上肢外骨骼是一種可穿戴式機械臂，機械臂的運動與人體上肢運動相匹配，可以提供安全、靈活、豐富的康復訓練，能夠實現主動、被動、主被動協調等運動模式。

使用外骨骼機械臂進行肌力訓練，能夠恢復患者上半身的功能，幫助患者變得更加獨立，尤其是對中風患者有更大意義。

由于腦部血管阻塞或者突然破裂導致大腦供血不足而引起的腦組織損傷疾病稱為“腦卒中（stroke）”又稱為“中風”。世界衛生組織調查數據顯示，在 2015 年全球 5640 萬例死亡中，半數以上（54%）是由以下 10 種病因導致，其中腦卒中高居第二位。

另一方面，權威醫學期刊《新英格蘭醫學雜志》根據1990-2016年的數據研究顯示，全球25歲以上的人中，1/4 有患中風的風險，而中國人風險最高。依2017年我國居民數據，每5位死亡者中就至少有1人死于腦卒中，且腦卒中后存活者中70%留有不同程度的殘疾，患者中最普遍的后遺癥是上肢輕度癱瘓，而上肢運動功能的缺失會極大降低患者的生活質量。

臨床試驗證明，除了手術和藥物治療外，康復運動訓練有助于偏癱患者在大腦中樞與肢體運動控制之間重新建立有效聯系。

為幫助中風患者實現康復運動訓練，通常治療師需要長期引導完成一系列動作，可以視為一種再學習或者再訓練的過程，高重復性、高強度、目標導向性的特定任務訓練。現有康復治療醫師和專業護理人員的數量遠不能滿足實際的需求，上肢康復機械臂的出現為改變康復治療現狀提供了一種有效的解決方案。

正是源于協助這部分患者完成上半身的復健的需求，Harmonic Bionics開發的Harmony SHR項目于2011年在德克薩斯大學雷諾機器人實驗室啟動，資金來自國家科學基金會和美國宇航局。

它既可以按照預先編制的程序自動重復模擬日常的多平面運動來促進功能恢復；又可以支持患者本人通過正常一側手臂來引導另一側完成復健動作；或通過實時記錄健康的手臂運動，并將其復制到受中風影響的一側來進行以患者為主導的治療，或者稱為“雙向同步治療”。

二、核心技術

肩關節復合體包括胸鎖關節、肩胛胸廓關節、肩鎖關節和盂肱關節，涉及胸骨、鎖骨、肋骨、肩胛骨和肱骨，是人體中最復雜的關節。16 塊肌肉控制肩關節復合體，從而實現大范圍運動，這些肌肉通常不是獨立發揮作用，而是協調配合控制多個關節運動。

這就要求機械臂的核心部件——肩部機構，在能夠保證肩部最大限度的運動范圍的同時，盡可能做到輕便、緊湊，進而驅動肩部關節的協調運動，這也是肩部康復的關鍵所在。

另一個難點在于確保機械臂與患者之間的定位，以避免使用者的關節受到傷害，因此有必要增加尺寸調整功能，以適用不同用戶的需求。其他挑戰包括開發具有高刷新率的閉環扭矩控制執行器等等。

三、結構設計

在設計外骨骼機械臂結構之前，要先明確總體設計方案，包括構型、各關節運動范圍、結構參數等。機械臂有其復雜性，且尺寸調整機構需要高度緊湊，以便為電子設備和執行器留出空間。

Harmonic Bionics通過選擇德國運動塑料制造商igus的DryLin-T高性能直線軸承，以確保了外骨骼支架的高剛性、無需潤滑；而且，直線軸承機構能夠一次鎖定到位，以防止不必要的尺寸變化。該產品也經常用于機械制造、機床、包裝搬運和木工等行業。

對于不同康復階段的患者，可以采用Lovett 肌力分級，來評估患者肌肉力量，一般將肌力分為 0 ~ 5 級。針對不同肌力等級的患者需要采用不同的康復訓練模式，康復模式與患者肌力分級之間關系如下：

其中，被動模式是指完全由外骨骼機械臂帶動患者上肢運動，主動模式是指患者控制外骨骼機械臂按照自身意圖運動。在康復訓練過程中，主動與被動模式下，均由各關節力矩和位置信息來進行控制以，力矩信息通過力矩傳感器得到，位置信息通過編碼器測量。

四、應對挑戰

外骨骼技術從上世紀60年代興起，經歷了數次爆發和低谷，每一次爆發都是技術換代式的革命。這種爆發體現在眾多科幻醫療器械創新網中，同時在一代代年輕人心中埋下能夠上天遁地的機甲種子。

隨著可穿戴設備的發展、材料科技的發展、傳感器技術的發展、通信與電力技術的發展、或是動力系統的發展，外骨骼技術進入了一個新的臺階。但同時我們也要看到外骨骼機械臂設計的重重挑戰。

比如，需要從人機運動匹配出發，考慮運動過程中肩關節旋轉中心與機械臂的匹配、機械臂與人體肘關節軸線的匹配、左側與右側患肢的通用性、外骨骼與人體之間的連接方式等問題；同時需要保證患者的安全性；以及尋找耐用、無潤滑的部件等。

但中風作為一個急需解決的醫學問題，值得更多關注。通過外骨骼機械臂的使用，能夠改變治療師的工作方式，一定程度上解放了治療師，讓他們有更多的精力去與患者互動，為腦卒中患者開啟健康新紀元。