康復機器人研發(fā)中的哲學思維

夏金鳳 ，韋建軍 ，王春寶 ，，3，劉銓權(quán) ，段麗紅

（1.廣西科技大學機械工程學院，廣西 柳州 545006；2.深圳市老年醫(yī)學研究所，廣東 深圳 518035；3.華南理工大學，廣東 廣州，510641）

0 引言

哲學是關(guān)于世界觀的學問，是系統(tǒng)化、理論化的世界觀和方法論，是自然知識、社會知識、思維知識的概括和總結(jié)，是人類正確認知世界的武器?？祻蜋C器人是基于運動仿生學原理，采用醫(yī)工結(jié)合的研發(fā)方法，融合機器人工學、電子信息、控制工程、人工智能、康復醫(yī)學、運動醫(yī)學等學科為一體。康復機器人的研發(fā)技術(shù)也成為多學科交叉融合的一門技術(shù)。從哲學角度來講來看，康復機器人既是有形的物質(zhì)同時也是無形的精神。因此，康復機器人的設計既涉及到康復機器人實體，又涉及到“概念”這種無定型的精神的東西?？祻蜋C器人的設計既涉及到如何根據(jù)已知模型，又牽涉到如何根據(jù)已知模型進行物理結(jié)構(gòu)設計，進一步構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型，直至加工成為人工自然物的“物質(zhì)變精神，精神變物質(zhì)”的哲理[1]。智能康復機器人作為康復工程、機械工程和控制工程的融合體，哲學在其研發(fā)、應用過程中起到極其重要的作用。

1 哲學思維在康復機器人研發(fā)及應用中的特點

哲學思維所具有的最突出、最明顯也是最重要的特性，是它高度自覺的抽象性、批判性、反思性。這三大特性表現(xiàn)于哲學觀察任何對象的視角和層次之中，也表現(xiàn)于哲學思考所使用的概念形式、哲學推理所追求的邏輯走向等等之中[2]。

康復機器人設計具有哲學思維的抽象性。抽象是認識感性階段向理性階段飛躍的決定性環(huán)節(jié)[3]，設計者通過對康復機器人的抽象環(huán)節(jié)進行深入的認知活動，將康復機器人中諸因素變化、作用情況清晰后再綜合分析，清楚諸因素之間的主次、交互影響，看其定性定量變化的作用，從而抓住并揭示出其內(nèi)在變化的規(guī)律，才能設計出更符合康復需求的產(chǎn)品。在康復機器人設計過程中，首先需要對人體結(jié)構(gòu)進行分析，建立人體生理模型。在進行模型分析時，將腕指關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等，這些關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)化為工程上所需的結(jié)構(gòu)簡圖，把關(guān)節(jié)運動轉(zhuǎn)化為工程上的運動。

康復機器人設計具有哲學思維的批判性，對康復機器人分析和評價需要做到清楚、準確、相關(guān)、有深度，并具有嚴格的邏輯性。在此基礎上還要有嚴格的推理，這種推理具有合理的框架，推理過程具有明確的目的性[4]?？祻蜋C器人設計過程中使用到的數(shù)據(jù)都必須得到相應的解釋，概念必須清楚，并將概念的內(nèi)涵和外延都表述清楚。批判性思維可以讓我們清晰的認識同類設計，只有對康復機器人有清晰的認識才能在同類產(chǎn)品中創(chuàng)新。機械設計是一個具有創(chuàng)新意識的過程，在明確的功能需求下，就要有嚴格的邏輯思維去分析已有產(chǎn)品，然后設計出滿足需求的結(jié)構(gòu)。

康復機器人設計具有哲學思維的反思性，反思不僅僅是“回憶”或“回顧”已有的心理活動，而且要找到其中的“問題”以及“答案”。也就是設計者在康復機器人設計過程中考察自己活動的經(jīng)歷中探究其中的問題和答案，重構(gòu)自己的理解，激活個人的智慧，并在活動所涉及的各個方面的相互作用下，產(chǎn)生超越已有信息以外的信息?？祻蜋C器人設計中反思性學習的靈魂是“提出問題→探究問題→解決問題”?？祻蜋C器人設計不是一次性就可以完成的，需要反復循環(huán)驗證。

2 智能康復機器人的研發(fā)思路

因果關(guān)系是事物間相互關(guān)系的一種，是由先發(fā)生的現(xiàn)象必然引起后續(xù)現(xiàn)象的一種本質(zhì)的聯(lián)系[5]?？茖W是隨著研究方法所獲得的成就而前進的，研究方法每前進一步，我們就提高一步，隨著我們面前就開拓了一個充滿種種新鮮事的更遼闊的遠景，因此，研究方法對康復機器人設計有重要作用。傳統(tǒng)康復訓練中，每位患者必須配備專業(yè)的康復治療師以進行針對性的康復訓練。這種方式不僅康復周期長，治療師負擔重，而且康復效果受到康復治療師能力水平限制。為解決這一問題，國內(nèi)外許多科研機構(gòu)提出用機器人代替康復治療師的基本操作。這樣不僅減輕了康復治療師的工作強度，而且為患者提供穩(wěn)定的，更具有針對性的康復訓練平臺?，F(xiàn)有康復機器人缺乏客觀的訓練與評價體系。其患者康復狀態(tài)及訓練參數(shù)調(diào)整需依靠康復治療師的主觀判斷，無法實現(xiàn)康復過程的客觀評價與針對性的自動調(diào)整。與此同時，需要歸納總結(jié)，從已有的康復機器人中去尋找規(guī)律，需要大量的查詢國內(nèi)外相關(guān)參考文獻或產(chǎn)品。站在前人的基礎上去發(fā)現(xiàn)問題然后解決問題，這樣才能使設計出的康復機器人滿足康復需求。

康復機器人的研發(fā)思路采用循環(huán)研究的方法，主要步驟可以分為分析建?！C合開發(fā)→臨床驗證，并通過循環(huán)研究最終完成康復機器人的開發(fā)。如下圖1所示即為康復機器人的研發(fā)思路。

圖1 康復機器人的研發(fā)思路

3 康復機器人研發(fā)思路的應用

健康的人體可以分為上肢、腰部、下肢、踝關(guān)節(jié)等重要部分，人體的健康不能脫離其各部位的健康而存在，沒有各關(guān)節(jié)的康復就不能有人的健康；各部位的健全是人體健康的重要環(huán)節(jié)。事物的整體及其各個部分都處于不斷運動變化中，并且受到環(huán)境改變的制約。部分與整體之間的關(guān)系不是靜態(tài)的，而是動態(tài)的。整體和部分的范疇有重要的認識論意義。在研究過程中，人們首先要了解患者身體，繼而分析研究其病患部位，并在這個基礎上綜合地、具體地研究康復機器人。本文通過本課題組已研發(fā)的康復機器人來舉例說明。根據(jù)人體重要組成部分，完成了踝關(guān)節(jié)康復機器人[6-10]、指腕關(guān)節(jié)康復機器人[10]、上肢功能康復機器人[11]和軀干運動協(xié)調(diào)康復機器人[12]。應用仿生原理開發(fā)面向單關(guān)節(jié)與運動協(xié)調(diào)的智能康復機器人如圖2所示。各個康復機器人單元均遵循康復需求分析→生理特征模型化→康復手法仿生構(gòu)型→康復機器人開發(fā)的流程，模擬治療師進行康復訓練的操作手法。

圖2 智能康復治療師仿生機器人系統(tǒng)圖

3.1 臨床康復訓練與治療師手法仿生的需求分析

康復機器人設計來源于需要，臨床康復訓練與治療師手法仿生的需求是設計的動力和泉源?？祻陀柧毞诸惻c治療師手法仿生需求分析如圖3所示，依據(jù)患者康復進程，患者的康復訓練主要可以分為面向偏癱的恢復早期、以神經(jīng)促通為目標的單一功能訓練，以及以患者生活重建為目標的運動協(xié)調(diào)性訓練。臨床早期康復訓練過程中，通過利用健患側(cè)協(xié)同動作及聯(lián)合反應，重復刺激等輔助訓練，防止患者肌肉萎縮，促進神經(jīng)通道通暢。臨床中后期康復訓練過程中，通過在治療時的引導下，利用反復練習，完成多關(guān)節(jié)運動協(xié)調(diào)訓練，為患者重新獲得正常的生活技能提供堅實基礎。由于治療師的康復手法存在差異，因而，為了獲得臨床經(jīng)驗豐富的康復治療師的操作手法，開發(fā)治療師康復手法仿生的康復機器人，改善康復治療師需求的困境，實現(xiàn)患者的精準康復治療。

圖3 康復訓練分類與治療師手法仿生需求分析

3.2 生理特征模型化

我們對人體的了解是在研究和分析的基礎上，由感性的人體功能結(jié)構(gòu)上升為理性的機械原理，進而把各種機械原理的規(guī)定通過更深刻的加工，達到具體的再生產(chǎn)，由理性的機械原理上升到理性的人體簡化模型，從而獲得內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)的過程。傳統(tǒng)的偏癱患者康復訓練中，單一患者往往需要一個或者多個治療協(xié)助，造成醫(yī)療資源緊張，同時，治療師臨床經(jīng)驗的差異導致康復治療效果不同。為了減少治療師臨床經(jīng)驗對康復治療的影響，將結(jié)合患者康復部位的生理特征與治療師的康復手法，提取構(gòu)建訓練手法的關(guān)鍵參數(shù)。為了獲取康復治療師的操作手法，需要采用工學的方法描述受損肢體的生理機構(gòu)特征，構(gòu)建描述患者肢體生理結(jié)構(gòu)機構(gòu)件圖。邀請具有豐富臨床實驗的康復治療師對各種康復對象如圖4所示，治療師康復手法特征量化提取方法的。

圖4 治療師康復手法特征量化提取方法

3.3 康復手法仿生構(gòu)型

根據(jù)患者康復需求，分類歸納患者訓練內(nèi)容-治療師康復手法的數(shù)據(jù)樣本，通過數(shù)據(jù)挖掘，提取出康復訓練過程中反映患者肢體的運動信息，與康復治療師操作手法的關(guān)鍵參數(shù)，構(gòu)建患者肢體運動康復訓練（Patient Limbs）與康復師操作手法（Physiotherapist Skill）的PLPS映射模型?？祻褪址ㄔ佻F(xiàn)的PLPS模型如圖5所示。

圖5 康復手法再現(xiàn)PLPS模型構(gòu)建

4 總結(jié)

隨著科技及社會進步，康復機器人的需求將越來越大，其研發(fā)與應用將成為一個技術(shù)熱點。作者從事的康復機器人研發(fā)應用實踐表明，基于哲學理念總結(jié)的康復機器人研發(fā)思路與方法可以開發(fā)出更加符合康復病人需要、更加人性化、智能化、滿足人機工程學原理的康復機器人產(chǎn)品。