机器人前沿--下肢外骨骼机器人

外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。

重复运动的物理系统进行康复训练，可以辅助或者恢复患者腿部的行走移动。助力外骨骼通过这种方式来提高下肢瘫痪或者下肢运动障碍患者的生活质量的。

可穿戴机器人/助力外骨骼技术

目前有许多针对腿部移动的可穿戴机器人或者说助力外骨骼机器人正在开发中，有的在进行再临床试验，有的已经面向市场销售。我们介绍研究了八种满足条件的外骨骼设备。这些外骨骼详情如下：

1 .仿生腿（AlterG Inc，美国，http://alterg.com/products/bionic-leg/professional-physical-therapy/ ）

仿生腿是面向下肢非对称损伤的个人的膝关节矫形器。此机器人能够帮助使用者起立、平地行走、上下楼梯。它的足部有四个力传感器，用来检测足部承受压力的大小和时间。除此之外，在执行器上，还集成了检测膝关节角度和伸展力的传感器。用户界面允许治疗专家调整机器人提供的助力/阻力的大小、机器人的运动范围和启动机器人的最小力。当机器人未主动运动时，它是被驱动的。在负重模式，可以让穿戴者带动机器人进行运动。机器人可以仅仅依靠自身的电池持续运动2-3小时。为了保证病人的稳定性和安全性，该机器人还配备有拐杖。

2. Ekso exoskeleton (Eksobionics Ltd, Richmond, CA, USA; http://eksobionics.com/)

Ekso 是可穿戴的下肢外骨骼机器人，有两条腿，连接在包含控制电脑和电池的躯干上。躯干和人的后背对齐，外骨骼的腿部通过和背包相对应的圆形绑带固定在穿戴者身上。另外还有连个肩带协助支撑外骨骼。外骨骼的膝关节和髋关节在矢状平面上是主动关节，其他的关节均为受限的被动关节。踝关节通过弹簧来限制运动。当前，Ekso 有四种行走模式：前两种模式中，护理人员或者使用者通过按钮来控制外骨骼的站立和行走，通过检测使用者的髋关节的状态或者穿戴者的重力变化和前向腿的关节力矩来确定穿戴者的运动意图。Ekso 需要拐杖来保证使用者的稳定性和安全性，拐杖上的按钮有力传感器，用来保证与地面的接触，至少要支撑部分体重。除非拐杖与地面接触良好，否则机器人不会走下一步。此外，控制器采用分层的有限状态机来切换不同的运动状态。根据设计者所述，新一代机器人将会提供可变的辅助力，或者根据需要给使用者提供助力。因此，治疗师可以选择一系列的功率，来提高病人的参与，或者让机器人根据穿戴者的需求实时动态地自适应调整。作为二级危险医疗器械，Ekso 并没有通过食品药品管理局的许可，但是已经提交了申请，并且可以在审查期间进行市场营销活动。

3. Hybrid assisted limb (HAL; Cyberdyne Inc., Tsukuba,Japan; http://cyberdyne.jp/english/)

HAL 是双侧下肢外骨骼，每条腿有三个主动自由度：髋关节、膝关节和踝关节。HAL 系统含有多种模式，在行走、站立和坐下的过程中，可以单关节或者全肢支撑。它主要包括六部分：控制器、电池、动力单元、肌电传感器、角度 /加速度传感器、地面反作用力传感器。控制系统接收肌电传感器、角度 /加速度传感器、地面反作用力传感器的信号，并计算人体需要的力矩。利用肌电传感器代替操纵杆来检测人体的运动意图，可以让人体轻松控制运动。当前，电池可持续2小时40分钟。为了保证病人的稳定性和安全性，使用可辅助拐杖。目前，HAL 已作为下肢失调或功能减弱患者的处方设备，在日本和欧洲推向了市场。HAL 已通过了欧盟的认证。HAL 已经通过日本药品管理局的许可，作为神经肌肉患者医疗设备的投向市场，可以用来治疗肌肉萎缩、肌肉硬化等疾病。

4. Indego (Parker Hannifin Corp., Macedonia, OH, USA; http://indego.com/indego/en/home)

可以坐在轮椅上穿戴。这款外骨骼可以实现坐、行走、站立、坐-站、站-行走、走-站立、站立-坐，并自由切换。通过穿戴者上身配合拐杖运动来改变重心的位置来确定穿戴者的运动意图。控制器根据穿戴者的重心位置与前向腿踝关节的位置来控制运动。穿戴者前倾后者后倾上半身，重心会前移或者后移，此时控制器会改变外骨骼的运动状态。膝关节处有抱闸，防止失电时，膝关节伸展对人造成损害。2016年3月8日，食品药品管理局公布了Indego 的初步审查结果。同意了其面向市场的申请。

参考文献：

1、Tingfang Yana, Marco Cempinia, Calogero Maria Oddoa, Nicola Vitiello. Review of assistive strategies in powered lower-limb orthoses and exoskeletons.Robotics and Autonomous Systems. 2015(64)
2、Jose L Contreras-Vidal, Nikunj A Bhagat, Justin Brantley, Jesus G Cruz-Garza, Yongtian He, Quinn Manley, Sho Nakagome, Kevin Nathan, Su H Tan, Fangshi Zhu and Jose L Pons. Powered exoskeletons for bipedal locomotion after spinal cord injury. Journal of Neural Engineering. 2016(13)
3、Baltej Singh Rupal, Ashish Singla, Gurvinder Singh Virk. Lower Limb Exoskeletons: A Brief Review. Conference on Mechanical Engineering & Technology(COMET'16). 2016