【钛坦白】迈步机器人CEO陈功:步态康复机器人的发展历程和难点探索

摘要: 采用机器人来辅助人工进行康复是一个必然的趋势。康复机器人可以预先植入多样化的算法,可以实时根据人体的情况提供智能化的训练,达到更好的康复效果。

图片来源:视觉中国

图片来源:视觉中国

本文节选自迈步机器人创始人、CEO陈功在钛坦白第54期在线课的分享。点击链接,注册成为钛媒体Pro专业版用户,可以免费参与钛坦白在线课,与钛客直接交流,并查看丰富的专业数据和信息:http://www.tmtpost.com/pro

脑卒中与康复训练现状

脑卒中就是通常意义上称的“脑中风”,是由大脑中的血管破裂或是堵塞引发的脑组织死亡。破裂出血一般称为脑出血,堵塞一般称为脑梗塞。

随着我国加速进入老龄化,脑中风的发病率越来越高,目前中风病人已经超过了一千万,每年还会增长150万到200万。欧洲美国日本这些发达国家情况更加严重。在2012年,美国与脑卒中相关的开支就高达716亿美元,预测到2030年这个开支将会达到1840亿美元以上。所以说随着老龄化的发展,脑卒中相关的医疗开支会变得越来越高。

  • 脑卒中疾病的症状

脑卒中疾病的症状主要有三个:一是偏瘫,因为一般都是单侧的脑区受到损伤,所以中风病人大部分一侧的身体会有问题,比如说肌肉无力僵硬,肌张力过高,或者麻木、感觉能力下降等;二是语言能力,大部分病人语言、认知等都会受到一部分的损害;三是残疾,脑卒中也是造成成年人残疾的主要原因之一,它死亡率没有那么高,但是中风病人一般都会保留有残疾,是致残率非常高的疾病。

在这些症状里面,我们觉得步态障碍对人独立生活的能力影响是最大的。一个人如果失去了独立行走的能力就需要专门找人去看护,对家庭来说需要投入较大的看护费用。

对于脑卒中病人来说,这些障碍可以通过康复训练的方式得到改善,甚至恢复。因为大脑是具有可塑性的,通过重复性的大量的训练,大脑里面会形成新的神经回路,症状得到改善,这就是所说的康复训练。

  • 传统人工康复的弊端

一个病人需要好几个康复理疗师去辅助他,有时候需要理疗师把病人的整个身体给托起来,对理疗师来说体力消耗非常大,甚至某些姿势也会对理疗师造成损伤。

而且在我国康复理疗师的数量是严重不足的,根据我国中风病人的数量,我国需要40多万的康复理疗师,但是其实专业的从业人员只有两万左右,所以说这个缺口非常的大。

  • 机器辅助康复的必要性

我国康复产业不管是从人均康复理疗师的数量还是康复流程,都是相对来说落后的。而且在老百姓的认知中,康复也不是一个很必要的概念。在我国致残率高达75%,而在国外只有30%左右,因为他们有成熟的一套康复体系,一旦脱离危险马上进行康复,只有少部分人会有残疾。但是在我国,中风之后就回家一躺,一躺就再也起不来了。

所以说采用机器人来辅助人工进行康复是一个必然的趋势。而且在国外这种老龄化更严重、人力成本更高的地方,他们对机器人的需求也更加迫切。

机器人本身不知疲倦,非常适合高体力消耗、重复性的活动。而且机器人可以内置很多传感器,可以实时检测人体的状态,也可以做出评估,这样的话也不需要依赖康复理疗师的经验或者知识背景。而且康复机器人可以预先植入多样化的算法,可以实时根据人体的情况提供智能化的训练,达到更好的康复效果。

各种形态的康复机器人
不同形态的步态康复训练机器人

不同形态的步态康复训练机器人

a减重跑台系统:BWS(body weight support)是一个减重系统,可以帮人保持平衡并且分担一部分体重。底下还配置了一个跑台。它其实不能算是机器人,但是最早的步态康复器械就是这样,通过减重系统把人吊起来,在跑步机上或者平地做行走训练,很多康复机器人就是在此基础之上研发的。
瑞士Hocoma公司生产的Lokomat

瑞士Hocoma公司生产的Lokomat

广州一康

广州一康

b减重跑台外骨骼:在前面的基础之上就有了b形态,在腿上配上机器人外骨骼,对下肢的关节进行辅助。比如说上图是瑞士Hocoma公司生产的Lokomat,还有一个是国产广州一康的产品。这种设备一般单价都比较高,lokomat国内要卖500万以上,国产的也要接近300万,一般人很难负担得起,所以大多用在医院里。除了贵之外,还比较笨重,而且髋关节自由度比较少,会导致步态异常。

Gait Trainer

Lokohelp

踝关节机器人

Gait Trainer

c末端轨迹机器人:c类型和b不一样的地方就在于,它对下肢的引导不是通过下肢关节,而是通过抓住他的脚,即末端轨迹来实现的。上面这台叫Lokohelp,底下这台叫Gait Trainer。它通过减重系统把人吊起来,脚步固定机器人上,底下踏板会根据步态的轨迹做运动。但是这种机器人步态轨迹比较单一,只能用事先规划好的末端轨迹。
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踝关节机器人

d固定式机器人:人可以坐着或者是躺着做训练。这张图是一个踝关节机器人,大家可以看到脚踩在平台上面,然后通过底下的并联结构给踝关节提供多个自由度,人就可以坐着单独对脚踝进行训练。
vv

常州钱璟公司的Flexbot

这张图是常州钱璟公司出的Flexbot,可以使人躺着也可以把人竖起来,腿部可以通过外骨骼带动下肢进行步态康复训练,像这种系统有减重系统和外骨骼,但是底下是没有跑台的。
踝关节机器人

踝关节机器人

膝关节机器人

膝关节机器人

e单关节机器人:这里列举的机器人可以对下肢单关节提供助力,可以针对情况比较轻的病人,他们不需要整条腿的辅助。这种机器人必须重量得轻,电池续航也要很好。目前市面上有的几款大多都比较重,一个关节就要三公斤以上,重量完全承在人的腿部,对人会造成一定的负担,特别针对病人或者是老年人。
以色列的ReWalk

以色列的ReWalk

日本的HAL

日本的HAL

f可穿戴外骨骼机器人:我们公司做的机器人也是这个样子的。上面这台灰色的是以色列的ReWalk,白色的这个是日本的HAL,他们两个做得比较早,也比较成熟。

这种机器人体积比较紧凑,重量相对较轻。因为他有两条腿,总有一条腿是在地上的,所以机器人本身重量的一部分可以传到地面,人不需要负担整个机器人所有的重量。它不止可以用在中风病人的步态康复训练上,也可以给残疾人或者老年人做日常步态辅助用。
Andago

Andago

KineAssist

KineAssist

g减重系统加可移动平台:平地行走的训练比跑台训练的效果相对更好,这点已经得到验证了,所以说才会有这种形态的机器人。在A的基础之上把跑台取消了,然后用一个滑动的平台来帮助人做平地行走的训练。上面一个是Andago,另一个叫KineAssist。

h减重系统加可移动的平台加外骨骼:g系统还是会面临跟a一样的问题,就是中风病人下肢是没有力量的,没有办法走出很好的步态,下肢还是需要一定的助力。所以就有一些学校研究组就结合了减重系统、可移动的平台,并且还在腿上加关节加了外骨骼,即h系统。
新加坡南洋理工的机器人

新加坡南洋理工的机器人

上海交大的机器人

上海交大的机器人

比如这两张图是新加坡南洋理工和上海交大的机器人,但是这种系统整体来说太过复杂,机器人本身变得非常难以控制。目前市面上还没有这种形态的康复机器人产品出现,仅仅还存在于研究之中。

康复机器人的难点及探索

  • 运动意图的检测

这个问题主要于机器人控制相关,因为外骨骼机器人还可以用在残疾人或者老年人的辅助行走,在这种情况下人体运动意图的检测就会变得非常重要。这个人到底是想走还是想停?想站还是想坐?通过这些方式机器人和机器人协作完成这样复杂的任务。

比较直接的方法就是采用人体生理学的信号。比如肌电信号——肌肉用力的时候会产生电信号,机器人采到这个信号之后,跟人同一个方向做出输出就可以了。这个技术有一些本身的问题经过了十多年也还没有很好的解决。比如人和人之间的信号会有差异,而且皮肤出汗或者干燥采到的信号是不一样的,肌肉疲劳了测得的信号也会不一样,所以说用肌电信号还没有办法做到很稳定精确的机器人控制。

再比如脑电信号——在大脑皮层采集电信号,通过解析可以很直接的获取人想要运动的意图。但是这个信号也会有比较大的问题。首先设备一般都比较贵,实验室里边64通道的EEG的采集设备都要一百多万以上,想要做成产品化会是一个很大的挑战。而且脑电信号非常的嘈杂,频道也非常多,想从这些嘈杂的信号里面得到需要的意图是很难得。而且下肢的运动意图,因为埋在脑区相对比较深的地方,所以如果仅仅是采大脑皮层的信号的话,难度比较大。

第三,机器人信号——通过MU检测人体的姿态或者重心等等。人走路会有一些预动作,比如迈左腿重心就会往右移。通过检测重心的变化可以识别一部分人的意图,或者通过多个角度的传感器融合也可以得到一些想要的信息。

  • 机器人康复策略

如果只是紧紧抓住人的腿去跟踪步态轨迹,这种被动训练是没有任何效果的,甚至还会起到反作用,这一点学术界已经证明了。理疗师可以根据经验来给病人施加助力,机器人也应该跟人类一样根据需要施加助力。 

理想的康复策略是像人类理疗师一样让病人主动去走,走不好的话,机器人可以得知他需要多少力并且要给他提供多少力,用这种方式才能达到最好的康复训练效果,所以在康复训练里边,激发人训练主动的意图这点是非常重要的。

在康复训练里边有一些工具可以使用,比如视觉的刺激,通过VR游戏,来增加训练的趣味性。比如在左边放个金币刺激人去往左转,这种方式可以起到一定的效果。听觉引导也是可以的,目的就是为了激发人体主动训练的意图。

  • 人机交互

工业机器人已经应用了非常多年了,但是工业机器人一直没有进入人们的生活之中,甚至在工厂里都是关在笼子里面的,大家都不能靠近他,因为可能会对人体造成伤害。但是康复机器人这种领域,机器人和人体是直接连在一起的,同时还要完成复杂的任务,在种情况下安全性就变得至关重要。

传统工业机械臂采用的都是刚性驱动的方式,但是因为其本身钢度高,惯性大,做力控制时就会有一定的难度,需要用复杂的算法去保证稳定性,而且这个系统的带宽也比较小,导致训练的速度会比较慢。

我们的解决办法就是:机器人上采用柔性驱动器,在刚性驱动器的基础之上增加一些柔性的传动元件。这样就可以增加机器人本身内在的柔性,也可以在不需要力和力矩传感器的情况下实现力反馈,提供精确稳定的力控制。柔性驱动器其实可以适用于非常多的应用场景,只要机器人涉及到和人物体交互的情况都可以使用。

迈步机器公司介绍

我们公司叫深圳市迈步机器人科技有限公司,2016年9月成立,是一家专注于开发医疗康复机器人和人机交互技术的公司。我们公司在今年4月份完成了天使轮融资,由联想创投集团领投。

我本科毕业于上海交通大学机械工程及自动化系,后来在新加坡国立大学生物医学工程读的博士,博士的课题就是康复外骨骼机器人,以及柔性驱动器人机交互方面,后来还做过一段时间的博士后,博士后研究的课题是脑控康复机器人等。我们团队的CTO叶晶博士是日本早稻田大学的博士,后来在新加坡国立大学做博士后。那时候我们是一个实验室的,他研究的课题也在步态康复机器人领域,他的导师非常出名——藤江正克老师,在日本相当于是这个领域的开山鼻祖。

上图是我们的外骨骼机器人产品,它属于二类的医疗器械,主要用在医院里面给中风病人做步态康复训练,我们的客户主要是医院和康复中心等。

这个机器人的尺寸是可以调节的,身高1.5米到1.9米之间,体重不超过85公斤的病人都可以使用,它本身的重量在20公斤以下。

跟目前现有的外骨骼机器人不同,我们机器人有六个关节,包括双侧的髋、膝、踝关节。我们的机器人采用了柔性驱动器作为输出,这样在力控制的时候,稳定性和精度会变得非常高,特别适合在人机交互的场景里面使用。

我们机器人上装了非常多的传感器,可以实时检测人体的运动状态。而且通过一些人工智能的算法,我们可以预测人体的意图,比如想走得快一点还是慢一点,包括他想迈左腿还是右腿以及想走想停这些,这些信息会用于控制机器人。

目前我们的产品已经完成了第三代的样机,再过一个月左右,我们的产品就出来了,就会变成大家在这张图中所看到的样子——一个很漂亮的外骨骼机器人。

钛坦白群友互动:

1、听您刚才介绍,我感觉对步态康复机器人来说非常重要的就是运动意图感知。您刚才也说了这方面存在很多困难。我想更多地了解这方面的信息,还有迈步机器人采用的是哪种方法?

陈功:从应用的角度来说,要实现人对机器人的控制其实也不难,最简单的比如说通过按纽方式,选择机器人的模式或者是速度之类的要求。

但我们是希望机器人能做到比较智能,可以在不需要人额外操作的情况下机器人就可以对人进行辅助康复训练。我们会首先让人主动去行走,在前面几步里机器人给比较小的助力,然后机器人会检测人体的运动状态,把轨迹记录下来和正常人的步态轨迹进行对比,以此找到步态的异常,再决定机器人助力的等级,通过这种方式就可以达到智能训练的效果。

2、刚才说到价格,我觉得这个痛点非常痛,几百万的价格一般家庭无法负担得起,迈步机器人会是家用的,还是医院用的?

陈功:我们现在做的这款机器人主要是在医院里边用的。价格现在还没有确定,因为市面上还没有类似的产品,也没有办法对比,但最后的价格肯定会比国外的产品便宜,可能会在30到50万之间吧。如果要进入家庭的个人版那种,这个价格肯定还是太高了,希望以后可以控制在10万以内。

3、毕竟每个患者情况不同,请问步态康复机器人怎么实现的适应不同患者的需要?

陈功:对于不同的病人,身高体重这种都是可以满足的,机器人的尺寸是可以调节的。患者之间的差异主要还是体现在步态异常上,所以我们的机器人会采集分析病人的步态特征并据此决定助力情况。

当然也不是所有的病人都可以使用外骨骼机器人设备。首先患者还是得具有一定的行动能力,至少是自己可以保持平衡,如果他连平衡都没有办法保持,比如说无力的或者是僵硬那种情况的话,可能就不适合用我们这个机器人了。

4、请问陈总,能不能透露下迈步机器人的技术壁垒主要在哪里?

陈功:我们的技术特点主要集中在柔性驱动器。目前市面上现存的包括美国、日本的机器人都是采用的刚性驱动器,就是说电机通过减数据直接带动负载。我们柔性驱动器中间会有一些弹性的元件,在人机交互的时候,安全性就可以得到极大的提升,而且力控制的稳定性和精确性也是比较高的。

我们也有与柔性驱动器相匹配的控制算法,会更加的安全、舒适,这也涉及到我最后提到那点康复策略那块,因为人走路的时候,在康复训练之中需要的其实是一个力的辅助,而不必要过于强调轨迹的精确性。通过柔性驱动器,我们就可以提供所需要的力。

5、请问迈步机器人有走到获得各种许可证的阶段吗?已经有哪些进展了呢?

陈功:目前我们的产品大概还需要一个月左右的时间完成,接下来还需要去做送检,做临床才可以拿认证。保守估计,到2018年底左右我们的产品可以拿到许可证上市销售,所以说中间还有一段过程。

6、政策方面有什么限制或利好吗?

陈功:政策方面,国家整体还是很支持的。一方面我们这个是智能机器人,而且还是和医疗健康交叉的领域,这两个领域都是国家重点支持的。不管是国家还是地方政府都大力支持我们这个事业的。

限制的话其实谈不上,但是医疗器械本身审批是比较严格的,而且像外骨骼机器人因为市面上目前还没有这样的分类,包括标准之类的前例都还没有,这可能也会加大审批的难度,所以说我们要做的工作也非常多。

7、请问陈总,为什么是步态康复,不是手指、手臂这种部位?

陈功:对中风病人来说,手部的康复,包括手指手臂都是有需要的。中风病人一般是偏瘫,所以说不只是下肢,上肢也是需要的,但是上肢相对来说比较容易一些,因为人可以坐着康复,不会有一个平衡的问题。而且上肢的力量比下肢的要小一些,所以对理疗师来说这种体力消耗比下肢康复要小很多,机器人的性能要求也低一些。

从机器人的角度来说,步态康复算是难度最大的了,因为一方面要把整个人体托起来,还要做复杂的行走运动,同时还要保持平衡,所以说步态康复机器人相比上肢的领域难度会大很多,而且在市面上,上肢康复的不管是器械还是机器人,产品都已经有了。

8、请问通过步态训练,恢复大脑的一些功能,这其中的机理是什么啊?

陈功:这是基于大脑的可塑性。大脑里面的结构,包括突触、神经回路,这些是会变化的。比如说打篮球,我们一开始不会,但是通过训练就慢慢的会了,因为在大脑里面会形成新的突触和神经回路。

对于中风病人来说,他们有一部分脑组织受到了损伤,大脑内某一区域受到损伤之后可能一些功能就损伤了,但是通过康复训练,健康的脑组织会形成新的神经回路,这些功能就可以得到改善。(本文独家首发钛媒体,根据迈步机器人创始人、CEO陈功在钛坦白上的分享整理)

【钛客介绍:陈功博士毕业于新加坡国立大学,博士后研究内容包括步态康复外骨骼机器人的设计及控制、人机交互控制、脑控机器人等。在国际顶级期刊和会议发表论文近三十篇。获深圳市孔雀计划人才认定。】

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佳音
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钛媒体资深运营编辑、微信社群运营总监,jiayinge@tmtpost.com。个人微信公号“空谷低语”

评论(2

  •  LBZ600  LBZ600 2017-09-15 12:54 via android

    用机器人来辅助康复病人之举,不但是科技进步的体现,也是行善积德的行为,我用双手点赞。

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  • 锅包肉 锅包肉 2017-09-15 10:27 via pc

    陈总讲得很好,作者整理的也很有条理,不知道这种机器人能不能用来给普通人调整错误走路姿势呢...

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Oh! no

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