面向运动功能重建的外骨骼康复机器人技术研发与产业化应用

一、成果简要介绍（含背景、成果概要）

当前我国社会正向深度老龄化社会快速迈进，脑卒中等老年性疾病患者逐年增多，后遗症往往造成肢体瘫痪。康复医学实践反复证明：通过长期、规范、科学的康复训练能重建相关的神经系统功能区，同时增强肌力，使患者重获自主运动能力。常规康复训练高度依赖人工，在体力和时间上付出很大。机器人技术为运动康复治疗方法的改革与新生创造了条件，在社会老龄化背景之下，研制优良性能的康复器具已成为国家的重大社会需求。

团队深耕康复机器人领域十余年，积累了大量核心关键技术和研究经验，已开发出多款面向中风患者的运动辅助训练康复机器人。核心技术包括机械结构方面的仿生设计、控制方面的人体生物信息和仿生CPG相结合的级联式共享控制方法以及虚拟现实环境下的训练策略，更高效更高速的帮助患者完成康复训练。

二、成果介绍

1、所属领域

生命健康

2、主要应用场景

本成果应用领域为医院、康复中心、养老院、残疾人服务机构以及需要康复治疗的的家庭等。根据医学统计，脑卒中、脑外伤、脊髓损伤等患者大部分由于中枢神经组织受损，脑神经命令传递路径断开，病后三年内高于90%的患者都具有运动功能障碍。目前我国人口比例严重异常，60岁以上人口占全国总人口的比例已经连续7年以0.6%的增速在递增，脑卒中等这类老年性疾病开始蔓延，因此成果主要应用于面向老年中风后患者的肢体运动康复场景。

3、市场背景及痛点

中国正向着老龄化社会急速迈进，脑卒中等老年性疾病患者逐年增多，根据官方公布的数据，脑卒中患者在我国已多达1300万，因此导致的失能或半失能患者大约有440万人，脑卒中导致的伤残患者数量和平均康复调整时间也位居世界首位，然而在如此严峻的背景之下，我国的脑卒中及相关疾病康复资源却呈现出严重的人均保有量不足和分布不均的问题，部分地区的每1000人注册康复师数量以及授牌复建中心数量低于世界平均水平。2021年6月卫健委、医保局等八部委发布的《关于加快推进康复医疗工作发展的意见》指出，力争到2022年每10万人口康复医师达到6人、康复治疗师达到10人，到2025年每10万人口康复医师达到8人、康复治疗师达到12人。按照意见规划中2025年的目标，我国康复医师缺口6.4万，康复治疗师缺口10.9万，人才匮乏较严重，巨大的人才缺口难以在短期内填补。其次，传统的康复器械需要依赖康复治疗师的经验才能得到较好的康复效果，而国内康复治疗师水平参差不齐，难以借助传统康复器具保证康复效果。康复医疗资源不足的情况下，中国的中风致残率达75%，而欧美只有30%。最后，传统康复器具缺乏量化评价指标，患者在使用后难以感受到康复效果，容易导致其失去信心，放弃康复治疗。

基于供需的严重不平衡，康复机器人应运而生。康复机器人作为医工结合的产物，目标是辅助康复治疗师，简化传统“一对一”的繁重的治疗过程，提高康复治疗效率，帮助患者重塑中枢神经系统。在国内，主要的一些康复机器人企业有：上海璟和公司、上海傅里叶智能、广州一康、深圳迈步机器人、杭州程天科技等。目前国内的产品基本上处于技术储备阶段，主要是和国内知名医院合作，建立康复中心，在理疗师的辅助下，帮助一部分患者进行康复训练。康复机器人产业虽然市场庞大，但由于起步较晚，仍处于商业化初期阶段。国外的产品在性能和可靠性上领先于国内产品，但是价格昂贵，市场普及性不高。

主要痛点如下：

以中小型企业为主，产业集中度较低

中国医疗器械行业虽经过30余年的高速发展，但行业内中小企业林立的局面尚未改变。我国医疗器械产业集中度整体偏低，仍以中小型企业为主，总体呈现小、散、乱的状态，中小型企业仍为医疗器械产业发展的主力军。虽然近年来我国医疗器械产业整顿优化力度加强，部分规模小、低水平重复生产以及质量偏低的企业退出市场，相关政策的相继出台鼓励企业通过资本运作等方式进行兼并重组，但总体上国内医疗器械企业规模小而散的局面并未打破。我国医疗器械产业集中度偏低直接导致医疗器械市场占有率较低，在给日常监管带来负担的同时，更使得生产管理水平和生产能力利用率不高，无法形成规模效应，抵御风险能力也较差，导致我国医疗器械企业参与全球竞争时处于弱势地位。

产品结构不合理，附加值较低

从近两年已注册的不同医疗器械类别下产品数量来看，Ⅲ类医疗器械整体数量逐年降低，Ⅰ类和Ⅱ类医疗器械产品数量呈波动上升趋势，说明国内医疗器械企业的生产重心趋向于附加值较低的中低端医疗器械。2022年Ⅰ类和Ⅱ类医疗器械注册产品总数占95.4％，说明我国目前仍以技术含量较低的中低档医疗器械产品为主，产品附加值较低。

从我国医疗器械产业发展的总体形势来看，由于中小型及一次性使用型等低端医疗器械市场技术壁垒小、资金投入较少且回报周期短等特点，我国本土企业主要集中在低端医疗器械市场；大型医疗器械等高端市场由于技术壁垒较高、研发及制造的资金投入量较大、国内制造技术和质量有待提高以及之前长期被国外企业垄断等原因，使得我国本土企业进入困难，所占的高端医疗器械市场份额较低。

研发投入产出比较低，创新能力有待提高

相较于发达国家，我国医疗器械产业起步较晚，技术基础较为薄弱，而医疗器械产业作为典型高新技术产业，其核心竞争力在于技术创新能力的高低，我国医疗器械制造业一直以中低端制造以及设备仿制为主，技术创新能力不足。虽然近年来我国加强对医疗器械产业的研发投入，从资金、技术和人才上均对医疗器械研发创新给予大量支持，近5 年来我国医疗器械产业虽然逐渐重视创新产品研发，但创新转化效率有待提高，创新能力需要进一步增强。

4、产品或技术成果介绍

基于脑控仿生CPG的下肢外骨骼康复机器人系统

图1.移动式智能下肢康复机器人

图2. 基于脑控仿生CPG的下肢外骨骼康复机器人技术方案

依托于国家自然基金项目、浙江省重点研发计划，团队研制一款基于脑控仿生CPG的下肢外骨骼康复机器人系统，如图1所示，该设备主要包括外骨骼机器人本体、移动台车、智能控制系统。其中智能控制系统采用基于脑控仿生CPG的下肢外骨骼控制策略，如图2所示，该策略可强化患者自主意识与肢体的协调，有效解决了现有生物信号解码精度不高、患者在康复过程中开小差不可控所带来的实际应用难题，强化了患者本身在康复过程中的主动参与感，提高了神经性疾病导致患者瘫痪的康复效果，以求通过重塑受损神经通路，实现患者重新恢复自主运动功能达到完全康复的终极目标。

台架式下肢外骨骼康复机器人系统

图3.台架式下肢外骨骼康复机器人

团队在国家自然基金项目、浙江省重点研发计划的资助下，研发出台架式下肢外骨骼康复机器人样机，如图3所示，该设备主要包括外骨骼机器人本体、自适应调速跑步机、自适应减重支撑台架、人体姿态检测模块、足底压力检测模块以及沉浸式康复情景交互系统。在外骨骼仿生机构方面由于有突出的创新性设计，科研论文发表后被美国世界科技新闻网、美国全球互联网、阿尔法伽利略网等国际知名科技新闻网以“Bio-inspired lower-limb‘wearing robotic exoskeleton’for human gait rehab”为题进行了专题报道，国内今日头条、雷锋网等也进行了报道。

5、核心优势：技术、产品、解决方案及其他方面

技术先进性：

1、机械上，现有产品人机模型不匹配，穿戴不舒适；

解决方法：仿生外骨骼设计，匹配关节运动；柔性变刚度驱动系统设计。

2、控制上，现有产品人机交互性不佳；柔顺不足，刚度有余；

解决方法：基于意图辨识的脑控肢随控制策略；人机柔顺协同变阻抗控制。

3、产品上，价格昂贵，性能不完善；

解决方法：自主研发，降低价格；以医工交叉团队为基础，进行核心技术研发。我们把脑电技术和虚拟现实技术应用于下肢和上肢外骨骼康复机器人进行辅助控制，进一步提高外骨骼机器人的人机交互性和适应性，从而在康复训练过程中提高患者主观意识的参与程度。

经济性优越性：

目前国内外的外骨骼康复机器人产品价格都比较昂贵，台架式产品国外售价在四百万以上，国内产品售价在二百万以上，价格主要体现在技术成本、后期服务成本以及垄断造成的利润上，实际的硬件、材料和外协加工费成本并不高。

我们的经济优越性就在于自主研发，降低该产品的技术成本。产品进入市场后，通过对产品的推广和升级完善，在占据相应的市场后，实现产品的量产化，从而形成许多标准件和组合器件，将进一步缩减生产成本，降低产品的价格，提高我们产品的经济优越性。

6、技术成熟度及应用情况

上述成果技术均已较为成熟，可应用于中风患者临床康复实验。

三、团队介绍

1、团队负责人介绍

陈伟海教授长期从事智能机器人与精密仪器技术研究，包括人体生物信号检测与意图识别、仿生机器人与外骨骼机器人技术、高精密运动机械设计与控制技术、微驱动和微操作技术等先后主持国家自然科学基金、863计划等国家项目20余项，发表200余篇科研论文(SCI检索 150 余篇)，授权发明专利50余项;担任IEEE Robotics and Automation Society制造自动化技术委员会委员、INDIN2012国际会议主席、ICIEA国际会议技术程序委员会副主席;获得2015年度吴文俊人工智能科学技术创新奖以及2022年中国仪器仪表学会技术发明一等奖，入选2017年度人工智能领域10所985高校、138位高影响力学者综合指数排名。

2、成果所在平台及其他团队介绍

精密仪器与智能特种机器人技术研究及应用平台。

目前团队有北京航空航天大学兼职教师9名，专职研究人员10名，博士和硕士研究生20余名。团队长期从事机器人技术研究，科研方向从机械臂发展到上肢外骨骼康复机器人，从足式机器人发展到下肢外骨骼康复机器人，从图像处理发展到环境理解和机器人自主控制。团队近十余年来在康复机器人、仿生CPG控制技术、肌电与脑机接口、计算机视觉和图像处理、智能检测、仿生机器人、机器人自主控制等方面都取得了丰硕的成果，承担了20余项国家自然科学基金项目、5项国家863计划项目等40余项纵横向项目，在康复外骨骼机构设计与控制、生物信号处理和人工智能等方面打下了坚实的基础。团队已经研发的康复外骨骼除了有绳驱动上肢康复机器人，还有台架式下肢康复机器人和独立式下肢康复机器人等；生物信号处理包括对脑电、肌电和心电的解码；机器视觉环境理解研究包括语义地图构建和室内场景理解；团队曾分别派遣博士生到洛桑联邦理工学院、苏黎联世邦理工学院、台湾中兴大学专攻脑电、肌电、心电和机器视觉技术，派遣博士生到哥伦比亚大学、丹麦奥尔堡大学专攻外骨骼康复机器人技术，具有较好的人才基础。