2022年发布的《中国卒中报告2020》(中文版)显示,我国卒中患病率为2022.0/10万,年发病率为276.7/10万[1],其中临床约80％的脑卒中患者遗留有偏瘫步态[2],主要表现为划圈和提髋步态,踝关节内翻的同时缺乏明显背屈,行走时足底不能有效接触地面,重心不能有效前移,从而导致步行功能障碍[3].如何在实际步行中给予辅助,避免形成偏瘫步态是神经康复领域的研究重点.

机电技术与智能科技的崛起推动了外骨骼康复机器人研究领域的发展.由于疾病致残率上升和老年人口增加,为患者提供康复和辅助服务的先进方案显得日益重要.研究证实,使用下肢康复机器人可有效改善患者步态,但临床应用的外骨骼种类有限.现有的康复机器人可分为两类:以刚性连接驱动结构设计,如Lokomat、Rewalk、Ekso和HAL;以柔性连接结构设计,如Myosuit外骨骼机器人、XoSoft和聚氯乙烯(PVC)-外骨骼等.柔性康复机器人作为近年来出现的一种新型外骨骼机器人,能有效地解决传统刚性外骨骼机器人体积重量大、顺应性差、束缚多等问题,已成为机器人主动康复领域的重要方向之一.作者总结了柔性外骨骼康复机器人在康复训练中的优势及局限性,论述了下肢柔性外骨骼机器人近年在临床康复中的应用及其未来的应用前景,为下肢柔性外骨骼机器人的医工交叉研究提供参考.

手部康复机器人主要用于手部运动功能障碍患者的康复治疗和日常生活辅助,通过康复辅助训练的手段提高患者手部运动功能,其结构以及控制方式是影响患者康复效果的主要因素.因此对手部康复机器人的结构及控制方式进行总结能为以后的研究方向提供重要参考.本文首先对人体手部特性进行分析,然后对国内外近四年手部康复机器人的结构、手部数据采集方式以及控制模式进行了分类和综述,最后分析了现有手部康复机器人的不足之处,并提出便携的柔性手部康复机器人将会成为研究热点.

介绍了智能可穿戴技术的发展历程及其“军民融合”的属性特点,阐述了智能可穿戴技术在人体功能(状态)监测、可穿戴外骨骼和单兵实时远程医疗等军事医学热点领域的应用.针对续航力、穿戴舒适性及信息安全等瓶颈问题,提出了后续发展的改进对策与建议.最后,从服装化与皮肤化的柔性人体监测、轻量化与高仿生度可穿戴外骨骼、监测与救护一体的实时远程医疗等方面分析了智能可穿戴技术的应用前景,为后续的针对性研究提供了参考.

目的 串联弹性驱动器是下肢助行外骨骼实现刚柔耦合的重要途径,其弹性单元的设计优劣直接决定了刚柔耦合性能的高低,研究一种应用于下肢助行外骨骼髋关节部位的扭转型串联弹性驱动器弹性单元优化设计方案.方法 设计一款针对髋关节部位的特定环形弹性体.选择500 ～1 000 N·m/rad的刚度作为设计目标,弹性体在加载50 N·m扭矩时变形量定在5°以下,单片承载的设计.结合连接的谐波减速器外形尺寸,弹性元件的具体设计参数为:最大扭矩50 N·m,最大偏转3°,外圈直径69 mm,内圈直径20 mm,刚度954.93 N·m/rad.通过正常人体髋关节扭矩分析,确定髋关节弹性体技术指标,基于SolidWorks建立所设计弹性体三维模型,在ANSYS WORKBENCH中对弹性体厚度、单组弹性梁跨度、弹性梁宽度进行仿真优化.结果 取安全系数为1.2,最大应力在1 100 MPa以下时,最终优化分析计算结果为t=13.89 mm,b=1.79 mm,α=88.3°.在该条件下,当输出扭矩为50 N·m时,弹性元件所受到的最大应力、最大柔性转角分别为1 060 MPa、3.049 3°,认为其满足设计要求.得到基于所建模型施加不同扭矩时得到的扭转角度.在等梯度不同扭矩的作用下,弹性体的柔性转角和对应的负载扭矩具有很好的线性关系,在不同负载下其刚度是一致的.由胡克定律k=T/θ,可得弹性元件刚度为:k=939.49 N·m/rad,符合预先设计目标.结论 所得扭矩与扭转变形角度在MATLAB中用最小二乘法拟合,其刚度曲线呈线性,证明了仿真优化方案的可行性.

目的 为提高手功能康复机器人的临床应用,改善现有刚性外骨骼康复机器人结构复杂、质量大、存在安全隐患等缺点,提出一种新型柔性可穿戴康复手套.方法 康复手套由McKibben型气动人工肌肉(pneumatic aaificial muscles,PAMs)驱动,并仿人手的解剖和生理结构设计了腱驱动网络,利用佩戴者自身的指骨关节来传递力和扭矩,模拟人手的正常运动,大幅度减轻设备的重量.同时设计表面肌电信号(surface electromyography,sEMG)采集电路和基于表面肌电信号的佩戴者运动意图检测方法.结果 柔性康复手套的特性测量实验结果表明,康复手套能够有效协助佩戴者完成日常动作和日常生活用品的抓取,验证了该康复手套的可行性和科学性.结论 所设计的康复手套具有质量轻、易操作、舒适度高等优点,可为类似的手部康复设备研究和设计提供参考.

为辅助手功能障碍患者在日常生活中更好地进行手部的康复训练与活动,提出一种基于柔性铰链的仿生外骨骼机械手.首先,基于弹性力学建立直梁型与半圆弧梁型柔性铰链刚度之间的映射关系模型,通过有限元模型改进半圆弧梁型柔性铰链的刚度设计式,并利用三铰链串联式外骨骼手指有限元模型验证单铰链刚度设计式的通用性和有效性;其次,基于修正后的刚度设计式,设计基于柔性铰链的仿生外骨骼机械手,通过绳索实现屈曲运动,通过柔性铰链的储能实现伸展运动,并根据齐次坐标变换建立相关的运动学模型,研究绳驱下的运动特性;最后,对试制的原型机进行屈曲性能与抓握能力的实验验证.外骨骼手指的仿真结果表明:单铰链的刚度设计式可用于复杂机构中各铰链的刚度计算,其误差值不大于3.5％;所试制的原型机手部执行构件仅重125 g,方便使用者日常携带.屈曲性能的实验结果表明:改进的刚度设计式减小了半圆弧梁型柔性铰链40％的刚度计算误差,使误差控制在5％以内,能快速获取满足弯曲条件的铰链几何尺寸.抓握能力的实验结果表明:两名健康受试者测量出外骨骼手单指能稳定输出8N的指尖力,满足日常生活所需.因此,该外骨骼机械手可提供正常的关节活动度,其轻质便携及抓握能力高的特性还能辅助手功能障碍患者进行手部康复训练与日常活动.

目的 当刚性驱动器直接作用于关节时,由于关节缺少对驱动力的缓冲,容易对其造成损伤.为此,本文拟设计一种柔性关节驱动器,以实现柔性变刚度驱动.方法 采用弹簧和扭簧组合实现不同驱动力下驱动器刚度的变化.通过调节电机的转速实现弹簧、扭簧的压缩以及正反向的运动,并确定弹簧及扭簧的参数.最后搭建柔性变刚度关节驱动器实验平台,通过选用不同劲度系数的弹簧、扭簧进行低力、中力和高力模式下的柔性驱动实验,以验证柔性关节驱动器设计的合理性.结果 选取弹簧的刚度为10 N/mm、扭簧抗扭刚度为0.1 N·m/rad.当驱动力较小时,弹簧压缩,扭簧不发生作用;当驱动力较大时,扭簧扭转,弹簧不发生作用;当驱动力介于二者之间时,弹簧和扭簧同时发生作用.结论柔性关节驱动器能够在不同驱动力作用下使扭簧和弹簧发生作用,实现柔性变刚度驱动的目的.

背景:由于传统的康复训练方法对慢性损伤患者的功能恢复效果有限,康复机器人在慢性损伤的康复训练中正得到越来越多的研究和应用.目的:解析和追踪近10年康复机器人领域相关研究的热点和前沿,为未来研究提供一定指导.方法:计算机检索2010-2020年在Web of Science数据库SCIE核心数据合集发表的康复机器人相关研究,检索条件为"TS=(rehabilitation robot OR rehabilitation robotics)".运用CiteSpace 5.7可视化软件,从高影响力国家/地区、作者、高频关键词及突现词等方面解析康复机器人研究的热点与前沿.结果 与结论:①最终纳入3194篇文献,近年来康复机器人的研究热度一直持续不减,相关文献年发表量呈现稳定增长的趋势,美国发文量位居首位,中国紧跟其后;②美国西北大学以发文量161篇位居机构第一位;瑞士苏黎世大学教授Riener R以发文量48篇位居作者第一位;③研究形成了9个具有代表性的关键词聚类,并随时间推移呈现研究重点和方向的转变趋势;④近10年研究热点主要集中在康复机器人的智能控制、任务分析与学习、性能和可靠性、康复机器人人机交互方式如何通过机器智能与生物智能的融合,实现机器人与人的自然、精准交互等方面;⑤目前,康复机器人在上肢和神经损伤领域的应用最广泛,关于脑机接口、虚拟现实、柔性可穿戴式、任务分析和外骨骼类的康复机器人研究越来越引起人们的关注,是近年来康复机器人研究的前沿和热点领域,代表着未来的研究发展趋势,是今后研究可以参考的方向.未来康复机器人领域的研究应着重关注以下方面:一是关注患者功能需求,提高生活质量;二是加强多学科交叉合作,构建区域国家合作网络.

基于人体上肢生物力学机理、传统康复训练弊端和目前上肢康复机器人现状,提出了一种六自由度、柔性调节、可穿戴式上肢康复外骨骼设计方案.首先,对上肢各关节力学进行分析,利用CATIA三维软件对上肢康复可穿戴外骨骼的整体机械结构进行了虚拟样机设计,创新性设计了前臂和上臂内/外旋单排四点接触球轴承齿形传动以及肩部柔性化被动调整机构(粘弹性阻尼器)等;然后,对上肢康复外骨骼各关节驱动力矩进行了理论分析与计算、各关节驱动电机和变速箱的选型;最后,对上肢外骨骼进行了整体有限元分析.研究和试验结果表明:该上肢外骨骼助力结构设计方案具有较高可行性,能帮助上肢瘫痪及其运动功能障碍患者自主康复训练.