目前国内外的下肢外骨骼康复机器人可以分为三类，分别是末端控制式（图1、图2）、悬吊减重外骨骼式（图3、图4）、可穿戴移动性外骨骼（图5、图6）。
末端控制式和悬吊减重式，提供了在跑台上进行步行康复训练的功能。可穿戴移动式提供了社区辅助步行的功能。
图1. G-EO system (Reha Technology, Olten, Switzerland)
图2. Morning Walk (Hyundai Heavy Industries Taeha Mechatronics, South Korea)
存在一个问题，即可穿戴移动性外骨骼在社区步行时，不得不使用两个拐杖或移动台架作为必要的附属，这种附属增加了人机整体的约束。所以，拿掉拐杖和移动台架，并保留步行速度和安全性的需求，即，高动态自平衡外骨骼系统是被市场长期期待的方向。
根据先学会走，才能学会跑的基本规律，首先要实现机器人本体能达到高动态自平衡，这已经非常有难度，代表性产品是众所周知的，波士顿动力的atlas双足机器人，经过十余年的迭代，在2011年到2013年，实现了运动平板上的高动态自平衡，在2016年，实现了在户外非理想路面的高动态自平衡，但时常摔倒。2017年以后至今，陆续实现了面对障碍物路面、台阶、外力干扰等平衡保持，并陆续实现了技巧性动作。
神经损伤或疾病以及人口结构老龄化的现状，促使康复机器人行业产生了这样一个想法，高动态自平衡机器人可以用在康复治疗和生活辅助上吗？笔者从事康复医学与人工智能的临床康复应用多年，现就这个问题给与剖析。
图3. Lokomat (Hocoma AG, Zurich, Switzerland)
图4. Walkbot (P&S Mechanics, Seoul, South Korea)
一、关键问题
两个系统，两个重心的问题。机器人系统有一个重心，只要保持自己的重心在稳定极限的范围内，既可以实现平衡，就像atlas一样。不过，在运动的动态过程中，会带有惯量，同时稳定极限会大大缩小，因此其重心极易超出稳定极限范围，而发生摔倒。
我们在康复医学中使用的外骨骼机器人与人体结合后，有两个重心，一个是机器人的重心，一个是人体的重心，两个重心在结合的系统内，存在关系的不确定性。可能协调一致，对外表现为合二为一。也可能互相不确定性干扰，对外表现为不稳失衡。目前，协调一致的极为难得，干扰失衡才是常态。
合二为一，要么需要病人具有协调一致的控制能力，如此的话，他已经接近健康人，已经不需要外骨骼了。要么病人完全瘫痪，任由机器摆布，但只能摆布下肢，其它躯干、头颈和上肢不能控制，然而，这些部分对整体平衡的影响很大，外骨骼是无法控制，所以对外依然表现为不稳。
二、解决方案
对于外骨骼机器人与人体结合后的平衡性问题和力学原理，我们可以推理出5个解决方案。
1、增加躯干部位的控制
正式因为人机结合后，躯干部位包括头颈、上肢对平衡的不确定性影响引起了失衡，所以可以控制住这些部位，如增加外骨骼躯干和肩颈的固定装置，消除这种不确定性。、
这种方式带来的问题就是，使用者被全身束缚住，成为了一个僵直的木偶，其依从性和伦理性不支持这样做。
2、增加外骨骼机器人的重量
在人机结合的系统中，当机器人的重量远大于人体的重量时，那么人体的重心所起的作用就很小了。外骨骼机器人在动态运动的过程中，所收到了人体力学干扰不足以影响到整体的平衡，这也是一种解决方案。
这种方式，需要在外骨骼机器人的结构设计上，增加重量，降低重心，将会是一个超重量级的设备，带来了空间通过性，移动的便捷性，能量的可行性等现实问题，这种方式也常见于科幻电影里的机器人形象，人在机器人内部只扮演操控者的角色，人的重量在其内的影响微小可忽略。
3、增加稳定极限面积
如果依然想保持外骨骼机器人在体积上与人体有良好的比例，还有一个方向就是增加稳定极限的面积，也就是增大支撑面，即把机器人的脚板做的足够大。满足在人机结合的后，无论怎么样的内部力交互，都不会使机器人重心和人体重心超出支撑面。
这种方式，带来的问题是足板需要足够大，通过普适性的计算，得出单侧足板需要横向达到30cm，纵向达到40cm的长度，至少是正常足底面积的5倍左右。这样的足板面积在视觉上差异性很大，在通过性上也存在明显的问题。
4、高动态运动调整为静态型运动
静态型运动可以把运动的惯量减小的最小，甚至减少到无。此时表现为，运动的动作缓慢且非连续。把连续性的动态动作拆解开来，成为分解动作，然后一段一段的慢速完成。此时可以良好的控制运动过程，人体与外骨骼机器人的力交互也只能极低的在系统内体现。所以对外表现出稳如泰山的感觉。
这种方式带来的最大问题就是，步行运动的速度太慢，远慢于正常的行走速度。此方式更适合于早期瘫痪患者的康复训练，如果预期作为生活步行的辅具，将会在使用场景上受到明显的限制，如，居家室内使用比较合适。
5、脑机接口意图识别控制
目前无创脑机接口在康复领域的应用已日趋成熟，随着脑机接口的采集装置、去噪装置、识别算法算力的升级，不久的未来达到人机合一，把外骨骼机器人变成人体的一个器官，将人体原本的协调动作规划映射到外骨骼机器人上，成为令人期待的场景。至少在目前，意图识别的准确性和动作与意识交互的迟滞性，还有外骨骼本身的关节自由度，灵巧性等，依然是难以逾越的障碍。
图5. ReWalk（ReWalk Robotics, Ltd.，Isreal ,USA)
图6. Exowalk (HMH Co. Ltd., South Korea)
三、需求出发
从康复医学的角度看，下肢外骨骼康复机器人目前有两个用途，一是用在康复中心的环境中，用于康复训练。另一个是用于步行能力部分丧失的群体，作为生活辅助。
下肢外骨骼机器人的切实需求方向，可以总结为4大群体，哪个群体需要高动态自平衡外骨骼？
1、完全瘫痪群体
包括：完全性脊髓损伤ASIA-AB，脑卒中bronnstrom1-2-3期，脑外伤急性期等。
症状：表现为，脊髓损伤患者双下肢软瘫，伴或不伴肌张力异常。脑卒中患者患侧软瘫或肌张力1-2级别升高。脑外伤受影响侧下肢软瘫，伴或不伴肌张力轻度升高。总体上，无运动功能，无参与能力。
康复需求：被动站立与步行训练，预防骨质疏松、肌肉萎缩、关节挛缩等并发症。
结论：适用的是稳定慢速，并具备良好安全性的被动型机器人。高动态自平衡与其需求不符。
2、部分恢复群体
包括：不完全性脊髓损伤ASIA-CD，脑卒中brunnstrom3-4和脑外伤的亚急性期等，具备了初步的运动功能，参与能力中等，让需要中等辅助的情况。
症状：表现为，双下肢具有感觉，肌力达到3级左右，伴或不伴肌张力异常，张力异常时小于三级，或震挛随即缓解。总体上处于功能不足，参与不足的情况。
康复需求：辅助站立与辅助步行，提供分级辅助或按需辅助，充分调动运动训练的专注与动机，利用好神经功能可塑性时间窗，提升参与程度。并保证安全性。
结论：适用的是人机交互，调动积极性，按需辅助，与动作的丰富性交互型机器人。高动态自平衡与其需求不符。
3、老年群体
包括：运动功能30%-60%减退。
特征：需要借助助行器、拐杖、助力车、轮椅出行、轻度到中等程度辅助的群体。老年群体不仅运动功能减退，视力、听力、反应能力、认知能力等全面的减退。
康复需求：行动助力，辅助行走，保证安全性，预防跌倒。
结论：适用的是适度辅助、跌倒预防的辅助型机器人。无法想象高动态自平衡外骨骼带着老年人在路上飞奔，与其需求不符。
4、脑卒中恢复后期群体-镜像型机器人
包括：脑卒中brunnstrom4-5。
特征：已经具备走路功能，但是偏瘫步态明显，对称性差，体现为患侧屈髋能力不足，踝背屈差，小腿三头肌张力高，跖屈力量差。也因为患侧的异常，导致健侧步态无法正常化，出现了步态的时空不对称和步行效能低下。
康复需求：纠正异常步态，增加双侧对称性。此时安全性需求已弱化，优化步态需求突出。脑卒中恢复后期的最大特点是，完全可以自行走路，且步行的速度普遍不慢，优化步态协调性和对称性，特别是患侧的踝关节背屈康复。
结论：适用的是提高协同性和步行效能的镜像型机器人，高动态自平衡外骨骼不符合需求。
四、总结
综上，高动态自平衡外骨骼，在康复医学的角度上，并没有适合使用的群体。即便实现了高动态自平衡外骨骼，也如同将病人放在atlas里面，不现实。
医学与工程的交叉，需要以医学需求为导向，一个产品技术含量高，但没有适用的群体，没有适用的场景，其价值也就无从谈起了。
仅用于学术交流，不用于商业行为，若有侵权及疑问，请后台留言，管理员即时删侵！
