上肢康复机器人研究进展及趋势

脑卒中是我国居民致死致残的首位原因，发病率位居全球第一。脑卒中，俗称中风，主要分为出血性脑中风和缺血性脑中风两大类，具有高发病率、高死亡率、高致残率(高达80%以上)的特点。我国每12秒就有一人发生脑卒中，每21秒就有一人死于卒中，每年新发病例超过250万，每年造成经济损失超过1000亿元。

脑卒中幸存患者都存在不同程度的功能障碍，比如80%的患者存在上肢功能障碍。临床研究表明，早期积极的康复治疗可使90%的存活患者恢复独立行走和自理生活的能力，30%的患者恢复原来的工作；相反，如果不进行康复治疗，上述两方面的比例，相应地只有6%和5%。

对于脑卒中患者，传统康复治疗方法主要是治疗师对患者进行一对一的徒手操作，或借用简单的器械工具帮助患者完成康复训练，以促进神经系统的重塑等目的。

传统方法的不足在于：康复效果较大程度依赖于治疗师的经验水平；徒手操作会消耗治疗师大量的精力和体力，难以保证康复训练的强度、频率、时长和一致性；训练过程枯燥乏味，患者得不到直观的视觉反馈，主动参与的积极性不高，使得康复效果大大降低；不能实时记录训练过程中的运动参数，训练后缺乏客观评估数据。

在我国，康复治疗师的数量是严重不足的，根据我国脑卒中患者的数量，至少需要40多万的康复治疗师，但是目前只有两万左右，缺口巨大。很多患者得不到及时而规范的康复治疗，错过了康复黄金期，从而增加了家庭负担。采用康复机器人辅助人工进行康复是一个必然趋势，是解决我国康复医疗行业现有专业人才供需矛盾的必然选择。

相比传统徒手康复手段，康复机器人不知疲倦，非常适合高体力消耗、重复规范性的活动。康复机器人通过情景互动或晋级式游戏模式提高患者的主动性和参与度，通过内置智能传感器，采集训练数据、量化训练强度、实现即时直观反馈和科学客观评估，从而提高康复效果和效率。另一方面，在机器人的辅助下，患者无需治疗师全程协助，因此，治疗师可以实现一对多的治疗模式，提高了医疗资源使用率，使得更多患者有机会得到高效治疗。

（福建省康复医院使用华鹊景Wisebot X5上肢外骨骼机器人开展康复群体治疗，治疗师无需全程协助）

在日常生活中，人的上肢要完成比下肢更多更为复杂的运动，上肢功能在大脑里占的区域很大，上肢、手的感觉皮层、运动皮层的区域都远远大于下肢。 上肢为精细运动，相对控制面积比较大； 下肢为粗大运动，控制面积小一些。 所以，脑卒中患者中，上肢功能障碍患者所占比例高于下肢运动功能障碍患者。 与下肢的康复治疗相比，上肢的康复治疗更加复杂、精细，上肢功能恢复比下肢恢复更加缓慢和困难。 因此，上肢功能康复一直是脑卒中康复的难点和重点。

康复机器人分类

根据不同的标准，康复机器人的分类方法有多种。按训练模式可以分为被动训练、主被动训练，和阻抗训练。被动训练是指在康复早期，当患者上肢完全不能自主运动时候，机器人提供完全的辅助，带动患者上肢，帮助患者完成训练动作。主被动训练是指患者具备一定的自主运动能力，但力量又不足以完成训练任务的时候，机器人提供辅助力量帮助患者完成训练任务。阻抗训练是指在康复后期，患者具有较为全面的运动能力后，机器人提供阻力实现肢体的对抗训练，增强肌肉力量和运动协调性。

按驱动方式可以为电机驱动、液压驱动、气动和绳索驱动。按自由度划分可以分为单自由度和多自由度。根据机器人能完成空间维度动作，可以分为二维机器人和三维机器人。根据机器人的材料属性，可以分为刚性、柔性和刚柔耦合机器人。

最常见的分类是按机器人的构型分类，分为末端牵引式机器人和外骨骼穿戴式机器人。

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末端牵引式上肢康复机器人

在早期研究中，上肢康复机器人的结构形式大都是末端牵引式。它是以普通连杆机构或者串联机械结构为主体机构，通过执行器与人体上肢末端(手部或者腕部)固连。机器人通过驱动执行器从而牵引上肢运动，也就是说通过末端带动远端运动实现上肢康复训练。

这类机器人的最具有代表性的是上世纪90代初麻省理工学院研发的MIT-Manus，其他的还有斯坦福大学的MIME机器人，英国雷丁大学的GENTLE/S、英国利兹大学的iPAM、意大利帕多瓦大学的NeReBot、日本大阪大学的EMUL等。这些机器人中，只有MIT-Manus实现了商业化，也就是加拿大Bionik公司的InMotion系列机器人。

MIT-Manus

InMotion ARM

末端牵引式康复机器人的优缺点

末端牵引式机器人独立于人体，患者只需上肢末端同执行器(机械手臂)连接，优点在于机械结构简单，安装方便，成本较低，控制简单。

从末端牵引式机器人的机械机构可以看出，它的关节与人体关节并无固定匹配关系，也就是与肢体关节运动学不匹配，所以无法实现某个关节的特定动作，不能对上肢各关节进行精确的力量引导，牵引中容易造成二次损伤。

上肢康复训练有时是整个手臂，有时是前臂或大臂，有时是肘关节，有时是腕关节。比如对于具有多个自由度的肩关节，末端牵引式机器人能实现的自由度数量，以及关节活动范围都是有限的，导致了难以模拟人体上肢日常行为运动轨迹。比如对上肢的某些运动，如前臂的旋转运动不易控制，很难完成(或者完成不了)完整的旋转训练。

也就是说，末端牵引式上肢机器人提供的运动范围和运动轨迹与日常行为运动规律不完全一致，运动轨迹与日常行为动作曲线轨迹差别较大。它的内在机构特性限制了它所能提供的运动任务，不能是复杂的运动轨迹，所以不能实现复杂的康复动作训练。比如二维桌面末端牵引式机器人，只能提供二维平面内的训练，不能实现三维空间的关节运动，这是不符合人体上肢日常行为运动规律的。

末端牵引式机器人侧重于上肢末端的运动，缺乏对上肢近端的控制，这不符合康复训练的原则“近端先于远端，粗大关节先于精细关节”。另一方面，当要训练近端部位时候，容易引入不需要的康复运动，或是需要的康复运动无法完全实现，这就会诱导偏瘫肢体出现异常代偿运动模式，可能延误或者锁死运动再学习。

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外骨骼式上肢康复机器人

人体上肢包含肩、肘、腕和手，总共有27个自由度。在上肢康复训练中，不仅需要对整个手臂进行康复运动训练，还需要对前臂、大臂或者腕关节进行训练，亦或进行复合运动训练康复。末端牵引式机器人适合于对整个手臂进行康复训练，但在针对具体关节部位进行训练时，无法满足康复运动的要求。

外骨骼上肢康复机器人基于仿生学原理，以人类肢体生理结构为基础，设计贴合人体上肢的机械结构，通过对上肢的手腕、前臂、上臂等各部位关节进行支撑和驱动，从而引导患者进行上肢康复训练。

这类机器人最具代表性是苏黎世联邦理工学院的ARMin系列上肢机器人，其它的有美国加州大学和芝加哥康复研究所共同研制的T-WREX机器人、美国亚利桑那大学的RUPERT机器人、华盛顿大学的CADEN-7和EXO-UL7、日本佐贺大学的SUEFUL-7、德克萨斯大学奥斯汀分校的Harmony等。

在商业化方面，瑞士Hocoma公司购买了T-WREX和ARMin III的专利权，并在它们的基础上分别推出了Armeo Spring和Armeo Power这两款知名的上肢康复机器人，成为世界上第一家商业化上肢外骨骼康复机器人公司。

上肢外骨骼机器人ARMin

国内的哈工大、华中科大、上海交大等机构都有开展上肢康复机器人方面的研究；商业化方面，华鹊景医疗研发了多款上肢外骨骼康复机器人，代表性产品Wisebot® X5拥有目前业界最优秀的性能，是上肢康复机器人发展趋势的综合体现。

华鹊景上肢外骨骼机器人Wisebot X5

外骨骼式上肢康复机器人的优缺点

上肢外骨骼机器人通常将上肢与外骨骼机架固定，外骨骼穿戴在患者需要康复的肢体上，依靠机器人系统精准控制上肢每个关节的运动，实时控制上肢的位姿。因此，外骨骼上肢机器人可以精准实现上肢各个关节需要的康复运动，以及关节的复合运动，可以精确实现康复运动范围和运动轨迹。

上肢外骨骼机器人在结构上模仿人体上肢骨骼关节，拥有更多的自由度，容易实现更自然和更大范围的三维空间运动，模拟人体上肢三维运动规律，可以实现日常行为动作及复杂动作训练。

但是外骨骼上肢机器人为准确模拟上肢运动，其机械结构比末端牵引式机器人复杂，成本相对较高。

上肢康复机器人发展趋势

目前国内外的大学科研机构研发出各种形式的上肢康复机器人，但大部分都停留在实验室阶段，到商业化阶段的康复机器人很少。目前上肢康复机器人的发展呈现如下几个趋势。

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由单自由度向多自由度发展

人体上肢有七个自由度，早期的上肢康复机器人受限于技术，只能实现某个方向上的运动，运动功能单一，满足不了康复需求。多自由度机器人可以实现三维空间复杂康复运动的训练，也可以实现多种训练模式。

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由单关节运动向多关节复合运动发展

生活中的大部分任务是由关节复合运动完成的，只能实现单关节运动的机器人，不符合一体化整体康复的理念。

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由二维平面运动向三维立体空间运动发展

在日常生活中，人体上肢是在三维空间中运动的，仅限于二维平面运动的康复机器人不能真实模拟上肢运动，不能帮助患者建立正常的运动模式。

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由末端牵引式向外骨骼式发展

虽然末端牵引式机器人结构简单，但是天生缺陷较多。由于外骨骼康复机器人具有控制稳定性、安全性、运动精确度高等优点，已成为上肢康复机器人的研究热点。

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由单一运动模式向多模式发展

随着康复治疗需求以及康复理论的发展，单一运动模式的机器人满足不了以患者为中心的全周期康复需求，比如只能实现被动模式的机器人仅适用于早期患者康复训练。另外，随着康复机器人在临床使用越来越广泛，治疗师对机器人的要求也越来越高，要求机器人能体现新的康复治疗技术，比如已被临床研究表明具有明显疗效的镜像疗法技术。

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由单一训练向评估与训练一体化发展

康复始于评估，止于评估；可见评估在康复中的重要性。目前临床评估大都基于量表，存在效率低、主观性强等问题。另一方面，现阶段大多数康复机器人不具备真正运用于临床的评估系统。因此，随着康复机器人的深入应用，康复机器人正朝着训练与评估一体化发展，不仅作为治疗师的训练工具，还要提供智能化客观评估工具。通过建立可用于临床的评估系统，为治疗师制定精准康复方案提供前提。

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从数字化智能化向智慧化发展

康复机器人已从最初的辅助治疗师工作，发展到采集康复训练的各种数据(比如运动学数据、生理信号数据)、量化训练强度，进而评估康复效果和科学研究等；再到自我分析归纳数据，生成康复训练方案。这种自我学习与决策执行能力，将随着积累的数据越来越多得到增强。

关于华鹊景

专注于智能康复机器人及智慧康复医疗解决方案的国家级高新技术企业，拥有来自中科院、哈工大等院校的一流康复医学、工程团队和专家团队(由院士、杰青等组成)，在康复医学、医疗机器人、人工智能、虚拟现实等领域积累了超过15年的研发经验，自主核心技术处于国际领先水平，已研发了上肢、手指、认知等多款智能康复机器人，获得了中国康复医学会一等奖、中国针灸学会二等奖、广东省针灸学会一等奖等荣誉。华鹊景以“帮助人民获得健康与幸福”为使命服务健康中国。