醫(yī)用機(jī)器人課件

醫(yī)用機(jī)器人突破性發(fā)展1985年，出現(xiàn)了基于工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)的外科機(jī)器人。美國(guó)的KwohYS等采用Puma560工業(yè)機(jī)器人完成了腦組織活檢中探針的導(dǎo)向定位。1987年，美國(guó)ISS公司推出了NeumMate機(jī)器人系統(tǒng)，采用機(jī)械臂和立體定位架來(lái)完成神經(jīng)外科立體定向手術(shù)中的導(dǎo)向定位1989年，英國(guó)的皇家學(xué)院機(jī)器人技術(shù)中心利用改進(jìn)的6自由度Puma機(jī)器人，開展了前列腺切除術(shù)，大大縮短了手術(shù)操作時(shí)間。1997年，美國(guó)IntuitiveSurgical公司推出了DaVinci(達(dá)芬奇)系統(tǒng)。2001年，以色列Mazor公司推出了小型并聯(lián)的脊柱外科機(jī)器人SpineAssist，高度不足70mm，質(zhì)量不過(guò)200g，可直接安裝在骨骼上，顯著提高了定位精度和穩(wěn)定性。2004年，北京航空航天大學(xué)與北京積水潭醫(yī)院聯(lián)合研制了具有6個(gè)自由度的小型模塊化機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，可術(shù)中快速裝拆，適合于長(zhǎng)骨骨折、股骨頸骨折和骨盆骨折等臨床適應(yīng)癥。突破性發(fā)展機(jī)器人在實(shí)施手術(shù)主治醫(yī)生與患者2006年3月，北京積水潭醫(yī)院與北京航空航天大學(xué)合作，利用小型模塊化機(jī)器人，在北京和延安之間完成了國(guó)內(nèi)第一例長(zhǎng)骨骨折髓內(nèi)釘內(nèi)固定遠(yuǎn)程遙操作手術(shù)，提出并實(shí)現(xiàn)了基于窄帶網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程規(guī)劃理念，從而在一定程度上降低了遠(yuǎn)程遙外科對(duì)網(wǎng)絡(luò)配置的要求。突破性發(fā)展我國(guó)自主研發(fā)出首臺(tái)醫(yī)療機(jī)器人2010年我國(guó)第一臺(tái)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的醫(yī)療機(jī)器人“骨科導(dǎo)航機(jī)器人”獲得了國(guó)家醫(yī)療器械注冊(cè)許可證，今年已應(yīng)用于臨床治療。這臺(tái)機(jī)器人1米高，上面有兩只可移動(dòng)的機(jī)械臂。大夫?qū)?dǎo)針和空心釘安在機(jī)械臂上，機(jī)械臂會(huì)根據(jù)電腦指令自動(dòng)調(diào)整好位置和角度。大夫需要做的僅僅是，在手術(shù)前根據(jù)一張患者患處的電子三維圖做好規(guī)劃。我國(guó)每年都有病患者因?yàn)楣晒穷i手術(shù)失敗，導(dǎo)致股骨頭壞死而癱瘓或死亡。如今，使用骨科導(dǎo)航機(jī)器人，手術(shù)中拍X光片的平均次數(shù)為14.9次，比傳統(tǒng)方法少了40次以上，而且植入精度在1.5毫米以內(nèi)，一次成功率100%。達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的系統(tǒng)

達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)以麻省理工學(xué)院(原名斯坦福研究學(xué)院)研發(fā)的機(jī)器人外科手術(shù)技術(shù)為基礎(chǔ)。IntuitiveSurgical隨后與IBM、麻省理工學(xué)院和Heartport公司聯(lián)手對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步開發(fā)。達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)是一種高級(jí)機(jī)器人平臺(tái)，其設(shè)計(jì)的理念是通過(guò)使用微創(chuàng)的方法，實(shí)施復(fù)雜的外科手術(shù)。達(dá)芬奇系統(tǒng)是世界上僅有的、可以正式在腹腔手術(shù)中使用的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，也是目前最復(fù)雜和最昂貴的外科手術(shù)系統(tǒng)之一。達(dá)芬奇機(jī)器人的組成達(dá)芬奇機(jī)器人由三部分組成：外科醫(yī)生控制臺(tái)；床旁機(jī)械臂系統(tǒng)；成像系統(tǒng)。外科醫(yī)生控制臺(tái)外科醫(yī)生控制臺(tái)是達(dá)芬奇機(jī)器人系統(tǒng)的控制中心，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、監(jiān)視器、控制手柄、腳踏控制板及輸出設(shè)備組成。外科醫(yī)生控制臺(tái)的操作者坐在消毒區(qū)域以外，通過(guò)使用控制手柄來(lái)控制手術(shù)器械和立體腔鏡。術(shù)者通過(guò)雙手動(dòng)作傳動(dòng)手術(shù)臺(tái)車上仿真機(jī)械臂完成各種操作，從而達(dá)到術(shù)者的手在患者體內(nèi)做手術(shù)的效果。同時(shí)可通過(guò)聲控、手控或踏板控制腹腔鏡。術(shù)者雙腳置于腳踏控制板上配合完成電切、電凝等相關(guān)操作。達(dá)芬奇機(jī)器人系統(tǒng)讓術(shù)者在微創(chuàng)的環(huán)境里可以達(dá)到開放手術(shù)的靈活性成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)(VideoCart)內(nèi)裝有外科手術(shù)機(jī)器人的核心處理器以及圖象處理設(shè)備，在手術(shù)過(guò)程中位于無(wú)菌區(qū)外，可由巡回護(hù)士操作，并可放置各類輔助手術(shù)設(shè)備。外科手術(shù)機(jī)器人的內(nèi)窺鏡為高分辨率三維(3D)鏡頭，對(duì)手術(shù)視野具有10倍以上的放大倍數(shù)，能為主刀醫(yī)生帶來(lái)患者體腔內(nèi)三維立體高清影像，使主刀醫(yī)生較普通腹腔鏡手術(shù)更能把握操作距離，更能辨認(rèn)解剖結(jié)構(gòu)，提升了手術(shù)精確度。工作流程達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)要求在病人身體開多達(dá)五個(gè)小型(小于1厘米)的切口，用于插入兩個(gè)手術(shù)機(jī)械手臂和一個(gè)攝像頭。放置在病人床邊的配套推車將手術(shù)器械移動(dòng)到病人身邊，病人床邊會(huì)有外科手術(shù)助手在。與此同時(shí)，醫(yī)生可以坐到房間的控制臺(tái)來(lái)操作系統(tǒng)，外科醫(yī)生通過(guò)對(duì)主控裝置將外科醫(yī)生的動(dòng)作翻譯并傳遞給機(jī)械手臂，機(jī)械臂根據(jù)指令進(jìn)行手術(shù)，成像系統(tǒng)將手術(shù)場(chǎng)景進(jìn)行反饋。如此外科醫(yī)生用手抓住顯示屏下方的主控裝置，手腕相對(duì)其眼睛自然地動(dòng)作，而外科醫(yī)生的對(duì)主控裝置的動(dòng)作被轉(zhuǎn)換成在患者體內(nèi)進(jìn)行的精確的、實(shí)時(shí)的機(jī)器手臂動(dòng)。由此通過(guò)外科醫(yī)生的手腕、手和手指的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制主刀的機(jī)器手臂，這和典型的開放式手術(shù)是一樣的。結(jié)構(gòu)分析外科醫(yī)生控制臺(tái):系統(tǒng)的大腦中區(qū)，通過(guò)主治醫(yī)生的控制，通過(guò)程序轉(zhuǎn)化為指令傳輸?shù)綑C(jī)械臂，使之相應(yīng)動(dòng)作。床旁機(jī)械臂系統(tǒng):使用固定機(jī)構(gòu)；手臂機(jī)構(gòu)為關(guān)節(jié)型手臂機(jī)構(gòu)和機(jī)器人手腕機(jī)構(gòu)；傳動(dòng)裝置為連桿傳動(dòng)和流體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。是主要的機(jī)械工作部位，整個(gè)系統(tǒng)最重要部分。成像系統(tǒng):整個(gè)系統(tǒng)中的傳感部分是機(jī)器人視覺的表現(xiàn)。通過(guò)腔鏡臂將手術(shù)實(shí)時(shí)的圖像傳輸?shù)街髌聊?，并使用高清三維顯示。機(jī)械手臂的主要驅(qū)動(dòng)

達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)集成了高端運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，這樣機(jī)器手臂的每個(gè)動(dòng)作都能像熟練的外科醫(yī)生一樣順暢、準(zhǔn)確---即便在很慢的計(jì)算速度下。每個(gè)達(dá)芬奇HD系統(tǒng)包含有30多個(gè)由馬克森精密電機(jī)公司生產(chǎn)的電機(jī)。這些電機(jī)是每個(gè)機(jī)械手臂的心臟。馬克森電動(dòng)機(jī)為達(dá)芬奇系統(tǒng)提供輸入和輸出，是其主要驅(qū)動(dòng)。通過(guò)一系列反饋控制，電機(jī)和編碼器接收了來(lái)自醫(yī)生的輸入信號(hào)，在經(jīng)過(guò)主控制臺(tái)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)翻譯后，將輸出信號(hào)傳送給機(jī)器手臂中的電機(jī)。機(jī)械手隨之通過(guò)主控制臺(tái)電路將力反向施加至外科醫(yī)生的手中。馬克森電機(jī)的定子采用的是稀土磁鐵，其定子采用的是無(wú)鐵設(shè)計(jì)，這樣即便在低速運(yùn)行的情況下也不會(huì)有磁性齒槽存在。為區(qū)分它們的雙重角色，將外科醫(yī)生的床旁推車所用的電機(jī)作為主控電機(jī)，機(jī)械手臂電機(jī)所用電機(jī)作為從屬電機(jī)。從屬電機(jī)的精度和主控電機(jī)的精度相同，并且還需要能在外科醫(yī)生助手移動(dòng)末端執(zhí)行器就位時(shí)后向驅(qū)動(dòng)。手術(shù)器械頂部的電機(jī)具有低遲滯性。

Intuitive公司的工程師們?cè)谶_(dá)芬奇系統(tǒng)中使用了30多個(gè)電機(jī)。有RE25電機(jī)，有些帶有編碼器反饋，有些電機(jī)沒帶編碼器反饋;配置有GP13系列減速器和13毫米磁性編碼器的RE13mm電機(jī);以及帶第三方編碼器的RE35系列電機(jī)。馬克森電動(dòng)機(jī)是達(dá)芬奇系統(tǒng)核心性能特性試驗(yàn)的關(guān)鍵，這些核心性能特性測(cè)試包括摩擦、間隙和兼容情況，以及一系列傳感器反饋監(jiān)測(cè)。機(jī)械手臂的自由度機(jī)械手可以模擬人手各種操作，動(dòng)作的自由度高達(dá)7度，包括臂關(guān)節(jié)上下，前后自由運(yùn)動(dòng)與仿真手腕的左右旋轉(zhuǎn)，開合，末端關(guān)節(jié)彎曲共7種動(dòng)作，可作沿垂直軸360°和水平軸270°旋轉(zhuǎn)，且每個(gè)關(guān)節(jié)活動(dòng)度大于90°。尤其在進(jìn)行深部操作時(shí)，機(jī)械手動(dòng)作靈活，體積小巧，與開放手術(shù)的人手操作相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。機(jī)械手臂特點(diǎn)由于達(dá)芬奇機(jī)器人的機(jī)械手擁有7個(gè)自由度，具有人手無(wú)法企及的精確性?！斑_(dá)芬奇”還可以過(guò)濾人手的抖動(dòng)，使得手術(shù)可以更精細(xì)。此外，機(jī)器人手術(shù)還具有移動(dòng)縮減功能的特點(diǎn)，也就是說(shuō)醫(yī)生在操縱這一裝置的過(guò)程中，移動(dòng)操作桿5毫米，在患者體內(nèi)的機(jī)械末端僅移動(dòng)1毫米，這樣就大大提高了手術(shù)的精確性和安全性。手術(shù)器械仿真接攜手配置了各種類型的手術(shù)器械，可滿足抓持，鉗夾，縫合等各項(xiàng)操作要求。手術(shù)器械近百種，8毫米左右大小CompanyLogo優(yōu)勢(shì)1.在腔鏡手術(shù)基礎(chǔ)上更加發(fā)揮腔鏡的優(yōu)勢(shì)，去除使用腔鏡的劣勢(shì)；2.加入計(jì)算機(jī)的技術(shù)可提高手術(shù)的操控性、精確性和穩(wěn)定性；3.向術(shù)者提供了高清晰度三維圖像并將手術(shù)野放大了10—20倍；4.創(chuàng)新的腕部可自由活動(dòng)的鏡下手術(shù)器械可使鏡下手術(shù)器械完全重現(xiàn)人手動(dòng)作從而達(dá)到手眼協(xié)調(diào)；5.系統(tǒng)設(shè)計(jì)可排除主刀醫(yī)生可能的手的顫抖對(duì)手術(shù)所造成的不利影響；6.與開放手術(shù)的視覺一致使操作者手眼協(xié)調(diào)從而加快了醫(yī)生學(xué)習(xí)進(jìn)程；7.為患者帶來(lái)更理想的手術(shù)結(jié)果，減少圍手術(shù)期后遺癥以及并發(fā)癥的發(fā)生；8.創(chuàng)傷小、恢復(fù)快而使可接受手術(shù)的患者年齡范圍擴(kuò)大并使某些危重病人接受手術(shù)成為可能；

CompanyLogo不足自身仍存在著一定的缺陷如：觸覺反饋體系的缺失；手術(shù)機(jī)器人的器械臂固定以后，其操作范圍受限；整套設(shè)備的體積過(guò)于龐大，安裝、調(diào)試比較復(fù)雜；系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜，在使用過(guò)程中可能發(fā)生各種機(jī)械故障，如半路死機(jī)等；系統(tǒng)的學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)，醫(yī)生與系統(tǒng)的配合需要長(zhǎng)時(shí)間的磨合；手術(shù)前的準(zhǔn)備及手術(shù)中更換器械等操作耗時(shí)較長(zhǎng)等。

使用成本昂貴表現(xiàn)在幾個(gè)方面：①購(gòu)置費(fèi)用高，目前國(guó)內(nèi)第三代四臂達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的總體購(gòu)置費(fèi)用在2000萬(wàn)以上。②二是手術(shù)成本高，機(jī)器人手術(shù)中專用的操作器械每用10次就需強(qiáng)制性更換，而更換一個(gè)操作器械需花費(fèi)約2000美元。③三是維修費(fèi)用高，手術(shù)機(jī)器人需定期進(jìn)行預(yù)防性維修，每年維修保養(yǎng)費(fèi)用也是一筆不小的開支。造成機(jī)器人手術(shù)使用成本高的原因通常被認(rèn)為是其生產(chǎn)商通過(guò)收購(gòu)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和專利保護(hù)等手段在這一領(lǐng)域形成了壟斷所致，而這也成為制約手術(shù)機(jī)器人進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)重要原因。不良反應(yīng)根據(jù)美國(guó)對(duì)很多病人的調(diào)查，雖然機(jī)器人做的前列腺手術(shù)可以減少病人的住院時(shí)間，但是可能會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)痿和小便失禁。膠囊微型機(jī)器人，是一種能進(jìn)入人體胃腸道進(jìn)行醫(yī)學(xué)探查和治療的智能化微型工具，是體內(nèi)介入檢查與治療醫(yī)學(xué)技術(shù)的新突破。研究目的體內(nèi)介入檢查與治療具有安全、微創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn)，并迅速成為醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的主流。人們研制出的微型消化道膠囊內(nèi)窺鏡是利用消化道蠕動(dòng)進(jìn)行整個(gè)區(qū)域檢查，由內(nèi)嵌CMOS微型攝像機(jī)以無(wú)線方式傳輸檢查圖像。但其行走緩慢，存在視覺盲區(qū)；錯(cuò)過(guò)病變組織時(shí)，不能主動(dòng)返程，使一些醫(yī)療作業(yè)無(wú)法完成。因此研制可吞咽并能通過(guò)體外無(wú)纜驅(qū)動(dòng)控制的膠囊機(jī)器人已成當(dāng)務(wù)之急。膠囊微型機(jī)器人在人體腸胃中進(jìn)行無(wú)創(chuàng)檢查和小損傷手術(shù)，對(duì)于減輕病人痛苦、提高檢查和手術(shù)的安全性和降低醫(yī)療費(fèi)用都具有重要意義?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)治療腸胃病的一般方法是用內(nèi)窺鏡透視、放射造影或手術(shù)檢查，不但費(fèi)用高而且病人比較痛苦。而微型機(jī)器人不但成本低、節(jié)省時(shí)間，而且治療起來(lái)并不會(huì)給病人帶來(lái)痛苦。NaviCam?遙控膠囊內(nèi)鏡機(jī)器人NaviCam?遙控膠囊內(nèi)窺鏡控制系統(tǒng)便攜記錄器和檢查服控制和顯示軟件ESNavi膠囊定位器肌肉機(jī)器人科幻電影《星球大戰(zhàn)》中的機(jī)器人骨骼肌肉機(jī)器人現(xiàn)被命名為“Ecci”，是世界上首款擁有“肌肉”和“肌腱”的機(jī)器人據(jù)英國(guó)每郵報(bào)報(bào)道，骨骼肌肉看上去頗似科幻電影《星球大戰(zhàn)》中機(jī)器人C-3PO的解體版，但這款機(jī)器人是最新科學(xué)成果，并非科幻虛構(gòu)，而且是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的機(jī)器人，它不僅擁有“骨骼和肌肉”，甚至還有能夠認(rèn)識(shí)糾正錯(cuò)誤的“大腦組織”。由Riken研究中心研發(fā)的Ri-Man機(jī)器人是世界上首臺(tái)專為護(hù)理而設(shè)計(jì)的機(jī)器人。Ri-Man身高158厘米，重100公斤，不僅擁有視覺、聽覺、嗅覺，還可以輕松把人抱起。特別適合照臥床或顧行動(dòng)不便的病人。RI-MANRI-MAN機(jī)器人是由日本名古屋理研生物模擬控制研究中心開發(fā)的醫(yī)用搬運(yùn)工模型。它不僅有柔軟、安全的外形，手臂和軀體上還有觸覺感受器，使它能小心翼翼地抱起或搬動(dòng)患者。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，RI-MAN機(jī)器人能取代護(hù)工去照顧老人或體弱多病者。該機(jī)器人身上有5個(gè)部位安裝了柔軟的觸覺傳感器，能感受一定的壓強(qiáng)。它還配置了視覺、聽覺和嗅覺傳感器，可根據(jù)聲源定位并通過(guò)視覺處理找到呼喚它的人，理解聲音指令，然后橫抱起模擬被護(hù)理者的人偶。除流暢地完成這一系列動(dòng)作外，該機(jī)器人還能夠通過(guò)嗅覺傳感器來(lái)判斷懷抱的護(hù)理對(duì)象的健康狀況。助行外骨骼機(jī)器人37助行外骨骼機(jī)器人是下肢外骨骼機(jī)器人，屬于外骨骼機(jī)器人的一種，也是應(yīng)用最為廣泛的一種。

目前的助行外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的研制和應(yīng)用可以分為民用和軍用兩大類。民用方面的外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)主要用于輔助殘疾人、老年人和喪失部分運(yùn)動(dòng)能力的病人行走；軍用方面的外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)主要用來(lái)增強(qiáng)普通士兵的能力，可以讓普通士兵成為在負(fù)重較大的情況下依舊可以跳過(guò)較高物體和快速奔跑的超級(jí)士兵。助行外骨骼機(jī)器人發(fā)展應(yīng)用38

外骨骼下肢助行機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代末期，主要在歐美等一些發(fā)達(dá)國(guó)家展開，最初的外骨骼助力機(jī)器人分別在兩個(gè)地點(diǎn)幾乎同時(shí)產(chǎn)生，分別是美國(guó)和南斯拉夫，美國(guó)研究這技術(shù)的最初目的是增強(qiáng)人的能力,往往是用于軍事目的,而前南斯拉夫的目的是用來(lái)輔助殘障人。

上述兩個(gè)項(xiàng)目都以失敗告終，下肢外骨骼機(jī)器人的研究在其后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間陷入沉寂。

但到世紀(jì)末,下肢外骨骼機(jī)器人又重新得到世界各國(guó)的關(guān)注,世界上很多國(guó)家都積極地投入到研究中。下面分別介紹一些在下肢外骨骼方面比較成熟的研究成果?！肮下庇?0個(gè)水壓力動(dòng)力源和伺服隨動(dòng)鉸鏈組成，體積巨大，重約680公斤，具有30個(gè)自由度，為上肢和下肢提供助力幫助，控制系統(tǒng)采用主-從控制模式，最終能夠?qū)⑺闹牧α糠糯?5倍。1978年，美國(guó)麻省理工學(xué)院研究出“被動(dòng)式外骨骼助力機(jī)器人”。MIT的外骨骼下肢助力機(jī)器人能夠在負(fù)載36公斤的情況下行走1m/s，其中80%的負(fù)重被傳遞到地面上。它的關(guān)節(jié)自由度配置包括髖關(guān)節(jié)有3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度。穿戴者與機(jī)器人在肩膀、腕關(guān)節(jié)、大腿和腳部連接，機(jī)器人總重量是11.7Kg。驅(qū)動(dòng)方式不采用電力驅(qū)動(dòng)，只利用彈簧儲(chǔ)能和變阻尼器驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)。髖關(guān)節(jié)伸/屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧釋放能量，屈運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧儲(chǔ)存能量，膝關(guān)節(jié)利用磁流變阻尼器，踝關(guān)節(jié)利用碳纖維彈簧緩沖腳后跟對(duì)地面的沖力。傳感器系統(tǒng)是由安裝在外骨骼下肢助力機(jī)器人外殼的應(yīng)變橋式應(yīng)變片傳感器和安裝在膝關(guān)節(jié)的電位計(jì)組成。392004年，加州大學(xué)伯克利分校的下肢外骨骼機(jī)器人BLEEX。由一個(gè)用于負(fù)重的背包式外架、兩條動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的仿生金屬腿及相應(yīng)動(dòng)力設(shè)備組成,使用背包中的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和箱式微型空速傳感儀作為液壓泵的能量來(lái)源,以全面增強(qiáng)人體機(jī)能。BLEEX的每條腿具有個(gè)7自由度(髖關(guān)節(jié)3個(gè),膝關(guān)節(jié)1個(gè),踝關(guān)節(jié)3個(gè)）,在該裝置中總共有40多個(gè)傳感器以及液壓驅(qū)動(dòng)器,它們組成了一個(gè)類似人類神經(jīng)系統(tǒng)的局域網(wǎng)。BLEEX的負(fù)重量能達(dá)到75kg,并以0.9m/s的速度行走,在沒有負(fù)重的情況下,能以的1.3m/s速度行走。40

目前,洛克希德·馬丁公司和伯克利分校共同研制了新一代外骨骼機(jī)器人HULC,這款新型外骨骼繼承了BLEEX的優(yōu)點(diǎn),對(duì)一些液壓傳動(dòng)裝置和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),不但能夠直立行進(jìn),還可完成下蹲和甸甸等多種相對(duì)復(fù)雜的動(dòng)作,穿上后能夠明顯降低人體對(duì)氧氣的消耗量。

在一次充滿電后,可保證穿著者以4.8km/h的速度背負(fù)90kg重物持續(xù)行進(jìn)一個(gè)小時(shí)。而穿著HULC的沖刺速度則可達(dá)到16km/h。HULC穿戴起來(lái)也非常方便,士兵只需將腿伸進(jìn)靴子下方的足床,然后用皮帶綁住腿部、腰部以及肩部即可,完全脫下需30秒的時(shí)間.41

美國(guó)薩克斯公司完成的第一款外骨骼機(jī)器人是WEAR。2008年4月,成功研制出外骨骼機(jī)器人XOS,如圖所示。外骨骼機(jī)器人XOS代表了外骨骼領(lǐng)域最尖端的技術(shù)。它利用附在身體上的傳感器,可以毫不延遲地反應(yīng)身體的動(dòng)作,輸出強(qiáng)大的力量。當(dāng)穿上XOS時(shí),能舉起200磅的重物就好像舉20磅的,可以連續(xù)舉50一500次。目前XOS有一個(gè)重大缺陷,就是利用自帶的電池只能使用40分鐘。WEAR

XOS外骨骼機(jī)器人422005年，日本筑波大學(xué)研制出了世界上第一種商業(yè)全身式外骨骼助行機(jī)器人HAL，它的功能主要是幫助老年人和殘疾人走路，爬樓梯及搬東西等。

這款機(jī)器人是全身式的外骨骼助力機(jī)器人，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處通過(guò)鉸鏈連接并只有1個(gè)自由度，利用諧波直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)是被動(dòng)的。HAL系列的助行外骨骼機(jī)器人是通過(guò)分析人體表皮肌電信號(hào)進(jìn)行控制的。它擁有兩個(gè)控制系統(tǒng)：一個(gè)是以肌電信號(hào)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，一個(gè)是以步行模式為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。通過(guò)分析這兩個(gè)系統(tǒng)來(lái)判斷使用者的運(yùn)動(dòng)意圖。432000年，神奈川理工學(xué)院研制的全身式外骨骼機(jī)器人主要用于護(hù)士搬運(yùn)和移動(dòng)病人等工作，該機(jī)器人可以輕松的搬運(yùn)85kg的病人。機(jī)器人是由肩部，手臂，后背，腕部和腿部機(jī)械單元組成的。它的驅(qū)動(dòng)器采用設(shè)置在肩部、腕部和腿部微型旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。

傳感器系統(tǒng)由具有稱重功能的肌肉傳感器?？刂品椒ú捎弥鲝目刂?，各機(jī)械單元一旦發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這運(yùn)動(dòng)將被肌肉傳感器檢測(cè)到，力度的不同由稱重傳感器的觸頭檢測(cè)到，并由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)跟隨運(yùn)動(dòng)。44以色列埃爾格醫(yī)學(xué)技術(shù)公司研發(fā)外骨骼助行機(jī)器人Rewalk，總重18Kg，運(yùn)動(dòng)速度是1Km/h，能夠連續(xù)工作8小時(shí)。它可以完成行走、站立、坐下、爬樓梯，上坡和下坡等動(dòng)作。本田電機(jī)公司2008年研制了一款步行助力機(jī)器人“Walkingassist”總重2Kg的助行機(jī)器人有兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠連續(xù)工作2小時(shí)，步行速度達(dá)到4.5km/h，它可以幫助單腿受到損傷的穿戴者。RewalkWalkingassist45韓國(guó)西江大學(xué)研制的外骨骼助行機(jī)器人。該外骨骼結(jié)構(gòu)上的顯著特點(diǎn)是整個(gè)裝置由外骨骼和手推車兩個(gè)部分組成。所有的驅(qū)動(dòng)元件,包括電池、電機(jī)及控制器等較重的周邊設(shè)備都布置在手推車中。

他們采用類似于機(jī)電信號(hào)的肌纖維膨脹信號(hào),利用綁在大腿和小腿上的氣囊內(nèi)的氣體的壓力變化來(lái)測(cè)得,而在人腿自由擺動(dòng),肌纖維不膨脹時(shí),則利用關(guān)節(jié)處的角度傳感器的信號(hào)來(lái)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作。46美國(guó)芝加哥康復(fù)研究所的外骨骼機(jī)器人Lokomat。它主要由步態(tài)矯形器、先進(jìn)的體重支援系統(tǒng)和跑步機(jī)組成。

通過(guò)直接安裝在動(dòng)力裝置上的力轉(zhuǎn)換器增加了測(cè)量患者活動(dòng)能力的功能,而且可以使步態(tài)援助水平得到調(diào)整,使導(dǎo)引力從零到最大范圍進(jìn)行調(diào)節(jié),以適應(yīng)不同使用者腿的鍛煉。47國(guó)內(nèi)對(duì)外骨骼下肢助力機(jī)器人的研究開始與20世紀(jì)初，目前外骨骼下肢助行機(jī)器人的研究正處于起步階段。中科大智能所研究的可穿戴型助行機(jī)器人，具有10個(gè)自由度，系統(tǒng)利用表皮肌電信號(hào)分析穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖。浙江大學(xué)研制出了多自由度下肢外骨骼助行機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)器使用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器為圓形氣缸。它可以將足底壓力信號(hào)和氣缸的位移控制信號(hào)直接關(guān)聯(lián)起來(lái)，能夠較好的判斷穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖。

48上海大學(xué)研制一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，由外骨骼助行器，減重機(jī)構(gòu)和跑步機(jī)構(gòu)成。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)各一個(gè)自由度，共六個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)在矢狀面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)反復(fù)的訓(xùn)練來(lái)幫助患者逐步恢復(fù)行走能力49關(guān)鍵技術(shù)501.助行外骨骼機(jī)器人的步態(tài)分析與步態(tài)穩(wěn)定性控制步態(tài)分析是人體下肢外骨骼設(shè)計(jì)的重要依據(jù)和工具。由于人體下肢外骨骼跟隨人體下肢一起運(yùn)動(dòng),輔助操作者承載,首先考慮的就是下肢外骨骼應(yīng)與操作者具有協(xié)調(diào)一致的動(dòng)作,與人體下肢具有相同的自由度和運(yùn)動(dòng)形式。因此,分析人體下肢自由度、研究人體步態(tài)是設(shè)計(jì)下肢外骨骼實(shí)現(xiàn)行走的基礎(chǔ)。2.助行外骨骼機(jī)器人多傳感器的選擇與信息融合

傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。下肢外骨骼機(jī)器人的傳感器就如同人的神經(jīng)一樣重要,通過(guò)他們感知獲取操作者以及外骨骼的各種運(yùn)動(dòng)及數(shù)據(jù),才使得整個(gè)系統(tǒng)能夠按照預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。3.助行外骨骼機(jī)器人的控制系統(tǒng)與兩足行走機(jī)器人的控制不同,下肢外骨骼機(jī)器人不僅要考慮對(duì)機(jī)構(gòu)本身的控制,還要在控制策略上考慮與使用者的相適應(yīng)問(wèn)題。下肢外骨骼機(jī)器人必須能夠同步跟隨使用者的動(dòng)作,能夠加強(qiáng)使用者的力量并模仿人類的各種動(dòng)作,包括戰(zhàn)場(chǎng)上的前后左右移動(dòng)躲閃,故控制算法比較復(fù)雜。4.助行外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式與能源驅(qū)動(dòng)方式的合理選擇對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和性能也有很大的影響。下肢外骨骼通常采用的驅(qū)動(dòng)方式有三種電機(jī)驅(qū)動(dòng),液壓驅(qū)動(dòng),氣壓驅(qū)動(dòng)。三種驅(qū)動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)實(shí)際分析選擇。

51發(fā)展趨勢(shì)52現(xiàn)有的下肢外骨骼機(jī)器人還存在以下幾方面的問(wèn)題體積大,重量重,噪音大，對(duì)地面的適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)的靈活性還需進(jìn)一步提高，與使用者的步態(tài)還不完全協(xié)調(diào)，能源的重量較重而且不耐用?；谝陨蠁?wèn)題和下肢外骨骼機(jī)器人的應(yīng)用背景,其未來(lái)發(fā)展呈現(xiàn)出以下幾個(gè)趨勢(shì)：1.智能化2.人機(jī)耦合3.模塊化4.微型化結(jié)論53

助行外骨骼機(jī)器人作為一種新興的技術(shù)，在民用和軍用領(lǐng)域都具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。隨著科技的不斷發(fā)展，外骨骼技術(shù)也將會(huì)不斷的創(chuàng)新與進(jìn)步。未來(lái)的助行外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)更加適合操作者，我們未來(lái)的生活會(huì)因?yàn)樗膹V泛應(yīng)用而改變?？祻?fù)診療機(jī)器人背景隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，在歐洲、美國(guó)和日本等國(guó)家，醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的市場(chǎng)占有率呈逐年上升的趨勢(shì)，僅日本機(jī)器人市場(chǎng)，2010年上升到

大約1，050，000美元，其增長(zhǎng)率在機(jī)器人的所有應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)首位。因此，服務(wù)于四肢的康復(fù)設(shè)備的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景?？祻?fù)機(jī)器人是康復(fù)設(shè)備的一種類型，其中以歐美和日本的成果最為顯著。在我國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視，而康復(fù)機(jī)器人研究仍處于起步階段，一些簡(jiǎn)單康復(fù)器械遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)對(duì)智能化、人機(jī)工程化的康復(fù)機(jī)器人的需求，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展?？祻?fù)機(jī)器人的種類1輔助型康復(fù)機(jī)器人

主要是幫助肢體運(yùn)動(dòng)有困難的患者完成各種動(dòng)作，該類產(chǎn)品有機(jī)器人輪椅、機(jī)器人護(hù)士、機(jī)器人假肢、機(jī)械外骨骼等。2康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人

主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練，該類產(chǎn)品有行走訓(xùn)練、手臂運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等。目前，康復(fù)機(jī)器人的研究主要集中在康復(fù)機(jī)械手和康復(fù)治療機(jī)器人等幾個(gè)方面康復(fù)機(jī)械手的研究現(xiàn)狀3類：（1）基于桌面的機(jī)械手（2）基于輪椅的機(jī)械手。（3）基于移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械手。（1）基于桌面的機(jī)械手機(jī)械手安裝在一個(gè)徹底結(jié)構(gòu)化的控制平臺(tái)上，在固定的空間內(nèi)操作，具有足夠自由度的串聯(lián)機(jī)器人再配上適合殘疾人使用的人機(jī)界面是這種機(jī)器人典型的設(shè)計(jì)模式。目前此類機(jī)器人已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用化，如法國(guó)CEA公司開發(fā)的MASTER系統(tǒng)、美國(guó)的TolfaCorportion開發(fā)的DEVAR系統(tǒng)，以及英國(guó)的OxfordIntelligentMachinesLtd.開發(fā)的RAID系統(tǒng)等。（2）基于輪椅的機(jī)械手。

這種機(jī)器人是安裝在輪椅上的，是因?yàn)檩喴蔚囊苿?dòng)擴(kuò)大了機(jī)械手的工作范圍，同時(shí)由于安裝基座的改變致使機(jī)械手的剛性下降和抓取精度的降低，這種機(jī)械手也只是用于用于輪椅的患者，這是一點(diǎn)不足。這種機(jī)械手已經(jīng)成為面向應(yīng)用的流行設(shè)計(jì)，KARES5系統(tǒng)，就是一種基于輪椅的機(jī)械手系統(tǒng)，在電動(dòng)輪椅上安裝了一個(gè)六自由度的機(jī)械手，能夠幫助行動(dòng)不便的老人和殘疾人獨(dú)立的行動(dòng)。（3）基于移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械手。

這類機(jī)械手是目前最先進(jìn)的康復(fù)機(jī)械手，這種機(jī)械手安裝在移動(dòng)的機(jī)器人或者半自主的小車上從而適用于更多的患者使用，同時(shí)擴(kuò)大了機(jī)械手的活動(dòng)空間并提高了抓取的精度。S.Tachi等人在MIT日本實(shí)驗(yàn)室研制了一種移動(dòng)式康復(fù)機(jī)器人MELDOG6，作為“導(dǎo)盲狗”以幫助盲人完成操作和搬運(yùn)物體的任務(wù)。法國(guó)Evry大學(xué)研制了一種移動(dòng)式康復(fù)機(jī)器人ARPH7，使用者可以從工作站實(shí)施遠(yuǎn)程控制，使移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)定位和抓取工作。這種機(jī)械手系統(tǒng)都是需要由視覺、靈巧操作、運(yùn)動(dòng)、傳感、導(dǎo)航及系統(tǒng)控制等電子系統(tǒng)組成，要求比較高，價(jià)格也是相對(duì)的比較昂貴。康復(fù)治療機(jī)器人研究現(xiàn)狀康復(fù)治療機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，不再把機(jī)器人當(dāng)作輔助患者的工具，而是把機(jī)器人和計(jì)算機(jī)當(dāng)作提高臨床康復(fù)效率的新型治療工具?？祻?fù)治療機(jī)器人在醫(yī)療實(shí)踐上主要是用于恢復(fù)患者肢體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的功能。當(dāng)人的肢體受外傷燒傷或做手術(shù)后，由于受傷組織的皮膚、韌帶和肌肉失去彈性而導(dǎo)致肢體運(yùn)動(dòng)的速度和范圍受到限制。生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用就是使用機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)打破受傷肢體的運(yùn)動(dòng)范圍。從現(xiàn)有文獻(xiàn)及臨床需要來(lái)看，今后上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究可能集中在以下幾個(gè)方面：1.康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.控制策略與運(yùn)動(dòng)模式的設(shè)計(jì)3.力反饋4.安全機(jī)制5.康復(fù)效果的評(píng)價(jià)機(jī)制相關(guān)研究課題舉例本上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人用于中風(fēng)偏癱患者的康復(fù)訓(xùn)練。采用穿戴式外骨骼設(shè)計(jì)，由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。該機(jī)器人既能直接準(zhǔn)確地模擬手臂的各種運(yùn)動(dòng)，又能利用患者的一側(cè)健康手臂自主運(yùn)動(dòng)信息直接驅(qū)動(dòng)患者另一側(cè)患肢作隨動(dòng)康復(fù)運(yùn)動(dòng)。步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人近年來(lái)減重步行訓(xùn)在

臨床上的應(yīng)用越開越廣泛．它

主要是用減重吊帶使患者步行時(shí)下肢負(fù)重減少，借助于運(yùn)動(dòng)

平板進(jìn)行步行能力訓(xùn)練。在訓(xùn)練時(shí)一般需要兩名治療師．一名

幫助患者腿擺動(dòng)、支撐期患足跟著地．防止支撐期膝過(guò)

伸。另一名幫助患者進(jìn)行身體重心轉(zhuǎn)移、髖伸展、骨盆旋轉(zhuǎn)，

并保持患者軀干的直立。自20世紀(jì)90年代初以來(lái)．國(guó)內(nèi)外

多家研究機(jī)構(gòu)利用