北京
外骨骼机器人被认为是下肢偏瘫患者“重启”神经-肌肉通路，实现康复的一种有效解决方案。但要让它真正走进临床、惠及患者，亟须在机器人与患者共同运动的康复场景下，同时实现轻量化、柔顺性设计与高效协同康复辅助。
日前，中国科学院沈阳自动化研究所研发了一套“刚柔耦合”的下肢多关节康复外骨骼机器人，有望为下肢偏瘫患者提供运动功能重建与行为辅助服务。
01
“刚柔难兼”与“一体两面”
下肢偏瘫康复外骨骼机器人，是一种专为偏瘫患者步态训练设计的可穿戴康复装备，能够在康复阶段同步接管或按需实现关节运动辅助，提供精准的步态矫正与机能康复。
目前，偏瘫康复外骨骼面临多重技术瓶颈，存在临床训练效果不佳、机能恢复缓慢等问题。
一方面，现有驱动方式“刚柔两难”，刚性电机系统虽具高输出力矩但笨重冗余，柔性绳驱系统虽轻便但难以支持功能性训练。
另一方面，构型设计与康复需求匹配性低，多关节运动协同性弱。
更为重要的是，偏瘫患者有“一体两面”的特殊康复需求，即患侧需精确引导，健侧需柔顺协同。这与传统“一刀切”控制策略形成矛盾。
02
“刚柔耦合”与“精准适配”
研究团队基于自研串联弹性驱动器，提出一种刚柔耦合柔顺驱动关节，匹配人体关节的自适应运动特性，具备多模态刚度响应特点，在保证结构柔顺特性和高精度力控特性的同时，实现外部冲击下的稳定运动保护。
▲基于柔顺关节的双侧髋-膝-踝全柔顺驱动康复外骨骼系统
基于该关键技术突破，研究团队构建了轻量化、高性能的外骨骼机器人驱动方案，其中单模块重量为0.99kg，并具备高功率密度（212W/kg）。
结合偏瘫患者下肢双侧同步辅助与同侧多关节协同康复需求，实现了双侧髋-膝-踝多关节完整链路柔顺驱动，构建了驱动-关节-构型多维度人机适配的系统级设计方案。
03
“引导-协同”下“按需辅助”
围绕偏瘫患者双侧差异化运动机能与康复需求，研究团队突破传统“完全引导”或“完全顺从”的局限，提出了一种按需辅助的交互控制方法，构建了“规划-协同-控制”三层融合框架。
▲偏瘫患者运动功能与关节协调能力重塑
顶层结合多模板步态与实时生物力学反馈，实现人机耦合系统最优康复运动的动态规划。
中层融合双侧下肢实时接触状态，精确识别关键步态活动，量化患者和机器人间的运动差异并实现人机同步。
底层为患侧实施针对性的运动康复，通过有效的步态矫正与支撑，重塑受损的运动功能。同时，为健侧提供柔顺性的运动辅助，充分发挥患者自身的感知与运动能力，促进肢体运动的协调性与自然性。
▲偏瘫人群步行康复验证
该融合框架，突破了传统外骨骼机器人的功能局限，为偏瘫患者提供了满足个体运动偏好，与康复训练需求的多关节精准协同康复。
研究团队与中国人民解放军总医院等合作，面向60余位偏瘫患者开展了100余次临床验证。
结果显示，该研究方法有效实现了运动学重塑（多关节平均跟踪精度提升61.8%±17.4%）、步态模式自然性与对称性（不对称指数降低10.5%）等关键康复目标。
该系列研究构建了“刚柔耦合+按需辅助”的技术框架，为精准矫正与自然交互的理想平衡提供了有效思路。
来源：中国科学院沈阳自动化研究所
责任编辑：王颖
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