欢迎访问智慧医疗网 | 网站首页
 
当前位置:首页 > 医疗机器人

外骨骼康复机器人的核心技术及代表产品

发布时间:2022-11-04 来源:火石创造 字号:【加大】【减小】 手机上观看

打开手机扫描二维码
即可在手机端查看

外骨骼机器人是一种集成了机械动力装置、机械能量和人工智能的人机结合的可穿戴设备,需要外骨骼与人体运动状态协调,进而辅助人体运动,提高人体的运动机能。


早在上世纪60年代,美国通用电气公司和美国国防先进研究项目局研发出外骨骼设备——Hardiman,该设备能使穿戴者的力量增加25倍,但设备体积过于庞大,重达680kg,且供能不足、续航无法持久。


从上世纪80年代开始,美国、英国、加拿大等国加大了对外骨骼设备的研究。上世纪90年代,随着机器人、传感器和计算机技术的发展,日本、德国、中国等更多的国家也相继开展了外骨骼康复机器人及其相关技术的研究。


越来越多的研发团队从外骨骼设备支撑人体、带动人体运动的功能出发,开始探索将外骨骼技术应用于医疗康复领域,医用外骨骼康复机器人逐渐成为康复机器人研究的一个重要方向。


现今,外骨骼康复机器人已成为中风、脊髓损伤引起的运动障碍康复训练的重要技术手段和方法。据美国市场调研机构WINTERGREEN RESEARCH的分析,康复机器人行业规模未来几年将实现高速增长,2025年有望达到60亿美元。





01




外骨骼康复机器人的主要核心技术


外骨骼康复机器人是康复机器人领域技术壁垒和智能化水平较高的机器人,产品涉及传感、控制、机械动力、人机交互、工业设计等多个交叉领域,涵盖人体生物力学、人体工程学、神经电生理、临床医学等学科。


(一)驱动系统技术


外骨骼康复机器人的动力驱动系统至关重要,从驱动系统技术来看,外骨骼康复机器人可以分为电机驱动、气缸驱动、液压驱动以及气动人工肌肉驱动等几种主要类型。各类型驱动系统的特点、优势与劣势如表1所示。日本筑波大学的HAL、美国Yobotics公司的Roboknee、中科院常州先进制造研究所2014年研制的外骨骼机器人ExOP,采用的是电机驱动方式。气缸驱动方式在外骨骼机器人上应用较少,意大利研制的PAGO机器人、日本神奈川大学的weamble Power Assist Suit,采用的是气缸驱动方式。美国的BLEEx外骨骼机器人、美国洛克希德·马丁公司的全身外骨骼机器人HULC、美国雷神公司的XOS系列外骨骼机器人,采用的是液压驱动。美国哈佛大学Biodesign Lab实验室开发了一种新结构的气动人工肌肉,美国FESTO公司推出了仿生气动肌腱系列产品,并提供了相应的应用解决方案。


表1  外骨骼机器人不同驱动系统的优势与劣势
微信图片_20221104092043.png

来源:火石创造产业数据中心


(二)人体运动意图识别技术


运动意图识别是实现仿生肢体控制的前提和基础。如何正确识别穿戴者的行为和意图是外骨骼机器人研发的一个重要课题。目前主要方式包括通过脑电或肌电信号,以及通过惯性测量单元及压敏传感器为代表的机械传感器。为了识别几种常见的运动模式,需要将从传感器收集到的数据集输入到分类算法中,构建分类器;当信号输入到分类器时,分类器将输出识别结果。针对外骨骼机器人意图识别技术,负重外骨骼助力机器人多采用足底压力传感器检测步态,而康复外骨骼助力机器人多采用多种传感器混合检测步态。上述识别方法都存在容易受到人体干扰、判断准确性不足以及无法精确跟随人体意图的问题,因此外骨骼机构与穿戴者协调运动仍是急需解决的关键技术难题。


(三)人机协同控制技术


外骨骼要能成功复现人体运动,必须具备和人相当的可控自由度。基于意图识别结果,实现人机协同行走控制是外骨骼机器人关键技术之一。目前主要有以下几种控制方法:基于灵敏度放大的控制方法,基于预定步态的控制方法,基于预定步态的驱动控制方法、混合控制方法。在各类协调控制方法中,对于外骨骼负重机器人,应用灵敏度放大控制策略效果最好,而对于外骨骼康复机器人,应用预定步态控制策略相对更加成熟。外骨骼康复机器人需要提高协调控制、递进反馈等功能,优化人机兼容特性,帮助患者更好地完成自主训练。


(四)康复策略设计技术


外骨骼康复机器人能有效改善患者的肢体运动能力,主要基于中枢模式发生器、神经系统可塑性与功能重组、“动力系统”及强制性主动使用等理论。针对不同患者应制定科学精确的康复策略,在不同的康复阶段采取针对性的训练方法,促使患者的身体机能逐步恢复。除了渐进式与被动式康复训练外,准确识别患者的主观意图,实现患者的主动康复训练,是康复策略研究的关键问题。针对此类患者不同康复时期,通过控制算法,设计并实现不同的康复策略,用以辅助患者训练并促进康复。在不同康复阶段通过肌电信号建立患者健侧关节的主观运动意图与关节活动的正向映射,通过康复机器人的协助,完成患侧的主动训练康复策略。





02




外骨骼康复机器人全球代表企业及主要产品


国际上外骨骼康复机器人的代表企业主要包括日本的Cyberdyne公司、以色列的ReWalk公司、美国的Ekso公司和瑞士的Hocoma公司等。


(一)日本Cyberdyne公司


国际上最大的专业康复外骨骼机器人公司为日本的Cyberdyne公司,其旗舰产品HAL于2008年正式发布,于2013年成为全球首个获得安全认证的外骨骼机器人产品(ISO/DIS 13482)。HAL作为助力外骨骼机器人最大的优势是“实现意念控制”,即大脑向筋骨系统发出的运动指令而动作,身体在做动作时会有微弱的生物电位信号溢出到皮肤表面,采集皮肤上的生物电驱动外骨骼系统做出相应动作,外骨骼可以通过这套系统探测人体肌肉的发力点从而介入工作。2018年1月,美国FDA已批准Cyberdyne公司的下肢外骨骼医疗用途版产品在美国上市用于美国患者。它使用传感器来检测从患者的大脑发送到患者肌肉的生物电信号,与患者的运动(或意图运动)配对,以增加强度和稳定性。


(二)以色列ReWalk Robotics公司


以色列外骨骼系统提供商ReWalk(ReWalk Robotics, Ltd.)是全球领先的下肢康复机器人医疗设备制造商。ReWalk外骨骼机器人,提供ReWalk个人版和ReWalk康复版。ReWalk个人版2012年末获得欧洲CE认证,并在2014年6月获得美国FDA批准上市。ReWalk个人版是由美国FDA批准用于个人使用的第一个机械外骨骼系统。ReWalk康复版是在医院和专门的康复中心使用的,目的是创造临床康复的环境,提供宝贵的康复治疗和锻炼。2021年11月,FDA授予ReWalk研发的ReBoot突破性设备称号。ReBoot是一种轻巧的、电池供电的矫形外装,旨在帮助因神经损伤(如中风)而导致脚踝功能下降的个体的行走功能。

微信图片_20221104092146.png


图:ReWalk公司的REWALK PERSONAL 6.0系统

来源:ReWalk官网


(三)美国Ekso Bionics公司


美国企业Ekso Bionics,创立于2005年,2012年拿到FDA医院使用许可。Ekso因具有美国国防部背景,所以在军事、民用、救援、医疗进行了多领域的探索。在医疗方面,ESKO已有两款医疗外骨骼机器人于2012年上市,使用了铝合金、钛合金、碳纤维等金属和复合材料,创建了高精度的感应器、微型驱动马达、拟人关节等,并配备了速度极快的中央处理器和强大的软件系统。用户可根据自身的情况和康复进度选择3种不同的康复模式,即First Step(康复治疗师辅助进行)、Active Step(用户自主控制模式)和 Pro Step(自动感应用户身体动作触发每一步)。2020年,Ekso宣布推出更加轻便、灵活、舒适的Evo外骨骼,Evo上半身外骨骼提供了同样的支撑力,但采用了全新的低矮多连杆设计。


(四)瑞士Hocoma公司


瑞士的HOCOMA AG公司成立于1996年,作为国际知名的医疗康复机器人公司,拥有多款核心康复机器人产品。Lokomat是一款能够提供即时反馈与评估的步态训练机器人,对脊髓损伤、多发性脑损伤、中风以及多发性硬化症等神经系统疾病患者有良好的康复效果,目前,Lokomat在中国高端外骨骼康复机器人市场的占有率领先。其产品Armeo是一款能够提供即时反馈与评估的上肢康复机器人,支持从肩膀到手指的完整的运动链治疗,能够根据患者的情况自动提供协助,即使是症状严重的患者,也能用此款设备进行高强度的早期康复治疗。Erigo是一款集成的倾斜机器人系统,用于长期卧床病人的早期神经康复训练。Valedo系列用于背部疼痛治疗,包括Valedoshape、Valedomotion和Valedo三款产品,分别用于脊柱评估、诊所治疗和家庭治疗。


(五)美国Woodway公司


美国WOODWAY公司成立于1975年,长期专注于研制设计独特、性能卓越、可靠耐用的竞技训练、商业健身及医疗康复专业系统。该公司的康复机器人主要有两款,其中,LokoHelp是一款用于康复运动的步态训练机器人,可减轻康复治疗师的工作强度,并提高康复治疗的效果;KineAssist是一款能够模拟实际生活环境的康复训练机器人,可提供包括平地走、爬坡、站立平衡、动态平衡等运动疗法。





03




外骨骼康复机器人国内代表企业及主要产品


当前高端外骨骼康复机器人市场大多由外国企业垄断,我国外骨骼康复机器人产品还处于较为初级的阶段,上市产品较少,目前主要公司有大艾机器人、程天科技和迈步机器人等。


(一)大艾机器人


大艾机器人2016年成立于北京,产品研发始于2010年,是我国外骨骼机器人领域的先行者。核心产品为下肢外骨骼康复机器人“艾动”、“艾康”、“艾行”等,主要用于因脊髓损伤导致的下肢运动功能障碍患者的步行康复训练。公司的下肢步行机器辅助训练装置,获得中国第一个二类创新医疗器械、第一个NMPA外骨骼机器人医疗器械注册证。大艾机器人的外骨骼机器人产品的获批上市,是国内智能化康复领域的突破性成就,标志着国内下肢外骨骼机器人已经从研发阶段转化为产业化量产阶段,大大推动了康复产业发展的进程。大艾的系列外骨骼产品突破技术瓶颈,独创仿生行走传动系设计,大幅降低成本,目前已治疗患者超万例、训练超百万人次。

微信图片_20221104092049.png
图: 大艾的“艾动”外骨骼康复系统

来源:大艾官网


(二)程天科技(杭州)


程天科技2017年成立于杭州,公司前身为哈尔滨程天科技发展有限公司(2012)。目前分为杭州总部与哈尔滨公司。程天科技致力于外骨骼机器人技术、智能医疗器械、特种机器人技术与智能系统的开发,是国内首家获得适用范围为中枢神经病变(涵盖截瘫、偏瘫患者)的下肢外骨骼机器人的研发企业。程天科技通过人工智能(AI)与机器人技术,配合数据分析及云计算等方式为行动失能、弱能的伤友、老年人及康复医疗机构提供智能康复器械、康复辅具产品和智能化解决方案。公司已申请自主知识产权150余项,并获得各领域奖项20余项,现已有两款下肢外骨骼机器人产品分别于2020年和2021年3月获NMPA批准上市。


微信图片_20221104092052.png
图:程天科技-悠行UGO系列康复外骨骼
来源:程天科技官网

(三)迈步机器人(深圳)


迈步机器人2016年成立于深圳,公司专注于外骨骼机器人及人机交互技术的研发,打造智能康复体系,通过机器人、物联网、大数据、人工智能等技术提升康复医疗的效率和效果。具体研发用于中风患者步态康复的下肢外骨骼机器人以及其他医疗康复机器人。主要产品包括康复机器人、柔性驱动器、医疗机器人、外骨骼机器人康复设备、下肢康复外骨骼机器人等。公司截至目前已分别于2017年4月、2018年5月、2020年8月和2021年2月完成四轮融资。核心产品下肢康复外骨骼机器人BEAR-H1是一款用于辅助脑卒中患者步态康复训练的新型可穿戴式下肢外骨骼机器人。机器人拥有主动被动训练模式,通过对患者髋、膝、踝关节提供助力完成行走训练,可以节省人力,并提高康复效果。目前BEAR-H1已依据《广东省第二类创新医疗器械特别审批程序(试行)》要求进入特别审批程序。



智慧医疗网 © 2022 版权所有   ICP备案号:沪ICP备17004559号-5