The Innovation | 北京冬残奥会火炬传递辅助机器人：重现人类功能的无障碍技术

导 读

在北京2022年冬残奥会中，行为辅助机器人与残障火炬手共同完成了火炬传递任务，彰显了奥运与科技的融合理念。本文将结合行为辅助机器人系统的应用实践，深入探讨如何实现与人共融机器人技术，展望生机电一体化机器人的发展方向，以科技手段助力康复、医疗、养老等生命健康领域。

图1 面向北京冬残奥会火炬接力的行为辅助机器人系统以及未来技术发展方向

trAsBot (Assistive roBot for the torch relay)系列机器人作为无障碍辅助技术的应用示范，涵盖了不同残障人群的需求，成为北京冬残奥会火炬传递的技术亮点 （图1）。

trAsBot I是一款为脊髓损伤患者定制的行走辅助外骨骼，为双侧髋/膝关节提供四个主动自由度和踝关节处的被动自由度，为失能下肢进行运动补偿并建立稳定的步态模式。通过一个月内上百次的优化过程，基于步长、步速等参数的持续优化和人机适配调节，可以提高运动引导性能并满足特定的应用需求。例如，基于感觉运动系统并结合高扭矩刚性驱动，trAsBot I实现了下肢失能火炬手在拐杖辅助下的稳定行走，完成相关10米步行测试的时间也由86秒减少至52秒。

trAsBot II是一款手部和肘部主动控制的外骨骼式智能假肢手臂，是将支撑辅助与神经控制能力相结合的一种新尝试。这种机器人根据火炬手的特殊肢体条件进行开发，具有高集成度和高鲁棒性，其刚性且中空的结构使总体重量仅为1.5公斤。由于残肢肌力较弱，负载会极大地影响表面肌电信号的质量，因此，研究者基于非理想表面肌电数据集SeNic设计了一种分层控制架构，并通过数据监控和肌肉疲劳监督对患侧进行完整功能代偿。

trAsBot III是另一款下肢外骨骼式机器人，为不完全脊髓损伤患者提供了日常步行运动的辅助功能。通过trAsBot III的辅助训练，火炬手的行为能力自最初受伤后的五年内取得了显著改善，最终实现独立的站立与行走。此外，该机器人具有针对不同场景和受伤情况的广泛应用性，其应用范围包括了骨关节炎患者、接受全髋/膝关节置换术的患者以及脑瘫患者等6类群体的康复训练；在不同的人机交互场景（如上/下楼梯和坡道）中，这款机器人也提供了异常受损步态模式下的主动矫正与辅助。

trAsBot IV是一款基于人机神经接口的智能假手式机器人，为经桡动脉截肢者提供手部功能的补偿。该机器人通过3D打印和注塑成型可以进行个性化设计，同时利用基于数据驱动的时变肌电模式识别实现主动控制。同时，这款机器人在短期内就可以完成高度人机适配，并实现了基于sEMG的自主意图控制。其具有的高效实时反馈性能，保证了火炬传递任务的实时要求。这项技术此前曾被用来协助一名年轻女孩与中国著名钢琴家郎朗合作，在中国中央电视台的舞台上演奏钢琴。

trAsBot V是一款专为单侧下肢神经和肌肉损伤人群设计的辅助外骨骼式机器人，旨在解决双侧不对称步态带来的运动障碍。其利用顺应驱动准则在髋-膝-踝配置中建立了完整的运动链，将交互扭矩反馈与足底压力估计相结合构建人机闭环传感方法，基于改进的阻抗控制算法以提供双侧下肢的按需协助。在对60多例偏瘫患者进行的康复训练中，平均双侧多关节不对称度由12.6%降低至2.1%。这一积极的临床结果证明了该机器人在缓解日益增长的老年人残疾问题方面的潜力。

总结与展望

设计理念与硬件技术：通过可重构系统的通用模块化组成和柔性驱动可以提高适应性和安全性；结合先进的人机接口，逐步拓展生理和物理信息维度，实现长期感知的稳定性。

理论基础与先进方法：人在环中的策略通过个性化辅助和容错方法可改善人机适应性，保障稳定感知与鲁棒交互；感觉反馈的结合有助于恢复本体感觉，构建自然的交互状态。

成果转化与市场推广：作为医疗、康养环境中的通用型设备，辅助机器人需要具备适用性和安全性；高性价比的硬件替代方案以及有效的政策支持，将会助推技术成果的应用。

责任编辑

胡嘉仲    清华大学

魏文栋   上海交通大学

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第五卷第一期以Commentary发表的“Assistive robots for Beijing Winter Paralympic torch relay: Accessible technologies to restore human functionality” (投稿: 2023-09-15；接收: 2023-12-08；在线刊出: 2024-01-02)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100556

引用格式：Zhang B., Shuai M., Han B., et al., (2024). Assistive robots for Beijing Winter Paralympic torch relay: Accessible technologies to restore human functionality. The Innovation 5(1), 100556.

作者简介

赵新刚，研究员、博导，中国科学院沈阳自动化研究所机器人学研究室主任，辽宁省共融机器人与医疗装备重点实验室主任，国家重点研发计划项目首席。入选中国科学院青年创新促进会优秀会员、中国科学院区域发展首届青年学者、辽宁省“兴辽英才”创新创业团队负责人。主要研究领域包括医疗康复机器人、行为辅助机器人、人机混合智能、智能人机交互等。发表学术论文200余篇，申请专利40余项。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金联合基金重点项目等省部级以上课题20余项。以第一完成人获中国自动化学会技术发明一等奖1项，辽宁省自然科学学术成果奖一等奖2项。

刘连庆，研究员、博导，中国科学院沈阳自动化研究所副所长，机器人学国家重点实验室副主任。主要研究领域包括类生命机器人、微纳机器人、智能机器人与系统。获得万人计划青年拔尖、中科院卓青项目、国家优青、杰青等人才项目支持。担任“智能机器人”国家重点研发计划总体组专家、国家机器人标准化总体组秘书长、中国自动化学会机器人专业委员会主任委员、共融机器人专业委员会副主任委员、中国机械工程学会机器人分会副总干事。曾任IEEE机器人与自动化学会副主席（2018-2019）、资深顾问（2020-2021）等职务。获辽宁省自然科学一等奖、中国自动化学会技术发明一等奖、IEEE机器人与自动化学会青年科学家奖，中国自动化领域年度人物，首届熊有伦智湖优秀青年学者奖等荣誉。

张 弼，中国科学院沈阳自动化研究所副研究员，硕士生导师，机器人学国家重点实验室医疗机器人方向核心骨干成员。在生机电系统、机器人控制等领域开展研究工作，主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金等省部级以上课题10余项。发表学术论文70余篇，申请专利20余项。担任2022年北京冬残奥会行为辅助机器人火炬传递任务负责人，成果得到《新闻联播》《新闻直播间》报道。担任中国自动化学会、中国空气动力学会等专委会委员，入选中国科学院青年创新促进会。

往期推荐