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.

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.

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.

目的:基于外骨骼式康复机器人实验平台设计上下肢协调主动康复运动控制系统,以帮助神经损伤患者完成上下肢协调主动康复训练.方法:该系统采用模糊比例-积分-微分(proportional-integral-derivative,PID)控制实现肩关节、髋关节、膝关节的运动轨迹控制,通过导纳控制实现关节运动角度修正,并通过导纳控制耦合阈值控制实现主动抗阻训练.整个系统由上位机控制系统,运动控制器,肩关节、髋关节、膝关节的伺服驱动器组和伺服电动机组以及扭矩传感器等组成.采用该系统进行临床实验,以验证该系统的训练和康复效果.结果:临床实验结果表明,肩关节、髋关节和膝关节康复训练的实际运动轨迹与设定步态轨迹基本一致,各关节运动轨迹误差最大值小于 8°,而且当患肢关节的交互扭矩下降到阻抗力矩阈值以下时,关节伺服电动机能够柔性调速;经过一段时间的上下肢协调主动康复训练后,患者的肌力、平衡能力以及自理能力得到明显的改善.结论:该系统具有较高的敏感度和较好的柔顺性,能够满足神经损伤患者在康复中后期对上下肢协调主动康复训练的需求.