医用机器人幻灯片.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,“,”,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,“,”,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,突破性发展,1985,年，出现了基于工业机器人平台的外科机器人。美国的,Kwoh YS,等采用,Puma560,工业机器人完成了脑组织活检中探针的导向定位。,1987,年，美国,ISS,公司推出了,NeumMate,机器人系统，采用机械臂和立体定位架来完成神经外科立体定向手术中的导向定位,1989,年，英国的皇家学院机器人技术中心利用改进的,6,自由度,Puma,机器人，开展了前列腺切除术，大大缩短了手术操作时间。,1994,年，美国,Computer Motion,公司推出了第一种能够用于微创手术的医用机器人产品,Aesop(,伊索,),机器人。,Aesop,具有,7,个自由度，能够模仿人类手臂的姿态和功能，有效辅助医生抓持和操作内窥镜设备，在心脏、胸外、脊柱等多种外科领域有广泛应用。,1995年，Zeus(宙斯)系统实现了医生远距离控制从端机器人进行精细的手术操作和稳定的器械抓持等动作。Zeus系统采用纯信号方式实现医生操纵台对机器臂的控制，在传输距离上不受视频延迟的影响。,1997,年，国内研制了基于,Puma262,的脑外科机器人辅助定位系统。,突破性发展,1997,年，美国,Intuitive Surgical,公司推出了,Da Vinci(,达芬奇,),系统。,2001 年，以色列Mazor 公司推出了小型并联的脊柱外科机器人SpineAssist，高度不足70mm，质量不过200 g，可直接安装在骨骼上，显著提高了定位精度和稳定性。,2004,年，北京航空航天大学与北京积水潭医院联合研制了具有,6,个自由度的小型模块化机器人系统，该机器人结构紧凑，可术中快速装拆，适合于长骨骨折、股骨颈骨折和骨盆骨折等临床适应症。,突破性发展,中国第一台医用机器人主刀手术台,1997,年,5,月,5,日下午，由海军总医院与北京航空航天大学机器人研究所共同研制成功的第一台医用机器人，在两名医生和一名计算机专家的共同指令下首次完成立体定向颅咽管瘤内放射治疗术，从而掀开我国医用外科机器人前沿课题新的一页。启用机器人替代医生手工操作的原因，该医院神外中心医生认为是基于四个考虑：一是机器人定位更加精确，减少人为误差；二是可以代替医务人员进行有损害的操作，如注入放射性同位素；三是机器人定位时间短、定位精、创伤小；四是机器人可以预模拟手术操作、选择最佳入路手术方案等。,机器人在实施手术,主治医生与患者,2006,年,3,月，北京积水潭医院与北京航空航天大学合作，利用小型模块化机器人，在北京和延安之间完成了国内第一例长骨骨折髓内钉内固定远程遥操作手术，提出并实现了基于窄带网络的远程规划理念，从而在一定程度上降低了远程遥外科对网络配置的要求。,突破性发展,全球,9,款最先进的医用机器人,爬行摄像胶囊机器人,游动摄像胶囊机器人,远程诊断机器人,肌肉机器人,摄影机器人,前列腺诊疗机器人,吞服式机器人,结肠诊疗机器人,采血机器人,。,达芬奇手术机器人,达芬奇手术机器人的系统,达芬奇机器人手术系统以麻省理工学院(原名斯坦福研究学院)研发的机器人外科手术技术为基础。Intuitive Surgical随后与IBM、麻省理工学院和Heartport公司联手对该系统进行了进一步开发。达芬奇外科手术系统是一种高级机器人平台，其设计的理念是通过使用微创的方法，实施复杂的外科手术。达芬奇系统是世界上仅有的、可以正式在腹腔手术中使用的机器人手术系统，也是目前最复杂和最昂贵的外科手术系统之一,。,达芬奇机器人的组成,达芬奇机器人由三部分组成：外科医生控制台；床旁机械臂系统；成像系统。,外科医生控制台,外科医生控制台是达芬奇机器人系统的控制中心，由计算机系统、监视器、控制手柄、脚踏控制板及输出设备组成。外科医生控制台的操作者坐在消毒区域以外，通过使用控制手柄来控制手术器械和立体腔镜。术者通过双手动作传动手术台车上仿真机械臂完成各种操作，从而达到术者的手在患者体内做手术的效果。同时可通过声控、手控或踏板控制腹腔镜。术者双脚置于脚踏控制板上配合完成电切、电凝等相关操作。达芬奇机器人系统让术者在微创的环境里可以达到开放手术的灵活性,成像系统,成像系统,(Video Cart),内装有外科手术机器人的核心处理器以及图象处理设备，在手术过程中位于无菌区外，可由巡回护士操作，并可放置各类辅助手术设备。外科手术机器人的内窥镜为高分辨率三维,(3D),镜头，对手术视野具有,10,倍以上的放大倍数，能为主刀医生带来患者体腔内三维立体高清影像，使主刀医生较普通腹腔镜手术更能把握操作距离，更能辨认解剖结构，提升了手术精确度。,床旁机械臂系统,床旁机械臂系统,(Patient Cart),是外科手术机器人的操作部件，其主要功能是为器械臂和摄像臂提供支撑。助手医生在无菌区内的床旁机械臂系统边工作，负责更换器械和内窥镜，协助主刀医生完成手术。为了确保患者安全，助手医生比主刀医生对于床旁机械臂系统的运动具有更高优先控制权,工作流程,达芬奇外科手术系统要求在病人身体开多达五个小型,(,小于,1,厘米,),的切口，用于插入两个手术机械手臂和一个摄像头。放置在病人床边的配套推车将手术器械移动到病人身边，病人床边会有外科手术助手在。与此同时，医生可以坐到房间的控制台来操作系统，外科医生通过对主控装置将外科医生的动作翻译并传递给机械手臂，机械臂根据指令进行手术，成像系统将手术场景进行反馈。如此外科医生用手抓住显示屏下方的主控装置，手腕相对其眼睛自然地动作，而外科医生的对主控装置的动作被转换成在患者体内进行的精确的、实时的机器手臂动。由此通过外科医生的手腕、手和手指的运动来控制主刀的机器手臂，这和典型的开放式手术是一样的。,结构分析,外科医生控制台,:,系统的大脑中区，通过主治医生的控制，通过程序转化为指令传输到机械臂，使之相应动作。,床旁机械臂系统,:,使用固定机构；手臂机构为关节型手臂机构和机器人手腕机构；传动装置为连杆传动和流体传动机构。是主要的机械工作部位，整个系统最重要部分。,成像系统,:,整个系统中的传感部分是机器人视觉的表现。通过腔镜臂将手术实时的图像传输到主屏幕，并使用高清三维显示。,机械手臂的主要驱动,达芬奇手术系统集成了高端运动控制技术，这样机器手臂的每个动作都能像熟练的外科医生一样顺畅、准确,-,即便在很慢的计算速度下。每个达芬奇,HD,系统包含有,30,多个由马克森精密电机公司生产的电机。这些电机是每个机械手臂的心脏。,马克森电动机为达芬奇系统提供输入和输出，是其主要驱动。通过一系列反馈控制，电机和编码器接收了来自医生的输入信号，在经过主控制台电路进行实时翻译后，将输出信号传送给机器手臂中的电机。机械手随之通过主控制台电路将力反向施加至外科医生的手中。,马克森电机的定子采用的是稀土磁铁，其定子采用的是无铁设计，这样即便在低速运行的情况下也不会有磁性齿槽存在。,为区分它们的双重角色，将外科医生的床旁推车所用的电机作为主控电机，机械手臂电机所用电机作为从属电机。从属电机的精度和主控电机的精度相同，并且还需要能在外科医生助手移动末端执行器就位时后向驱动。手术器械顶部的电机具有低迟滞性。,Intuitive,公司的工程师们在达芬奇系统中使用了,30,多个电机。有,RE25,电机，有些带有编码器反馈，有些电机没带编码器反馈,;,配置有,GP13,系列减速器和,13,毫米磁性编码器的,RE 13 mm,电机,;,以及带第三方编码器的,RE 35,系列电机。,马克森电动机是达芬奇系统核心性能特性试验的关键，这些核心性能特性测试包括摩擦、间隙和兼容情况，以及一系列传感器反馈监测。,机械手臂的自由度,机械手可以模拟人手各种操作，动作的自由度高达,7,度，包括臂关节上下，前后自由运动与仿真手腕的左右旋转，开合，末端关节弯曲共,7,种动作，可作沿垂直轴,360,和水平轴,270,旋转，且每个关节活动度大于,90,。尤其在进行深部操作时，机械手动作灵活，体积小巧，与开放手术的人手操作相比具有显著优势。,机械手臂特点,由于达芬奇机器人的机械手拥有,7,个自由度，具有人手无法企及的精确性。“达芬奇”还可以过滤人手的抖动，使得手术可以更精细。此外，机器人手术还具有移动缩减功能的特点，也就是说医生在操纵这一装置的过程中，移动操作杆,5,毫米，在患者体内的机械末端仅移动,1,毫米，这样就大大提高了手术的精确性和安全性。,手术器械,仿真接携手配置了各种类型的手术器械，可满足抓持，钳夹，缝合等各项操作要求。手术器械近百种，,8,毫米左右大小,应用,Company,Logo,目前达芬奇手术机器人的应用范围为心外科、尿外科、普通外科、肝胆外科、妇产科、胸外科等。在诸多科室中他都表现出优越的性能，未来达芬奇手术机器人会更多地普及到各个科室，完成各种手术。,Company,Logo,优势,1.,在腔镜手术基础上更加发挥腔镜的优势，去除使用腔镜的劣势；,2.,加入计算机的技术可提高手术的操控性、精确性和稳定性；,3.,向术者提供了高清晰度三维图像并将手术野放大了,1020,倍；,4.,创新的腕部可自由活动的镜下手术器械可使镜下手术器械完全重现人手动作从而达到手眼协调；,5.,系统设计可排除主刀医生可能的手的颤抖对手术所造成的不利影响；,6.,与开放手术的视觉一致使操作者手眼协调从而加快了医生学习进程；,7.,为患者带来更理想的手术结果，减少围手术期后遗症以及并发症的发生；,8.,创伤小、恢复快而使可接受手术的患者年龄范围扩大并使某些危重病人接受手术成为可能；,Company,Logo,不足,自身仍存在着一定的缺陷,如：触觉反馈体系的缺失；手术机器人的器械臂固定以后，其操作范围受限；整套设备的体积过于庞大，安装、调试比较复杂；系统的技术复杂，在使用过程中可能发生各种机械故障，如半路死机等；系统的学习曲线较长，医生与系统的配合需要长时间的磨合；手术前的准备及手术中更换器械等操作耗时较长等。,使用成本昂贵,表现在几个方面：购置费用高，目前国内第三代四臂达芬奇手术机器人的总体购置费用在,2000,万以上。二是手术成本高，机器人手术中专用的操作器械每用,10,次就需强制性更换，而更换一个操作器械需花费约,2000,美元。三是维修费用高，手术机器人需定期进行预防性维修，每年维修保养费用也是一笔不小的开支。造成机器人手术使用成本高的原因通常被认为是其生产商通过收购竞争对手和专利保护等手段在这一领域形成了垄断所致，而这也成为制约手术机器人进一步发展的一个重要原因。,不良反应,根据美国对很多病人的调查，虽然机器人做的前列腺手术可以减少病人的住院时间，但是可能会导致阳痿和小便失禁。,胶囊机器人,游动摄像胶囊机器人,胶囊微型机器人，是一种能进入人体胃肠道进行医学探查和治疗的智能化微型工具，是体内介入检查与治疗医学技术的新突破。,研究目的,体内介入检查与治疗具有安全、微创等优点，并迅速成为医学工程领域的主流。人们研制出的微型消化道胶囊内窥镜是利用消化道蠕动进行整个区域检查，由内嵌,CMOS,微型摄像机以无线方式传输检查图像。但其行走缓慢，存在视觉盲区；错过病变组织时，不能主动返程，使一些医疗作业无法完成。因此研制可吞咽并能通过体外无缆驱动控制的胶囊机器人已成当务之急。,这项研究工作的创新点在于他们提出了一种以相邻异向径向磁化多磁极永磁体为外驱动器产生旋转磁场，驱动胶囊机器人在肠道内旋进的驱动控制方法，并提出了一种变径螺旋结构胶囊机器人样机，其外表面由四片可径向伸展的外表缠绕螺旋肋的铜瓦组成，当机器人旋转时，其外表面形成流体动压保护膜，使肠道避免受损伤。在径向间隙自补偿和多楔形效应的作用下，显著提高了流体动压膜的压力和在肠道内的驱动能力，并能实现在猪肠道内的垂直游动。,胶囊微型机器人在人体肠胃中进行无创检查和小损伤手术，对于减轻病人痛苦、提高检查和手术的安全性和降低医疗费用都具有重要意义。现在国内治疗肠胃病的一般方法是用内窥镜透视、放射造影或手术检查，不但费用高而且病人比较痛苦。而微型机器人不但成本低、节省时间，而且治疗起来并不会给病人带来痛苦。,据了解，“胶囊机器人”使用安翰光电技术（武汉）有限公司研发出的遥控胶囊内窥镜控制系统，医生可以通过实时精确操控体外磁场来控制“胶囊机器人”在胃内的运动，达到全面观察胃黏膜并做出诊断的目的。与传统胃镜相比，其具有数据采集更加精确、无痛苦、一次性使用无交叉感染等优势。据了解，这种“胶囊机器人”现已投入市场化生产，目前在上海地区的价格约为,3700,元。,NaviCam,遥控胶囊内镜机器人,NaviCam,遥控胶囊内窥镜控制系统,便携记录器和检查服,控制和显示软件,ESNavi,胶囊定位器,肌肉机器人,科幻电影,星球大战,中的机器人骨骼肌肉机器人现被命名为“,Ecci”,，是世界上首款拥有“肌肉”和“肌腱”的机器人据英国每,邮报报道，骨骼肌肉看上去颇似科幻电影,星球大战,中机器人,C-3PO,的解体版，但这款机器人是最新科学成果，并非科幻虚构，而且是当今世界上最先进的机器人，它不仅拥有“骨骼和肌肉”，甚至还有能够认识纠正错误的“大脑组织”。,由,Riken,研究中心研发的,Ri-Man,机器人是世界上首台专为护理而设计的机器人。,Ri-Man,身高,158,厘米，重,100,公斤，不仅拥有视觉、听觉、嗅觉，还可以轻松把人抱起。特别适合照卧床或顾行动不便的病人。,RI-MAN,RI-MAN,机器人是由日本名古屋理研生物模拟控制研究中心开发的医用搬运工模型。它不仅有柔软、安全的外形，手臂和躯体上还有触觉感受器，使它能小心翼翼地抱起或搬动患者。从长远来看，,RI-MAN,机器人能取代护工去照顾老人或体弱多病者。,该机器人身上有,5,个部位安装了柔软的触觉传感器，能感受一定的压强。它还配置了视觉、听觉和嗅觉传感器，可根据声源定位并通过,视觉,处理找到呼唤它的人，理解声音指令，然后横抱起模拟被护理者的人偶。除流畅地完成这一系列动作外，该机器人还能够通过嗅觉传感器来判断怀抱的护理对象的健康状况。,助行外骨骼机器人,36,助行外骨骼机器人是下肢外骨骼机器人，属于外骨骼机器人的一种，也是应用最为广泛的一种。,目前的助行外骨骼机器人系统的研制和应用可以分为民用和军用两大类。,民用方面的外骨骼机器人系统主要用于辅助残疾人、老年人和丧失部分运动能力的病人行走；军用方面的外骨骼机器人系统主要用来增强普通士兵的能力，可以让普通士兵成为在负重较大的情况下依旧可以跳过较高物体和快速奔跑的超级士兵。,助行外骨骼机器人发展应用,37,外骨骼下肢助行机器人的研究始于,20,世纪,60,年代末期，主要在欧美等一些发达国家展开，最初的外骨骼助力机器人分别在两个地点几乎同时产生，分别是美国和南斯拉夫，美国研究这技术的最初目的是增强人的能力,往往是用于军事目的,而前南斯拉夫的目的是用来辅助残障人。,上述两个项目都以失败告终，下肢外骨骼机器人的研究在其后经过一段时间陷入沉寂。,但到世纪末,下肢外骨骼机器人又重新得到世界各国的关注,世界上很多 国家都积极地投入到研究中。下面分别介绍一些在下肢外骨骼方面比较成熟的研究成果。,“哈迪曼”由,30,个水压力动力源和伺服随动铰链组成，体积巨大，重约,680,公斤，具有,30,个自由度，为上肢和下肢提供助力帮助，控制系统采用主,-,从控制模式，最终能够将四肢的力量放大,25,倍。,1978,年，美国麻省理工学院研究出“被动式外骨骼助力机器人”。,MIT,的外骨骼下肢助力机器人能够在负载,36,公斤的情况下行走,1m/s,，其中,80%,的负重被传递到地面上。它的关节自由度配置包括髋关节有,3,个自由度，膝关节,1,个自由度。穿戴者与机器人在肩膀、腕关节、大腿和脚部连接，机器人总重量是,11.7Kg,。,驱动方式不采用电力驱动，只利用弹簧储能和变阻尼器驱动关节驱动。髋关节伸,/,屈运动时，伸运动时弹簧释放能量，屈运动时弹簧储存能量，膝关节利用磁流变阻尼器，踝关节利用碳纤维弹簧缓冲脚后跟对地面的冲力。传感器系统是由安装在外骨骼下肢助力机器人外壳的应变桥式应变片传感器和安装在膝关节的电位计组成。,38,2004,年，加州大学伯克利分校的下肢外骨骼机器人,BLEEX,。由一个用于负重的背包式外架、两条动力驱动的仿生金属腿及相应动力设备组成,使用背包中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪作为液压泵的能量来源,以全面增强人体机能。,BLEEX,的每条腿具有个,7,自由度,(,髋关节,3,个,膝关节,1,个,踝关节,3,个）,在该装置中总共有,40,多个传感器以及液压驱动器,它们组成了一个类似人类神经系统的局域网。,BLEEX,的负重量能达到,75kg,并以,0.9m/s,的速度行走,在没有负重的情况下,能以的,1.3m/s,速度行走。,39,目前,洛克希德,马丁公司和伯克利分校共同研制了新一代外骨骼机器人,HULC,这款新型外骨骼继承了,BLEEX,的优点,对一些液压传动装置和结构进行了优化设计,不但能够直立行进,还可完成下蹲和甸甸等多种相对复杂的动作,穿上后能够明显降低人体对氧气的消耗量。,在一次充满电后,可保证穿着者以,4.8km/h,的速度背负,90kg,重物持续行进一个小时。而穿着,HULC,的冲刺速度则可达到,16km/h,。,HULC,穿戴起来也非常方便,士兵只需将腿伸进靴子下方的足床,然后用皮带绑住腿部、腰部以及肩部即可,完全脱下需,30,秒的时间,.,40,美国萨克斯公司完成的第一款外骨骼机器人是,WEAR,。,2008,年,4,月,成功研制出外骨骼机器人,XOS,如图所示。外骨骼机器人,XOS,代表了外骨骼领域最尖端的技术。它利用附在身体上的传感器,可以毫不延迟地反应身体的动作,输出强大的力量。当穿上,XOS,时,能举起,200,磅的重物就好像举,20,磅的,可以连续举,50,一,500,次。目前,XOS,有一个重大缺陷,就是利用自带的电池只能使用,40,分钟。,WEAR,XOS,外骨骼机器人,41,2005,年，日本筑波大学研制出了世界上第一种商业全身式外骨骼助行机器人,HAL,，它的功能主要是帮助老年人和残疾人走路，爬楼梯及搬东西等。,这款机器人是全身式的外骨骼助力机器人，髋关节和膝关节处通过铰链连接并只有,1,个自由度，利用谐波直流电机驱动，踝关节是被动的。,HAL,系列的助行外骨骼机器人是通过分析人体表皮肌电信号进行控制的。它拥有两个控制系统：一个是以肌电信号为基础的系统，一个是以步行模式为基础的系统。通过分析这两个系统来判断使用者的运动意图。,42,2000,年，神奈川理工学院研制的全身式外骨骼机器人主要用于护士搬运和移动病人等工作，该机器人可以轻松的搬运,85kg,的病人。机器人是由肩部，手臂，后背，腕部和腿部机械单元组成的。它的驱动器采用设置在肩部、腕部和腿部微型旋转气动驱动器。,传感器系统由具有称重功能的肌肉传感器。控制方法采用主从控制，各机械单元一旦发生运动，这运动将被肌肉传感器检测到，力度的不同由称重传感器的触头检测到，并由气动驱动器驱动关节跟随运动。,43,以色列埃尔格医学技术公司研发外骨骼助行机器人,Rewalk,，总重,18Kg,，运动速度是,1Km/h,，能够连续工作,8,小时。它可以完成行走、站立、坐下、爬楼梯，上坡和下坡等动作。,本田电机公司,2008,年研制了一款步行助力机器人“,Walking assist”,总重,2Kg,的助行机器人有两个电机驱动，能够连续工作,2,小时，步行速度达到,4.5km/h,，它可以帮助单腿受到损伤的穿戴者。,Rewalk,Walking assist,44,韩国西江大学研制的外骨骼助行机器人。该外骨骼结构上的显著特点是整个装置由外骨骼和手推车两个部分组成。所有的驱动元件,包括电池、电机及控制器等较重的周边设备都布置在手推车中。,他们采用类似于机电信号的肌纤维膨胀信号,利用绑在大腿和小腿上的气囊内的气体的压力变化来测得,而在人腿自由摆动,肌纤维不膨胀时,则利用关节处的角度传感器的信号来触发驱动器的动作。,45,美国芝加哥康复研究所的外骨骼机器人,Lokomat,。它主要由步态矫形器、先进的体重支援系统和跑步机组成。,通过直接安装在动力装置上的力转换器增加了测量患者活动能力的功能,而且可以使步态援助水平得到调整,使导引力从零到最大范围进行调节,以适应不同使用者腿的锻炼。,46,国内对外骨骼下肢助力机器人的研究开始与,20,世纪初，目前外骨骼下肢助行机器人的研究正处于起步阶段。,中科大智能所研究的可穿戴型助行机器人，具有,10,个自由度，系统利用表皮肌电信号分析穿戴者的运动意图。,浙江大学研制出了多自由度下肢外骨骼助行机器人，驱动器使用气动驱动，髋关节和膝关节驱动器为圆形气缸。它可以将足底压力信号和气缸的位移控制信号直接关联起来，能够较好的判断穿戴者的运动意图。,47,上海大学研制一种下肢康复训练机器人，由外骨骼助行器，减重机构和跑步机构成。髋关节、膝关节、踝关节各一个自由度，共六个自由度实现在矢状面内运动，通过反复的训练来帮助患者逐步恢复行走能力,48,关键技术,49,1.,助行,外骨骼机器人的步态分析与步态稳定性控制,步态分析是人体下肢外骨骼设计的重要依据和工具。由于人体下肢外骨骼跟随人体下肢一起运动,辅助操作者承载,首先考虑的就是下肢外骨骼应与操作者具有协调一致的动作,与人体下肢具有相同的自由度和运动形式。因此,分析人体下肢自由度、研究人体步态是设计下肢外骨骼实现行走的基础。,2.,助行,外骨骼机器人多传感器的选择与信息融合,传感器是实现自动控制的首要环节。下肢外骨骼机器人的传感器就如同人的神经一样重要,通过他们感知获取操作者以及外骨骼的各种运动及数据,才使得整个系统能够按照预期的目标运动。,3.,助行,外骨骼机器人的控制系统,与两足行走机器人的控制不同,下肢外骨骼机器人不仅要考虑对机构本身的控制,还要在控制策略上考虑与使用者的相适应问题。下肢外骨骼机器人必须能够同步跟随使用者的动作,能够加强使用者的力量并模仿人类的各种动作,包括战场上的前后左右移动躲闪,故控制算法比较复杂。,4.,助行,外骨骼机器人的驱动方式与能源,驱动方式的合理选择对下肢外骨骼机器人的结构和性能也有很大的影响。下肢外骨骼通常采用的驱动方式有三种电机驱动,液压驱动,气压驱动。三种驱动方式各有优缺点，应用时需要根据实际分析选择。,50,发展趋势,51,现有的下肢外骨骼机器人还存在以下几方面的问题体积大,重量重,噪音大，对地面的适应性和运动的灵活性还需进一步提高，与使用者的步态还不完全协调，能源的重量较重而且不耐用。基于以上问题和下肢外骨骼机器人的应用背景,其未来发展呈现出以下几个趋势：,1.,智能化,2.,人机耦合,3.,模块化,4.,微型化,结论,52,助行,外骨骼机器人作为一种新兴的技术，在民用和军用领域都具有广阔的发展应用前景。随着科技的不断发展，外骨骼技术也将会不断的创新与进步。未来的助行外骨骼机器人系统将会更加适合操作者，我们未来的生活会因为它的广泛应用而改变。,康复诊疗机器人,背景,随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复,机器人,的市场占有率呈逐,年,上升的趋势，仅日本,机器人,市场，,2010,年,上升到,大约,1,，,050,，,000,美元，其增长率在,机器人,的所有应用领域中占据首位。因此，服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景,。,康复,机器人,是康复设备的一种类型，其中以欧美和日本的成果最为显著。在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复,机器人,研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复,机器人,的需求，有待进一步的研究和发展。,康复,机器人,的种类,1,辅助型康复,机器人,主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产品有,机器人,轮椅、,机器人,护士、,机器人,假肢、机械外骨骼等。,2,康复训练,机器人,主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。,目前，康复,机器人,的研究主要集中在康复机械手和康复治疗,机器人,等几个方面,康复机械手的研究现状,3,类：,（,1,）基于桌面的机械手,（,2,）基于轮椅的机械手。,（,3,）基于移动,机器人,的机械手。,（,1,）基于桌面的机械手,机械手安装在一个彻底结构化的控制平台上，在固定的空间内操作，具有足够自由度的串联,机器人,再配上适合残疾人使用的人机界面是这种,机器人,典型的设计模式。,目前此类,机器人,已经达到了实用化，如法国,CEA,公司开发的,MASTER,系统、美国的,Tolfa Corportion,开发的,DEVAR,系统，以及英国的,OxfordIntelligent Machines Ltd.,开发的,RAID,系统等。,（,2,）基于轮椅的机械手。,这种,机器人,是安装在轮椅上的，是因为轮椅的移动扩大了机械手的工作范围，同时由于安装基座的改变致使机械手的刚性下降和抓取精度的降低，这种机械手也只是用于用于轮椅的患者，这是一点不足。,这种机械手已经成为面向应用的流行设计，,KARES5,系统，就是一种基于轮椅的机械手系统，在电动轮椅上安装了一个六自由度的机械手，能够帮助行动不便的老人和残疾人独立的行动。,（,3,）基于移动,机器人,的机械手。,这类机械手是目前最先进的康复机械手，这种机械手安装在移动的,机器人,或者半自主的小车上从而适用于更多的患者使用，同时扩大了机械手的活动空间并提高了抓取的精度。,S.Tachi,等人在,MIT,日本实验室研制了一种移动式康复,机器人,MELDOG6,，作为,“,导盲狗,”,以帮助盲人完成操作和搬运物体的任务。法国,Evry,大学研制了一种移动式康复,机器人,ARPH7,，使用者可以从工作站实施远程控制，使移动,机器人,实现定位和抓取工作。,这种机械手系统都是需要由视觉、灵巧操作、运动、传感、导航及系统控制等电子系统组成，要求比较高，价格也是相对的比较昂贵。,康复治疗,机器人,研究现状,康复治疗,机器人,是康复医学和,机器人,技术的完美结合，不再把,机器人,当作辅助患者的工具，而是把,机器人,和计算机当作提高临床康复效率的新型治疗工具。康复治疗,机器人,在医疗实践上主要是用于恢复患者肢体运动系统的功能。,当人的肢体受外伤烧伤或做手术后，由于受伤组织的皮肤、韧带和肌肉失去弹性而导致肢体运动的速度和范围受到限制。生物力学或生物物理化学类型的应用就是使用,机器人,系统来打破受伤肢体的运动范围。,从现有文献及临床需要来看，今后上肢康复,机器人,系统的研究可能集中在以下几个方面：,1.,康复医疗,机器人,系统设计,2.,控制策略与运动模式的设计,3.,力反馈,4.,安全机制,5.,康复效果的评价机制,相关研究课题举例,本上肢康复训练机器人用于中风偏瘫患者的康复训练。,采用穿戴式外骨骼设计，由气动驱动。,该机器人既能直接准确地模拟手臂的各种运动，又能利用患者的一侧健康手臂自主运动信息直接驱动患者另一侧患肢作随动康复运动。,步行康复训练机器人,近 年 来 减 重 步 行 训 在,临床上 的应 用越开越 广泛 它,主要是用减重 吊带使患者步行 时下肢 负重减少,，,借助 于运 动,平板进行步行能力训练。在训练时一般需要两名治疗师,一名,帮助患者 腿摆动、支撑期 患足跟 着地 防止 支撑期膝 过,伸。另一名帮助患 者进行 身体重 心转移、髋 伸展、骨盆旋转，,并保持患 者躯 干的直立。,自,2 0,世纪,9 0,年代初 以来 国内外,多家研究机 构利用机 器人技术相 继开展 了代替 理疗师辅 助,患者 自动完成减重步行康复训练的设备 利 用这种康复训练 机器人进行步行康复训练 不仅减轻 了治 疗师 的工作强 度,，,而且步行 训练参数重 复性好,，,时相 指标可 以准确设 定,，,能够,有效加快康复进程，提高疗效,。,新型柔性三维力温度触觉传感器阵列设,随着智能机器人广泛的应用于人体健康、体育训练、康复医疗、生物等诸多领域，传感器的多功能化成为传感器发展的趋势。,Alirezaei,等人利用压力敏感导电橡胶研制了应用于机器人关节部位能实现柔性变形的触觉分布式传感。,Hidekuni,等人利用硅,IC,的柔性变形技术设计了具有压力、硬度和温度分布敏感的集成式触觉传感器阵列,。,陆伟等人,设计并制作了一种新型的柔性三维力温度触觉传感器阵列。三维力和温度传感器采用新型的柔性力学敏感和温度敏感材料，凹凸状交替排布组成柔性触觉传感器阵列。该柔性三维力温度触觉传感器阵列具备同时检测三维力和温度的功能，可应用于机器人手指等部位。,脊柱外科机器人系统,传统脊柱减压椎管磨削手术,完全依赖医生的技术和经验，无法掌控磨削信息,医生易疲劳，手术强度大、风险高,手术技巧要求高，无法广泛开展,椎管狭窄,手术器械,手术方法,手术结果,正常,狭窄,研究任务,由北京航空航天大学机器人所与北京大学第三医院合作，研究一种基于力反馈控制策略的脊柱外科机器人系统，用于磨削椎壁至合适厚度，解除受压神经与脊髓，辅助医生实现安全的手术磨削操作。,解决手术安全性问题,实时监控磨削信息，路径规划,。,控制方法与策略的恰当选择是关键,2,机器人系统结构设计,机器人系统结构图,总体方案设计,机器人本体、运动控制系统、传感检测系统、运动规划模块,意义与展望,机器人,具备许多人类所无法比拟的优点，例如：长期、稳定地重复训练，精确、客观地测定训练与运动参数，提供实时反馈、远程训练等。但是，目前康复训练,机器人,的研究仍然处于起步阶段。从近,年,的发展看，美国的著名大学如,MIT,，,Stanford,，,Northwestern,等对这一领域的研究都十分重视，处于世界领先。国内的研究基础和对这一领域的了解和把握与上述领先单位的差距并不很大，但在经费投入方面严重不足。,由于我国的康复医学事业仍然处于起步阶段，但患者数量多、治疗师资源缺乏，据此现状，发展康复训练医疗,机器人,系统更具实际意义。随着康复医疗,机器人,的研究和使用，有望简化医师与患者,“,一对一,”,的繁重治疗过程，推动残疾人,“,人人享有康复服务,”,这一目标的实现，提高残疾人的生活质量。同时，通过临床上使用积累的大量数据，将有助于认识训练参数与康复效果之间的关系，从而能够在,机器人,辅助脑神经康复治疗上取得更大的突破。因此，康复医疗训练,机器人,技术在现代康复医学和神经反馈训练有广泛的应用前景。,谢谢观看,