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用于上肢康复的外骨骼机器人：现状与未来前景
作者：Ho Shing Lo, Sheng Quan Xie
摘要：
目前的卫生医疗领域正在努力为中风患者提供最佳的康复治疗服务。这促使了研究人员探索使用机器人外骨骼设备来为肢体功能障碍患者进行治疗的可能性。 本文综述了上肢外骨骼康复机器人治疗神经肌肉疾病患者的最新进展。 首先，本文将对康复机器人进行简要介绍以及对现有商用设备进行示例说明。 并进一步描述肢体外骨骼技术和开发这些设备的基本挑战，最后将讨论和发散未来研究的潜在领域。
关键词：外骨骼，上肢，康复机器人，物理疗法，中风治疗
正文：
- 导言
中风和肌肉萎缩是造成成人肢体残疾的主要原因。通过中断血液流向大脑而导致的脑细胞致命损伤是引起中风的重要原因。中风患者可能会在身体的一侧留下瘫痪的症状或导致部分肢体力量缺失（偏瘫），同时也可能导致影响日常生活（ADL）的记忆损伤问题。 康复训练是治疗这类残疾的主要方法，一个曾经历过中风的患者需要重新对四肢进行训练以达到恢复自理能力的目的。
在新西兰，每年会发生大约6000例的中风案例，其中有约三分之二的病例是非致命的。新西兰中风基金会估计2011年新西兰的中风患者会达到45,000人。此外，随着新生代的生育潮，人口持续增加，人们的寿命也在不断提高，预计未来几十年人口中老年人的比例会急剧增加。 因此，该基金会预计中风患者的数量在未来会持续上升。
一种有希望的患者治疗方法是在物理治疗中应用基于任务的锻炼。有证据表明，专门设计用于治疗失去能力的基于任务的治疗比阻力加强训练能够产生更好的结果[5]。然而，使用手动治疗方法难以实现基于任务的现实练习。外骨骼能够同时准确控制多个关节，使他们能够为患者提供更逼真的基于任务的锻炼。此外，研究发现，当患者在强化和频繁的运动中进行自愿努力[72]时，治疗更有效[5]，就像休闲运动一样。将治疗练习纳入虚拟游戏可以使治疗更加愉快，从而激励患者付出努力并鼓励更多的锻炼。此外，虚拟现实的使用使得能够执行更逼真的基于任务的练习。使用虚拟游戏提供治疗练习的概念已经与许多外骨骼一起使用[17,23,39,56,57]。下一步是根据物理治疗原则设计游戏，并允许调整游戏以更好地匹配患者的运动缺陷水平。在未来，这个概念可以扩展到教导健康人更复杂的运动，例如运动或职业任务。在娱乐领域，外骨骼可以提供更具互动性的游戏体验，其中玩家手臂的运动可以由游戏角色的手臂模仿，并且玩家可以通过外骨骼感受到游戏角色的物理交互。
康复治疗训练的过程可能会伴随着中风及肌肉萎缩患者的一生，因此这也意味着康复治疗的花费可能是巨大的。然而由于缺乏完备的医疗康复训练服务，许多被认为有助于加快恢复速度的因素都没有得到有效的利用。在中风之后迅速采取康复训练措施,得到的恢复效果可能是最好的。然而由于客观条件的限制以及人们意识的缺乏,许多患者没能在患病之后及时得到治疗以及训练。此外,相关研究也发现了密集的物理康复治疗及基于日常生活的常规锻炼对改善肢体障碍患者的运动功能有着显著效果。跟踪案例显示,中风患者的肢体活动功能训练可能会持续数年.而随着中风患者人数的持续增长,由于劳动力缺失可能会导致患者的康复训练成本越来越高.而外骨骼机器人技术的应用则有可能满足患者的康复训练需求,最终降低治疗成本.这些外骨骼机器人专门为肢体障碍患者而设计,具有与人类肢体相似的运动结构.
与人工治疗相比，外骨骼可能提供更长时间的持续康复训练服务,并且不受治疗师的技能水平影响。 外骨骼也无需治疗师的存在，在提供更加频繁紧凑的治疗服务的同时,也能极大的减轻患者康复治疗的成本。 另外，外骨骼也能通过精确的定量数据对患者的病情进行评估。 例如在针对肌肉萎缩患者而特别设计的虚拟游戏中,使用外骨骼可以提供更加有趣的疗法,从而促使患者主动进行康复训练.
本文回顾了近期针对上肢功能训练的外骨骼机器人研发进展,此文献的数据主要来源于Scopus数据库.首先,笔者将简要介绍一个康复医疗机器人与商业结合的例子, 随后对上肢外骨骼机器人发展的基本挑战进行描述,最后对康复机器人在未来的应用领域进行展望.
- 上肢康复机器人
早期关于上肢机器人治疗的研究是基于”末端执行器机器人”。”末端执行器机器人”会握住患者的手或前臂,在接触点产生力（图1a）。然而末端执行器机器人的关节与人体肢体关节并不完全匹配。这种类型的机器人原理较为简单，制造成本也更低,同时它可以被灵活调整以适应不同患者的手臂长度。然而，仅通过一个接触面确定上肢的姿势是比较困难的，特别是如果接触点在患者手上。控制特定上肢关节处的扭矩大小也是不可能的，这会导致上肢关节处的扭转不受控制,从而导致使用者进一步受伤.因此,使用末端执行器机器人可以实现一些简单的独立关节运动.而人体上肢的运动往往是多关节组合的复杂运动,此时末端执行器机器人则显得力不从心.因此末端执行器机器人技术在上肢康复训练中具有一定局限性. 使用末端执行器机器人技术的例子包括麻省理工学院研发的MIME和GENTLE系列机器人.广泛的临床测试证实了此项技术在一定范围内的应用非常有效.同时,这些测试结果也证实了外骨骼机器人在医疗康复中的应用前景非常广,具有相当大的研究价值.
最近，机器人治疗的研究方向已经转向了外骨骼机器人领域。 外骨骼有着类似人体上肢的结构，机器人的关节轴与人体的关节部位相匹配。 外骨骼附着在人体上肢之上,并与人体上肢并排进行活动, 然而这项技术也有着相当大的短板, 其让机器人更难以适应不同的人体臂长.这项技术的优势是外骨骼的多个连接处可以较好的适应人体上肢的活动并与之匹配。 外骨骼可以通过芯片计算来自动调整某些关节的扭矩,以此来对患者的特定肌肉进行针对性训练。此外,这项技术与末端执行器机器人相比,更大的活动范围也使其的应用情景更广.
目前市场上有许多应用于上肢的康复设备。其中一款结构比较复杂的商用康复设备为Armeo旗下的产品（HocomaAG，瑞士）。其中包括7 DOF ArmeoPower高效外骨骼、ArmeoSpring被动外骨骼和ArmeoBoom吊索悬挂系统。 ArmeoPower的研发基于ARMinIII exoskeleto技术，并将于2011年底上市ARMin III的临床试验已经完成。其他的商用设备案例包括MPower臂支架（Myomo Inc.，马萨诸塞州）、1 DOF便携式手臂支架（使用对二头肌和三头肌测量产生的电子肌电图信号为枢纽，对肌肉肘屈曲/伸展进行辅助扭矩）。以及Hand Mentor（Kinetic Muscles Inc.，Tempe AZ），一款用于手腕和手指康复的可穿戴设备，由手部肌肉提供力，位置和肌电信号反馈。另一款较为成熟的商用外骨骼设备为HAL-5（CYBERDYNE Inc.，日本），它是一个完整的躯体外骨骼助力设备。该设备使用EMG信号来产生辅助扭矩。目前，HAL-5 仅在日本国内发售。商业终端效应器康复机器人的例子包括InMotion 机器人（Interactive Motion Technologies Inc.，Boston，MA），Biodex System 4机器人（Biodex Medical Systems Inc.，纽约），以及HUMAN NORM外骨骼机器人（SCMi，Stoughton，MA）和CON-TRES MJ助力系统（CMV AG，瑞士）.
3.上肢康复机器人的研发进展
3.1外骨骼关节
外骨骼需要在人体手臂旁产生与上肢类似的动作。上肢外骨骼除手指外实际上总共有9个自由度（DOF）关节。肩部复合体的盂肱关节是一个球窝关节，使肱骨能够旋转。这些运动通常被称为肩部屈曲/伸展，外展/内收和内侧/外侧旋转。
胸锁关节有2自由度，通常被称为肩高/俯退和收缩/伸展，其运动方式为移动盂肱头。至此肩部共有5个可活动的结构。一个有趣的现象是肩膀上旋与前倾这两个动作通常会同时发生（图2）。肘部关节的活动能够达到2自由度，即肘关节的屈曲/伸展和前臂的内旋/外旋。腕关节具有2个自由度，即腕关节的屈曲/伸展和径向/尺骨偏移。研究表明，两个自由度（2 DOF）的运动范围通常是通过四个不同的关节轴产生的，例如腕部屈曲轴与延伸轴的同时运动，和径向偏离轴与尺骨偏离轴的同时运动。但是，如果2个DOF各自都有一个单独的活动轴，则会在两个正交轴之间存在约5mm的轻微偏移。这个偏移使得机械外骨骼应用在人体上具有了可行性。SUEFUL-7外骨骼即是基于这一项特性进行研发的.
研究人员目前已将更多的可活动关节结合到外骨骼的设计中，从而允许更多种类的上肢运动。 当前大部分的上肢外骨骼的研发仅专注于肩部、肘部或腕部运动. 近日，有几位研究人员开发了一款外骨骼，其中可以执行的动作包括肩关节和胸锁关节部位的复杂运动。 MGA [23]ARMin III（图3c）和IntelliArm [24]已经实现用于肩部抬高/下降的制动DOF。 MEDARM包括肩部抬高/下降和缩回/伸展，允许肩部活动达到5个自由度。 其他研究团体则选择使用被动胸锁关节的自由度屈展[22,24,26]。 被动DOF在允许胸锁关节自由活动的同时，又能最大程度地消除活动时产生的阻力.
大多数上肢外骨骼都覆盖了从肩关节到腕关节的自由度运动。目前上肢康复设备已经能够应用于手指部位[41]，肢体外骨骼可用于肩部，肘部，腕部的运动。在许多外骨骼设备中，除了DOF之外，IntelliArm还为开启和关闭扭矩助力提供了手动开关。
3.1.1 机械奇点问题
具有多个旋转接头的机器人可能导致DOF丢失。这类情况通常发生在两个旋转接头的轴线彼此对齐的配置中。在7DOF上肢外骨骼的情况下，奇点可能出现在肩关节万向节的两个旋转轴关节对齐以及肩胛内侧/外侧旋转轴与前臂内旋/外旋轴在完全肘关节伸展时对齐的情况[30]。后者可以通过将外骨骼连接到使用者的上臂和前臂来解决，使得内侧/外侧旋转的角度位置可以与内旋/外旋相区别。然而，这种方法不能用于外骨骼肩关节的单一构型。 CADEN-7 [30]，MGA [23]和MEDARM [25]外骨骼的设计使得肩关节的单一构型不干扰执行康复训练任务的姿势。由于在上肢工作空间内仍然可能发生偏差，因此并不能完全解决问题。
3.1.2. 多余DOF的使用
外骨骼和人体肢体之间的误差连接可能导致许多问题，例如产生意外的相互作用力和不准确的传感器测量。一些研究小组通过将多余的DOF纳入外骨骼结构来减少错位程度[22,24,26]。这些关节可通过人为操作进行自由平移或旋转。通过将这些整合到外骨骼结构中，错位引起的相互作用力将误差调整到最小值。换句话说，外骨骼结构可自动纠正错位。如3.1节所述，有几组使用多余的DOF进行胸锁关节活动。这可能是一种可行的方法，因为胸锁关节运动较小。在胸锁关节活动时，多余的DOF将外骨骼的肩关节与使用者的盂肱关节对齐。然而，由于其被动性，使用该方法无法产生胸锁关节的力。除了纠正错位之外，多余的DOF还可用于其他目的。使用额外的DOF可以为机械奇点问题提供解决方案，降低运动期间的关节速度，并允许调整机器人的大小以匹配用户[42]。
3.2 人机界面
由于外骨骼与人体肢体物理结合，因此有效的HRI至关重要。文献中描述的装置很少考虑机械HRI的位置和接触区域的尺寸，因此选择对压力具有高耐受性的界面位置可以提高用户的安全性和舒适度[43]，避免具有高软组织的位置可以将设备更稳定的附着于表面，从而更好地传递负载力。此外，还需要在HRI处对软组织的机械特性进行建模，并将其结合到控制模型中改善控制性能。
适用于外骨骼的其他接口包括EMG，视觉和触觉接口。使用EMG信号的外骨骼在第3.5节中讨论。视觉传感器被用于辅助外骨骼的控制，如Kiguchi等。Baklouti等人研究的辅助外骨骼，根据声纳传感器和立体摄像机获得环境信息并修改外骨骼的运动模式[44]，同时提出了使用面部和嘴部动作作为外骨骼控制命令的设想[45]。目前的外骨骼向使用者的皮肤提供触感的触觉界面有限。卡普尔等人使用振动致动器在使用者手臂的不同位置产生震感，引导其进行康复运动[46]。德罗西等人一直在开发使用电活性聚合物的可穿戴设备，这种聚合物允许应变传感和驱动[47]。虽然这些触觉设备不是外骨骼，但是它们的特征可以集成到外骨骼中以达到增强康复的目的，尤其是在虚拟游戏和锻炼中。
3.3 驱动
大多数现有的上肢外骨骼由电磁马达驱动。最近，人们开始使用气动肌肉致动器（PMA）。 PMA执行器只能通过收缩产生张力，因此每个DOF通常使用一对PMA来产生双向运动[48]。 PMA与电磁电机相比具有几个优点，其中最重要的是其高功率重量比。 PMA的柔软性使外骨骼符合要求并且穿着更安全。然而，PMA表现出非线性致动特性，使得其更难控制。它们还具有相对较低的5Hz带宽，这限制了它们响应命令信号的速率。考德威尔等人已经发现，通过添加填充材料并确保有效的气流，以及减少PMA内的流失体积，可以将带宽增加几倍[49]。文献中的几个上肢外骨骼均使用了PMA [35,37,50]。RUPERT IV外骨骼（图3b）是一个便携式外骨骼，使用不成对的PMA为上肢的5 DOF提供运动[37]。然而，由于每个DOF仅使用一个PMA，因此只能在一个方向上对关节进行制动。市面上的Hand Mentor即使用了PMA来致动腕部屈曲/伸展运动。
与外骨骼相关的其他致动器有智能材料。De Rossi等研究人员将电活性聚合物材料整合到可穿戴设备中[47]，开发出一种具有传感器的衬衫和手套，使用导电弹性体传
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