上肢外骨骼是一種可穿戴式機(jī)械臂，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)與人體上肢運(yùn)動(dòng)相匹配，可以提供安全、靈活、豐富的康復(fù)訓(xùn)練，能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)、被動(dòng)、主被動(dòng)協(xié)調(diào)等運(yùn)動(dòng)模式。

使用外骨骼機(jī)械臂進(jìn)行肌力訓(xùn)練，能夠恢復(fù)患者上半身的功能，幫助患者變得更加獨(dú)立，尤其是對(duì)中風(fēng)患者有更大意義。

由于腦部血管阻塞或者突然破裂導(dǎo)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(fēng)”。世界衛(wèi)生組織調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在 2015 年全球 5640 萬例死亡中，半數(shù)以上（54%）是由以下 10 種病因?qū)е拢渲心X卒中高居第二位。

另一方面，權(quán)威醫(yī)學(xué)期刊《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》根據(jù)1990-2016年的數(shù)據(jù)研究顯示，全球25歲以上的人中，1/4 有患中風(fēng)的風(fēng)險(xiǎn)，而中國人風(fēng)險(xiǎn)最高。依2017年我國居民數(shù)據(jù)，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(yùn)動(dòng)功能的缺失會(huì)極大降低患者的生活質(zhì)量。

臨床試驗(yàn)證明，除了手術(shù)和藥物治療外，康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練有助于偏癱患者在大腦中樞與肢體運(yùn)動(dòng)控制之間重新建立有效聯(lián)系。

為幫助中風(fēng)患者實(shí)現(xiàn)康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，通常治療師需要長期引導(dǎo)完成一系列動(dòng)作，可以視為一種再學(xué)習(xí)或者再訓(xùn)練的過程，高重復(fù)性、高強(qiáng)度、目標(biāo)導(dǎo)向性的特定任務(wù)訓(xùn)練?，F(xiàn)有康復(fù)治療醫(yī)師和專業(yè)護(hù)理人員的數(shù)量遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的需求，上肢康復(fù)機(jī)械臂的出現(xiàn)為改變康復(fù)治療現(xiàn)狀提供了一種有效的解決方案。

正是源于協(xié)助這部分患者完成上半身的復(fù)健的需求，Harmonic Bionics開發(fā)的Harmony SHR項(xiàng)目于2011年在德克薩斯大學(xué)雷諾機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)，資金來自國家科學(xué)基金會(huì)和美國宇航局。

它既可以按照預(yù)先編制的程序自動(dòng)重復(fù)模擬日常的多平面運(yùn)動(dòng)來促進(jìn)功能恢復(fù)；又可以支持患者本人通過正常一側(cè)手臂來引導(dǎo)另一側(cè)完成復(fù)健動(dòng)作；或通過實(shí)時(shí)記錄健康的手臂運(yùn)動(dòng)，并將其復(fù)制到受中風(fēng)影響的一側(cè)來進(jìn)行以患者為主導(dǎo)的治療，或者稱為“雙向同步治療”。

二、核心技術(shù)

肩關(guān)節(jié)復(fù)合體包括胸鎖關(guān)節(jié)、肩胛胸廓關(guān)節(jié)、肩鎖關(guān)節(jié)和盂肱關(guān)節(jié)，涉及胸骨、鎖骨、肋骨、肩胛骨和肱骨，是人體中最復(fù)雜的關(guān)節(jié)。16 塊肌肉控制肩關(guān)節(jié)復(fù)合體，從而實(shí)現(xiàn)大范圍運(yùn)動(dòng)，這些肌肉通常不是獨(dú)立發(fā)揮作用，而是協(xié)調(diào)配合控制多個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

這就要求機(jī)械臂的核心部件——肩部機(jī)構(gòu)，在能夠保證肩部最大限度的運(yùn)動(dòng)范圍的同時(shí)，盡可能做到輕便、緊湊，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)肩部關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，這也是肩部康復(fù)的關(guān)鍵所在。

另一個(gè)難點(diǎn)在于確保機(jī)械臂與患者之間的定位，以避免使用者的關(guān)節(jié)受到傷害，因此有必要增加尺寸調(diào)整功能，以適用不同用戶的需求。其他挑戰(zhàn)包括開發(fā)具有高刷新率的閉環(huán)扭矩控制執(zhí)行器等等。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)外骨骼機(jī)械臂結(jié)構(gòu)之前，要先明確總體設(shè)計(jì)方案，包括構(gòu)型、各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍、結(jié)構(gòu)參數(shù)等。機(jī)械臂有其復(fù)雜性，且尺寸調(diào)整機(jī)構(gòu)需要高度緊湊，以便為電子設(shè)備和執(zhí)行器留出空間。

Harmonic Bionics通過選擇德國運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)能夠一次鎖定到位，以防止不必要的尺寸變化。該產(chǎn)品也經(jīng)常用于機(jī)械制造、機(jī)床、包裝搬運(yùn)和木工等行業(yè)。

對(duì)于不同康復(fù)階段的患者，可以采用Lovett 肌力分級(jí)，來評(píng)估患者肌肉力量，一般將肌力分為 0 ~ 5 級(jí)。針對(duì)不同肌力等級(jí)的患者需要采用不同的康復(fù)訓(xùn)練模式，康復(fù)模式與患者肌力分級(jí)之間關(guān)系如下：

其中，被動(dòng)模式是指完全由外骨骼機(jī)械臂帶動(dòng)患者上肢運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)模式是指患者控制外骨骼機(jī)械臂按照自身意圖運(yùn)動(dòng)。在康復(fù)訓(xùn)練過程中，主動(dòng)與被動(dòng)模式下，均由各關(guān)節(jié)力矩和位置信息來進(jìn)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(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

外骨骼技術(shù)從上世紀(jì)60年代興起，經(jīng)歷了數(shù)次爆發(fā)和低谷，每一次爆發(fā)都是技術(shù)換代式的革命。這種爆發(fā)體現(xiàn)在眾多科幻作品中，同時(shí)在一代代年輕人心中埋下能夠上天遁地的機(jī)甲種子。

隨著可穿戴設(shè)備的發(fā)展、材料科技的發(fā)展、傳感器技術(shù)的發(fā)展、通信與電力技術(shù)的發(fā)展、或是動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展，外骨骼技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的臺(tái)階。但同時(shí)我們也要看到外骨骼機(jī)械臂設(shè)計(jì)的重重挑戰(zhàn)。

比如，需要從人機(jī)運(yùn)動(dòng)匹配出發(fā)，考慮運(yùn)動(dòng)過程中肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心與機(jī)械臂的匹配、機(jī)械臂與人體肘關(guān)節(jié)軸線的匹配、左側(cè)與右側(cè)患肢的通用性、外骨骼與人體之間的連接方式等問題；同時(shí)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(fēng)作為一個(gè)急需解決的醫(yī)學(xué)問題，值得更多關(guān)注。通過外骨骼機(jī)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(dòng)，為腦卒中患者開啟健康新紀(jì)元。