智能可穿戴式上肢助力机器人的研究进展综述

陈佳宇 杨一凡

摘 要：针对骨折、老年恢复等手臂功能受损的患者，研究智能穿戴上肢助力机器人的发展现状及总结现有产品的局限性。在此基础上，设计了一种柔性气动式智能穿戴上肢助力机器人系统，主要包括机构模型、智能康复训练系统、设备租赁系统三大组成部分，旨在增强患者的手臂肌肉功能自主恢复性，从而恢复其上肢的关节功能。

关键词：智能穿戴;上肢助力;康复机器人;系统设计

随着我国老龄化社会的迅速发展，脑卒中、骨折等病症的发病率逐年上升，该类病症患者的手臂肌肉功能自主恢复性差，间接影响患者肢体关节功能的恢复。近年来，我国重视医疗器械设备领域，针对各类患病群体的治疗器械的开发与研究不断推陈出新。国内外康复机器人、智能穿戴等领域的很多研究者在上肢类康复医疗器械领域做出大量工作。本文将对已有产品作出分析与特性研究，旨在设计一种能够减缓病人病体压力的智能可穿戴上肢助力机器人，并展望该类技术发展趋势。

1 上肢康复机器人的类型归纳

（1）姿势跟踪型。重庆大学研制的三自由度上肢运动康复助力装置，是一种利用步进电机驱动的多自由度机械臂系统，能够根据用户的运动意图辅助患肢完成取物等运动任务。该三自由度机械臂采用运动轨迹追踪、运动速度-时间等参数进行了编程设计，能够根据患者的肩、肘、腕部关节的运动生理性质，进行相应的阶段性控制。

（2）游戏沉浸型。广州弥德科技有限公司研制的智能裸眼VR康复训练系统，采用虚拟现实技术，设计了一种无需外骨骼式设备的虚拟场景操作训练系统，患者能够在系统中虚拟场景中，根据指示训练手、脑、眼三者的协调性。训练过后，系统可对患者进行数据采集，同时量化分析训练效果，分析训练数据，从而对患者的康复效果進行评估。

（3）刚体结构型。哈尔滨工业大学研制的五自由度外骨骼式上肢康复机器人系统，分别对用户的肩、部、部的关节屈伸、旋转动作进行分解，再由多个伺服电机实现对机械臂各个关节的运动控制。用户佩戴机械臂后，设备通过用户的行为动作采集皮肤表面机电信号，完成患臂的康复训练。

（4）认知训练型。上海卓道医疗科技有限公司研制的ARMGUIDER是一款在平面操作的上肢康复训练机器人，它能够有效的根据患者的不同患病情况，录制医生专业制定的恢复训练动作轨迹，有针对性的对患者的患臂进行康复训练，为患者提供了涵盖被动、助力、阻力及评估的训练模式。

（5）软体评估型。上海交通大学研制的智能软体康复机器人手套，突破传统外骨骼刚体机器人的局限，采用软体手套设计。该设备结合虚拟现实技术，增强了患者在康复过程中的训练趣味性，训练过后，系统会根据患者的运动过程集成数据，对患者的康复情况做出相应的评估。

2 已有上肢助力康复机器人的局限性

柔顺性差;便携性差;适配性差;[1]造价高昂。

3 一种智能穿戴式上肢助力机器人设计的提出

智能穿戴上肢助力机器人系统包含三个组成部分：上肢助力机器人主体结构、智能训练系统APP端、设备租赁系统电脑端。

（1）机构模型。智能穿戴上肢助力康复机器人结构分为两部分：助力结构;驱动结构。[2]助力结构主要包括：①分区模块;②刚体支撑;③柔性结构;④塑性支撑;⑤弹性绳;⑥弹性结构;⑦传感器与人体信息动态监测。驱动结构主要包括：①柔性束带;②固定结构;③电量显示;④驱动结构;⑤柔性贴身结构。

（2）智能康复训练系统设计。智能训练系统[3]根据患者的患肢复健需求与医师对患者的诊断指令设定视频训练模式，分为被动与主动训练两个阶段。被动训练针对患者脑卒中、骨折、偏瘫等骨骼受损病症恢复期，恢复期的骨骼常呈现习惯于石膏等材料长期固定的僵硬状态，患者佩戴上肢助力复健设备，能够在被动模式下缓慢移动患肢，肩部、肘部、腕部均可做小幅度的屈伸、旋转动作，阶段性的训练有助于恢复患者患肢的肌肉功能。主动训练针对老年恢复期，用户佩戴助力复健设备，根据视频指示，做对应动作，有助于提高用户手臂肌肉与关节的自主恢复性，减缓病体压力。

（3）设备租赁系统设计。助力设备租赁系统，构建患者/监护人—设备供应商—医生/医疗机构—保险机构之间的四方网络关系，便于用户对助力复健设备的提取与供应商对设备的管理。市场中现有的助力设备大多造价高昂，对普通的骨折患者来说，助力器仅在其复健恢复期起关键作用，产品的流通能够增强资源的使用效率，同时缓解用户的经济压力。租赁系统中，医生或医疗机构能够根据患者的患病情况选择供应商所提供的与病征相对应的助力设备，并设置使用期限，系统向医生方核对信息后，患者家属凭借医嘱中的设备编号领取，支付租金便可在租赁期内使用助力器。器械被归还后，设备供应商及保险机构核实是否损坏，对其进行定期的修理与维护。

4 上肢助力机器人的研究及发展趋势

（1）智能轻量化。现有上肢助力机器人多由设备、检测系统两大部分组成，刚体结构与柔性结构逐渐融合，将来向以简单机电和智能轻量化方向发展。

（2）移动医疗化。设备的结构与检测系统将一体化，[4]由外骨骼刚体趋向轻质可穿戴，更加注重机器人结构的便捷可移动。

（3）远程控制和网络服务化。为了适应患病人群的助力医疗康复需求，医疗资源将由固定模式向远程操控与网络服务发展，[5]实现技术共享的同时，调整医疗服务结构，使病人共享医疗资源。

5 结语

通过对上肢助力机器人的结构、功能等方面的现状分析，提出了一种智能穿戴上肢助力机器人系统设计。实体结构可以辅助上肢运动障碍患者实现患臂的屈伸、旋转运动，提高患者的康复率，系统构建了患者—监护人—医生—设备供应商的四方关系，密切四者之间的相互联系。后续研究将深入分析用户行为，根据人体测量学的具体数据对实体机构进行优化，并完成样机试验，为智能上肢康复机器人设计提供理论支持。

参考文献：

[1]何宏瑾，王跃林.柔性可穿戴生命体征传感器的研究进展[J].传感器与微系统，2018，37（07）：1-6+14.

[2]李向攀，韩建海，郭冰菁，张彦斌，赵菲菲，则次俊郎.基于柔性气压驱动器的可穿戴式腰部助力机器人研究[J].自动化学报，2016，42（12）：1849-1858.

[3]张绍婵，冯国忠.医药健康平台成员合作关系研究[J].卫生经济研究，2018（08）：34-37.

[4]马聪聪，李文锋.基于体域网和云服务的智能穿戴系统研究与实现[J].小型微型计算机系统，2016，37（04）：778-781.

[5]李小宁，郭钟华.气动助力医疗康复技术的现状及发展趋势[J].机械制造与自动化，2012，41（03）：1-5.