發(fā)布日期：2019-12-10
衰老和殘疾會(huì)導(dǎo)致步態(tài)變化及平衡能力下降，這是人的自主活動(dòng)能力減弱的主要原因。維持獨(dú)立行動(dòng)能力是人們面對衰老和傷殘時(shí)的共同目標(biāo)。使用助行器可擴(kuò)大行走時(shí)的支撐基面，使身體重心在更大范圍內(nèi)活動(dòng)，對下肢功能的鍛煉、康復(fù)也有一定的輔助作用，適用于因疾病而下肢行動(dòng)不便者和下肢肌力較弱的老年人。隨著社會(huì)老齡化進(jìn)程加快，未來幾十年內(nèi)，我國助行器使用量將大幅增加。
種類多樣
根據(jù)GB/T 14730-2008《助行器具 分類和術(shù)語》，助行器具（assistive pr oducts f or wal king）是輔助使用者行走的支撐器具，分為雙臂操作助行器具和單臂操作助行器具。考慮到操作力源，助行器還可分為無動(dòng)力助行器、動(dòng)力式助行器和功能性電刺激助行器。
無動(dòng)力助行器
無動(dòng)力助行器通常是將下肢負(fù)重轉(zhuǎn)移到上肢來進(jìn)行步態(tài)輔助，它能增加人體的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡能力，提供身體支撐。雙臂操作助行器具和單臂操作助行器具都屬于無動(dòng)力助行器。
動(dòng)力式助行器
過去幾十年間，一些研究人員開發(fā)出了智能輪椅、拐杖和步行器，整合了機(jī)器人技術(shù)、電子技術(shù)和機(jī)械技術(shù)的新型助行器出現(xiàn)，它們被稱為“智能步行者（smar t wal ker s）”。以上新技術(shù)的整合改進(jìn)創(chuàng)新了助行器的身體支撐、感知及意圖識別等功能，使助行器能更好地適應(yīng)用戶的個(gè)人需要。從廣泛意義上講，智能助行器主要是利用科技手段，針對不同環(huán)境、情形下的助行需求，通過實(shí)現(xiàn)不同的功能對使用者給予不同的助行援助。
增加電刺激功能的助行器
這種助行器在設(shè)計(jì)中加入功能性電刺激（Funct ional El ect r ic St imul ation，F(xiàn)ES），為中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷所致癱瘓肌肉類型等的運(yùn)動(dòng)功能重建及鍛煉提供了有效手段。增加電刺激功能的助行器對三癱（偏癱、截癱和腦癱）病人具有一定的治療效果，在助行方面主要可增強(qiáng)肌力，糾正足下垂和異常步態(tài)。
智能化控制
智能助行器的感知系統(tǒng)
智能助行器的感知系統(tǒng)分為基于視覺信息的感知系統(tǒng)、基于運(yùn)動(dòng)信號的感知系統(tǒng)和基于生理電信號的感知系統(tǒng)。
有視力障礙的使用者無法通過自身視覺來獲取周圍環(huán)境的信息，這對其正常行走帶來極大不便。對他們而言，智能助行器上基于視覺信息的感知系統(tǒng)至關(guān)重要。智能助行器可通過其附載的視覺傳感器獲取環(huán)境信息，識別并判斷行走環(huán)境中的障礙物，從而規(guī)劃出正確的運(yùn)動(dòng)路徑，引導(dǎo)使用者行走。
基于運(yùn)動(dòng)信號的感知主要通過檢測使用者肢體及助行器的運(yùn)動(dòng)角度、速度、位置、力等信號，判斷使用者及助行器的運(yùn)動(dòng)趨勢和狀態(tài)。位移傳感器、慣性測量單元、加速度計(jì)等傳感器可檢測位置、角度、加速度等運(yùn)動(dòng)信號。當(dāng)使用者發(fā)出不同動(dòng)作時(shí)，其身上裝備的可穿戴傳感器會(huì)發(fā)生相應(yīng)的物理量變化，檢測變量也隨之改變，從而獲得使用者當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。
基于生理電信號的感知通過各種侵入式和非侵入式的生理電信號采集裝置（如MEMS微針陣列干電極等設(shè)備），采集使用者的生理電信號。
智能助行器的交互系統(tǒng)
在使用者使用智能助行器的過程中，智能助行器與使用者之間以一定的交互方式，通過接口，為完成助行功能而進(jìn)行信息交換。在人機(jī)交互方式中，觸覺/力交互、語音交互、手勢交互和基于生理電信號的交互等較常見。
在觸覺/力交互中，使用者在意圖方向上產(chǎn)生力意圖，系統(tǒng)感知到人的期望力強(qiáng)度和期望力方向，對人的意圖進(jìn)行建模，從而獲取使用者的運(yùn)動(dòng)意圖，使助行器作出相應(yīng)反應(yīng)。
在語音交互中，使用者可通過語音方式對助行器發(fā)出命令，助行器也能通過振動(dòng)提示或語音回復(fù)將狀態(tài)反饋給使用者，適合視覺障礙人群使用。
基于生理電信號的交互方式一般用于肢體末端缺失或力量不足以表達(dá)運(yùn)動(dòng)意圖，以及使用者完全喪失行動(dòng)能力的情況，也常用于智能輪椅、智能假肢、可穿戴外骨骼等其他智能助行設(shè)備。
智能助行器的控制系統(tǒng)
當(dāng)前，在智能助行器的控制方法研究中，大多是基于感知系統(tǒng)獲取的運(yùn)動(dòng)意圖來對機(jī)器人進(jìn)行位置控制、力控制、力/位混合控制，以及基于生理電信號的控制。
在位置控制方法中，通過感知系統(tǒng)獲取的運(yùn)動(dòng)意圖信號或依據(jù)活動(dòng)要求設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過控制助行器的實(shí)際位置與期望的運(yùn)動(dòng)位置間的誤差，并使之不斷收斂，使助行器能支撐使用者在預(yù)期的活動(dòng)方向上運(yùn)動(dòng)。
在力控制方法中，相關(guān)研究提出了基于全向式助行拐杖機(jī)器人輔助使用者進(jìn)行行走的動(dòng)態(tài)意圖導(dǎo)納模型，以及在線意圖提取估計(jì)算法，以保證助行機(jī)器人能夠基于力意圖，按照使用者的意愿進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制。其通過提取使用者的手掌、前臂與機(jī)器人的交互力，準(zhǔn)確判斷使用者的行走意圖和起坐意圖，輔助使用者進(jìn)行起、坐姿態(tài)轉(zhuǎn)換和行走。
在力/位混合控制中，一般依賴于期望位置與實(shí)際位置的偏差以及期望交互力與實(shí)際交互力的偏差，對智能助行器進(jìn)行控制，使智能助行器在滿足助行器運(yùn)動(dòng)位置和人機(jī)交互力符合預(yù)期的條件下，輔助使用者行走。
人性化設(shè)計(jì)
人機(jī)工程學(xué)的基礎(chǔ)研究對象是人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)，運(yùn)用生理學(xué)、心理學(xué)和有關(guān)學(xué)科的知識，根據(jù)人與機(jī)器的條件和特點(diǎn)，合理分配人與機(jī)器承擔(dān)的操作職能，并使之相互適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)人—機(jī)—環(huán)境的最佳匹配和最優(yōu)化。
設(shè)計(jì)助行器要從老年人、殘疾人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)生理特性出發(fā)，充分考慮以上人群的心理特點(diǎn)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理和準(zhǔn)則來完成。助行器產(chǎn)品設(shè)計(jì)需滿足以下三個(gè)原則。
安全性原則
助行器的設(shè)計(jì)應(yīng)注重整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增加產(chǎn)品的易用性，且應(yīng)注意產(chǎn)品使用和操作方法的清晰、簡潔，避免因操作復(fù)雜而引起一系列安全問題。在助行器的使用過程中，應(yīng)通過控制策略實(shí)時(shí)監(jiān)測使用者和助行器的異常狀態(tài)，并及時(shí)反應(yīng)，保障使用者的安全。
可調(diào)節(jié)性原則
助行器使用者年齡跨度大，身體素質(zhì)不一，生活環(huán)境不同，針對這一情況，可通過統(tǒng)計(jì)、測試得出人體各部位結(jié)構(gòu)的尺度參數(shù)范圍，并結(jié)合老年人的身體退化規(guī)律進(jìn)行對比分析，以增強(qiáng)產(chǎn)品的可調(diào)節(jié)性，使其適用于更多的人群。
標(biāo)準(zhǔn)化原則
如今，我國助行器行業(yè)處于發(fā)展初期，存在產(chǎn)品單一、設(shè)計(jì)不夠人性化等問題。為使老年人、殘疾人能夠更好地使用和維護(hù)助行設(shè)備，我們應(yīng)加快助行器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化工作，盡早解決組件更換難等問題，并推動(dòng)助行器和使用環(huán)境的進(jìn)一步融合。
研究有待深入
目前，關(guān)于何種失能狀況人群應(yīng)使用助行器，我國缺乏系統(tǒng)的研究及相應(yīng)的規(guī)范、指南。同時(shí)，有關(guān)助行器對人體運(yùn)動(dòng)生理系統(tǒng)所造成影響的研究還不夠深入，對助行器重量、安全性、價(jià)格等方面的研究也存在不足。
未來，助行器的發(fā)展應(yīng)以價(jià)格適宜、易用、安全為目標(biāo)，并結(jié)合智能技術(shù)、新傳感技術(shù)、控制技術(shù)和電機(jī)技術(shù)等，使用輕質(zhì)、高強(qiáng)度的新材料，基于生物力學(xué)、人機(jī)工效學(xué)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
科技的發(fā)展給助行器行業(yè)帶來新機(jī)遇，使得將機(jī)器人、傳感器以及電路集成到此類設(shè)備上成為可能。目前，我們需要基于現(xiàn)有技術(shù)研發(fā)新式助行器，并且應(yīng)更加注重人機(jī)交互、智能化及功能的擴(kuò)展性。
智能助行器的推廣和應(yīng)用有望調(diào)和傳統(tǒng)助行器功能單一性與使用者需求多樣性間的矛盾，可減少使用者在行走時(shí)的能量消耗，幫助其更輕松、自由地行走，以達(dá)到提高使用者生活質(zhì)量，并帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目的。
（摘編自王寶亭、耿鴻武主編的《中國醫(yī)療器械行業(yè)發(fā)展報(bào)告（2019）》）
來源：中國醫(yī)藥報(bào)
