改善卒中后康复:交叉滚子轴承给物理治疗外骨骼机器人一个帮助手

每年大约有70万人在中风后存活下来。随着中风导致的死亡人数下降和我国人口老龄化，这一数字预计将在未来10年增加近40%。大多数幸存者将需要康复，以便恢复尽可能多的独立性和生活质量。然而，脑卒中后康复需求的快速增长不能仅仅通过传统的物理治疗手段来解决。

外骨骼机器人改善中风幸存者的物理治疗结果

康复通常在中风后不久就开始了——可能在一两天内——在重症监护室进行物理治疗，使患者能够重新学习如何使用因中风而瘫痪的肢体。有效的治疗必须基于神经肌肉生理学的原理，通常可以利用人类关节之间已知的神经耦合，利用协调的动作和力量来促进真正的功能恢复。肩部康复被认为是最具挑战性的物理治疗形式之一，由于肩部的复杂性和活动范围(RoM)，这对传统的治疗形式构成了严重的障碍。一种新开发的外骨骼被称为Harmony，旨在通过创建一个高度敏感和可重复的平台来精确地解决这些挑战，这可以极大地提高中风幸存者肩部治疗的有效性。

谐仿生成立于2016年，为临床市场开发创新康复机器人平台。他们的“和谐”外骨骼包裹着患者的肩膀、手臂和手腕，可以为他们的关节提供动力，帮助患者执行各种动态运动任务。这有助于他们重新学习肩带和球窝关节之间的特定节奏，以最大限度地活动范围，从而纠正受损的神经肌肉功能。物理治疗师帮助患者移动手臂并观察其运动，而外骨骼创造了一种必要的辅助范式，鼓励患者积极参与，并让治疗师有时间按摩手臂，甚至同时监控多个患者。该平台旨在促进更好、更有效的治疗，并改善患者和医院的结果。

该公司的前身是2011年德克萨斯大学(奥斯汀)科克雷尔工程学院(University of Texas (Austin) Cockrell School of Engineering)的ReNeu机器人实验室(ReNeu Robotics Lab)。从那时起，康复机器人得到了NASA和国家科学基金会(NSF)的资助和支持，包括小企业创新研究(SBIR)项目。

康复机器人使用先进的执行器技术和一套传感器，以2000赫兹的高速收集运动数据，并将这些数据输入算法，让用户在锻炼过程中对不同程度的阻力进行响应控制。设计师需要一个能够承受大力矩载荷的滚子轴承，这样当患者移动手臂时，外骨骼就可以与患者的骨骼结构进行同轴运动。这使得双手疗法，利用已证实的神经耦合的左右半人神经系统，以帮助恢复。轴承还需要体积小，重量轻，并提供低摩擦系数(CoF)。正如调和仿生学产品开发主管Rohit Varghese回忆的那样，选择很明确:IKO国际的CRBH和CRBF交叉滚子轴承。“像我们这样的外骨骼有非常独特的挑战，”Varghese说，他指的是机器人的负载要求和有限的空间。“很少有轴承能满足他们。IKO的CRBH和CRBF交叉滚子轴承配合非常好。”

交叉滚子轴承承载高力矩负荷，以帮助患者和治疗师

IKO的交叉滚子轴承既紧凑又刚性，使它们非常适合机器人和医疗设备。内、外圈直角交叉滚子，可同时承受径向、推力和力矩载荷，转动精度高。CRBH交叉滚子轴承的基本动态载荷额定值从2910到102,000牛顿，基本静态载荷额定值从2430到207,000牛顿，轴直径从20到250毫米。该系列还引以为豪的是:

• 内、外圈一体结构，刚性好，不可分割。
• 在圆柱滚子之间的分离器，确保即使在高转速下也能平稳旋转。

谐波仿生学选择了一个基本的动态负载额定值8,610牛顿和基本静态负载额定值10,600牛顿的模型，足以满足其100牛顿-米的力矩负载要求。轴直径为40毫米，外径为65毫米，宽度为10毫米，重量为0.15公斤，设计师在外骨骼有限的空间内将交叉滚子轴承整合在一起没有问题。一路上，他们得到了IKO工程和销售经理的支持。“IKO一直很棒，”Varghese说。“销售团队与他们的一名首席工程师一起参观了我们的工厂，我们就如何最好地使用轴承进行了深入的讨论，包括为我们的应用进行一些定制。”

该公司发现，CRBH交叉滚子轴承是承受施加在外骨骼上的力矩载荷的最直接和紧凑的方式，为患者提供“刚好足够的帮助”。这在很大程度上是由于CRBH经过必要的修改后，CoF较低。由于康复机器人的50多个传感器监测患者的位置和关节施加的力，低CoF允许系统运行算法，定制患者相对于重力接受的阻力和支持水平。否则，高摩擦会影响传感器的测量。

当工程师建造原型机器人时，他们确定IKO的CRBF轴承是一个有价值的工具。像CRBH系列，CRBF有一个交替交叉辊设计。它在内圈和外圈上都有安装孔，所以工程师能够安装轴承，而不需要加工，特殊的外壳或固定板到千米级轴承公差。安装孔节省了空间，简化了组装，之后公司将生产单元转移到CRBH系列。

改变中风后物理治疗和幸存者的生活

除了对中风患者进行试点临床研究外，康复机器人还在健康受试者中进行了广泛的临床试验。谐波仿生公司报告称，CRBH符合预期:“我们对它的性能很满意，”Varghese说。“它还在坚持。”与此同时，该机器人受到了用户和医学界的一致好评。一名参与研究的中风患者说，“我的手臂运动得比以往任何时候都好。这种改善一直在帮助我的日常活动。”Varghese还指出，一些著名的医院已经将他们的治疗师空运到谐波仿生公司在德克萨斯州的设施来探索这项技术:“他们对它评价很高，迫不及待地想要得到它。”如今，康复机器人正准备生产，以获得FDA认证和临床使用。

长期以来，医院一直在寻求一种临床干预方法，以期为中风幸存者的肩部康复带来比传统疗法更好的临床效果。谐波仿生成功的上肢康复外骨骼机器人设计表明，当机器必须在有限的空间内处理大的力矩载荷时，并不是所有的滚子轴承都是相同的。得益于IKO国际的CRBH和CRBF交叉滚子轴承的高力矩负载处理能力，优良的刚性，小尺寸和低摩擦系数的组合，谐波仿生学将彻底改变物理治疗和改善许多中风幸存者的生活。

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