为了恢复运动功能，必须进行高强度、重复性和任务导向性康复训练，在过去的几十年间，为了满足这种日益增长的需求，人们把目光转向了康复机器人，并在该领域内进行了数个研究。但是，至今为止，针对上肢的康复机器人研究一般关注的患者群体大多为脑卒中幸存者，而对骨关节疾病中肩关节康复训练的关注略显不足。
来自于意大利Cervesi医院的Sicuri等为了理解目前康复机器人在神经系统疾病和骨关节系统疾病所导致的肩关节运动障碍中应用的适应症，以及上肢康复机器人在未来的应用前景，他们撰写了文章并发表在《Muscles Ligaments Tendons J》 2014年的期刊上。
肩关节康复机器人
在康复领域中，评价运动功能及其变化的量表都是半定量的，因此无法进行定量可靠的评价，也无法评价患者的残疾程度、残存的运动功能和治疗的有效性。康复机器人则能进行定量评估，如运动的速度、运动的准确性和运动耐力。
在本文中，Sicuri等描述了用于肩关节康复的现代机器人系统，也总结了机器人治疗的适应症，从而探讨上肢机器人在改善患者肩关节功能上所起到的作用。
1. 肩关节的生物力学
在神经康复技术的进展过程中，躯干稳定性被视为在日常功能性活动的基础，它影响着平衡功能，起到不同运动间的协调作用，因此，即使在治疗因骨关节疾病所导致的肩关节功能障碍时，也不能忽视躯干稳定性这一先决条件。由于躯干肌肉运动的协同性，应该通过适当的康复技术来增强神经控制，从而调节躯干肌肉的力量，以达到维持躯干稳定的目的。
肩关节和肘关节在上肢功能恢复中所起的作用也是至关重要的，因为如果没有近端控制的话，那么手功能就无从谈及。有研究发现，在抓握、够物或其他运动中（扔球或接球），肩关节、肘关节和手的运动轨迹是紧密结合的。
不同的任务和运动场景也影响到肩、肘和手的运动轨迹，如在不同的位置和/或不同的方向时，够物和抓握的运动轨迹就可能存在不同。Soma等认为通过应用EMG和加速度传感器来记录肩关节周围肌肉的活动，就能实时分辨不同的抓握动作和上臂运动的方向。
所以当我们在制定肩部复合体和上肢的康复计划时，如果不考虑躯干和肩关节的生物力学要素，那么所制定的方案很可能是徒劳的，当我们的目的是研发用于上肢的新型的机器人系统时，将上肢的生物力学纳入考虑范围更是必须的。
肩部复合体包括盂肱关节和肩胛带，而肩胛带又包括胸锁关节、肩锁关节和肩胛骨-胸廓关节。这三个关节的运动会改变盂肱关节的中心，使其成为一个封闭的运动链，在这个运动链中这些关节无法独立活动。因此，目前针对肩复合体的物理治疗是通过移动肱骨来诱导肩胛带运动的。
一般而言，肩关节指的是盂肱关节，它有三个自由度（DOFs）。肩胛带的主要运动方向是垂直运动和侧方运动，可以通过描述这两个方向上肩关节的活动情况来反应肩关节的活动效果。此外，肱骨运动与肩胛骨运动相联系，这就是所谓的肩肱节律（CGH），即随肱骨在不同平面的抬高而发生变化，也随肩关节内旋或外旋的角度不同而发生变化。
因此，在那些因骨关节系统疾病或神经系统疾病而无法自主活动肩关节的患者中，机器人辅助训练是一个可供选择的康复治疗方案。但是这一类患者通常会通过躯干的移动来代偿肩关节丧失的活动范围，而这一代偿活动则会影响到康复治疗的效果。因此，在训练过程中，应该固定患者的躯干，从而限制代偿活动的发生，以及增加肩胛带的应用。
完全模拟人类上肢的机器人系统有6个DOFs，简述如下：肩胛带的抬高/降低、肩胛带的前伸/回缩、肩胛带的屈曲和伸展、肩胛带的外展和内收、肩胛带的内旋/外旋，以及肘关节的屈曲和伸展。在理解了肩关节的生物力学之后，让我们把目光转向在肩关节康复中的机器人分类。
2. 肩关节康复机器人的分类
如果在康复治疗过程中，需要精确的调节个体化康复方案，改善患者残存的运动功能，或者需要定量评估治疗后的疗效以及监测训练过程中的变化时，可以选择康复机器人治疗。
机器人系统一般由下述8个组分组成，即具有和需要执行的任务自由度一致的机械结构、具有控制关节的执行器（电动或气动）、可以提供机器功能状态和与环境交互信息的本体感受器和外感受器、需要执行的任务序列，并在电脑系统中有详细的信息、需要一台电脑产生信号来控制机器人关节、处理来自于感受器的信号，以及操控运动控制器，以及人/机交互，接受来自用户（治疗师/患者）的信息/指令，并提供在线反馈。
机器人能根据患者残存的运动功能对运动速度进行个体化的校准，从而代偿患者不足的力量或运动控制，并且能让患者感受到功能的改善。在这一过程中，需要一系列的感觉、运动和认知信息的输入，如患者对自发运动的主观控制、表面躯体感觉输入、与本体感觉相关的静态和动态信息、相关的视觉信息（如虚拟现实）。
根据控制策略的不同，机器人辅助患者运动的模式包括被动、主动、主动-助动和抗阻运动。被动指的是机器人带动患者上臂运动；主动指的是患者自行完成运动，机器人不提供帮助；主动-助动指的是首先由患者尝试助动运动，根据患者的情况再决定是否需要机器人提供辅助运动，因此适用于患者能完成一定肢体运动但无法充分完成的情况；抗阻运动指的是患者需要对抗来自于机器人的阻力完成运动。
根据机器人的机械特征的不同，至少能分成三大类：外骨骼支架、终末感受器（也被称为“操作器”或“机械手”）和电缆驱动。
2.1 外骨骼支架
为了尽可能的覆盖整个上肢的关节活动度，外骨骼假肢和康复装置一般的设计都是使机械关节和人类肢体关节相匹配和吻合。它们和肢体的每个节段相连接，能独立的控制关节大部分的DOFs，这一特征使外骨骼支架的治疗作用远远优于终末效应器式的机器人。但是它的主要的不足在于难以真实的复制关节复合体的DOFs，以及难以精确的和患者的关节保持一致。
在机器人的设计上和上肢康复相适应，即适应和代偿肩关节产生的移位，从而预防由于关节轴不吻合所造成的肩关节内的应力的出现。
当人类和机器人DOFs无法精确匹配时，机器人就会在关节连接处产生不适当的力。这不仅会对患者造成损伤，也会造成关节疼痛和长期损伤。
现有的外骨骼支架的种类很多，每一类所具有的DOFs不同，实现DOFs所应用的技术也不同。例如，机器人CADEN-7和L-EXOS在肩胛带上不具有任何DOFs，但是它们对躯干的DOFs有作用。机器人Armin III和Intelli Arm在上臂抬高的同时能产生垂直的DOF，但水平的DOF没有纳入考虑范围（图 1和2）
图 1 Armeo Power: 基于ARMin技术的外骨骼支架 (授权转载Hocoma, Swiss Federal Institute of Technology, Zurich - Switzerland)
图 2 Armeo Spring: 装有弹簧的集成外骨骼支架(授权转载Hocoma, Swiss Federal Institute of Technology, Zurich -Switzerland)
MEDARM是最先进的外骨骼支架，因为它在肩胛带抬高/降低和前伸/后缩上有两个自由度。然而，由于该系统所作出的假设是在胸骨-锁骨关节的CGH轨迹为圆形，因此可能会出现不匹配的情况。
其他的外骨骼支架则试图采用一个多关节结构（主要工作原理包括在关节的两端仅施加运动所需要的力）来克服机器关节和患者关节不吻合的问题。然而，这一机器人还没有在患者中进行测试，目前已知的是其所达到的幅度要低于健康人的活动范围。
即使是最先进的外骨骼支架，虽然能覆盖肩关节所有的DOFs，但是仍然需要在治疗之前，根据患者的情况对机器人进行调整，来确保机械关节和生物关节的吻合。这一调节的过程会影响机器人的治疗效果，因此不能忽视该过程。外骨骼支架的其他缺点包括自身重量较重，不能轻易移动，并且价格昂贵，在治疗过程中有可能造成患者骨折。
2.2 终末效应器机器人
终末效应器机器人限制了患者/机器之间的交互，它们仅在一个点和患者接触，一般是在前臂或手部。它们不需要根据患者的体型进行调整，但是很明显它们无法控制上肢所有的DOFs，尤其是在肩关节和肩胛带处。
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，用于神经康复治疗，但是只能促使患者在水平平面内完成够物运动。GENTLE也是一个终末效应器机器人，它通过一个3 DOFs的球形关节与前臂远端相连接，并凭借一个腕部假肢来保持前臂在空间内的位置。MIME（镜像运动增强器）则是一个包含6 DOFs的机器人结构，通过托板与前臂相连。
2.3 电缆驱动机器人
电缆驱动机器人是依靠电缆或电缆驱动的操纵臂来支持和操控患者的前臂。它是将电缆和终末效应器相结合，并通过外部连接装置固定，通过改变电缆的长度可以移动终末效应器。
这一类机器人易于运输，成本较低，维护较简易，这些都有利于商业推广。它们主要的缺点仅能向一个方向驱动肢体，即只能拉而不能推。与人类关节相比，这类系统仅具有一个简易的3 DOFs的机械球形关节，因此无法控制肩关节和肩胛带。
已经有数个基于电缆的康复机器人问世，包括MACARM、NeReBot和MariBot。它们的工作原理极为简单，一旦患者的前臂固定在夹板或假肢上，机器就通过推动电缆对上肢产生刺激。
可以根据事先设定的三维轨迹移动患者的前臂（或与患者的前臂相互作用），与此同时，也允许患者进行自发的移动。患者并不会感到机器人限制了他们的活动，这也将运动中可能存在的惯性降到了最低。（图3）
图 3 Armeo Boom: 一个简易的电缆驱动的装置用于门诊患者和家庭治疗(授权转载Hocoma, Swiss Federal Institute of Technology, Zurich - Switzerland)
机器人康复和其他技术
肩关节机器人能测量运动速度、运动方向，以及评估患者残存的力量，也能评估患者的运动能力，在某项特定的运动任务中，根据事先设定的轨迹辅助患者运动肢体，但是需要注意到的是康复机器人无法提供单一肌肉收缩的信息，也无法控制肩关节出现的代偿活动。
目前越来越多的研究者将目光转向了康复机器人联合功能性电刺激（FES）的治疗方式，这两种治疗方案联合能增强每一种治疗所带来的获益，也能扩大其适应症。虽然由FES所诱发的肌肉活动不同于自发肌肉收缩时的正常运动单位的募集，但是在康复训练中FES也能有效的改善肌肉力量。
通过准确的刺激目标肌肉， FES也能限制“习得性误用”的问题，习得性误用阻碍患者运动功能和本体感觉恢复的主要障碍。需要注意的是，目前FES和康复机器人仍然是两个独立的系统，并没有在系统水平进行合成。
本体感觉的存在是康复治疗获益的基础，康复机器人不仅仅是一个提供被动运动的机器，而是一个能够帮助患者将力和运动相整合的训练工具。鉴于此，运动康复不仅局限于机器或肌肉层面，也受到运动-认知的影响，如患者的运动学习能力就影响着其运动功能的恢复。
例如，当患者在虚拟现实（VR）环境下进行训练的时候，可以监控他们的运动，并试图模拟最佳的运动模式（在虚拟场景是所显示）。在训练过程中，VR能保持患者的注意，提起他们对治疗的兴趣，可见，通过增强环境的丰富性可以保持患者的注意力，促进患者对训练的兴趣。
另一个与机器人相关的技术是由Rodriguez等所介绍的脑-机器人交互康复设备，它可以提供感觉运动反馈环路。这一工具能将患者的意图（或尝试）和机器人的实际动作相结合，从而诱导存在功能障碍的肢体进行运动。
在脑机接口系统中，相关的电极覆盖了患者的运动前区、主要运动区和本体感觉区的皮层。该系统能同步监测关节的位置/速度和神经信号，在将来促进基于实际运动和想象的研究和康复策略的出现。
机器人康复的适应症
根据患者所完成的运动的质量不同，每一训练阶段的目标都是不断变化的。每一种康复运动都必须达到一定的强度，并具有一定的特异性，才能使得训练行之有效。此外，训练本身必须具有重复性、功能性的特征并具有一定的目的，这样才能使得患者的表现不断进步。
机器人技术是一项有用的技术，可以满足高强度、重复性和任务导向性训练的要求，帮助患者和治疗师完成上肢运动训练，牵伸肌肉和软组织，从而预防肌肉僵硬和挛缩。此外，机器人能帮助无力的患者完成正常ROM范围内的运动。
运动功能障碍通常伴随着本体感觉的减退，因此，在康复方案制定之前，必须首先确诊本体感觉障碍是否存在，然后制定治疗方案着手改善上述功能障碍。重复的主动运动不仅有益于运动障碍的恢复，对受损的本体感觉同样能产生积极作用。因此，机器人辅助康复训练系统不仅能提供重复运动，也能改善患者的本体感觉功能。
在康复评定方面，虽然物理治疗师所选择的评定量表是标准化的，但是由于可能存在人为错误，从而影响评定结果的可靠性。因此，得到的评估结果通常都是主观结果，并且受到评定者能力的影响。
康复机器人也具有评定的能力，并且是定量的评价，因此具有客观性和可重复性的特征，并能从不同方面反映运动改善的情况。因此，康复机器人既有训练的价值，也有评估的作用。
综上，康复机器人是一项标准化和可靠的工具，能为研究者和临床工作者提供患者预后相关的评估结果。
至今为止，康复机器人领域中关注的热点在于神经功能疾病（如脑卒中和脑外伤）后偏瘫患者的上肢机器人训练，因此，拓展康复机器人应用新领域也是非常必要的，在将来可将康复机器人用于周围神经损伤、中枢神经系统退行性变和肌营养不良的患者的治疗。
在肩关节中应用上肢机器人进行康复的主要的不足在于患者和康复机器人之间关节轴的不匹配，因此可能造成关节的疼痛和损伤。除了这些不足以外，肩关节康复机器人还是相当安全和有效的，能用于肩关节的不稳定、僵硬（黏连性关节囊炎）、关节成形术后、肩袖损伤和其他肌腱破裂的康复治疗（详见下表1）。
表1 肩关节康复机器人的应用范围
本文分析了肩关节康复领域内机器人技术应用的现状，至今为止，机器人和虚拟现实技术已经用于神经康复领域，但是还没有在骨关节领域开展。在偏瘫侧上肢应用机器人技术治疗是卓有成效的，在脑卒中后上肢偏瘫的患者中尤为如此，采用机器人技术进行治疗能改善运动功能恢复，但是对改善功能预后的效果一般。
正如前文所述，目前所研发出的所有的机器人系统仍然具有很多不足，这些不足伴有一些安全性问题。如果将康复目标定为改善患者的功能性运动，那么就需要在上肢运动中涵盖大量的DOFs。这就需要研发更加精密但绝对安全的多DOFs机器人，同时，为了确定何种康复方式能带来最大治疗获益，对运动功能进行客观的评估也是十分重要的。
在由康复医生和物理治疗师所组成的康复治疗团队中，上肢机器人技术仍然是一项先进的治疗工具。应用机器人可以进行相对简单的治疗，如重复性和耗费人力的训练。在康复医师制定了临床决策之后，在适当的情况下就可交由机器人执行相关治疗。
当然，在骨关节康复领域中开展这项新技术之前，康复医师和物理治疗师都需要先接受充分的培训，以理解机器人技术在骨关节领域中的应用。由于常规治疗方案的疗效欠佳，而机器人治疗的有效性已经得到了证实，上述这些证据支持在骨关节疾病的康复中采用机器人治疗。
因此，为了确定残疾和残存功能之间的关系、提供残疾和预后的评价标准、制定新的康复流程和确定未来康复领域中机器人的作用和价值，在未来需要将更多的患者纳入研究，以达到上述目的。
在人类日常生活活动中，上肢机器人的功能是必须的，如够物、抓握和操控物体。我们已经知道，与下肢和足部相比，上肢和手的神经控制更为复杂，这就是为什么上肢机器人的研发要难于下肢机器人的研发。
那么神经系统疾患和骨关节疾患的患者运动障碍存在怎样的差异？这两类患者的康复的资源是否相同？这两类患者的康复目标又该如何制定？上述问题的答案需要未来的研究来回答。
