外骨骼康復(fù)機器人的主要核心技術(shù)

外骨骼康復(fù)機器人是康復(fù)機器人領(lǐng)域技術(shù)壁壘和智能化水平較高的機器人，產(chǎn)品涉及傳感、控制、機械動力、人機交互、工業(yè)設(shè)計等多個交叉領(lǐng)域，涵蓋人體生物力學(xué)、人體工程學(xué)、神經(jīng)電生理、臨床醫(yī)學(xué)等學(xué)科。

（一）驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)

外骨骼康復(fù)機器人的動力驅(qū)動系統(tǒng)至關(guān)重要，從驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)來看，外骨骼康復(fù)機器人可以分為電機驅(qū)動、氣缸驅(qū)動、液壓驅(qū)動以及氣動人工肌肉驅(qū)動等幾種主要類型。各類型驅(qū)動系統(tǒng)的特點、優(yōu)勢與劣勢如表１所示。日本筑波大學(xué)的ＨＡＬ、美國Ｙｏｂｏｔｉｃｓ公司的Ｒｏｂｏｋｎｅｅ、中科院常州先進制造研究所２０１４年研制的外骨骼機器人ＥｘＯＰ，采用的是電機驅(qū)動方式。氣缸驅(qū)動方式在外骨骼機器人上應(yīng)用較少，意大利研制的ＰＡＧＯ機器人、日本神奈川大學(xué)的ｗｅａｍｂｌｅ?。校铮鳎澹颉。粒螅螅椋螅簟。樱酰椋簦捎玫氖菤飧昨?qū)動方式。美國的ＢＬＥＥｘ外骨骼機器人、美國洛克希德·馬丁公司的全身外骨骼機器人ＨＵＬＣ、美國雷神公司的ＸＯＳ系列外骨骼機器人，采用的是液壓驅(qū)動。美國哈佛大學(xué)Ｂｉｏｄｅｓｉｇｎ?。蹋幔鈱嶒炇议_發(fā)了一種新結(jié)構(gòu)的氣動人工肌肉，美國ＦＥＳＴＯ公司推出了仿生氣動肌腱系列產(chǎn)品，并提供了相應(yīng)的應(yīng)用解決方案。

（二）人體運動意圖識別技術(shù)

運動意圖識別是實現(xiàn)仿生肢體控制的前提和基礎(chǔ)。如何正確識別穿戴者的行為和意圖是外骨骼機器人研發(fā)的一個重要課題。目前主要方式包括通過腦電或肌電信號，以及通過慣性測量單元及壓敏傳感器為代表的機械傳感器。為了識別幾種常見的運動模式，需要將從傳感器收集到的數(shù)據(jù)集輸入到分類算法中，構(gòu)建分類器；當(dāng)信號輸入到分類器時，分類器將輸出識別結(jié)果。針對外骨骼機器人意圖識別技術(shù)，負(fù)重外骨骼助力機器人多采用足底壓力傳感器檢測步態(tài)，而康復(fù)外骨骼助力機器人多采用多種傳感器混合檢測步態(tài)。上述識別方法都存在容易受到人體干擾、判斷準(zhǔn)確性不足以及無法精確跟隨人體意圖的問題，因此外骨骼機構(gòu)與穿戴者協(xié)調(diào)運動仍是急需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

（三）人機協(xié)同控制技術(shù)

外骨骼要能成功復(fù)現(xiàn)人體運動，必須具備和人相當(dāng)?shù)目煽刈杂啥取；谝鈭D識別結(jié)果，實現(xiàn)人機協(xié)同行走控制是外骨骼機器人關(guān)鍵技術(shù)之一。目前主要有以下幾種控制方法：基于靈敏度放大的控制方法，基于預(yù)定步態(tài)的控制方法，基于預(yù)定步態(tài)的驅(qū)動控制方法、混合控制方法。在各類協(xié)調(diào)控制方法中，對于外骨骼負(fù)重機器人，應(yīng)用靈敏度放大控制策略效果最好，而對于外骨骼康復(fù)機器人，應(yīng)用預(yù)定步態(tài)控制策略相對更加成熟。外骨骼康復(fù)機器人需要提高協(xié)調(diào)控制、遞進反饋等功能，優(yōu)化人機兼容特性，幫助患者更好地完成自主訓(xùn)練。

（四）康復(fù)策略設(shè)計技術(shù)

外骨骼康復(fù)機器人能有效改善患者的肢體運動能力，主要基于中樞模式發(fā)生器、神經(jīng)系統(tǒng)可塑性與功能重組、“動力系統(tǒng)”及強制性主動使用等理論。針對不同患者應(yīng)制定科學(xué)精確的康復(fù)策略，在不同的康復(fù)階段采取針對性的訓(xùn)練方法，促使患者的身體機能逐步恢復(fù)。除了漸進式與被動式康復(fù)訓(xùn)練外，準(zhǔn)確識別患者的主觀意圖，實現(xiàn)患者的主動康復(fù)訓(xùn)練，是康復(fù)策略研究的關(guān)鍵問題。針對此類患者不同康復(fù)時期，通過控制算法，設(shè)計并實現(xiàn)不同的康復(fù)策略，用以輔助患者訓(xùn)練并促進康復(fù)。在不同康復(fù)階段通過肌電信號建立患者健側(cè)關(guān)節(jié)的主觀運動意圖與關(guān)節(jié)活動的正向映射，通過康復(fù)機器人的協(xié)助，完成患側(cè)的主動訓(xùn)練康復(fù)策略。

外骨骼康復(fù)機器人全球代表企業(yè)及主要產(chǎn)品

國際上外骨骼康復(fù)機器人的代表企業(yè)主要包括日本的Ｃｙｂｅｒｄｙｎｅ公司、以色列的ＲｅＷａｌｋ公司、美國的Ｅｋｓｏ公司和瑞士的Ｈｏｃｏｍａ公司等。

（一）日本Ｃｙｂｅｒｄｙｎｅ公司

國際上最大的專業(yè)康復(fù)外骨骼機器人公司為日本的Ｃｙｂｅｒｄｙｎｅ公司，其旗艦產(chǎn)品ＨＡＬ于２００８年正式發(fā)布，于２０１３年成為全球首個獲得安全認(rèn)證的外骨骼機器人產(chǎn)品（ＩＳＯ／ＤＩＳ?。保常矗福玻＃龋粒套鳛橹ν夤趋罊C器人最大的優(yōu)勢是“實現(xiàn)意念控制”，即大腦向筋骨系統(tǒng)發(fā)出的運動指令而動作，身體在做動作時會有微弱的生物電位信號溢出到皮膚表面，采集皮膚上的生物電驅(qū)動外骨骼系統(tǒng)做出相應(yīng)動作，外骨骼可以通過這套系統(tǒng)探測人體肌肉的發(fā)力點從而介入工作。２０１８年１月，美國ＦＤＡ已批準(zhǔn)Ｃｙｂｅｒｄｙｎｅ公司的下肢外骨骼醫(yī)療用途版產(chǎn)品在美國上市用于美國患者。它使用傳感器來檢測從患者的大腦發(fā)送到患者肌肉的生物電信號，與患者的運動（或意圖運動）配對，以增加強度和穩(wěn)定性。

（二）以色列ＲｅＷａｌｋ?。遥铮猓铮簦椋悖蠊?/p>

以色列外骨骼系統(tǒng)提供商ＲｅＷａｌｋ（ＲｅＷａｌｋ?。遥铮猓铮簦椋悖?，?。蹋簦洌┦侨蝾I(lǐng)先的下肢康復(fù)機器人醫(yī)療設(shè)備制造商。ＲｅＷａｌｋ外骨骼機器人，提供ＲｅＷａｌｋ個人版和ＲｅＷａｌｋ康復(fù)版。ＲｅＷａｌｋ個人版２０１２年末獲得歐洲ＣＥ認(rèn)證，并在２０１４年６月獲得美國ＦＤＡ批準(zhǔn)上市。ＲｅＷａｌｋ個人版是由美國ＦＤＡ批準(zhǔn)用于個人使用的第一個機械外骨骼系統(tǒng)。ＲｅＷａｌｋ康復(fù)版是在醫(yī)院和專門的康復(fù)中心使用的，目的是創(chuàng)造臨床康復(fù)的環(huán)境，提供寶貴的康復(fù)治療和鍛煉。２０２１年１１月，ＦＤＡ授予ＲｅＷａｌｋ研發(fā)的ＲｅＢｏｏｔ突破性設(shè)備稱號。ＲｅＢｏｏｔ是一種輕巧的、電池供電的矯形外裝，旨在幫助因神經(jīng)損傷（如中風(fēng)）而導(dǎo)致腳踝功能下降的個體的行走功能。

（三）美國Ｅｋｓｏ　Ｂｉｏｎｉｃｓ公司

美國企業(yè)Ｅｋｓｏ?。拢椋铮睿椋悖?，創(chuàng)立于２００５年，２０１２年拿到ＦＤＡ醫(yī)院使用許可。Ｅｋｓｏ因具有美國國防部背景，所以在軍事、民用、救援、醫(yī)療進行了多領(lǐng)域的探索。在醫(yī)療方面，ＥＳＫＯ已有兩款醫(yī)療外骨骼機器人于２０１２年上市，使用了鋁合金、鈦合金、碳纖維等金屬和復(fù)合材料，創(chuàng)建了高精度的感應(yīng)器、微型驅(qū)動馬達(dá)、擬人關(guān)節(jié)等，并配備了速度極快的中央處理器和強大的軟件系統(tǒng)。用戶可根據(jù)自身的情況和康復(fù)進度選擇３種不同的康復(fù)模式，即Ｆｉｒｓｔ　Ｓｔｅｐ（康復(fù)治療師輔助進行）、Ａｃｔｉｖｅ?。樱簦澹穑ㄓ脩糇灾骺刂颇Ｊ剑┖汀。校颍铩。樱簦澹穑ㄗ詣痈袘?yīng)用戶身體動作觸發(fā)每一步）。２０２０年，Ｅｋｓｏ宣布推出更加輕便、靈活、舒適的Ｅｖｏ外骨骼，Ｅｖｏ上半身外骨骼提供了同樣的支撐力，但采用了全新的低矮多連桿設(shè)計。

（四）瑞士Ｈｏｃｏｍａ公司

瑞士的ＨＯＣＯＭＡ?。粒枪境闪⒂冢保梗梗赌辏鳛閲H知名的醫(yī)療康復(fù)機器人公司，擁有多款核心康復(fù)機器人產(chǎn)品。Ｌｏｋｏｍａｔ是一款能夠提供即時反饋與評估的步態(tài)訓(xùn)練機器人，對脊髓損傷、多發(fā)性腦損傷、中風(fēng)以及多發(fā)性硬化癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者有良好的康復(fù)效果，目前，Ｌｏｋｏｍａｔ在中國高端外骨骼康復(fù)機器人市場的占有率領(lǐng)先。其產(chǎn)品Ａｒｍｅｏ是一款能夠提供即時反饋與評估的上肢康復(fù)機器人，支持從肩膀到手指的完整的運動鏈治療，能夠根據(jù)患者的情況自動提供協(xié)助，即使是癥狀嚴(yán)重的患者，也能用此款設(shè)備進行高強度的早期康復(fù)治療。Ｅｒｉｇｏ是一款集成的傾斜機器人系統(tǒng)，用于長期臥床病人的早期神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練。Ｖａｌｅｄｏ系列用于背部疼痛治療，包括Ｖａｌｅｄｏｓｈａｐｅ、Ｖａｌｅｄｏｍｏｔｉｏｎ和Ｖａｌｅｄｏ三款產(chǎn)品，分別用于脊柱評估、診所治療和家庭治療。

（五）美國Ｗｏｏｄｗａｙ公司

美國ＷＯＯＤＷＡＹ公司成立于１９７５年，長期專注于研制設(shè)計獨特、性能卓越、可靠耐用的競技訓(xùn)練、商業(yè)健身及醫(yī)療康復(fù)專業(yè)系統(tǒng)。該公司的康復(fù)機器人主要有兩款，其中，ＬｏｋｏＨｅｌｐ是一款用于康復(fù)運動的步態(tài)訓(xùn)練機器人，可減輕康復(fù)治療師的工作強度，并提高康復(fù)治療的效果；ＫｉｎｅＡｓｓｉｓｔ是一款能夠模擬實際生活環(huán)境的康復(fù)訓(xùn)練機器人，可提供包括平地走、爬坡、站立平衡、動態(tài)平衡等運動療法。

外骨骼康復(fù)機器人國內(nèi)代表企業(yè)及主要產(chǎn)品

當(dāng)前高端外骨骼康復(fù)機器人市場大多由外國企業(yè)壟斷，我國外骨骼康復(fù)機器人產(chǎn)品還處于較為初級的階段，上市產(chǎn)品較少，目前主要公司有大艾機器人、程天科技和邁步機器人等。

（一）大艾機器人

大艾機器人２０１６年成立于北京，產(chǎn)品研發(fā)始于２０１０年，是我國外骨骼機器人領(lǐng)域的先行者。核心產(chǎn)品為下肢外骨骼康復(fù)機器人“艾動”、“艾康”、“艾行”等，主要用于因脊髓損傷導(dǎo)致的下肢運動功能障礙患者的步行康復(fù)訓(xùn)練。公司的下肢步行機器輔助訓(xùn)練裝置，獲得中國第一個二類創(chuàng)新醫(yī)療器械、第一個ＮＭＰＡ外骨骼機器人醫(yī)療器械注冊證。大艾機器人的外骨骼機器人產(chǎn)品的獲批上市，是國內(nèi)智能化康復(fù)領(lǐng)域的突破性成就，標(biāo)志著國內(nèi)下肢外骨骼機器人已經(jīng)從研發(fā)階段轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)階段，大大推動了康復(fù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的進程。大艾的系列外骨骼產(chǎn)品突破技術(shù)瓶頸，獨創(chuàng)仿生行走傳動系設(shè)計，大幅降低成本，目前已治療患者超萬例、訓(xùn)練超百萬人次。

（二）程天科技（杭州）

程天科技２０１７年成立于杭州，公司前身為哈爾濱程天科技發(fā)展有限公司（２０１２）。目前分為杭州總部與哈爾濱公司。程天科技致力于外骨骼機器人技術(shù)、智能醫(yī)療器械、特種機器人技術(shù)與智能系統(tǒng)的開發(fā)，是國內(nèi)首家獲得適用范圍為中樞神經(jīng)病變（涵蓋截癱、偏癱患者）的下肢外骨骼機器人的研發(fā)企業(yè)。程天科技通過人工智能（ＡＩ）與機器人技術(shù)，配合數(shù)據(jù)分析及云計算等方式為行動失能、弱能的傷友、老年人及康復(fù)醫(yī)療機構(gòu)提供智能康復(fù)器械、康復(fù)輔具產(chǎn)品和智能化解決方案。公司已申請自主知識產(chǎn)權(quán)１５０余項，并獲得各領(lǐng)域獎項２０余項，現(xiàn)已有兩款下肢外骨骼機器人產(chǎn)品分別于２０２０年和２０２１年３月獲ＮＭＰＡ批準(zhǔn)上市。

（三）邁步機器人（深圳）

邁步機器人２０１６年成立于深圳，公司專注于外骨骼機器人及人機交互技術(shù)的研發(fā)，打造智能康復(fù)體系，通過機器人、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)提升康復(fù)醫(yī)療的效率和效果。具體研發(fā)用于中風(fēng)患者步態(tài)康復(fù)的下肢外骨骼機器人以及其他醫(yī)療康復(fù)機器人。主要產(chǎn)品包括康復(fù)機器人、柔性驅(qū)動器、醫(yī)療機器人、外骨骼機器人康復(fù)設(shè)備、下肢康復(fù)外骨骼機器人等。公司截至目前已分別于２０１７年４月、２０１８年５月、２０２０年８月和２０２１年２月完成四輪融資。核心產(chǎn)品下肢康復(fù)外骨骼機器人ＢＥＡＲ－Ｈ１是一款用于輔助腦卒中患者步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的新型可穿戴式下肢外骨骼機器人。機器人擁有主動被動訓(xùn)練模式，通過對患者髖、膝、踝關(guān)節(jié)提供助力完成行走訓(xùn)練，可以節(jié)省人力，并提高康復(fù)效果。目前ＢＥＡＲ－Ｈ１已依據(jù)《廣東省第二類創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審批程序（試行）》要求進入特別審批程序。

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