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个人护理机器人：适用范围调查
摘要：
这项研究的目的是介绍机器人技术在日常生活活动（ADL）方面的技术进步，并介绍需要进一步研究的领域。搜索了四个数据库中的文章后发现，这些文章不仅展示了某种个人护理机器人系统的新颖设计和与这些系统有关的试验结果，还展示了九种不同的机器人个人护理系统，其中六篇是在2005年之后发表的。而且这六篇文章也都有与他们的试验有关的出版物。在大多数试验中，操作独立性随着机器人设备对ADL的特定子集的操作而改善。本研究介绍了个人护理机器人领域的当前状态。还需要进一步研究的领域包括改进反馈和意识，以及改进控制方法和预编程行为。开发一种价格合理，易于使用的系统将有助于填补目前商业市场的空白。
1.介绍
近年来，机器人技术在各种场合中的应用越来越普遍，尤其是在可以取代那些重复的或存在潜在危险的任务的时候。然而，虽然整个领域在迅速扩大，但家用服务机器人的细分领域仍然相对不发达。在操作过程中，这些机器人必须与人类进行非常密切地互动，而不是与他们的工业对象，因此生产商原本可行的系统也会面临挑战。本文旨在介绍个人护理机器人技术在日常生活活动（ADL）中的应用。为了达到本研究的目的，个人护理机器人将被定义为包含具有至少3个自由度的操纵器的系统，其能够通过与单个用户的交互执行日常活动。这些系统中的很多都是为患有上肢障碍（ULI）的个体开发的。 ULI指的是上肢功能缺陷，通常与获得性或先天性疾病有关。有许多可能的原因可能导致这种疾病，其中最常见的是脊髓损伤（SCI），中风，后天性脑损伤（ABI），脑瘫（CP）或肌萎缩侧索硬化（ALS）。也可能是各种各样的残疾，每个人都会经历不同的症状组合。因此，重要的是要考虑这种系统的潜在用户在设计和测试时的巨大差异。个人护理机器人的研究和开发可追溯到20世纪80年代[1]。但是，由于技术进步加快，大部分预付款发生在过去的12年。所有最新的技术都是建立在早期的设计这种系统的尝试的基础上的，因此在过去的12年中，该领域的所有相关发展都被认为是值得研究的。所以，本研究报告了该领域开发的所有机器人系统，但仅评估自2005年以来开发的系统。本研究还分析了2005年以来提出的所有系统的试验结果。这些设备主要基于其通过最大限度地减少护理人员参与来提高用户独立性的能力进行审查。其次，将每个系统帮助个人执行的任务进行比较，以呈现该领域当前状态的图片以及需要进一步研究的位置。在审查的过程中，用于确定个体独立程度的任务往往是日常生活活动的一部分[2]。ADL可能包括一些基本的活动，包括饮食，行动或卫生相关的任务。
日常生活中的工具性活动和仍然允许独立性的非基本活动也在辅助机器人技术中进行了研究，并在本文中进行了审查。通常情况下，他们会涉及更复杂的技能，如准备膳食或使用电话[2]。在目前的研究之前，2013年对桌面安装和轮椅安装的机器人手臂进行了ADL辅助检查[3]。有20项相关研究被确定，它们被分为两类：用户任务偏好和商业化开发辅助机器人操纵器的用户界面性能测量[3]。考虑到需要使用ADL任务进行临床试验评估性能并使用国际功能，将残疾和健康进行分类的研究也被提出了[3]。虽然此前的研究与目前关于机器人系统的研究具有相似的纳入标准，但它侧重于疗效评估的方法。本文将以创建该领域当前研究状态的地图的方式来报告系统本身。此外，这项研究还将包括用于ADL辅助的自动机器人系统，因此它们还具有导航和驱动能力，与必须具有安装基座的系统相反。
2.文献检索方法
在四个数据库上搜索的关于机器人系统个人护理的出版物如下：Elsevier Science Direct，IEEE Xplore，Google Scholar和PubMed Central Canada。针对包括“日常生活活动”或“个人护理”的文章以及包括词根“机器人”和包括“辅助技术”的文字进行检索。如前所述，过去12年提出的系统已经被进一步详细审查。
这些搜索总共涉及3475篇文章。最初的文章收集在一个共同的数据库中，重复的文章被删除了。然后采用纳入标准来缩小文章的数量，如下所述。文章必须提出一个由其原始研究团队设计的机器人系统，以帮助用户执行日常任务。它必须具有完全由试验参与者或个人用户控制的能力，并且必须实施包括速度在内的安全功能，控制功能和紧急停止功能。此外，还介绍了评估这些机械手设计和性能研究的文章。并且制定了一套排除标准，以帮助完善评论中包含的文章。如果他们提供的系统的功能超出了为ADL提供帮助的范围，则不包括在内。例如仅用于娱乐或社交目的的机器人，或者在医疗领域内具有其他用途的机器人。如果他们没有完成他们各自系统的完整设计或试验，研究也被排除在外。因此，只有准备进入临床试验或已经完成临床试验的设计才被包括在内。
对该领域意义重大的人类机器人项目[4-6]也超出了本文的范围。该项目展示了一个案例研究，其中通用机器人（来自Willow Garage的PR2）适用于四肢瘫痪的个体进行独立抓挠和剃刮等活动。 虽然它提供了有价值的概念证明，但这篇文章和其他介绍提高ADL护理性能的通用机器人的文章被排除在关键评估之外。在文献回顾和选择过程的每个步骤中除去的文章的过程和数量可以在图1中看到。
在应用纳入标准，消除重复并对其他相关文章进行参考搜索之后，15篇文章被认为可以包括在这项研究内。这些文章提出了9种新颖的机器人系统，其中6种是自2005年以来就已经被开发并进行了研究，而且提出了其功效试验。
3.回顾
3.1机器人个人护理系统
科学文献提供了各种个人护理机器人的资料，这些机器人用于帮助个人进行日常生活活动。这些系统中已经有一些可以在市场上买到。表1包含这些系统的名称、它们最初出现在文献中的年份，以及它们是用于研究还是用于商业目的。它还显示了控制每个操纵器的自由度（DOF）和方法（s）。
2005年之前的机器人系统是该领域的首次发展，并为进一步的技术进步奠定了基础[7-10]。本研究评估的许多系统都基于这些早期设备中提供的技术。以下简要介绍了自2005年以来开发的每个系统的独特之处。
Care-O-Bot系统的第三版于2009年发布[9]。这个系统的目的是协助诸如对象获取和操作之类的任务，并且具有导航，对象学习和对象检测能力[9]。机器人不仅有全向驱动器，还有一个用于导航和接口的传感器阵列，而且还给机器人手臂配备了一个包含触觉传感器的三指夹持器[9]。
Care-O-Bot最近一次迭代于2015年发布，Care-O-Bot 4作为通用机器人管家销售，主要用于提取和操作各种日常家庭用品。由于它是一种更通用的服务设备，与专门针对ADL性能的目标相反，因此文献中未对此迭代进行试验。
2011年，Kinova的公司开发的名为JACO的机器人在商业版和研究版中都可以买到[12]。该机器人被专门设计用于帮助身体残疾的个人执行ADL。该系统的一个独特之处在于，如果上肢运动受损，其操纵杆可以由使用者的脚安装[12]。这种控制系统的方法可以限制潜在用户的数量，这些用户对于用至少一个肢体来操作操纵杆所需的特定水平的肌肉控制的人员是有限制的。
最近，在2016年，发布了关于改进的高级功能的发现，这些功能已被添加到JACO中，通过增加可实现的任务数量和减少执行各种任务所需的时间来提高用户的安全性和自主性[16]。这些先进的功能包括使倾倒动作更容易的饮用模式，痉挛过滤器，自定义预置位置和轨迹，自动定位，单点回避算法和可变的最大线速度，其可由用户设定为4至20厘米/ s [16]。这些功能已经通过了一些初步测试，并取得了积极成果，但尚未在正式试用中评估。
2012年，MATS家庭护理组的新版本被称为ASIBOT [17]。该系统非常独特，因为操纵器的任何一端都可以作为系统的基座，或者末端执行器，其具有执行任务并与用户交互的功能[13]。这极大地扩展了机器人的潜在工作空间，因为可以安装多个基站，以使机器人能够根据需要攀爬并围绕个人移动。
接下来介绍个人移动和操作装置（PerMMA），该系统的主要目标是为身体残疾人士提供一种改进的物体操纵手段[14]。这个系统的独特之处在于使用了两个Manus。
辅助机器人操作器（ARM）安装在电动轮椅的两侧，可进行双手操作[14]。此外，摄像机安装在每个肩部以提供视觉反馈，并且内置无线通信模块以允许系统进行通信以获得技术支持。它也能够被远程操作员控制[14]。
最后，2015年发布的一项研究对霍比特人 - 互助机器人的原型进行了评估。该系统旨在支持家庭环境中的独立生活，因此其功能是预防跌倒和紧急检测和处理[15]。其次要功能包括取物，提醒和娱乐[15]。用户交互通过多模式用户界面（MMUI）进行。该设备还没有纳入许多其他机器人的日常生活中与卫生相关的活动。
总的来说，本研究中检查的系统可以分为两大类：需要导航和避障功能的自治系统，或轮椅和桌面上的已安装系统。 MOVAID，Care-O-Bot和Hobbit属于前者类别，而Handy 1，Manus，MATS，JACO，ASIBOT，PerMMA和Hobbit属于后者。但是，所有这些系统的主要目标都是增加ADL和IADL期间的用户独立性。
两组之间的主要区别在于提高用户独立性的方法。自主机器人倾向于执行物体抓取和操纵任务，以及紧急检测和预防。相比之下，安装的胳膊作为功能性肢体来帮助用户进行需要达到灵活性的活动，但是还必须在其工具末端与用户的头部和颈部紧密接触的情况下具有高度功能性的工作。ADL期间这两种方法都可以帮助用户获得独立性，这取决于他们的具体需求。
3.2 试点试验和实验研究
表2总结了迄今为止在这些系统上进行的涉及ADL和IADL性能期间的功效评估的试验。 由于没有评估这些设备的通用方法，因此对每个试验都单独进行了检查。缺乏一致性使得系统彼此之间的比较更加困难，但需要进一步研究的领域才能准确定义。除了这些研究之外，还有一些附加的结果可以帮助确定未来发展的重要优先事项。
3.3 任务优先级结果
在ASIBOT上进行的研究还将任务优先级纳入收集的信息中，以确定哪些功能对于这些设备执行最重要。我们发现用户最重视的是个人卫生等活动如刷牙，梳头和化妆[13]。次要优先事项包括取物和操纵物体，饮食和饮酒[13]。在这个试验中，关于该系统的改进建议是将尺寸缩小，加强机器人移动的便捷性，拥有更好的自然语音识别能力[13]。
此外，在为了协助开发Care-O-Bot 3而开展的项目的一项研究中，提出了一组类似的结果。参与者包括41名老年患者，40名正式照顾者和32名非正式照顾者[22]。据报道，最重要的优先活动领域是流动性，自我保健和社会独立[22]。使用这些优先级进行研究，设备的潜在用户可以为未来设计最重要的功能。
4.讨论
从所呈现的结果可以看出，在设计能够辅助个人护理任务独立性的设备方面已经取得了一些成功。并且有一小部分试验已经完成。由于这是机器人操纵器的一个相对较新的应用，因此该领域仍有许多研究要做。
自2005年以来，我们已对六个系统进行了评估。所有这些系统的每个臂的自由度在5到8度之间，并且均包含用于研究目的的版本。其中三种系统也可以在市场上买到：Care-O-Bot，JACO和iARM。所有这些试验都考察了机器人在提高独立完成度方面的功效ADL。在某些情况下，需要进一步的试验来测试更大范围的症状严重程度，获得足够大的样本以获得统计推断，加强现场文献，并完善机器人辅助独立的能力。
4.1 接口和控制
在五个系统中，有三个可以提供多种接口选项，包括操纵杆，触摸屏，语音命令和手势识别[13-15]。所有系统都提供操纵杆或触摸屏控制，从而使这些成为最常见的选项。对于许多ULI患者，其运动能力降低可能会导致难以选择触摸屏上的特定项目或控制操纵杆。这限制了研究参与者以及可能的最终用户的标准。
语音命令控制功能也可以在其中两个系统里使用[13,15]。其中一项研究发现，语音命令需要非常谨慎地选择，并且要能够使用户直观的控制这种方法[15]。同时我们还发现，目前需要进一步的研究来完善预先编制的任务并在执行时保持适应性[13]。虽然不适用于某些患者群体，例如那些由于CP或ALS导致言语困难的患者群体，但对于运动障碍患者应进一步探索此控制方法，因为它可以极大地增加包括SCI和ABI在内的各种患者群体的潜在用户数量。未来可能会增加其他控制方法，以便增加可能从此类系统中受益的非语言用户。
最后应该指出的是，通过Chung等人的研究，让用户自己选择提供各种接口选项可能是最佳选择。本研究将iARM设备上的简单键盘接口与JACO的操纵杆控制系统进行了比较[21]。结果发现，对于具有较高程度损害的用户而言，简单的基于开关的键盘更有可能使他们完成任务。但是，对于受损程度较轻的用户而言，更高的控制水平，操纵杆使任务更快，则更容易完成任务[21]。由于ULI症状的原因和严重程度的变化，需要多种解决控制问题的方法。
4.2易用性和安全性
除了不同的人机接口选项外，其中五项试验收集了参与者关于使用该系统的经验的定性反馈。由于这些技术都是用于家庭日常使用的技术，因此让用户独立使用设备非常重要。机器人的使用体验也必须被用户认为至少与人类看护者一样成功，以协助ADL使该设备值得购买和安装。
在与JACO机械手相关的一组试验中，关于易用性的评分非常高。在他们学习并实践了系统的基本动作的前提下，平均有94.3％的参与者将这些活动描述为非常容易[12]。ASIBOT在这方面也取得了积极成果，因为它的实用性和易用性，平均得分为0.8，评分为-2到 2，[13]。
PerMMA系统在这方面也获得了正数，该设备的平均评分为0plusmn;10分，为7.0plusmn;1.7 [14]。最后，虽然没有报道与霍比特人互助机器人有关的试验数据，但据称，用户大多喜欢这些试验，并发现通过与设备交互可以很容易地完成任务[15]。
在这些研究期间
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