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1、遙操作與遠程康復訓練機器人 遙操作 遙操作就是人操縱主機器人進行相應的動 作，通過通信線路，該操作信號傳輸?shù)竭h 距離人難以接近或有危害的環(huán)境中，指揮 從機器人完成相應的操作。 在遙操作系統(tǒng)中因為借助了人的感知能力 和智慧、經(jīng)驗等，克服了完全自主式機器 人在傳感，智能方面的限制，從而使得從 機器人能在陌生和動態(tài)的系統(tǒng)中更加有效 地執(zhí)行任務。 遙操作 上圖為遙操作機器人系統(tǒng)的示意圖，在圖中，人 操縱機械手（機器人的手臂）末端，進行一個相 應的動作，在遠程的機械手要跟隨這個動作，同 時將從機械手與環(huán)境的交互信號（力）傳回給人， 使人受到相類似的作用力。 圖的中間部分是用電腦虛擬出從機械手與環(huán)境的 交

2、互過程，并將虛擬的環(huán)境力作用在人手上，則 人能夠立即感受到環(huán)境的力。整個系統(tǒng)的設(shè)計的 難點在于時延的固有性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性 （對人來說，就像沒有主從機械手一樣，直接與 環(huán)境作用，這就是理想的透明性） 遠程康復訓練機器人 研究背景及意義 國內(nèi)外現(xiàn)狀 目前存在的問題 研究背景及意義 腦卒中（ strock）已成為三大主要致死疾病 之一。在老齡人群中有大量的腦血管疾病 或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數(shù)伴有 偏癱癥狀。 腦卒中又名腦血管意外、中風是指腦部缺 血性病變或出血性病變所形成的疾病，發(fā) 生在由于腦血管血栓或腦血管破裂出血而 導致出現(xiàn)腦供血的中斷。 研究背景及意義 腦卒中具有高死亡率、高復

3、發(fā)率以及高致 殘率等特點，是嚴重影響人們的生存質(zhì)量 及生命的疾病。世界衛(wèi)生組織將這種病確 定為當今人類的第一殺手。 中風后遺癥的康復治療是指對發(fā)生中風以 后所遺留下的半身不遂、語言障礙等殘疾 癥，綜合協(xié)調(diào)地采用各種有效措施，減輕 殘疾和因殘疾所帶來的后果。 研究背景及意義 有作者較早前就提出要加強腦卒中患者手 術(shù)后的康復。國內(nèi)有研究觀察了綜合性康 復治療對腦卒中偏癱患者 3-6個月的日常生 活活動能力和運動功能的影響，在評估時 發(fā)現(xiàn)患者的運動功能有較大的改善，明顯 地降低了患者的功能障礙，提高了其生存 質(zhì)量。 研究背景及意義 腦卒中患者的術(shù)后康復除了必要的藥物治 療外，最不可或缺的還有康復治療

4、中的物 理治療、作業(yè)治療等治療的支持。一些學 者的研究表明，腦卒中后的上肢的運動再 學習和康復的水平提高與強化的康復訓練 有關(guān)，大量的重復訓練是非常有效的訓練 方法。 研究背景及意義 目前，康復訓練的傳統(tǒng)方法主要是依賴于理論的 物理療法和醫(yī)師對患者進行手把手的指導和訓練。 這種方式存在一些問題： 1、訓練效率低下，治療效果多取決于康復醫(yī)師的 經(jīng)驗和水平； 2、康復評價指標不夠客觀； 3、無法建立訓練參數(shù)和康復指標之間的對應關(guān)系， 不利于中風患者神經(jīng)康復規(guī)律的深入研究； 4、出院患者接受大強度或長期的治療也將很大程 度上受到條件的限制。 研究背景及意義 隨著計算機網(wǎng)絡技術(shù)和遙操作機器人技術(shù)的 發(fā)

5、展，遙操作機器人技術(shù)逐漸開始應用于遠 程醫(yī)療、遠程手術(shù)、遠程康復等領(lǐng)域。 將這些技術(shù)研究應用于康復訓練，可使機器 人在一對多模式下進行遠程康復訓練患者， 從而幫助有限的康復醫(yī)師為更多的患者服務， 解決傳統(tǒng)訓練方法存在的問題。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 20世紀 80年代是康復機器人研究的起步階段，美 國、英國在康復機器人方面的研究處于世界的領(lǐng) 先地位，直到 1990年以后康復機器人的研究才進 入到全面發(fā)展時期。 康復機器人屬于醫(yī)療機器人范疇，是機器人技術(shù) 在醫(yī)療領(lǐng)域中的新應用?？祻蜋C器人具體又可分 為康復訓練機器人和功能輔助型機器人兩種。 前者的主要功能是幫助患者完成各種運動功能的 恢復性訓練，如人的下

6、肢行走訓練、手臂運動訓 練、脊椎牽引運動訓練、頸部運動訓練等；后者 的主要功能是用來幫助肢體有運動困難的患者完 成各種運動，如智能輪椅、導盲手杖、機器人假 肢等。 功能輔助型機器人 早期的康復機器人都屬于輔助型，首先出現(xiàn)了工 作站形式的康復機器人，它們將現(xiàn)有的電動臂和 專門設(shè)計的工作臺相結(jié)合，由程序化的指令控制 手臂拿取工作臺上的物品。如在 TIDE （ Technology Initiative for the Disabled and Elderly）框架資助下，歐盟開發(fā)了 PARTNER和 MOVAID用于照顧老年人和殘疾人的半自主模塊 化機器人，其目的是對身體嚴重殘疾或臥床不起 的用戶

7、提供更多更好照顧的機器人輔助系統(tǒng)。 功能輔助型機器人 80年代初德國的斯坦福大學開發(fā)了幾代基 于 Puma 260工業(yè)機器人的 De-VAR工作站， 具有較強的實用價值，其中 De-VAR IV將 Puma手臂顛倒裝在頂棚的軌道上，增進了 工作空間，適合在辦公環(huán)境中使用。 功能輔助型機器人 1987年英國的 Topping等研制的 Handy 1可以獨立 的幫助一名患有腦癱的 11歲兒童進食，經(jīng)不斷的 改進，現(xiàn)在的 Handy 1除了可以輔助殘疾人進食 喝水，還能夠幫助他們清洗、刷牙、刮胡子甚至 化妝等，為殘疾人的生活提供了很多方便。 該機器人是一臺低成本、設(shè)計新穎、結(jié)構(gòu)緊湊并 已市場化的康復

8、機器人，現(xiàn)在在英國、美國、法 國、德國、日本等國家有 100多名嚴重殘疾的人 在使用它。是目前最為成功的輔助型康復機器人 之一。 功能輔助型機器人 90年代后，為了給殘疾人和失去行走能力的老年 人提供優(yōu)異的代步工具，研制出各種智能輪椅。 各類傳感器和高效的信息處理及控制技術(shù)在輪椅 上的應用，使輪椅具有避障、路徑規(guī)劃和自主導 航等功能，成為了高度自動化的智能移動機器人。 麻省理工智能實驗室的 Wheelesley智能輪椅，為 一個半自主式機器人輪椅，配備有計算機控制和 傳感器的電動輪椅，還裝有一個筆記本電腦用于 人機界面交互。 系統(tǒng)有兩種級別的控制：高級方向指令和低級計 算機控制路線，用戶擁有最

9、高控制級別。 功能輔助型機器人 系統(tǒng)由兩部分組成，智能輪椅系統(tǒng)提供低級控制， 避障和保證正確的運動方向；用戶和輪椅之間的人 機界面提供高級控制。 這個智能輪椅允許用戶通過三種方式來進行控制： 菜單、操縱桿和用戶界面。菜單模式下，輪椅的操 作類似于一般的電動輪椅。 在操縱桿模式下，用戶通過操縱桿發(fā)出方向命令來 避障。 用戶界面模式下，用戶和機器之間僅需通過用戶眼 睛運動來控制輪椅，即用鷹眼系統(tǒng)來進行驅(qū)動。 功能輔助型機器人 2000年，德國的 Friend I系統(tǒng)是將一個 MANUS機器人手臂安裝在電動輪椅上，由 語音識別系統(tǒng)控制。輪椅的左面安裝了一 個小平臺和一個平板顯示器。系統(tǒng)以程序 化運動

10、和用戶控制運動兩種模式工作。 在 程序化模式中，操作對象必須放在平臺的 固定位置上，用戶發(fā)出簡單的命令來調(diào)用 模塊化的程序完成一套動作。在用戶控制 模式下手臂可根據(jù)用戶的語音命令工作。 功能輔助型機器人 在 FRIEND I的基礎(chǔ)上，在 2004 年推出了智 能化更高、人性化更好的 FRIEND II，該系 統(tǒng)集成了 ATMEC Robotic GmbH公司生產(chǎn) 的模塊化手臂和 5 指手抓，并利用視覺伺服 幫助殘疾人操作手臂。 康復訓練機器人 康復訓練機器人針對上肢功能康復的最早 的設(shè)想來自 Dijkers（ 1991），他設(shè)計了一 種簡單的機器人供腦卒中患者上肢使用， 可以簡單的進行重復運動

11、，并記錄患者治 療的結(jié)果。 1993年美國的 Lum等人研制了一種稱作 手 物體 手的系統(tǒng) (hand-object-hand system)，嘗試對一只手功能受損的患者進 行康復訓練。 康復訓練機器人 這種雙手物理治療輔助機器包括兩個置于桌面上、 可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的夾板狀手柄，其中一個手柄下端 連接在驅(qū)動電機上，電機可以輔助患者完成動作。 該機器主要幫助完成兩個任務動作的訓練：雙手 移動和雙手擠壓。雙手移動任務要求兩手夾持某 一物體作前后往返運動，擠壓運動要求在物體上 產(chǎn)生需要的抓取力。為限制自由度數(shù)目，患者雙 手要放置在剛性手柄上，以阻止手腕屈伸。 康復訓練機器人 1995年 Lum等又研制了

12、一種雙手上舉的康復器 (bimanual lifting rehabilitator)，用來訓練患者用 雙手將物體上舉這一動作。該系統(tǒng)雖為兩自由度 的連桿機構(gòu)，但只用于做肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)訓練。當 患者雙手握住手柄將其舉起桿 2時，設(shè)備既可測量 被舉物體的垂直位置及傾斜角度參數(shù)，也可以在 左手（患側(cè)手）無法產(chǎn)生足夠大的力時，桿 1 可 以予以輔助受損左臂完成動作，機器所施加的力 可以按患者的需要改變，從而保持上舉動作的平 衡，然后再將其放在桌面上。 康復訓練機器人 1998年美國麻省理工學院的 Krebs和 Hogan等研 制出一種稱作 MIT-MANUS的腦神經(jīng)輔助康復機 器人并已應用于臨床，制作

13、它的主要目的是提供 一種新型的康復訓練工作站，用來對中風后上肢 運動功能喪失的患者進行肢體運動和操縱技巧練 習。 該機器人是一種 30英寸高、連桿機構(gòu)的機械臂， 它由兩個無刷電機直接驅(qū)動，可以帶動患肢肘部 和前臂作兩自由度的平面運動，也可通過一組彈 簧，實現(xiàn)小范圍的被動垂直運動，同時也可以測 量手的平面運動參數(shù)，而且運動軌跡可以通過計 算機屏幕為患者提供反饋。 康復訓練機器人 機器人能夠像康復治療師一樣鍛煉中風患者的手 臂，這將有助于恢復患者由于中風而癱瘓的肩部 和肘部運動機能。研究結(jié)果顯示，這種 MIT- MANUS機器人不僅能夠幫助輕微的中風患者進行 康復治療，此機器人甚至對那些中風發(fā)生

14、5年以上 的患者也有效果。 麻省理工學院還將在現(xiàn)有的 MIT-MANUS的基礎(chǔ) 上研制新的一代一對多和遠程康復機訓練器人。 康復訓練機器人 2000年美國的 Reinkensmeyer等研制了另一種輔 助康復和測量導向器（ ARM Guide），主要針對 抓取時上臂的動作進行設(shè)計，用來輔助治療和測量 腦損傷患者上肢運動功能。 該設(shè)備為單電機驅(qū)動的三自由度裝置，包括一個直 線軌道，其俯仰角和水平面的傾斜角可以調(diào)整。 實驗中患者的前臂和手綁在特殊設(shè)計的夾板上，該 夾板可以沿直線約束滑動。當需要向前臂施加力時， 電機帶動傳動鏈，從而使與傳動鏈相連的夾板動作 沿直線軌道運動，傳感器可以記錄患者前臂所產(chǎn)

15、生 的力。 康復訓練機器人 以英國 Reading大學為首的歐洲跨國研究小 組，于 2002年研制出一種叫做 GENTLE/S的 上肢康復訓練機器人，基本功能與 MIT- MANUS相似。 其機械臂的結(jié)構(gòu)更簡單、緊湊，機械臂為三 自由度的升降式搖臂結(jié)構(gòu)，機械臂的腕部帶 有三個被動自由度，可實現(xiàn)手臂的三維運動， 它結(jié)合了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過電腦屏幕對患 者實施生物反饋，使患者訓練時更加具有吸 引力和臨場感。 康復訓練機器人 同年，由美國的 Lum等研制了一種實現(xiàn)機器人輔助 移動上肢裝置的樣機，該裝置稱作鏡像運動使能器 （ mirror-image motion enabler： MIME）。此系

16、統(tǒng)由伺服電機驅(qū)動，包含有左右兩個可移動的手臂 支撐（將胳膊的運動限制在水平面內(nèi)），一個六自 由度的機器人臂（ PUMA-560）。 患者前臂用夾板夾住，手腕處于夾板中部位置，手 臂支撐由工業(yè)機器人 Puma 560操縱，通過直接控 制前臂的移動位置和方向，使上肢在一平面內(nèi)預先 設(shè)定的簡單軌跡上移動。 康復訓練機器人 瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)大學（ ETH）在腿部康復機構(gòu)、 走步狀態(tài)方面取得了一些成果，開發(fā)了 LOKOMAT 康復機器人系統(tǒng)，用于有運動損傷、脊椎損傷等患 者康復訓練。 該機器人有一套懸吊裝置來平衡人體的部分重力， 用一套可旋轉(zhuǎn)的平行四邊形機構(gòu)控制平衡，只允許 患者在走路過程中的向上和向

17、下運動，患者不必自 己維持上半身在豎立面內(nèi)。為了適應不同患者的需 要，此系統(tǒng)的各個關(guān)節(jié)均可調(diào)整。為了讓患者感到 舒適，所以與患者接觸的都是寬軟的綁帶。在對患 者進行康復實驗中取得了很好的效果。 康復訓練機器人 瑞士的 Mihelj， Nef等人研制的手臂康復機器 人 ARMin。其采用不完全外骨骼結(jié)構(gòu)， 使得肩部的安裝誤差不會給人的手臂帶來壓 力。 機器人有六個自由度，配有力傳感器和位移 傳感器，安全性高，提供四種控制模式，分 別為預記錄軌跡模式、指定運動治療模式、 示教模式、患者主動力模式。 康復訓練機器人 日本的 Noritsugu等人用四塊橡膠人造肌肉構(gòu) 造了一個 2自由度的治療機器人。

18、 機器人采用阻抗控制，可以針對病人的身體 狀況，為了實現(xiàn)不同的治療模式提供不同的 理療方式。此外為了更加有效的進行康復訓 練，理解患者的身體情況也很重要，因此該 機器人將人手臂的機械阻抗當作康復效果的 目標評價。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國對康復機器人的研究起步比較晚，輔 助型的康復機器人的研究成果相對較多， 康復訓練機器人的方面成果相對較少。目 前，國內(nèi)在該領(lǐng)域進行研究的主要有清華 大學、東南大學、上海交通大學、復旦大 學、浙江大學、哈爾濱工程大學和哈爾濱 工業(yè)大學等。其中 , 上海交通大學和復旦大 學合作展開了“神經(jīng)的運動控制與控制信 息源的研究”。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 其研究目的是提取神經(jīng)信息，利用神

19、經(jīng)信息來控 制電子假手。目前，七個自由度假手模擬裝置已 設(shè)計完成，神經(jīng)信息的提取正在進行動物試驗， 信息的整合與控制電路的設(shè)計進展順利。其原理 是借助儀器，通過意識控制動作的反復訓練，伴 隨信息轉(zhuǎn)化、生物反饋、生物控制和功能訓練過 程，不斷調(diào)節(jié)和增強腦的指令，從而提高中樞神 經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌肉系統(tǒng)的支配和控制能力，消除 控制機能障礙和運動障礙，改善直至恢復機能狀 態(tài)。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 清華大學在國家“ 863”計劃支持下，從 2000年起即開展了機器人輔助神經(jīng)康復的 研究，研制了兩款上肢復合運動康復訓練 機，他們都可以在平面內(nèi)進行兩個自由度 的運行訓練。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 東南大學從 2004年起也開

20、展了康復機器人 技術(shù)的研究，并設(shè)計了一套上肢康復訓練 機器人系統(tǒng)。此系統(tǒng)現(xiàn)可以實現(xiàn)被動、主 動和帶阻尼主動三種鍛煉模式和一對多的 訓練模式，并為了能夠為治療醫(yī)師提供客 觀的病人康復信息，系統(tǒng)還建立了患者信 息數(shù)據(jù)庫。同時，為了吸引患者的更積極 的參與訓練，系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計 了不同難易程度的多套游戲系統(tǒng)。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 浙江大學機械與能源工程學院通過動力學 建模與仿真以及機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計及仿真， 開發(fā)研制出一套下肢外骨骼康復機器人的 原型系統(tǒng)，并對于不同訓練階段的患者應 該采取不同的控制策略進行了初步的研究。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 哈爾濱工程大學的下肢康復訓練機器人是 通過步態(tài)和姿態(tài)控制系統(tǒng)模擬正

21、常人行走 的步態(tài)、踩關(guān)節(jié)的運動姿態(tài)，通過重心控 制系統(tǒng)控制重心的運動規(guī)律，兩個系統(tǒng)協(xié) 調(diào)運動帶動下肢做行走運動，實現(xiàn)對下肢 各個關(guān)節(jié)的運動訓練。通過對患者的被動 步態(tài)訓練來達到康復的目的。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 哈爾濱工業(yè)大學的王東巖、孫立寧等研制的 5自由 度外骨骼式上肢康復機器人，也屬于輔助型康復 機器人的范疇。此系統(tǒng)采用硬鋁材質(zhì)的雙邊結(jié)構(gòu)， 在保持剛性的前提下減輕了機器人本體的質(zhì)量， 機器人上臂和前臂部分的長度可調(diào)節(jié)功能使該機 械臂應用于身高不同的人，調(diào)節(jié)機器人位姿可進 行左右手穿戴，并可以實現(xiàn)患者的肩部外展、肩 部前屈、肘部伸展、腕部屈伸 4個單關(guān)節(jié)的運動， 及日常生活活動涉及的進食和提褲 2

22、個多關(guān)節(jié)復合 運動。 (a)肩部屈伸 (b)肩部外展 (c)肘部曲伸 (d)腕部屈伸 (e)提褲 (f)進食 初步結(jié)論 在與傳統(tǒng)醫(yī)師輔助下進行的康復運動訓練相比 較，可以做出對現(xiàn)有治療機器人的總結(jié)如下： 1、患者可以接受機器人輔助治療，治療過程更具有吸引力； 2、合理的機器人設(shè)計可以確?；颊吆椭委煄熓褂玫陌踩?； 3、使用治療機器人進行康復訓練確實具有治療效果，治療師對治療機器 人的應用前景表示樂觀； 4、機器人可以記錄詳實的治療數(shù)據(jù)及圖形，不僅為開發(fā)新的治療效果評 價手段提供了技術(shù)基礎(chǔ)，而且為深入研究人體運動規(guī)律以及大腦與肢體 的控制與影響關(guān)系提供了另一種途徑； 由于機器人可以幫助患者進行更

23、長時間的嚴格定量的運動康復訓練，因 此使用機器人輔助治療在提高效率方面具有極大的潛力。 目前存在的問題 患者訓練動作種類相對較少且僅限于重復某些單 一或簡單的動作，患者肢體的活動范圍主要限于 訓練身體正前方，運動幅度比較小，不能以大范 圍活動關(guān)節(jié)和較多關(guān)節(jié)的復雜活動為目標，從而 未能夠充分提供中樞神經(jīng)康復所需的運動刺激； 一般僅限于水平面運動（ MIME 可以訓練一些三 維運動），不能進行三維或更多維的運動訓練， 從而僅限于某些關(guān)節(jié)、肌肉群或局部神經(jīng)系統(tǒng)的 康復； 目前存在的問題 機械手一般都是夾持患肢上的某一個點進 行運動，使患肢上各關(guān)節(jié)的運動過程產(chǎn)生 不確定性，不能控制某些特定肌肉的運動

24、過程； 機器人的對患者的肘關(guān)節(jié)支撐托架不夠靈 活，且只有單一的支撐功能，不能根據(jù)不 同情況允許患者進行自主支撐，不利于患 者充分發(fā)揮患肢的殘余功能，康復效率相 對較低； 目前存在的問題 研究的目標主要在于探索機器人能否應用 于康復訓練中，以及這種訓練方式有無治 療效果（包括與傳統(tǒng)運動療法相比），而 對于如何提高康復訓練的效果的研究并不 深入； 評價指標仍采用傳統(tǒng)的臨床評價方法，訓 練過程中提取的數(shù)據(jù)與訓練效果之間的關(guān) 系仍不明確，即仍不能作為康復評價指標 使用； 目前存在的問題 不能向患者提供實時直觀的反饋信息； 機器人輔助治療過程的機制有待深入研究。 機器人的適用面不夠廣泛。此適用面包括不同 的患者的適用；同一患者不同的恢復時期的適 用；患者需不同鍛煉模式（如患者的主動或被 動鍛煉等模式）的適用；在患者肌肉出現(xiàn)痙攣 時（此時患肢可能出現(xiàn)較大的阻力或其他干擾）， 如何緩解痙攣和使康復效果繼續(xù)維持現(xiàn)有的較好 的水平，等等方面的適用性。