外骨骼康復(fù)機(jī)器人的主要核心技術(shù)

外骨骼康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域技術(shù)壁壘和智能化水平較高的機(jī)器人，產(chǎn)品涉及傳感、控制、機(jī)械動(dòng)力、人機(jī)交互、工業(yè)設(shè)計(jì)等多個(gè)交叉領(lǐng)域，涵蓋人體生物力學(xué)、人體工程學(xué)、神經(jīng)電生理、臨床醫(yī)學(xué)等學(xué)科。

（一）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)

外骨骼康復(fù)機(jī)器人的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)至關(guān)重要，從驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)來(lái)看，外骨骼康復(fù)機(jī)器人可以分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣缸驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)以及氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)等幾種主要類型。各類型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)如表1所示。日本筑波大學(xué)的HAL、美國(guó)Yobotics公司的Roboknee、中科院常州先進(jìn)制造研究所2014年研制的外骨骼機(jī)器人ExOP，采用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。氣缸驅(qū)動(dòng)方式在外骨骼機(jī)器人上應(yīng)用較少，意大利研制的PAGO機(jī)器人、日本神奈川大學(xué)的weamble Power Assist Suit，采用的是氣缸驅(qū)動(dòng)方式。美國(guó)的BLEEx外骨骼機(jī)器人、美國(guó)洛克希德·馬丁公司的全身外骨骼機(jī)器人HULC、美國(guó)雷神公司的XOS系列外骨骼機(jī)器人，采用的是液壓驅(qū)動(dòng)。美國(guó)哈佛大學(xué)Biodesign Lab實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種新結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)人工肌肉，美國(guó)FESTO公司推出了仿生氣動(dòng)肌腱系列產(chǎn)品，并提供了相應(yīng)的應(yīng)用解決方案。

來(lái)源：火石創(chuàng)造產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)中心

（二）人體運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別技術(shù)

運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別是實(shí)現(xiàn)仿生肢體控制的前提和基礎(chǔ)。如何正確識(shí)別穿戴者的行為和意圖是外骨骼機(jī)器人研發(fā)的一個(gè)重要課題。目前主要方式包括通過(guò)腦電或肌電信號(hào)，以及通過(guò)慣性測(cè)量單元及壓敏傳感器為代表的機(jī)械傳感器。為了識(shí)別幾種常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)模式，需要將從傳感器收集到的數(shù)據(jù)集輸入到分類算法中，構(gòu)建分類器；當(dāng)信號(hào)輸入到分類器時(shí)，分類器將輸出識(shí)別結(jié)果。針對(duì)外骨骼機(jī)器人意圖識(shí)別技術(shù)，負(fù)重外骨骼助力機(jī)器人多采用足底壓力傳感器檢測(cè)步態(tài)，而康復(fù)外骨骼助力機(jī)器人多采用多種傳感器混合檢測(cè)步態(tài)。上述識(shí)別方法都存在容易受到人體干擾、判斷準(zhǔn)確性不足以及無(wú)法精確跟隨人體意圖的問(wèn)題，因此外骨骼機(jī)構(gòu)與穿戴者協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)仍是急需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

（三）人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)

外骨骼要能成功復(fù)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)，必須具備和人相當(dāng)?shù)目煽刈杂啥取；谝鈭D識(shí)別結(jié)果，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同行走控制是外骨骼機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)之一。目前主要有以下幾種控制方法：基于靈敏度放大的控制方法，基于預(yù)定步態(tài)的控制方法，基于預(yù)定步態(tài)的驅(qū)動(dòng)控制方法、混合控制方法。在各類協(xié)調(diào)控制方法中，對(duì)于外骨骼負(fù)重機(jī)器人，應(yīng)用靈敏度放大控制策略效果最好，而對(duì)于外骨骼康復(fù)機(jī)器人，應(yīng)用預(yù)定步態(tài)控制策略相對(duì)更加成熟。外骨骼康復(fù)機(jī)器人需要提高協(xié)調(diào)控制、遞進(jìn)反饋等功能，優(yōu)化人機(jī)兼容特性，幫助患者更好地完成自主訓(xùn)練。

（四）康復(fù)策略設(shè)計(jì)技術(shù)

外骨骼康復(fù)機(jī)器人能有效改善患者的肢體運(yùn)動(dòng)能力，主要基于中樞模式發(fā)生器、神經(jīng)系統(tǒng)可塑性與功能重組、“動(dòng)力系統(tǒng)”及強(qiáng)制性主動(dòng)使用等理論。針對(duì)不同患者應(yīng)制定科學(xué)精確的康復(fù)策略，在不同的康復(fù)階段采取針對(duì)性的訓(xùn)練方法，促使患者的身體機(jī)能逐步恢復(fù)。除了漸進(jìn)式與被動(dòng)式康復(fù)訓(xùn)練外，準(zhǔn)確識(shí)別患者的主觀意圖，實(shí)現(xiàn)患者的主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，是康復(fù)策略研究的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)此類患者不同康復(fù)時(shí)期,通過(guò)控制算法,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)不同的康復(fù)策略,用以輔助患者訓(xùn)練并促進(jìn)康復(fù)。在不同康復(fù)階段通過(guò)肌電信號(hào)建立患者健側(cè)關(guān)節(jié)的主觀運(yùn)動(dòng)意圖與關(guān)節(jié)活動(dòng)的正向映射,通過(guò)康復(fù)機(jī)器人的協(xié)助,完成患側(cè)的主動(dòng)訓(xùn)練康復(fù)策略。

外骨骼康復(fù)機(jī)器人全球代表企業(yè)及主要產(chǎn)品

國(guó)際上外骨骼康復(fù)機(jī)器人的代表企業(yè)主要包括日本的Cyberdyne公司、以色列的ReWalk公司、美國(guó)的Ekso公司和瑞士的Hocoma公司等。

（一）日本Cyberdyne公司

國(guó)際上最大的專業(yè)康復(fù)外骨骼機(jī)器人公司為日本的Cyberdyne公司，其旗艦產(chǎn)品HAL于2008年正式發(fā)布，于2013年成為全球首個(gè)獲得安全認(rèn)證的外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品（ISO/DIS 13482）。HAL作為助力外骨骼機(jī)器人最大的優(yōu)勢(shì)是“實(shí)現(xiàn)意念控制”，即大腦向筋骨系統(tǒng)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令而動(dòng)作，身體在做動(dòng)作時(shí)會(huì)有微弱的生物電位信號(hào)溢出到皮膚表面，采集皮膚上的生物電驅(qū)動(dòng)外骨骼系統(tǒng)做出相應(yīng)動(dòng)作，外骨骼可以通過(guò)這套系統(tǒng)探測(cè)人體肌肉的發(fā)力點(diǎn)從而介入工作。2018年1月，美國(guó)FDA已批準(zhǔn)Cyberdyne公司的下肢外骨骼醫(yī)療用途版產(chǎn)品在美國(guó)上市用于美國(guó)患者。它使用傳感器來(lái)檢測(cè)從患者的大腦發(fā)送到患者肌肉的生物電信號(hào)，與患者的運(yùn)動(dòng)（或意圖運(yùn)動(dòng)）配對(duì)，以增加強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

（二）以色列ReWalk?Robotics公司

以色列外骨骼系統(tǒng)提供商ReWalk（ReWalk Robotics, Ltd.）是全球領(lǐng)先的下肢康復(fù)機(jī)器人醫(yī)療設(shè)備制造商。ReWalk外骨骼機(jī)器人，提供ReWalk個(gè)人版和ReWalk康復(fù)版。ReWalk個(gè)人版2012年末獲得歐洲CE認(rèn)證，并在2014年6月獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)上市。ReWalk個(gè)人版是由美國(guó)FDA批準(zhǔn)用于個(gè)人使用的第一個(gè)機(jī)械外骨骼系統(tǒng)。ReWalk康復(fù)版是在醫(yī)院和專門的康復(fù)中心使用的，目的是創(chuàng)造臨床康復(fù)的環(huán)境，提供寶貴的康復(fù)治療和鍛煉。2021年11月，F(xiàn)DA授予ReWalk研發(fā)的ReBoot突破性設(shè)備稱號(hào)。ReBoot是一種輕巧的、電池供電的矯形外裝，旨在幫助因神經(jīng)損傷（如中風(fēng)）而導(dǎo)致腳踝功能下降的個(gè)體的行走功能。

來(lái)源：ReWalk官網(wǎng)

（三）美國(guó)Ekso?Bionics公司

美國(guó)企業(yè)Ekso Bionics，創(chuàng)立于2005年，2012年拿到FDA醫(yī)院使用許可。Ekso因具有美國(guó)國(guó)防部背景，所以在軍事、民用、救援、醫(yī)療進(jìn)行了多領(lǐng)域的探索。在醫(yī)療方面，ESKO已有兩款醫(yī)療外骨骼機(jī)器人于2012年上市，使用了鋁合金、鈦合金、碳纖維等金屬和復(fù)合材料，創(chuàng)建了高精度的感應(yīng)器、微型驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、擬人關(guān)節(jié)等，并配備了速度極快的中央處理器和強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)。用戶可根據(jù)自身的情況和康復(fù)進(jìn)度選擇3種不同的康復(fù)模式，即First Step（康復(fù)治療師輔助進(jìn)行）、Active Step（用戶自主控制模式）和 Pro Step（自動(dòng)感應(yīng)用戶身體動(dòng)作觸發(fā)每一步）。2020年，Ekso宣布推出更加輕便、靈活、舒適的Evo外骨骼，Evo上半身外骨骼提供了同樣的支撐力，但采用了全新的低矮多連桿設(shè)計(jì)。

（四）瑞士Hocoma公司

瑞士的HOCOMA AG公司成立于1996年，作為國(guó)際知名的醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人公司，擁有多款核心康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品。Lokomat是一款能夠提供即時(shí)反饋與評(píng)估的步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器人，對(duì)脊髓損傷、多發(fā)性腦損傷、中風(fēng)以及多發(fā)性硬化癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者有良好的康復(fù)效果，目前，Lokomat在中國(guó)高端外骨骼康復(fù)機(jī)器人市場(chǎng)的占有率領(lǐng)先。其產(chǎn)品Armeo是一款能夠提供即時(shí)反饋與評(píng)估的上肢康復(fù)機(jī)器人，支持從肩膀到手指的完整的運(yùn)動(dòng)鏈治療，能夠根據(jù)患者的情況自動(dòng)提供協(xié)助，即使是癥狀嚴(yán)重的患者，也能用此款設(shè)備進(jìn)行高強(qiáng)度的早期康復(fù)治療。Erigo是一款集成的傾斜機(jī)器人系統(tǒng)，用于長(zhǎng)期臥床病人的早期神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練。Valedo系列用于背部疼痛治療，包括Valedoshape、Valedomotion和Valedo三款產(chǎn)品，分別用于脊柱評(píng)估、診所治療和家庭治療。

（五）美國(guó)Woodway公司

美國(guó)WOODWAY公司成立于1975年，長(zhǎng)期專注于研制設(shè)計(jì)獨(dú)特、性能卓越、可靠耐用的競(jìng)技訓(xùn)練、商業(yè)健身及醫(yī)療康復(fù)專業(yè)系統(tǒng)。該公司的康復(fù)機(jī)器人主要有兩款，其中，LokoHelp是一款用于康復(fù)運(yùn)動(dòng)的步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器人，可減輕康復(fù)治療師的工作強(qiáng)度，并提高康復(fù)治療的效果；KineAssist是一款能夠模擬實(shí)際生活環(huán)境的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，可提供包括平地走、爬坡、站立平衡、動(dòng)態(tài)平衡等運(yùn)動(dòng)療法。

外骨骼康復(fù)機(jī)器人國(guó)內(nèi)代表企業(yè)及主要產(chǎn)品

當(dāng)前高端外骨骼康復(fù)機(jī)器人市場(chǎng)大多由外國(guó)企業(yè)壟斷，我國(guó)外骨骼康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品還處于較為初級(jí)的階段，上市產(chǎn)品較少，目前主要公司有大艾機(jī)器人、程天科技和邁步機(jī)器人等。

（一）大艾機(jī)器人

大艾機(jī)器人2016年成立于北京，產(chǎn)品研發(fā)始于2010年，是我國(guó)外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域的先行者。核心產(chǎn)品為下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人“艾動(dòng)”、“艾康”、“艾行”等，主要用于因脊髓損傷導(dǎo)致的下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的步行康復(fù)訓(xùn)練。公司的下肢步行機(jī)器輔助訓(xùn)練裝置，獲得中國(guó)第一個(gè)二類創(chuàng)新醫(yī)療器械、第一個(gè)NMPA外骨骼機(jī)器人醫(yī)療器械注冊(cè)證。大艾機(jī)器人的外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品的獲批上市，是國(guó)內(nèi)智能化康復(fù)領(lǐng)域的突破性成就，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)下肢外骨骼機(jī)器人已經(jīng)從研發(fā)階段轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)階段，大大推動(dòng)了康復(fù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的進(jìn)程。大艾的系列外骨骼產(chǎn)品突破技術(shù)瓶頸，獨(dú)創(chuàng)仿生行走傳動(dòng)系設(shè)計(jì)，大幅降低成本，目前已治療患者超萬(wàn)例、訓(xùn)練超百萬(wàn)人次。

來(lái)源：大艾官網(wǎng)

（二）程天科技（杭州）

程天科技2017年成立于杭州，公司前身為哈爾濱程天科技發(fā)展有限公司（2012）。目前分為杭州總部與哈爾濱公司。程天科技致力于外骨骼機(jī)器人技術(shù)、智能醫(yī)療器械、特種機(jī)器人技術(shù)與智能系統(tǒng)的開發(fā)，是國(guó)內(nèi)首家獲得適用范圍為中樞神經(jīng)病變（涵蓋截癱、偏癱患者）的下肢外骨骼機(jī)器人的研發(fā)企業(yè)。程天科技通過(guò)人工智能（AI）與機(jī)器人技術(shù)，配合數(shù)據(jù)分析及云計(jì)算等方式為行動(dòng)失能、弱能的傷友、老年人及康復(fù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)提供智能康復(fù)器械、康復(fù)輔具產(chǎn)品和智能化解決方案。公司已申請(qǐng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)150余項(xiàng)，并獲得各領(lǐng)域獎(jiǎng)項(xiàng)20余項(xiàng)，現(xiàn)已有兩款下肢外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品分別于2020年和2021年3月獲NMPA批準(zhǔn)上市。

（三）邁步機(jī)器人（深圳）

邁步機(jī)器人2016年成立于深圳，公司專注于外骨骼機(jī)器人及人機(jī)交互技術(shù)的研發(fā)，打造智能康復(fù)體系，通過(guò)機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)提升康復(fù)醫(yī)療的效率和效果。具體研發(fā)用于中風(fēng)患者步態(tài)康復(fù)的下肢外骨骼機(jī)器人以及其他醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人。主要產(chǎn)品包括康復(fù)機(jī)器人、柔性驅(qū)動(dòng)器、醫(yī)療機(jī)器人、外骨骼機(jī)器人康復(fù)設(shè)備、下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人等。公司截至目前已分別于2017年4月、2018年5月、2020年8月和2021年2月完成四輪融資。核心產(chǎn)品下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人BEAR-H1是一款用于輔助腦卒中患者步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的新型可穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人。機(jī)器人擁有主動(dòng)被動(dòng)訓(xùn)練模式，通過(guò)對(duì)患者髖、膝、踝關(guān)節(jié)提供助力完成行走訓(xùn)練，可以節(jié)省人力，并提高康復(fù)效果。目前BEAR-H1已依據(jù)《廣東省第二類創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審批程序（試行）》要求進(jìn)入特別審批程序。