康复机器人——设计、建模、控制与实验

第1章绪论 　　1.1神经损伤与神经康复 　　1.1.1中枢神经损伤 　　人体中枢神经系统包括脑和脊髓，掌管着人体与外界信息的传递、交互及处理，是各种心理活动的生物学基础，并支配人体各器官活动，包括肢体运动。人体中枢神经受到损伤往往会造成肢体功能障碍，形成偏瘫、截瘫，甚至四肢瘫。中枢神经损伤的主要来源包括脑卒中(stroke)、脊髓损伤(spinal cord injury，SCI)、外伤性脑损伤(traumatic brain injuries，TBI)等。 　　中风也叫脑卒中，亦称脑血管意外(cerebrovascular accident，CVA)，是指突然发生的、由脑血管病变引起的局限性或全脑性功能障碍，持续时间超过24小时或引起死亡的临床症候群[1]。它包括缺血性脑血栓、脑栓塞、脑出血和蛛网膜下腔出血，其中*为常见的两种类型如图1.1所示[2]，具有发病率高、死亡率高、致残率高、复发率高，以及并发症多的特点。 　　图1.1脑卒中的两种基本类型[2] 　　近年来，随着生活水平的提高、饮食结构的变化和人口的老龄化，脑卒中患者数量显著增加。据统计，过去40年里发展中国家的脑卒中患病率每年增长超过100%[3]；我国目前脑卒中的年患病率大约为115.61～219例/10万人，即每年新增患者约为150万～200万人[4]。脑卒中已经成为致死和致残的首要疾病之一[5，6]。 　　脊髓损伤是指由各种原因引起的脊髓结构、功能的损害，造成损伤水平面以下运动、感觉、自主神经功能障碍[1]。根据损伤水平面所处脊椎位置的不同，脊髓损伤可引起不同程度的截瘫或者四肢瘫。根据美国脊髓损伤协会(American SpinalInjury Association， ASIA)发布的脊髓损伤神经学分类方法，脊髓损伤可以根据损伤程度分成5级[7]。 　　A 级，完全脊髓损伤，*低的骶段(S4～ S5)没有任何感觉或运动功能。 　　B 级，不完全脊髓损伤，包括*低位骶段(S4～S5)在内的神经损伤平面以下有感觉功能，但没有运动功能；且身体任何一侧神经损伤平面以下无三个节段以上的运动功能保留。 　　C 级，不完全脊髓损伤，损伤平面以下运动功能保留，且单个损伤平面以下半数以上关键肌的肌力小于3级，表明患者可以克服重力进行主动运动。 　　D 级，不完全脊髓损伤，损伤平面以下运动功能保留，且半数以上关键肌的肌力大于或等于3级。 　　E 级，正常，所有节段的运动和感觉功能均正常，且既往有 SCI。无 SCI 者，不分级。 　　脊髓损伤根据损伤的位置，可以分为颈椎脊髓损伤、胸椎脊髓损伤和腰骶脊髓损伤。人体脊椎的结构[8]如图1.2所示，从上往下依次为颈椎(C1～C6)、胸椎(T1～T12)、腰椎(L1～L5)、骶骨(S1～S5)和尾骨。在临床上，医生通常直接根据患者脊髓损伤的位置和程度对患者进行损伤级别评定。例如，患者的颈椎第6块椎骨发生完全脊髓损伤，通常称为颈6完全脊髓损伤(C6，AISA=A)，同样，患者的胸椎第3块椎骨发生不完全脊髓损伤，且损伤平面以下有感觉功能无运动功能，则称为胸3不完全脊髓损伤(T3，AISA=B)。 　　*近几年，由于交通事故、自然灾害频发，脊髓损伤发生率居高不下。1996～2006年，全世界脊髓损伤的年发病率约为10.4～83例/100万人[9]。目前，脊髓损伤的患病率仍在35例/100万人左右[10]。据测算，我国每年新增的脊髓损伤患者达60000人；我国的脊髓损伤患者总数比世界其他任何国家都多[11]。 　　外伤性脑损伤是外力导致的颅骨、脑膜、脑血管和脑组织的形变所引起的神经功能障碍。根据《柳叶刀神经病学》2019年的报道，我国自2016年以来的年发病率约为313例/10万人，仅次于四肢创伤，在发展中国家中名列前茅[1]。外伤性脑损伤的主要致伤原因包括交通事故、工伤、运动损伤等，可导致认知、语言、运动等功能障碍。重度脑损伤的康复治疗一般需要持续很多年，部分患者需要长期照顾。 　　中枢神经损伤往往引起肢体功能紊乱，尤其是偏瘫、截瘫、四肢瘫等肢体残疾。据中国残疾人联合会发布的测算数据，2010年末全国残疾人总数为8502万人，其中肢体残疾患者为2472万人，占残疾人总数的29.1%，在各类残疾人口中占比*大[12]。瘫痪患者或者长期卧床需要专门的护理人员，或者行动不便给正常生活和工作带来很多困难，给患者及其家庭带来极大痛苦和沉重的经济负担。 　　图1.2人体脊椎结构图[8] 　　1.1.2中枢神经损伤的康复治疗 　　瘫痪患者在患病急性期一般需要针对不同的病因进行原发病的治疗，该阶段以手术和药物治疗为主。经过急性期的治疗之后，针对患肢进行康复治疗以恢复其运动功能往往需要更长的时间。针对患肢的康复治疗应在患者病情稳定后尽早展开，这对患者的肢体功能恢复更为有利。例如，对于脑卒中造成的偏瘫患者，其康复治疗应在患者病情稳定后1～7周开始为宜；一般认为，神经系统的功能康复效果在发生功能障碍后3个月内较显著，约在6个月内结束，此后神经系统功能恢复的可能性相对较小[13]。 　　目前针对瘫痪患者的康复治疗方法主要包括物理疗法、作业疗法、运动疗法等。物理疗法主要是应用物理因子，如电、光、声、磁、水、蜡等作用于人体，并通过人体的神经、体液、内分泌等生理调节机制促使患者康复的一类疗法。作业疗法是有目的、有针对性地从日常生活活动、职业劳动和认知活动中选择一些作业项目对患者进行训练以缓解症状、改善功能。运动疗法是徒手或者借助器械以使患肢产生主动或者被动的运动，恢复其运动功能。运动疗法是针对瘫痪患者*基本、*有效的康复治疗方法。在实际康复治疗中，往往同时采用多种疗法以获得较理想的康复效果。 　　1.1.3神经康复的可塑性原理 　　康复训练主要对应于康复医学中的作业疗法和运动疗法，它基于中枢神经的可塑性理论。该理论认为，为了主动适应和反映外界环境的各种变化，中枢神经(包括脑神经、脊髓神经等)能发生局部的结构和功能的改变，并维持一段时间，这就是可塑性(plasticity)。目前，生物学和临床医学的研究并不支持高度分化的神经系统具有再生能力，然而，各种动物实验及临床试验，都能发现脑局部损伤后丧失的部分功能可以有某种程度的恢复。同时，先进的神经影像技术和非侵入式刺激研究，如正电子发射体层摄影术(positron emission tomography，PET)、功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)、经颅磁刺激(transcranialmagnetic stimulation，TMS)等，揭示中枢神经损伤后可以通过运动训练及行为学习而不断重塑[14]。康复医学的大量临床试验也证明，对瘫痪肢体长期的、足够强度的康复训练对患肢神经系统康复和运动功能恢复非常有效[15，16]。 　　1.2康复机器人 　　传统康复训练方法主要通过手动或者借助简单器械对患者肢体进行康复，即由医生、护士或者理疗师用手或借助简单器械带动患肢对患者作一对一或多对一训练。对于下肢瘫痪患者，为了支撑患者身体并带动其腿部做康复运动，传统康复训练方法往往需要3名护士做辅助，劳动强度大且效率低下，极大影响了患者及医护人员参与康复训练的热情。同时，伴随着人员成本的不断上升，传统康复方法造成整个康复治疗过程费用增加，进一步加重了患者家庭及社会负担。因此，有必要研发先进的康复训练技术，以降低医护人员劳动强度和康复治疗费用，提高康复训练效果。 　　随着机器人技术的日益成熟，越来越多的研究人员致力于将先进的机器人技术应用于瘫痪患者的康复训练。康复机器人基于先进机器人技术同时结合医学康复理论，能够克服传统康复训练方法的不足。康复机器人能减少辅助训练的医护人员数量，减轻医护人员的繁重劳动；借助各种传感器和控制技术，康复机器人可以实现多种训练方法和灵活的训练轨迹；同时，它可以对患者运动功能进行定量评估并灵活调整训练处方，以获得更加科学的康复训练方法，提高康复效果。因此，康复机器人技术具有广阔的应用前景。 　　第2章康复机器人研究现状与分析 　　2.1引言 　　根据训练肢体所处人体位置的不同，康复机器人可以分为上肢康复机器人和下肢康复机器人两大类。这两类机器人又可以细分为各个关节的单关节机器人及多关节联合训练机器人，如针对手部关节、腕部关节、踝关节等的康复机器人。总体看来，目前上肢康复机器人技术相对比较成熟，并且已有较为成功的临床应用和相对成熟的产品。例如，瑞士 Hocoma 公司的 Armeo 系列上肢康复机器人[17]、美国交互式运动技术公司(Interactive Motion Technologies Inc.)的 InMotion 系列上肢康复机器人[18]等都已经投向市场。而目前下肢康复机器人技术相对落后，还远远没有获得令人满意的临床效果[19]。以瑞士 Hocoma 公司的 Lokomat 下肢康复机器人为例，这种康复机器人在欧美已经得到较为广泛的应用，其临床效果也被大量研究和评估；然而，这些阶段性研究结果表明，Lokomat 的临床效果在统计学意义上甚至不如传统康复训练方法[20，21]。其他下肢康复机器人或者功能过于单一，或者功能多但是训练效果未得到证实。总之，目前用于下肢康复训练的机器人系统在技术上和应用效果上都有待进一步研究和验证。 　　2.2上肢康复机器人的研究现状与分析 　　康复机器人技术的研究首先是从上肢康复机器人开始的。回顾上肢康复机器人技术的发展历史对下肢康复机器人技术研究同样具有重要参考价值。 　　2.2.1主要的上肢康复机器人平台 　　根据康复机器人和患者上肢之间的接触和交互方式，上肢康复机器人可以大致分为两种形式，即末端牵引式和外骨骼式。末端牵引式上肢康复机器人只与患者手部或者前臂位置接触并交互，患者上肢各关节和康复机器人关节之间没有一一对应关系。而外骨骼式上肢康复机器人的关节和连杆机构分别与患者上肢关节和手臂一一对应[22]。 　　在末端牵引式上肢康复机器人的研究方面，以麻省理工学院机械工程系的Newman 实验室为代表，其早期的核心产品为 MIT-MANUS[23～26]，如图2.1(a)所示[19]。MIT-MANUS **台样机由 Newman 实验室于1991年设计完成，能