東南大學宋愛國：運動康復機器人技術的研究與進展丨CCF-GAIR 2019

編者按：7月12日-7月14日，2019第四屆全球人工智能與機器人峰會（CCF-GAIR 2019）于深圳正式召開。峰會由中國計算機學會（CCF）主辦，雷鋒網、香港中文大學（深圳）承辦，深圳市人工智能與機器人研究院協辦，得到了深圳市政府的大力指導，是國內人工智能和機器人學術界、工業界及投資界三大領域的頂級交流博覽盛會，旨在打造國內人工智能領域極具實力的跨界交流合作平臺。

7月13日，東南大學儀器科學與工程學院的院長、生物電子學國家重點實驗室副主任宋愛國發表了主題為《肢體運動康復機器人技術研究與進展》的演講。

宋愛國教授長期從事機器人傳感、控制與遙操作技術、空間機器人技術、助老助殘康復機器人技術的研究，他也編寫了5項特種機器人國家標準。

宋愛國教授的團隊重點開展力反饋遙操作機器人技術研究，2001年開始面向醫療領域開展醫療機器人的研究，2003年與美國西北大學進行科研合作，將力反饋遙操作機器人技術用于中風病人的康復醫療領域，進行康復機器人技術的研究。

在演講中，宋教授論述了康復機器人產生的背景，“在上一世紀90年代之前，由于康復醫學還沒有發現人的大腦具有可塑性，當時的康復機器人以康復護理機器人為主。一直到上世紀90年代中后期，由于康復醫學理論的發展，康復機器人技術研究重點從康復護理機器人轉向康復訓練機器人。”

而且，結合我國的實際情況，宋教授提出將網絡技術、信息技術和康復機器人相結合，研究遠程康復機器人技術，使患者能夠在社區醫院、養老院或家庭通過訓練師的遠程控制機器人進行自助式康復訓練。“研制試驗過程中康復醫生曾提出遠程康復機器人采用一對一訓練方式，雖然減輕了患者的負擔，但是醫生的效率沒有提高，所以希望讓一個康復訓練師同時遠程控制兩到三臺機器人，幫助兩到三個病人進行康復訓練。”

因此，東南大學牽頭聯合中科院合肥智能機械研究所、華中科大、錢璟康復股份有限公司等承擔了國家863重點項目:“網絡化一對多遠程助老助殘康復機器人研究”。

康復機器人的發展有4項關鍵的技術：（1）適應于人的機構設計、（2）力反饋技術、（3）安全控制技術、（4）定量評估技術。圍繞這些技術難點，宋教授也分享了自己團隊的最新研究進展。

以下為宋愛國教授的現場演講內容，雷鋒網作了不改變原意的編輯及整理：  

宋愛國：非常高興有這個機會和大家做一個交流，我的題目是《運動康復機器人技術的研究與進展》，主要分三個方面介紹。

大家知道康復機器人是本世紀初發展起來的，有著多重背景。

首先是老齡化的背景，中國已經進入到深度老齡化階段，老年人群里的中風病人非常多。另外現在交通事故也很多，所以我們需要發展康復機器人。

以前的中風病人經搶救后多數會有偏癱，他們出院回家后基本就在家里躺著，家里人把他服侍得很好，實際上服侍得越好，對他越沒有幫助，應該進行康復訓練，幫助他慢慢恢復運動功能。

在上世紀90年代，神經康復醫學的發展發現大腦是具有可塑性的，人的運動神經可以進行重構，通過不斷地訓練能夠恢復大部分的運動功能。下圖為康復訓練前后的比較，這個偏癱病人基本上不能走，只能靠墻站立，訓練一個月后，她就可以自己走了，再經過一個月的訓練，她就能夠扔掉拐杖了。

我國政府對康復機器人的發展也非常重視，早在2002年，我們國家就提出了“人人享有康復服務”的戰略目標，2015年國務院又發布了《加快推進殘疾人小康進程的意見》。

在1990年之前，由于康復醫學還沒有發現大腦的可塑性，當時的康復機器人以康復護理機器人為主，希望機器人把中風病人或偏癱病人服侍好，實現自動喂飯、喂水。到上世紀90年代后期，康復機器人的發展從康復護理機器人轉向康復訓練機器人。

這是一些代表性的康復機器人，MIT的Hogan教授做的MIT-MANUS，但是它只是平面的，后來增加了手腕的動作。這是第一個真正進入臨床應用的康復機器人。

2000年左右，美國斯坦福大學、美國加州大學都研制了一些康復機器人，這些都是非常有代表性的康復訓練機器人。

這是瑞士蘇黎士聯邦理工大學研制的上肢康復機器人，他們的研究非常出色，特別是在臨床實驗、產品的研發以及與企業的合作方面做得很好。這一款Armin1，在上肢訓練中的性能是非常突出的。

這是下肢康復機器人，其中最具代表性的是日本的下肢康復機器人。一方面它作為助行、助力用，另一方面它也作為康復訓練用。

這是蘇黎士聯邦理工大學研制的下肢康復訓練機器人Lokomat，價格將近400萬。國內有幾家醫院購買了這個設備，大家可以看到它的減重裝置和下肢主被動訓練情況。

大家可以看到人工訓練很費勁，需要兩個人推著病人的腿挪動，如果用Lokomat機器人進行訓練就非常輕松，這個機器人能夠有效提高康復訓練過程的效率。

這是另外一個病人訓練的情況，他已經可以站立了，但是在這種情況下人工訓練也是很費勁的，如果用下肢康復機器人Lokomat訓練就很輕松，醫生更輕松。

國內的研究比國外要晚一些，國內最早的研究是2000年左右，當時是清華大學開展了一些研究，但是國內各個科技計劃都沒有對康復機器人進行立項資助，一直到2005年我國的863計劃開始制訂服務機器人規劃。

非常榮幸，科技部當時讓我負責助老助殘機器人規劃的編寫工作，因為我們課題組從2003年開始研究康復機器人技術，因此在2005-2006年的863服務機器人規劃制訂中，我就加了康復機器人的研究內容，并起草了康復機器人研究發展規劃，后來這個規劃得到了科技部批復，并在863計劃機器人技術主題正式立項資助。

中科院也將康復機器人列入機器人技術的重點發展計劃，所以從2006年以后康復機器人研究就在國內開始得到各類科技計劃的經費資助，2010年以后康復機器人開始被學術界、醫學界和產業界普遍重視。

目前我國開展康復機器人研究的高校眾多，而且研發的企業也很多。10年前只有十幾家公司在作研發，現在從事康復機器人研發和生產的企業有200多家。

但是我國的康復機器人研究存在著醫工結合不緊密的問題，特別是企業、高校和醫院的結合不緊密。

我認為康復機器人有這么幾個關鍵技術：

第一個是適應人的機構設計，因為它畢竟是進行人體運動康復訓練的。例如人的肩關節有三個自由度非常復雜，你的機構怎么適應肩關節運動，瑞士蘇黎士聯邦理工大學的康復機器人裝置就很好地解決了這個問題。

第二個是力反饋技術，在康復機器人當中，它有一個非常重要的點就是力反饋，我們一般要求它要有一個反向驅動能力，但是現在很多康復機器人沒有這個反向驅動能力，這就導致只能被動訓練，無法主動訓練。比如說外骨骼機器人，它是鎖死的，它沒有反向驅動能力，用于助行就容易出事。

第三個是安全控制，安全是最重要的，康復機器人是進行康復訓練的醫療設備。但是如果控制不安全，就很可能造成訓練損傷，這種事情近幾年已經發生了很多起。

第四個是定量評估技術，患者失能狀態、康復的效果如何，如何進行定量評價，這方面還是非常欠缺的，目前缺乏一套定量科學的評估技術。

下面簡要介紹我們所做的一些工作。我們機器人研究所原來是開展力反饋遙操作機器人、力觸覺傳感與控制技術的研究，從2003年開始和美國西北大學合作，并將力反饋遙操作機器人應用于康復醫療領域。

現在我國的老齡化越來越嚴重，康復訓練師很少，但運動障礙人群很多。所以我們當時提出，面向我國的實際情況，將網絡技術、信息技術和康復機器人相結合，研究遠程康復機器人，實現社區醫院、養老院或家庭自助式康復訓練。

所以康復機器人本體機構盡量要進行輕便化設計，甚至是可穿戴的，然后要把飛速發展的網絡技術融合進來。

我們在2003年開始研究了面向家庭和社區醫院的遠程化康復機器人技術，當時以上肢康復機器人為主，病人在醫院主要做被動訓練，被動訓練階段結束后病人回到家中或養老院，就以遠程化的主動訓練為主。

訓練過程還是非常枯燥的，按照康復醫學的理論，病人越投入、越積極，恢復得就越快，因為它畢竟是一種運動神經系統的恢復，所以我們也編了很多的游戲配合康復機器人。

我們2006-2007年在中大醫院做了一年半的康復機器人臨床試驗。當時主要是驗證我們研發的桌面式遠程康復機器人是否可行，在這一年半的臨床試驗中，大概進行了100多例試驗，我們發現虛擬游戲非常重要。康復游戲跟康復機器人相結合，才能使得病人能夠積極有效地進行康復訓練。

這套系統我們后來跟錢璟公司合作，進行了一些產業化工作。我們研究了這種桌面式康復機器人，主要是面向社區醫院和福利院。

在當時的試驗中，醫生希望可以遠程控制兩到三臺機器人，讓這兩到三臺機器人幫助病人進行康復訓練，從而提高康復訓練師的效率。

所以，2006年我們就向科技部寫了一個建議指南，研究一對多的康復機器人，針對老年人居家康復或在養老院的康復訓練。2007年這項建議被863計劃列為重點項目，我們聯合多家單位開始研究一對多的康復機器人。

我們當時按照一個康復訓練師遠程控制三個不同的康復機器人的思路開展研究，醫生可以在康復中心通過網絡對三臺位于不同養老院的康復機器人進行遠程設置和控制，三臺康復機器人有上肢的，也有下肢的。

這是遠程康復機器人的網絡體系結構。在這個過程中，要對病人的生理信息進行監測，及時地反饋到病人端。這一點非常重要，我們知道病人中風往往是高血壓引起的，在訓練過程中，我們在前面還進行情緒的判斷，先由醫生跟他進行交流，看他情緒是否合適訓練。此外對患者的血壓、脈搏、血氧、心率的監測都是非常重要的。一方面機器人本身有識別能力，另一方面，醫生也可以遠程進行判斷。比如說機器人端，它如果覺得病人的血壓偏高了，它馬上就會終止這個訓練過程。如果醫生發現患者的情緒過于高漲，它也會終止這個過程。

這是我們研發的醫生端的界面，醫生端的界面包含病人的歷史記錄，病人前面的所有歷史情況，以及癱瘓等級，全部可以通過歷史記錄看到。這個界面上，一個醫生能夠監控到三個病人以及三臺機器人。

這是實際應用中的界面情況，底下是每個病人的生理信息，以及機器人的運動狀況。在病人端的界面，可以跟醫生進行視頻對話。

另外，我為這個機器人開發了很多游戲。因為在臨床當中，我們也發現機器人如果完全像一個機械手一樣，病人是害怕的，所以我們把它設計得像一個游戲機，不像機器人，實際上它本質還是一個機器人。

這是它的電路，其中有一個很重要的執行器。我剛才講到，為什么說力反饋技術在這里面很重要呢？在主被動訓練里面，你要產生一個大的力反饋，要獲得大的力反饋，往往電機就要減速，但是它一減速，就沒有反向驅動的功能。

所以我們在這里設計了一種新穎的磁流變執行電機，非常小的體積可以輸出非常大的反向作用力。

這是一個下肢康復機器人，這是由中科院合肥智能研究所研制的下肢三關節康復機器人，包括髖關節、膝關節、踝關節。

這是我們設計的磁流變電機，可以產生安全可靠的力反饋。

這是整個系統的構成。

后面我們還做了很多臨床試驗，我們在中大醫院和同仁醫院做了100多例病例。這是做被動訓練的前期，剛開始病人的手是不能運動的，因為處于完全偏癱狀態，在四周以后，機器人帶動他運動的速度、范圍都擴大了。

這是一個主動訓練，病人已經開始可以做主動的訓練。剛開始他的主動訓練的力量和幅度都非常非常小，需要進行助力的訓練。這是經過四周的訓練，他的主動運動的范圍都比原來顯著提高了，當然他還要訓練，這個病人在醫院一共待了4個多月才回家。

這是我們的主被動訓練數據，最右邊這個是健康受試者的數據，和前面的患者情況進行比較，這個曲線比較復雜，我們后面用一個柱狀圖來表示。在這個圖當中，最右邊這個是正常人的，黑色部分是訓練以后的情況，最左邊是訓練前的情況。可以看到通過四周的康復訓練，他的運動范圍、活動能力，不管是被動訓練還是主動訓練，都明顯提高，當然離正常人還有一段距離。

這是主動訓練時的運動軌跡，反映了他的協調能力，底下這個圖是運動的偏差，偏差越小，說明協調能力越好，最右邊是正常人的情況，最左邊那一條是剛剛訓練的情況，剛開始訓練的時候誤差很大。通過訓練以后，誤差偏小了，說明他的運動協調能力得到了增強。

我們這一套一對三的遠程康復機器人，按照科技部的要求，分別在北京四季青養老院和上海社會福利院進行示范應用。

這是在北京四季青養老院進行示范應用的小視頻，主要是針對老年人進行主動訓練的情況。康復訓練游戲確實是很有效，每個老年人在上面一般就是訓練半個小時，但是好多老年人在上面訓練就不愿停止了，包括那里面還有抗美援朝的飛行員，已經80多歲了，他就希望我們再開發一些駕駛飛機的游戲，后面我們也開發并安裝到康復機器人系統上了。

這是我們這幾年開發的桌面式上肢康復機器人。這套系統正在華山醫院做一些臨床實驗，我們編寫了很多的康復游戲。

這是我們目前承擔的一個國家重點研發項目，在遠程康復、面向居家的康復、養老院的康復，醫生最關心的就是安全性問題。因為康復訓練師不在你身邊，是通過網絡遠程聯系的，所以安全性非常重要。

我們在這個重點研發項目里面，提出利用柔索結構實現主被動的康復訓練。柔索的結構往往體積都非常大，電機和柔索放在一塊，所以在我們這里設計了一種新的結構，把電機和柔索分開，我們這里仍然用到了磁流變的執行器，因為它可以產生0.5牛米甚至1牛米的力。

目前，它可以對上肢（肩關節、肘關節、腕關節）進行主被動的訓練，從關節的覆蓋來講，它基本上把人的關節運動范圍全部覆蓋到了。

我們和常州錢璟公司合作，開發具有力反饋的情景交互式的康復機器人。這是他們自己研發的一個機器人本體，在這個機器人本體上，我們把我們的人機交互技術應用到里面，使得它能夠進行力反饋的情景交互。

在這里面，我們開發了4款交互式康復訓練游戲，能夠跟蹤病人腿部的運動，讓病人在力反饋的虛擬環境中進行康復的訓練。

最后再簡要講一下我們制訂的康復機器人標準的情況。這個標準目前還沒批下來，我就簡單介紹一下。這是前幾年我們負責的《運動康復訓練機器人通用技術條件》國家標準。去年12月底遞交了最終稿，正在等待審批。

這個標準主要適用于在康復醫師、康復治療師和專業護理人員的指導下，通過運動方式輔助受訓者進行肢體康復訓練的機器人。

它主要規定了運動康復訓練機器人的術語和定義、分類、產品型號組成、基本結構、功能要求、性能與運行參數要求、安全、試驗方法、檢驗規則、標志、使用說明書、包裝、運輸及存儲等的要求。

謝謝，我的報告到此結束。雷鋒網

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