下肢外骨骼康复机器人的研究现状和发展趋势

李薇，郑鹏远，4，丁婵婵 ，李鲁亚，李立国，，4，张凌曦

（1.郑州大学第五附属医院，河南 郑州 450001；2.郑州卫生职业健康学院，河南 郑州 450001；3.郑州安杰莱智能科技有限公司，河南 郑州 450001；4.遵义市院士工作中心，贵州 遵义 563000）

下肢外骨骼康复机器人是机器人领域的一大热点分支。随着现代医疗水平的高速发展与提高，脑中风、脑外伤和脊髓损伤导致的死亡率相对降低，人均寿命普遍延长。然而，随之而来的人口老龄化问题日益凸显，脑血管病和脊髓损伤等疾病带来的致残率也在逐年升高，相关的康复治疗需求随之日益增加，尤其对于疾病引起的偏瘫，截瘫等下肢功能不全的患者的主动与被动肢体功能改善、代偿与替代问题。最近的研究表明，中枢神经系统可以在受伤后进行修复重组，在神经功能恢复方面，有意义的神经组织重组取决于康复训练期间的运动情况。但只凭借康复医师与康复治疗师的人工康复治疗训练，会受到治疗成本高、实施场地与设备要求严格和医患比例紧张的制约而带来不太理想的治疗效果。因此，对于不断增长的康复训练服务需求，康复机器人技术致力于解决传统康复治疗的弊端。下肢外骨骼康复机器人可设计用于临床提供给完全或不完全下肢肢体功能不全的患者进行肌肉训练，促进患者恢复运动与感觉功能，提高神经可塑性，代偿或替代失能下肢功能，提高患者的日常生活活动能力，帮助患者重返家庭和社会，提高其生活质量和幸福指数，从而减轻家庭与社会的沉重负担。此外，下肢外骨骼机器人也可转化为助力工具，设计应用于正常的健康人群，帮助战场士兵和各个需要承重行业的工作人员完成快速行进运动与承重负荷卸荷的作业任务。因此,下肢外骨骼机器人研究与发展对于医疗、军队与日常生活有着深远的积极意义。本文主要介绍下肢外骨骼康复机器人的国内外研究现状，论述其目前存在的问题，展望其发展方向。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

有关于康复医疗机器人的研究最早可追溯至1890年，俄罗斯人Yagn 以空气包为动力，设计了一款用于增强健康人跑跳能力的类外骨骼辅助行走装置—Assisted-Walking Device，并申请了专利。虽然该项目装备未能成功进入实施实用阶段，但这个概念想法激发了人们对外骨骼康复机器人在增强人体运动机能方面的思考与研究。1960 年，最早的外骨骼机器人概念与相关项目出现。1965 年，美国通用电气公司与康奈尔大学合作研制出的全身外骨骼机器人Hardman，包含了30个关节自由度，使用者可举起约1500 磅的重物，极大展现了外骨骼机器人在提高人类行走与负荷能力的可能性。1974 年，南斯拉夫科学家Vukobratovic，M 系统地提出了下肢动力外骨骼设计理论与方法，研制出了用于截瘫患者的外骨骼试验机—Active anthropomorphic exoskeleton，对之后的外骨骼康复机器人的研究奠定了深厚的基础。20 世纪80 年代，外骨骼机器人的研制与应用得到了全球普遍的高度重视。外骨骼康复机器人在医疗、工业与军事领域开始了全面发展。2001 年，瑞士苏黎世联邦工业大学医学院与HOCOMA 公司合作研制出的减重式腿部驱动下肢外骨骼康复机器人Lokomat，在康复机器人领域实现了一个阶段性的质的飞跃。该装置电机与滚珠丝杠组合作为驱动输入机构，使用跑步机与患者的双足进行交互，进而带动使用者的大小腿做有规律的周期性摆动，使得使用者拥有更自然的行走体验。作为同类产品的先驱，Lokomat 实现了多种主被动训练策略，是一款能够提供即时反馈与评估的步态训练机器人，对中风、脊髓损伤、创伤性脑损伤、多发性硬化症等神经系统疾病患者有良好的康复效果。但其动力模型复杂，操作较为困难,并且存在体积过于庞大，价格昂贵等一系列问题，远远超过大部分患者的承担能力。2006 年，由德国WOODWAY 公司研发的名为Lokohelp 的下肢康复训练机器人，在跑步机传递运动的设计思想基础上运行。与Lokomat 相比，Lokohelp 的结果和步态评估系统与Lokomat 相似，但其成本明显降低，驱动方式也更加简便。然而，LokoHelp 装备的足部训练轨迹固定且较难调整，无法改变步长，是它的一个标志性的缺点。

进入21 世纪，国外的外骨骼机器人技术已经逐步达到全面发展的阶段。从研发到应用，目前外骨骼机器人的研究发展已经走过了一百年。虽然众多企业高校尚处于研究开发与临床试验阶段，但仍有部分公司已经开始实现外骨骼机器人的市场产品化发展，可移动式外骨骼机器人逐渐打开市场。其中以美国的研究规模最大，技术较为发达成熟，其次为欧洲，日本等。当前，有5 种此类系统已获得美国食品药品监督管理局(US Food and Drug Administration,FDA)批准，允许其在美国生产使用：分别为以色列Barrett Medical的Rewalk， 美国Ekso Bionics 的Ekso GTTM、 美国Parker Hannifin 公司的IndegoTM、日本Cyberdyne 公司的Hybrid Assisted Limb(HAL)和美国SuitX 公司的可穿戴下肢外骨骼机器人Phoenix。每个系统都有特定的包含和排除标准，并且已经在不同的环境中进行了测试。以上五种外骨骼康复机器人都属于II 类医疗设备。ReWalk和Indego的系统已获批准在社区和机构中使用，而Ekso 已被批准在仅受过训练的医疗监督的医疗机构中使用，尚未在美国获得批准。HAL 于2018 年正式获得美国食品及药物管理局(FDA)批准。Phoenix 已于2019年获得FDA 批准，计划2020 年上市。

1.2 国内研究现状

我国在外骨骼机器人研发与应用方面起步较晚，21世纪初才开始陆续进行研发。但随着我国综合实力的提升，机器人研制技术的愈发成熟，已经有出现一批专门研发外骨骼机器人的公司，并将所研发的机器人投入市场商业化。并且随着国内5G 技术，主动健康技术和3D扫描打印技术的快速发展，我国在康复机器人的研制开发与商业化方面有望弯道超车欧美与日本相关领域，步入世界领先梯队。目前，在穿戴式下肢康复机器人方面，我国取得一定研究成果的单位有北京大艾机器人科技有限公司、杭州程天科技发展有限公司、中航创世机器人（西安）有限公司、布法罗机器人科技（成都）有限公司、上海傅利叶智能科技有限公司、尖叫科技有限公司、中国科学院深圳先进技术研究所、浙江大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、香港中文大学、东南大学等。当前已有4 家公司获得国家食品药品监督管理总局(China Food and Drug Administration, CFDA)批准，分别是北京大艾科技公司、布法罗机器人科技公司、中航创世机器人公司和杭州程天科技发展有限公司。整体来讲，国内的相关外骨骼机器人团队均取得了一定的研究成果，但距离市场化销售还有一段距离。

2 存在问题、发展趋势

2.1 存在问题

下肢外骨骼康复机器人已成为当前研究热点，国外研究起步早，技术较为成熟，国内处于起步阶段，技术亟待突破。目前存在的主要问题如下。

（1）下肢外骨骼机器人实际推广应用困难。目前，下肢外骨骼机器人的人机耦合技术、可穿戴性、成本问题是制约下肢外骨骼康复机器人发展推广应用的瓶颈问题。虽然下肢外骨骼康复机器人的研究发展日新月异，大量国内外研究机构和企业投入该领域的研究，但是，下肢外骨骼康复机器人仍处于人机被动交互模式，重量高于20kg、灵活舒适穿戴性差，每台价格高达350 万人民币，导致下肢外骨骼康复机器人的推广与应用实际上仍处于实验室阶段或是极少数人的昂贵消费品。

（2）基于主动健康技术的大脑主动意图识别与控制技术亟待突破。在国内外下肢外骨骼康复机器人研发领域中，基于主动健康技术的大脑主动意图识别与主动运动控制技术是当前的核心热点技术，该技术能够实现患者大脑主动运动意图控制下的失能下肢主动运动，真正实现患者的独立行走与生活自理，在下肢外骨骼康复机器人研发领域具有革命性的意义。目前，全球仅有日本公Cyberdyne 掌握该技术，但该公司研发的HAL 设备针对个体大脑主动动作意图适配需要60 天，严重影响患者使用。并且HAL 仅限于日本和欧美地区销售，对我国形成技术垄断和技术封锁，产品生产亟待国产化。

（3）5G+智慧技术优势未能够充分发挥。5G 无线传输网络具有高速、高频传输，稳定性强的优势，直接带动了物联网的发展，这为下肢外骨骼康复机器人实时无线物联链接创造了成熟条件。同时，数据挖掘处理技术、机器深度学习、AI 智能技术等智慧技术的迅猛发展为下肢外骨骼康复机器人相关信息数据库的建设、大数据融合处理及智慧控制等功能的实现打下了技术基础。5G+智慧技术在下肢外骨骼康复机器人领域应用具有广阔的空间，是当前康复工程领域发展的必然趋势。但目前下肢外骨骼康复机器人行业整体仍未能充分利用5G+智慧技术的优势。本项目团队基于5G+智慧处理技术，拟实现下肢外骨骼康复机器人与患者、康复师和技术支撑平台实时在线沟通和信息共享，并建立患者健康信息和设备使用信息大数据库，采用数据驱动技术，实现康复治疗方案和设备性能持续优化。

2.2 发展趋势

基于上述问题，下肢外骨骼康复机器人的研发将呈现以下发展趋势。

（1）采用3D 扫描打印技术与创新材料，降低下肢外骨骼康复机器人自重，实现轻量化可穿戴式设计，大幅生产成本，实现下肢外骨骼康复机器人的规模化推广与应用。

（2）攻克基于主动健康技术的大脑主动运动意图识别与控制技术，使下肢外骨骼康复机器人快速准确识别并执行使用者大脑主动动作意图，实现失能或半失能下肢实时主动运动。

（3）集成5G+智慧处理技术，实时采集使用者康复治疗动态信息和外骨骼机器人自身运行信息，自动生成高效训练方案，建立相应大数据库，基于数据驱动技术，实现患者治疗方案与装备性能持续优化。

3 结语

国外在下肢外骨骼康复机器人领域发展较早，技术较为成熟，并且相对于国内存在一定技术垄断的问题。我国关于下肢外骨骼康复机器人的研究起步相对较晚。但近年来随着我国主动健康技术、5G 智能网络技术和3D 打印技术的迅猛发展，国内机器人相关领域技术不断成熟，我国在下肢外骨骼康复机器人领域得到了全方位的高速发展，在一定程度上取得了丰硕的成果，并逐渐缩小与国外下肢外骨骼机器人领域之间的差距，甚至在有些方面开始逐步赶超国外。外骨骼的控制方法、对人体下肢运动的跟踪技术与人机耦合技术还有待研究，目前国外的研究也主要集中在这方面。为了更好地实现康复训练，我国在可穿戴下肢外骨骼康复机器人领域的研发上应注重人体意图识别方法，融入5G ＋智慧处理技术，并建立完善的康复评价大数据库。整体上提高穿戴下肢外骨骼康复机器人的功能、性能和安全性，同时，降低下肢外骨骼康复机器人的成本，更好更快地推向市场发展，使得下肢外骨骼康复机器人更多地帮助康复医师和患者，在康复医疗领域普遍使用将是一个亟待进行的发展趋势。