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东南大学宋爱国:运动康复机器人技术的研究与进展丨CCF-GAIR 2019

作者:李雨晨
2019/07/26 14:23

东南大学宋爱国:运动康复机器人技术的研究与进展丨CCF-GAIR 2019

编者按:7月12日-7月14日,2019第四届全球人工智能与机器人峰会(CCF-GAIR 2019)于深圳正式召开。峰会由中国计算机学会(CCF)主办,雷锋网(公众号:雷锋网)、香港中文大学(深圳)承办,深圳市人工智能与机器人研究院协办,得到了深圳市政府的大力指导,是国内人工智能和机器人学术界、工业界及投资界三大领域的顶级交流博览盛会,旨在打造国内人工智能领域极具实力的跨界交流合作平台。

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7月13日,东南大学仪器科学与工程学院的院长、生物电子学国家重点实验室副主任宋爱国发表了主题为《肢体运动康复机器人技术研究与进展》的演讲。

宋爱国教授长期从事机器人传感、控制与遥操作技术、空间机器人技术、助老助残康复机器人技术的研究,他也编写了5项特种机器人国家标准。

宋爱国教授的团队重点开展力反馈遥操作机器人技术研究,2001年开始面向医疗领域开展医疗机器人的研究,2003年与美国西北大学进行科研合作,将力反馈遥操作机器人技术用于中风病人的康复医疗领域,进行康复机器人技术的研究。

在演讲中,宋教授论述了康复机器人产生的背景,“在上一世纪90年代之前,由于康复医学还没有发现人的大脑具有可塑性,当时的康复机器人以康复护理机器人为主。一直到上世纪90年代中后期,由于康复医学理论的发展,康复机器人技术研究重点从康复护理机器人转向康复训练机器人。”

而且,结合我国的实际情况,宋教授提出将网络技术、信息技术和康复机器人相结合,研究远程康复机器人技术,使患者能够在社区医院、养老院或家庭通过训练师的远程控制机器人进行自助式康复训练。“研制试验过程中康复医生曾提出远程康复机器人采用一对一训练方式,虽然减轻了患者的负担,但是医生的效率没有提高,所以希望让一个康复训练师同时远程控制两到三台机器人,帮助两到三个病人进行康复训练。”

因此,东南大学牵头联合中科院合肥智能机械研究所、华中科大、钱璟康复股份有限公司等承担了国家863重点项目:“网络化一对多远程助老助残康复机器人研究”。

康复机器人的发展有4项关键的技术:(1)适应于人的机构设计、(2)力反馈技术、(3)安全控制技术、(4)定量评估技术。围绕这些技术难点,宋教授也分享了自己团队的最新研究进展。

以下为宋爱国教授的现场演讲内容,雷锋网作了不改变原意的编辑及整理:  

宋爱国:非常高兴有这个机会和大家做一个交流,我的题目是《运动康复机器人技术的研究与进展》,主要分三个方面介绍。

大家知道康复机器人是本世纪初发展起来的,有着多重背景。

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首先是老龄化的背景,中国已经进入到深度老龄化阶段,老年人群里的中风病人非常多。另外现在交通事故也很多,所以我们需要发展康复机器人。

以前的中风病人经抢救后多数会有偏瘫,他们出院回家后基本就在家里躺着,家里人把他服侍得很好,实际上服侍得越好,对他越没有帮助,应该进行康复训练,帮助他慢慢恢复运动功能。

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在上世纪90年代,神经康复医学的发展发现大脑是具有可塑性的,人的运动神经可以进行重构,通过不断地训练能够恢复大部分的运动功能。下图为康复训练前后的比较,这个偏瘫病人基本上不能走,只能靠墙站立,训练一个月后,她就可以自己走了,再经过一个月的训练,她就能够扔掉拐杖了。

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我国政府对康复机器人的发展也非常重视,早在2002年,我们国家就提出了“人人享有康复服务”的战略目标,2015年国务院又发布了《加快推进残疾人小康进程的意见》。

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在1990年之前,由于康复医学还没有发现大脑的可塑性,当时的康复机器人以康复护理机器人为主,希望机器人把中风病人或偏瘫病人服侍好,实现自动喂饭、喂水。到上世纪90年代后期,康复机器人的发展从康复护理机器人转向康复训练机器人。

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这是一些代表性的康复机器人,MIT的Hogan教授做的MIT-MANUS,但是它只是平面的,后来增加了手腕的动作。这是第一个真正进入临床应用的康复机器人。

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2000年左右,美国斯坦福大学、美国加州大学都研制了一些康复机器人,这些都是非常有代表性的康复训练机器人。

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这是瑞士苏黎士联邦理工大学研制的上肢康复机器人,他们的研究非常出色,特别是在临床实验、产品的研发以及与企业的合作方面做得很好。这一款Armin1,在上肢训练中的性能是非常突出的。

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这是下肢康复机器人,其中最具代表性的是日本的下肢康复机器人。一方面它作为助行、助力用,另一方面它也作为康复训练用。

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这是苏黎士联邦理工大学研制的下肢康复训练机器人Lokomat,价格将近400万。国内有几家医院购买了这个设备,大家可以看到它的减重装置和下肢主被动训练情况。

大家可以看到人工训练很费劲,需要两个人推着病人的腿挪动,如果用Lokomat机器人进行训练就非常轻松,这个机器人能够有效提高康复训练过程的效率。

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这是另外一个病人训练的情况,他已经可以站立了,但是在这种情况下人工训练也是很费劲的,如果用下肢康复机器人Lokomat训练就很轻松,医生更轻松。

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国内的研究比国外要晚一些,国内最早的研究是2000年左右,当时是清华大学开展了一些研究,但是国内各个科技计划都没有对康复机器人进行立项资助,一直到2005年我国的863计划开始制订服务机器人规划。

非常荣幸,科技部当时让我负责助老助残机器人规划的编写工作,因为我们课题组从2003年开始研究康复机器人技术,因此在2005-2006年的863服务机器人规划制订中,我就加了康复机器人的研究内容,并起草了康复机器人研究发展规划,后来这个规划得到了科技部批复,并在863计划机器人技术主题正式立项资助。

中科院也将康复机器人列入机器人技术的重点发展计划,所以从2006年以后康复机器人研究就在国内开始得到各类科技计划的经费资助,2010年以后康复机器人开始被学术界、医学界和产业界普遍重视。

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目前我国开展康复机器人研究的高校众多,而且研发的企业也很多。10年前只有十几家公司在作研发,现在从事康复机器人研发和生产的企业有200多家。

但是我国的康复机器人研究存在着医工结合不紧密的问题,特别是企业、高校和医院的结合不紧密。

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我认为康复机器人有这么几个关键技术:

第一个是适应人的机构设计,因为它毕竟是进行人体运动康复训练的。例如人的肩关节有三个自由度非常复杂,你的机构怎么适应肩关节运动,瑞士苏黎士联邦理工大学的康复机器人装置就很好地解决了这个问题。

第二个是力反馈技术,在康复机器人当中,它有一个非常重要的点就是力反馈,我们一般要求它要有一个反向驱动能力,但是现在很多康复机器人没有这个反向驱动能力,这就导致只能被动训练,无法主动训练。比如说外骨骼机器人,它是锁死的,它没有反向驱动能力,用于助行就容易出事。

第三个是安全控制,安全是最重要的,康复机器人是进行康复训练的医疗设备。但是如果控制不安全,就很可能造成训练损伤,这种事情近几年已经发生了很多起。

第四个是定量评估技术,患者失能状态、康复的效果如何,如何进行定量评价,这方面还是非常欠缺的,目前缺乏一套定量科学的评估技术。

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下面简要介绍我们所做的一些工作。我们机器人研究所原来是开展力反馈遥操作机器人、力触觉传感与控制技术的研究,从2003年开始和美国西北大学合作,并将力反馈遥操作机器人应用于康复医疗领域。

现在我国的老龄化越来越严重,康复训练师很少,但运动障碍人群很多。所以我们当时提出,面向我国的实际情况,将网络技术、信息技术和康复机器人相结合,研究远程康复机器人,实现社区医院、养老院或家庭自助式康复训练。

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所以康复机器人本体机构尽量要进行轻便化设计,甚至是可穿戴的,然后要把飞速发展的网络技术融合进来。

我们在2003年开始研究了面向家庭和社区医院的远程化康复机器人技术,当时以上肢康复机器人为主,病人在医院主要做被动训练,被动训练阶段结束后病人回到家中或养老院,就以远程化的主动训练为主。

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训练过程还是非常枯燥的,按照康复医学的理论,病人越投入、越积极,恢复得就越快,因为它毕竟是一种运动神经系统的恢复,所以我们也编了很多的游戏配合康复机器人。

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我们2006-2007年在中大医院做了一年半的康复机器人临床试验。当时主要是验证我们研发的桌面式远程康复机器人是否可行,在这一年半的临床试验中,大概进行了100多例试验,我们发现虚拟游戏非常重要。康复游戏跟康复机器人相结合,才能使得病人能够积极有效地进行康复训练。

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这套系统我们后来跟钱璟公司合作,进行了一些产业化工作。我们研究了这种桌面式康复机器人,主要是面向社区医院和福利院。

在当时的试验中,医生希望可以远程控制两到三台机器人,让这两到三台机器人帮助病人进行康复训练,从而提高康复训练师的效率。

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所以,2006年我们就向科技部写了一个建议指南,研究一对多的康复机器人,针对老年人居家康复或在养老院的康复训练。2007年这项建议被863计划列为重点项目,我们联合多家单位开始研究一对多的康复机器人。

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我们当时按照一个康复训练师远程控制三个不同的康复机器人的思路开展研究,医生可以在康复中心通过网络对三台位于不同养老院的康复机器人进行远程设置和控制,三台康复机器人有上肢的,也有下肢的。

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这是远程康复机器人的网络体系结构。在这个过程中,要对病人的生理信息进行监测,及时地反馈到病人端。这一点非常重要,我们知道病人中风往往是高血压引起的,在训练过程中,我们在前面还进行情绪的判断,先由医生跟他进行交流,看他情绪是否合适训练。此外对患者的血压、脉搏、血氧、心率的监测都是非常重要的。一方面机器人本身有识别能力,另一方面,医生也可以远程进行判断。比如说机器人端,它如果觉得病人的血压偏高了,它马上就会终止这个训练过程。如果医生发现患者的情绪过于高涨,它也会终止这个过程。

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这是我们研发的医生端的界面,医生端的界面包含病人的历史记录,病人前面的所有历史情况,以及瘫痪等级,全部可以通过历史记录看到。这个界面上,一个医生能够监控到三个病人以及三台机器人。

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这是实际应用中的界面情况,底下是每个病人的生理信息,以及机器人的运动状况。在病人端的界面,可以跟医生进行视频对话。

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另外,我为这个机器人开发了很多游戏。因为在临床当中,我们也发现机器人如果完全像一个机械手一样,病人是害怕的,所以我们把它设计得像一个游戏机,不像机器人,实际上它本质还是一个机器人。

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这是它的电路,其中有一个很重要的执行器。我刚才讲到,为什么说力反馈技术在这里面很重要呢?在主被动训练里面,你要产生一个大的力反馈,要获得大的力反馈,往往电机就要减速,但是它一减速,就没有反向驱动的功能。

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所以我们在这里设计了一种新颖的磁流变执行电机,非常小的体积可以输出非常大的反向作用力。

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这是一个下肢康复机器人,这是由中科院合肥智能研究所研制的下肢三关节康复机器人,包括髋关节、膝关节、踝关节。

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这是我们设计的磁流变电机,可以产生安全可靠的力反馈

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这是整个系统的构成。

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后面我们还做了很多临床试验,我们在中大医院和同仁医院做了100多例病例。这是做被动训练的前期,刚开始病人的手是不能运动的,因为处于完全偏瘫状态,在四周以后,机器人带动他运动的速度、范围都扩大了。

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这是一个主动训练,病人已经开始可以做主动的训练。刚开始他的主动训练的力量和幅度都非常非常小,需要进行助力的训练。这是经过四周的训练,他的主动运动的范围都比原来显著提高了,当然他还要训练,这个病人在医院一共待了4个多月才回家。

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这是我们的主被动训练数据,最右边这个是健康受试者的数据,和前面的患者情况进行比较,这个曲线比较复杂,我们后面用一个柱状图来表示。在这个图当中,最右边这个是正常人的,黑色部分是训练以后的情况,最左边是训练前的情况。可以看到通过四周的康复训练,他的运动范围、活动能力,不管是被动训练还是主动训练,都明显提高,当然离正常人还有一段距离。

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这是主动训练时的运动轨迹,反映了他的协调能力,底下这个图是运动的偏差,偏差越小,说明协调能力越好,最右边是正常人的情况,最左边那一条是刚刚训练的情况,刚开始训练的时候误差很大。通过训练以后,误差偏小了,说明他的运动协调能力得到了增强。

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我们这一套一对三的远程康复机器人,按照科技部的要求,分别在北京四季青养老院和上海社会福利院进行示范应用。

这是在北京四季青养老院进行示范应用的小视频,主要是针对老年人进行主动训练的情况。康复训练游戏确实是很有效,每个老年人在上面一般就是训练半个小时,但是好多老年人在上面训练就不愿停止了,包括那里面还有抗美援朝的飞行员,已经80多岁了,他就希望我们再开发一些驾驶飞机的游戏,后面我们也开发并安装到康复机器人系统上了。

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这是我们这几年开发的桌面式上肢康复机器人。这套系统正在华山医院做一些临床实验,我们编写了很多的康复游戏。

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这是我们目前承担的一个国家重点研发项目,在远程康复、面向居家的康复、养老院的康复,医生最关心的就是安全性问题。因为康复训练师不在你身边,是通过网络远程联系的,所以安全性非常重要。

我们在这个重点研发项目里面,提出利用柔索结构实现主被动的康复训练。柔索的结构往往体积都非常大,电机和柔索放在一块,所以在我们这里设计了一种新的结构,把电机和柔索分开,我们这里仍然用到了磁流变的执行器,因为它可以产生0.5牛米甚至1牛米的力。

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目前,它可以对上肢(肩关节、肘关节、腕关节)进行主被动的训练,从关节的覆盖来讲,它基本上把人的关节运动范围全部覆盖到了。

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我们和常州钱璟公司合作,开发具有力反馈的情景交互式的康复机器人。这是他们自己研发的一个机器人本体,在这个机器人本体上,我们把我们的人机交互技术应用到里面,使得它能够进行力反馈的情景交互。

在这里面,我们开发了4款交互式康复训练游戏,能够跟踪病人腿部的运动,让病人在力反馈的虚拟环境中进行康复的训练。

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最后再简要讲一下我们制订的康复机器人标准的情况。这个标准目前还没批下来,我就简单介绍一下。这是前几年我们负责的《运动康复训练机器人通用技术条件》国家标准。去年12月底递交了最终稿,正在等待审批。

这个标准主要适用于在康复医师、康复治疗师和专业护理人员的指导下,通过运动方式辅助受训者进行肢体康复训练的机器人。

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它主要规定了运动康复训练机器人的术语和定义、分类、产品型号组成、基本结构、功能要求、性能与运行参数要求、安全、试验方法、检验规则、标志、使用说明书、包装、运输及存储等的要求。

谢谢,我的报告到此结束。雷锋网

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