膝关节外骨骼机器人有什么优势？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-06-23 13:17 标签： 外骨骼智能护膝

原标题：“中国智造”再创佳绩——程天科技“悠行外骨骼机器人”喜获NMPA注册证 来源：互联网

    2020年4月初，杭州程天科技有限公司旗下的悠行外骨骼机器人获得了NMPA二类医疗器械注册证，成为目前国内个适用于“中枢神经病变导致下肢运动功能障碍的人群”的下肢外骨骼机器人。在此之前，悠行也登上“浙江省第二类医疗创新器械”的名单。悠行外骨骼机器人的推出，标志着中国款适用于截瘫、偏瘫患者康复训练的外骨骼机器人设备正式跻身国际外骨骼康复领域，打响了“中国智造”的品牌。

    人人都梦想着拥有“钢铁侠”一般的外骨骼战甲，增强自身的肌肉和行动，还可以帮助下肢不便甚至瘫痪的人重获行走能力。近些年科技的飞速发展，让这项外骨骼技术已经走进了我们真实的生活。特别是在医疗领域，集人工智能、机器人、生物医学工程等技术于一身的外骨骼机器人是中风、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。根据美国市场调研机构WINTERGREENRESEARCH的报告，康复机器人行业规模未来几年将实现高速增长，2021年有望达到32亿美元。

    与传统的康复手法对比，通过穿戴外骨骼机器人进行训练有着许多不可比拟的优势。通过模拟正常的行走周期，提供了重复性的功能运动，进一步改善神经损伤患者的肌肉力量和运动协调性。相较于患者在平地或者平衡杠内训练，外骨骼也成功地解决了“患侧和健侧步幅差过大”、“步态不对称性”等突出问题。对于上运动神经元损伤的偏瘫患者而言，设备带动下肢的髋、膝关节进行大量的屈伸运动，可促进髋、膝关节的分离运动；对痉挛肌群的牵拉可以抑制异常的运动模式，从而达到调节肌张力和预防异常步态的目的。通过分析悠行外骨骼机器人大量的临床数据，除了在提高下肢运动功能方面有明显疗效，在强化肢体深浅感觉输入刺激、改善焦虑抑郁情绪等评估项目中也有显著的治疗效果。

    悠行外骨骼机器人之所以能在国内脱颖而出，离不开它独有的技术优势——是国内早将行走意图检测技术应用到机器人产品上的。外骨骼需要与人体接触，通过传感器收集人体行走的意图，进行物理信号反馈。而如何准确获得这个意图，正是外骨骼机器人研发的难点。而攻克了这一点，程天来便已经实现了国内行业的技术。悠行外骨骼机器人在协助患者行走的过程中无需患者按键操控，全部动作由患者的行走意图来触发。在机器层面进一步优化了人机互动，更利于患者触发迈步，将控制的主动权给与患者，化“被动”为主动模式，提高了训练过程中的积极性。

    杭州程天科技发展有限公司于2017年1月成立，是一家集研发、生产和销售为一体的科技型企业，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。此次拿证的悠行外骨骼机器人已获得的自主知识产权有五十余项，各领域奖项有十几项，配合程天科技自主开发的云平台大数据分析及云计算技术，还能够为行动失能、弱能的伤友、老年人及康复医疗机构提供全套的智能化康复解决方案。

    程天科技在2018年4月新一轮Pre-A融资引入战略投资人（纳通医疗集团），让公司发展步入了快车道。公司目前已经成功完成多项科研及工业化产品项目，坚持在智能技术领域精耕细作，通过技术提升产品的安全性和先进性，通过人文关怀提升用户体验，不断完善外骨骼技术产业链，成为全球外骨骼领域领军企业。

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北京冬残奥会上，一大批先进科技成果在赛事保障、科技助残等领域大显身手。它们展现的不仅仅是科技的力量，更是人文精神的体现。

外骨骼机器人：让瘫痪者重新行走

北京冬残奥会开幕前的火炬传递中，几位“钢铁侠”引人关注。

火炬手杨淑亭，曾因车祸导致高位截瘫、11年无法直立行走。借助外骨骼机器人，她得以站起来完成火炬接力。

她使用的外骨骼机器人由北航生物医学工程高精尖中心外骨骼实验室主任、北航生物与医学工程学院研究员帅梅率团队研发，名为“大艾机器人”。该设备依托多关节协调控制中心，突破智能生物感知与仿生步行、人机融合多模式混合控制等关键环节，辅助选手步行。

杨淑亭（左）和彭园园在火炬传递中。

在此次火炬传递之前，杨淑亭经过了5个月的适配训练，学习掌握了下肢助力外骨骼设备。“每天穿戴外骨骼机器人练习走路很辛苦，但更多的是感到幸福，科技的力量让我看到站起来的希望。”杨淑亭说。

“AI外骨骼机器人能感知到人行走快慢等主观意愿，实现机器人辅助与人体行为的自适应。”帅梅介绍。

此外，帅梅还表示，外骨骼机器人可以增强肌肉的剩余力量，激活患者的潜力，从而使他们的身体变得越来越好。

据悉，在此次冬残奥会火炬汇集和传递仪式过程中，穿戴外骨骼机器人的还有曾打破“机器人行走马拉松世界纪录”的邵海朋。在2018年，他曾穿戴这一骨骼康复机器人用时9天，行走42.22公里，超过全程马拉松历程。

穿戴外骨骼的邵海朋。他在2018年曾打破“机器人行走马拉松世界纪录”。

值得一提的是，外骨骼设备不仅能帮助残障人士恢复功能，对于健全人也有大作用。在工业生产中，外骨骼能够帮助工人提高效率、减少劳损。

此前，国外有外骨骼研发企业测试显示，穿戴外骨骼的试验人员可以举起90公斤的重量，持续八个小时——这种力量仅凭肌肉力量不可能做到。

南方+记者此前曾试穿一款国产外骨骼产品。它可以贴身固定在腰部和下肢，通过分布在外骨骼上的传感器实时监测速度、角度、方向等信息，以保证主控系统在恰当的时间向膝关节、髋关节输出适合的力矩，以帮助人体下肢伸展或弯曲，减少穿戴者行走、上下坡、蹲下或跪下所需的力气。在穿戴外骨骼爬台阶时，几层楼的高度完全不费力气。

“制造业和农业等劳动密集型产业一直依赖体力消耗和劳动力。而这些设备将从根本上改变行业的运作方式。”专家表示。

机械手臂：采集肌电信号，假肢“随心而动”

另一种亮相冬残奥会的外骨骼设备是“机械手臂”。对于失去部分肢体的残疾人来说，一只机械手臂，不仅仅可以实现美观作用，更可以“随心而动”，替代原肢体功能。

本届冬残奥会火炬手彭园园，在火炬传递过程中佩戴了中科院沈阳自动化研究所为其量身定制的“上肢助力外骨骼机器人”。

彭园园是2018年韩国平昌冬残奥会中国代表团开幕式旗手。先天性右前臂缺失的她，在2018年时使用左手擎起了国旗；而在今年的火炬传递中，火炬手彭园园戴上了机械右臂，用这只“手”接过并举起了火炬。

传递过程中，她灵活运用机械手臂挥舞致意，使用自身手臂与其流畅自如交替火炬。该外骨骼机器人全程稳定抓握火炬，将奥运圣火传递给下一棒火炬手。

彭园园使用机械手臂传递火炬。

据介绍，科研人员在上肢助力外骨骼机器人的研制中，突破了人机神经接口相关技术，创新研制了贴合皮肤的多模态信息采集系统，准确解析受试者“意念”，实现了残肢与该外骨骼机器人间的自然操控。

与此同时，还突破了残肢功能再造技术，实现了外骨骼拟人化设计，确保手臂具备精细操作、负重操作能力。

中科院自动化研究所研究员王卫群此前对南方+记者介绍，机械臂能够采集残肢肌电信号，进而通过电信号强弱与假肢关节运动量的对应关系来控制假肢连续运动。对于残障人士来说，“意念”控制假肢并不仅仅是安装即用，还要进行较长时间的训练。训练的过程，即是建立肌电信号与假肢关节运动的对应关系。

沈自所机器人学研究室副主任赵新刚研究员表示，希望通过科技奥运项目助力我国科技助残战略，让科技惠及广大残疾人群发展进步，实现残疾人“人人享有康复服务”的目标。

训练监控系统：补齐残疾人肌肉力量短板

清华大学智能与生物机械研究室主任、无障碍发展研究院副院长季林红和团队承担了“科技冬奥”专项“冬残奥运动员运动表现提升的关键技术”攻关课题。

具体来说，就是有针对性地挖掘残疾人运动潜力，减少二次损伤，帮助其更好地实现梦想。

“残疾人个体差异较大，即便是同一个项目，不同运动员的生理特点、体能情况、发力方式、动作姿态都千差万别，需要量身定制‘一人一策’的训练方案，并配备个性化的训练器械和辅助器具。”季林红表示。

例如，习惯单侧发力的截肢运动员通常核心肌肉力量不对称，长此以往会导致肩胛不稳等损伤；轮椅冰壶项目要求运动员精准发力，但部分截瘫运动员对冷的知觉不敏感，往往冻伤而不自知；越野滑雪中，运动员采用坐姿或跪姿，必须借助匹配自身关节角度、宽度的滑雪架才能完成比赛，否则极易受伤；单板滑雪中，运动员穿着的假肢也需要根据踝关节、膝关节调整参数，以保证残肢与另一侧肢体的力量均衡。“每一处细节都关乎运动员的健康、安全和竞技表现，一点都马虎不得。”季林红说。

经过反复测试迭代，科研团队研发出一套数字化监控系统，通过记录运动员的生理参数、训练强度、技术动作等信息，建立数据模型，为运动员的动作优化、伤病预防和康复提供保障。

在训练过程中，季林红发现，有些运动员会出现腰疼、肩疼的情况，经过研究发现，这种现象并不仅仅是运动损伤，有可能是因为残疾导致了运动员某些肌肉力量不够。后来，团队给运动员们做了普查，看他们有没有骨盆前倾、肩胛不稳的情况。

“比如单腿截肢，常常一条腿走路，这条腿上的肌肉特别强，而另一侧肌肉就很弱，这就是肌力不对称。”季林红解释称，在日常情况下这没有问题，但在运动中、能力极端输出的情况下，就会表现出很大的问题。

为了补齐运动员核心肌力不对称的短板，团队开始有针对性地训练运动员。对于缺一侧上肢的运动员，为其接上假肢，让他做俯卧撑，来训练这一侧的肌肉；如果缺少下肢，只用一条腿发力，则接上假肢训练其用两侧同时发力，这样，两侧的肌肉都能均匀地发展起来。“肌力不对称的问题得到解决，运动员的整体运动能力就更强了。”

【记者】王诗堃 泠汐

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