康复外骨骼机器人的研究现状及发展趋势探讨

康复外骨骼机器人的研究现状及发展趋势探讨

作者：刘恒白泽杨陈俊宇李博皓魏俏俏

来源：《机电信息》2020年第09期

摘要：康复外骨骼机器人是一种可穿戴的、模仿人体生理构造的医疗机械装置，穿戴于患者肢体外侧，辅助患者进行日常活动和康复训练。近年来，人工智能、传感、生物医学等先进技术不断发展，吸引了国内外各科研院所、机构对康复外骨骼系統进行进一步的研究。现阐述国内外不同控制方式的外骨骼机器人的研究现状，并对康复外骨骼机器人的发展趋势进行分析和总结。

关键词：康复外骨骼机器人;现状;趋势

0 引言

“外骨骼”（Exoskeleton）这一名词最早来源于一个生物学概念，指的是昆虫等节肢动物的身体结构。随着人工智能、传感、生物医学等先进技术的不断发展，外骨骼机器人技术于近20年间取得了空前进步，且广泛应用于医疗、军事、工业等领域。早期对于外骨骼机器人的研究主要是为了提高士兵的行动和负重能力，而随着医疗需求的不断增长，在全球老龄化趋势加重的背景下，康复外骨骼机器人成为世界各国研究的新方向。这类装置不仅是中风、脊髓损伤引起的运动障碍康复训练的重要技术手段，还能够帮助卒中患者、脑外伤患者解决行走障碍等问题，因而应用潜力巨大。

目前，康复外骨骼机器人种类繁多，厂家主要有以色列的ReWalk公司、美国的Ekso Bionics公司、日本的Cyberdyne公司、Honda公司和新西兰的Rex公司等。我国对康复外骨骼下肢助力机器人的研究始于21世纪初，目前正处于起步阶段。各研究机构在参考借鉴国外先进康复外骨骼助力机器人的基础上，加以自身的创新与研发，已有不少康复外骨骼助力机器人样机问世，也有相当不错的表现。

1 国外研究状况

日本筑波大学Cybernics研究中心于1995年研制的原型机HAL（Hybrid Assistive Limb）是一款较早的外骨骼动力服。该外骨骼机器人的设计初衷是帮助年迈者和残疾人进行康复运动[1]。该康复外骨骼机器人本质上是一种可穿戴式行走用机器人，当使用者试图行走时，大脑会通过神经向肌肉发送电生理信号，HAL通过传感器可以在人体的皮肤表面捕捉到这种电信号，并激活伺服系统，驱动电动马达迅速动作。在HAL的帮助下使用者不仅可以进行正常的日常生活，还可以完成攀爬、抓握、举重物等高难度动作。2004年，山本嘉之教授创立了Cyberdyne公司并推出第5代产品HAL-5，如图1所示。与其他普通康复机器人不同的是，患者使用普通康复机器人只能做被动式运动，对神经回路的刺激作用有限;而HAL采用的是主动性训练，通过机器对神经回路的刺激，患者逐步重建大脑和肌肉运动的关联，进而实现自力行走[2]。

2009年，美国伯克利仿生公司与洛克希德·马丁公司共同利用HULC技术开发出智能仿生康复外骨骼机器人eLEGS，旨在帮助残障人士恢复行走、站立等功能。eLEGS康复外骨骼机械系统通过肩部背带、背包式夹子和粘扣带等与人体相连，同时机械框架上安装有电动机和传感器，整体质量为20 kg[1]。2011年，该公司更名为Ekso Bionics，其产品eLEGS也更名为Ekso GT，如图2所示。Ekso GT配备有智能的Variable Assist软件，为患者身体两侧提供需要的动力，并能在整个护理过程中激发患者的潜能。2016年，该产品通过美国食品及药物管理局（FDA）的许可，成为首个获得FDA许可的用于中风及偏瘫患者的外骨骼设备。

2011年，以色列ReWalk Robotics公司研制出ReWalk Personal个人版和ReWalk Rehabilitation康复版两款产品，前者主要适合在家庭、工作等社交环境中使用，通过传感器和监控器的反馈，协助患者站立、行走和爬楼;后者主要用于治疗中心的临床康复，为瘫痪患者提供运动和康复疗程。ReWalk受先进的腕戴控制器控制，可监测和引导患者的行走;同时配备有体感芯片，在行走过程中能实时感应患者重心的变化，让步进电机产生正确的转向，并能根据实际情况调整行走的速度与姿态。2015年，ReWalk Robotics推出了第六代个人版产品ReWalk Personal 6.0，如图3所示。为了减少患者佩戴的负担，ReWalk Personal 6.0使用了更为轻盈的塑料材质，并将背负式电池仓改为安装在臀侧部位，在降低负重感的同时增加了穿戴舒适度和步态控制能力[3]。

2007年，新西兰Rex Bionics公司研制出一种无支撑式独立行走康复外骨骼机器人Rex，如图4所示。Rex采用多处尼龙搭扣和宽腰带将患者的身体和外骨骼装置固定在一起，并用腰

间的两个操纵杆进行姿态控制，与其他所有康复外骨骼机器人不同的是，Rex康复外骨骼机器人不需要拐杖支持，患者可利用双手工作或进行其他活动，适用于更广泛的用户群体[4]。

在2018年的CES Asia上，本田展示了一款新研发的康复外骨骼设备“Honda步行助手”（Honda Walking Assist），如图5所示，主要针对医疗体系里需要康复训练的患者以及行动不便的老年人而设计。Honda步行助手分为腰带和外骨骼两部分，内嵌的角度感应器可以感知到步行时髋关节的运动，实时传输至处理器内进行分析，引导髋关节的屈曲使下肢摆动，并引导伸展动作使下肢踢出。在整个行走过程中，Honda步行助手可以记录使用者的步行参数，包括双腿步距、步频、摆角等信息并与手机APP相连，方便医生和医护人员查看，进而纠正和帮助使用者行走。

2 国内研究状况

哈尔滨工业大学自2010年开始，在国家“863计划”等项目的支持下，研制了多种用途、不同系列的外骨骼机器人[5]。其中，下肢助力外骨骼机器人是一种供人穿戴的人机一体化机械装置，如图6所示，其通过机器人提供助力，增强人体肌能，适合助老助残或辅助重体力劳动者的日常作业，还可以作为一个子系统被应用到多种领域，如地震救援系统、单兵作战系统、极地科考系统等。同时，研究团队未来将在刚柔系统设计、多传感智能融合、人机智能交互、脑机智能控制等方面开展深入研究，使外骨骼机器人真正进入实用领域。

2011年，中科院和中国科学技术大学共同研制出了一种下肢外骨骼机器人[1]，如图7所示。该外骨骼机器人在人体下肢的髋关节、膝关节、踝关节、足底等部位设置了相应的自由度，并在膝盖和髋关节等位置配备传感器和编码器，外骨骼机器人“读懂”使用者的思想后，控制机器人相应的伺服电机转动，带动腿部运动，从而帮助使用者行走。

尖叫科技公司成立于2015年，是一家致力于人工智能外骨骼机器人研发的高科技企业。2016年，该公司设计了一种开放式康复外骨骼机器人，如图8所示，该平台主要由两部分组成：由环境传感器、人体传感器和动力结构构成的硬件，由人机交互指令与算法和云端引擎构成的软件。该装置续航能力强，持续工作时间至少一周，具有身随意动的自动反应能力和承载能力，并且可以实现随动行走、爬坡爬楼、自平衡等基本功能。未来，尖叫科技公司项目的目标是尽快超越ReWalk，实现无需拐杖辅助的自平衡康复外骨骼机器人制造[6-7]。

3 发展趋势

虽然目前各国在康复外骨骼助力机器人的研制上成果丰硕，并已少量投入市场，但大多数康复外骨骼机器人尚存在成本较高、设备笨重、智能性和可靠性较低等缺陷，距离大规模市场化差距较大。随着人工智能、传感、生物医学等先进技术的高速发展，新型康复外骨骼机器人将朝着成本亲民化、高度智能化、轻型柔性化等方向前进。