗。控制系统可施加更精确的驱动力矩，对治疗数据和运动参数及训练次数详实记录，便于治疗师根据数据，做出客观评价，及时改善治疗方案。科研人员也可以将参数和疗效进行对比，从而发现机器人辅助康复治疗的更多规律，为进一步改善治疗效果提供更详实的科学依据。结合虚拟技术将锻炼科目制作成游戏，使整个治疗过程更具趣味性，患者对康复训练参与性更强；同时也便于治疗后期治疗师远程指导，使康复治疗持续进行，取得更好的康复效果。

今后对上肢康复机器人的研究工作有可能在以下几方面进行展开：

（1）结构设计方面，能够带动患肢完成大幅度、多关节的空间运动；

（2）患者病理及身体条件各异，制定多样的控制策略以适应不同患病程度患者的治疗，提高康复机器人的适用性；

（3）上肢康复机器人服务对象为肢体存在运动障碍的患者，要从硬件结构和软件系统设计入手，设置合理的保护装置，保证患者的绝对安全。

（4）开发新型的治疗效果评价机制，将训练参数与治疗效果的评价指标建立较为明确的关系，可以实时有效的观察康复效果。

参考文献：

[1]王陇德.脑卒中筛查及干预—项被忽略的国民保健工程[N].人民日报，2009，4（16）：015版.

[2]PRIOR S.D，WARNER P. R. A review of world rehabilitation robotics research[J].IEE Colloquium on High-Tech Help for the Handicapped. 1990：1-3.

[3]A. CREMA，A. MCNAUGHT， U. ALBISSER， M. BOLLIGER， S. Micera Senior Member， IEEE， A. Curt， M. Morari 33rd Annual International Conference of the IEEE EMBS Boston， Massachusetts USA， August30-September3， 2011.

作者简介：郭慧宇（1976-），女，河北唐山人，工学学士，高校实验师，研究方向：康复机器人。