遥操作与远程康复训练机器人.ppt

遥操作与远程康复训练机器人 遥操作 遥操作就是人操纵主机器人进行相应的动 作，通过通信线路，该操作信号传输到远 距离人难以接近或有危害的环境中，指挥 从机器人完成相应的操作。 在遥操作系统中因为借助了人的感知能力 和智慧、经验等，克服了完全自主式机器 人在传感，智能方面的限制，从而使得从 机器人能在陌生和动态的系统中更加有效 地执行任务。 遥操作 上图为遥操作机器人系统的示意图，在图中，人 操纵机械手（机器人的手臂）末端，进行一个相 应的动作，在远程的机械手要跟随这个动作，同 时将从机械手与环境的交互信号（力）传回给人， 使人受到相类似的作用力。 图的中间部分是用电脑虚拟出从机械手与环境的 交互过程，并将虚拟的环境力作用在人手上，则 人能够立即感受到环境的力。整个系统的设计的 难点在于时延的固有性，系统的稳定性和透明性 （对人来说，就像没有主从机械手一样，直接与 环境作用，这就是理想的透明性） 远程康复训练机器人 研究背景及意义 国内外现状 目前存在的问题 研究背景及意义 脑卒中（ strock）已成为三大主要致死疾病 之一。在老龄人群中有大量的脑血管疾病 或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有 偏瘫症状。 脑卒中又名脑血管意外、中风是指脑部缺 血性病变或出血性病变所形成的疾病，发 生在由于脑血管血栓或脑血管破裂出血而 导致出现脑供血的中断。 研究背景及意义 脑卒中具有高死亡率、高复发率以及高致 残率等特点，是严重影响人们的生存质量 及生命的疾病。世界卫生组织将这种病确 定为当今人类的第一杀手。 中风后遗症的康复治疗是指对发生中风以 后所遗留下的半身不遂、语言障碍等残疾 症，综合协调地采用各种有效措施，减轻 残疾和因残疾所带来的后果。 研究背景及意义 有作者较早前就提出要加强脑卒中患者手 术后的康复。国内有研究观察了综合性康 复治疗对脑卒中偏瘫患者 3-6个月的日常生 活活动能力和运动功能的影响，在评估时 发现患者的运动功能有较大的改善，明显 地降低了患者的功能障碍，提高了其生存 质量。 研究背景及意义 脑卒中患者的术后康复除了必要的药物治 疗外，最不可或缺的还有康复治疗中的物 理治疗、作业治疗等治疗的支持。一些学 者的研究表明，脑卒中后的上肢的运动再 学习和康复的水平提高与强化的康复训练 有关，大量的重复训练是非常有效的训练 方法。 研究背景及意义 目前，康复训练的传统方法主要是依赖于理论的 物理疗法和医师对患者进行手把手的指导和训练。 这种方式存在一些问题： 1、训练效率低下，治疗效果多取决于康复医师的 经验和水平； 2、康复评价指标不够客观； 3、无法建立训练参数和康复指标之间的对应关系， 不利于中风患者神经康复规律的深入研究； 4、出院患者接受大强度或长期的治疗也将很大程 度上受到条件的限制。 研究背景及意义 随着计算机网络技术和遥操作机器人技术的 发展，遥操作机器人技术逐渐开始应用于远 程医疗、远程手术、远程康复等领域。 将这些技术研究应用于康复训练，可使机器 人在一对多模式下进行远程康复训练患者， 从而帮助有限的康复医师为更多的患者服务， 解决传统训练方法存在的问题。 国内外研究现状 20世纪 80年代是康复机器人研究的起步阶段，美 国、英国在康复机器人方面的研究处于世界的领 先地位，直到 1990年以后康复机器人的研究才进 入到全面发展时期。 康复机器人属于医疗机器人范畴，是机器人技术 在医疗领域中的新应用。康复机器人具体又可分 为康复训练机器人和功能辅助型机器人两种。 前者的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的 恢复性训练，如人的下肢行走训练、手臂运动训 练、脊椎牵引运动训练、颈部运动训练等；后者 的主要功能是用来帮助肢体有运动困难的患者完 成各种运动，如智能轮椅、导盲手杖、机器人假 肢等。 功能辅助型机器人 早期的康复机器人都属于辅助型，首先出现了工 作站形式的康复机器人，它们将现有的电动臂和 专门设计的工作台相结合，由程序化的指令控制 手臂拿取工作台上的物品。如在 TIDE （ Technology Initiative for the Disabled and Elderly）框架资助下，欧盟开发了 PARTNER和 MOVAID用于照顾老年人和残疾人的半自主模块 化机器人，其目的是对身体严重残疾或卧床不起 的用户提供更多更好照顾的机器人辅助系统。 功能辅助型机器人 80年代初德国的斯坦福大学开发了几代基 于 Puma 260工业机器人的 De-VAR工作站， 具有较强的实用价值，其中 De-VAR IV将 Puma手臂颠倒装在顶棚的轨道上，增进了 工作空间，适合在办公环境中使用。 功能辅助型机器人 1987年英国的 Topping等研制的 Handy 1可以独立 的帮助一名患有脑瘫的 11岁儿童进食，经不断的 改进，现在的 Handy 1除了可以辅助残疾人进食 喝水，还能够帮助他们清洗、刷牙、刮胡子甚至 化妆等，为残疾人的生活提供了很多方便。 该机器人是一台低成本、设计新颖、结构紧凑并 已市场化的康复机器人，现在在英国、美国、法 国、德国、日本等国家有 100多名严重残疾的人 在使用它。是目前最为成功的辅助型康复机器人 之一。 功能辅助型机器人 90年代后，为了给残疾人和失去行走能力的老年 人提供优异的代步工具，研制出各种智能轮椅。 各类传感器和高效的信息处理及控制技术在轮椅 上的应用，使轮椅具有避障、路径规划和自主导 航等功能，成为了高度自动化的智能移动机器人。 麻省理工智能实验室的 Wheelesley智能轮椅，为 一个半自主式机器人轮椅，配备有计算机控制和 传感器的电动轮椅，还装有一个笔记本电脑用于 人机界面交互。 系统有两种级别的控制：高级方向指令和低级计 算机控制路线，用户拥有最高控制级别。 功能辅助型机器人 系统由两部分组成，智能轮椅系统提供低级控制， 避障和保证正确的运动方向；用户和轮椅之间的人 机界面提供高级控制。 这个智能轮椅允许用户通过三种方式来进行控制： 菜单、操纵杆和用户界面。菜单模式下，轮椅的操 作类似于一般的电动轮椅。 在操纵杆模式下，用户通过操纵杆发出方向命令来 避障。 用户界面模式下，用户和机器之间仅需通过用户眼 睛运动来控制轮椅，即用鹰眼系统来进行驱动。 功能辅助型机器人 2000年，德国的 Friend I系统是将一个 MANUS机器人手臂安装在电动轮椅上，由 语音识别系统控制。轮椅的左面安装了一 个小平台和一个平板显示器。系统以程序 化运动和用户控制运动两种模式工作。 在 程序化模式中，操作对象必须放在平台的 固定位置上，用户发出简单的命令来调用 模块化的程序完成一套动作。在用户控制 模式下手臂可根据用户的语音命令工作。 功能辅助型机器人 在 FRIEND I的基础上，在 2004 年推出了智 能化更高、人性化更好的 FRIEND II，该系 统集成了 ATMEC Robotic GmbH公司生产 的模块化手臂和 5 指手抓，并利用视觉伺服 帮助残疾人操作手臂。 康复训练机器人 康复训练机器人针对上肢功能康复的最早 的设想来自 Dijkers（ 1991），他设计了一 种简单的机器人供脑卒中患者上肢使用， 可以简单的进行重复运动，并记录患者治 疗的结果。 1993年美国的 Lum等人研制了一种称作 手 物体 手的系统 (hand-object-hand system)，尝试对一只手功能受损的患者进 行康复训练。 康复训练机器人 这种双手物理治疗辅助机器包括两个置于桌面上、 可绕转轴转动的夹板状手柄，其中一个手柄下端 连接在驱动电机上，电机可以辅助患者完成动作。 该机器主要帮助完成两个任务动作的训练：双手 移动和双手挤压。双手移动任务要求两手夹持某 一物体作前后往返运动，挤压运动要求在物体上 产生需要的抓取力。为限制自由度数目，患者双 手要放置在刚性手柄上，以阻止手腕屈伸。 康复训练机器人 1995年 Lum等又研制了一种双手上举的康复器 (bimanual lifting rehabilitator)，用来训练患者用 双手将物体上举这一动作。该系统虽为两自由度 的连杆机构，但只用于做肩关节的旋转训练。当 患者双手握住手柄将其举起杆 2时，设备既可测量 被举物体的垂直位置及倾斜角度参数，也可以在 左手（患侧手）无法产生足够大的力时，杆 1 可 以予以辅助受损左臂完成动作，机器所施加的力 可以按患者的需要改变，从而保持上举动作的平 衡，然后再将其放在桌面上。 康复训练机器人 1998年美国麻省理工学院的 Krebs和 Hogan等研 制出一种称作 MIT-MANUS的脑神经辅助康复机 器人并已应用于临床，制作它的主要目的是提供 一种新型的康复训练工作站，用来对中风后上肢 运动功能丧失的患者进行肢体运动和操纵技巧练 习。 该机器人是一种 30英寸高、连杆机构的机械臂， 它由两个无刷电机直接驱动，可以带动患肢肘部 和前臂作两自由度的平面运动，也可通过一组弹 簧，实现小范围的被动垂直运动，同时也可以测 量手的平面运动参数，而且运动轨迹可以通过计 算机屏幕为患者提供反馈。 康复训练机器人 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 和肘部运动机能。研究结果显示，这种 MIT- MANUS机器人不仅能够帮助轻微的中风患者进行 康复治疗，此机器人甚至对那些中风发生 5年以上 的患者也有效果。 麻省理工学院还将在现有的 MIT-MANUS的基础 上研制新的一代一对多和远程康复机训练器人。 康复训练机器人 2000年美国的 Reinkensmeyer等研制了另一种辅 助康复和测量导向器（ ARM Guide），主要针对 抓取时上臂的动作进行设计，用来辅助治疗和测量 脑损伤患者上肢运动功能。 该设备为单电机驱动的三自由度装置，包括一个直 线轨道，其俯仰角和水平面的倾斜角可以调整。 实验中患者的前臂和手绑在特殊设计的夹板上，该 夹板可以沿直线约束滑动。当需要向前臂施加力时， 电机带动传动链，从而使与传动链相连的夹板动作 沿直线轨道运动，传感器可以记录患者前臂所产生 的力。 康复训练机器人 以英国 Reading大学为首的欧洲跨国研究小 组，于 2002年研制出一种叫做 GENTLE/S的 上肢康复训练机器人，基本功能与 MIT- MANUS相似。 其机械臂的结构更简单、紧凑，机械臂为三 自由度的升降式摇臂结构，机械臂的腕部带 有三个被动自由度，可实现手臂的三维运动， 它结合了虚拟现实技术，通过电脑屏幕对患 者实施生物反馈，使患者训练时更加具有吸 引力和临场感。 康复训练机器人 同年，由美国的 Lum等研制了一种实现机器人辅助 移动上肢装置的样机，该装置称作镜像运动使能器 （ mirror-image motion enabler： MIME）。此系 统由伺服电机驱动，包含有左右两个可移动的手臂 支撑（将胳膊的运动限制在水平面内），一个六自 由度的机器人臂（ PUMA-560）。 患者前臂用夹板夹住，手腕处于夹板中部位置，手 臂支撑由工业机器人 Puma 560操纵，通过直接控 制前臂的移动位置和方向，使上肢在一平面内预先 设定的简单轨迹上移动。 康复训练机器人 瑞士苏黎士联邦工业大学（ ETH）在腿部康复机构、 走步状态方面取得了一些成果，开发了 LOKOMAT 康复机器人系统，用于有运动损伤、脊椎损伤等患 者康复训练。 该机器人有一套悬吊装置来平衡人体的部分重力， 用一套可旋转的平行四边形机构控制平衡，只允许 患者在走路过程中的向上和向下运动，患者不必自 己维持上半身在竖立面内。为了适应不同患者的需 要，此系统的各个关节均可调整。为了让患者感到 舒适，所以与患者接触的都是宽软的绑带。在对患 者进行康复实验中取得了很好的效果。 康复训练机器人 瑞士的 Mihelj， Nef等人研制的手臂康复机器 人 ARMin。其采用不完全外骨骼结构， 使得肩部的安装误差不会给人的手臂带来压 力。 机器人有六个自由度，配有力传感器和位移 传感器，安全性高，提供四种控制模式，分 别为预记录轨迹模式、指定运动治疗模式、 示教模式、患者主动力模式。 康复训练机器人 日本的 Noritsugu等人用四块橡胶人造肌肉构 造了一个 2自由度的治疗机器人。 机器人采用阻抗控制，可以针对病人的身体 状况，为了实现不同的治疗模式提供不同的 理疗方式。此外为了更加有效的进行康复训 练，理解患者的身体情况也很重要，因此该 机器人将人手臂的机械阻抗当作康复效果的 目标评价。 国内研究现状 我国对康复机器人的研究起步比较晚，辅 助型的康复机器人的研究成果相对较多， 康复训练机器人的方面成果相对较少。目 前，国内在该领域进行研究的主要有清华 大学、东南大学、上海交通大学、复旦大 学、浙江大学、哈尔滨工程大学和哈尔滨 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”。 国内研究现状 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。其原理 是借助仪器，通过意识控制动作的反复训练，伴 随信息转化、生物反馈、生物控制和功能训练过 程，不断调节和增强脑的指令，从而提高中枢神 经系统和骨骼肌肉系统的支配和控制能力，消除 控制机能障碍和运动障碍，改善直至恢复机能状 态。 国内研究现状 清华大学在国家“ 863”计划支持下，从 2000年起即开展了机器人辅助神经康复的 研究，研制了两款上肢复合运动康复训练 机，他们都可以在平面内进行两个自由度 的运行训练。 国内研究现状 东南大学从 2004年起也开展了康复机器人 技术的研究，并设计了一套上肢康复训练 机器人系统。此系统现可以实现被动、主 动和带阻尼主动三种锻炼模式和一对多的 训练模式，并为了能够为治疗医师提供客 观的病人康复信息，系统还建立了患者信 息数据库。同时，为了吸引患者的更积极 的参与训练，系统利用虚拟现实技术设计 了不同难易程度的多套游戏系统。 国内研究现状 浙江大学机械与能源工程学院通过动力学 建模与仿真以及机械结构的设计及仿真， 开发研制出一套下肢外骨骼康复机器人的 原型系统，并对于不同训练阶段的患者应 该采取不同的控制策略进行了初步的研究。 国内研究现状 哈尔滨工程大学的下肢康复训练机器人是 通过步态和姿态控制系统模拟正常人行走 的步态、踩关节的运动姿态，通过重心控 制系统控制重心的运动规律，两个系统协 调运动带动下肢做行走运动，实现对下肢 各个关节的运动训练。通过对患者的被动 步态训练来达到康复的目的。 国内研究现状 哈尔滨工业大学的王东岩、孙立宁等研制的 5自由 度外骨骼式上肢康复机器人，也属于辅助型康复 机器人的范畴。此系统采用硬铝材质的双边结构， 在保持刚性的前提下减轻了机器人本体的质量， 机器人上臂和前臂部分的长度可调节功能使该机 械臂应用于身高不同的人，调节机器人位姿可进 行左右手穿戴，并可以实现患者的肩部外展、肩 部前屈、肘部伸展、腕部屈伸 4个单关节的运动， 及日常生活活动涉及的进食和提裤 2个多关节复合 运动。 (a)肩部屈伸 (b)肩部外展 (c)肘部曲伸 (d)腕部屈伸 (e)提裤 (f)进食 初步结论 在与传统医师辅助下进行的康复运动训练相比 较，可以做出对现有治疗机器人的总结如下： 1、患者可以接受机器人辅助治疗，治疗过程更具有吸引力； 2、合理的机器人设计可以确保患者和治疗师使用的安全性； 3、使用治疗机器人进行康复训练确实具有治疗效果，治疗师对治疗机器 人的应用前景表示乐观； 4、机器人可以记录详实的治疗数据及图形，不仅为开发新的治疗效果评 价手段提供了技术基础，而且为深入研究人体运动规律以及大脑与肢体 的控制与影响关系提供了另一种途径； 由于机器人可以帮助患者进行更长时间的严格定量的运动康复训练，因 此使用机器人辅助治疗在提高效率方面具有极大的潜力。 目前存在的问题 患者训练动作种类相对较少且仅限于重复某些单 一或简单的动作，患者肢体的活动范围主要限于 训练身体正前方，运动幅度比较小，不能以大范 围活动关节和较多关节的复杂活动为目标，从而 未能够充分提供中枢神经康复所需的运动刺激； 一般仅限于水平面运动（ MIME 可以训练一些三 维运动），不能进行三维或更多维的运动训练， 从而仅限于某些关节、肌肉群或局部神经系统的 康复； 目前存在的问题 机械手一般都是夹持患肢上的某一个点进 行运动，使患肢上各关节的运动过程产生 不确定性，不能控制某些特定肌肉的运动 过程； 机器人的对患者的肘关节支撑托架不够灵 活，且只有单一的支撑功能，不能根据不 同情况允许患者进行自主支撑，不利于患 者充分发挥患肢的残余功能，康复效率相 对较低； 目前存在的问题 研究的目标主要在于探索机器人能否应用 于康复训练中，以及这种训练方式有无治 疗效果（包括与传统运动疗法相比），而 对于如何提高康复训练的效果的研究并不 深入； 评价指标仍采用传统的临床评价方法，训 练过程中提取的数据与训练效果之间的关 系仍不明确，即仍不能作为康复评价指标 使用； 目前存在的问题 不能向患者提供实时直观的反馈信息； 机器人辅助治疗过程的机制有待深入研究。 机器人的适用面不够广泛。此适用面包括不同 的患者的适用；同一患者不同的恢复时期的适 用；患者需不同锻炼模式（如患者的主动或被 动锻炼等模式）的适用；在患者肌肉出现痉挛 时（此时患肢可能出现较大的阻力或其他干扰）， 如何缓解痉挛和使康复效果继续维持现有的较好 的水平，等等方面的适用性。