林媛媛1 王玉峰2，* 张国庆2 嵇建成3
1潍坊市中医院，山东潍坊，261042
2潍坊高新技术产业开发区人民医院，山东潍坊，261205
3深圳职业技术学院，广东深圳，518055
摘要：我国目前约有1.9亿下肢运动障碍患者、失能和半失能的老年人需要康复服务，但我国康复医疗资源有限，康复机器人的研究有利于缓解紧张的供求关系。有效的康复训练是下肢运动障碍患者康复治疗中的重要环节，对改善患者的步行功能和平衡功能有重要意义，传统康复训练主要以理疗师一对一的训练方式进行，存在康复效果不一致、缺乏定量评估和劳动强度大等问题。下肢康复机器人结合传统康复训练方法、计算机技术和人体生物力学等，有助于缓解我国医疗资源不足的窘境，也对我国康复医学的发展有重要意义。因此，本文将下肢康复机器人和相关运动障碍康复手段的研究进展进行梳理总结。
关键词：下肢康复机器人；下肢运动障碍；脑卒中；文献综述
文章编号： 中图分类号：R493 文献标识码：A
Research Progress of Lower Limbs Rehabilitation Robot and Rehab of Dyskinesia
Yuanyuan Lin1, Yufeng Wang2, Guoqing Zhang2, and Jiancheng Ji3
1 Weifang Medical University, 4948 East Shengli Road, Weifang 261042, China
2 People’s Hospital of Gaoxin, 768 Fudong Road, Weifang 261205, China
3 Shen Zhen Polytechnic, 4089 Shahe West Road, Shenzhen 518055, China
Abstract: Lower extremity rehabilitation robot is a research hotspot of rehabilitation medicine in recent years.
Key words: Lower limbs rehabilitation robot; Dyskinesia; Stroke; Literature review
随着我国进入老龄化社会，人口老龄化问题日益严重， 2017年60岁以上老年人数已占我国总人口数的17.3％，预计2050年这个比例将会达到34.9％[1]。目前约有1.9亿患有下肢运动障碍和失能老年人需要居家、社区和医院康复[2]，且老年人护理工作占用了很大一部分医疗康复资源。此外，脑卒中等脑血管疾病的致残率较高[3]，人口老龄化使得因脑血管疾病而残疾的人数逐年增加，但是通过有效康复治疗能够改善患者的步行功能和平衡功能[4]。因此，能够帮助失能老年人和残疾患者进行康复训练的下肢康复机器人是目前研究的热点。
运动障碍患者在下肢康复机器人上进行训练时，可以通过全自动的关节被动运动和主动控制运动，改善患者步行能力和平衡能力，避免关节黏连和肌肉萎缩，增强患肢的血液循环和运动神经的活性，提升生活质量和自主能力[5]。
1. 下肢康复机器人发展
下肢康复机器人作为一种新型、高效且应用前景十分广泛的下肢功能康复产品，其设计正呈多样化、轻型化和智能化发展，目前的研究开始向家庭及社区的康复助行及训练设备等小型化设备发展，大型的康复机器人在向训练舒适性和自然步态的方向发展[6]。自 20 世纪 80 年代以来，美国、瑞士和加拿大的多家科研机构和公司相继研制出一些下肢康复训练设备和步行训练康复机器人，取得较多的科研成果和市场产品，减重步态训练设备、四肢联动和功能性电刺激的康复设备较为完善。我国有关下肢康复机器人的研究起步较晚，投入实际应用较少，减重步态训练设备和站立架式康复设备的种类较多，但随着社会老龄化的加剧和资源的增加，对下肢康复机器人的研究越来越多，取得了一些科研成果。到20 世纪 90 年代，开始出现智能机器人辅助的运动康复训练来实现下肢运动的精准控制与任务导向的训练。在进入21世纪后，下肢康复机器人得到高速发展，机器人的种类、训练模式和交互控制方式都得到了极大的丰富。
下肢康复机器人最常见的形式是悬吊减重步态训练，通过胸部或腰部穿戴固定装置实现患者与训练设备的连接，然后通过配重块、弹簧或电机控制实现患者部分体重的支撑，并实现直立姿势的维持，同时通过跑台或理疗师实现下肢的交替运动，完成步态训练和关节运动。典型的悬吊减重训练机器人有瑞士Hocoma AG公司的Lokomat机器人、瑞士Reha Technology AG公司研发的G-EO机器人辅助步态康复设备、德国Reha-Stim研究所研制的Gait Trainer悬吊减重式步态康复机器人、德国弗朗霍费尔自动化机器人研究中心和柏林慈善医科大学共同开发出下肢康复机器人Haptic Walker等。
随着康复医学的发展，康复训练模式和康复理论也在不断革新。最初多数下肢康复机器人采用重复被动式训练的模式，在固定的减重值和重复的步态模式下进行训练，其优势是可增加患者下肢运动功能，避免关节黏连和肌肉萎缩。在二十世纪80年代初，运动再学习理论[7]的提出，康复训练开始强调患者主观参与和认知重要性的前提下，按照科学的训练方法恢复因中枢神经系统损伤而导致的下肢运动障碍。相应的康复机器人交互模式也发生了转变，通过传感器和生物信息获取患者的运动意图，将患者的主动运动纳入到康复训练中，调动神经系统的参与，通过实用性和针对性的训练促进脑功能的重组。进入21世纪后，研究人员通过荧光蛋白追踪脑卒中后小白鼠星形胶质细胞的转变过程，发现了卒中后神经系统的恢复机制，同时，试误学习理论揭示了促进大脑参与运动过程的模型[8]。因此，下肢康复训练机器人的控制策略转变为按需辅助（assist-as-needed），康复机器人通过构建运动空间内的引导力场辅助患者完成训练轨迹，并在患者出现错误的时候提醒患者纠正其运动轨迹。
2. 下肢康复机器人分类
下肢康复机器人是机器人技术、人体生物力学和康复工程结合的产物，涉及康复医学、生物医学、神经学、机械工程、生物力学、计算机科学等诸多领域[9]，是医疗训练用康复机器人中的一个分支，如图1所示。对下肢康复机器人的研究经历了患者需求分析、方案设计、机械机构确定、运动学及动力学建模、运动控制规划和生物力学反馈等阶段。因此，根据不同的划分标准可将下肢康复机器人分为不同的种类。
康复机器人主要分为上肢康复机器人、下肢康复机器人、智能轮椅和交互式康复训练机器人，而根据康复设备的可移动性又分为非移动式和移动式两大类。其中，非移动式康复机器人主要包括：1）减重跑台式，2）减重外骨骼式，3）末端执行器式和4）固定式；移动式康复机器人主要包括：1）关节康复设备，2）轻便外骨骼，3）移动减重设备和4）移动外骨骼机器人。
此外，根据交互控制方式可分为以下四类：1）基于位置或速度的轨迹控制，2）基于力信号的柔顺交互控制，3）基于肌电信号的交互控制和4）基于多传感器信息融合的智能控制。而根据机器人的驱动方式可以分为气动、液动、电动和串联弹性驱动器（SEA）驱动等。
目前，下肢康复机器人产品主要有减重式步行康复机器人、特定部位恢复用下肢康复机器人、下肢外骨骼机器人和全方位型下肢康复机器人等几大类。面向家庭社区的下肢康复机器人主要分为五种：1）电动轮椅，2）外骨骼机器人，3）智能拐杖机器人，4）助行器类机器人和5）新型助行机器人。
国外有代表性的研究成果如表1所示。其中，美国西北大学研制的KineAssist下肢康复机器人[10]，能够实现多种训练模式的康复训练，如步态行走训练模式、理疗师辅助模式和平衡训练模式。KineAssist机器人利用骨盆两侧力/力矩传感器的交互信息进行运动模式的分析，对患者的运动进行合理的跟随补偿，为患者的康复训练和平衡训练提供安全环境。该机器人不再使用传统的吊带式减重装置，而是利用骨盆处的减重装置来支撑人体重量，从而使患者的过程中更加接近自然步态。
瑞士洛桑联邦理工学院的Lambda末端式下肢康复机器人[11]，主要实现坐站转移训练和下肢肌力训练，该机器人主要由驱动系统、坐站训练机构、控制系统和固定支架等组成。该机器人由电控液压式伺服系统驱动，并通过人体运动学分析、人机耦合动力学建模及减重力控制，帮助下肢运动功能障碍患者从坐姿到站立状态的转化，从而达到训练患者髋关节和膝关节活动的目的。
瑞士Hocoma AG公司研发的Lokomat步行康复助行机器人[12]，是一台自动化程度较高的悬吊式下肢康复训练机器人，机器人通过四杆机构把下肢外骨骼系统与悬吊减重装置连接起来，且具备较完整的康复评估系统和步态反馈系统。该体统可以根据病人的身高、骨盆宽度、腿长等生物参数进行调节，在患者下肢外侧安装有髋关节和膝关节驱动器的步态矫正装置，并通过位置补偿传感器和压力传感器来测量关节角轨迹和交互力。
瑞典Hocoma公司研发的助行康复机器人Andago[13]突破了传统的助行机器人模式，采用双侧悬吊减重和地面差速移动配合，为康复训练提供舒适安全的环境，是一款能够主动控制使用者骨盆位姿和身体重心的康复训练机器人，填补了自由行走和跑台训练之间的空白。其训练模式直观，用户操作和穿戴简单方便，而且不受时间地点的阻碍，能够实现行走训练、减重支撑训练和坐站训练等多功能训练，还可以在各种日常环境中进行多种特定任务的训练。
日本筑波大学研究团队研发的外骨骼机器人[14]是穿戴式下肢康复训练机器人，主要由关节驱动装置、蓄电池、交互传感器和其他辅助装置组成，主要功能是为患者的地面行走、上下楼梯和提取重物等活动提供相应的辅助力。HAL安装有多种类别的交互传感器来监测患者穿戴机器人时的运动信息及交互力信息等，辅助使用者完成日常任务。
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我国在智能助行器方面的研究起步较晚，在辅助型康复机器人方面的研究成果相对较多，而在康复训练型机器人和柔顺交互力控制方面的研究成果则相对较少。具有代表性的有钱璟医疗的Flexbot下肢康复机器人[15]，采用减重外骨骼的形式进行步态训练；沈阳工业大学研制了辅助患者进行康复训练的轮式下肢康复机器人[16]，能够实现室内环境的全向运动；上海交通大学结合下肢外骨骼康复机器人与远程康复信息管理研制的下肢外骨骼康复机器人系统[17]，实现了移动助行器与下肢外骨骼的结合；华中科技大学研制的全向助行及防跌倒机器人[18]，对机器人的全向移动控制和防跌倒控制进行了深入研究；和哈尔滨工程大学张立勋等人研制了减重步行康复训练机器人[19]，实现了下肢运动与骨盆运动控制的结合。
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3. 结语
下肢康复机器人作为医工结合领域中的智能化训练工具和必要的评估工具，相比于传统康复手段具有训练效果一致性强、数据处理科学以及能够节省大量的医疗资源等多种优势，能够给予患者有尊严的康复过程，因此，未来的康复市场一定会有更多的智能化产品来服务于广大患者和老年人。目前，我国下肢康复机器人主要以仿制为主，康复理论和技术手段有待革新，在上下机时间、柔顺的人机交互力控制、患者运动意图识别和中后期的运动再学习治疗方面有待深入研究，但是随着我国老龄化的加剧和国家对康复事业的扶持，相信下肢康复机器人能够在未来的康复医疗中发挥更重要的作用。
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作者简介：林媛媛（1981-），女，汉族，山东潍坊人，大学学士，主要研究方向：康复护理技术及辅助器具的开发应用。
通讯作者：王玉峰（1983-），男，汉族，山东潍坊人，大学本科，主要研究方向：脑卒中后的康复评估与治疗。
项目来源：山东省医药卫生科技发展计划项目2019WS257