智能辅具与机器人

6 《机器人技术与应用》双月刊 第 5 期康复辅具是残障人（包括老年人、残疾人、伤病人）补偿或改善功能，提高生存质量，增强社会生活参与能力最直接有效的手段之一。

对于残疾人补偿或替代其身体功能障碍，对于老年人提高或改进其日常生活活动能力，对于伤病人采取非手术、非药物的工程手段帮助其恢复健康，康复辅具是帮助残障者回归社会的最基本和最有效的手段，对于某些身体功能障碍，配置辅具甚至是唯一的康复手段。

一、智能辅具1、智能辅具的定义人工智能的目的就是让各种各样的机器像人一样思考，具有“智慧”，模仿人类大脑的功能指挥操纵身体的其他器官，作到“知行”合一。

智能辅具就是采用这样的科学原理，在辅具执行系统中组合了模仿人脑指挥身体器官行动的必要模块，使该辅具具有“感知外界环境变化的能力”，“分析判断现实情况的能力”，“操纵其他器官的能力”，“反馈操纵结果的能力”，充分模仿了人类感觉器官采集信息，大脑分析归纳整理信息，肢体服从大脑指令进行行动的能力，使该辅具可以迅速感知，并且实时作出调整以适应完成任务的要求。

智能辅具概念的出现比较新，2011年2月科技部社会发展司将“智能型残障人生活辅具的研发”列入“十一五”社会发展领域十大科技成果。

发展智能辅具产业科技，提高残障者生存生活质量，是一个国家科技进步和国民经济现代化水平的重要标志。

康复设施的科技水平从二十世纪六十年代以后日趋现代化、智能化。

正如中国残联张海迪主席在接受媒体采访时谈到的，智能化正成为残疾人康复器具发展的新趋势。

“现在很多的残疾人辅助器具在智能化方面已经取得了非常不错的成绩，如假肢的智能化、轮椅的智能化等，有的轮椅甚至能自动站立起来。

更有甚者，很多产品已经借助仿生学的原理，来研制新的智能化高端产品。

”2、智能辅具的分类目前智能辅具不仅包括了智能假肢、智能轮椅、智能移动辅具、智能家居与环境控制辅具、智能生活辅具、智能信息交流辅具、智能护理机器人、智能康复训练器械，还包括感觉装置、神经控制、功能评价等许多方面。

其中智能生活辅具是需求最大、最迫切的产品。

“十一五”期间，我国科技主管部门和行业主管部门积极推动智能辅具研发，科技部通过科技支撑计划、863计划等国家科技计划支持了多个专门面向重度残障者的重大科研项目，部分项目已取得了一批高水平的科研成果，包括若干个智能生活辅具等标志性新产品，将陆续推向市场，这些成果为智能辅具产品的进一步研究奠定了良好的基础，有力推动了我国智能辅具事业的发展。

3、智能辅具的应用对象长期卧床的患者，需要定期变换身体的姿势，进行身体的擦洗和清洁，完成各种日常生活照料等护理工作。

长期卧床的重度残障人及失能老人的护理是一个世界性的难题，通常需要专门的护理人员，工作非常辛苦。

很多智能机器设备主要是针对以上人员的，而且在发达国家智能辅具已经达到一定的级别了。

我国老年人中，约有940万人失能，部分失能约1894万人；长期卧床、生活不能自理的约有2700万人；82万老年性痴呆患者中约有24万人长期卧床。

我国3.74亿个家庭中，有长期卧床患者的家庭约占全国家庭总户数的8％。

由于缺乏社会护理，一个失能老人至少影响两个家庭，至少有几千万家庭为失智能辅具与机器人技术2011年9月30日 《机器人技术与应用》 7能老人的护理问题所困扰，未来护理和辅助的人员将会短缺。

其中，最缺乏的是先进的家庭护理设备和智能辅具。

二、智能假肢1、智能下肢假肢智能下肢假肢组合了模仿人脑指挥身体器官行动的模块，通过微处理器控制智能假肢膝关节液压系统的阻尼变化来调节支撑期的稳定性和摆动期的摆动速度，充分模仿了人类感觉器官采集信息，大脑分析归纳整理信息，肢体服从大脑指令行动，使膝关节可以迅速感知地面状态和行走速度，并且实时作出调整以适应路面状况和行走要求。

我国于1994年就开始了智能膝关节研究。

2009年由河北工业大学、国家康复辅具研究中心、清华大学联合研制成功国产智能假肢气压膝关节（图1），采用了四连杆与气压缸的一体化设计，利用传感器实现步态和步速识别，智能控制器能够根据穿戴者的行走速度自动调整气缸阀门开度，实时调整假肢的摆动速度，填补了国内智能下肢假肢领域的空白。

2、智能上肢假肢目前人们对于智能假手的研究尚处于探索阶段，还没有对智能假手的明确定义。

概括地说，所谓智能假手，就是将微电子技术、计算机控制技术与生物医学工程技术以及传感器技术等一列高新技术融合在一起，制作出能够模仿人手的感觉和动作的仿生手，与神经系统相连的假手。

数字手（cyberhand）（图2）是世界上第一个完全与神经系统相连的假手，可以和正常人非常完美的进行握手。

该假手能通过实验室的计算机获得命令并随时与人握手问候，这是第一个可以发出自然感觉信号的假手。

美国西北大学科学家发明了一种可以用意念操控的假肢，并有望在更多截肢者中推广。

美国的一位截肢者杰西·萨利文拥有着一个特别智能的假肢，与大多数人的假肢不同，萨利文的假肢并不是依靠电机来工作的，而是完全靠他的大脑来控制。

美国西北大学科学家将萨利文截肢断口处的神经与他的胸部肌肉连接在一起，从而找到一种通过大脑思维控制假肢的方法。

实现了仿生学研究的突破性进展。

这种方法使得萨莉文能够完成更多的动作。

当他想运动胸部肌肉时，相连的神经就会收到由计算机翻译并传输过来的信号。

三、智能轮椅1、智能轮椅的概念从某种程度上说，智能轮椅就是基于轮椅的康复机器人。

智能轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅,融合多种领域的研究,包括机器视觉、机器人导航和定位、模式识别、多传感器融合及用户接口等,也称智能轮椅式移动机器人。

智能轮椅和传统轮椅相比，增加了“大脑”、“眼睛”和“耳朵”，它们分别是计算机控制系统，摄像头和激光探测器，还有麦克风。

智能轮椅将智能机器人技术应用于电动轮椅上，融合了传感技术、机器视觉、机器人导航和定位、模式识别及人机交互等先进技术，从而使轮椅变成了高度自动化的智能轮椅式移动机器人。

2、不同残障程度人群都有办法操控轮椅针对不同残障人群，研究者们开发了多种智能轮椅人机接口。

对于那些残疾程度较轻、肢体能动性较高且意识较好的人群，可以采用操纵杆控制、按键控制、方向盘控制、触摸屏控制、菜单控制等方式。

而对于残障程度较高、肢体能动性较低的人群，研究者也可以给他们提供语音控制、头部控制、手势控制、舌头动作控制，甚至肌电信号控制图1 国产智能假肢气压膝关节图2 数字手能老人的护理问题所困扰未来护理和辅助的人员8 《机器人技术与应用》双月刊 第 5 期和大脑意念信号控制等办法。

设计者可根据使用者残障程度的不同，安装多种人机接口，从而能与使用者实现多种途径的交互，提供更加安全的运动控制。

另外，针对残障程度较重的使用者，部分轮椅上采用了轻型机械臂，帮助完成捡拾物品、开门、倒水等活动。

有的智能轮椅能够利用两对驱动轮的交替旋转实现攀爬楼梯的目的；还有轮椅两侧加装了机械腿，通过机械腿的支撑作用攀爬楼梯。

例如，著名物理学家霍金患肌肉萎缩症，几乎全身都不能动，既不能说话，也不能做手势。

但凭借一辆智能轮椅，霍金仍能做很多事。

他用两根其实没有多大力气的手指头操作电动轮椅“行走”，他眼睛及脸部肌肉的变化会通过传感器输入到专门软件，经处理后转换为文字信号，自动显示在屏幕上，并合成语音发声。

他还能通电话，使用遥控器控制电视、录像机，听音乐，锁门、开关灯以及写下一个个艰深的方程式。

3、我国智能轮椅研究我国“十一五”规划重点支持的服务机器人项目——助老助残机器人系统，国家863计划智能轮椅课题已开发出中端轮椅（图3）实现了差速驱动控制、平滑起停、稳定行驶、实时避障停车功能；高端轮椅（图4）座位可以自由升降，靠背自由倾斜，床与轮椅实现了对接，方便乘坐人员自理上下床；自动避障绕行，跌落、倾翻自动报警，还可对使用者健康状态实时检测。

四、智能移动辅具对于许多下肢功能开始衰退的老年人和残疾人来说，利用智能型辅具正确进行站立和步行训练也对其下肢功能的恢复和保证身体整体的健康水平具有重要意义。

1、智能型站立/移动系系统智能型站立/移动系统，帮助老年人和残疾人实现站立和自由移动，不但可以提高其生活自理能力，减轻家人和护理人员的护理负担，而且可以有效提升老年人和残疾人的健康水平，从而达到提高其生活质量的目的。

20世纪60年代南斯拉夫等国就开始了动力式截瘫助行器机械的研究工作，并研制了用气体和液体作动力源的助行装置的样机。

90年代清华大学康复工程研究中心研制成功了由电机直接驱动的单自由度双关节助行装置。

2、智能下肢助力系统为了解决穿戴不方便的问题，日本本田公司推出了一款如图5所示的下肢助力系统。

但该助力系统也主要用于下肢功能基本正常人群的助力，让步行更加轻松。

3、助行机器人随着机器人技术的不断发展，人们试图用现代机器人技术来解决动力型助行器的难题，开发出各种类型的动力型助行器人。

然而，由于人体步行所具有的复杂性，以及当前机器人科学在动力源、动图3 国产中端智能轮椅图4 国产高端智能轮椅图5 日本本田公司的下肢助力系统2011年9月30日 《机器人技术与应用》 9力元件、传感器等方面的技术水平的限制，能够成功达到实用水平的研究还很少，该领域的研究仍有广大研究发展空间。

最早的有Lacey 等人提出的P A M -A I D 系统（图6），能够给予身体虚弱或视力差的老人一定的支援，并能帮助老人在行走中躲避障碍物。

日本Kotani等人设计的PAM-AID系统可以帮助盲人或视力不好的老人进行户外活动，且可以基于地图信息给用户提供导航。

4、导航助行器荷兰阿纳姆-奈梅亨大学便为容易忘记小事的老年人设计了搭载定位系统的助行器（图7），好让他们都能快快乐乐地走出房门，平平安安的回到自己的房间。

研究团队利用Wifi无线网络来辅助定位。

接口设计则以简单易读图示为主，好让年长的朋友们很快就能上手。

5、外骨骼式机器人所谓的外骨骼就是一种可穿戴的、人工智能的仿生设备，最初主要为军事用途而研发，它可以在战场上增强士兵们的力量和忍耐力。

在医学上，研究者们正在研究外骨骼的另一种用途，即帮助那些身体上的伤残人士。

在健康领域，外骨骼的应用不仅仅是向截瘫患者提供机械腿（图8），它能以自然步态帮助截瘫患者摆脱轮椅，自由行走；它还可以教他们如何学习再次行走。

6、国产截瘫患者行走训练系统。

由清华大学、国家康复辅具研究中心等联合研制的国产截瘫患者行走训练系统（图9）该系统突破了关节反向驱动和腰部随动机构、运动轨迹规划及髋膝关节协调控制等关键技术，设计了根据患者身高自动生成步态轨迹的智能多关节协调运动控制系统，帮助截瘫及其他下肢运动功能障碍患者进行行走训练，恢复其行走功能。

五、智能家居与环 境控制辅具1、智能家居智能家居又称智能住宅，国外称为S m a r t Home。