外骨骼機器人被認為是下肢偏癱患者“重啟”神經-肌肉通路，實現康復的一種有效解決方案。但要讓它真正走進臨床、惠及患者，亟須在機器人與患者共同運動的康復場景下，同時實現輕量化、柔順性設計與高效協同康復輔助。

日前，中國科學院沈陽自動化研究所研發了一套“剛柔耦合”的下肢多關節康復外骨骼機器人，有望為下肢偏癱患者提供運動功能重建與行為輔助服務。

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“剛柔難兼”與“一體兩面”

下肢偏癱康復外骨骼機器人，是一種專為偏癱患者步態訓練設計的可穿戴康復裝備，能夠在康復階段同步接管或按需實現關節運動輔助，提供精準的步態矯正與機能康復。

目前，偏癱康復外骨骼面臨多重技術瓶頸，存在臨床訓練效果不佳、機能恢復緩慢等問題。

一方面，現有驅動方式“剛柔兩難”，剛性電機系統雖具高輸出力矩但笨重冗余，柔性繩驅系統雖輕便但難以支持功能性訓練。

另一方面，構型設計與康復需求匹配性低，多關節運動協同性弱。

更為重要的是，偏癱患者有“一體兩面”的特殊康復需求，即患側需精確引導，健側需柔順協同。這與傳統“一刀切”控制策略形成矛盾。

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“剛柔耦合”與“精準適配”

研究團隊基于自研串聯彈性驅動器，提出一種剛柔耦合柔順驅動關節，匹配人體關節的自適應運動特性，具備多模態剛度響應特點，在保證結構柔順特性和高精度力控特性的同時，實現外部沖擊下的穩定運動保護。

▲基于柔順關節的雙側髖-膝-踝全柔順驅動康復外骨骼系統

基于該關鍵技術突破，研究團隊構建了輕量化、高性能的外骨骼機器人驅動方案，其中單模塊重量為0.99kg，并具備高功率密度（212W/kg）。

結合偏癱患者下肢雙側同步輔助與同側多關節協同康復需求，實現了雙側髖-膝-踝多關節完整鏈路柔順驅動，構建了驅動-關節-構型多維度人機適配的系統級設計方案。

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“引導-協同”下“按需輔助”

圍繞偏癱患者雙側差異化運動機能與康復需求，研究團隊突破傳統“完全引導”或“完全順從”的局限，提出了一種按需輔助的交互控制方法，構建了“規劃-協同-控制”三層融合框架。

▲偏癱患者運動功能與關節協調能力重塑

頂層結合多模板步態與實時生物力學反饋，實現人機耦合系統最優康復運動的動態規劃。

中層融合雙側下肢實時接觸狀態，精確識別關鍵步態活動，量化患者和機器人間的運動差異并實現人機同步。

底層為患側實施針對性的運動康復，通過有效的步態矯正與支撐，重塑受損的運動功能。同時，為健側提供柔順性的運動輔助，充分發揮患者自身的感知與運動能力，促進肢體運動的協調性與自然性。

▲偏癱人群步行康復驗證

該融合框架，突破了傳統外骨骼機器人的功能局限，為偏癱患者提供了滿足個體運動偏好，與康復訓練需求的多關節精準協同康復。

研究團隊與中國人民解放軍總醫院等合作，面向60余位偏癱患者開展了100余次臨床驗證。

結果顯示，該研究方法有效實現了運動學重塑（多關節平均跟蹤精度提升61.8%±17.4%）、步態模式自然性與對稱性（不對稱指數降低10.5%）等關鍵康復目標。

該系列研究構建了“剛柔耦合+按需輔助”的技術框架，為精準矯正與自然交互的理想平衡提供了有效思路。

來源：中國科學院沈陽自動化研究所

責任編輯：王穎