（一）背景及目标

1.刚性助力系统：康复机器人的设计与发展

康复机器人是一个相对年轻和快速发展的领域，日益渗透到临床。在20世纪80年代末和90年代初，由于一些开拓性技术的发展，人们发现在中枢神经系统损伤的动物模型中，机器人辅助训练可促进感觉及运动功能恢复，其主要是通过增加治疗强度和控制适应性来增强功能性训练的效果。而使用机器进行康复的想法可以追溯到更早的时候。1910年，Büdingen T提出了由电动机驱动运动治疗仪，用于指导和辅助心脏病患者行走。20世纪30年代，Scherb R发明了一种由缆索驱动使关节被动活动的设备。目前，这种人工驱动的机械治疗机已经支持多种交互模式，从被动到主动辅助和主动抗阻运动。第一个康复机器人系统是基于连续被动运动（CPM）概念设计的，这是一种固定的交互模式，机器人沿着预设的轨迹使关节进行被动活动。

用于治疗脊髓损伤患者的第一个动力外骨骼系统是在20世纪70年代出现的。该系统采用气动、液压或电磁（通过凸轮和Bowden电缆）制动器进行位置控制。它们可以通过驱动踝关节屈曲/伸展、髋关节内收/外展来增加运动过程中外骨骼支架的稳定性。第一个用于辅助治疗脑卒中患者的机器人系统是一个不灵活的机械手，没有与患者直接接触，而是通过触摸移动垫的不同位置完成训练。

随着MIT-MANUS的发展，1989年神经康复机器人的新时代就此展开。神经康复机器人在1994年首次进行临床试验，与不灵活的机械手相比，平面操作系统具有低机械阻抗的特点（在人类用户和机器人系统之间的界面感知到的频率相关的运动阻力），并可减少上肢的重力负荷，从而适用于严重的功能损伤。几年后，研究者又推出了双手参与的抓握、上举力控装置。这种新一代的设备，使用力矩控制的直接驱动，具有更高级的交互控制，可完成严重损伤患者的被动运动、中等损伤患者的主动辅助和主动抗阻运动等，并且可根据患者情况自动调节模式。镜像运动驱动器（MIME）由健侧肢体控制运动数字仪（镜像治疗模式）来帮助患侧肢体进行被动及主动辅助活动。下肢康复机器人的研发始于1994年，Lokomat将减重的跑步训练（BWSTT）与机器人步态矫形器相结合。步态训练器是基于这个原理设计实现的。在之后的几十年里，出现了大量新型的上肢康复机器人和下肢康复机器人，这些机器人可以分为外骨骼机器人、机械辅助设备和可穿戴设备。(https://www.daowen.com)

2.柔性助力系统：可穿戴设备的出现

（1）可穿戴设备产生的必要性。康复机器人应始终提供有针对性的物理支持作用，适应患者的功能障碍，并有辅助活动功能，这对此类系统的设计、仪表和控制有很强的要求，应该依据患者的实际状态和要执行的任务调整输出阻抗和物理支持，而不会因其表观动力学改变运动模式。患者在不同恢复阶段需要不同的康复设备，最优选择是能适应康复运动复杂性和能根据患者功能状态及康复需求提供物理支持的设备。为了应对这一挑战，康复机器人系统的设计应考虑运动过程中关节活动的相关性（如髋关节在运动中的作用大于膝关节和踝关节）及其恢复潜力（例如单个手指运动的有限恢复）。目前，在康复工程和康复医学科学的领域有着许多令人兴奋的进展。材料科学的进步将使更轻、更个性化的结构和更紧密集成的驱动和传感成为可能。此外，为了提高患者日常生活活动的独立性，机器人技术与非侵入性和侵入性脑机接口或神经修复术的结合越来越受到关注。这些方法还处于早期研究阶段，仍然面临着许多挑战。然而，即使是将神经可塑性作用发挥到最大，也不能完全恢复患者的功能。因此，该领域应该关注可穿戴设备，其不仅可以进行康复治疗，还可以作为辅助设备，补充患者持续存在的运动、感觉功能缺损。先进的驱动、传感和控制方法将使这些在日常活动中更加实用，并适用于临床和家庭。在未来，可穿戴设备可提供持续的治疗及辅助功能，直到患者恢复到稳定状态，并且为长期存在的功能缺损提供康复帮助。

（2）可穿戴设备的定义及应用。可穿戴设备即可穿戴式计算机（Wearable Computer），它是可以穿戴在身体或服装上并能发送和传输数据或者消息的计算机设备，它综合运用了各种类型的识别技术、传感技术、数据连接以及对数据处理的云计算技术等，能让穿戴者进行信息娱乐、社交分享，并能对穿戴者的个人身体状况进行监测。加拿大研究人员Mann S是早期的可穿戴设备的发明者之一。他认为这类设备可单纯由穿戴者控制，穿戴者能够利用这种可穿戴设备进行沟通交流，并对相关的数据进行科学的计算。可穿戴设备将智能化、数字化以及移动化相结合，外形小巧、方便、易携带，并且具有很强的信息交互性，能够给穿戴者提供更为快速便捷的信息沟通以及全新的交互体验。

可穿戴设备是不同领域的热门话题，如医疗保健和活动识别、体育、教育、工业、人机交互等领域。可穿戴设备的发展在很大程度上推动了可穿戴用户消费的快速增长。智能手机和移动设备的大规模普及使得数据采集传感器和其他处理和存储组件的小型化成为可能，这样，当人们执行任务时，计算机可以嵌入衣服和其他非侵入性的位置，监测个人如何工作以及工作如何影响他们，可以更有效地优化、量化和跟踪。更先进的可穿戴电子传感器的应用范围从检测生物力学运动、触觉到人体生理反应，如模拟人体感觉神经系统功能的生物激发传感器。这些先进的可穿戴电子传感器可帮助捕获精确的人体反应，并可应用于多个方面，如临床、康复、运动等。