中国康复医学杂志，２００３年，第１８卷，第５期 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＲｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，Ｍａｙ ２００３，Ｖｏ１．１８Ｎｏ．５ ２９３
康复机器人研究现状
杜志江 孙传杰 陈艳宁。 机器人是可以重复编程、基于传感器的机械电子系统， 可以完成对人类活动有益的一些工作。近年来，世界机器人 技术领域出现了重大的调整，其重心从制造业向非制造业、 从第二产业向第一产业和第三产业转移，尤其是在医疗领域 得到了飞速的发展，医用机器人已经成为国际机器人领域的 个前沿研究热点。医用机器人主要包括外科手术机器人、 康复机器人和医院服务机器人等。其中机器人用于康复领域 包括助残和老人看护等，是解决残疾人及老年人生活质量， 使他们不依赖别人，能够独立活动的有效技术手段。该领域 的研究主要包括康复机械手、智能轮椅、服务机器人，以及家 庭和单位之间的交互设备及智能控制界面等。 １康复机械手 研制康复机械手的目的是利用机器人手臂完成残疾人 的手臂功能。机械手必须具有足够的自由度以满足每个用户 的需要，根据机器人技术的发展水平，一般具有以下３种结 构［１－３ Ｊ￣①彻底结构化的控制平台，类似于桌面工作站，将机 械手安装在固定的控制平台上，完成在固定工作空间内的操 作，这种方法已经实用化，如法国ＣＥＡ公司开发的ＭＡｓ１［＇ＥＲ 系统，美国Ｔ０ｌｆａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ公司开发的ＤＥＶＡＲ系统，以及 英国Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍａｃｈｉｎｅｓ公司开发的ＲＡＩＤ系统等。 ②将机械手安装在轮椅上，这样就可以在任何地域使用，但 这导致了机械手刚性下降，抓取的精度往往达不到要求，而 且这种方法只适合于那些可以用轮椅的人，如美国的 ＭＯＶＡＲ系统和意大利的ＵＲＭＡＤ系统等。③将机械手安装 在自主或半自主车辆上。 １９８７年，英国Ｍｉｋｅ Ｔｏｐｐｉｎｇ公司研制成功了Ｈａｎｄｙ１康 复机器人样机，它是目前世界上最成功的一种低价、市售的 康复机器人系统，现在有１００多名严重残疾的人经常在使用 它，在英国、美国、日本、法国、德国等许多发达国家都有应 用。目前正在生产的Ｈａｎｄｙ１机器人由５自由度机器人手臂 和新型控制器组成，具有话音识别、语音合成、传感器输人、 手柄控制以及步进电机控制能力。能完成３种功能，分别通 过３种可以拆卸的滑动托盘实现，它们是吃饭／喝水托盘、洗 脸／刮脸／刷牙托盘以及化妆托盘，它们可以根据用户的不同 要求增加或者去掉，以适应他们身体残疾的情况。Ｈａｎｄｙ１具 有很强的通话能力，它可以在操作过程中为护理人员及用户 提供有用的信息，所提供的信息可以是简单的操作指令或有 益的指示，可以用任何一种欧洲语言表达出来。这种装置可 以大大提高Ｈａｎｄｙｌ方便用户的能力，而且有助于突破语言 的障碍。 ＭＡＮＵＳ是另外一种进人市场的康复机器人手臂，由荷 兰Ｅｘａｃｔ Ｄｙｎａｍｉｃｓ公司开发，该手臂具有７个自由度，包括６ 个旋转自由度和１个机械手，它可以安装在床边、桌面或轮 椅上，最大载荷２ｋｇ，其工作范围可由地面到人站立时达到的 高度。可以通过键盘、开关、游戏杆控制，操作简便（图１）。 ２智能轮椅 轮椅是下肢残疾和失去行走能力的老年人的主要交通 工具，已由过去单纯依靠人力操作发展到现在的智能轮椅。 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， 使轮椅成为了高度自动化的智能移动机器人。几年前， Ｍａｄａｒａｓｚ等人提出半自主导航轮椅，具有在办公室环境下运 动的能力，可以进行从当前位置到建筑物内特殊室内的路径 规划，系统具有避碰功能，所有的传感器和限位装置都安装 在轮椅上，一个监控系统负责高级的操作和导航，减轻残疾 人的工作负担…（图２）。
在欧洲，目前致力于开发具有部分自主行为的轮椅，意 大利的ＴＧＲ ＳＲＬ公司生产了一种结合轮椅与小车结构的智
图 轮 ＭＡＮＵｓ 图２智能轮椅 机械手 田‘ｌ髓 俩
能轮椅－－Ｅｘｐｌｏｒｅｒ，它不仅能在规则的地形下行走，而且可以 上下楼梯 ］。 代表最新发展方向的是美国费城Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ大学的 Ｗｅｌｌｍａｎ等人设计了智能轮椅。在这个设计里，一个移动的车 辆上还包含了两个可以作为手和臂工作的机械手［１ ］。 腿式轮椅（１ｅｇｇｅｄ ｗｈｅｅｌｃｈａｉｒ）先天具有全方向运动的能 力，能在不同的地形或恶劣的环境下工作，而且允许重构。 最早实现机器人辅助患者实现行走功能的事例出现在 日本，但具有创造性的研究是法国Ｐｉｅｖｖｅ Ｒａｂｉｓｃｈｏｎｇ教授和 他领导的小组开发的Ａｃｔｉｖｅ Ｏｒｔｈｏｓｉｓ系统，通过在患者下肢 肌肉中植人电极，增加患者自然状态行走时的生理模式刺 激，以实现行走障碍者自然行走的梦想。
３服务机器人 医院服务机器人也许是解决目前医院服务上存在的一
１哈尔滨工业大学机器人研究所，１５０００１ ２哈尔滨市宾具防疫站中西医门诊 ３哈尔滨医科大学附属第三医院 作者简介：杜志江，男，工学博士，助理研究员 收稿日期：２００３－０１—０６
维普资讯 http://www.cqvip.com ２９４ 中国康复医学杂志，２００３年，第１８卷，第５期 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＲｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎＭｅｄｉｃｉｎｅ，Ｍａｙ ２００３，Ｖｏ１．１８，Ｎｏ５ 些问题的方法，代替人类完成一些繁重的工作，如抬起病人 去厕所或为失禁病人更换床单等。近年来已经在上述工作和 辅助护士完成食物、药品等投递方面得到了一定的发展。 美国运动研究会（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＴＲＣ） （现在改名为ＨｅｌｐＭａｔｅ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ）研制的“Ｈｅｌｐ Ｍａｔｅ”机器 人，可以２４ｈ在医院里完成运送食物和药品的工作，与工厂 所使用的自动输送车不同的是，这种机器人不是沿着固定的 轨道网络行走，而是基于传感器和运动规划算法实现自主行 走，适合于部分结构化的环境（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ），系统 也能处理传感器噪声、误差和定位错误，发现并避开障碍物。 这种机器人已在美国数家医院安装，其中一些医院报告说工 作效率大大提高。 由日本机械工程研究所开发的“ＭＥＬＫＯＮＧ”护理机器 人，专门用来照顾那些不便走动的病人。该机器人可以轻松 而平稳地将病人从床上托起，并将其送往卫生间、浴室或餐 厅。平时该机器人由护士操纵，但在夜间，病人也可以通过操 纵手柄进行控制。一些关键的技术，如停靠、行走、抓取、液压 执行器、能源供给、人机界面等都已经解决。日本三菱公司还 推出了一种在ＭＥＬＫＯＮＧ基础上改进的传输搬运车辆。 日本东京大学的Ｓ．Ｔａｃｈｉ教授在ＭＩＴ日本实验室工作时 开发了一个移动式康复机器人ＭＥＬＤＯＧ，作为“导盲狗”。欧 洲Ｓｃｕｏｌａ Ｓｕｐｅｒｉｏｒｅ Ｓ．Ａｎｎａ技术实验室的一个研究小组在 ＵＲＭＡＤ系统基础上开发了ＭＯＶＡＩＤ系统，它由若干个固定 的位于室内主要活动区域（如厨房和卧室）的工作站和一个 可以在室内自由避障的移动机器人组成，操作者可以通过工 作站的实时图形界面监控和干预机器人的动作，它可以帮助 残疾人完成诸如用特制微波炉加热食物、打扫厨房和清理床 铺等工作，目前，该系统已经在意大利经过了实际的残疾人 使用验证。一般来说，这种思路的系统一般由视觉、操作器、 行走、传感器数据采集和系统控制等几部分组成。 ４智能控制界面 由于必须要充分考虑到这些特殊用户在他们的环境里 应用机器人控制界面的可能性，以及在用户失去或肢体功能 不断下降条件下的系统可操作性，虽然包含了先进的传感器 和动力系统，用户也有可能对外界信息无法做出反应。因此 功能全面的控制界面、有效的控制策略，以及家庭和单位之 间的交互设备也是康复机器人的研究重点。 在康复机器人领域，交互界面一方面为机器人提供任 务、命名，另一方面允许用户在最高任务概念层上遥操作机 器人，保持在解答各种问题的控制能力，同时必须保证残疾 人能够操作。 美国斯坦福大学开发的ＰｍＶＡＲ系统，可以用语音、头部 轨迹跟踪系统控制，不懂技术的人员也可以通过人机交互界 面操作。该系统可以完成吃饭、喝水、看报、操作电脑多媒体、 打电话、发传真等工作。ＲｒｏＶＡＲ系统主要是为那些无法活 动，但可以与外界沟通，具有正常感知能力的残疾人的独立 日常生活而设计的，如四肢瘫痪及高位截瘫患者等。 ＲｒｏＶＡＲ系统是在桌面辅助机器人系统ＤｅＶＡＲ基础上 设计的，ＤｅＶＡＲ只有简单的用户界面，用户无法改变或增加 任务，所有任务都基于位置控制，鲁棒性差，位置的一小点误 差就可能导致任务失败。为克服上述缺点，ＲｒｏＶＡＲ系统采用 力控制，以各种力传感器作为反馈，在控制界面上分为三个 层次：①物理层，作为用户进入计算机系统操作的手段，包括 语音重建系统和头部轨迹跟踪系统，用于操作导航和机器人 控制；②操作系统层，采用ＮＴ系统，可以使用户用标准的软 件工具和协议进行通讯；③仿真，预显示系统层，用户通过菜 单、图标等建立并预显示任务［７｜８］。 因此，在进行控制界面设计时，必须考虑：①康复机器人 的用户为老年人或残疾人，界面的信息输入装置必须保证这 些用户能够顺利进行人机交互。②系统工作环境一般是不确 定的，应允许用户根据实际情况修改或增加新的任务。③保 证系统的稳定性，使系统可以在多障碍环境下进行作业。④ 选择合适行为和一致性的界面，扮演顾问的角色，帮助说明 机器人的状态、对用户的建议等，它可以是图形模式、文本模 式或语音模式。
５结论 国外在康复机器人领域取得了相当的发展，并开始进入 中国市场。国内在这方面的研究较少，主要集中在假肢领域， 我们应加大科研力度，拓宽研究领域。
参考文献 ［１］Ｐａｏｌｏ Ｄａｒｉｏ，Ｅｎｇｅｎｉｏ Ｇｎｇｌｉｅｌｍｅｌｌｉ，ｅｔ ａ１．Ｒｏｂｏｔｔｉｅ ｆｏｒ ｍｅｄｉｃａｌ印一 ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｍｎｇａｚｉｎｅ，１９９６： ４４－５６． ［２］Ｐｒｉｏｒ Ｓ．Ｄ，Ｗｈｉｔｅ Ａ．Ｓ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐｎｅｕ— ｍａｔｉｃ ｍｕ￣ｌｅ ａｃｔｕａｔｏｒ ｆｏｒ ａ ｒｅｈａｂｉｌｉａｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ［Ｊ］．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ａｎｄ Ｔｈｅｏｒｙ，１９９５，３：８１－１ １７． ［３］孟庆春，陈良志．西欧机器人技术的发展现状及趋势［Ｊ］．吉林工 业大学学报，１９９４，２４（７６）：１ １９－１２３． ［４］ Ｗｏｎ－Ｋｙｕｎｇ，Ｈｅｙｏｕｎｇ Ｌｅｅ，Ｚｅｕｎｇｎａｍ Ｂｉｅｎ．ＫＡＲＥＳ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｒｏｂｏｔｉｃ ａｌＴｔｌ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９９９，２８：８３－９４ ［５］Ｌｕｅｉａｎｏ Ｂｏｑｕｅｔｅ，Ｒａｆａｅｌ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ ｗｈｅｄｅｈａｉｒ ｕｓｉｎｇ ｒｅｃｕｒｒｅｎｔ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，１９９９，１２：４４３－４５２． ［６］ Ｅｍｉｌｉａ Ｊａｒｏｓｚ．Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｓｐａｃｅ ｏｆ ｗｈｅｅｌｃｈａｉｒ ｕｓｅｒｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ，１９９ｌ６，１７： １２３－１３３． ［７］ Ｗａｎｇｎｅｒ ＪＪ，Ｖａｎ ｄｅｒ Ｌｅｏｓ Ｈ．Ｆ．Ｍ，Ｌｅｉｆｅｒ Ｌｊ．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ８０一 ｅｉａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｕｓｅｒ ａｎｄ ｒｏｂｏｔ［Ｊ］．Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕ一 ￣ｏｍｏｕｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０００，３１：１８５—１９１． ［８］ Ｖａｎ ｄｅｒ Ｌｏｏｓ Ｈ．Ｆ．Ｍ，Ｗａｇｎｅｒ ＪＪ，Ｓｍａｂｙ Ｎ．ｅｔ ａ１．ＰｒｏＶＡＲ ａｓｓｉｓ— ｔｉｖｅ ｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｉｎ— ｔｅｍａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｄｅｔｒｏｉｔ，ＭＩ， 】９９９．７４】－７４６．