生物医学工程概论 2

智能康复机器人,产品简介及技术产品结构产品应用,1,2,3,康复机器人简介,康复机器人简介,智能康复机器人是帮助残疾人解决生活中活动困难的一种工具，它可以在家里或者工作场所使用，使残疾人获得获得更强的独立生活能力，并相当大地提高他们的生活质量。,康复机器人简介,康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。,康复机器人简介,Handy1康复机器人是目前世界上最成功的一种低价的康复机器人系统，现在有100多名严重残疾的人经常在使用它。在许多发达国家都有人采用了这种机器人。,康复机器人简介,目前,康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面。,康复机器人技术,相关技术,1.机械本体技术康复器械的范围有所扩大新材料应用于康复器械智能化程度,相关技术,2.人机接口技术用户在使用康复机器人过程中需要不断地与机器人沟通，人机接口的灵活、简便易用是康复机器人高效运行的基础。,相关技术,3、语音接口具有普适性对语音的要求较高对有语言障碍的患者不适用成本较高,相关技术,4、肌电接口嵌入式肌电电极EMG信号的拾取表面电极EMG信号的拾取缺点：信号微弱，控制准确性较差,相关技术,5、脑机-接口（BCI）信号采集特征提取信号分类生物反馈,康复机器人系统结构,智能康复机器人系统结构,本地康复医疗训练机器人系统,1,2,3,远程康复医疗训练机器人系统,基于虚拟环境的康复医疗训练机器人系统,康复医疗训练机器人系统从系统架构上分大体可分为三个阶段：,1.本地康复医疗训练机器人系统,大多数MIT-Manus、MIME等多属于本地康复医疗训练机器人系统。,MIME(mirrorimagemotionenabler),是一种典型的康复训练机器人系统，该设备包括左右两个可移动的手臂支撑，由工业机器PUMA-560操纵患者手臂，为患者提供驱动力，既可以提供平面运动训练，也可以带动肩和肘进行三维运动。由于PUMA-560本源上是工业机器人，因而从机械的角度上说，不具有反向可驱动型及载荷、运动速度以及输出力控制等原因，该系统在医疗领域的应用用局限性。,Coffeeisgood！,2、远程康复医疗机器人训练系统,计算机网络的发展使远程康复医疗成为可能。同本地康复医疗训练相比，远程康复医疗训练可以使患者在家庭或者社区医疗中心接受康复训练。,2005年，斯坦福大学和芝加哥康复研究所联合研制了一种便携式家用远程康复系统。这是一种主从式的遥操作系统，由主手、从手以及各自的遥控器组成，从手引导患者进行康复运动病监测和记录运动信息，主手作为医生提供控制和监控的交换设备，通过网络发送命令并接受从手信息，实现了中锋患者肘部的康复训练，该系统可以传输治疗师指令及相关信息，治疗师可以检测患者并监控训练过程。,2、远程康复医疗机器人训练系统,一对多的力觉辅助远程康复医疗训练机器人,研究者们将力反馈遥操作机器人技术应用于康复医疗，设计基于互联网的、一对多的力觉辅助远程康复医疗机械人系统。,特色：（1）该康复系统是一对多的（2）机械臂是远程控制的（3）实现了力觉辅助（4）可以实现主动模式、被动模式、助力模式和阻抗模式4种训练模式,3、基于虚拟环境的康复医疗训练机器人系统,虚拟环境技术的研究者们采用基于虚拟环境的用户界面，通过有些小游戏鼓励患者进行主动训练。基于虚拟环境的康复训练通常与网络相结合，因此，不仅具有远程康复机器人系统的优点，还提高了患者进行康复训练的能动性。,Wisconsin医学院和Marquette研发了康复训练机器人TheraDrive,主要由三个商用的力反馈操纵轮和驱动软件SmartDriver构成，创建康复治疗虚拟环境界面，通过计算机游戏激发患者进行训练。,虚拟环境对患者进行功能恢复训练是一种很好的康复环境。目前，基于虚拟环境的康复运动主要用于手部功能恢复的康复训练。其他利用虚拟环境康复训练的系统有：康复机器人FriendI/II，TheraDrive,DriversSEAT等。,康复机器人机械结构,康复机器人机械结构,机械本体设计是机器人辅助康复训练系统的基础，应简洁轻巧、易于控制。国内外文献中有关康复机器人机械结构设计大体分为3种类型：端部结构外骨骼结构混合型结构,机械本体为端部结构的康复机器人系统通常是在某一点上与患者身体部位相接触。此结构易于设计，方便不同患者使用。类似结构MIT-Manus(图1),康复机器人机械结构一、端部结构,康复机器人机械结构一、端部结构,MIT-MANUSMIT-MANUS为一正在进行中的麻省理工学院的纽曼实验室。这个项目的目的是发展、执行和测试一个机器人系统的物理治疗和神经康复。,康复机器人机械结构二、外骨骼结构,较端部结构而言，外骨骼结构的康复机器人多处与患者身体部位相接触，实现在患者的不同身体部位同时施加力/力矩作用。此结构不足之处在于对不同患者的适应性较差。类似结构ARM-Guide(图2),康复机器人机械结构三、混合型结构,混合型结构的康复机器人综合了端部结构和外骨骼结构的优点，既可对施加在患者身体不同部位的力/力矩进行独立控制，又可满足不同患者的需要。,类似结构ARMin(图3)采用的是混合式结构，上臂和肘关节的内旋/外旋驱动采用的是外骨骼结构，而肩部的水平/垂直旋转运动是由连接在上臂和固定在墙壁上的两轴之间的端部结构驱动。,康复机器人主要应用,智能康复机器人应用智能手部康复训练机器人,产品简单原理：人的手部结构十分精细,动作及其精巧,功能非常复杂,而且其运动是由人的中枢神经直接控制的，可以按照人的意志实现各个动作或者协调动作,是一个能完成多种功能的多输入多输出系统.,智能手部康复机器人,下肢康复训练机器人,产品基本原理：机座、左脚走步状态控制系统、右脚走步状态控制系统、左脚姿态控制系统、右脚姿态控制系统、框架、导轨、重心平衡系统、活动扶手等组成.,下肢康复训练机器人,康复机器人其他应用,其他几种应用,护士助手中风康复机器人智能轮椅服务机器人,1,2,3,4,护士助手,“护士助手”是自主式机器人，它不需要有线制导，也不需要事先作计划，一旦编好程序，它随时可以完成以下各项任务：运送医疗器材和设备，为病人送饭，送病历、报表及信件，运送药品，运送试验样品及试验结果，在医院内部送邮件及包裹。,中风康复机器人,如果将中风患者的手臂与机械臂捆在一起,机械臂可以带动患者的肩部和肘部运动,并在计算机屏幕上显示为光标移动。机器人能够像康复治疗师一样锻炼中风患者的手臂,这将有助于恢复患者由于中风而瘫痪的肩部和肘部运动。,智能轮椅,机器人轮椅主要有口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能。在机器人轮椅中，轮椅的使用者应是整个系统的中心和积极的组成部分。对使用者来说，机器人轮椅应具有与人交互的功能。这种交互功能可以很直观地通过人机语音对话来实现。,口腔修复机器人,这是一个由计算机和机器人辅助设计、制作全口义齿人工牙列的应用试验系统。该系统利用图像、图形技