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遥操作•遥操作就是人操纵主机器人进行相应的动作，通过通信线路，该操作信号传输到远距离人难以接近或有危害的环境中，指挥从机器人完成相应的操作。•在遥操作系统中因为借助了人的感知能力和智慧、经验等，克服了完全自主式机器人在传感，智能方面的限制，从而使得从机器人能在陌生和动态的系统中更加有效地执行任务。遥操作•上图为遥操作机器人系统的示意图，在图中，人操纵机械手（机器人的手臂）末端，进行一个相应的动作，在远程的机械手要跟随这个动作，同时将从机械手与环境的交互信号（力）传回给人，使人受到相类似的作用力。•图的中间部分是用电脑虚拟出从机械手与环境的交互过程，并将虚拟的环境力作用在人手上，则人能够立即感受到环境的力。整个系统的设计的难点在于时延的固有性，系统的稳定性和透明性（对人来说，就像没有主从机械手一样，直接与环境作用，这就是理想的透明性）远程康复训练机器人•研究背景及意义•国内外现状•目前存在的问题研究背景及意义•脑卒中（strock）已成为三大主要致死疾病之一。在老龄人群中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫症状。•脑卒中又名脑血管意外、中风是指脑部缺血性病变或出血性病变所形成的疾病，发生在由于脑血管血栓或脑血管破裂出血而导致出现脑供血的中断。研究背景及意义•脑卒中具有高死亡率、高复发率以及高致残率等特点，是严重影响人们的生存质量及生命的疾病。世界卫生组织将这种病确定为当今人类的第一杀手。•中风后遗症的康复治疗是指对发生中风以后所遗留下的半身不遂、语言障碍等残疾症，综合协调地采用各种有效措施，减轻残疾和因残疾所带来的后果。研究背景及意义•有作者较早前就提出要加强脑卒中患者手术后的康复。国内有研究观察了综合性康复治疗对脑卒中偏瘫患者3-6个月的日常生活活动能力和运动功能的影响，在评估时发现患者的运动功能有较大的改善，明显地降低了患者的功能障碍，提高了其生存质量。研究背景及意义•脑卒中患者的术后康复除了必要的药物治疗外，最不可或缺的还有康复治疗中的物理治疗、作业治疗等治疗的支持。一些学者的研究表明，脑卒中后的上肢的运动再学习和康复的水平提高与强化的康复训练有关，大量的重复训练是非常有效的训练方法。。研究背景及意义•目前，康复训练的传统方法主要是依赖于理论的物理疗法和医师对患者进行手把手的指导和训练。•这种方式存在一些问题：1、训练效率低下，治疗效果多取决于康复医师的经验和水平；2、康复评价指标不够客观；3、无法建立训练参数和康复指标之间的对应关系，不利于中风患者神经康复规律的深入研究；4、出院患者接受大强度或长期的治疗也将很大程度上受到条件的限制。研究背景及意义•随着计算机网络技术和遥操作机器人技术的发展，遥操作机器人技术逐渐开始应用于远程医疗、远程手术、远程康复等领域。•将这些技术研究应用于康复训练，可使机器人在一对多模式下进行远程康复训练患者，从而帮助有限的康复医师为更多的患者服务，解决传统训练方法存在的问题。国内外研究现状•20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位，直到1990年以后康复机器人的研究才进入到全面发展时期。•康复机器人属于医疗机器人范畴，是机器人技术在医疗领域中的新应用。康复机器人具体又可分为康复训练机器人和功能辅助型机器人两种。•前者的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复性训练，如人的下肢行走训练、手臂运动训练、脊椎牵引运动训练、颈部运动训练等；后者的主要功能是用来帮助肢体有运动困难的患者完成各种运动，如智能轮椅、导盲手杖、机器人假肢等。功能辅助型机器人•早期的康复机器人都属于辅助型，首先出现了工作站形式的康复机器人，它们将现有的电动臂和专门设计的工作台相结合，由程序化的指令控制手臂拿取工作台上的物品。如在TIDE（TechnologyInitiativefortheDisabledandElderly）框架资助下，欧盟开发了PARTNER和MOVAID用于照顾老年人和残疾人的半自主模块化机器人，其目的是对身体严重残疾或卧床不起的用户提供更多更好照顾的机器人辅助系统。功能辅助型机器人•80年代初德国的斯坦福大学开发了几代基于Puma260工业机器人的De-VAR工作站，具有较强的实用价值，其中De-VARIV将Puma手臂颠倒装在顶棚的轨道上，增进了工作空间，适合在办公环境中使用。功能辅助型机器人•1987年英国的Topping等研制的Handy1可以独立的帮助一名患有脑瘫的11岁儿童进食，经不断的改进，现在的Handy1除了可以辅助残疾人进食喝水，还能够帮助他们清洗、刷牙、刮胡子甚至化妆等，为残疾人的生活提供了很多方便。•该机器人是一台低成本、设计新颖、结构紧凑并已市场化的康复机器人，现在在英国、美国、法国、德国、日本等国家有100多名严重残疾的人在使用它。是目前最为成功的辅助型康复机器人之一。功能辅助型机器人•90年代后，为了给残疾人和失去行走能力的老年人提供优异的代步工具，研制出各种智能轮椅。各类传感器和高效的信息处理及控制技术在轮椅上的应用，使轮椅具有避障、路径规划和自主导航等功能，成为了高度自动化的智能移动机器人。麻省理工智能实验室的Wheelesley智能轮椅，为一个半自主式机器人轮椅，配备有计算机控制和传感器的电动轮椅，还装有一个笔记本电脑用于人机界面交互。•系统有两种级别的控制：高级方向指令和低级计算机控制路线，用户拥有最高控制级别。功能辅助型机器人•系统由两部分组成，智能轮椅系统提供低级控制，避障和保证正确的运动方向；用户和轮椅之间的人机界面提供高级控制。•这个智能轮椅允许用户通过三种方式来进行控制：菜单、操纵杆和用户界面。菜单模式下，轮椅的操作类似于一般的电动轮椅。•在操纵杆模式下，用户通过操纵杆发出方向命令来避障。•用户界面模式下，用户和机器之间仅需通过用户眼睛运动来控制轮椅，即用鹰眼系统来进行驱动。功能辅助型机器人•2000年，德国的FriendI系统是将一个MANUS机器人手臂安装在电动轮椅上，由语音识别系统控制。轮椅的左面安装了一个小平台和一个平板显示器。系统以程序化运动和用户控制运动两种模式工作。在程序化模式中，操作对象必须放在平台的固定位置上，用户发出简单的命令来调用模块化的程序完成一套动作。在用户控制模式下手臂可根据用户的语音命令工作。功能辅助型机器人•在FRIENDI的基础上，在2004年推出了智能化更高、人性化更好的FRIENDII，该系统集成了ATMECRoboticGmbH公司生产的模块化手臂和5指手抓，并利用视觉伺服帮助残疾人操作手臂。康复训练机器人•康复训练机器人针对上肢功能康复的最早的设想来自Dijkers（1991），他设计了一种简单的机器人供脑卒中患者上肢使用，可以简单的进行重复运动，并记录患者治疗的结果。•1993年美国的Lum等人研制了一种称作手—物体—手的系统(hand-object-handsystem)，尝试对一只手功能受损的患者进行康复训练。康复训练机器人•这种双手物理治疗辅助机器包括两个置于桌面上、可绕转轴转动的夹板状手柄，其中一个手柄下端连接在驱动电机上，电机可以辅助患者完成动作。•该机器主要帮助完成两个任务动作的训练：双手移动和双手挤压。双手移动任务要求两手夹持某一物体作前后往返运动，挤压运动要求在物体上产生需要的抓取力。为限制自由度数目，患者双手要放置在刚性手柄上，以阻止手腕屈伸。康复训练机器人•1995年Lum等又研制了一种双手上举的康复器(bimanualliftingrehabilitator)，用来训练患者用双手将物体上举这一动作。该系统虽为两自由度的连杆机构，但只用于做肩关节的旋转训练。当患者双手握住手柄将其举起杆2时，设备既可测量被举物体的垂直位置及倾斜角度参数，也可以在左手（患侧手）无法产生足够大的力时，杆1可以予以辅助受损左臂完成动作，机器所施加的力可以按患者的需要改变，从而保持上举动作的平衡，然后再将其放在桌面上。康复训练机器人•1998年美国麻省理工学院的Krebs和Hogan等研制出一种称作MIT-MANUS的脑神经辅助康复机器人并已应用于临床，制作它的主要目的是提供一种新型的康复训练工作站，用来对中风后上肢运动功能丧失的患者进行肢体运动和操纵技巧练习。•该机器人是一种30英寸高、连杆机构的机械臂，它由两个无刷电机直接驱动，可以带动患肢肘部和前臂作两自由度的平面运动，也可通过一组弹簧，实现小范围的被动垂直运动，同时也可以测量手的平面运动参数，而且运动轨迹可以通过计算机屏幕为患者提供反馈。康复训练机器人•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机能。研究结果显示，这种MIT-MANUS机器人不仅能够帮助轻微的中风患者进行康复治疗，此机器人甚至对那些中风发生5年以上的患者也有效果。•麻省理工学院还将在现有的MIT-MANUS的基础上研制新的一代一对多和远程康复机训练器人。康复训练机器人•2000年美国的Reinkensmeyer等研制了另一种辅助康复和测量导向器（ARMGuide），主要针对抓取时上臂的动作进行设计，用来辅助治疗和测量脑损伤患者上肢运动功能。•该设备为单电机驱动的三自由度装置，包括一个直线轨道，其俯仰角和水平面的倾斜角可以调整。•实验中患者的前臂和手绑在特殊设计的夹板上，该夹板可以沿直线约束滑动。当需要向前臂施加力时，电机带动传动链，从而使与传动链相连的夹板动作沿直线轨道运动，传感器可以记录患者前臂所产生的力。康复训练机器人•以英国Reading大学为首的欧洲跨国研究小组，于2002年研制出一种叫做GENTLE/S的上肢康复训练机器人，基本功能与MIT-MANUS相似。•其机械臂的结构更简单、紧凑，机械臂为三自由度的升降式摇臂结构，机械臂的腕部带有三个被动自由度，可实现手臂的三维运动，它结合了虚拟现实技术，通过电脑屏幕对患者实施生物反馈，使患者训练时更加具有吸引力和临场感。康复训练机器人•同年，由美国的Lum等研制了一种实现机器人辅助移动上肢装置的样机，该装置称作镜像运动使能器（mirror-imagemotionenabler：MIME）。此系统由伺服电机驱动，包含有左右两个可移动的手臂支撑（将胳膊的运动限制在水平面内），一个六自由度的机器人臂（PUMA-560）。•患者前臂用夹板夹住，手腕处于夹板中部位置，手臂支撑由工业机器人Puma560操纵，通过直接控制前臂的移动位置和方向，使上肢在一平面内预先设定的简单轨迹上移动。康复训练机器人•瑞士苏黎士联邦工业大学（ETH）在腿部康复机构、走步状态方面取得了一些成果，开发了LOKOMAT康复机器人系统，用于有运动损伤、脊椎损伤等患者康复训练。•该机器人有一套悬吊装置来平衡人体的部分重力，用一套可旋转的平行四边形机构控制平衡，只允许患者在走路过程中的向上和向下运动，患者不必自己维持上半身在竖立面内。为了适应不同患者的需要，此系统的各个关节均可调整。为了让患者感到舒适，所以与患者接触的都是宽软的绑带。在对患者进行康复实验中取得了很好的效果。康复训练机器人•瑞士的Mihelj，Nef等人研制的手臂康复机器人——ARMin。其采用不完全外骨骼结构，使得肩部的安装误差不会给人的手臂带来压力。•机器人有六个自由度，配有力传感器和位移传感器，安全性高，提供四种控制模式，分别为预记录轨迹模式、指定运动治疗模式、示教模式、患者主动力模式。康复训练机器人•日本的Noritsugu等人用四块橡胶人造肌肉构造了一个2自由度的治疗机器人。•机器人采用阻抗控制，可以针对病人的身体状况，为了实现不同的治疗模式提供不同的理疗方式。此外为了更加有效的进行康复训练，理解患者的身体情况也很重要，因此该机器人将人手臂的机械阻抗当作康复效果的目标评价。国内研究现状•我国对康复机器人的研究起步比较晚，辅助型的康复机器人的研究成果相对较多，康复训练机器人的方面成果相对较少。目前，国内在该领域进行研究的主要有清华大学、东南大学、上海交通大学、复旦大学、浙江大学