新型轻量化上肢外骨骼！“超级外挂”为脑卒中患者开启健康新纪元

2020-07-14 16:49

这就要求机械臂的核心部件——肩部机构，在能够保证肩部最大限度的运动范围的同时，尽可能做到轻便、紧凑，进而驱动肩部关节的协调运动，这也是肩部康复的关键所在。

另一个难点在于确保机械臂与患者之间的定位，以避免使用者的关节受到伤害，因此有必要增加尺寸调整功能，以适用不同用户的需求。其他挑战包括开发具有高刷新率的闭环扭矩控制执行器等等。

结构设计

在设计外骨骼机械臂结构之前，要先明确总体设计方案，包括构型、各关节运动范围、结构参数等。机械臂有其复杂性，且尺寸调整机构需要高度紧凑，以便为电子设备和执行器留出空间。

Harmonic Bionics通过选择德国运动塑料制造商igus的DryLin－T高性能直线轴承，以确保了外骨骼支架的高刚性、无需润滑；而且，直线轴承机构能够一次锁定到位，以防止不必要的尺寸变化。该产品也经常用于机械制造、机床、包装搬运和木工等行业。

对于不同康复阶段的患者，可以采用Lovett 肌力分级，来评估患者肌肉力量，一般将肌力分为 0 ～ 5 级。针对不同肌力等级的患者需要采用不同的康复训练模式，康复模式与患者肌力分级之间关系如下：

肌力等级

描述

康复模式

肌肉完全无收缩能力

被动模式

肌肉有轻微收缩，但不能引起关节运动

肌肉收缩可以使关节在减重条件下进行全范围运动

主动模式（助力）

关节可以抵抗重力进行全范围运动，但不能抵抗外加阻力

关节可以抵抗重力及一定阻力进行全范围运动

主动模式（阻力）

肌肉力量正常

其中，被动模式是指完全由外骨骼机械臂带动患者上肢运动，主动模式是指患者控制外骨骼机械臂按照自身意图运动。在康复训练过程中，主动与被动模式下，均由各关节力矩和位置信息来进行控制以，力矩信息通过力矩传感器得到，位置信息通过编码器测量。

应对挑战

外骨骼技术从上世纪60年代兴起，经历了数次爆发和低谷，每一次爆发都是技术换代式的革命。这种爆发体现在众多科幻作品中，同时在一代代年轻人心中埋下能够上天遁地的机甲种子。

随着可穿戴设备的发展、材料科技的发展、传感器技术的发展、通信与电力技术的发展、或是动力系统的发展，外骨骼技术进入了一个新的台阶。但同时我们也要看到外骨骼机械臂设计的重重挑战。

比如，需要从人机运动匹配出发，考虑运动过程中肩关节旋转中心与机械臂的匹配、机械臂与人体肘关节轴线的匹配、左侧与右侧患肢的通用性、外骨骼与人体之间的连接方式等问题；同时需要保证患者的安全性；以及寻找耐用、无润滑的部件等。

但中风作为一个急需解决的医学问题，值得更多关注。

通过外骨骼机械臂的使用，能够改变治疗师的工作方式，一定程度上解放了治疗师，让他们有更多的精力去与患者互动，为脑卒中患者开启健康新纪元。

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