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上肢康复机器人未来发展趋势

国际金属加工网 2022年11月22日

目前人口老龄化日趋严重是全球工业化国家普遍面临的问题。2019 年中国60岁以上人口比重达到17.3%,65岁以上人口比重达到11.4%。根据预测,中国60岁以上老年人口数量将在2050年左右达到高峰,约4.8亿人。

人口的老龄化加速及寿命的延长致使老龄化人群四肢的肌力衰退进而导致活动能力下降,而且伴随着心脑血管疾病的发病率提高,其主要典型病症就是脑卒中与脊髓损伤等,都导致肢体残疾,增加了残疾人的数量。据不完全统计,全球中低收入国家发生中风的比例为70%,居民脑卒中标化患病率由2012年的1.89%上升至2016年的2.19%。其中绝大部分病患为超过65岁的老人,但也有研究表明,发病年龄层级正在下降。

脑卒中是中枢神经性运动障碍,对此的有效治疗方法是通过运动实现受损中枢神经的康复,进而实现对机体的有效康复。上肢关节复杂程度较高,恢复周期长,需要长期重复的康复训练,理疗师进行患者训练的康复成本较高且需专业康复机构训练。康复机器人对患者能够进行高效的重复康复训练,因此康复机器人成为解决目前困境的一种重要技术手段,具有极好的社会应用价值。根据中投顾问的预测,康复机器人在中国的市场将在2021年达18亿美元。

末端牵引式康复训练机器人

上肢康复训练机器人有多种分类方法,如按照自由度划分可以分为单自由度、双自由度、三自由度和多自由度机器人;按照系统结构可以划分为本地康复机器人、远程康复机器人和基于虚拟环境的康复机器人。按照不同的支撑方式区分方式分为外骨骼式和末端牵引式上肢康复机器人。

末端牵引式康复训练机器人以普通连杆机构或者串联机械结构为主体机构,通过末端执行器同人体手臂固连,牵引人体上肢进行康复训练,以机器人的末端运动规划调整患者的康复训练模式。其中,机器人关节与人体关节并无固定匹配关系,患者只需手部同机械手臂末端连接,结构简单,安装方便,其在安装使用上有着外骨骼式机器人无可比拟的简易优势。

NeReBot机器人

意大利帕多瓦大学Rosati等于2007年设计了3-DOF的NeReBot机器人(图12),通过3个独立电机进行绳索驱动,实现上肢的末端牵引。其驱动方式阻尼小,控制灵活性高NeReBot机器人采用的绳索式简易机械结构保证安全性,在低自由度数量及空间性能之间取得良好平衡。

3-DOF上肢康复机器人

英国利兹大学Jackson等设计了一款智能气动手臂康复(intelligent pneumatic arm movement,iPAM)的3-DOF上肢康复机器人(图13),其具有双附着点机械结构,与其配合的iPAM Mk Ⅱ系统具有良好的人机交互,辅助患者通过矫形器的牵引辅助完成上肢的各关节的复合康复运动。

2-DOF上肢康复机器人

UECM是清华大学设计的2-DOF上肢康复机器人(图14),是中国较早的末端牵引式康复机器人,能够在2D平面上实现机械臂的运动,其康复系统具有主动模式、被动模式及助力模式的多种训练模式。

Burt上肢康复机器人

Burt上肢康复机器人诞生于波士顿,源自列入吉尼斯世界记录的WAM机械手,与芝加哥康复中心、Spaulding康复医院合作开发而成。也是国内首款末端驱动式三维上肢康复机器人。Burt有符合人体力学的三自由度机械臂,可实现全周期患者的三维方向的肩、肘关节复合运动,它通过柔顺的钢绳传动系统、力反馈算法搭配伺服电机多点控制系统和机器学习实现良好的反向可驱动性,使设备更柔顺,无卡顿。确保患者训练的安全性并带来出众的交互体验。

末端牵引式康复机器人开发较早,其结构简单、便于应用的特点使其较早用于临床,在东南大学、哈尔滨理工大学、中山大学等对末端牵引式康复机器人控制、结构等方面都有相应的研究。

随着对康复医疗的更高水平需求,最初的开环式工业机械臂的康复机器人已经无法满足当前的患者需求,其需要更加智能、灵活、轻便的辅助患者训练。因此对于多自由度混联机构、柔性关节连接、智能化人机交互等方面是上肢康复机器人发展的重要方向。综上所述,上肢康复机器人的未来发展趋势如下:

(1)从低自由度向高自由度发展。目前临床应用的串联式康复机器人,其自由度低、结构简单、康复训练模式单一,无法满足不同用户复杂的训练需要。单一的康复训练模式其训练效果无法达到最佳适应。发展更高自由度的康复机器人是未来的发展趋势之一。以并联机构代替串联机构,更好地辅助人体上肢的康复运动,形成多种轨迹运动的训练模式,充分对上肢各部分肌力激励,实现高效率的康复训练。多自由度的康复机械臂未来满足上肢的复杂活动锻炼,是重要的发展方向。

(2)从传统材料向新型轻质材料发展。目前康复机器人的结构本体多以金属、合金等传统材料为主,在满足结构支撑条件的情况下,其运动惯性、重力阻尼大,影响系统响应时间,导致机器噪声及不稳定性增大。过于笨重的体积影响患者的舒适感,对康复治疗不利,更会造成意外情况,影响患者的使用安全。因此康复机器人的设计需要轻量化,采用新型轻质材料如轻质合金、复合材料等提高结构的支撑效率,以新型的轻质材料代替传统材料。保证机械结构的支撑强度,提高支撑效率,又可降低系统惯性阻尼。新型轻质材料的应用将是康复机器人未来的发展方向之一。

(3)从刚性关节向柔性关节发展。上肢康复机器人的关节是传动结构的重要组成部分。上肢康复机器人的关节协调形成机器人的工作轨迹,带动人体上肢完成训练。刚性关节运动单一,与人体关节的融合程度不高,无法实现连续变形。运动过程中易产生刚性冲击。柔性关节能够更好地拟合康复机器人同人体的运动轨迹。采用弹性体等柔性材料有效吸收冲击时的能量,减少冲击。目前基于人工肌肉、形状记忆合金、介电弹性体的软体机器人。柔性关节的驱动下关节的自由度范围更大,采用高精度的控制可以实现对上肢康复训练的精准运动。柔性关节将是未来康复机器人的重要发展方向之一。

(4)从传统控制方法向人工智能控制发展。传统控制方法主要以机电系统的控制为主,控制算法及控制方式单一。信号种类及获取方式少,有效地交互信息难以获得。随着人工智能技术的发展。基于表面肌电信号以及脑电信号控制的上肢康复机器人不断取得进展,实现人机直接的信息交互。传统的机电系统不断被人机结合的智能控制技术代替。人工智能算法同康复机器人结合,促使康复机器人更加智能及安全地辅助患者康复训练。友好的人机交互及智能控制技术,促使患者在训练时保持积极心态。结合虚拟现实技术的应用,患者的训练积极性会大大提高,摆脱单一的康复模式。未来上肢康复机器人与人工智能结合将是必然的发展趋势。

(埃斯顿医疗 )

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