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大发注册【惯性技术之窗】智能自主技术在医疗

07-09 大发体育

  近些年来,中国人口老龄化现象不断加剧,老年人口逐渐呈高龄化和空巢化的趋势发展。截止到2015年,60岁以上的人口数量已经超过2亿。其中,60岁以上老年人中的失能和半失能人数占约3300万,占了老年人口总数的19%。此外,我国的残疾人口总数也非常庞大,其中大半是中老年运动障碍者。我国亦是中风高发国家,每10万人中约有550人,中风人口总数约为715万。同时我国的盲人数量约有500万,占全世界盲人总数的18%。

  大量的老年群体、大发注册运动功能障碍者和视觉功能障碍者等对康复和辅助器械的需求较大。然而, 我国现有的康复医疗资源非常紧缺, 国内普遍采用的康复治疗方法存在人员消耗大、康复周期长、效果有限等问题。而智能康复机器人与智能辅助系统的研究开发和应用有望有效地解决养老、失能辅助和残疾人康复等问题,大发注册同时也有助于缓解康复医疗资源的供需矛盾。因此,智能康复机器人与智能辅助系统已成为国内外智能机器人领域的研究热点。

  目前,国外较成熟的上肢智能康复机器人的研究有MIT的Manus、芝加哥大学的ARM Guide、斯坦福大学的MIME第一、二、三代康复机器人等。在智能助行系统的导航与定位方面,国内外主要使用的技术手段有里程计、超声波、激光、视觉传感器和Wi-Fi技术等。但是目前的行人助行系统中,通常各功能模块独立,缺少对绝对定位技术和相对定位技术的有机融合,因此导航精度有限。

  针对上肢功能人群,我们研制了基于EMG(肌电信号)运动意图识别和助力功能的电动或气动肌肉驱动上肢康复机器人;针对视觉障碍人群,提出了融合机器人相对定位和绝对定位技术的室内导航方法,结合超声波检测技术实现了兼有室内导航和避障功能的智能助行系统;针对下肢功能障碍人群,研究了能够全向移动的多功能智能助行机器人,大发注册应用穿戴式传感器检测用户实时步态,实现了机器人的辅助行走、康复训练和跌倒检测与防护控制等多种功能。

  在目前的康复器械中,多数的器械只能被动地对使用者进行预定指令的康复动作治疗。而在智能康复机器人的研究中,如何能够有效地感知来自患者的运动意图,实现康复机器人与人之间的人机交互控制是我们的研究重点。

  三自由度电机驱动上肢智能康复机器人(肩伸屈、肩外展和肘伸屈三个自由度)采用了基于EMG(人体肌电信号)意图控制系统来完成上肢的三自由度运动控制。EMG属于生理信号,在与人体接触的过程中,可以直接反应人的运动意图,即可以通过解码人体生理电信号来识别人体行为,直接地赋予了智能设备能够理解人的意图的能力,进而达到患者主动训练的效果。

  在EMG肌电控制过程中,首先要进行EMG信号采集,即当肱桡肌、侧腕长伸肌、尺侧腕伸肌和桡侧弯曲肌四个部位肌肉发生运动时,肌电采集装置会采集这些生理信号并将其转化为电信号,再将电信号进一步地分析与处理,得到有用的EMG信号,进而通过电机控制实现康复机器人对各种康复动作的驱动。

  在目前最新的康复机器人研究中,大发注册已经实现了五自由度气动肌肉驱动控制,并且采用了外骨骼形式,使得上肢康复机器人本体易于穿戴。其中,在三自由度基础上扩展的五自由度分别是:肩伸屈、肘伸屈、大发注册肘旋转、指尖伸屈和指掌伸屈。另外,采用气动式肌肉驱动,具有成本低、质量轻以及安全性好等优点,并且使患者在使用过程中体验更加柔顺。

  传统的拐杖、助行器、导盲杖等一定程度上解决了运动功能障碍者和视觉障碍者的辅助行走问题。随着高新技术的发展,尤其是智能技术的崛起,为了使以上特殊人群更加愉悦得地享受生活、减少烦恼、分享高科技的新成果,我们在智能助行系统中加入了更多新功能:

  在现有的室内行人导航系统中,主要利用单一模块的电子地图导航。但对于视觉障碍者而言,仅利用绝对定位数据难以实现高精度的导航助行。因此,在智能导盲助行系统中,提出了将电子地图绝对定位与步态检测相对定位有机结合的方法。

  基于步态检测的智能导盲助行系统主要是通过姿态检测传感器检测人腿部各段的姿态、人体腰部及大小腿的空间位置和角度等参数,再根据各部位长度和姿态关系计算出行人的步长、姿态和方向, 实现短距离的相对定位。

  智能导盲助行系统避障功能的实现主要应用了超声波的测距功能。在人体上装载多个超声波传感器,可以探测身体不同部位距离障碍物的距离,类似于蝙蝠探路原理。超声波传感器探测到的距离信号将其转换为盲人可以听到的声信号,即视觉转化为听觉,进而来告知盲人的路况信息。其中脚部位的超声波传感器可以探测门槛,腰部超声波可探测门框。

  在智能导盲助行系统中,可将电阻式应变传感器、倾度传感器和超声波传感器一起安装在脚踝和鞋子部位,通过对力F(F300N)、角度θ(θ30)和距离d信号的检测,经过单片机的信号处理后转换为声音信号,进而实现避障功能。

  带跌倒防护功能的智能助行机器人,主要加入了运动控制系统,即导纳控制和紧急刹车控制。当行人正常行走时,机器人采用普通的“导纳控制”;当跌倒发生时,启动“紧急刹车”控制。

  行人在行走过程中的跌倒检测主要由姿态传感器完成。姿态传感器可以检测腰部到地面的高度d1以及重心投影点Pg到两脚中间点Pc之间的距离d2。正常行走时,Pg点应该在支撑脚附近;一旦发生Pg点远离Pc点的状况,可以认为横向跌倒已经发生。

  在检测跌倒发生前,我们需要收集正常行走时的d(d1,d2)数据,建立“正常行走”的可能性分布,建立正常行走状态的模糊隶属度函数f(d),在行走时,将实时检测到的d与f(d)进行比较,一旦发现低于某个阈值则认为跌到发生。

  我国智能康复和智能助行机器人的研究目前仍存在大量的技术难题,处于实际应用的初级阶段。面对老年失能者以及运动、视觉功能障碍者等人群对康复和助行器械需求的日益增长,可以预见未来在基于智能技术和机器人技术结合的康复辅助医疗器械领域具有巨大的应用空间和潜力。大发注册同时,这项技术的不断优化发展对增加以上特殊群体的生活幸福指数和促进社会的和谐发展具有重要的社会意义。

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