康复机器人发展状况.doc

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1、康复机器人发展状况定义：机器人是一种通过编程，可以自动完成一定操作或移动作业的机械装置。我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器,所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器”。康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展,也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。康复机器人是

2、工业机器人和医用机器人的结合。20 世纪80 年代是康复机器人研究的起步阶段,美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。1990 年以前全球的56 个研究中心分布在5 个工业区内：北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。1990 年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。目前,康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面。近年来，机器人技术的应用正在逐步由现有的生产领域向更为广泛的人类生活领域拓展，高度智能化的机器人技术开始向人类在教育、环境、社会服务、医疗等领域所面临的种种问题发起挑战，小型化、轻量化且更加接

3、近实用的人工智能机器人不断地被开发研制出来。同时，人们也对机器人技术的未来发展充满了期待。2.8.1 国内外的研究现状发展趋势主要有两个突出的特点：一个是在横向上，机器人的应用领域在不断扩大，机器人的种类日趋增多；另一个是在纵向上, 机器人的性能不断提高，并逐步向智能化方向发展。其重心从制造业向非制造业，从第二产业向第一产业和第三产业转移。尤其是在医疗领域得到了飞速的发展。医用机器人已经成为国际机器人领域的一个前沿研究热点。医用机器人主要包括外科手术机器人、康复机器人和医院服务机器人等，其中机器人用于康复领域包括助残和老人看护等，是解决残疾人及老年人生活质量，使他们不依赖别人，能够独立活动的有

4、效技术手段。 该领域的研究主要包括康复机械手、智能轮椅、服务机器人，以及家庭和单位之间的交互设备及智能控制界面等。康复机械手等的研究主要分布在北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆及日本，按机械臂的安装位置划分康复机械手可分为3类：1)基于桌面工作站的机械手。这种机械手安装在一个彻底结构化的控制平台上,在固定的空间内操作。目前此类机器人已经达到了实用化，如法国CEA公司开发的MASTER系统、美国Tolfa Cor2poration开发的DEVAR系统，以及英国Oxford Intelligent Machines Ltd.开发的RAID 系统等。2)基于轮椅的机械手。这种机械手安装在轮椅上，因轮椅的

5、移动而扩大机械手的操作范围，同时由于安装机座的改变导致了机械手刚性下降和抓取精度降低，而且这种机械手只适用于那些可以用轮椅的患者。KARES 系统就是一种基于轮椅的机械手系统，在电动轮椅上安装了一个六自由度的机械手，另外有意大利的TGR SRL公司生产了一种结合轮椅与小车结构的智能轮Explorer(图1)。3)基于移动机器人的机械手。这类机械手是目前最先进的康复图1轮椅上的MANUS机械手机械手，这种机械手安装在移动机器人或者是自主或半自主的小车上从而适于更多的患者使用，同时扩大了机械手活动空间并提高了抓取精度。S.Tachi等人在MIT日本实验室研制了一种移动式康复机器人MELDOG，作为

6、“导盲狗”以帮助盲人完成操作和搬运物体的任务。法国Evry 大学研制了一种移动式康复机器人ARPH，使用者可以从工作站实施远程控制，使移动机器人实现定位和抓取操作。作为医工结合产物的四肢康复设备，特别是护理机械手，目前国内在该领域进行研究的几乎是空白，主要有清华大学、上海交通大学、复旦大学、哈尔滨工业大学等。就手臂康复设备而言，产品功能单一，其应用范围仅限于局部关节，即腕关节，肘关节和肩关节的康复是由单独的器械完成的，没有能够实现整个手臂各个关节康复的集成产品；而且，现有产品的智能化程度并不高，自动化程度较高的医疗设备大多数为进口设备，成本较高。 康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合。第一

7、次尝试把为残疾人服务的机器人系统产品化是在20 世纪的60 年代到70 年代。实践证明这些尝试都失败了,其主要有2个方面原因：其一是设计的不理想,尤其是人机接口；另一个不是技术的原因,而是因为单价太高导致了康复机器人产品化的失败。20 世纪80 年代是康复机器人研究的起步阶段,美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。1990 年以前全球的56 个研究中心分布在5 个工业区内：北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。1990 年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。目前,康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几

8、个方面。 康复器械的最终目标是恢复人体肌体组织的运动机能，实现肌体组织的自然化动作。基于此目标，该领域的研究主要沿着两个方向：一个方向是功能电刺激，另一个方向是肌电信号控制。前者是利用电压或电流等电信号刺激神经肌肉，使丧失神经控制的肌肉产生收缩，达到康复治疗和功能重建的目的；后者是利用分离的肌群电信号(肌电信号)控制康复器械，使其能够具有与肢体相同的对外界刺激的反应能力和对脑神经信号的识别和处理能力，模拟肢体动作，实现肢体的康复治疗在功能电刺激系统的研究开发方面，由于电刺激参数与肌肉收缩力(位移)的关系(即募集曲线)这一重要的基本理论问题还处在探索阶段，使得该系统的应用受到了很大的限制相对而言

9、，肌电信号的采集处理已经有比较高的识别率(单一动作的识别率可达到95 以上 )。因而，大量的研究工作倾向于肌电信号控制方面目前，国内在该领域进行研究的主要有清华大学、上海交通大学、复旦大学、哈尔滨工业大学等。其中，上海交通大学和复旦大学合作展开了“神经的运动控制与控制信息源的研究”。其研究目的是提取神经信息，利用神经信息来控制电子假手。目前，七个自由度假手模拟装置已设计完成，神经信息的提取正在进行动物试验，信息的整合与控制电路的设计进展顺利。2.8.2 机器人技术在康复辅具行业的研究目的和意义2.8.2.1 社会需求 据统计，我国60岁以上的老年人已有12亿，占全国人口的10伴随老龄化过程中明

10、显的生理衰退就是老年人四肢的灵活性不断下降，进而对日常的生活产生了种种不利的影响。此外，由于各种疾病而引起的肢体运动性障碍的病人也在显著增加。与之相对的是，通过人工或简单的医疗设备进行的康复理疗，已经远不能满足患者的要求随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到更多人的关注，治疗、康复和服务于他们的产品技术和质量也在相应地提高因此，服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景。28.2.2 多项技术发展的要求 近年来，随着传统机械学、传感技术、生物医学、智能控制技术、计算机技术及其他新兴技术的迅速发展，给生物医学工程领域的医用机器人技术带来了高速发展的契机，促进了医用领域的设备自动化和机器人

11、化。医用机器人结合了多个学科最新研究和发展的成果，应用于医学诊疗，康复等相关的医学领域。其中，康复机器人占据相当大的比例，如各种假肢、矫形器及用于恢复四肢功能性障碍的康复辅助医疗设备。2.8.2.3 社会发展的必然趋势 作为医工结合产物的四肢康复设备的研究起步较晚。就手臂康复设备而言，产品功能单一，其应用范围仅限于局部关节，即腕关节，肘关节和肩关节的康复是由单独的器械完成的，没有能够实现整个手臂各个关节康复的集成产品；而且，现有产品的智能化程度并不高。目前，我国医疗设备自动化程度较高的大多数为进口设备，成本较高。因此，随着科学技术的发展，该领域技术研究的深入，康复设备的国产化具有必然性及可行性

12、。2.8.2.4 未来机器人技术在康复辅具行业的发展趋势 随着康复医学的发展和相关技术的进步，机器人技术将深入到医学康复的更多领域，包括在人体的四肢和器官结构和功能上的重建、助残、康复治疗以及职业技能训练等诸多层面。鉴于康复机器人的应用背景,康复机器人需要满足安全性、有效性和舒适性的要求。安全性体现了安全第一的设计准则;有效性体现了康复机器人的设计目的;舒适性则是面向应用的关键因素。康复机器人技术经过了40 多年的发展,其未来发展呈现出以下几个趋势：（1）先进的机器人技术广泛应用到康复领域 各种先进的机器人技术广泛地应用到康复领域是康复机器人发展最直接的推动力。轻型臂和灵巧手在灵巧性、柔顺性和

13、动态响应特性等方面要远远优于现有的康复机器人的手臂和手爪，它们应用到康复领域将会极大地提高康复机械手和假肢的操作能力和控制水平；目前传感技术、导航技术和避障技术等移动机器人技术已经开始应用于康复领域,它们在康复机械手、医院机器人系统和智能轮椅等领域的应用将会增强康复机器人的自制能力、扩大患者的作用空间;计算机技术和虚拟现实技术已经在康复治疗机器人中得到应用。另外随着各种先进的机器人控制技术、人机接口技术、电子产品集成技术、遥控操作技术、微驱动与微操作技术等引入到康复领域，康复机器人的技术水平将会迅速得到提高。（2）康复理论的发展催生新的康复机器人 康复机器人的产生和发展有赖于康复理论的发展，而

14、康复机器人的临床实践又检验了康复理论的正确性并推动着康复理论的发展。用于运动学习方面的康复治疗机器人的发展是基于运动学习理论的发展而发展的。运动学习理论目前有很多的学说和流派，而不同的理论就可能对应制造出不同的康复治疗机器人,因而运动学习理论的丰富和发展也为相应的康复治疗机器人的发展提供了发展的潜力。（3）仿生学的发展指引着康复机器人的未来 随着生物学和仿生学的发展,假肢和假器官会从外形、功能甚至组织结构上更加接近于真的肢体和器官。目前，人工晶体、人工肌肉、人造组织和人造骨骼等研究已相当深入，人体肌电信号和神经信号的提取已在实验室初步得到实现。人类将来会“克隆”出人的肢体和器官,这也许是机器人

15、在康复领域应用的最高境界。 先进的机器人技术引入到康复工程中的康复机器人，体现了康复医学和机器人技术的完美结合。康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展,也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。2.8.3典型代表Handy1康复机器人原型机 1) 基于桌面工作站的机械手这种机械手安装在一个彻底结构化的控制平台上,在固定的空间内操作。具有足够自由度的串联机器人再配上适

16、合残疾人使用的人机界面是这种机器人典型的设计模式。目前此类机器人已经达到了实用化,如法国CEA公司开发的MASTER系统、美国Tolfa Cor-poration开发的DEVAR系统,以及英国OxfordIntelligent Machines Ltd.开发的RAID系统等。此种类型的机械手是早期的 Fig.1 Earliest version of Handy1 工业机器人在康复领域的一次成功应用。1987年,英国人Mike Topping研制了Handy1康复机器人样机,使一个患有脑瘫的11岁男孩第一次能够独立就餐。随后他对样机的人机界面进行了改造,并且又研制了能满足更多用途的配套器械,从

17、而发明了历史上最成功的康复机器人。Handy1康复机器人是目前世界上最成功的一种低价的康复机器人系统，现在有100多名严重残疾的人经常在使用它。在许多发达国家都有人采用了这种机器人。目前正在生产的机器人能完成3种功能，是由3种可以拆卸的滑动托盘来分别实现的，它们是吃饭/喝水托盘，洗脸/刮脸/刷牙托盘以及化妆托盘，它们可以根据用户的不同要求提供。由于不同的用户要求不同，他们可能会要求增加或者去掉某种托盘，以适应他们身体残疾的情况，因而灵活地生产可更换的托盘是很重要的。部件多了就很复杂了，为此给这种机器人研制了一种新的控制器，它是以PC104技术为基础的。为了将来便于改进，设计了一种新颖的输入/输

18、出板，它可以插入PC104控制器。它具有以下能力：话音识别，语音合成，传感器的输入，手柄控制以及步进电机的输入等。可更换的组件式托盘装在Handy1的滑车上，通过一个16脚的插座，从内部连接到机器人的底座中。目前该系统可以识别十五种不同的托盘。通过机器人关节中电位计的反馈，启动后它可以自动进行比较。它还装有简单的查错程序。Handy1具有通话的能力，它可以在操作过程中为护理人员及用户提供有用的信息，所提供的信息可以是简单的操作指令及有益的指示，并可以用任何一种欧洲语言讲出来。这种装置可以大大提高Handy1的方便用户的能力，而且有助于突破语言的障碍。以进食为例，Handy1的工作过程是这样的：

19、在Handy1的托盘部分装有一个光扫描系统，它使用户能够从餐盘的任何部分选择食物。简而言之，一旦系统通电，餐盘中的事物就被分配到若干格中，共有7束光线在餐盘的后面从左向右扫描。用户只用等到光线扫到他想吃的食物的那一格的后面时，就可以按下单一的开关，启动Handy1。机器人前进到餐盘中所选中的部分，盛出一满勺食物送到用户的嘴里。用户可以按照自己希望的速度盛取食物，这一过程可以重复进行，只到盘子空了为止。机器人上的计算机始终跟踪盘子中被选中食物的地方，并自动控制扫描系统越过空了的地方。利用托盘上的第8束光线，用户在吃饭时可以够得到任何地方的饮料。Handy1的简单性以及多功能性提高了它对所有残疾人

20、群体以及护理人员的吸引力。该系统为有特殊需求的人们提供了较大的自主性，使他们增加了溶入到“正常”环境中的机会。2。中风病人在用MIT-MANUS治疗 神经运动康复治疗机器人目前这一类机器人的研究比较活跃,用来康复治疗与神经运动有关的疾病,包括中风(Stroke)、帕金森氏病 (Parkinsons Disease)和大脑性麻痹(Cerebral Pal-sy)。美国麻省理工学院研制了一种帮助中风患者康复治疗的机器人MIT-MANUS26,它有2个自由度,可以实现病人的肩、肘和手在水平和竖直平面内的运动。在治疗过程中,把病人中风的手臂固定在一个特制的手臂支撑套中,手臂支撑套固定在机器人臂的末端。

21、病人的手臂按计算机屏幕上规划好的特定轨迹运动,屏幕上显示出虚拟的机器人操作杆的运动轨迹,病人通过调整手臂的运动可以使两条曲线尽量重合,从而达到康复治疗的目的。如果病人的手臂不能主动运动,机器人臂可以像传统康复医疗中临床医生的做法那样带动病人的手臂运动。图4为MIT-MANUS在治疗中风病人。中风患者在出院之后，其后遗症状会持续数月甚至数年时间，而且这种症状治疗起来很是棘手。最近，美国波士顿的研究人员发明的一种机器人，能够帮助中风患者进行康复治疗，甚至对那些中风发生5年以上的患者也有效果。麻省理工学院和Spaulding康复医院的一个研究小组发明了一种被称为MIT-Manus的机器人，这是一种3

22、0英寸高的机械臂，可以与计算机屏幕相连接。如果将中风患者的手臂与机械臂捆在一起，机械臂可以带动患者的肩部和肘部运动，在计算机屏幕上显示为光标移动。机器人能够像康复治疗师一样锻炼中风患者的手臂，这将有助于恢复患者由于中风而瘫痪的肩部和肘部的运动功能。一般情况下，随着发病时间的延长，中风患者力量和运动功能恢复的希望会逐渐减小。但在最近召开的美国中风学会第27届国际研讨会上，研究人员称，使用这种被称为MIT-Manus的康复机器人，中风5年之后的患者也会有所改善。研究人员用这种康复机器人对20名病史在1到5年的中风患者进行了试验。这些患者在中风后出现了中度到重度损伤，生活无法自理，他们在MIT -Manus康复机器人的帮助下，进行被动、主动或抵抗性锻炼，每周三次，每次持续一小时，共六周时间。试验结果显示，对于那些中风很长时间的患者，在经过六周的机器人辅助康复锻炼之后，其力量和运动功能改善5。而对于那些新近发生中风的患者，进行相同的康复治疗，其力量和运动功能恢复10。尽管只进行了4到6周的机器人辅助康复治疗，但症状的改善到现在为止已经持续了3年时间。目前，这个研究小组正在研制开发能够帮助患者锻炼腕关节和手部的机器人。研究人员指出，这种治疗方法还可以用于脑损伤、多发性硬化症和其他神经系统疾病患者的治疗。.忽略此处.