醫(yī)用機器人課件

醫(yī)用機器人突破性發(fā)展1985年，出現(xiàn)了基于工業(yè)機器人平臺的外科機器人。美國的KwohYS等采用Puma560工業(yè)機器人完成了腦組織活檢中探針的導(dǎo)向定位。1987年，美國ISS公司推出了NeumMate機器人系統(tǒng)，采用機械臂和立體定位架來完成神經(jīng)外科立體定向手術(shù)中的導(dǎo)向定位1989年，英國的皇家學(xué)院機器人技術(shù)中心利用改進(jìn)的6自由度Puma機器人，開展了前列腺切除術(shù)，大大縮短了手術(shù)操作時間。1997年，美國IntuitiveSurgical公司推出了DaVinci(達(dá)芬奇)系統(tǒng)。2001年，以色列Mazor公司推出了小型并聯(lián)的脊柱外科機器人SpineAssist，高度不足70mm，質(zhì)量不過200g，可直接安裝在骨骼上，顯著提高了定位精度和穩(wěn)定性。2004年，北京航空航天大學(xué)與北京積水潭醫(yī)院聯(lián)合研制了具有6個自由度的小型模塊化機器人系統(tǒng)，該機器人結(jié)構(gòu)緊湊，可術(shù)中快速裝拆，適合于長骨骨折、股骨頸骨折和骨盆骨折等臨床適應(yīng)癥。突破性發(fā)展機器人在實施手術(shù)主治醫(yī)生與患者2006年3月，北京積水潭醫(yī)院與北京航空航天大學(xué)合作，利用小型模塊化機器人，在北京和延安之間完成了國內(nèi)第一例長骨骨折髓內(nèi)釘內(nèi)固定遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)，提出并實現(xiàn)了基于窄帶網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程規(guī)劃理念，從而在一定程度上降低了遠(yuǎn)程遙外科對網(wǎng)絡(luò)配置的要求。突破性發(fā)展我國自主研發(fā)出首臺醫(yī)療機器人2010年我國第一臺完全自主知識產(chǎn)權(quán)的醫(yī)療機器人“骨科導(dǎo)航機器人”獲得了國家醫(yī)療器械注冊許可證，今年已應(yīng)用于臨床治療。這臺機器人1米高，上面有兩只可移動的機械臂。大夫?qū)?dǎo)針和空心釘安在機械臂上，機械臂會根據(jù)電腦指令自動調(diào)整好位置和角度。大夫需要做的僅僅是，在手術(shù)前根據(jù)一張患者患處的電子三維圖做好規(guī)劃。我國每年都有病患者因為股骨頸手術(shù)失敗，導(dǎo)致股骨頭壞死而癱瘓或死亡。如今，使用骨科導(dǎo)航機器人，手術(shù)中拍X光片的平均次數(shù)為14.9次，比傳統(tǒng)方法少了40次以上，而且植入精度在1.5毫米以內(nèi)，一次成功率100%。達(dá)芬奇手術(shù)機器人達(dá)芬奇手術(shù)機器人的系統(tǒng)

達(dá)芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)以麻省理工學(xué)院(原名斯坦福研究學(xué)院)研發(fā)的機器人外科手術(shù)技術(shù)為基礎(chǔ)。IntuitiveSurgical隨后與IBM、麻省理工學(xué)院和Heartport公司聯(lián)手對該系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步開發(fā)。達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)是一種高級機器人平臺，其設(shè)計的理念是通過使用微創(chuàng)的方法，實施復(fù)雜的外科手術(shù)。達(dá)芬奇系統(tǒng)是世界上僅有的、可以正式在腹腔手術(shù)中使用的機器人手術(shù)系統(tǒng)，也是目前最復(fù)雜和最昂貴的外科手術(shù)系統(tǒng)之一。達(dá)芬奇機器人的組成達(dá)芬奇機器人由三部分組成：外科醫(yī)生控制臺；床旁機械臂系統(tǒng)；成像系統(tǒng)。外科醫(yī)生控制臺外科醫(yī)生控制臺是達(dá)芬奇機器人系統(tǒng)的控制中心，由計算機系統(tǒng)、監(jiān)視器、控制手柄、腳踏控制板及輸出設(shè)備組成。外科醫(yī)生控制臺的操作者坐在消毒區(qū)域以外，通過使用控制手柄來控制手術(shù)器械和立體腔鏡。術(shù)者通過雙手動作傳動手術(shù)臺車上仿真機械臂完成各種操作，從而達(dá)到術(shù)者的手在患者體內(nèi)做手術(shù)的效果。同時可通過聲控、手控或踏板控制腹腔鏡。術(shù)者雙腳置于腳踏控制板上配合完成電切、電凝等相關(guān)操作。達(dá)芬奇機器人系統(tǒng)讓術(shù)者在微創(chuàng)的環(huán)境里可以達(dá)到開放手術(shù)的靈活性成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)(VideoCart)內(nèi)裝有外科手術(shù)機器人的核心處理器以及圖象處理設(shè)備，在手術(shù)過程中位于無菌區(qū)外，可由巡回護士操作，并可放置各類輔助手術(shù)設(shè)備。外科手術(shù)機器人的內(nèi)窺鏡為高分辨率三維(3D)鏡頭，對手術(shù)視野具有10倍以上的放大倍數(shù)，能為主刀醫(yī)生帶來患者體腔內(nèi)三維立體高清影像，使主刀醫(yī)生較普通腹腔鏡手術(shù)更能把握操作距離，更能辨認(rèn)解剖結(jié)構(gòu)，提升了手術(shù)精確度。工作流程達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)要求在病人身體開多達(dá)五個小型(小于1厘米)的切口，用于插入兩個手術(shù)機械手臂和一個攝像頭。放置在病人床邊的配套推車將手術(shù)器械移動到病人身邊，病人床邊會有外科手術(shù)助手在。與此同時，醫(yī)生可以坐到房間的控制臺來操作系統(tǒng)，外科醫(yī)生通過對主控裝置將外科醫(yī)生的動作翻譯并傳遞給機械手臂，機械臂根據(jù)指令進(jìn)行手術(shù)，成像系統(tǒng)將手術(shù)場景進(jìn)行反饋。如此外科醫(yī)生用手抓住顯示屏下方的主控裝置，手腕相對其眼睛自然地動作，而外科醫(yī)生的對主控裝置的動作被轉(zhuǎn)換成在患者體內(nèi)進(jìn)行的精確的、實時的機器手臂動。由此通過外科醫(yī)生的手腕、手和手指的運動來控制主刀的機器手臂，這和典型的開放式手術(shù)是一樣的。結(jié)構(gòu)分析外科醫(yī)生控制臺:系統(tǒng)的大腦中區(qū)，通過主治醫(yī)生的控制，通過程序轉(zhuǎn)化為指令傳輸?shù)綑C械臂，使之相應(yīng)動作。床旁機械臂系統(tǒng):使用固定機構(gòu)；手臂機構(gòu)為關(guān)節(jié)型手臂機構(gòu)和機器人手腕機構(gòu)；傳動裝置為連桿傳動和流體傳動機構(gòu)。是主要的機械工作部位，整個系統(tǒng)最重要部分。成像系統(tǒng):整個系統(tǒng)中的傳感部分是機器人視覺的表現(xiàn)。通過腔鏡臂將手術(shù)實時的圖像傳輸?shù)街髌聊唬⑹褂酶咔迦S顯示。機械手臂的主要驅(qū)動

達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)集成了高端運動控制技術(shù)，這樣機器手臂的每個動作都能像熟練的外科醫(yī)生一樣順暢、準(zhǔn)確---即便在很慢的計算速度下。每個達(dá)芬奇HD系統(tǒng)包含有30多個由馬克森精密電機公司生產(chǎn)的電機。這些電機是每個機械手臂的心臟。馬克森電動機為達(dá)芬奇系統(tǒng)提供輸入和輸出，是其主要驅(qū)動。通過一系列反饋控制，電機和編碼器接收了來自醫(yī)生的輸入信號，在經(jīng)過主控制臺電路進(jìn)行實時翻譯后，將輸出信號傳送給機器手臂中的電機。機械手隨之通過主控制臺電路將力反向施加至外科醫(yī)生的手中。馬克森電機的定子采用的是稀土磁鐵，其定子采用的是無鐵設(shè)計，這樣即便在低速運行的情況下也不會有磁性齒槽存在。為區(qū)分它們的雙重角色，將外科醫(yī)生的床旁推車所用的電機作為主控電機，機械手臂電機所用電機作為從屬電機。從屬電機的精度和主控電機的精度相同，并且還需要能在外科醫(yī)生助手移動末端執(zhí)行器就位時后向驅(qū)動。手術(shù)器械頂部的電機具有低遲滯性。

Intuitive公司的工程師們在達(dá)芬奇系統(tǒng)中使用了30多個電機。有RE25電機，有些帶有編碼器反饋，有些電機沒帶編碼器反饋;配置有GP13系列減速器和13毫米磁性編碼器的RE13mm電機;以及帶第三方編碼器的RE35系列電機。馬克森電動機是達(dá)芬奇系統(tǒng)核心性能特性試驗的關(guān)鍵，這些核心性能特性測試包括摩擦、間隙和兼容情況，以及一系列傳感器反饋監(jiān)測。機械手臂的自由度機械手可以模擬人手各種操作，動作的自由度高達(dá)7度，包括臂關(guān)節(jié)上下，前后自由運動與仿真手腕的左右旋轉(zhuǎn)，開合，末端關(guān)節(jié)彎曲共7種動作，可作沿垂直軸360°和水平軸270°旋轉(zhuǎn)，且每個關(guān)節(jié)活動度大于90°。尤其在進(jìn)行深部操作時，機械手動作靈活，體積小巧，與開放手術(shù)的人手操作相比具有顯著優(yōu)勢。機械手臂特點由于達(dá)芬奇機器人的機械手擁有7個自由度，具有人手無法企及的精確性。“達(dá)芬奇”還可以過濾人手的抖動，使得手術(shù)可以更精細(xì)。此外，機器人手術(shù)還具有移動縮減功能的特點，也就是說醫(yī)生在操縱這一裝置的過程中，移動操作桿5毫米，在患者體內(nèi)的機械末端僅移動1毫米，這樣就大大提高了手術(shù)的精確性和安全性。手術(shù)器械仿真接攜手配置了各種類型的手術(shù)器械，可滿足抓持，鉗夾，縫合等各項操作要求。手術(shù)器械近百種，8毫米左右大小CompanyLogo優(yōu)勢1.在腔鏡手術(shù)基礎(chǔ)上更加發(fā)揮腔鏡的優(yōu)勢，去除使用腔鏡的劣勢；2.加入計算機的技術(shù)可提高手術(shù)的操控性、精確性和穩(wěn)定性；3.向術(shù)者提供了高清晰度三維圖像并將手術(shù)野放大了10—20倍；4.創(chuàng)新的腕部可自由活動的鏡下手術(shù)器械可使鏡下手術(shù)器械完全重現(xiàn)人手動作從而達(dá)到手眼協(xié)調(diào)；5.系統(tǒng)設(shè)計可排除主刀醫(yī)生可能的手的顫抖對手術(shù)所造成的不利影響；6.與開放手術(shù)的視覺一致使操作者手眼協(xié)調(diào)從而加快了醫(yī)生學(xué)習(xí)進(jìn)程；7.為患者帶來更理想的手術(shù)結(jié)果，減少圍手術(shù)期后遺癥以及并發(fā)癥的發(fā)生；8.創(chuàng)傷小、恢復(fù)快而使可接受手術(shù)的患者年齡范圍擴大并使某些危重病人接受手術(shù)成為可能；

CompanyLogo不足自身仍存在著一定的缺陷如：觸覺反饋體系的缺失；手術(shù)機器人的器械臂固定以后，其操作范圍受限；整套設(shè)備的體積過于龐大，安裝、調(diào)試比較復(fù)雜；系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜，在使用過程中可能發(fā)生各種機械故障，如半路死機等；系統(tǒng)的學(xué)習(xí)曲線較長，醫(yī)生與系統(tǒng)的配合需要長時間的磨合；手術(shù)前的準(zhǔn)備及手術(shù)中更換器械等操作耗時較長等。

使用成本昂貴表現(xiàn)在幾個方面：①購置費用高，目前國內(nèi)第三代四臂達(dá)芬奇手術(shù)機器人的總體購置費用在2000萬以上。②二是手術(shù)成本高，機器人手術(shù)中專用的操作器械每用10次就需強制性更換，而更換一個操作器械需花費約2000美元。③三是維修費用高，手術(shù)機器人需定期進(jìn)行預(yù)防性維修，每年維修保養(yǎng)費用也是一筆不小的開支。造成機器人手術(shù)使用成本高的原因通常被認(rèn)為是其生產(chǎn)商通過收購競爭對手和專利保護等手段在這一領(lǐng)域形成了壟斷所致，而這也成為制約手術(shù)機器人進(jìn)一步發(fā)展的一個重要原因。不良反應(yīng)根據(jù)美國對很多病人的調(diào)查，雖然機器人做的前列腺手術(shù)可以減少病人的住院時間，但是可能會導(dǎo)致陽痿和小便失禁。膠囊微型機器人，是一種能進(jìn)入人體胃腸道進(jìn)行醫(yī)學(xué)探查和治療的智能化微型工具，是體內(nèi)介入檢查與治療醫(yī)學(xué)技術(shù)的新突破。研究目的體內(nèi)介入檢查與治療具有安全、微創(chuàng)等優(yōu)點，并迅速成為醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的主流。人們研制出的微型消化道膠囊內(nèi)窺鏡是利用消化道蠕動進(jìn)行整個區(qū)域檢查，由內(nèi)嵌CMOS微型攝像機以無線方式傳輸檢查圖像。但其行走緩慢，存在視覺盲區(qū)；錯過病變組織時，不能主動返程，使一些醫(yī)療作業(yè)無法完成。因此研制可吞咽并能通過體外無纜驅(qū)動控制的膠囊機器人已成當(dāng)務(wù)之急。膠囊微型機器人在人體腸胃中進(jìn)行無創(chuàng)檢查和小損傷手術(shù)，對于減輕病人痛苦、提高檢查和手術(shù)的安全性和降低醫(yī)療費用都具有重要意義。現(xiàn)在國內(nèi)治療腸胃病的一般方法是用內(nèi)窺鏡透視、放射造影或手術(shù)檢查，不但費用高而且病人比較痛苦。而微型機器人不但成本低、節(jié)省時間，而且治療起來并不會給病人帶來痛苦。NaviCam?遙控膠囊內(nèi)鏡機器人NaviCam?遙控膠囊內(nèi)窺鏡控制系統(tǒng)便攜記錄器和檢查服控制和顯示軟件ESNavi膠囊定位器肌肉機器人科幻電影《星球大戰(zhàn)》中的機器人骨骼肌肉機器人現(xiàn)被命名為“Ecci”，是世界上首款擁有“肌肉”和“肌腱”的機器人據(jù)英國每郵報報道，骨骼肌肉看上去頗似科幻電影《星球大戰(zhàn)》中機器人C-3PO的解體版，但這款機器人是最新科學(xué)成果，并非科幻虛構(gòu)，而且是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的機器人，它不僅擁有“骨骼和肌肉”，甚至還有能夠認(rèn)識糾正錯誤的“大腦組織”。由Riken研究中心研發(fā)的Ri-Man機器人是世界上首臺專為護理而設(shè)計的機器人。Ri-Man身高158厘米，重100公斤，不僅擁有視覺、聽覺、嗅覺，還可以輕松把人抱起。特別適合照臥床或顧行動不便的病人。RI-MANRI-MAN機器人是由日本名古屋理研生物模擬控制研究中心開發(fā)的醫(yī)用搬運工模型。它不僅有柔軟、安全的外形，手臂和軀體上還有觸覺感受器，使它能小心翼翼地抱起或搬動患者。從長遠(yuǎn)來看，RI-MAN機器人能取代護工去照顧老人或體弱多病者。該機器人身上有5個部位安裝了柔軟的觸覺傳感器，能感受一定的壓強。它還配置了視覺、聽覺和嗅覺傳感器，可根據(jù)聲源定位并通過視覺處理找到呼喚它的人，理解聲音指令，然后橫抱起模擬被護理者的人偶。除流暢地完成這一系列動作外，該機器人還能夠通過嗅覺傳感器來判斷懷抱的護理對象的健康狀況。助行外骨骼機器人37助行外骨骼機器人是下肢外骨骼機器人，屬于外骨骼機器人的一種，也是應(yīng)用最為廣泛的一種。

目前的助行外骨骼機器人系統(tǒng)的研制和應(yīng)用可以分為民用和軍用兩大類。民用方面的外骨骼機器人系統(tǒng)主要用于輔助殘疾人、老年人和喪失部分運動能力的病人行走；軍用方面的外骨骼機器人系統(tǒng)主要用來增強普通士兵的能力，可以讓普通士兵成為在負(fù)重較大的情況下依舊可以跳過較高物體和快速奔跑的超級士兵。助行外骨骼機器人發(fā)展應(yīng)用38

外骨骼下肢助行機器人的研究始于20世紀(jì)60年代末期，主要在歐美等一些發(fā)達(dá)國家展開，最初的外骨骼助力機器人分別在兩個地點幾乎同時產(chǎn)生，分別是美國和南斯拉夫，美國研究這技術(shù)的最初目的是增強人的能力,往往是用于軍事目的,而前南斯拉夫的目的是用來輔助殘障人。

上述兩個項目都以失敗告終，下肢外骨骼機器人的研究在其后經(jīng)過一段時間陷入沉寂。

但到世紀(jì)末,下肢外骨骼機器人又重新得到世界各國的關(guān)注,世界上很多國家都積極地投入到研究中。下面分別介紹一些在下肢外骨骼方面比較成熟的研究成果?！肮下庇?0個水壓力動力源和伺服隨動鉸鏈組成，體積巨大，重約680公斤，具有30個自由度，為上肢和下肢提供助力幫助，控制系統(tǒng)采用主-從控制模式，最終能夠?qū)⑺闹牧α糠糯?5倍。1978年，美國麻省理工學(xué)院研究出“被動式外骨骼助力機器人”。MIT的外骨骼下肢助力機器人能夠在負(fù)載36公斤的情況下行走1m/s，其中80%的負(fù)重被傳遞到地面上。它的關(guān)節(jié)自由度配置包括髖關(guān)節(jié)有3個自由度，膝關(guān)節(jié)1個自由度。穿戴者與機器人在肩膀、腕關(guān)節(jié)、大腿和腳部連接，機器人總重量是11.7Kg。驅(qū)動方式不采用電力驅(qū)動，只利用彈簧儲能和變阻尼器驅(qū)動關(guān)節(jié)驅(qū)動。髖關(guān)節(jié)伸/屈運動時，伸運動時彈簧釋放能量，屈運動時彈簧儲存能量，膝關(guān)節(jié)利用磁流變阻尼器，踝關(guān)節(jié)利用碳纖維彈簧緩沖腳后跟對地面的沖力。傳感器系統(tǒng)是由安裝在外骨骼下肢助力機器人外殼的應(yīng)變橋式應(yīng)變片傳感器和安裝在膝關(guān)節(jié)的電位計組成。392004年，加州大學(xué)伯克利分校的下肢外骨骼機器人BLEEX。由一個用于負(fù)重的背包式外架、兩條動力驅(qū)動的仿生金屬腿及相應(yīng)動力設(shè)備組成,使用背包中的液壓傳動系統(tǒng)和箱式微型空速傳感儀作為液壓泵的能量來源,以全面增強人體機能。BLEEX的每條腿具有個7自由度(髖關(guān)節(jié)3個,膝關(guān)節(jié)1個,踝關(guān)節(jié)3個）,在該裝置中總共有40多個傳感器以及液壓驅(qū)動器,它們組成了一個類似人類神經(jīng)系統(tǒng)的局域網(wǎng)。BLEEX的負(fù)重量能達(dá)到75kg,并以0.9m/s的速度行走,在沒有負(fù)重的情況下,能以的1.3m/s速度行走。40

目前,洛克希德·馬丁公司和伯克利分校共同研制了新一代外骨骼機器人HULC,這款新型外骨骼繼承了BLEEX的優(yōu)點,對一些液壓傳動裝置和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,不但能夠直立行進(jìn),還可完成下蹲和甸甸等多種相對復(fù)雜的動作,穿上后能夠明顯降低人體對氧氣的消耗量。

在一次充滿電后,可保證穿著者以4.8km/h的速度背負(fù)90kg重物持續(xù)行進(jìn)一個小時。而穿著HULC的沖刺速度則可達(dá)到16km/h。HULC穿戴起來也非常方便,士兵只需將腿伸進(jìn)靴子下方的足床,然后用皮帶綁住腿部、腰部以及肩部即可,完全脫下需30秒的時間.41

美國薩克斯公司完成的第一款外骨骼機器人是WEAR。2008年4月,成功研制出外骨骼機器人XOS,如圖所示。外骨骼機器人XOS代表了外骨骼領(lǐng)域最尖端的技術(shù)。它利用附在身體上的傳感器,可以毫不延遲地反應(yīng)身體的動作,輸出強大的力量。當(dāng)穿上XOS時,能舉起200磅的重物就好像舉20磅的,可以連續(xù)舉50一500次。目前XOS有一個重大缺陷,就是利用自帶的電池只能使用40分鐘。WEAR

XOS外骨骼機器人422005年，日本筑波大學(xué)研制出了世界上第一種商業(yè)全身式外骨骼助行機器人HAL，它的功能主要是幫助老年人和殘疾人走路，爬樓梯及搬東西等。

這款機器人是全身式的外骨骼助力機器人，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處通過鉸鏈連接并只有1個自由度，利用諧波直流電機驅(qū)動，踝關(guān)節(jié)是被動的。HAL系列的助行外骨骼機器人是通過分析人體表皮肌電信號進(jìn)行控制的。它擁有兩個控制系統(tǒng)：一個是以肌電信號為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，一個是以步行模式為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。通過分析這兩個系統(tǒng)來判斷使用者的運動意圖。432000年，神奈川理工學(xué)院研制的全身式外骨骼機器人主要用于護士搬運和移動病人等工作，該機器人可以輕松的搬運85kg的病人。機器人是由肩部，手臂，后背，腕部和腿部機械單元組成的。它的驅(qū)動器采用設(shè)置在肩部、腕部和腿部微型旋轉(zhuǎn)氣動驅(qū)動器。

傳感器系統(tǒng)由具有稱重功能的肌肉傳感器。控制方法采用主從控制，各機械單元一旦發(fā)生運動，這運動將被肌肉傳感器檢測到，力度的不同由稱重傳感器的觸頭檢測到，并由氣動驅(qū)動器驅(qū)動關(guān)節(jié)跟隨運動。44以色列埃爾格醫(yī)學(xué)技術(shù)公司研發(fā)外骨骼助行機器人Rewalk，總重18Kg，運動速度是1Km/h，能夠連續(xù)工作8小時。它可以完成行走、站立、坐下、爬樓梯，上坡和下坡等動作。本田電機公司2008年研制了一款步行助力機器人“Walkingassist”總重2Kg的助行機器人有兩個電機驅(qū)動，能夠連續(xù)工作2小時，步行速度達(dá)到4.5km/h，它可以幫助單腿受到損傷的穿戴者。RewalkWalkingassist45韓國西江大學(xué)研制的外骨骼助行機器人。該外骨骼結(jié)構(gòu)上的顯著特點是整個裝置由外骨骼和手推車兩個部分組成。所有的驅(qū)動元件,包括電池、電機及控制器等較重的周邊設(shè)備都布置在手推車中。

他們采用類似于機電信號的肌纖維膨脹信號,利用綁在大腿和小腿上的氣囊內(nèi)的氣體的壓力變化來測得,而在人腿自由擺動,肌纖維不膨脹時,則利用關(guān)節(jié)處的角度傳感器的信號來觸發(fā)驅(qū)動器的動作。46美國芝加哥康復(fù)研究所的外骨骼機器人Lokomat。它主要由步態(tài)矯形器、先進(jìn)的體重支援系統(tǒng)和跑步機組成。

通過直接安裝在動力裝置上的力轉(zhuǎn)換器增加了測量患者活動能力的功能,而且可以使步態(tài)援助水平得到調(diào)整,使導(dǎo)引力從零到最大范圍進(jìn)行調(diào)節(jié),以適應(yīng)不同使用者腿的鍛煉。47國內(nèi)對外骨骼下肢助力機器人的研究開始與20世紀(jì)初，目前外骨骼下肢助行機器人的研究正處于起步階段。中科大智能所研究的可穿戴型助行機器人，具有10個自由度，系統(tǒng)利用表皮肌電信號分析穿戴者的運動意圖。浙江大學(xué)研制出了多自由度下肢外骨骼助行機器人，驅(qū)動器使用氣動驅(qū)動，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器為圓形氣缸。它可以將足底壓力信號和氣缸的位移控制信號直接關(guān)聯(lián)起來，能夠較好的判斷穿戴者的運動意圖。

48上海大學(xué)研制一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，由外骨骼助行器，減重機構(gòu)和跑步機構(gòu)成。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)各一個自由度，共六個自由度實現(xiàn)在矢狀面內(nèi)運動，通過反復(fù)的訓(xùn)練來幫助患者逐步恢復(fù)行走能力49關(guān)鍵技術(shù)501.助行外骨骼機器人的步態(tài)分析與步態(tài)穩(wěn)定性控制步態(tài)分析是人體下肢外骨骼設(shè)計的重要依據(jù)和工具。由于人體下肢外骨骼跟隨人體下肢一起運動,輔助操作者承載,首先考慮的就是下肢外骨骼應(yīng)與操作者具有協(xié)調(diào)一致的動作,與人體下肢具有相同的自由度和運動形式。因此,分析人體下肢自由度、研究人體步態(tài)是設(shè)計下肢外骨骼實現(xiàn)行走的基礎(chǔ)。2.助行外骨骼機器人多傳感器的選擇與信息融合

傳感器是實現(xiàn)自動控制的首要環(huán)節(jié)。下肢外骨骼機器人的傳感器就如同人的神經(jīng)一樣重要,通過他們感知獲取操作者以及外骨骼的各種運動及數(shù)據(jù),才使得整個系統(tǒng)能夠按照預(yù)期的目標(biāo)運動。3.助行外骨骼機器人的控制系統(tǒng)與兩足行走機器人的控制不同,下肢外骨骼機器人不僅要考慮對機構(gòu)本身的控制,還要在控制策略上考慮與使用者的相適應(yīng)問題。下肢外骨骼機器人必須能夠同步跟隨使用者的動作,能夠加強使用者的力量并模仿人類的各種動作,包括戰(zhàn)場上的前后左右移動躲閃,故控制算法比較復(fù)雜。4.助行外骨骼機器人的驅(qū)動方式與能源驅(qū)動方式的合理選擇對下肢外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)和性能也有很大的影響。下肢外骨骼通常采用的驅(qū)動方式有三種電機驅(qū)動,液壓驅(qū)動,氣壓驅(qū)動。三種驅(qū)動方式各有優(yōu)缺點，應(yīng)用時需要根據(jù)實際分析選擇。

51發(fā)展趨勢52現(xiàn)有的下肢外骨骼機器人還存在以下幾方面的問題體積大,重量重,噪音大，對地面的適應(yīng)性和運動的靈活性還需進(jìn)一步提高，與使用者的步態(tài)還不完全協(xié)調(diào)，能源的重量較重而且不耐用?；谝陨蠁栴}和下肢外骨骼機器人的應(yīng)用背景,其未來發(fā)展呈現(xiàn)出以下幾個趨勢：1.智能化2.人機耦合3.模塊化4.微型化結(jié)論53

助行外骨骼機器人作為一種新興的技術(shù)，在民用和軍用領(lǐng)域都具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。隨著科技的不斷發(fā)展，外骨骼技術(shù)也將會不斷的創(chuàng)新與進(jìn)步。未來的助行外骨骼機器人系統(tǒng)將會更加適合操作者，我們未來的生活會因為它的廣泛應(yīng)用而改變?？祻?fù)診療機器人背景隨著機器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，在歐洲、美國和日本等國家，醫(yī)療康復(fù)機器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢，僅日本機器人市場，2010年上升到

大約1，050，000美元，其增長率在機器人的所有應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)首位。因此，服務(wù)于四肢的康復(fù)設(shè)備的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。康復(fù)機器人是康復(fù)設(shè)備的一種類型，其中以歐美和日本的成果最為顯著。在我國康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視，而康復(fù)機器人研究仍處于起步階段，一些簡單康復(fù)器械遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場對智能化、人機工程化的康復(fù)機器人的需求，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展?？祻?fù)機器人的種類1輔助型康復(fù)機器人

主要是幫助肢體運動有困難的患者完成各種動作，該類產(chǎn)品有機器人輪椅、機器人護士、機器人假肢、機械外骨骼等。2康復(fù)訓(xùn)練機器人

主要功能是幫助患者完成各種運動功能的恢復(fù)訓(xùn)練，該類產(chǎn)品有行走訓(xùn)練、手臂運動訓(xùn)練、脊椎運動訓(xùn)練等。目前，康復(fù)機器人的研究主要集中在康復(fù)機械手和康復(fù)治療機器人等幾個方面康復(fù)機械手的研究現(xiàn)狀3類：（1）基于桌面的機械手（2）基于輪椅的機械手。（3）基于移動機器人的機械手。（1）基于桌面的機械手機械手安裝在一個徹底結(jié)構(gòu)化的控制平臺上，在固定的空間內(nèi)操作，具有足夠自由度的串聯(lián)機器人再配上適合殘疾人使用的人機界面是這種機器人典型的設(shè)計模式。目前此類機器人已經(jīng)達(dá)到了實用化，如法國CEA公司開發(fā)的MASTER系統(tǒng)、美國的TolfaCorportion開發(fā)的DEVAR系統(tǒng)，以及英國的OxfordIntelligentMachinesLtd.開發(fā)的RAID系統(tǒng)等。（2）基于輪椅的機械手。

這種機器人是安裝在輪椅上的，是因為輪椅的移動擴大了機械手的工作范圍，同時由于安裝基座的改變致使機械手的剛性下降和抓取精度的降低，這種機械手也只是用于用于輪椅的患者，這是一點不足。這種機械手已經(jīng)成為面向應(yīng)用的流行設(shè)計，KARES5系統(tǒng)，就是一種基于輪椅的機械手系統(tǒng)，在電動輪椅上安裝了一個六自由度的機械手，能夠幫助行動不便的老人和殘疾人獨立的行動。（3）基于移動機器人的機械手。

這類機械手是目前最先進(jìn)的康復(fù)機械手，這種機械手安裝在移動的機器人或者半自主的小車上從而適用于更多的患者使用，同時擴大了機械手的活動空間并提高了抓取的精度。S.Tachi等人在MIT日本實驗室研制了一種移動式康復(fù)機器人MELDOG6，作為“導(dǎo)盲狗”以幫助盲人完成操作和搬運物體的任務(wù)。法國Evry大學(xué)研制了一種移動式康復(fù)機器人ARPH7，使用者可以從工作站實施遠(yuǎn)程控制，使移動機器人實現(xiàn)定位和抓取工作。這種機械手系統(tǒng)都是需要由視覺、靈巧操作、運動、傳感、導(dǎo)航及系統(tǒng)控制等電子系統(tǒng)組成，要求比較高，價格也是相對的比較昂貴?？祻?fù)治療機器人研究現(xiàn)狀康復(fù)治療機器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機器人技術(shù)的完美結(jié)合，不再把機器人當(dāng)作輔助患者的工具，而是把機器人和計算機當(dāng)作提高臨床康復(fù)效率的新型治療工具?？祻?fù)治療機器人在醫(yī)療實踐上主要是用于恢復(fù)患者肢體運動系統(tǒng)的功能。當(dāng)人的肢體受外傷燒傷或做手術(shù)后，由于受傷組織的皮膚、韌帶和肌肉失去彈性而導(dǎo)致肢體運動的速度和范圍受到限制。生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用就是使用機器人系統(tǒng)來打破受傷肢體的運動范圍。從現(xiàn)有文獻(xiàn)及臨床需要來看，今后上肢康復(fù)機器人系統(tǒng)的研究可能集中在以下幾個方面：1.康復(fù)醫(yī)療機器人系統(tǒng)設(shè)計2.控制策略與運動模式的設(shè)計3.力反饋4.安全機制5.康復(fù)效果的評價機制相關(guān)研究課題舉例本上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人用于中風(fēng)偏癱患者的康復(fù)訓(xùn)練。采用穿戴式外骨骼設(shè)計，由氣動驅(qū)動。該機器人既能直接準(zhǔn)確地模擬手臂的各種運動，又能利用患者的一側(cè)健康手臂自主運動信息直接驅(qū)動患者另一側(cè)患肢作隨動康復(fù)運動。步行康復(fù)訓(xùn)練機器人近年來減重步行訓(xùn)在

臨床上的應(yīng)用越開越廣泛．它

主要是用減重吊帶使患者步行時下肢負(fù)重減少，借助于運動

平板進(jìn)行步行能力訓(xùn)練。在訓(xùn)練時一般需要兩名治療師．一名

幫助患者腿擺動、支撐期患足跟著地．防止支撐期膝過

伸。另一名幫助患者進(jìn)行身體重心轉(zhuǎn)移、髖伸展、骨盆旋轉(zhuǎn)，

并保持患者軀干的直立。自20世紀(jì)90年代初以來．國內(nèi)外

多家研究機構(gòu)利用