为了规复活动功效，必需举行高强度、重复性和使命导向性病愈训练，正在已往的几十年间，为了知足这类日益增长的需求，人们把目光转向了病愈机器人，并正在该领域内举行了数个研讨。可是，至今为止，针对上肢的病愈机器人研讨一样平常存眷的病人群体大多为脑卒中幸存者，而对骨关节疾病中肩关节病愈训练的存眷略显不敷。

　　来自于意大利Cervesi病院的Sicuri等为了了解今朝病愈机械人正在神经系统疾病和骨关节系统疾病所致使的肩关节运动障碍中运用的适应症，和上肢病愈机械人正在将来的运用远景，他们撰写了文章并揭晓正在《Muscles Ligaments Tendons J》 2014年的期刊上。

　　肩关节病愈机器人

　　正在病愈领域中，评价活动功效及其变革的量表全是半定量的，是以没法举行定量牢靠的评价，还没法评价病人的残疾水平、残余的活动功效和医治的有效性。病愈机器人则能举行定量评价，如活动的速度、活动的准确性和活动耐力。

　　正在本文中，Sicuri等描写了适用于肩关节病愈的当代机械人体系，还总结了机械人医治的适应症，进而讨论上肢机械人正在改进病人肩关节功能上所起到的作用。

　　1. 肩关节的生物力学

　　正在神经病愈手艺的进度过程中，躯干稳固性被视为正在一样平常功用性运动的根本，它影响着均衡功用，起到差别运动间的和谐作用，因而，纵然正在医治因骨关节疾病所招致的肩关节功用障碍时，还不可以无视躯干稳固性这一先决条件。因为躯干肌肉运动的协同性，应当根据恰当的病愈手艺来加强神经掌握，进而调理躯干肌肉的气力，以到达保持躯干稳固的目标。

　　肩关节和肘关节正在上肢功效规复中所起的作用也是至关重要的，由于假如没有近端操纵的话，那末手功效就无从谈及。有研讨发明，正在抓握、够物或其他活动中（扔球或接球），肩关节、肘关节和手的活动轨迹是紧密结合的。

　　分歧的义务和运动场景还影响到肩、肘和手的运动轨迹，如果在分歧的位置和/或分歧的标的目的时，够物和抓握的运动轨迹就可能存在分歧。Soma等以为经由过程使用EMG和加速度传感器来记载肩关节四周肌肉的运动，就可以实时分辩分歧的抓握动作和上臂运动的标的目的。

　　所以当我们正在订定肩部复合体和上肢的病愈企图时，若是没有斟酌躯干和肩关节的生物力学要素，那末所订定的计划很多是徒劳的，当我们的目标是研发适用于上肢的新型的机器人体系时，将上肢的生物力学归入斟酌规模更是必需的。

　　肩部复合体包含盂肱枢纽和肩胛带，而肩胛带又包含胸锁枢纽、肩锁枢纽和肩胛骨-胸廓枢纽。这三个枢纽的流动会改动盂肱枢纽的中央，使其成为一个封锁的流动链，正在这个流动链中这一些枢纽没法自力流动。是以，今朝针对肩复合体的物理医治是经过挪动肱骨来引诱肩胛带流动的。

　　一般而言，肩枢纽指的是盂肱枢纽，它有三个自由度（DOFs）。肩胛带的关键运动标的目的是垂直运动和侧方运动，能够经过描写这两个标的目的上肩枢纽的运动状况来反响肩枢纽的运动结果。另外，肱骨运动取肩胛骨运动相联系，这便是所谓的肩肱节律（CGH），即随肱骨正在差别平面的举高而发生变化，还随肩枢纽内旋或外旋的角度差别而发生变化。

　　因而，正在那些因骨关节系统疾病或神经系统疾病而没法自立运动肩关节的病人中，机器人辅佐锻炼是一个可供挑选的病愈医治计划。可是这一类病人通常会经过躯干的挪动来代偿肩关节损失的运动范围，而这一代偿运动则会影响到病愈医治的结果。因而，正在锻炼过程中，应当固定病人的躯干，进而限定代偿运动的发作，和提升肩胛带的使用。

　　完整摹拟人类上肢的机器人体系有6个DOFs，简述如下：肩胛带的举高/低落、肩胛带的前伸/回缩、肩胛带的愚昧和舒展、肩胛带的外展和内收、肩胛带的内旋/外旋，和肘枢纽的愚昧和舒展。在理解了肩枢纽的生物力学以后，让我们把目光转向在肩枢纽病愈中的机器人分类。

　　2. 肩关节病愈机器人的分类

　　如在病愈医治过程中，需求正确的调理个体化病愈计划，改进病人残余的活动功用，或需求定量评价医治后的疗效和监测练习过程中的变化时，能够挑选病愈机器人医治。

　　机械人体系一样平常由下述8个组分构成，即具有和需求实行的使命自由度同等的机械构造、具有节制枢纽的实行器（电动或气动）、能够供应机械功用状况和取环境交互信息的本体感受器和外感受器、需求实行的使命序列，并在电脑体系中有具体的信息、需求一台电脑发生旌旗灯号来节制机械人枢纽、处置来源于于感受器的旌旗灯号，和操控活动节制器，和人/机交互，接受来源于用户（医治师/病人）的信息/指令，并供应在线反应。

　　机器人能按照病人残余的活动功用对活动速度开展个体化的校准，进而代偿病人不敷的力气或活动操纵，而且能让病人感受到功用的改良。在这里一过程中，需求一系列的感到、活动和认知信息的输入，如病人对自觉活动的主观操纵、皮相躯体感到输入、取本体感到相干的静态和静态信息、相干的视觉信息（如虚拟现实）。

　　依据节制战略的分歧，机器人帮助病人活动的形式包孕被动、主动、主动-助动和抗阻活动。被动指的是机器人动员病人上臂活动；主动指的是病人自行完成活动，机器人没有供应帮助；主动-助动指的是首先由病人实验助动活动，依据病人的状况再决意是没有是需求机器人供应帮助活动，是以适用于病人能完成必定肢体活动但没法充实完成的状况；抗阻活动指的是病人需求匹敌来自于机器人的阻力完成活动。

　　按照机器人的机器特性的不一样，最少能分红三大类：外骨骼支架、终末感受器（还被称为“操纵器”或“机器手”）和电缆驱动。

　　2.1 外骨骼支架

　　为了尽量的笼罩全部上肢的枢纽流动度，外骨骼假肢和病愈安装一样平常的设计全是使机器枢纽和人类肢体枢纽相匹配和符合。它们和肢体的每一个节段相连接，能自力的掌握枢纽绝多数的DOFs，这一特点使外骨骼支架的医治作用远远优于终末效应器式的机器人。可是它的次要的不敷在于难以实在的复制枢纽复合体的DOFs，和难以正确的和病人的枢纽保持一致。

　　正在机器人的设计上和上肢病愈相适应，即适应和代偿肩枢纽发生的移位，进而预防因为枢纽轴没有符合所形成的肩枢纽内的应力的呈现。

　　当人类和机器人DOFs没法准确婚配时，机器人就会在枢纽衔接处发生不适当的力。这不但会对病人导致损伤，还会导致枢纽痛苦悲伤和持久损伤。

　　现有的外骨骼支架的品种许多，每一类所具有的DOFs分歧，实现DOFs所使用的技能还分歧。比方，机器人CADEN-7和L-EXOS正在肩胛带上不具有任何DOFs，然则它们对躯干的DOFs有作用。机器人Armin III和Intelli Arm正在上臂举高的与此同时能发生垂直的DOF，但程度的DOF没有归入思索范畴。

　　MEDARM是最进步前辈的外骨骼支架，由于它正在肩胛带举高/低落和前伸/后缩上有两个自由度。然而，由于该体系所作出的假设是正在胸骨-锁骨枢纽的CGH轨迹为圆形，因而可能会呈现没有婚配的状况。

　　其他的外骨骼支架则试图采取一个多枢纽布局（首要事情道理包含正在枢纽的两头仅施加活动所需求的力）来战胜机械枢纽和病人枢纽没有符合的题目。然而，这一机械人还没有正在病人中开展测试，现阶段已知的是其所到达的幅度要低于安康人的活动范围。

　　即使是最进步前辈的外骨骼支架，虽然能笼盖肩枢纽所有的DOFs，可是仍旧需要正在医治之前，按照病人的情形对机器人举行调解，来确保机器枢纽和生物枢纽的符合。这一调治的历程会危害机器人的医治结果，是以不可以轻忽该历程。外骨骼支架的其他错误谬误包罗本身重量较重，不可以容易挪动，而且价格昂贵，正在医治历程中有也许导致病人骨折。

　　2.2 终末效应器机器人

　　终末效应器机械人限定了病人/机械之间的交互，它们仅正在一个点和病人接触，普通是正在前臂或手部。它们不需要根据病人的体型开展调解，可是很明显它们无法控制上肢所有的DOFs，尤其是正在肩枢纽和肩胛带处。

　　由麻省理工机械学院所研发的MIT-MANUS是最常用的终末效应器机器人，适用于神经病愈医治，然则只会促使病人正在程度平面内完成够物活动。GENTLE也是一个终末效应器机器人，它经过一个3 DOFs的球形枢纽取前臂远端相连接，并凭仗一个腕部假肢来维持前臂正在空间内的位置。MIME（镜像活动加强器）则是一个包罗6 DOFs的机器人布局，经过托板取前臂相连。

　　2.3 电缆驱动机器人

　　电缆驱动机器人是依附电缆或电缆驱动的把持臂来支撑和操控病人的前臂。它是将电缆和终末效应器相结合，并经过外部毗邻安装固定，经过改动电缆的长度能够挪动终末效应器。

　　这一类机器人易于运输，本钱较低，保护较简略单纯，这一些都有利于贸易推行。它们首要的错误谬误仅能向一个标的目的驱动肢体，即只会拉而不克不及推。取人类枢纽相比，这种体系仅具有一个简略单纯的3 DOFs的机器球形枢纽，因而无法控制肩枢纽和肩胛带。

　　已有数个基于电缆的病愈机械人问世，包含MACARM、NeReBot和MariBot。它们的事情道理极其简朴，一旦病人的前臂固定在夹板或假肢上，机械就根据推进电缆对上肢发生刺激。

　　能够按照事前设定的三维轨迹挪动病人的前臂（或与病人的前臂相互作用），与此同时，还许可病人开展自觉的挪动。病人并不会感应机器人限定了他们的流动，这还将流动中还许存在的惯性降到了最低。

　　机器人病愈和其他手艺

　　肩关节机器人能丈量流动速度、流动标的目的，和评价病人残余的气力，还能评价病人的流动本领，正在某项特定的流动使命中，依据事前设定的轨迹帮助病人流动肢体，可是需求注意到的是病愈机器人没法供应单一肌肉收缩的信息，还没法控制肩关节泛起的代偿流动。

　　现阶段越来越多的研究者将目光转向了病愈机器人团结功能性电刺激（FES）的医治方法，这两种医治计划团结能加强每一种医治所带来的获益，还能扩大其适应症。虽然由FES所引发的肌肉流动不同于自觉肌肉收缩时的一般流动单元的召募，但是在病愈训练中FES还能有用的改进肌肉气力。

　　经由过程正确的刺激方针肌肉， FES还能限定“习得性误用”的题目，习得性误用拦阻病人活动功用和本体感到规复的次要停滞。须要注重的是，现阶段FES和病愈机器人仍然是两个自力的体系，并没有正在体系程度举行分解。

　　本体感到的存在是病愈医治获益的根本，病愈机械人不只是一个供应被动活动的机械，反而是一个可以匡助病人将力和活动相整合的练习东西。鉴于此，活动病愈不只局限于机械或肌肉层面，还受到活动-认知的危害，如病人的活动进修才能就危害着其活动功效的规复。

　　比方，当病人正在假造现实（VR）环境下举行练习的时分，能够监控他们的活动，并试图模仿最好的活动形式（正在假造场景是所显现）。正在练习过程中，VR能维持病人的注重，提起他们对医治的爱好，可见，根据加强环境的丰富性能够维持病人的注重力，增进病人对练习的爱好。

　　另一个取机器人相干的手艺是由Rodriguez等所引见的脑-机器人交互病愈设备，它能够给予感觉活动反应环路。这一东西能将病人的企图（或实验）和机器人的预期行动相结合，进而引诱存在功能障碍的肢体举行活动。

　　正在脑机接口体系中，相干的电极覆盖了病人的活动前区、重要活动区和本体觉得区的皮层。该体系能同步监测枢纽的位置/速度和神经旌旗灯号，正在未来增进基于预期活动和设想的研讨和病愈战略的泛起。

　　机器人病愈的适应症

　　凭据病人所完成的活动的质量不一样，每一练习阶段的方针全是接续转变的。每一种病愈活动都必需到达必然的强度，并具有必然的特异性，才气使得练习立竿见影。别的，练习自己必需具有重复性、功能性的特点并具有必然的目标，如许才气使得病人的施展阐发接续进步。

　　机器人技能是一项有效的技能，能够知足高强度、重复性和义务导向性锻炼的规定，赞助病人和医治师完成上肢活动锻炼，牵伸肌肉和软组织，进而预防肌肉生硬和挛缩。另外，机器人能赞助无力的病人完成一般ROM范围内的活动。

　　活动功用阻碍平常伴随着本体觉得的消退，是以，正在病愈计划拟定之前，必需首先确诊本体觉得阻碍是没有是存正在，然后拟定医治计划着手改进以上功用阻碍。反复的主动活动没有仅有益于活动阻碍的规复，对受损的本体觉得一样能发生积极作用。是以，机器人帮助病愈训练体系没有仅能供应反复活动，还能改进病人的本体觉得功用。

　　正在病愈评定层面，虽然物理医治师所挑选的评定量表是标准化的，可是因为大概存正在人为毛病，进而危害评定成果的可靠性。因而，获得的评价成果一般全是主观成果，而且受到评定者才能的危害。

　　病愈机器人还具有评定的本领，并且是定量的评价，是以具有客观性和可重复性的特点，并能从不同层面反应活动改进的情形。是以，病愈机器人既有练习的价值，还是有评价的作用。

　　综上，病愈机器人是一项标准化和靠得住的东西，能为研究者和临床工作者供应病人预后相干的评价后果。

　　至今为止，病愈机器人领域中存眷的热门正在于神经功能疾病（如脑卒中和脑外伤）后偏瘫病人的上肢机器人锻炼，是以，拓展病愈机器人使用新领域也是特别很是需要的，正在未来可将病愈机器人适用于周围神经损伤、中枢系统退行性变和肌营养不良的病人的医治。

　　在肩枢纽中利用上肢机器人开展病愈的首要的没有敷在于病人和病愈机器人之间枢纽轴的没有婚配，是以也许形成枢纽的痛苦悲伤和损伤。除这一些没有敷以外，肩枢纽病愈机器人仍是相称平安和有用的，能适用于肩枢纽的没有稳定、生硬（黏连性枢纽囊炎）、枢纽成形术后、肩袖损伤和其他肌腱碎裂的病愈医治（详见下表1）。

　　本文阐明了肩关节病愈行业内机械人技能使用的近况，至今为止，机械人和虚拟现实技能已适用于神经病愈行业，可是还没有正在骨关节行业展开。正在偏瘫侧上肢使用机械人技能医治是立竿见影的，正在脑卒中后上肢偏瘫的病人中尤其如斯，采纳机械人技能展开医治能改进活动功用规复，可是对改进功用预后的结果普通。

　　正如前文所述，目前所研收回的所有的机器人体系仍旧具有良多不敷，这一些不敷伴随一些平安性问题。若是将病愈目的定为改良病人的功用性活动，那末就需求正在上肢活动中涵盖大批的DOFs。这就需求研发越发紧密但绝对平安的多DOFs机器人，与此同时，为了肯定何种病愈方法能带来最大医治获益，对活动功用举行客观的评价也是十分重要的。

　　正在由病愈大夫和物理医治师所构成的病愈医治团队中，上肢机器人手艺仍然是一项进步前辈的医治东西。运用机器人能够举行相对简朴的医治，如重复性和消耗人力的练习。正在病愈医师订定了临床决议以后，正在适度的情况下便可交由机器人实行相干医治。

　　固然，正在骨关节病愈领域中展开这项新手艺之前，病愈医师和物理医治师皆需求先接受充足的培训，以了解机器人手艺正在骨关节领域中的利用。因为惯例医治计划的疗效欠佳，而机器人医治的有效性曾经得到了证明，以上这一些证据撑持正在骨关节疾病的病愈中接纳机器人医治。

　　因而，为了肯定残疾和残余功用之间的干系、给予残疾和预后的评价尺度、订定新的病愈步骤和肯定将来病愈领域中机器人的作用和价值，正在将来需要将更多的病人归入研讨，以到达以上目标。

　　正在人类日常生活流动中，上肢机器人的功效是必需的，如够物、抓握和操控物体。我们曾经晓得，取下肢和足部相比，上肢和手的神经操纵更加庞杂，这便是为何上肢机器人的研发要难于下肢机器人的研发。

　　那末神经系统疾患和骨关节疾患的病人运动障碍存在如何的差别？这两类病人的病愈的资源是不是雷同？这两类病人的病愈方针又该若何制订？上述问题的谜底须要将来的研讨来回覆。