手臂康复训练机器人研究现状

姚又琳+张秋豪

摘要： 本文基于不同的干预方式深入分析了单边上肢康复训练机器人和双边上肢康复机器人的发展现状、结构特点和临床试验结果。

Abstract： Based on the different intervention ways， the development status， structural characteristics and clinical trial results of unilateral and bilateral upper limb rehabilitation robot are analyzed deeply.

关键词： 脑卒中；上肢康复机器人；单边康复训练；双边康复训练

Key words： stroke；upper limb rehabilitation robot；unilateral rehabilitation training；bilateral rehabilitation training

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）33-0093-03

0 引言

脑中风已成为导致残疾的首要原因之一，2015年中风人数达到120-180/10万人，其中大约75%中风患者有明显的后遗症[1]。基于对神经可塑性认识不断加深，越来越多地通过提供高度复杂的干预方式的康复训练设备产生。本文的主要目的是介绍和比较现有的康复训练设备对促进脑卒中患者上肢康复的影响[2]。按干预方式的不同，上肢康复机器人可以分为单侧训练模式和双侧训练模式。

1 单边康复训练

单侧康复训练机器人代表性的是2DOF的MIT-Manusl[3]。MIT Manus可以给予患者被动、主动、阻尼三种训练模式，以图形的形式将患者的运动信息反映到电脑屏幕上。位置和力传感器可以记录使用中手柄所到达和经过的位置[4]，如图1所示。 通过临床试验表明MIT-MANUS 可以进行康复训练并且能够降低运动神经的损伤程度[5]。

芝加哥康复研究所等开发了一种康复训练器（ARM Guide，Assisted Rehabilitation and Measurement Guide）。如图2所示，该设备有三个自由度，通过电机和磁粉制动器完成直线方向的伸手运动偏转和提升运动。训练中可以达到5个不同位置目标点的伸手运动。在患者训练中，通过运动跟踪分析和系统测量患者手臂末端轨迹，动作完成的柔顺度，可以得知运动恢复的效果[6]。

清华大学研制的UECM是国内具有代表性的上肢康复训练设备。如图3所示，UECM是2DOF的二连杆机构，具有三种训练模式：主动、被动以及抗阻训练[7]。UECM能改变训练平面的角度，在人机信息交互上，具有双视频反馈的系统，可以让患者的手和眼配合训练。

国内较早开展外骨骼式上肢康复机器人研究的单位是哈尔滨工业大学。如图4所示，其设计的五自由度的外骨骼式上肢康复机器人系统[8]。五个自由度分别由五个伺服电机控制肩关节屈伸、向内外旋转，肘关节的屈伸，腕部的屈伸和外伸内收动作，基于皮肤表面肌电信号实现控制，完成手臂的康复训练。

2 双边康复训练

MIME（mirror-image motion enabler）是典型的双侧上肢康复训练机器人[9]。肩、肘关节功能的恢复是MIME系统的重点。如图5所示，具有六自由度，MIME支持四种模式康复训练，单侧的主动训练、被动训练、阻抗训练和双手模式的镜像训练。

MIME系统已被应用在临床试验。其中一个临床试验是MIME系统对慢性中风患者上肢康复的影响。27位患者经过2个月的训练后，患侧近端运动能力有较大改善独立运动能力增强。但因试验中使用四个模式进行康复训练，所以不能确定单侧还是双侧训练中哪个对康复贡献更大。另外还有临床试验对比单侧模式和单侧双侧结合的模式对康复的影响，得到结论是六个月内单双侧结合模式的FMA评分更高，在六个月后两个训练模式的差异消失。第三个RCT研究是对比高训练量和低训练量对康复的影响，54位中风患者随机分为高训练量、低训练量和常规训练三组。治疗后发现高训练量组的FIM评分优于常规训练组。在六个月后，这个差异将不再存在，但高训练强度组在肌张力方面显著强于低训练强度组。但这种差异不能在训练后立即显现[10]。

Bi-Manu-Track是由乔治敦大学医学中心研制的由电脑控制的双臂训练器[11]。如图6所示。Bi-Manu-Track的训练方式有两种分别是手臂的伸缩和手腕的伸缩。为了在移动模式之间切换，设备可以倾斜90度。该设备支持三种康复训练模式，在被动-被动模式下，机器人控制着双臂运动。在主动-被动模式下，当机器人引导受损的上肢时，患侧上肢主动移动手柄。在主动-主动模式下，两臂通过克服最初的等距电阻来进行主动的运动。运动可以是镜像对称的，也可以是平行的。振幅、速度和抗性都可以单独设置。多次的临床试验证明Bi-Manu-Track对中风后手臂的康复具有一定的效果。目前Bi-Manu-Track已是在德国可以購买的市售产品。

BFIAMT（bilateral force-induced isokinetic arm movement trainer）是一种双臂等速训练器，如图7所示，该装置是由2个伺服电机2个平行的导向辊2个手柄2个前臂槽，2个负载单元和一个控制面板组成的手臂康复训练装置[12]。BFIAMT的手柄可以向前和向后平行轨道运动，伺服电机在运动过程中提供阻力或助力，并且负载单元可以检测推拉力量。该装置支持四种不同的治疗模式：双边被动、双边主动-被动、双边互惠，以及双边对称运动。临床试验表明：接受BFIAMT康复治疗的8周后患者的上肢功能评估（FMA，MAS，Frenchay手臂测试）有明显提高，并且患者的握力，推拉力都有所提高。endprint

Virtual Reality Piano（虛拟现实钢琴），如图8所示，是为脑卒中患者设计的上肢训练的虚拟环境系统。通过外骨骼的力反馈装置，虚拟现实钢琴可以为患者提供和真实钢琴一样的视觉，听觉和触觉感受。上肢跟踪（带有网络手套）允许患者同时训练手臂和手作为一个协调的单位。虚拟现实钢琴包括的歌曲和音阶适用于单臂或双臂同时演奏。触觉辅助的适应性强适用于更多的患者，同时通过算法调整任务难度匹配患者的训练表现。

EXO-UL7。EXO-UL7是一个双臂外骨骼机器人，每个臂具有7个自由度，如图9所示。 七个单轴旋转关节负责肩外展-内屈、屈伸、内外旋转、肘关节屈伸、旋前旋后、腕关节旋转、屈伸和放射性桡尺偏差。四个六轴力/扭矩传感器连接到上臂、下臂、手和外骨骼的尖端，用于人机交互。与控制PC和游戏PC一起，患者可以在视频游戏中操纵虚拟对象，同时接收触觉反馈[13]。机器人可用于单边和双边训练。 在单侧模式中，患测受到弱辅助力的支持。在双侧模式中，所需的关节角度从较少受损的上肢（主）到最受损害的上肢（从属）镜像对称地传递。

3 结论

通过使用双侧训练提高运动恢复已在几个研究中证明[14]。双边训练还可能提供的麻痹肢体单侧手术的改进，而更不可能单方面的培训提供双边利益。总体而言，双侧上肢训练是从轻度到重度的多重程度的损伤恢复的有效方法。 基于末端执行器的双边训练主要集中在近端上肢的康复，已证明可以减少住院时间和康复时间。由于上肢操作的耦合性质，双边训练可以提供更全面有效的方法。研究对比单边与双边训练的益处。虽然有证据支持双边培训，但迄今为止的结果并不是决定性的有利于双边训练。

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