周彬滨，邹任玲

上海理工大学医疗器械与食品学院，上海市 200093

气动人工肌肉(pneumatic artificial muscle,PAM)具有传统气动元件的轻量化和安全性高等特点，同时有高功率/质量比、结构简单、高柔顺性等特点，受到国内外研究人员的青睐，广泛应用于工业、机器人技术和康复器械等领域。

脑卒中或神经损伤患者，运动康复能够帮助他们恢复肢体的功能和健康状态[1]，运动方式通常包括被动运动和主动运动。在患者康复治疗初期，由于患者肌肉力量较小，需要外力辅助；后期患者肌肉力量恢复，能够自主进行康复训练，甚至可能需要一定的康复器械施加阻力训练。脑卒中患者在实施偏瘫肢体的康复训过程中，基于康复器械训练的效果显著，能够促进偏瘫肢体功能改善[2]。

一般而言，通常使用的康复训练器械对运动位置控制的准确度和输出力的精度要求不是很高，但对安全性和舒适性的要求很高，相比其他驱动器而言，气动人工肌肉在这些方向的表现更加优异，气动人工肌肉技术在康复治疗中的应用已成为当前研究热点。

1 气动人工肌肉

1.1 结构和类型

气动人工肌肉的内部结构是一个橡胶管，橡胶管的外面包裹着双螺旋结构的纤维编织层，连接件固定气动肌肉的两端，一端用于连接负载，而另外一端是进气端。气动人工肌肉的类型有很多，主要有McKibben气动肌肉、Yarlott气动肌肉、ROMAC气动肌肉、Kukolj气动肌肉和Baldwin气动肌肉。不同类型的气动肌肉工作压力条件不一样，Yarlott气动肌肉和Baldwin气动肌肉适合低压条件，而ROMAC气动肌肉适合高压条件。不同类型的气动肌肉工作负载也不一样，ROMAC气动肌肉最高工作负载可达13 600 N，这是其他气动肌肉达不到的。所以，不同的工作需求应该选择合适的气动肌肉，尤其在气动肌肉驱动的康复器械的应用中。

1.2 工作原理

气动人工肌肉工作时，内橡胶管会紧密地贴住外编织层，并且橡胶管会径向膨胀，由于外编织层刚性大，使得气动肌肉产生轴向收缩，产生拉力驱动负载。气动肌肉这一特点和人体肌肉工作特性类似，且力/长度特性曲线与生物肌肉的力/长度特性曲线十分相似[3]。气动人工肌肉的工作原理最初由苏联发明家S.Garasiev提出，并率先引入实践[4]。

1.3 特点

气动人工肌肉与其他驱动器相比有以下优势[5]：①输出力/自重比大，能量转换的效率高；②较高的动态特性；③无爬行现象；④可以通过改变输入压力实现中间定位；⑤较高的安全性、结构简单、质量轻、结构易于小型化；⑥可结合使用，实现多自由度运动。由于气动人工肌肉的这些优势，使得在康复器械中得到广泛应用，且在人体上下肢中应用最为普遍。

2 气动人工肌肉在上肢康复器械中的应用

目前，气动人工肌肉在上肢康复器械中的应用包括手部的康复、腕关节的康复和肘关节的康复。上肢康复训练器械主要帮助患者进行伸展和屈曲等动作训练[6]。

2.1 手部康复器械

手部康复在于帮助手术后受伤的手指或手部进行运动训练，以尽快恢复正常状态。对于丧失手部功能的脑卒中患者来说，进行高强度的重复训练有助于手部运动功能的康复[7]。这类康复器械在结构上有刚性和柔性之分，已经成为康复工程领域的一个热点方向[8]。

Bao等[9]设计的手部康复器，是一种刚性的外骨骼式康复器械，采用新设计的气动执行器驱动，与传统的气动人工肌肉相比，在橡胶管的外壳中嵌入弹簧，抑制管子径向变形同时增加执行器的刚度。该手部康复器的优势在于收集前臂的表面肌电信号，确定患者的运动意图，以控制康复器；不足之处在于只包含四个手指的康复，没有包含拇指。对于拇指的康复，Shiota等[10]设计拇指康复系统，采用柔软的气动执行器对拇指进行屈伸运动，在腕掌关节处使用平行连杆原理由气动人工肌肉驱动。对于五个手指的康复，Tjahyono等[11]设计由气动人工肌肉驱动的五手指外骨骼，具有19个自由度，可以实现大部分健康手的动作，同时开发了一种新型应变传感器来搭配气动人工肌肉使用，提高了手外骨骼的实用性。

对于柔性穿戴式的手部康复器械，Al-Fahaam等[12]设计一款柔性康复手套，其气动人工肌肉基于McKibben人工肌肉设计，由橡胶气囊组成。通过加强气动肌肉的一侧以防止伸展，加压时会产生弯曲。这种弯曲的气动肌肉附在康复手套每个手指后部，施加压力时导致驱动器弯曲，从而带动手指关节弯曲。康复手套共使用8根弯曲气动肌肉，能够实现多种手部康复动作。

2.2 手腕康复器械

Meng等[13]设计一种腕关节矫形器，采用刚性结构。与此类似，黄明等[14]研究一款便携式二自由度的腕关节康复机器人，能够实现腕关节的内收、外展以及屈伸康复动作。这两种机器人都是气动人工肌肉产生的拉力通过钢丝绳传递带动滑轮转动，从而驱动关节运动，实现康复动作。

与刚性结构相比，柔性结构的安全性和舒适性较好。Andrikopoulos等[15]设计一款外骨骼腕关节康复器，通过一个可穿戴的橡胶手套实现，四个气动肌肉围绕在前臂周围，通过控制气动肌肉收缩实现不同的腕关节运动。而Al-Fahaam等[16]设计的手腕康复外骨骼机器人，与Andrikopoulos等设计的不同之处在于气动人工肌肉能够弯曲运动。与此类似的有燕山大学姚建涛等[17]设计的一款柔性可穿戴动力手套，能够实现腕关节屈/伸、内收/外展两自由度运动，通过气动人工肌肉的协调驱动来实现。Das等[18]设计一种具有力反馈的气动人工肌肉手套ForceHand Glove，主要针对人体的手腕，实现屈曲、伸展、旋前和旋后。与前几种柔性手套相比，该手套可以为受试者提供良好的力反馈感。

2.3 肘关节和手臂康复器械

Tu等[19]针对手臂屈肌高张力的脑卒中患者开发一种外骨骼康复机器人RUPERT，关节采用气动人工肌肉单向驱动，同时采用功能电刺激激活瘫痪的手臂肌肉，两者配合实现患者主动抓握训练。一些学者将虚拟现实技术配合康复设备或康复机器人进行上肢康复治疗。虚拟现实技术已经成为康复治疗领域发展的热点方向[20]。郭萌等[21]研究一款穿戴式上肢康复机器人，能实现肩关节的屈伸、内外旋以及肘关节的屈伸康复动作，借助眼动跟踪仪的虚拟现实平台与其结合进行康复训练，可以解决康复治疗中的乏味。

虽然气动人工肌肉在上肢康复器械中应用的研究多数处于实验研究的阶段，还未应用于临床当中，但已经有很大突破。气动人工肌肉的结构不再局限于传统的轴向收缩，比如Al-Fahaam等设计的可弯曲的气动人工肌肉；同时，康复训练不再限于传统的重复性动作，与虚拟现实技术的结合，增加了康复训练的有效性和趣味性。

3 气动人工肌肉在下肢康复器械中的应用

下肢康复器械可帮助偏瘫和下肢功能障碍患者进行踝关节、膝关节以及腿部康复训练，临床效果显著，能明显提高下肢功能评分[22]。传统电机驱动在下肢康复器械中应用较广，但电机驱动作为刚性驱动，稍有不当，很容易对患者造成二次伤害[23]。气动人工肌肉是一种柔性驱动器，安全性和柔顺性比电机高。近年来，利用气动肌肉驱动的康复器械实现对下肢康复训练已经成为研究热点之一。

3.1 腿部康复器械

对于下肢的康复器械，结构上较多采用外骨骼形式。Wan等[24]设计的气动人工肌肉驱动的仿生下肢外骨骼HLLE，可模拟人的步态行为进行康复锻炼，但尚在人体上进行研究。Sun等[25]设计的气动肌肉智能外骨骼机器人，引入肌电图进行辅助控制。Su等[26]开发的步态康复外骨骼机器人同时具有主动和被动控制策略。在对婴儿和幼儿腿康复中，Park等[27]开发了一种二维平面结构的气动人工肌肉，引入零容积气室的概念，进一步减少人工肌肉的厚度，用于婴儿和幼儿可穿戴康复机器人中。传统的McKibben气动肌肉结构中会存在一定体积的气室；零容积的概念消除了无用的空气体积，使得气动肌肉的结构更加紧凑。

3.2 膝关节康复器械

Dao等[28]开发一种名为AirGait的高顺应性下肢康复矫形系统，采用气动人工肌肉提供动力，实现髋关节和膝关节的步态运动训练。气动肌肉以拮抗的方式配置，机器人步态训练系统包括髋关节下端的大腿和膝关节下端的小腿，使康复训练系统化和模块化。Diteesawat等[29]提出一种高强度的人工肌肉BAM(Bubble Artificial Muscle)，用于矫正器械，改善行动不便者的膝关节屈曲，与传统McKibben人工肌肉不同之处在于BAM可在低压条件下启动，并且十分轻便。

3.3 踝关节康复器械

刘海涛等[30]设计一种3自由度并联机构AirGait，可分别控制背屈/跖屈和外翻/内翻运动。Noda等[31]设计一种双杆踝足矫形器，用于脑卒中后步态康复，驱动方式开发出嵌套气缸气动人工肌肉系统，有很好的保护。类似的有Ulkir等[32]开发的气动踝足矫形器。Hong等[33]提出高背屈辅助机器人技术，由于偏瘫患者不能自主产生足够的踝关节背屈力，使用气动人工肌肉提供活跃的背屈扭矩，用于踝关节步态康复中，这使得气动人工肌肉有了新的应用范围。

对于柔性的踝关节康复器械，Park等[34]设计一种可穿戴的踝足康复机器人，完全采用柔性结构，不会限制自然状态下踝关节的自由度，采用四个气动人工肌肉辅助背屈和跖屈以及内翻和外翻。

气动人工肌肉在下肢的康复中多作用于关节，多数采用刚性的外骨骼形式。对于特殊人群的康复训练，研究人员对气动肌肉做出相应的改进，比如Park等设计的零容积气室的气动肌肉以及Diteesawat等设计的BAM。这些改进扩大了气动人工肌肉的应用范围，也同时提高了康复治疗的技术。

4 气动人工肌肉在其他康复器械中的应用

目前，气动人工肌肉在身体其他部位的康复中应用较少。Kim等[35]开发一种用于矫正颈部姿势的康复设备，由柔性传感器和气动人工肌肉组成，分别用于监测和校正颈部角度，能够监视姿势变化的同时校正头部姿势。Zi等[36]设计了一种柔索气动肌肉混合驱动腰部康复机器人，通过双并联机构设计模拟步态时骨盆轨迹运动，训练人体腰部。气动人工肌肉的这两项应用为今后的研究提供了良好借鉴。

5 小结

近年来，气动人工肌肉的相关研究受到关注，特别是在康复领域，涉及机械技术、控制设计和材料等。

未来研究应考虑：①气动人工肌肉驱动器的结构改进，如设计可弯曲的气动人工肌肉，应用于需要进行弯曲等复杂动作的康复训练；②康复器械与虚拟现实技术结合的综合治疗，提高康复治疗的趣味性和治疗效果；③气动肌肉驱动的康复器械在身体其他康复部位的应用，如腰背部，目前主要针对上下肢康复训练较多；④研究更精确的气动肌肉控制方法，采用多控制策略，服务于实际应用。

相信在不久的将来，气动人工肌肉的技术日趋成熟，在康复领域中的应用将进一步发展。