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中国智能辅助器械与康复机器人的兴起与发展
张晓宇1，王凯旋2
1国家康复技术援助研究中心，中国，北京
2上海理工大学生物力学与康复工程研究所，中国，上海
1zxy1949519@163.com；2wkx1987@yeah.net
摘 要 本文介绍了智能辅助装置和康复机器人的概念和分类；家用智能辅助器具包括智能假肢，智能矫形器，智能助行器，智能家居环境控制辅助装置和智能生活辅助装置；家庭康复机器人包括上肢康复机器人，手部康复机器人，下肢康复机器人，机器人智能轮椅，智能护理床和日常护理机器人。本文还介绍了智能辅助装置和康复机器人的发展趋势。
关键词 中国；智能辅助设备；康复机器人
1 介绍
辅助器具是帮助残疾人补偿和改善生活功能和质量，提高社会生活能力的最直接和最有效的方式之一[1]。
2 智能辅助装置的概念和分类
人工智能被用作智能辅助装置的基本技术方法，在辅助装置的执行系统中组装一个模型，指导人体所有器官的运动，如同大脑一样，从而配备该装置的能力“感知外部环境变化”，“分析判断现状”，“控制全身各器官”，“提供操作结果反馈”。这种辅助器具具有非常快速的感知，并且可以根据不同任务的不同要求进行适当调整，因为它高度模拟人类收集感觉器官信息的能力，分析和归纳脑部信息以及大脑指向的身体运动。
智能辅助装置的概念是新颖的[2]。“残疾人智能生活辅助器具的研制与开发”在2011年被科技部社会发展部门列入“十一五”社会发展十佳科技成果二等奖。
智能辅助装置包括智能假肢，智能轮椅，智能矫形器，智能移动辅助装置，智能家居环境控制辅助装置，智能生活辅助装置，智能康复机器人等。“十一五”期间，科技部和工业部门积极推动智能辅助器具的研发工作，科技部通过技术支持计划，863计划，支持重大残疾人重大科研项目国家科技计划等，其中一些获得了一些高水平的科研成果，其中包括一些新的标志性智能生活辅助器材，为进一步研究奠定了坚实的基础，并在国内推广了智能辅助器具。
3 家用智能辅助设备
- 智能假肢
智能假肢是由人，计算机和控制系统组成的集成系统，也是康复辅助装置的重要发展方向。智能假体不同于传统的假，具有感知外部条件变化和适应能力，并带来更多的舒适感。
中国的智能膝关节研究始于1994年。在上海交通大学发明了生物机电一体化修复原型，中南大学发明的CIP-I智能假肢腿自然会跟随佩戴者的步伐。河北工业大学，国家康复技术援助研究中心，清华大学联合研制成功了国产智能假肢压迫膝关节。具备四连杆和气缸一体化设计的膝盖使用传感器来获得步态和速度识别。智能控制器可以根据佩戴者的行走速度自动调整气瓶阀门的开度，实时调整假肢的摆动速度（图1）。
图1 国内膝关节的智能假肢压力
2012年开发了气压阻尼可调智能假脚，实现了仿生脚踝一体化。已经开发了仿生大腿修复协调控制器，同时控制假肢膝关节和踝足的移动以及踝足装置的整合，已经为这些装置进行了性能测试和临床试验验证（图2）。
图2 仿生AK假肢
智能膝关节的研究（图3）是近年来上海理工大学生物力学与康复工程研究所承担的基于CMAC神经网络的智能控制跟随步态研究。
图3 智能膝关节
B．智能矫形器
国际上的智能矫形器也是一个全新的概念，本研究主要包括上肢智能矫形器和下肢智能矫形器。
从功能角度来看，属于矫形器类的外骨骼机器人（动力外骨骼）是可以紧贴佩戴者的肢体并一起移动的可穿戴式机器人，并且通过提供可以满足人的移动性和支持需求的外力。外骨骼康复机器人正在逐渐取代早期终端引导康复机器人。
近年来，中国科学院合肥智能机器研究所研究员Y.J.Ge开发了一种可穿戴辅助外骨骼，在人体姿态的传感器信号采集识别中取得了重要成果。基于液压控制的下肢动力骨骼是华东理工大学曹恒教授研制的，他在重负荷条件下探索了肢体柔软问题。上海交通大学，哈尔滨工程大学等研究机构对电力外骨骼智能矫形器进行了大量的研究工作。
1）上肢外骨骼机器人
20世纪90年代以来，浙江大学流体传动与控制国家重点实验室开始对人机综合理论进行研究，并逐渐推出了人机智能柔性外骨骼技术，上肢柔性外骨骼控制系统实际上已经开发了一种智能的上肢矫形器[3]。清华大学与中国人民解放军总医院联合研制的上肢康复机器人，经过十年的发展，第四代机器人训练机可翻转，将训练范围从二维扩展到三维，增加了双屏视觉反馈，训练效果更加明显，有三种训练模式将电刺激应用到康复过程中，并与斯坦福大学合作加入振动反馈感知系统，取得了一定的效果。上海理工大学生物力学与康复工程研究所开发了“外骨骼上肢康复机器人实验样机”。2012年，国家康复技术援助研究中心开发了上肢截肢患者康复虚拟训练系统和偏瘫患者上肢康复外骨骼训练系统（图4）。
图4 外骨骼训练系统
2）下肢外骨骼机器人
浙江大学的可穿戴下肢外骨骼步行机器人主要是帮助脑卒中患者在房间内进行康复治疗，防止患者肌肉萎缩萎缩，部分恢复患者的行走功能。没有上海交大开发的动力外骨骼康复机器人具有重力补偿功能，该机器人可用于肌肉力量从2到5的不完全性瘫痪或轻瘫，进行主动运动训练；哈尔滨工业大学设计并开发了下肢康复步行机构，其中包括身体上戴着的步行机构的隆起机构。通过这两种设备，患者可以在没有其他人帮助的情况下进行功能锻炼以恢复健康。最近上海大学开发了一种下肢步态矫形器。
清华大学（图5），上海交通大学，西安交通大学，天津大学，河北工业大学，中国科学院合肥智能机械研究所等相关研究机构正在研究下肢外骨骼技术，并在该领域得到了一些有益的探索[4]。
图5 清华大学研制的下肢外骨骼机器人
C．智能助行器
为了帮助和提高下肢功能障碍患者的步行能力，智能助行器已成为国内外机器人和康复领域的热门研究领域[5]。仰卧下肢步行机器人，多功能步行机器人已经成功发明。由清华大学和国家康复技术辅助研究中心联合开发的截瘫步行训练系统突破了关节技术，如关节反向传动和腰部 机构，轨迹规划和髋膝协调控制等。根据病人身高自动生成步态轨迹智能多关节协调运动控制系统进行设计，帮助截瘫等下肢运动功能障碍患者做好行走训练，恢复其行走功能。南开大学开发的全套移动步行辅助机器人具有人机协调的安全主从控制技术，具有全方位的零转弯半径，可识别人的意图，帮助行走（图6）
图6 移动助行机器人
- 智能家居环境控制辅助设备
智能环境控制辅助装置帮助严重残疾人士控制家中的家用电器设备，可用于打开门，打开窗帘，拨打电话，打开灯光和电视。系统的关键是在残疾人的功能和电气设备之间提供人机界面。所使用的功能通常是操作的某个部分，例如手指的微动，眼球运动，声音，吹气等等。人机界面由传感器，处理电路和信号传输装置组成，人体运动通过该传感器转化为电信号并与所需的操作设备耦合[6]。基于人机界面的环境控制系统的研究正引起全国的关注[7]。
我们的智能家居作为事物在现实生活中的应用越来越受到社会的广泛关注。 2010年成功开发了针对严重残疾人家庭环境的无障碍语音控制系统。智能家居终端，智能卧室眼睛操控仪，老年人智能家居技术集成平台等。
- 智能家居辅助设备
智能生活辅助装置是用于个人护理和保护的辅助装置的简称。它是辅助器械，由于一些残疾功能障碍无法完成一项或多项日常生活活动，提高了患者减少功能障碍所带来的不便的能力，从而使患者可以完成一些日常活动以更加有效，省时，高质量的方式完成以前无法完成的生活，增加生活的独立性。国内外智能生活辅助器具分为智能饮食辅助设备，厕所智能护理辅助设备，智能护理床，智能环境控制系统和日常护理机器人等几大类，相当多的智能生活辅助器具产品已经商业化并直接用于机构或家庭。
1）智能饮食辅助设备
最近，中国科技大学研制的家用智能型生活辅助器械机器人“科佳”用微波炉做爆米花。
2）重度残疾智能沐浴辅助设备
华中科技大学天津科技大学国家康复技术研究中心联合开发的重度残疾沐浴辅助设备首次系统地解决了严重残疾辅助浴的问题，提高了质量严重残疾人的生活。该项目包括基于人体工学设计浴室设备的结构，智能控制检测单元的技术，基于网络的紧急呼叫和报警技术。开发了两种用于严重伤残的辅助沐浴装置，一种是滑动辅助沐浴装置;另一种是带升降平台的辅助沐浴装置。严重残疾人可以通过语音控制水温，系统可以识别10种以上的语音命令，防止翻滚功能，具有淹溺报警功能和下降风险。该设备首先系统地解决了我国严重残疾人的辅助洗浴问题，提高了残疾人的生活质量（图7）。
图7 智能沐浴辅助设备
4 国内康复机机器人
康复机器人是一种新型的机器人。它属于医疗机器人的范围。它分为康复机器人和辅助康复机器人。康复机器人的主要功能是帮助患者完成运动功能训练的恢复，如步行训练，手臂训练，脊柱训练，颈部训练等。康复机器人通过数千次重复运动来驱动肢体训练，可以刺激和重建受控肢体运动的神经，从而恢复肢体运动功能，这是一种新的临床干预方式。
江苏大学（机械工程学院）与集美大学（机械工程学院）合作开发了一种新型中医骨伤科医疗按摩机器人。水星人公司已经成功开发了一种可以给人按摩和洗澡的机器人。该按摩机器人实现了自动寻找定位人体穴位，机器主动按摩，机械按摩的三项技术突破。
- 上肢康复机器人
自1992年以来，中国科学院智能机器研究所、沉阳自动化研究所，东南大学，北京航空航天大学，清华大学，哈尔滨工业大学等单位开展了力反馈式传输机器人和基于网络的远程上肢康复机器人的研究。自2001年以来，哈尔滨工业大学，清华大学，东南大学，哈尔滨工程大学等都对康复机器人的远程操作进行了研究。东南大学与西北大学智能机械系统实验室合作研制成功了一种实用的远程上肢康复系统，并成功开发出人体神经肌肉电信号智能检测仪和脑电探测仪。近年来，许多康复机器人研制成功，如肩肘康复机器人，肩关节康复机器人，手部康复机器人等复合运动，并进行临床应用，获得大量临床资料，初步结果在老年偏瘫患者康复中观察到；双关节康复器，五自由度上肢康复机器人，上肢偏瘫康复机器人和运动功能康复机器人等。
- 手康复机器人
国内研究机构开发了一些非市场导向的训练装置，如手功能康复仿生手套使用刺激电极对肌肉进行功能性电刺激。可穿戴多自由度手部功能康复机器人技术主要包括手部康复机器人原型的开发，主动意图患者的协同控制，虚拟现实技术等。这些研究机构开展了康复机器人远程操作技术研究，成功研究了实用的远程上肢康复系统，肌电信号智能检测仪和脑电信号智能检测仪。
- 下肢康复机器人
下肢康复机器人技术是国际技术前沿。我们的研究机构在新机制设计，控制策略，柔性驱动与控制，人机交互，虚拟现实，生物反馈自适应等诸多方面都取得了重大突破。 研究成果有躺卧位下肢康复机器人，多功能步行机器人。 哈尔滨工程大学，清华大学，昆山市工业技术研究院联合开发的多功能下肢康复机器人可以模拟正常人的步行轨迹来训练患者[8]。
由长安大学和陕西福音中大电子科技有限公司联合开发的截瘫康复机器人（图8）主要用于截瘫和行走的康复。它使患者能够像普通人一样站起来走路，是一个可穿戴式康复机器人，它由运动控制模块，传感器模块，伺服驱动系统和机械联动装置，低压直流电源等组成如图1所示。大腿和小腿分别用四个伺服电机驱动，在控制模块的作用下，患者可以做很多动作，例如站起来坐下，走路单步，连续走路，静止不动，楼下。机器人步态自然，安全可靠，具有自动和手动自由切换功能。该机器人适用于完全或不完全性脊髓损伤以及所有下肢肌肉无力的T4和T4的截瘫患者。
图8 截瘫康复机器人
清华大学季林红教授在2011年开发了基于直立床的多姿态下肢康复机器人（图9），为早期偏瘫患者提供了下肢肌肉和关节步态模拟的康复训练。他提出了一种下肢康复训练方法，通过非节奏运动有效刺激中枢神经系统，开发了基于站立式和轮椅式的外骨骼康复机器人和外骨骼康复机器人系统的下肢运动和步行能力训练系统，为需要早期康复的多关节协调运动和综合能力偏瘫患者提供设备和训练方法，预防早期并发症，填补国内空白。
图9 下肢康复机器人
自浙江省嘉兴市第二医院康复医疗中心运行一年以上的“Flexbot多姿势智能下肢康复机器人系统”以来，50多名中风患者实现了早期康复训练。
- 智能轮椅
智能轮椅是应用智能机器人技术的电动轮椅，融合了机器视觉，机器人导航与定位，模式识别，多传感器融合以及用户界面等多个领域。智能轮椅也被称为智能轮椅移动机器人或基于轮椅的康复机器人[9]。
中国科学院研制的自动导航智能轮椅是具有视觉和密码导航功能和语音与人互动的智能轮椅。这是该国第一个多模式交互式智能轮椅样机。 2012年开发的智能室内电动轮椅帮助行动系统的基本功能是：可以改变态度以满足用户躺卧，坐姿和站立的需要;您可以利用视觉伺服技术独立的交通床架;上下楼梯。上海交通大学开发了一种专为失去肢体功能的人设计的声控轮椅。用户可以简单地给出一些诸如“打开”，“前进”，“后退”，“左”，“右”，“快”，“慢”和“停止”的命令。轮椅可以识别指示的含义并在1.2秒内完成操作中的指示。国家“十一五”重点扶持的服务
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