我國智能輔助器具科技創(chuàng)新的現(xiàn)狀與發(fā)展①

張曉玉

·專題·

我國智能輔助器具科技創(chuàng)新的現(xiàn)狀與發(fā)展①

張曉玉

本文介紹智能輔具的基本概念及我國研發(fā)的智能輔具，包括智能假肢、智能輪椅、智能移動輔具、智能家居與環(huán)境控制輔具、智能生活輔具、智能康復(fù)訓(xùn)練機器人。我國的智能輔具與國際發(fā)展前沿存在著較大的差距。

智能器具；現(xiàn)狀；趨勢

[本文著錄格式]張曉玉.我國智能輔助器具科技創(chuàng)新的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國康復(fù)理論與實踐,2013,19(5):401-403.

輔助器具(assistive devices或assistive products)簡稱輔具，是功能障礙人士，包括老年人、殘疾人、傷病人補償或改善功能，提高生存質(zhì)量，增強社會生活參與能力最直接有效的手段之一[1]。對于某些身體功能障礙，配置輔具甚至是唯一的康復(fù)手段。

1 智能輔具的概念

智能輔具(intelligent assistive devices)是采用人工智能(artificial intelligence,AI)原理，在輔具執(zhí)行系統(tǒng)中組合了必要模塊，使該輔具具有感知外界環(huán)境變化、分析判斷現(xiàn)實情況、操作其他組件、反饋操作結(jié)果的能力。它模仿人類感覺器官采集信息、大腦分析歸納整理信息、肢體服從大腦指令進(jìn)行行動的行為模式，使該輔具可以迅速感知環(huán)境變化，并且實時作出調(diào)整以適應(yīng)完成任務(wù)的要求[2]。

智能輔具概念的出現(xiàn)比較新。2011年2月科技部社會發(fā)展司在征集“十一五”社會發(fā)展領(lǐng)域十大科技成果時，將“智能型殘障人生活輔具的研發(fā)”列入。

2 我國智能輔具科技創(chuàng)新的現(xiàn)狀

目前智能輔具涵蓋智能假肢、智能輪椅、智能移動輔具、智能家居與環(huán)境控制輔具、智能生活輔具、智能康復(fù)訓(xùn)練機器人?！笆晃濉逼陂g，我國科技主管部門和行業(yè)主管部門積極推動智能輔具研發(fā)，科技部通過科技支撐計劃、“863”計劃等國家科技計劃支持了多個專門面向重度殘障者的重大科研項目，部分項目已取得了一批高水平的科研成果；若干智能生活輔具等標(biāo)志性新產(chǎn)品將陸續(xù)推向市場。這些成果為智能輔具產(chǎn)品的進(jìn)一步研究奠定了良好的基礎(chǔ)，有力推動了我國智能輔具事業(yè)的發(fā)展。

2.1 智能下肢假肢

智能假肢是將先進(jìn)的智能控制技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、機械設(shè)計與制造技術(shù)、新材料技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)工程和康復(fù)醫(yī)學(xué)工程技術(shù)融合在一起的高科技產(chǎn)品。

智能下肢假肢在假肢膝關(guān)節(jié)系統(tǒng)中組合了模仿人腦指揮身體器官行動的必要模塊，通過微處理器控制智能假肢膝關(guān)節(jié)液壓系統(tǒng)的阻尼變化來調(diào)節(jié)支撐期穩(wěn)定性和擺動期擺動速度，充分模仿了人類感覺器官采集信息，大腦分析歸納整理信息，肢體服從大腦指令進(jìn)行行動的行為模式，使膝關(guān)節(jié)可以迅速感知地面狀態(tài)、行走速度，并且實時作出調(diào)整以適應(yīng)路面狀況和行走要求。

我國于1994年就開始智能膝關(guān)節(jié)研究。2009年，河北工業(yè)大學(xué)、國家康復(fù)輔具研究中心和清華大學(xué)聯(lián)合研制成功國產(chǎn)智能假肢氣壓膝關(guān)節(jié)，采用了四連桿與氣壓缸的一體化設(shè)計，利用傳感器實現(xiàn)步態(tài)和步速識別；智能控制器能夠根據(jù)穿戴者的行走速度自動調(diào)整氣缸閥門開度，實時調(diào)整假肢的擺動速度。填補了國內(nèi)智能下肢假肢領(lǐng)域的空白。

2.2 智能輪椅

智能輪椅是將智能機器人技術(shù)應(yīng)用于電動輪椅。它融合了多種領(lǐng)域的研究，包括機器視覺、機器人導(dǎo)航和定位、模式識別、多傳感器融合及用戶接口等，也稱智能輪椅式移動機器人[3]。智能輪椅和傳統(tǒng)輪椅相比，多了“大腦”、“眼睛”和“耳朵”，它們分別是計算機控制系統(tǒng)、攝像頭和激光探測器，以及麥克風(fēng)。從某種程度上說，智能輪椅就是基于輪椅的康復(fù)機器人。

中國科學(xué)院研制的自動導(dǎo)航智能輪椅，是一種具有視覺和口令導(dǎo)航功能，并能與人進(jìn)行語音交互的智能輪椅。此項研究成果于2000年11月通過“863”智能機器人主題專家組的鑒定。他們還研制出我國第一臺多模態(tài)交互式智能輪椅樣機。

上海交通大學(xué)已開發(fā)成功一種聲控輪椅，主要為四肢全部喪失功能的殘疾人設(shè)計。使用者只需發(fā)出“開”、“前”、“后”、“左”、“右”、“快”、“慢”、“停”等指令，輪椅可在1.2 s內(nèi)識別指令的意思并完成指令給出的動作。

我國“十一五”規(guī)劃重點支持的服務(wù)機器人項目——助老助殘機器人系統(tǒng)、國家“863”計劃智能輪椅課題，已開發(fā)出中端輪椅，實現(xiàn)了差速驅(qū)動控制、平滑起停、穩(wěn)定行駛、實時避障停車功能；高端輪椅座位可以自由升降，靠背自由傾斜，床與輪椅實現(xiàn)了對接，方便乘坐人員自理上下床；能自動避障繞行，跌落、傾翻自動報警，還可對使用者健康狀態(tài)進(jìn)行實時檢測。

2.3 智能移動輔具

行走不便是困擾老年人和下肢功能障礙者正常生活的最嚴(yán)重問題。為幫助和改善各種下肢功能障礙人群的步行能力，智能移動輔具(I walker)已成為國內(nèi)外機器人與康復(fù)領(lǐng)域的研究熱點。能夠適應(yīng)行走環(huán)境的助行機器人和近幾年出現(xiàn)的下肢智能矯形器是智能移動輔具的主要產(chǎn)品[4]。

目前，開展外骨骼機器人研究的有浙江大學(xué)和中科院等學(xué)校和研究機構(gòu)。浙江大學(xué)設(shè)計的可穿戴式下肢外骨骼行走機器人，主要幫助腦卒中患者在室內(nèi)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，防止患者肌肉出現(xiàn)廢用性萎縮，部分恢復(fù)患者的行走功能。該機器人的驅(qū)動方式是利用伺服電機連接滾珠絲杠，把滾珠絲杠的直線運動轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)行走功能。該機器人采用三個旋轉(zhuǎn)運動副，并分別將其布置在外骨骼上人體下肢三個關(guān)節(jié)的相應(yīng)位置，用來模擬三個關(guān)節(jié)的運動；旋轉(zhuǎn)副采用銷軸的方式實現(xiàn)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計的下肢康復(fù)助行機構(gòu)，主要包括穿戴在身上的助行行走機構(gòu)和抬升機構(gòu)。通過這兩個裝置，使得患者能夠在無他人幫助的情況下，進(jìn)行功能鍛煉以恢復(fù)健康。

目前上海大學(xué)正在研制一種下肢步態(tài)矯形器。清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)、中科院合肥智能機械研究所等相關(guān)科研機構(gòu)，也正在開展外骨骼技術(shù)相關(guān)研究工作，在該領(lǐng)域也進(jìn)行了一些有益的探索[5]。

國產(chǎn)截癱患者行走訓(xùn)練系統(tǒng)由清華大學(xué)、國家康復(fù)輔具研究中心等聯(lián)合研制，該系統(tǒng)突破了關(guān)節(jié)反向驅(qū)動和腰部隨動機構(gòu)、運動軌跡規(guī)劃及髖膝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了根據(jù)患者身高自動生成步態(tài)軌跡的智能多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)，幫助截癱及其他下肢運動功能障礙患者進(jìn)行行走訓(xùn)練，恢復(fù)其行走功能。

2.4 智能環(huán)境控制輔具

智能環(huán)境控制輔具幫助重度殘障者控制家居中日用電器設(shè)備，可用于開門、開窗簾、撥電話、開電燈、電視等。系統(tǒng)的關(guān)鍵是提供一個利用殘障人尚有的功能與電器設(shè)備間的人機接口。所利用的功能往往是某一部位的動作，如某一手指的微動、眼球動作、聲音、吹氣等。人機接口由傳感器、處理電路和信號發(fā)送等部分組成，通過它們將人體動作轉(zhuǎn)變成電信號并與需操作的設(shè)備聯(lián)接[6]。基于腦-機界面的環(huán)境控制系統(tǒng)的研究正引起各國的重視[7]。

在上海世博會的滬上·生態(tài)家里，有一個叫做“靈靈”的家居監(jiān)控機器人。這臺造型可愛、會語音交互的機器人堪稱智能家居的“大管家”，能夠接受用戶通過手機、電話等方式發(fā)出的指令，不折不扣地完成任務(wù)。通過專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)視頻通信技術(shù)，家居監(jiān)控機器人實現(xiàn)了移動、監(jiān)控、保潔、控制家電于一體。機器人在家中，主人在公司或者外地，在外面的電腦上就可以看到家中的情況，看看老人、愛人、孩子的情況，可以和他們語音交流，控制機器人從臥室到客廳，一邊吸塵、一邊監(jiān)控，實現(xiàn)了移動監(jiān)控的功能，從而解決了固定網(wǎng)絡(luò)攝像機監(jiān)控不到的死角問題。它還可以實時錄像，實時監(jiān)控。當(dāng)機器人發(fā)現(xiàn)移動物體時，它會自動拍照，然后發(fā)到主人指定的郵箱，留下可靠、真實的證據(jù)。當(dāng)機器人沒電時，它會自動去找充電基座充電，所以不怕家里沒人。主人下班，可以提前把家中的空調(diào)、熱水器打開；出差了，看到家里電燈、電視沒關(guān)，隨時可以關(guān)閉。

2.5 智能生活輔具

智能生活輔具是個人生活自理和防護(hù)輔助器具(aids for personal care and protection)的簡稱，是指殘疾人由于某種功能障礙，不能完成某項或多項日常生活活動，為提高其自身能力，減輕由于功能障礙帶來的生活不便，使其能較省力、省時、高質(zhì)量地完成一些原來不能完成的日常生活活動，增加生活獨立性的輔具。

目前國內(nèi)外智能生活輔具包括智能飲食輔具、大小便智能護(hù)理輔具、智能護(hù)理床、智能環(huán)境控制系統(tǒng)和日常生活護(hù)理機器人等幾大類，相當(dāng)多的智能生活輔具產(chǎn)品已經(jīng)商品化，直接用于機構(gòu)或家庭中[8]。

2.5.1 大小便智能護(hù)理機 我國大小便護(hù)理輔具應(yīng)用的進(jìn)一步擴大，癱瘓患者自動護(hù)理擦洗機器人設(shè)備等智能洗浴輔具，將大大減輕整個社會的負(fù)擔(dān)，提高癱瘓患者的生活質(zhì)量。重度肢體障礙者大小便智能護(hù)理機應(yīng)用C語言技術(shù)的RTX嵌入式操作系統(tǒng)工作，被護(hù)理者穿上護(hù)理套裝后，智能護(hù)理機的感應(yīng)器能夠自動識別大小便的排泄?fàn)顩r，選擇相應(yīng)程序設(shè)定模式(帶手動操作)，自動進(jìn)行沖水抽取排泄物，水洗肛門、尿道口及附近部位，暖風(fēng)烘干身體等一系列人性化護(hù)理工作，并記錄排泄次數(shù)。

2.5.2 智能集尿器 2006年國家康復(fù)輔具研究中心、北京航天航空大學(xué)等單位組成產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)合體，開發(fā)了一種智能集尿器。裝有濕度傳感器的集尿接口和負(fù)壓氣泵均密封地與設(shè)有液位傳感器的桶蓋相連，裝在集尿接口上端的濕度傳感器測試到患者有尿液時，立即向智能控制電路發(fā)出信號，啟動負(fù)壓氣泵工作，自動幫助患者排尿，輸入儲液桶中；當(dāng)患者無尿液時，智能控制電路部件則發(fā)出電信號關(guān)閉負(fù)壓氣泵；當(dāng)儲液桶中的尿液高度達(dá)到預(yù)定值時，顯示屏上會提示人們及時清理。

2.6 智能護(hù)理床

目前國內(nèi)的智能化多功能護(hù)理床更類似于機器人。智能化多功能護(hù)理床的使用者可以通過語音、遙控器、觸摸屏等方式方便地控制智能化多功能護(hù)理床的運動，實現(xiàn)輔助抬背坐起、屈伸腿、左右翻身、平躺、輔助排便、人體生理參數(shù)檢測、呼叫報警等功能。智能化多功能護(hù)理床一側(cè)的觸摸液晶屏，不僅可以方便智能化多功能護(hù)理床使用者實現(xiàn)各種功能的操作，還可以實現(xiàn)無線上網(wǎng)、查資料、看新聞、聽音樂等休閑活動；設(shè)置定時服藥、定時鍛煉、定時收看節(jié)目、用餐時間提醒、起床叫醒等提醒服務(wù)，可稱得上是無微不至。智能化多功能護(hù)理床使用戶自主地照顧自己，附屬的娛樂設(shè)施也免除了殘疾人長期臥病在床的孤獨寂寞，是家庭護(hù)理的好幫手。

國產(chǎn)殘疾人專用生活起居床重點突破智能控制、人機交互、生理信息檢測、防壓瘡等關(guān)鍵技術(shù)，研制了3種具有不同功能、不同檔次的起居床。產(chǎn)品采用模塊化設(shè)計，即插即用。根據(jù)功能模塊的劃分，護(hù)理床應(yīng)具有五大功能，每種功能又可以根據(jù)需要增減。

2.7 日常生活護(hù)理機器人系統(tǒng)

當(dāng)前國際上已有日常生活護(hù)理機器人系統(tǒng)[9]。這一系統(tǒng)可在重殘人處于臥床、身體不能自由活動的情況下，通過設(shè)置在床邊的護(hù)理裝置(機器人部件)，對重殘人進(jìn)行飲食照料，包括從貯藏柜的擱板上拿取所需物品等服務(wù)。長期臥床而意識健全的重殘人，可在病房、家庭中使用這種機器人；在相應(yīng)機構(gòu)的配合下可實現(xiàn)的護(hù)理項目有體位變換、大小便的排泄、軀體移動、飲食料理、信息傳遞(通訊)、緊急逃離等[10-11]。

2011年5月，兩款護(hù)理機器人幾乎同時在南京和北京亮相。南京的護(hù)理機器人，服務(wù)對象是癱瘓等行動不便者，它最基本的功能就是代替護(hù)理人員，讓患者自己“照顧”自己?！爸灰颊哂幸恢皇挚梢曰顒?，就可以自己完成操作，按下按鈕就能獨立完成基本生活需求?！睋?jù)擁有這一護(hù)理機器人的康復(fù)之家工作人員介紹，這一護(hù)理機器人放平時和普通的床沒有太大區(qū)別，類似于病房里的病床；旁邊的護(hù)欄可以隨意調(diào)節(jié)高度。患者躺在床上睡累了，按一下按鈕，床就立即成了躺椅；想起來吃飯、看報紙，再按一下，又變成了靠背椅；想上廁所了，按一下，屁股下方可以活動的橢圓形擋板會自動消失，便盆緊隨其后補上[12]。

2011年5月18日，一款醫(yī)療護(hù)理機器人在北京中國國際展覽中心舉辦的“第十四屆中國北京國際科技產(chǎn)業(yè)博覽會”上與觀眾見面。該機器人能與病患老人進(jìn)行語言交流、咨詢、視頻播放和進(jìn)行簡單的護(hù)理服務(wù)。

2.8 智能康復(fù)機器人

康復(fù)機器人是近年來發(fā)展起來的一種新的運動神經(jīng)康復(fù)治療技術(shù)；作為醫(yī)療機器人的一個重要分支，它已經(jīng)成為國際機器人領(lǐng)域的一個研究熱點。機器人不僅提供有效的治療和評價手段，而且為深入研究人體運動康復(fù)規(guī)律以及大腦與肢體的控制與影響關(guān)系提供了另一種途徑；使用機器人輔助治療提高了效率和訓(xùn)練強度，是較常規(guī)治療手段更具發(fā)展?jié)摿Φ目祻?fù)手段。國外研究機構(gòu)和眾多康復(fù)機構(gòu)紛紛投入重金對神經(jīng)康復(fù)機器人進(jìn)行開發(fā)和產(chǎn)品化的工作。機器人輔助神經(jīng)康復(fù)和運動訓(xùn)練控制已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)康復(fù)技術(shù)的主要發(fā)展方向和熱點。

浙江大學(xué)流體傳動與控制國家重點實驗室從20世紀(jì)90年代開始致力于人機一體化理論研究，并逐步衍生出人機智能柔性外骨骼技術(shù)研究，研制的上肢柔性外骨骼控制系統(tǒng)實際上是一種智能型上肢矯形器[13]。

所謂“外骨骼”，就是一種可穿戴的、人工智能的仿生設(shè)備，最初主要為軍事用途而研發(fā)，可以在戰(zhàn)場上增強士兵的力量和耐力。在醫(yī)學(xué)上，研究者們正在研究外骨骼的另一種用途，即幫助那些肢體傷殘人士。在健康領(lǐng)域，外骨骼不僅僅是向截癱患者提供機械腿，它能以自然步態(tài)幫助截癱患者擺脫輪椅，自由行走；它還可以教他們?nèi)绾螌W(xué)習(xí)再次行走[14]。

3 未來我國智能輔具的發(fā)展

3.1 智能輔具的發(fā)展趨勢

近年來，國際智能輔具領(lǐng)域的科技創(chuàng)新高度活躍，信息、網(wǎng)絡(luò)、微電子、生物材料、精密加工等各類先進(jìn)技術(shù)和創(chuàng)新成果與智能輔具領(lǐng)域的滲透和融合日益加快，發(fā)達(dá)國家形成了在原創(chuàng)能力和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面的強勢地位。

智能輔具成為全球產(chǎn)業(yè)競爭的焦點領(lǐng)域。我國智能輔具面臨艱巨挑戰(zhàn)：我國企業(yè)的經(jīng)營規(guī)模偏小，產(chǎn)業(yè)競爭實力整體不足，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，產(chǎn)業(yè)鏈條不完整，產(chǎn)業(yè)規(guī)模、品牌和整體競爭力弱，產(chǎn)品研發(fā)水平相對較低，產(chǎn)品綜合性能和可靠性還有一定差距，部分高端智能輔具核心技術(shù)和關(guān)鍵部件還不能掌握，難以與國外企業(yè)抗衡，在產(chǎn)業(yè)競爭中處于不利地位。

3.2 我國智能輔具發(fā)展方針

發(fā)展康復(fù)事業(yè)，服務(wù)殘障者，是社會進(jìn)步以及落實“以人為本”的科學(xué)發(fā)展觀的直接體現(xiàn)，同時也是我國民生科技的一個重要組成部分。我國的輔具產(chǎn)業(yè)在未來十幾年之內(nèi)，無論是產(chǎn)品的品種、數(shù)量，還是技術(shù)的先進(jìn)性，都將達(dá)到前所未有的高度。

“十二五”期間，我國智能輔具在“自主創(chuàng)新，重點跨越，支撐發(fā)展，引領(lǐng)未來”總的國家戰(zhàn)略指導(dǎo)下，將緊密結(jié)合智能輔具領(lǐng)域技術(shù)突破、產(chǎn)品創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)用普及的需要，貫徹“系統(tǒng)布局，整體推進(jìn)、突出重點、力求突破”的方針。系統(tǒng)分析梳理智能輔具的臨床需求和產(chǎn)業(yè)需求，加強計劃集成；通過創(chuàng)新聯(lián)盟、基地平臺，項目支持、政策扶持，整體推進(jìn)智能輔具產(chǎn)業(yè)發(fā)展；綜合考慮臨床需求、產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)發(fā)展趨勢，確定布局重點，突出原創(chuàng)優(yōu)勢；對重點領(lǐng)域、重點產(chǎn)品和重點技術(shù)進(jìn)行重點規(guī)劃，力求形成突破。

3.3 我國智能輔具戰(zhàn)略研究規(guī)劃

國家“十二五科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”在“加快人口健康科技發(fā)展，提升全民健康保障能力”項目下，明確提出針對老年人群、殘障人群，加強生活保障輔具的開發(fā)。這是在國家科技規(guī)劃中，首次將輔具納入。

圍繞我國“人人享有康復(fù)”的需求，根據(jù)普惠化、智能化、個性化等發(fā)展趨勢，研究結(jié)構(gòu)替代、功能代償、技能訓(xùn)練、環(huán)境改造技術(shù)產(chǎn)品，重點研發(fā)智能視聽及言語功能代償輔具(人工視覺、人工喉、人工耳蝸)、新型假肢(智能假肢、肌電及神經(jīng)控制假肢)、智能生活輔助系統(tǒng)(智能助行裝置、視聽輔助裝置等)、老年人認(rèn)知功能訓(xùn)練系統(tǒng)、腦卒中及運動功能缺失智能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)、基于神經(jīng)信號的智能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)等產(chǎn)品，提升我國智能康復(fù)產(chǎn)品的總體水平。

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Invention of Intelligent Assistive Devices in China:Today and Future

ZHANG Xiɑo-yu.Nɑtionɑl Reseɑrch Centre for Rehɑbilitɑtion Technicɑl Aids,Beijing 100176,Chinɑ

This paper introduced the concepts of intelligent assistive devices,and their development in China,including the intelligent prosthetics,wheelchairs,mobility assistive device,intelligent home and environment control,living assistion,and rehabilitation training robot.There is a large gap in both intelligent assistive produces and services,and the technology is far away from the international advance.

intelligent assistive devices;status;tendency

R496

C

1006-9771(2013)05-0401-03

2012-11-13

2012-12-04)

國家科技支撐計劃(No.2009BAI71B00)。

國家康復(fù)輔具研究中心，北京市100176。作者簡介：張曉玉(1949-)，男，湖北老河口市人，教授，主要研究方向：康復(fù)工程、輔助器具。

10.3969/j.issn.1006-9771.2013.05.001