外骨骼的能量給付與電力系統(tǒng)的發(fā)展

外骨骼的能量給付與電力系統(tǒng)的發(fā)展

一般來說，“外骨”一詞用于描述有助于健康穿脫者的機械性設(shè)備，包括機械結(jié)構(gòu)、相關(guān)裝置、彈性部件、傳感器和控制元件。而術(shù)語“矯形器”是改善肢體障礙患者功能的輔助裝置,安裝有動力裝置的矯形器也屬于外骨骼系列。如今,外骨骼越來越多地應(yīng)用于輔助康復(fù)功能訓(xùn)練,患者通過穿戴外骨骼康復(fù)機器人,可以進行有效的功能康復(fù)訓(xùn)練,達到促進神經(jīng)系統(tǒng)功能恢復(fù)、提高日常生活活動能力的目的。1外骨和畸形分類1.1外骨骼的轉(zhuǎn)移一些外骨骼能重新分配負(fù)荷,并使之集中在更大的肌肉組織上,以減輕疲勞。一種名為Springbuck的跑鞋被證實在適當(dāng)?shù)呐懿剿俣认履軌蚋纳茰p震和代謝值。美國AppliedMotion公司研發(fā)的SpringWalker外骨骼能夠把負(fù)載直接通過外骨骼轉(zhuǎn)移到地上,減少肢體加載的重量,令穿戴者健步如飛。最早被提及的這樣一個外骨骼是1890年美國授權(quán)給Yagn的專利,其設(shè)計目的是為了增加軍人行軍能力。麻省理工學(xué)院制作的MIT(MassachusettsInstituteofTechnology)彈性外骨骼與Yagn的專利類似,其設(shè)計目的是為了減少連續(xù)跳躍時能量的損耗。與Yagn專利不同的是,在站立期,MIT能夠?qū)Ⅲw重直接轉(zhuǎn)移到地面,跳躍時穿著MIT比正常跳躍平均減少代謝功率24%。1.2u3000ex的特征外骨骼BLEEX(BerkeleyLowerExtremityExoskeleton)由美國伯克利大學(xué)Kazerooni教授設(shè)計,它在增加負(fù)載能力的同時可以防止背部、腿部損傷。BLEEX最顯著的特征之一就是能量自給。Kazerooni聲稱這是第一個承載和自給電力的外骨骼。BLEEX有3個自由度:髖部、膝部和踝部。四驅(qū)動:髖關(guān)節(jié)屈/伸、髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收、膝關(guān)節(jié)屈/伸、踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻/外翻。BLEEX在水平地面步行平均消耗1143W液壓動力和200W電力。在標(biāo)準(zhǔn)行走過程中,電動機驅(qū)動比液壓驅(qū)動能量消耗顯著減少,但安裝電力驅(qū)動關(guān)節(jié)的重量大約是安裝液壓驅(qū)動關(guān)節(jié)的兩倍(4.1kg∶2.1kg)。為了能夠最大程度達到能量的自動供給,發(fā)明者研發(fā)了一個混合液壓電力便攜式電源。第二代BLEEX正在測試中,這個新設(shè)備重量大約是第一代的一半(約14kg)。1.3wlpingasist-2助走器外骨骼式老年人助走裝置的研究首先在日本開展。HAL(HybridAssistiveLimb)研究的初衷是彌補老年人因年齡導(dǎo)致的肌肉強度下降,輔助老年人行走和搬運重物。本田公司研制了兩款老年人助走器:WalkingAssist-1具有一個馬鞍形的座椅,為人體提供一定的支撐,減小行走和直立時體重對膝、踝關(guān)節(jié)的壓迫,利用電機使外骨骼擺動,幫助老年人實現(xiàn)邁步、上下樓梯等日常活動;WalkingAssist-2為單關(guān)節(jié)(髖)助力外骨骼,通過電機輸出轉(zhuǎn)矩推動腿向前邁步,實現(xiàn)助走功能。韓國西江(sogang)大學(xué)的外骨骼IntelligentWalkingAssistiveRobot裝置由兩部分組成:外骨骼和手推車。所有的驅(qū)動元件,包括電池、馬達及控制器等較重的周邊設(shè)備,都布置在手推車中,可以減輕操作者的負(fù)擔(dān),亦可以保證行走平衡。1.4用于恢復(fù)功能的外顱骨1.4.1第二代康復(fù)機器人系統(tǒng)和原理歐美和日本等發(fā)達國家已經(jīng)研發(fā)出多種減重步行康復(fù)訓(xùn)練機器人。減重步態(tài)訓(xùn)練(bodyweightsupporttreadmilltraining,BWSTT)研究已開展20余年。其中,德國的MGT(MechanicalGaitTrainer)和HapticWalker,日本的HAL-5,瑞士的Lokomat,美國的MotorikaAmbulator、Litegait和Robomedica等較為典型。1996年德國柏林自由大學(xué)研發(fā)出一種名為MGT的康復(fù)機器人,該系統(tǒng)主要由減重支持系統(tǒng)、活動踏板和驅(qū)動機構(gòu)組成。它能夠產(chǎn)生類似于正常人肌肉驅(qū)動時的運動軌跡,還可根據(jù)實際情況為患者提供合適的減重支持,控制患者重心在水平和垂直方向的運動,給予重復(fù)的步態(tài)訓(xùn)練。在MGT基礎(chǔ)上,德國弗朗霍費爾(FraunhoferIPK)自動化機器人研究中心和柏林慈善醫(yī)科大學(xué)機構(gòu)的Schmidt以及Hesse等共同開發(fā)出新一代機器人HapticWalker,具有以下特點:可移動的旋轉(zhuǎn)腳踏板為患者提供多種可編程的訓(xùn)練軌跡,如平地、上下樓梯等,訓(xùn)練速度可根據(jù)患者的實際情況進行調(diào)節(jié)。日本Tsukuba(筑波大學(xué))的Sankai和他的團隊一直在開發(fā)旨在增強人類功能和輔助康復(fù)訓(xùn)練的外骨骼。新研發(fā)的HAL-5主要通過緊貼在肌肉表面的傳感器控制,達到提高步行能力的目的。HAL-5可以輔助佩戴者完成幾乎所有日常生活活動。改進后的HAL-5四肢更輕便和緊湊,電池壽命更長(持續(xù)操作時間大約160min),外形更美觀,全身裝置總重量僅為21kg。瑞士工程師杰里?科倫坡發(fā)明的Lokomat是世界上第一臺針對下肢癱瘓患者進行康復(fù)訓(xùn)練的機器人,主要由固定髖部和雙下肢的外骨骼式矯形器、減重支持系統(tǒng)和運動跑臺組成。彈簧支撐的平行四邊形結(jié)構(gòu)與矯形器相連,彈簧支撐整個矯形器的重量,并具有調(diào)節(jié)平衡的功能。減重支持系統(tǒng)通過胸腰部繃帶懸吊患者來支撐部分體重,患者的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)由計算機控制,并配有相應(yīng)的位置和力量感受器,Lokomat可以根據(jù)情況自動調(diào)節(jié)運動參數(shù),實現(xiàn)最佳的康復(fù)訓(xùn)練。1.4.2bwstt治療股骨運動目前認(rèn)為,BW-STT的治療作用主要通過以下幾種機制實現(xiàn)。(1)中樞模式發(fā)生器(centralpatterngenerator,CPG)學(xué)說:CPG是由脊髓中一群神經(jīng)元相互聯(lián)結(jié)組成的網(wǎng)絡(luò),能發(fā)放出節(jié)律性沖動,包括節(jié)律性肌肉運動。(2)神經(jīng)系統(tǒng)可塑論與功能重組:中樞神經(jīng)損傷后的結(jié)構(gòu)或功能重組過程必須通過定向誘導(dǎo),步行訓(xùn)練是一種有效的誘導(dǎo)方式。(3)運動控制的“動力系統(tǒng)”學(xué)說:BWSTT使足底和髖關(guān)節(jié)傳入的感覺在脊髓運動區(qū)得到加強,在小腦和高級運動中樞下傳復(fù)制系統(tǒng)被放大,使運動中樞對運動的控制能力加強。(4)強制性主動使用理論:強迫性主動運動可激活運動皮質(zhì)和脊髓節(jié)律性運動中樞。目前,BWSTT多用于腦卒中、脊髓損傷等患者步行訓(xùn)練。Lokomat康復(fù)訓(xùn)練機器人作為步行訓(xùn)練的代表,突破了傳統(tǒng)訓(xùn)練持續(xù)時間短、強度低、重復(fù)性差以及康復(fù)治療師體力消耗大等限制。一個治療師可以同時操作幾臺機器,能夠在精確控制的環(huán)境下為患者提供安全、可重復(fù)、高強度和長時間的步態(tài)訓(xùn)練。1.4.2.lokomat治療Westlake等選取16例卒中后輕度偏癱志愿者,隨機分為Lokomat組和人工減重訓(xùn)練組,每組8例,按照(0.92±0.15)m/s(快)或(0.58±0.12)m/s(緩慢)的步行速度訓(xùn)練4周。結(jié)果表明,Lokomat組地面行走速度、6min步行距離均明顯改善,人工減重訓(xùn)練組只有平衡分?jǐn)?shù)提高。說明Lokomat訓(xùn)練優(yōu)于人工減重訓(xùn)練。Brütsch等選取18名兒童(10名兒童有不同程度的神經(jīng)步態(tài)障礙,8名健康兒童作為對照)。他們被要求在4個不同條件下應(yīng)用Lokomat:(1)正常行走;(2)配合治療師的指令積極參與;(3)輔助應(yīng)用虛擬現(xiàn)實場景;(4)虛擬現(xiàn)實場景結(jié)合理療師的指令。研究證明虛擬現(xiàn)實場景配合Lokomat訓(xùn)練在兒童步態(tài)障礙康復(fù)過程起到重要作用。楊振輝選取2例病例:李某某,55歲,左側(cè)基底節(jié)腦出血術(shù)后,右側(cè)偏癱;鐘某某,43歲,L1椎體壓縮性骨折術(shù)后,截癱。兩例患者接受Lokomat訓(xùn)練,每天1次,每周6次。每周給予不同的減重量、引導(dǎo)力和步行速度,并調(diào)整步行時間。2個月后患者平衡功能和步行能力明顯提高。趙雅寧等選取缺血性腦卒中(恢復(fù)早期)偏癱患者40例,隨機分為對照組和Lokomat組,每組20例。對照組常規(guī)康復(fù)療法,Lokomat組常規(guī)康復(fù)療法同時用Lokomat訓(xùn)練,10周后Lokomat組Berg平衡量表,踝-后足功能評分及異常步態(tài)、前足活動(屈/伸)、后足活動(內(nèi)翻加外翻)、踝-后足穩(wěn)定性和足部對線、步長、步寬、步速和步頻的評測較治療前均有明顯改善。說明Lokomat能提高偏癱患者下肢運動靈活度,增強負(fù)重能力,改善關(guān)節(jié)活動范圍,提高步行功能。1.4.2.走行能力的檢測國外研究顯示,減重步行過程中外加阻力可激發(fā)股直肌自發(fā)活動,并促進下肢恢復(fù)預(yù)定運動軌跡,使下肢擺動期運動功能逐漸恢復(fù)。應(yīng)用Lokomat輔助減重步行抗阻訓(xùn)練能夠改善慢性不完全脊髓損傷患者的行走能力。Duschau-Wicke等通過研究11例不完全脊髓損傷患者在Lokomat的4種不同訓(xùn)練模式下的功能訓(xùn)練,認(rèn)為Lokomat位置控制步態(tài)訓(xùn)練模式能夠使脊髓損傷患者更加積極地參與運動,患者表現(xiàn)出更多空間和時間上的運動變化,心率增快,肌肉活動增強。郭素梅等選取2例男性不完全性脊髓損傷患者參加Lokomat步態(tài)訓(xùn)練5.5個月,患者10m最大步行速度、6min步行距離及Berg平衡量表評分均較訓(xùn)練前改善,證明Lokomat訓(xùn)練有助于改善不完全性脊髓損傷患者的步行能力。2外骨骼康復(fù)機器人的局限性作為國際機器人領(lǐng)域的一個研究熱點,外骨骼康復(fù)機器人的研究主要集中在康復(fù)機械手、醫(yī)院機器人系統(tǒng)、智能輪椅、假肢和康復(fù)治療機器人等幾個方面。但前期的研究存在許多問題:(1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜;(2)操作不便;(3)動力裝置沉重;(4)扭矩和功率有限,使佩戴者的動作難度增大;(5)外形不美觀;(6)工作噪音大;(7)佩戴耗時及制動器電流受限;(8)外骨骼和人體神經(jīng)系統(tǒng)之間缺乏直接的信息交流;(9)外骨骼與矯形器機械接口設(shè)計不滿足穿戴者舒適度,限制穿戴的時間等,以致臨床應(yīng)用性不強。最具代表性的Lokomat全球銷售量只有100多臺,臨床應(yīng)用訓(xùn)練的研究報道少。外骨骼康復(fù)機器人高昂的價格、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和操作過程給實際臨床推廣帶來了困難。我國開展康復(fù)機器人領(lǐng)域研究的主要有清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)和中國康復(fù)研究中心等。隨著國家“十二五”規(guī)劃的實施及國家有關(guān)戰(zhàn)