用于辅助老年人肩胛骨拉伸的肩部可穿戴软体机器人

《Wearable Technologies》：Shoulder-wearable soft robot for assisting older adults in scapular stretching

　　

研究人员提出了一种可穿戴软体机器人（soft robot），用于在呼吸康复中通过个体化的肩胛骨内收（scapular adduction）与外展（scapular abduction）辅助胸廓（thorax）拉伸。尽管胸廓拉伸对呼吸康复已知有效，但老年患者的关节活动度（Range of Motion, ROM）随年龄增长而变窄，且需要理疗师长期外部辅助。所提出的机器人由软质肩部可穿戴护具与缆绳牵拉机构（cable-pulling mechanism）组成，通过对肩部施加旋转扭矩来实现胸廓与肩胛骨的拉伸。研究人员通过建模理疗师手法拉伸时的肱骨头（humeral head）轨迹来设计牵拉机构，并利用两个线性致动器（linear actuators）同步牵拉左右肩，基于位置控制（position control）以实现目标张力（target tension）。针对老年人的验证实验主要结果表明，该机器人辅助拉伸能够实现与理疗师手法相似的肩胛骨拉伸效果。

《用于辅助老年人肩胛骨拉伸的肩部可穿戴软体机器人》论文解读

一、研究背景与立项依据

慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease, COPD）是全球致死率前三的疾病，在老年人中尤为高发。呼吸康复中的运动疗法包含呼吸肌拉伸，其中上肢特别是肩胛骨运动可有效改善呼吸肌及辅助呼吸肌（如膈肌与肋间肌）的活动度，增加胸廓扩张度（chest expansion）并减轻呼吸困难（dyspnea）。然而，随着年龄增长，肩关节及肩胛骨主动活动度（active ROM）下降，老年人无法仅靠自主拉伸达到全范围活动，需依赖理疗师手法治疗（manual therapy）——即通过外部力量辅助肩关节活动、激活胸大肌等肩内收肌群从而提升胸廓活动度。虽然弹性带或拉伸机可提供外力，但理疗师的独特优势在于能依据患者个体差异（如肩反作用力与终末感觉 end-feel）实时调整施力方向、大小与时机，且COPD患者常伴肌肉骨骼合并症，更需个体化手法干预。

在超老龄社会的日本背景下，理疗师负担重、分布不均且手法质量依赖个人经验，加之难以实现院外持续干预，因此亟需能替代或补充理疗师工作、可居家使用的机器人系统。现有上肢外骨骼（exoskeleton）虽可高精度控制盂肱关节（glenohumeral joint），但通常体积大、自由度（Degrees of Freedom, DoF）多、成本高，不适合家庭使用；商用拉伸机（如Chest Spread）需下肢配合操作，不适合下肢活动受限的老年人；连续被动活动（Continuous Passive Motion, CPM）机不考虑肱骨头位移；已有缆绳驱动（cable-driven）可穿戴外骨骼多针对日常生活活动（Activities of Daily Living, ADL）助力或重力补偿，未专门实现肩胛骨内收/外展的胸廓拉伸。先前课题组原型机对所有受试者采用相同固定拉力参数，未能实现个体化调节且未在老年群体中验证。因此，本研究旨在开发一种肩部可穿戴软体机器人，采用低自由度缆绳驱动系统复现理疗师胸廓拉伸手法，引入基于用户反馈的个体化目标张力设定，验证其在年轻及老年人群中实现与手法治疗相当的肩胛骨活动度辅助效果。该论文发表于《Wearable Technologies》。

二、主要关键技术方法

研究人员首先采集理疗师手法拉伸时的肱骨头空间轨迹，经主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）拟合成近似直线，以C7（第七颈椎）为原点建立模型，据此按受试者肩宽调节缆绳导板（cable guide）宽度w与高度h使缆绳牵拉方向匹配肱骨头位移方向；采用Bowden缆绳（Bowden cable）传输动力以减少摩擦影响，两侧各配一线性直流致动器与测力传感器（load cell）。肩部护具（shoulder brace）为柔性织物，前侧魔术贴方便穿脱，双侧间连有弹性织物被动辅助肩胛骨回位（外展）。控制系统分两阶段：准备阶段由研究人员逐步增大拉力直至受试者反馈"恰到好处无疼痛"，将该时刻测力传感器读数设为目标张力F_ref；控制阶段执行加载（loading）—保持（holding）—卸载（unloading）循环，加载时令位置指令趋向最大限位x_lim直至测力值≥F_ref，保持阶段采用比例控制x_ref[k+1]=x[k]+K_p(F_ref?F[k])Δt维持张力，超限安全张力F_max=F_ref+19.6 N时机立即回初始位x₀。机械特性评估用弹簧模拟肩关节被动特性；人体试验分两组——年轻健康男性（n=8）用光学运动捕捉测肩胛骨间距离（interscapular distance，以肩胛下角 angulus inferior AI与棘突连线标记），比较自主拉伸（Self-stretching）、手法拉伸（Manual）、机器人拉伸（Robot）；老年健康男性（早期老年，65–74岁，n=9）由持证理疗师行手法拉伸，用游标卡尺测肩胛骨–脊柱距离（scapula–spine distance，棘突至AI标记点），并检测用力肺活量（Forced Vital Capacity, FVC）、第1秒用力呼气容积（Forced Expiratory Volume in 1 s, FEV_1.0）及FEV_1.0%（FEV_1.0/FVC），统计采用Wilcoxon符号秩检验加Bonferroni校正。

三、研究结果

5.1 机制机械特性评估（Evaluation of the proposed mechanism）

用刚度弹簧模拟肩关节被动扭矩，设定目标张力49.0 N进行10次牵拉。结果显示致动器侧测力传感器（load cell 1）达目标张力后略有振荡，但弹簧侧（load cell 2，模拟实际作用于肩部的力）稳定在约35.3 N且无过冲，说明Bowden缆绳内摩擦导致末端实际拉力低于致动器侧设定值但系统可稳定维持且不超限，验证了安全性与力传递特性。

5.2 年轻人用户研究（User study with younger adults）

八名年轻男性受试者，个体化目标张力均≥49.0 N。肩胛骨间距离最小值显示：Neutral（自主最大外展）显著大于Manual与Robot（p<0.05），Robot与Manual均较Neutral明显缩小肩胛骨间距实现内收；Robot与Manual间虽有统计学差异（p=0.023），但中位差仅5.1 mm（Robot 130.9 mm vs Manual 125.8 mm），相对Neutral→Manual的差值（72.0 mm）占比仅7.1%，表明机器人提供的ROM支持与手法治疗相当接近，无受试者诉疼痛或不适。

5.3 老年人用户研究（User study with older adults）

九名健康老年男性，个体化目标张力设为98.0–137.3 N（致动器侧）。肩胛骨–脊柱距离结果：Neutral显著大于Manual与Robot（p<0.05），Robot与Manual间无显著差异，说明机器人辅助拉伸使老年人肩胛骨内收程度与理疗师手法相当。肺功能指标（FEV_1.0、FEV_1.0%）拉伸前后及Manual与Robot组间均无即刻显著性差异（α=0.05），无不良呼吸影响报道，也无疼痛或不适主诉。

四、讨论总结与结论翻译

讨论指出：Bowden缆绳摩擦致末端力衰减是此类系统的固有特性，但不影响安全性——致动器侧振荡未传导至末端，实际施力不会超过用户设定的目标张力；年轻组中Robot略逊于Manual可能因年轻人肩关节刚度大、需更高力超出当前系统适宜范围，而老年人主要目标人群上Robot与Manual无差异，证实其主要设计目的达成；未观察到即刻肺功能改善与单次短时干预及健康受试有关，长期效果待查。局限包括受试者非COPD患者、仅评估急性效应、未在家使用验证、肩部模型基于单一样本、力传递受摩擦限制、评估为一维距离指标且未用量表量化舒适度、年轻组实验顺序非随机化。未来方向含基于力–位移曲线自动检测终末感觉（end-feel）、引入IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）与摩擦补偿、结合呼吸时相、长期干预观测胸廓扩张度与呼吸困难量表（Visual Analogue Scale, VAS）。

结论（原文翻译）：

在本研究中，研究人员提出了一种可根据个体体质调节强度的肩部可穿戴软体机器人，并在年轻及老年受试者中开展实验。结果表明，所提出机器人可为年轻与老年人提供充足的关节活动度支持，且在老年人中机器人拉伸与理疗师手法拉伸的肩胛骨活动度无显著差异。这表明该系统在保持治疗质量的同时有潜力减轻理疗师的工作负担。后续工作将聚焦于评估机器人对呼吸功能及关节活动度的长期干预效果，特别是在临床患病人群中。