康复工程与假肢技术的应用与发展

传统的医学和医疗工程总是把危及人体生命的内科或外科急病作为诊断与治疗的重点，但是社会上还有成千上万患有无法治疗的功能障碍的残疾人。据联合国卫生组织的估计，全世界残疾人约有4.5亿，占总人口的10%。我国的残疾人数根据全国残疾人抽样调查推算约有5164万人，其中，听力语言残疾约1770万人，智力残疾约1017万人，肢体残疾约755万人，视力残疾约755万人，精神残疾约194万人，综合残疾约673万人。

原来，对患有肢体等骨骼运动系统功能障碍以及视觉、听觉等感觉系统功能障碍的康复，主要是通过疗养和训练等途径来开发自身残存的功能，以促使其自立，谋求回归社会。后来，特别是在第二次世界大战以后，随着控制论的发展，促进了人—机系统的结合，开始了用器械装置来代替补偿人体失去的运动和感觉功能的研究。近些年来，这些研究与超大规模集成电路、半导体传感器等现代机械电子技术相结合，有了很大发展，从而形成了一门新兴的边缘学科——康复工程学。

一般来说，应用工程技术来帮助残疾人代偿已失去的功能，大致可划分为两个范畴：一个是属于系统工程的范畴，它是通过改变或重新建立新的生活环境条件，使有功能障碍的患者得到适应和方便；另一个就是属于康复工程的范畴，它是通过综合应用精密机械、现代控制和信息处理等技术来设计高性能的器械，并确立机器和人之间的信息传递手段，起到代偿功能的作用。特别是由于高级自动化课题中机器人技术的发展，开拓了机器人在康复工程领域中应用的广阔前景，将给残疾人带来更多的福音。

根据对功能障碍代偿的目的不同，可把代偿器械分为两大类：一类是直接安装于人体上进行代偿失去功能的器械，如各种假肢、辅助装具等；另一类是装设于人体外、且构成独立系统的、起间接代偿功能的器械，如各种环境控制装置、医疗机械手、机器人、移动机械等。但是，不论是哪一种代偿器械，都要使残疾人自身能够进行操作，所以器械的动作指令必须利用残疾人残存的机能。目前，可实际有效利用的残存机能大致有以下三种：

1）人体的机械运动位移。如利用身体某一部分运动所产生的动作位移和部分肌肉收缩所产生的膨起位移等，这是一种基本的方法。

2）人体的肌肉表面动作电位。肌肉电位是人体的一种生物电，利用这种生物电作为控制信号源已有较大的发展。

3）呼气压力、声音信号等。虽然采用声音作为输入信号尚处于开发阶段，但它已成为一种新的发展方向，是研究医疗机器人的一个重要课题。

1.直接代偿的器械

直接代偿的器械如假手、假足等，都是直接安装于人体上，用来代偿失去的功能。它们设计的出发点是尽可能地采用与人体一样的形状、功能和动作方式。此外，便于携带也是研制这种器械的一个共同问题。因此，运动自由度的配置、结构的轻量和小型化、操作方便、可靠性高都是研制这些器械的主要问题。

对于假手来说，根据空间机构学的分析，为了满足残疾人必要的日常生活动作的要求，除了手指外，全臂假手的自由度必须有6～7个，即肩部3个自由度、肘部1个自由度、前臂3个自由度。但是，对于这么多的自由度数，是不可能都利用残疾人残存的机能来进行控制，而必须采用独立的控制系统。所以，应用微型计算机控制，已成为全臂电动假手研制的一个主要方向。

如图7-1所示为日本开发的一种全臂电动假手的研究系统。可以看出，该系统包括有声音识别，集成化的数字控制方式的微型电子计算机，精密机械设计，整体机械部分的制造，轻型、高强度材料的开发，小型、轻量微型电动机的研制及电动机转速的数字控制方式的开发等跨越广阔领域技术的高度利用。这个系统与工业机器人的差别在于，它是依靠残疾人本身进行人工操作，而且是一边通过本身视觉进行位置感觉反馈，一边控制假手进行动作。

图7-1 全臂电动假手的研究系统

1—7自由度电动假手 2—手臂套筒 3—微型计算机 4—肌电控制 5—电源 6—人臂和假手的运动分析 7—声音控制

显然，多自由度与轻量化的要求是相互制约的。通常，假手动力装置和减速机构部分的重量要占到总重量的50%～60%。因此，研制小型、高效、大输出的驱动装置是开发全臂电动假手的一个关键问题。

在控制方式中，能够按照人的意志来控制假手是一种最理想的方案。这时，控制信号源的取出可能有三种途径：直接把人的中枢神经系统中的指令取出来、把通过运动神经系统的信号取出来、把运动神经系统的脉冲到达肌肉所产生的肌电位取出来。目前，采用第三种方法的研究，即肌电控制的假手占据主导地位。

现在，利用前臂残存的肌肉上由于手指屈伸运动所产生的肌电位来控制具有手指开闭的前臂假手，在实际应用中已经取得成功，如图7-2所示。当假手空载作张开动作时，电动机输入通过行星减速器1、齿形联轴节6、双向超越离合器7和锥齿轮3输出，实现快速传动；而当假手闭合开始捏取物体时，由于负载的作用，使双向超越离合器7脱开、单向超越离合器8接合，于是电动机输入通过行星减速器1、行星减速器2、单向超越离合器8和锥齿轮3输出，实现慢速增力传动。这两种输出的变换是靠负载的变化而自动进行的，所以该假手具有良好的机械性能。

图7-2 肌电位控制前臂假手传动系统

1、2—行星减速器 3—锥齿轮 4、5—传动齿轮 6—齿形联轴节 7—双向超越离合器 8—单向超越离合器

但是，随着假手自由度数的增多，残疾人相对应部位的肌电控制信号源就不能满足。所以，尽管已对多自由度动力假手作了多次研究开发，然而可供实用的还很少。在构成多自由度动力假手的控制系统上，最值得注意的问题是要研制出对使用者不需通过特别学习训练就能操作假手的系统。目前，已试验出一种利用残疾人存在的幻肢感觉来进行手部控制的方式。该方式是在残端的适当部位上安装多组电极，则对应于几种不同的幻肢手部的运动，可产生不同的肌电图像，通过肌电信号处理及图像识别方法，把这几种图像分离，便可用来进行控制。

总之，由于大部分手部动作是依靠前臂的肌肉及其肌腱来进行的，所以前臂的肌电中包含着手部动作的大部分信息，可以按照人的意志来控制前臂假手。但是，在全臂假手中情况则不一样，由于实际上可以得到的相应控制信息极少，所以不能采用上述方法。不过有人认为，决定上肢的位置时，上肢和锁骨起着协调作用，可以把上肢看作为锁骨的延伸物，并研究了通过肩部上下、前后和左右方向的动作在有关肌肉上所产生的肌电位，来控制手部上下、前后和左右动作方式的方案。

如图7-3所示为一种多自由度假手肌电信号系统，它由用电刺激作为选择假手动作类型的定时信号系统、用肌电开关来控制假手动作方向的多自由度假手（上臂、肩假手）的控制信号系统组成。该方案经过实践，具有实用价值（日本早稻田大学研制）。

图7-3 多自由度假手肌电信号系统组成

1—肌电 2—表面电极 3—肌电开关 4—动作方面决定 5—假手控制 6—多自由度假手 7—监控器 8—刺激定时控制 9—动作方向切换 10、12—电刺激 11—刺激电极 13—判断

为了研制出具有实用化的多自由度上臂假手，日本东京电机大学开发了一种简易型电动假手及电路（见图7-4）。该假手是利用残疾人的上肢残端操作接触传感器的方法来实现手指开闭、腕部旋转和肘部屈伸三种运动，效果良好。

研制儿童用假手和成人用多关节假手是假肢发展的一个方向。瑞士与英国已具有制造儿童假手的丰富经验。多关节假手即所谓适应手，它不仅在外表装饰上，而且在手的抓取自由度上，都完全仿照人的手进行设计。(https://www.xing528.com)

人体的感觉反馈自动调节机能非常高级，而以前的假手都采用开环控制方式，只能代替残疾者丧失的机械功能方面，缺乏对恢复感觉功能研究的注意，故使用起来仍不很方便。因此，使假手具有感觉反馈是提高其功能的一个重要的课题。这样，将使假手不仅可以随意运动，而且可能有反射运动，成为一个较高级的自动调节系统。感觉反馈有机械式和电子式两种，目前比较有前途的一种是采用电刺激的方法。它是把来自压觉传感器的信号转换成为电脉冲，并使用表面电极对皮肤进行电刺激，从而获得感觉反馈。

除了采用人体肌电作为控制信号外，有的还在进行更高级的脑电控制研究。据资料报道，美国一大学研制成一个由思想支配、可做七种动作的假臂。这种假臂是通过贴置在大脑部位的表面电极所拾取的脑电信号，并传给装在假臂里的微型电子计算机来控制动作的。

上述利用生物电来操纵机械进行动作的方式，称之为生物电控制，这种控制方式是仿生学研究的一项重要内容，它不仅对康复医学、而且对宇宙开发和国防军事都有着积极的意义。

假足技术的研究也已引起很大的重视。与假手比较，其主要特点是用于步行，所以不必要有如假手那样多的自由度；但是其在一瞬间要支撑人体全部的重量，所以要求有充分的稳定性。

目前，假足发展的趋势概括起来，有以下几点：应用积木式系统、构造轻型化、佩戴舒适和外形美观、关节结构功能的改进。若从控制的观点来说，现在主要是进行单支假足的研究，可分两大类：一种是非动力控制的、利用被动的机构（机械的、液压的或气动的）来实现步态的方式；一种是采用动力控制的方式，以达到改善步态，实现上阶梯、爬坡等复杂的动作。

近代的假足多采用连杆机构组成“骨骼”。为了减轻重量，采用高强度铝合金管作为支承负荷的结构，并通过它把必要的关节和脚用接头结合在一起。接受腔一般由铸模树脂制造，而假足的外表装饰由泡沫塑料组成。

在非动力控制的假足中，关键的问题是研制出性能优良的膝关节机构。目前的趋势是采用具有制动系统的膝关节取代以前所用的固定式膝关节，以使假足在游离状态时具有优美的步态和在站立时具有稳定自锁的功能。

图7-4 简易型电动假手及电路

a）简易型电动假手 b）电路

在动力控制假足技术的研究方面，已有不少学者从运动学和动力学的角度，对人体双足步行的平衡协调及稳定支持问题进行了模拟实验研究。国外已开发了一种利用来自另一条健全腿的信息作为假足的输入信号，来控制电液驱动的假足技术。据报道，该假足技术已达到实用化的要求。近年来，日本开发了一种采用旋转伺服电动机和在足部装有信息传感器的动力假足。这种假足可实现近似正常人的步行，且能在阶梯和坡道上步行的同时改变步行速度；此外，还开发了一种可供下肢麻痹患者使用、能实现站立、蹲下、平地步行及升降阶梯等动作的动力装置。塞尔维亚贝尔格莱德大学曾进行了用小型电子计算机控制的躯干、下肢电动装置的研制。这种装置不仅股膝关节可作屈伸，而且能做到躯干、骨盘旋转、倾斜等人体正常的动作，以达到实现自由步行的目标。

2.间接代偿的器械

当前，由于交通事故、体育故事及工伤事故引起脊椎损伤而造成四肢瘫痪或行动不自由的患者日益增多，所以，间接代偿器械的研究在许多国家中都受到很大的重视。在这项技术中，主要问题是选择操纵方式。由于患有高位截瘫的病人只能利用一些残存的机能来作为动作指令，所以需要使用一些专门的传感器。

对于这种器械，通常安装使用电动式轮椅车装具，有的还开发了在电动轮椅车上固定有机械手的器具。患者通过头部、颈部的动作，或前额部位的肌电，或眼珠运动，甚至是利用脑电波作为指令来操作。这种研究已在许多国家积极开展。为了给手、足有重度障碍的患者在日常生活方面提供全面帮助，近年来，在国外研究开发了一种环境控制装置系统。该装置由传感器、显示器和本体等组成。利用残疾人的身体动作，通过传感器和本体，一边用显示器进行确认，一边操作电视机等连接机器，如图7-5所示。

图7-5 环境控制装置系统

Ⅰ—患者 Ⅱ—环境控制装置 Ⅲ—连接机器 1—传感器 2—环境控制装置本体 3—显示器

通常，最普遍采用的是呼吸气压控制的开关控制系统。但是，由于这种装置受到输入信号数目的限制，所以在选择控制对象机器时，必须依靠循环来选择控制对象，这样既花费时间又需对控制对象机器作限制。为了弥补这些缺点，近年来正在积极开发用声音输入、微型计算机控制的环境控制装置。该装置可按随机抽样选择输入信号，从而能控制范围广阔的对象机器。它把特定的说话者离散的声音语句与已事先学习的声音图谱作对照从而进行识别，识别时作为对照用的声音图谱，是由预先作三次发音所得的图谱平均化后存储在随机存取的存储器中。正在开发的系统可识别100个甚至是更多的语句。目前在国外，这种用微处理器组成的环境控制装置已由几家公司做成商品。

有关资料表明，应用这种环境控制装置技术，可使患者远程操纵电灯、收音机、电视机、机械手以及操作电动轮椅车和电动打字机等，为四肢瘫痪患者服务提出了一种新想法，促进了医用护理机器人的研究和发展。

移动机械的开发也已十分活跃，特别是研制了适用于下肢麻痹、四肢瘫痪、大脑性麻痹、脊椎裂、多发性硬化症、肌营养不良、小儿麻痹症、风湿性疾病、老年病以及不能行走的残疾人的各种型号的轮椅。目前，已生产出一种起立轮椅，该轮椅结构简单，残疾人无需他人协助，可由自身的肌力操纵或用外部电力驱动起立机构，使自己从座位上慢慢地起立或返回到座位上，能随心所欲地停留在任意高度上，操作自如。这种轮椅可自行移动，使残疾人获得更大的自理能力，扩大了他们的活动范围及寻找职业和重新受训的机会，而且可帮助他们随时随地进行起立锻炼，有益于他们的健康。电动轮椅的发展也日益增长，并趋于多功能化，例如通过操纵可使轮子转动90°、实现轮椅的横向移动、座位可以自动升降、座位靠背可以从垂直位置向后倾斜15°左右等，从而大大提高了残疾人恢复正常生活的可能性。

此外，随着机器人技术的发展，步行式轮椅也得到了发展。这种轮椅打破了上述轮椅只能跑平地的局限，能在较为复杂的道路上行驶，跨越障碍、会上楼梯，为残疾人在公共场所的活动提供了更多的便利。据报道，1985年，日本研制成一台专为残疾人上楼梯而设计的轮椅。该轮椅为履带式步行装置，通过四个电动机驱动，操纵灵活。

人的80%的感觉信息要来自于眼睛，所以当人双目失明后，对工作和生活都会带来极大的不便。为了解决盲人的行动问题，采用的辅助手段大致有三种：手杖、导盲犬和电子机械装置。迄今为止，利用机器作为辅助步行的装置中，激光手杖和超声波眼镜是比较有效的两种步助器具。众所周知，激光手杖是在盲人手杖上安装有三个不同方向的激光发射器和接收器，接收器可以判断三个不同方向是否有障碍存在；而超声波眼镜与“蝙蝠眼”的原理相似，它能发射和接收超声波，然后传给计算机，从而判断出声音的方向和远近。由于超声波对不同障碍物的反射是不同的，所以对于经过专门训练的病人，还能使他辨别若干物体的种类。

近年来，英国和美国正在人体进行人工眼的探索研究。它是在人大脑的视觉区中埋藏电极，该电极与人体外的光线接收器相连。当有某种图像光信号时，电极就刺激大脑视觉中枢，从而产生相应图像。但是，目前这种人工眼还只能识别简单的图形和字母，离实用还很远。

日本机械技术研究所从1977年开始，进行了以导盲犬为目标模型，开发步行引导技术的计划。这种机械称为导盲犬机器人，它是作为超声波眼镜等装置和人工眼的中间阶段的研究，即为解决辅助盲人行动问题的一种过渡手段，如图7-6所示。导盲犬机器人的基本工作原理是通过机器对障碍物识别信息的处理机能来移动机器；而盲人则根据逐次接收到的有关障碍物信息的反馈，在某种程度上选择取舍，并决定自己的行动。这种导盲犬机器人的功能大致包括有三种：能按照盲人的指令，引导盲人前进、左弯或右弯等动作；当检测到有障碍物的场合，能不服从盲人的命令而停车，并通知盲人；能进行人机之间的信息传递，具有位移和速度协调控制功能，当盲人离开对应机器轨迹规定的安全区域时，可通过电刺激来引导盲人。这种技术的研究是应用机器人工程和人—机系统技术进行的、为辅助盲人步行的基础研究，目前已成功地进行了静磁环境的模拟试验。实际上，这项技术不仅可用作盲人的步行引导手段，而且可广泛地作为厂内搬运机械移动的引导技术。

图7-6 导盲犬机器人系统

A—移动用知识数据区 B—外界传感器系统 C—中枢系统 D—通信系统 E—效果图系统 F—内部传感器系统 1—推理机构 2—数据 3—规则 4—环境信息 5—环境信息管理 6—规划 7—引导 8—操纵 9—移动机构 10—命令理解、引导信息提示 11—位置、方向、速度 12—超声波