外骨骼机器人让截瘫患者完成站立等动作

　　我国自主研发出外骨骼机器人,截瘫患者穿上能完成站立等动作

　　“人机一体”走起来

　　腰椎损伤患者穿戴外骨骼机器人进行训练。朱 虹摄(资料图片)

　　高约1米、重约38斤,从上至下有10多个关节、几十个传感器……穿上形似“钢铁侠”的腿部智能机械装置后,截瘫患者便能如正常人一样迈步行走——这不是科幻电影,而是电子科技大学临床测试外骨骼机器人的场景:这套集生物、机械、电子等科技为一体的装置,通过感知“主人”的运动意图,能主动协调配合其完成行走动作。

　　“我国是继美国、以色列和日本之后,第四个成功研发外骨骼机器人的国家。”电子科大机器人研究中心执行主任程洪表示,目前已有多家单位对该成果表明了投资意向。

　　传感器感知运动意图、计算机接收信息、控制模板传达行动命令

　　在去年9月举行的全国第九届残运会暨第六届特奥会开幕式上,26岁的圣火传递志愿者林寒一出场便引发雷鸣般的掌声——因脊髓损伤而不幸截瘫的他,穿着外骨骼机器人进行了圣火传递。“试用第二天就能自主行走了。”如今,林寒和外骨骼机器人已经实现“人机合一”,能够轻松完成站立、原地转弯、平视行走等动作。

　　“外骨骼机器人首先通过传感器感知人体运动意图,把信息迅速传递给计算机,并通过控制模块传达命令。”程洪介绍,外骨骼机器人采用了生机电一体化系统,由电驱关节、机械连杆、智能鞋、腰部支撑及绑缚附件等组成,通过这些部分的高速运转,辅助使用者自如行动。

　　与去年的外骨骼机器人相比,电子科大如今已开发出更为先进的版本。“现在的版本更加‘通人性’。”该校外骨骼机器人研发团队成员黄瑞介绍,截瘫患者在机器人的帮助下完成步态规划及生成是依靠智能控制系统的设计及算法进行的,而如今该团队已研发出更为先进有效的算法。

　　据程洪介绍,目前浙江大学、中国科学技术大学、中科院和华南理工大学等高校和机构都已成立外骨骼机器人研发团队并取得一定进展。

　　研发涉及多学科,仅用5年便研制成功,产品已进入临床测试

　　外骨骼机器人研发不是某一学科的“单兵作战”。“相关研发工作需要机械工程、生命科学、微电子等学科的高度配合。”研发团队成员林西川表示,外骨骼机器人所涉及的学科领域中的每一项都必须达到一定的学术高度,才能对整体研发工作形成支撑。

　　据林西川介绍,由于美、日等国起步早、学科资源丰富,外骨骼机器人研发成就不少:日本筑波大学研发的版本目前已经历5代产品更迭,日本有150家左右的医院已累计租借过330套外骨骼机器人;美国国防部高级研究计划局研发的外骨骼机器人专门针对单兵负重作战;以色列研发的外骨骼机器人已经在中国进行销售,用于截瘫患者下肢辅助行走。

　　电子科大的外骨骼机器人研发始于2010年。“从最初由机器人带动病患行动,到逐渐实现机器人感知病患行动意图主动协调配合行动,机械设计、电动设计、软件以及算法等均是从零开始完全自主研发。”程洪表示,研发之初,该团队的外骨骼机器人核心技术一片空白,没有任何参考。

　　“只能通过自己对外骨骼功能的理解,一步步搭建起完整的系统平台和核心算法。”林西川表示,和国外版本相比,电子科大的外骨骼机器人仅用了5年时间就实现了在病人身上的穿戴测试,这是国外外骨骼机器人研发周期的1/3甚至1/6。

　　“和国外相比,我们研发的版本有个最大优势,就是优异的物理人机交互算法。”程洪表示,这使得外骨骼机器人拥有了国际领先水平,而这正是我国多学科交叉运用的实力体现。目前,上海纪源资本、上海电气和成都技术转移集团等均对外骨骼机器人技术表明了投资意向,而该团队已经与四川省内多家医院联合开展临床测试和应用。

　　除了医疗领域的助行助力、康复训练,还能用于体育运动和军事项目

　　据麦肯锡咨询公司预测,到2025年,全球先进机器人在制造业、医疗和服务等产业领域的应用可创造1.7万亿美元到4.5万亿美元的产值。“未来3—5年里医用机器人的使用率会迅速上升到一个比较高的阶段。”电子科大自动化工程学院副教授杨路表示,我国的脊髓损伤患者以及行走不便患者数量较大,并呈逐年上升趋势,庞大的肢体行动障碍消费人群将会成为外骨骼机器人主要的未来市场。

　　不仅是下肢运动,外骨骼机器人还可以辅助中风、脑瘫患者进行康复训练,让他们在运动中刺激神经康复。“在国内康复市场上,相关研究还存在空缺。将来针对老人身体的个别病症,我们会对此进行一些‘模块化’的研发。比如只做服务于踝关节或者膝盖的‘外骨骼设备’。”林西川表示,对特定身体部位的辅助,将成为研发团队今后努力的方向之一。

　　目前,医用机器人已成为应用较为成熟的专业服务机器人。“全世界已有33个国家、800多家医院成功开展了60多万例机器人手术。”程洪坚信,只要实现产业化,外骨骼机器人将很快在手术台之外,帮助越来越多的患者过上正常的生活。

　　另外,它还可以在体育运动和军事项目中大显身手。“单兵作战中,穿戴上外骨骼机器人,单个士兵就可减轻最多90公斤重量。”程洪表示,这一功能是登山运动员、医疗救援工作者等职业的福音。