下肢外骨骼康复机器人的分类及其应用现状

Abstract

Lower limb exoskeleton rehabilitation robots are used to improve or restore the walking and movement ability of people with lower limb movement disorders. However, the required functions for patients differ based on various diseases. For example, patients with weak muscle strength require power assistance, patients with spinal cord injuries require motion compensation, patients with gait abnormalities require gait correction, and patients with strokes require neural rehabilitation. To design a more targeted lower limb exoskeleton rehabilitation robot for different diseases, this article summarised and compared existing lower limb exoskeleton rehabilitation robots according to their main functions and the characteristics and rehabilitation needs of various lower limb movement disorders. The correlations between the functions of existing devices and diseases were summarised to provide certain references for the development of new lower limb exoskeleton rehabilitation robots.

0. 引言

20世纪60年代，下肢外骨骼技术开始发展起来，最初用于军事，而后被逐步用于康复治疗领域，国外研究早于国内。但是，目前此类设备功能仍较为单一且缺乏针对性。区别于助行器，下肢外骨骼康复机器人是有动力的下肢康复设备^[1]，集中于对患者进行辅助站立、平衡以及步行等康复训练。下肢康复外骨骼通过主/被动运动、阻抗运动以及镜像运动等多种模式，可有效维持患者关节的活动度，并在康复训练中逐渐改善患者的步态。其中，被动训练适用于康复初期的患者或者严重的脊髓损伤患者。康复初期的患者残余肌力较弱，外骨骼机器人带动患者患肢沿着预定轨迹进行康复训练，为患者提供运动代偿，使他们能够像正常人一样行走。此时，设备要在保证患者安全性的前提下，使患者基于正常步态进行稳定的运动，要能够满足他们生活所需，包括上下楼梯、起坐和行走。主动训练适用于肌力不足、康复后期和步态异常的患者。部分老年人或者骨关节术后恢复的患者，由于肌力不足，虽然能够实现部分自我支持，但仍然需要增强运动功能，因此这类下肢外骨骼康复机器人要准确识别患者运动意图，判断患者运动状态，从而提供运动助力。步态异常的脑瘫、偏瘫和帕金森病患者，需要改变其原有的步态，设备需要识别其异常的步态并进行针对性的校准和矫正。

本文就下肢外骨骼康复机器人的使用范围和研究现状进行综述，对不同下肢功能障碍患者所需要的功能和现有针对性强的设备特点进行研究探讨，为更好地设计出针对性强的下肢外骨骼康复机器人奠定基础，以期促进下肢外骨骼康复机器人在临床康复中的应用，为下肢运动功能损伤的患者提供切实有效的康复设备。

1. 下肢外骨骼康复机器人分类

造成运动功能障碍的原因有很多，患者所需要的治疗方式也不一样。针对不同的治疗方式，下肢外骨骼康复机器人所提供的功能也应该按照不同疾病来调整^[2]。下肢外骨骼机器人主要是辅助患者进行站立及行走，所以动力关节主要是髋、膝和踝，让髋关节实现屈曲伸展，膝关节实现屈曲伸展，踝关节实现背屈和跖屈。其余自由度为机械被动结构。按照不同动力关节区分的下肢外骨骼机器人有6类，如图1所示，分别为单髋驱动、单膝驱动、单踝驱动、髋膝驱动、膝踝驱动、髋膝踝驱动，其中髋膝踝动力关节驱动如图2所示。本文主要针对疾病的不同，按照康复机器人的使用范围将下肢外骨骼康复机器人分为3大类，包括增强助力、运动代偿和步态矫正。按照应用功能对应分类，分别为功能辅助、功能代替和功能恢复。

图 1.

Classification of lower limb exoskeleton robots with different dynamic joints

不同动力关节的下肢外骨骼机器人分类

图 2.

Diagram of exoskeleton driven by hip, knee and ankle three dynamic joints

髋膝踝三动力关节驱动外骨骼穿戴示意图

1.1. 增强助力型

增强助力主要针对于肌力不足的患者，肌力在0～4级之间都属于肌肉无力，正常肌力应该是5级，能够抵御对抗外力。导致肌肉无力的原因有很多，包括肌肉本身的疾病，比如肌炎、肌病、离子通道病，这些都会导致无力、肌营养不良、肌肉萎缩等等。另外神经问题也可能引起肌肉的无力，而最常见的就是老年肌力退化和骨关节术后肌力不足。脊髓损伤平面在L2～L5段时，患者下肢有一定程度的损伤，部分肌肉呈现瘫痪状或肌力较弱，大部分肌力不足的患者能够借助拐杖或者外力行走，能够进行肌力采集，其主要的需求是助力并增强运动功能。

现有的下肢外骨骼康复机器人，包括各大学校的实验样机，比如中科院合肥智能所样机、上海理工大学样机^[3]、浙江大学样机^[4]、东南大学样机^[5]、哈尔滨工业大学样机^[6]、华东理工大学样机^[7]、上海交通大学样机^[8]、中科院深圳研究所的软体外骨骼^[9]、清华大学的FHAE^[10]和国外哈佛大学的Soft Exosuit^[11]等机器人，都能够用于运动功能的增强，助力肌力不足的患者。

1.2. 运动代偿型

运动代偿主要针对于严重的脊髓损伤患者，患者出现损伤水平及以下脊髓功能（运动、感觉、反射等）障碍^[12]，损伤平面在T1～T5节段时，肋间肌和躯干都呈麻痹状态，需要通过更长时间的训练才能使用外骨骼；损伤平面在T6～L1节段的患者上肢功能正常，躯干稳定性较好，下肢均为瘫痪状态，整个下肢均有运动和感觉障碍，无法感知地面环境。脊髓损伤患者因毁灭性的神经功能损伤，步行能力基本丧失，主要的需求是功能代偿，患者能够通过下肢外骨骼机器人“恢复”正常的运动功能，能够操纵机器满足日常生活、康复治疗和锻炼的需求。这类患者主要分为两种情况，一种是只有下肢瘫痪，上肢是可以支撑活动使用工具的；还有一种则是上肢也瘫痪，只能完全依靠机器提供平衡性和稳定性，还需要有脑机接口来识别患者的运动意图。

针对脊髓损伤的患者，运动代偿型下肢外骨骼机器人需要一定的医学数据验证，能够保证患者安全地使用机器，其次能够使患者通过机器“恢复”正常的运动功能。国外现有的运动代偿型机器人主要为以色列Argo医疗技术有限公司的ReWalk^[13]、美国范德堡大学的Indego^[14]、美国伯里克利仿生公司的Elegs^[15]、韩国西江大学的Walk On^[16]、美国Ekso Bionics公司的Ekso GTTM^[17]、美国加州伯克利分校的SuitX公司Phoenix^[18]、日本藤田保卫大学的Wearable Power Assist Locomotor（WPAL）^[19]、荷兰特温特大学的MindWalker^[20]和俄罗斯的Exoatlet^[21]；中国以四川电子科技大学孵化的布法罗公司的Aider^[22]、香港的Cuhk-exo^[23]和中国迈宝智能科技公司的雪猿等为主。

1.3. 步态矫正型

步态矫正主要针对步态异常的患者，步态异常主要是由脑瘫、偏瘫和帕金森病等引起的。脑瘫全称脑性瘫痪，主要表现为中枢性运动障碍以及姿势异常。偏瘫是指同一侧上下肢、面肌和舌肌下部的运动障碍，是急性脑血管病的常见症状。轻度偏瘫患者虽然尚能活动，但会存在特殊的走路姿势——偏瘫步态。帕金森病是一种常见的神经退行性疾病，主要发生在65岁以上的老年人。步态障碍表现为步速减慢、步幅短、拖曳步。随着病情加重，患者还会出现冻结步态。

针对于这类患者，主要干预方式是规划步态。通过下肢外骨骼机器人，可以矫正其异常步态^[24]，并且进行个性化定制，按照意图调整改变步态。国外现有的步态矫正型机器人主要有韩国的Wa-h^[25]、荷兰温特大学的LOPES^[26]、日本Cyberdyne公司的Hal-5^[27]、英国的Rex^[28]、西班牙Technaid公司的Exho-h2、瑞士苏黎世Hocoma公司的Lokomat^[29]和美国WOODWAY公司的Lokohelp^[30]，国内的有上海大学样机、尖叫公司的Scream One、伟思公司Xwalk200、大艾机器人公司的艾动Ailegs、璟和公司的Flexbot、程天科技的UGO220以及迈步机器人公司的BEAR-H1。

2. 下肢外骨骼康机器人的应用范围和对比分析

2.1. 增强助力型下肢外骨骼康复机器人

如表1所示，国内、外增强助力型下肢外骨骼康机器人共计14款。国内大学的样机通过代谢消耗实验证明，设备能够满足增强助力功能的需求，但是缺乏针对其他疾病的临床试验，之后要通过大量的数据去论证可行性和安全性。目前设备缺点是减负性能、助力效果的评估指标较少，实验围绕在足底作用力、呼吸流量等指标。

表 1. Enhanced assisted lower limb exoskeleton rehabilitation robot.

增强助力型下肢外骨骼康机器人

序号	团队	设备名称	重量/kg	主动关节	平衡方式	运动功能
1	中国科学院合肥智能所	样机	11	髋、膝	辅助支持	走
2	上海理工大学	样机	18	髋	辅助支撑	走、坐、站、斜坡
3	浙江大学	样机	20	髋、膝	辅助支撑	走、坐、站
4	东南大学	样机	25	髋、膝	辅助支持	走
5	哈尔滨工业大学	样机	38	髋、膝	辅助支撑	走、斜坡、楼梯
6	华东理工大学	样机	约24	髋、膝	辅助支撑	走、坐、站
7	上海交通大学	样机	约19	髋、膝	辅助支持	走、楼梯
8	中国科学院深圳研究所	Soft Exosuit	1.8	膝	无	走
9	清华大学	FHAE	4.47	髋	无	走
10	上海傅利叶机器人公司	ExoMotus	18	髋、膝	辅助支持	走
11	上海司羿智能公司	EasyWalk X1	3	膝	无	走、斜坡、楼梯
12	深圳迈步机器人公司	MAX-1	3.5	髋	无	走、斜坡、楼梯
13	北京大艾机器人公司	艾行	约4	膝	无	走、斜坡、楼梯
14	美国哈佛大学	Soft Exosuit	10	髋、膝	无	坐、站、走、斜坡、楼梯、跑、跳

这类设备以其轻便性和先进的感知技术而著称，主要采用轻型柔性外骨骼设计。它们旨在帮助那些由于肌力不足而行动不便的老年人，特别是那些能够独立行走而无需外部支撑的患者。在众多设备中，哈佛大学研发的Soft Exosuit^[31]尤为引人注目，它通过超声波监测技术来检测患者的肌肉活动变化，从而识别其运动意图。该设备利用两个电机拉动绳索，将辅助扭矩精确施加于髋关节的前平面，进而通过纺织部件和软组织将力量传递到骨骼上，可有效减轻患者在活动时膝关节的负担。此外，Soft Exosuit通过两个惯性测量单元、两个力传感器以及闭环控制器，对步态周期进行预测，并实现高低电平的精确控制，以智能判断患者的主动运动状态并提供相应的辅助动力。

在安全性方面，Soft Exosuit目前仅在健康受试者中进行了测试，并配备了紧急停止按钮，目前正处于临床试验阶段。尽管如此，使用过程中仍存在皮肤擦伤、跌倒以及人机运动不协调等潜在风险^[31]。关于使用的有效性，Soft Exosuit更多地提供了一种运动激励而非单纯的额外力量支持。研究结果表明，与不穿戴外骨骼相比，穿戴Soft Exosuit行走可以显著降低代谢成本^[31]。Nam等^[32]对患者进行了为期4周的外骨骼步行训练（每次30 min，每周5次），训练结束后，患者的6分钟步行距离平均增加了8～10 m，步行速度和功能步行等级也有了显著提升。Jayaraman等^[33]在比较外骨骼与功能性步态训练的效果时发现，外骨骼组在步态速度、步长和空间对称性方面均有显著提高，并且在步行耐力和大脑皮质运动兴奋性方面显示出更大的改善。

2.2. 运动代偿型下肢外骨骼康复机器人

如表2所示，国内、外运动代偿型下肢外骨骼康复机器人共计12款。这类产品有大量临床试验数据，已经验证其安全性和稳定性，主要以国外设备为主。目前设备缺点是运动幅度较小，步速较慢，步态流畅度不足。

表 2. Locomotor compensated lower limb exoskeleton rehabilitation robot.

运动代偿型下肢外骨骼康复机器人

序号	团队	设备名称	重量/kg	主动关节	平衡方式	运动功能
1	以色列Argo医疗技术公司	ReWalk	23	髋、膝	辅助支持	坐、站、走、楼梯、斜坡、侧行
2	美国范德堡大学	Indego	12	髋、膝	辅助支持	坐、站、走、楼梯
3	美国伯克利仿生技术公司	Elegs	21	髋、膝	辅助支撑	坐、站、走
4	韩国西江大学	Walkon	27	髋	辅助支持	坐、站、走、楼梯、斜坡
5	美国EksoBionics公司	EksoGTTM	23	髋、膝	辅助支撑	坐、站、走、楼梯
6	美国加州大学伯克利分校SuitX公司	Phoenix	12	髋、膝	辅助支撑	坐、站、走
7	日本藤田保卫大学	WPAL	13	髋、膝	辅助支撑	坐、站、走
8	荷兰特温特大学	MindWalker	28	髋、膝	辅助支撑	坐、站、走
9	俄罗斯莫斯科国立工学研究所	Exoatlet	约18	髋、膝	辅助支撑	坐、站、走、斜坡
10	四川布法罗机器人公司	Aider	19	髋、膝	辅助支持	坐、站、走、楼梯
11	香港中文大学	Cuhk-exo	18	髋、膝、踝	辅助支持	坐、站、走
12	苏州迈宝智能公司	智能雪猿	约18	髋、膝	辅助支撑	走

这类设备专为脊髓损伤严重患者设计，旨在恢复其正常运动功能。考虑到患者的安全和平衡，这些设备通常具有适中的重量，并配备必要的辅助支撑。在众多创新产品中，四川电子科技大学程洪团队^[22]开发的Aider尤为突出，它利用多种意图识别技术，结合脑机接口，成功使高位截瘫患者实现站立和行走。工作原理涉及四个电机，这些电机负责路径规划，并通过传感器实时识别患者的运动趋势和当前状态，以进行精确的活动干预。该设备融合了感知、运动控制、人机交互、人体工程学、拐杖控制和平衡维持技术，通过预设轨迹引导无法自主运动的患者进行被动跟随，实现替代性运动。

在安全性方面，Aider在一名治疗师和四名工作人员的陪同下进行了测试，实验期间未发现设备故障或事故，也未出现皮肤擦伤或跌倒情况。关于使用的有效性，Aider显著提升了受试者的行走能力和脊髓独立性，显著改善了他们的生活质量和日常活动能力^[22]。Tefertiller等^[34]通过8周的Indego训练发现，21例为美国脊髓损伤协会（American Spinal Injury Association，AIS）神经学分类标准A级、5例为AIS B级、6例为AIS C级的受试者，穿戴设备8周后步行速度为0.19～0.55 m/s，室内外的平均步速为0.37 m/s。Guanziroli等^[35]使用ReWalk的二代软件进行步行训练，关联性结果显示，使用ReWalk的二代软件进行训练，步行能力不受身高、体重的影响，仅与损伤平面相关。根据向小娜等^[36]的研究，下肢外骨骼康复机器人能有效且安全地提高步行能力，继而减少压疮、肺部感染、尿路感染等各种并发症，提高患者尊严，减少费用。

2.3. 步态矫正型下肢外骨骼康复机器人

如表3所示，国内、外步态矫正型下肢外骨骼康复机器人共计16款，主要针对步态异常的脑瘫、偏瘫和帕金森病患者。因为要有矫正功能，所以都包括两个主动关节，配备辅助支撑，通过拐杖或者扶手进行步态矫正。又由于步态异于常人，往往不能通过常规方法识别患者运动状态，系统需要通过多种传感方式进行步态分析和算法优化。目前设备缺点是运动局限于平面，缺乏三维空间运动，因而无法模拟人正常步行运动，不能较好地完成对患者步态的矫正功能。

表 3. Gait correction lower limb exoskeleton rehabilitation robot.

步态矫正型下肢外骨骼康复机器人

序号	团队	设备名称	重量/kg	主动关节	平衡方式	运动功能
1	韩国汉阳大学	Wa-h	25	髋、膝	辅助支撑	坐、站、走、斜坡
2	荷兰温特大学	LOPES	约21	髋、膝	辅助支撑	坐、站、走、斜坡
3	山东海天智能公司	下肢训练器	约19	髋、膝	辅助支持	走、坐、站、斜坡
4	北京大艾机器人公司	艾童	约19	髋、膝	辅助支撑	走、坐、站、斜坡
5	上海大学	样机	8.5	髋、膝	辅助支持	走、楼梯
6	上海尖叫科技公司	ScreamOne	约19	髋、膝	辅助支撑	走、坐、站
7	南京伟思医疗公司	Xwalk200	约200	髋、膝	辅助支撑	走
8	西班牙Technaid公司	Exo-h2	14	髋、膝、踝	辅助支持	坐、站、走
9	瑞士苏黎世Hocoma公司	Lokomat	大型机1 000	髋、膝	辅助支撑	坐、站、走、斜坡
10	美国WOODWAY公司	Lokohelp	大型机900	足、腰	辅助支撑	坐、站、走、斜坡
11	北京大艾机器人公司	Ailegs艾动	20	髋、膝	辅助支持	坐、站、走
12	上海璟和技创公司	Flexbot	约500	髋、膝	自主平衡	走、坐、站、躺
13	日本筑波大学、Cyberdyne公司	Hal	23	髋、膝	自主平衡	坐、站、走、楼梯
14	新西兰RexBionics公司	Rex	39	髋、膝、踝	自主平衡	坐、站、走、侧行、楼梯
15	深圳迈步机器人公司	BEAR-H1	约22	髋、膝、踝	辅助支撑	走、坐、站、斜坡
16	杭州程天科技公司	UGO220	约19	髋、膝	辅助支撑	走、坐、站、斜坡

这类设备在康复医院中得到了广泛应用，其核心优势在于拥有多个主动关节，以及先进的传感和意图识别技术。这些设备的疗程通常较长，主要服务于婴幼儿和老年人群体，使用时需要医护人员的辅助。荷兰的LOPES^[26]作为其中的佼佼者，已经积累了大量的临床试验数据。LOPES的工作原理依赖于计算机对数据的记录和分析，其步态轨迹控制器能够生成个性化的步态和支持模式。该设备具备8个动力自由度，并通过导纳控制技术，能够精确判断患者的自主运动意图，并通过变刚度细微校准拟合步态，矫正异常步态。此外，LOPES还结合了脑电图和脑机接口技术，能够满足患者的混合型功能需求。

在安全性方面，LOPES采用了非刚性机构设计，配备有悬吊系统、执行支架和安全带，确保了使用过程中的稳定性。它还具备心肺功能检测和步态异常检测功能，能够有效对抗痉挛和预防跌倒。工作人员可以通过实时电脑调参，确保治疗的安全性。关于使用的有效性，Tays团队^[37]的研究表明，被动训练能够促进运动记忆的巩固，至少可以持续24 h，且在神经康复环境中，被动训练对于改善运动神经损伤患者群体的运动功能具有积极作用。龙建军团队^[24]对偏瘫患者进行的步态评估研究显示，经过康复训练后，患者的步频得到了显著提升。具体来说，机器人组患者的步行周期中支撑相和摆动相的时长均有所减少。此外，机器人组患者在步行周期中支撑相的占比从56.76%提升至60.78%，而对照组患者从60.4%提升至61.48%。统计分析表明，机器人组患者的步行能力提升程度明显高于对照组（P < 0.05）。

3. 总结与展望

在对当前下肢外骨骼康复机器人进行深入分析后，本文依据其功能特点和应用场景，将其归纳为三大类：增强助力型、运动代偿型和步态矫正型。这种分类不仅全面覆盖了现有的下肢外骨骼康复机器人，而且明确了各类设备针对的下肢功能障碍类型，直观地反映了设备的设计初衷和患者的治疗需求。

（1）增强助力型：针对肌力退化的老年人或骨折后康复患者，这类设备的设计注重提供额外的力量支持，以补偿肌力不足或改善易疲劳的问题。其核心特性包括轻便性、长续航力和精准的步态识别能力。

（2）运动代偿型：专为完全或部分丧失运动能力的截瘫患者设计，旨在通过设备的运动功能来代偿患者失去的行动能力。该类设备将安全性和稳定性作为设计首要，同时兼顾患者日常生活的运动需求，并力求模拟自然步态。

（3）步态矫正型：适用于步态异常的患者，如脑瘫患儿、偏瘫患者或老年痴呆患者。这类设备专注于步态的矫正，同时避免二次伤害和机器刚性摩擦。其设计核心在于准确识别患者的运动状态，并提供安全的矫正力。

本文的分类方法不仅有助于理解各类下肢外骨骼康复机器人的特点，也为临床选择和应用提供了指导，进一步推动了康复机器人技术的发展和应用。

下肢外骨骼康复机器人在康复和助力方面具有很大潜力，但是在实际应用中还存在一些有效性和安全性的问题需要解决。

（1）有效性问题：下肢外骨骼康复机器人的有效性与机器人的设计、适应性以及治疗方案的制定密切相关。在设计方面，需要考虑人体生理结构、肌肉活动模式、运动力学等因素，以确保机器人的运动模式与人体自然的运动模式相匹配。在适应性方面，需要考虑使用者的身体形态、肢体状况、疾病状态等因素，以确保机器人能够适应不同的人群。在治疗方案方面，需要根据用户的具体情况制定个性化的康复方案，以最大限度地提高机器人的康复效果。主要目的是提高患者的步行能力，矫正患者异常步态，提高平衡功能，缓解下肢痉挛，改善心肺功能^[38]。

（2）安全性问题：下肢外骨骼康复机器人的安全性主要与机器人的结构设计、传感器精度和控制算法的可靠性等因素有关。在结构设计方面，需要考虑人体运动过程中可能出现的突发情况，如跌倒、扭伤等，以确保机器人的结构能够保护使用者免受伤害。在传感器精度方面，需要使用高精度的传感器来检测使用者的运动意图，以确保机器人的运动能够与使用者的意图相匹配。在控制算法的可靠性方面，需要使用高效可靠的控制算法来确保机器人的运动稳定性和安全性，以及在紧急情况下快速停止机器人的运动。关节错位会导致人机运动不协调，增加患者使用时的不适和代谢，甚至造成损伤风险^[38]。患者日常训练应注意相关防护并在康复治疗师的监护下进行。

综上所述，设计新型下肢外骨骼康复机器人应该了解不同设备的特点，吸取现有产品的优点，有针对性地满足患者需求，确保安全性和有效性，还需要加强相关法规和标准的制定和执行，注重适用人群，增加舒适性、交互性和智能性。

重要声明

利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：李明主要负责文献阅读、数据收集、下肢外骨骼康复机器人的控制算法研究以及论文撰写，李慧主要负责康复医学的研究、机械的理论研究和论文修改，喻洪流主要负责理论指导和论文修订。

Funding Statement

上海市科技创新行动计划技术标准项目（9Z2203600）