机器人论文

医用服务机器人摘要：介绍了国内外医用服务机器人的研究现状，结合某一具体的医用服务机器人，详细阐述了医用服务机器人涉及的关键技术，并对未来的研究方向做了预测。

关键词：服务机器人；人机交互；传感器信息融合；语音识别；定位导航。

Abstract：Research status of international and national hospital service robot is presented，combining with a concrete hospital service robot．The paper discusses the key techniques of it in detail．Finally，the paper forecasts the future research directions of hospitalservice robot。

Key words：Service robot；human-robot interaction；sensor information fusion；language recognition；positioning and navigation.引言医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新兴交叉研究领域，已经成为国际机器人领域的一个研究热点。

目前，先进机器人技术在医疗外科手术规划模拟、微损伤精确定位操作、无损伤诊断与检测、新型手术医学治疗方法等方面得到了广泛的应用，这不仅促进了传统医学的革命，也带动了新技术、新理论的发展。

研究意义与必要性随着工业自动化、航天、海洋、核工业等领域的发展，智能机器人技术的应用越来越广泛。

而智能机器人系统的实现，不仅决定于机器人的结构和机器人控制特性，更重要的是系统必须具有多传感器和智能控制系统。

随着机器人高新技术的发展，机器人的应用领域已不再局限于传统的制造业，其在服务领域的应用正日益受到人们的关注。

近年来，由于医务工作人员与科学工程技术人员的紧密配合，将先进的机器人技术、计算机图像技术、计算机控制技术和微创伤外科技术相结合，研究开发了许多类型的医用外科手术机器人系统，有的系统已应用于临床实践。

一些研究成果已显示出巨大的潜在经济和社会效益。

这方面的研究不仅在提高手术的质量、减少手术创伤、缩短病人的恢复周期、降低病人和医院的开支等方面带来一系列的技术变革，也将改变传统医疗外科的许多概念对新一代手术设备的开发与研制，对人工假体的设计，对医学的教学与研究，对临床或家庭的护理及康复工程等方面的发展也将产生深远的影响，并对机器人技术(Robotics)、计算机虚拟现实技术(Virtual Reality)、机械电子学技术(Mechatronics)等相关学科的理论与技术发展也产生了积极的推动作用。

医疗机器人，已经应用于用于世界各地的许多手术室中的外科手术机器人，由医用机器人和工业机器人的技术结合而诞生的康复机器人，它们都给人们的生活带来更多的方便。

随着技术的发展，机器人将向医疗的各个领域渗透，将涵盖包括外科手术、医院服务助残、家庭看护和康复等的所有层面，开创临床医学的新天地，各种新型医用机器人机构、新型手术工具、医学图像采集和处理技术、远程信息传输技术、智能传感器、智能轮椅、智能康复设备及其它相关技术等仍是研究热点。

所以医疗机器人的研究有着重要的意义和重要性。

关键技术分析一个完善的移动服务机器人系统通常由三个部分组成：移动机构、感知系统和控制系统。

移动机构是服务机器人的本体，决定机器人的运动空问，有步行机构、轮式机构、履带式机构和混合机构等几种。

感知系统一般采用CCD摄像机、激光测距仪、超声测距仪、接触和接近传感器、红外线传感器和雷达定位传感器等。

服务机器人的控制与工作环境的有关信息往往是多义的、不完全的或不准确的，还可能随着时间而改变。

目前发展较快、对服务机器人的发展影响较大的关键技术是：传感技术、智能控制技术、路径规划技术、人机交互技术等。

(1)路径规划技术路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息，按照某种优化指标，在起始点和目标点之间规划出一条与环境障碍无碰撞的路径，其实质就是移动机器人运动过程中的导航和避障。

自上世纪70年代研究以来，移动机器人的路径规划按机器人获取环境信息的方式不同，大致划分为三种类型：基于模型的路径规划，主要处理结构化环境，规划方法有栅格法、可视图法、拓扑法等；基于传感器信息的路径规划，主要用于非结构环境，克服环境条件或形状无法预测的因素，方法有人工势场法、确定栅格法和模糊逻辑算法等；基于行为的移动机器人路径规划是移动机器人路径规划问题研究中的新动向，就是把导航问题分解为许多相对独立的单元即行为单元，如避障、跟踪、目标制导等。

随着计算机技术和传感器技术的发展，多传感器集成与信息融合技术在智能机器人上获得了广泛的应用。

非结构环境下移动机器人是机器人技术发展的重点，基于多传感器信息融合的移动机器人避障策略及其路径规划技术是其中的关键技术。

(2)传感器信息融合技术多传感器信息融合就是把分布在不同位置，处于不同状态的多个同类或不同类型传感器提供的局部不完整信息加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，利用信息互补，降低不确定性，以形成对系统环境相对完整一致的感知描述，从而提高智能系统决策、规划的科学性，反应的快速性和正确性，降低其决策风险。

为了让机器人正常工作，必须对其位置、姿态、速度和系统内部状态等进行监控，还要感知机器人所处工作环境的静态和动态信息，使得机器人相应的工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化。

为达到这个目的，必须对机器人的传感信息进行研究，对传感器提供的信息进行融合，获得对物体或环境的一致性描述，这是单一传感器所无法获得的。

运用多传感器融合技术对提高机器人定位、障碍物识别、环境建模、避障的精度等具有重要的作用。

融合的主要方法有：Kalman滤波法，Bayes估计法、统计决策法、D-S推理法、模糊逻辑法及产生式规则法等。

(3)语音识别技术智能机器人在为人类服务时，需要能够听懂医务人员的吩咐，按照指令完成预定的工作，因此给机器人安装“耳朵”是很有必要的。

智能机器人的“耳朵”首先要具有接受声音信号的“器官”，其次需要语音识别系统。

机器人与人的信息交互可以从两个方面进行分析：一方面是为了方便地操纵智能机器人而进行软件开发与设计，以及对机器人进行示教等，另一方面，是机器人在工作时信息交互。

智能机器人的发展趋势是，不仅要求机器人本身具有高度自主的智能，而且还要求机器人与人的协调方面也具有一定的智能。

总之，使用机器入的目的，不单纯是为了帮助人们完成某些作业，而且还要借助机器人把人的智力加以引申，这就要求机器人具有各种主动的而不是被动的高性能。

为了达到这个目的，自然语言作为机器人与人之间进行信息交互的一种手段将会起到重要作用。

(4)人机交互技术在移动机器人的智能控制中，无论是环境信息的处理、碰撞的预测还是最优规划的计算都会遇到诸多棘手的问题。

单纯依靠移动机器人的智能解决这些问题是很困难的。

良好的人机交互系统是解决上述问题的有效途径之一。

实际上，要机器人完全代替人，特别是具有人的分析、决策等全部的智能是很难实现的。

由人来帮助机器人进行分析和判断是提高机器人智能的有效途径。

当人借助于交互工具主动参与和控制机器人行为时，机器人系统比无人时运行更为有效，具有更强的容错性。

因此，许多机器人专家认为，目前对机器人的研究，应从全自主方式转向交互方式，即人机交互技术。

与工业机器人的人机交互系统相比，服务机器人的人机交互系统应该操作更容易，界面更友好，从而使没有相关专业知识技能的普通人也能轻松的使用，并能进行一些相对复杂的操作。

(5)视频处理及视觉伺服控制技术视觉系统在机器人导航中起着环境探测和辨识的作用，视觉导航的优点在于具有很高的空间和灰度分辨率，其探测的范围广、精度高，能够获取场景中绝大部分信息。

缺点是难以从背景中分离出要探测的目标。

为了将障碍与背景分开，所需的图像计算量很大，导致系统的实时性能较差，可采用一些特殊图像处理算法和并行处理技术。

为了能够正确的计算障碍物信息，可能需要在系统实际工作前进行摄像机定标，以便确定一些参数。

目前视觉导航信息处理的内容包括以下几个方面：视觉信息的压缩和滤波、路面检测和障碍物检测、环境特定标志的识别、三维信息感知与处理。

其中，路面、障碍物检测和识别是视觉信息处理中最重要、最困难的过程。

视觉信息的获取是局部路径规划和导航的基础，路面障碍物检测的成功与否决定了机器人能否正确识别当前的地面环境，能否正确做出局部路径规划并执行路径跟踪。

对于室内机器人，其检测技术一般都以边缘检测为基础，辅以Hough变换、模式匹配等，并利用最小二乘法处理对应于路面边界的线条，得出路面的几何描述。

采用Hough变换从图像中提取墙壁等直线信息，然后通过对多个墙壁的距离来实现自身的定位。

障碍物检测原理与路面检测原理差不多，但其重点是对障碍物位置和大小的描述。

使用Hough变换从图像中提取直线形式的路面边界，并通过对比探测到的路面信息与机器人内部存储的地雷，修正偏差，实现导航，这种方法可以提高导航的鲁棒性。

(6)机器人机械系统设计机械系统是服务机器人系统中的一个重要组成部分，是完成抓取对象实现所需运动的机械部分，与一般的机械系统相比，除要求有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应性能。

根据服务机器人各部分的功能和运动的实现，其机械部分一般由移动机构、机身、臂部、腕部、手部等组成。

(7)安全性及可靠性服务机器人实用化和商品化的关键之一在于它的安全性和可靠性，国内在这方面的研究很少，因此，在对服务机器人进行安全性设计和评估时，一般借鉴工业机器人的安全手段，对服务机器人潜在的事故原因进行分析，并指出相应的安全措施。

软硬件设计时要充分考虑机器人的安全性，轮子以及各种传感器的安装位置要精确计算，以确保位置信息最准确，指令明确不会产生歧义。

系统主体部分一般采用圆形以减少与周围环境发生碰撞的机率，即机器人不能对人产生威胁，不能与周边环境发生严重碰撞，且尽可能减少人工干预，此外，安装有紧急制动开关和闪光报警灯使机器人自身能安全可靠地执行任务。

国内外研究现状近年来,西方许多先进国家都进行专门立项投资，积极开展医用机器人方面的研究，如美国国防部开展了临场感手术技术研究，用于战场模拟、手术培训和解剖教学，NASA已经在美国加州与意大利米兰之间进行了这方面的试验。

欧共体技术专家Maurice在期刊中表示,欧共体正在制定一项新的计划,其中将机器人辅助外科手术及虚拟医疗技术仿真作为重点研究发展计划之一。