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1、背景,随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势，仅日本机器人市场，2010 年上升到 大约1，050，000 美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位。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。,康复机器人是康复设备的一种类型，其中以欧美和日本的成果最为显著。在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复机器人研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求，有待进一步的研究和发展。,康复机器人的种类,1辅助型康复机器人 主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产
2、品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。 2康复训练机器人 主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。,目前，康复机器人的研究主要集中在康复机械手和康复治疗机器人等几个方面,康复机械手的研究现状,3 类： （1）基于桌面的机械手 （2）基于轮椅的机械手。 （3）基于移动机器人的机械手。,（1）基于桌面的机械手,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
3、系统、美国的 Tolfa Corportion 开发的 DEVAR 系统，以及英国的 OxfordIntelligent Machines Ltd.开发的 RAID 系统等。,（2）基于轮椅的机械手。,这种机器人是安装在轮椅上的，是因为轮椅的移动扩大了机械手的工作范围，同时由于安装基座的改变致使机械手的刚性下降和抓取精度的降低，这种机械手也只是用于用于轮椅的患者，这是一点不足。,这种机械手已经成为面向应用的流行设计，KARES5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，能够帮助行动不便的老人和残疾人独立的行动。,（3）基于移动机器人的机械手。,这类机械手是目前
4、最先进的康复机械手，这种机械手安装在移动的机器人或者半自主的小车上从而适用于更多的患者使用，同时扩大了机械手的活动空间并提高了抓取的精度。,S. Tachi 等人在 MIT 日本实验室研制了一种移动式康复机器人 MELDOG6 ，作为“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 ARPH7，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工作。,这种机械手系统都是需要由视觉、灵巧操作、运动、传感、导航及系统控制等电子系统组成，要求比较高，价格也是相对的比较昂贵。,康复治疗机器人研究现状,康复治疗机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，不
5、再把机器人当作辅助患者的工具，而是把机器人和计算机当作提高临床康复效率的新型治疗工具。康复治疗机器人在医疗实践上主要是用于恢复患者肢体运动系统的功能。,当人的肢体受外伤烧伤或做手术后，由于受伤组织的皮肤、韧带和肌肉失去弹性而导致肢体运动的速度和范围受到限制。生物力学或生物物理化学类型的应用就是使用机器人系统来打破受伤肢体的运动范围。,从现有文献及临床需要来看，今后上肢康复机器人系统的研究可能集中在以下几个方面： 1. 康复医疗机器人系统设计 2. 控制策略与运动模式的设计 3. 力反馈 4. 安全机制 5. 康复效果的评价机制,相关研究课题举例,本上肢康复训练机器人用于中风偏瘫患者的康复训练。
6、 采用穿戴式外骨骼设计，由气动驱动。 该机器人既能直接准确地模拟手臂的各种运动，又能利用患者的一侧健康手臂自主运动信息直接驱动患者另一侧患肢作随动康复运动。,步行康复训练机器人,近 年 来 减 重 步 行 训 在 临床上 的应 用越开越 广泛 它 主要是用减重 吊带使患者步行 时下肢 负重减少 ，借助 于运 动 平板进行步行能力训练。在训练时一般需要两名治疗师 一名 帮助患者 腿摆动 、 支撑期 患足跟 着地 防止 支撑期膝 过 伸 。另一名帮助患 者进行 身体重 心转移 、 髋 伸展 、 骨盆旋转 ， 并保持患 者躯 干的直立。,自 2 0世纪 9 0年代初 以来 国内外 多家研究机 构利用
7、机 器人技术相 继开展 了代替 理疗师辅 助 患者 自动完成减重步行康复训练的设备 利 用这种康复训练 机器人进行步行康复训练 不仅减轻 了治 疗师 的工作强 度，而且步行 训练参数重 复性好 ， 时相 指标可 以准确设 定 ，能够 有效加快康复进程 ， 提高疗效 。,新型柔性三维力温度触觉传感器阵列设,随着智能机器人广泛的应用于人体健康、体育训练、康复医疗、生物等诸多领域，传感器的多功能化成为传感器发展的趋势。 Alirezaei等人利用压力敏感导电橡胶研制了应用于机器人关节部位能实现柔性变形的触觉分布式传感。 Hidekuni等人利用硅IC的柔性变形技术设计了具有压力、硬度和温度分布敏感的
8、集成式触觉传感器阵列。,陆伟等人设计并制作了一种新型的柔性三维力温度触觉传感器阵列。三维力和温度传感器采用新型的柔性力学敏感和温度敏感材料，凹凸状交替排布组成柔性触觉传感器阵列。该柔性三维力温度触觉传感器阵列具备同时检测三维力和温度的功能，可应用于机器人手指等部位。,脊柱外科机器人系统,传统脊柱减压椎管磨削手术 完全依赖医生的技术和经验，无法掌控磨削信息 医生易疲劳，手术强度大、风险高 手术技巧要求高，无法广泛开展,研究任务,由北京航空航天大学机器人所与北京大学第三医院合作，研究一种基于力反馈控制策略的脊柱外科机器人系统，用于磨削椎壁至合适厚度，解除受压神经与脊髓，辅助医生实现安全的手术磨削操
9、作。 解决手术安全性问题 实时监控磨削信息，路径规划。 控制方法与策略的恰当选择是关键,2 机器人系统结构设计,机器人系统结构图,总体方案设计 机器人本体、运动控制系统、传感检测系统、运动规划模块,意义与展望,机器人具备许多人类所无法比拟的优点，例如：长期、稳定地重复训练，精确、客观地测定训练与运动参数，提供实时反馈、远程训练等。但是，目前康复训练机器人的研究仍然处于起步阶段。从近年的发展看，美国的著名大学如 MIT，Stanford，Northwestern 等对这一领域的研究都十分重视，处于世界领先。国内的研究基础和对这一领域的了解和把握与上述领先单位的差距并不很大，但在经费投入方面严重不足。,由于我国的康复医学事业仍然处于起步阶段，但患者数量多、治疗师资源缺乏，据此现状，发展康复训练医疗机器人系统更具实际意义。随着康复医疗机器人的研究和使用，有望简化医师与患者“一对一”的繁重治疗过程，推动残疾人“人人享有康复服务”这一目标的实现，提高残疾人的生活质量。同时，通过临床上使用积累的大量数据，将有助于认识训练参数与康复效果之间的关系，从而能够在机器人辅助脑神经康复治疗上取得更大的突破。因此，康复医疗训练机器人技术在现代康复医学和神经反馈训练有广泛的应用前景。,