中国 “刚柔并济”!智能外骨骼机器人为下肢偏瘫患者带来新生希望

在人类与疾病抗争的漫长历程中,下肢偏瘫一直是困扰无数患者及其家庭的重大难题。失去自由行走的能力,不仅意味着身体活动受限,更会给患者的心理和生活质量带来沉重打击。而外骨骼机器人作为现代科技与医疗结合的产物,自诞生起就被视为下肢偏瘫患者康复的希望之光。然而,如何让这一希望真正照进现实,突破技术瓶颈,一直是全球科研人员努力攻克的课题。如今,中国科学院沈阳自动化研究所传来的喜讯,让无数人看到了新的曙光 —— 其研发的 “刚柔耦合” 下肢多关节康复外骨骼机器人,有望彻底改写下肢偏瘫康复的格局。

下肢偏瘫康复外骨骼机器人从概念走向实际应用的过程中,面临着诸多棘手的技术挑战。其中,驱动方式的选择堪称 “刚柔两难”。过于刚性的驱动方式,虽然能够提供强大的动力,但在与人体交互时,容易给患者带来生硬、不自然的运动体验,甚至可能造成二次伤害;而过于柔性的驱动,又难以满足患者在康复训练中对力量和稳定性的需求。同时,传统的外骨骼机器人构型与患者实际康复需求的匹配性较低,无法精准地针对不同患者的身体状况和康复阶段提供个性化的辅助。此外,患者本身的需求具有 “一体两面” 的特殊性:一方面,他们需要强大的外部力量辅助完成运动;另一方面,又渴望在康复过程中感受到自然、流畅的运动体验,这种矛盾与传统的控制策略形成了巨大冲突,成为阻碍外骨骼机器人广泛应用于临床的关键因素。

面对这些难题,中国科学院沈阳自动化研究所的科研团队迎难而上,展开了艰苦卓绝的技术攻关。基于自研的串联弹性驱动器,团队创造性地提出了刚柔耦合柔顺驱动关节的设计理念。这一关节突破了传统驱动方式的局限,具备多模态刚度响应的独特特点。在患者进行不同强度、不同类型的康复运动时,该关节能够根据实际需求,实时调整自身的刚度,实现刚柔并济的驱动效果。例如,当患者进行简单的站立训练时,关节以柔性模式提供轻柔的支撑;而在进行行走训练时,则迅速切换为刚性模式,给予足够的动力辅助。凭借这一创新设计,团队构建了轻量化、高性能的驱动方案,单模块重量仅为 0.99kg,功率密度却高达 212W/kg,在保证强大动力输出的同时,大大减轻了外骨骼机器人的整体重量,让患者在使用过程中更加轻松便捷。

在解决驱动问题的基础上,科研团队进一步结合临床康复需求,实现了双侧 “髋 – 膝 – 踝” 多关节完整链路的柔顺驱动,并构建了系统级设计方案。从髋关节的屈伸、膝关节的弯曲伸展,到踝关节的背屈跖屈,每个关节的运动都紧密配合,模拟人体自然的步态。这种多关节协同驱动的方式,使得患者在康复训练中能够获得更加真实、自然的行走体验,有效提高了康复训练的效果。

为了满足患者双侧差异化的需求,团队还提出了按需辅助的交互控制方法。该方法分为三个层次:顶层通过先进的算法进行动态规划,根据患者的身体状况、康复进度以及实时运动数据,计算出最优的康复运动方案;中层通过传感器和控制系统,实现人机运动的高度同步,确保外骨骼机器人的运动与患者的意图完美契合;底层则针对患侧和健侧的不同情况,提供针对性的康复辅助 —— 对患侧进行强化训练和精准康复,帮助恢复肌肉力量和运动功能;对健侧提供柔顺辅助,维持其正常的运动能力,同时促进双侧肢体的协调配合。

目前,这款 “刚柔耦合” 下肢多关节康复外骨骼机器人已经进入临床验证阶段,并取得了令人瞩目的成果。众多参与临床试验的下肢偏瘫患者,在使用该机器人进行康复训练后,实现了运动学重塑,步态的自然性和对称性得到显著提升。原本只能依靠轮椅出行的患者,通过一段时间的训练,能够在机器人的辅助下独立行走;曾经僵硬、不协调的步态,也逐渐变得流畅、自然。这些实实在在的变化,不仅让患者重拾生活的信心,也为下肢偏瘫康复领域提供了全新的思路和解决方案。

从实验室里的一个构想,到如今有望改变无数患者命运的创新成果,中国科学院沈阳自动化研究所研发的智能外骨骼机器人,凝聚着科研人员的智慧与汗水。它的出现,不仅是中国在医疗科技领域的一次重大突破,更让全球看到了中国在攻克重大医疗难题上的决心和实力。随着技术的不断完善和推广,相信在不久的将来,这款 “刚柔耦合” 下肢多关节康复外骨骼机器人将走进更多医院和康复机构,为千千万万下肢偏瘫患者带来自由行走的希望,开启他们人生的新篇章。

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