圖片來源：視覺中國

本文節選自邁步機器創始人、CEO陳功在鈦坦白第54期在線課的分享。點擊鏈接，注冊成為鈦媒體Pro專業版用戶，可以免費參與鈦坦白在線課，與鈦客直接交流，并查看豐富的專業數據和信息：http://www.tmtpost.com/pro

腦卒中與康復訓練現狀

腦卒中就是通常意義上稱的“腦中風”，是由大腦中的血管破裂或是堵塞引發的腦組織死亡。破裂出血一般稱為腦出血，堵塞一般稱為腦梗塞。

隨著我國加速進入老齡化，腦中風的發病率越來越高，目前中風病人已經超過了一千萬，每年還會增長150萬到200萬。歐洲美國日本這些發達國家情況更加嚴重。在2012年，美國與腦卒中相關的開支就高達716億美元，預測到2030年這個開支將會達到1840億美元以上。所以說隨著老齡化的發展，腦卒中相關的醫療開支會變得越來越高。

• 腦卒中疾病的癥狀

腦卒中疾病的癥狀主要有三個：一是偏癱，因為一般都是單側的腦區受到損傷，所以中風病人大部分一側的身體會有問題，比如說肌肉無力僵硬，肌張力過高，或者麻木、感覺能力下降等；二是語言能力，大部分病人語言、認知等都會受到一部分的損害；三是殘疾，腦卒中也是造成成年人殘疾的主要原因之一，它死亡率沒有那么高，但是中風病人一般都會保留有殘疾，是致殘率非常高的疾病。

在這些癥狀里面，我們覺得步態障礙對人獨立生活的能力影響是最大的。一個人如果失去了獨立行走的能力就需要專門找人去看護，對家庭來說需要投入較大的看護費用。

對于腦卒中病人來說，這些障礙可以通過康復訓練的方式得到改善，甚至恢復。因為大腦是具有可塑性的，通過重復性的大量的訓練，大腦里面會形成新的神經回路，癥狀得到改善，這就是所說的康復訓練。

• 傳統人工康復的弊端

一個病人需要好幾個康復理療師去輔助他，有時候需要理療師把病人的整個身體給托起來，對理療師來說體力消耗非常大，甚至某些姿勢也會對理療師造成損傷。

而且在我國康復理療師的數量是嚴重不足的，根據我國中風病人的數量，我國需要40多萬的康復理療師，但是其實專業的從業人員只有兩萬左右，所以說這個缺口非常的大。

• 機器輔助康復的必要性

我國康復產業不管是從人均康復理療師的數量還是康復流程，都是相對來說落后的。而且在老百姓的認知中，康復也不是一個很必要的概念。在我國致殘率高達75%，而在國外只有30%左右，因為他們有成熟的一套康復體系，一旦脫離危險馬上進行康復，只有少部分人會有殘疾。但是在我國，中風之后就回家一躺，一躺就再也起不來了。

所以說采用機器人來輔助人工進行康復是一個必然的趨勢。而且在國外這種老齡化更嚴重、人力成本更高的地方，他們對機器人的需求也更加迫切。

機器人本身不知疲倦，非常適合高體力消耗、重復性的活動。而且機器人可以內置很多傳感器，可以實時檢測人體的狀態，也可以做出評估，這樣的話也不需要依賴康復理療師的經驗或者知識背景。而且康復機器人可以預先植入多樣化的算法，可以實時根據人體的情況提供智能化的訓練，達到更好的康復效果。

各種形態的康復機器人

不同形態的步態康復訓練機器人

a減重跑臺系統：BWS(body weight support)是一個減重系統，可以幫人保持平衡并且分擔一部分體重。底下還配置了一個跑臺。它其實不能算是機器人，但是最早的步態康復器械就是這樣，通過減重系統把人吊起來，在跑步機上或者平地做行走訓練，很多康復機器人就是在此基礎之上研發的。

瑞士Hocoma公司生產的Lokomat

廣州一康

b減重跑臺外骨骼：在前面的基礎之上就有了b形態，在腿上配上機器人外骨骼，對下肢的關節進行輔助。比如說上圖是瑞士Hocoma公司生產的Lokomat，還有一個是國產廣州一康的產品。這種設備一般單價都比較高，lokomat國內要賣500萬以上，國產的也要接近300萬，一般人很難負擔得起，所以大多用在醫院里。除了貴之外，還比較笨重，而且髖關節自由度比較少，會導致步態異常。

Gait Trainer

踝關節機器人

c末端軌跡機器人：c類型和b不一樣的地方就在于，它對下肢的引導不是通過下肢關節，而是通過抓住他的腳，即末端軌跡來實現的。上面這臺叫Lokohelp，底下這臺叫Gait Trainer。它通過減重系統把人吊起來，腳步固定機器人上，底下踏板會根據步態的軌跡做運動。但是這種機器人步態軌跡比較單一，只能用事先規劃好的末端軌跡。

Flexbot

d固定式機器人：人可以坐著或者是躺著做訓練。這張圖是一個踝關節機器人，大家可以看到腳踩在平臺上面，然后通過底下的并聯結構給踝關節提供多個自由度，人就可以坐著單獨對腳踝進行訓練。

常州錢璟公司的Flexbot

這張圖是常州錢璟公司出的Flexbot，可以使人躺著也可以把人豎起來，腿部可以通過外骨骼帶動下肢進行步態康復訓練，像這種系統有減重系統和外骨骼，但是底下是沒有跑臺的。

踝關節機器人

膝關節機器人

e單關節機器人：這里列舉的機器人可以對下肢單關節提供助力，可以針對情況比較輕的病人，他們不需要整條腿的輔助。這種機器人必須重量得輕，電池續航也要很好。目前市面上有的幾款大多都比較重，一個關節就要三公斤以上，重量完全承在人的腿部，對人會造成一定的負擔，特別針對病人或者是老年人。

以色列的ReWalk

日本的HAL

f可穿戴外骨骼機器人：我們公司做的機器人也是這個樣子的。上面這臺灰色的是以色列的ReWalk，白色的這個是日本的HAL，他們兩個做得比較早，也比較成熟。

這種機器人體積比較緊湊，重量相對較輕。因為他有兩條腿，總有一條腿是在地上的，所以機器人本身重量的一部分可以傳到地面，人不需要負擔整個機器人所有的重量。它不止可以用在中風病人的步態康復訓練上，也可以給殘疾人或者老年人做日常步態輔助用。

Andago

KineAssist

g減重系統加可移動平臺：平地行走的訓練比跑臺訓練的效果相對更好，這點已經得到驗證了，所以說才會有這種形態的機器人。在A的基礎之上把跑臺取消了，然后用一個滑動的平臺來幫助人做平地行走的訓練。上面一個是Andago，另一個叫KineAssist。

h減重系統加可移動的平臺加外骨骼：g系統還是會面臨跟a一樣的問題，就是中風病人下肢是沒有力量的，沒有辦法走出很好的步態，下肢還是需要一定的助力。所以就有一些學校研究組就結合了減重系統、可移動的平臺，并且還在腿上加關節加了外骨骼，即h系統。

新加坡南洋理工的機器人

上海交大的機器人

比如這兩張圖是新加坡南洋理工和上海交大的機器人，但是這種系統整體來說太過復雜，機器人本身變得非常難以控制。目前市面上還沒有這種形態的康復機器人產品出現，僅僅還存在于研究之中。

邁步機器公司介紹

我們公司叫深圳市邁步機器人科技有限公司，2016年9月成立，是一家專注于開發醫療康復機器人和人機交互技術的公司。我們公司在今年4月份完成了天使輪融資，由聯想創投集團領投。

我本科畢業于上海交通大學機械工程及自動化系，后來在新加坡國立大學生物醫學工程讀的博士，博士的課題就是康復外骨骼機器人，以及柔性驅動器人機交互方面，后來還做過一段時間的博士后，博士后研究的課題是腦控康復機器人等。我們團隊的CTO葉晶博士是日本早稻田大學的博士，后來在新加坡國立大學做博士后。那時候我們是一個實驗室的，他研究的課題也在步態康復機器人領域，他的導師非常出名——藤江正克老師，在日本相當于是這個領域的開山鼻祖。

上圖是我們的外骨骼機器人產品，它屬于二類的醫療器械，主要用在醫院里面給中風病人做步態康復訓練，我們的客戶主要是醫院和康復中心等。

這個機器人的尺寸是可以調節的，身高1.5米到1.9米之間，體重不超過85公斤的病人都可以使用，它本身的重量在20公斤以下。

跟目前現有的外骨骼機器人不同，我們機器人有六個關節，包括雙側的髖、膝、踝關節。我們的機器人采用了柔性驅動器作為輸出，這樣在力控制的時候，穩定性和精度會變得非常高，特別適合在人機交互的場景里面使用。

我們機器人上裝了非常多的傳感器，可以實時檢測人體的運動狀態。而且通過一些人工智能的算法，我們可以預測人體的意圖，比如想走得快一點還是慢一點，包括他想邁左腿還是右腿以及想走想停這些，這些信息會用于控制機器人。

目前我們的產品已經完成了第三代的樣機，再過一個月左右，我們的產品就出來了，就會變成大家在這張圖中所看到的樣子——一個很漂亮的外骨骼機器人。

康復機器人的難點及探索

• 運動意圖的檢測

這個問題主要于機器人控制相關，因為外骨骼機器人還可以用在殘疾人或者老年人的輔助行走，在這種情況下人體運動意圖的檢測就會變得非常重要。這個人到底是想走還是想停？想站還是想坐？通過這些方式機器人和機器人協作完成這樣復雜的任務。

比較直接的方法就是采用人體生理學的信號。比如肌電信號——肌肉用力的時候會產生電信號，機器人采到這個信號之后，跟人同一個方向做出輸出就可以了。這個技術有一些本身的問題經過了十多年也還沒有很好的解決。比如人和人之間的信號會有差異，而且皮膚出汗或者干燥采到的信號是不一樣的，肌肉疲勞了測得的信號也會不一樣，所以說用肌電信號還沒有辦法做到很穩定精確的機器人控制。

再比如腦電信號——在大腦皮層采集電信號，通過解析可以很直接的獲取人想要運動的意圖。但是這個信號也會有比較大的問題。首先設備一般都比較貴，實驗室里邊64通道的EEG的采集設備都要一百多萬以上，想要做成產品化會是一個很大的挑戰。而且腦電信號非常的嘈雜，頻道也非常多，想從這些嘈雜的信號里面得到需要的意圖是很難得。而且下肢的運動意圖，因為埋在腦區相對比較深的地方，所以如果僅僅是采大腦皮層的信號的話，難度比較大。

第三，機器人信號——通過MU檢測人體的姿態或者重心等等。人走路會有一些預動作，比如邁左腿重心就會往右移。通過檢測重心的變化可以識別一部分人的意圖，或者通過多個角度的傳感器融合也可以得到一些想要的信息。

• 機器人康復策略

如果只是緊緊抓住人的腿去跟蹤步態軌跡，這種被動訓練是沒有任何效果的，甚至還會起到反作用，這一點學術界已經證明了。理療師可以根據經驗來給病人施加助力，機器人也應該跟人類一樣根據需要施加助力。 

理想的康復策略是像人類理療師一樣讓病人主動去走，走不好的話，機器人可以得知他需要多少力并且要給他提供多少力，用這種方式才能達到最好的康復訓練效果，所以在康復訓練里邊，激發人訓練主動的意圖這點是非常重要的。

在康復訓練里邊有一些工具可以使用，比如視覺的刺激，通過VR游戲，來增加訓練的趣味性。比如在左邊放個金幣刺激人去往左轉，這種方式可以起到一定的效果。聽覺引導也是可以的，目的就是為了激發人體主動訓練的意圖。

• 人機交互

工業機器人已經應用了非常多年了，但是工業機器人一直沒有進入人們的生活之中，甚至在工廠里都是關在籠子里面的，大家都不能靠近他，因為可能會對人體造成傷害。但是康復機器人這種領域，機器人和人體是直接連在一起的，同時還要完成復雜的任務，在種情況下安全性就變得至關重要。

傳統工業機械臂采用的都是剛性驅動的方式，但是因為其本身鋼度高，慣性大，做力控制時就會有一定的難度，需要用復雜的算法去保證穩定性，而且這個系統的帶寬也比較小，導致訓練的速度會比較慢。

我們的解決辦法就是：機器人上采用柔性驅動器，在剛性驅動器的基礎之上增加一些柔性的傳動元件。這樣就可以增加機器人本身內在的柔性，也可以在不需要力和力矩傳感器的情況下實現力反饋，提供精確穩定的力控制。柔性驅動器其實可以適用于非常多的應用場景，只要機器人涉及到和人物體交互的情況都可以使用。

鈦坦白群友互動：

1、聽您剛才介紹，我感覺對步態康復機器人來說非常重要的就是運動意圖感知。您剛才也說了這方面存在很多困難。我想更多地了解這方面的信息，還有邁步機器人采用的是哪種方法？

陳功：從應用的角度來說，要實現人對機器人的控制其實也不難，最簡單的比如說通過按紐方式，選擇機器人的模式或者是速度之類的要求。

但我們是希望機器人能做到比較智能，可以在不需要人額外操作的情況下機器人就可以對人進行輔助康復訓練。我們會首先讓人主動去行走，在前面幾步里機器人給比較小的助力，然后機器人會檢測人體的運動狀態，把軌跡記錄下來和正常人的步態軌跡進行對比，以此找到步態的異常，再決定機器人助力的等級，通過這種方式就可以達到智能訓練的效果。

2、剛才說到價格，我覺得這個痛點非常痛，幾百萬的價格一般家庭無法負擔得起，邁步機器人會是家用的，還是醫院用的？

陳功：我們現在做的這款機器人主要是在醫院里邊用的。價格現在還沒有確定，因為市面上還沒有類似的產品，也沒有辦法對比，但最后的價格肯定會比國外的產品便宜，可能會在30到50萬之間吧。如果要進入家庭的個人版那種，這個價格肯定還是太高了，希望以后可以控制在10萬以內。

3、畢竟每個患者情況不同，請問步態康復機器人怎么實現的適應不同患者的需要？

陳功：對于不同的病人，身高體重這種都是可以滿足的，機器人的尺寸是可以調節的。患者之間的差異主要還是體現在步態異常上，所以我們的機器人會采集分析病人的步態特征并據此決定助力情況。

當然也不是所有的病人都可以使用外骨骼機器人設備。首先患者還是得具有一定的行動能力，至少是自己可以保持平衡，如果他連平衡都沒有辦法保持，比如說無力的或者是僵硬那種情況的話，可能就不適合用我們這個機器人了。

4、請問陳總，能不能透露下邁步機器人的技術壁壘主要在哪里？

陳功：我們的技術特點主要集中在柔性驅動器。目前市面上現存的包括美國、日本的機器人都是采用的剛性驅動器，就是說電機通過減數據直接帶動負載。我們柔性驅動器中間會有一些彈性的元件，在人機交互的時候，安全性就可以得到極大的提升，而且力控制的穩定性和精確性也是比較高的。

我們也有與柔性驅動器相匹配的控制算法，會更加的安全、舒適，這也涉及到我最后提到那點康復策略那塊，因為人走路的時候，在康復訓練之中需要的其實是一個力的輔助，而不必要過于強調軌跡的精確性。通過柔性驅動器，我們就可以提供所需要的力。

5、請問邁步機器人有走到獲得各種許可證的階段嗎？已經有哪些進展了呢？

陳功：目前我們的產品大概還需要一個月左右的時間完成，接下來還需要去做送檢，做臨床才可以拿認證。保守估計，到2018年底左右我們的產品可以拿到許可證上市銷售，所以說中間還有一段過程。

6、政策方面有什么限制或利好嗎？

陳功：政策方面，國家整體還是很支持的。一方面我們這個是智能機器人，而且還是和醫療健康交叉的領域，這兩個領域都是國家重點支持的。不管是國家還是地方政府都大力支持我們這個事業的。

限制的話其實談不上，但是醫療器械本身審批是比較嚴格的，而且像外骨骼機器人因為市面上目前還沒有這樣的分類，包括標準之類的前例都還沒有，這可能也會加大審批的難度，所以說我們要做的工作也非常多。

7、請問陳總，為什么是步態康復，不是手指、手臂這種部位？

陳功：對中風病人來說，手部的康復，包括手指手臂都是有需要的。中風病人一般是偏癱，所以說不只是下肢，上肢也是需要的，但是上肢相對來說比較容易一些，因為人可以坐著康復，不會有一個平衡的問題。而且上肢的力量比下肢的要小一些，所以對理療師來說這種體力消耗比下肢康復要小很多，機器人的性能要求也低一些。

從機器人的角度來說，步態康復算是難度最大的了，因為一方面要把整個人體托起來，還要做復雜的行走運動，同時還要保持平衡，所以說步態康復機器人相比上肢的領域難度會大很多，而且在市面上，上肢康復的不管是器械還是機器人，產品都已經有了。

8、請問通過步態訓練，恢復大腦的一些功能，這其中的機理是什么啊？

陳功：這是基于大腦的可塑性。大腦里面的結構，包括突觸、神經回路，這些是會變化的。比如說打籃球，我們一開始不會，但是通過訓練就慢慢的會了，因為在大腦里面會形成新的突觸和神經回路。

對于中風病人來說，他們有一部分腦組織受到了損傷，大腦內某一區域受到損傷之后可能一些功能就損傷了，但是通過康復訓練，健康的腦組織會形成新的神經回路，這些功能就可以得到改善。（本文獨家首發鈦媒體，根據邁步機器創始人、CEO陳功在鈦坦白上的分享整理）

【鈦客介紹：陳功博士畢業于新加坡國立大學，博士后研究內容包括步態康復外骨骼機器人的設計及控制、人機交互控制、腦控機器人等。在國際頂級期刊和會議發表論文近三十篇。獲深圳市孔雀計劃人才認定。】

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