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      福祉機(jī)器人基礎(chǔ)研究與系統(tǒng)開發(fā)及展望

      2024-01-01 00:00:00王碩玉楊俊友
      關(guān)鍵詞:福祉步行輔助

      摘 要:以沈陽工業(yè)大學(xué)中日福祉機(jī)器人研究中心科技成果為主線,指出福祉機(jī)器人領(lǐng)域中某些觀念誤區(qū)、基礎(chǔ)研究的重要性及推廣應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸。提出福祉機(jī)器人的簡明定義,從系統(tǒng)構(gòu)成角度闡明福祉機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人的本質(zhì)區(qū)別,并以自主研發(fā)的機(jī)能康復(fù)機(jī)器人、部分失能者自立生活輔助機(jī)器人、完全失能者護(hù)理機(jī)器人等為例,通俗地論述了其社會(huì)背景、基本研究理念、具體研究內(nèi)容及難點(diǎn)、取得的創(chuàng)新性成果及正在攻關(guān)的挑戰(zhàn)性課題。對(duì)福祉機(jī)器人新興領(lǐng)域的科研機(jī)遇、人才需求、市場規(guī)模及就業(yè)前景等進(jìn)行了展望。

      關(guān) 鍵 詞:福祉機(jī)器人;康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人;生活輔助機(jī)器人;護(hù)理機(jī)器人;智能;系統(tǒng)開發(fā)

      中圖分類號(hào):TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1000-1646(2024)05-0514-12

      在世界規(guī)模的老齡化社會(huì)中,如果社會(huì)福祉(健康、醫(yī)療、輔助及護(hù)理等)得到普及提高,老年人就能后顧無憂地享受幸福生活。為了增進(jìn)人民福祉、延長健康壽命、實(shí)現(xiàn)全民幸福型社會(huì),很多國家實(shí)施了相應(yīng)的戰(zhàn)略對(duì)策。其中,機(jī)器人研究者研發(fā)了多種福祉機(jī)器人,但由于福祉機(jī)器人的特殊性及開發(fā)難度大,其研發(fā)尚處在發(fā)展階段。針對(duì)老齡化社會(huì)問題,沈陽工業(yè)大學(xué)與日本高知工科大學(xué)、名古屋大學(xué)、電氣通信大學(xué)、名城大學(xué)共同成立中日福祉機(jī)器人研究中心,并研發(fā)了如圖1~6所示的系列福祉機(jī)器人。圖1為步行功能訓(xùn)練機(jī)器人;圖2為立位筋力與平衡能力不足者的立位生活輔助機(jī)器人;圖3為輔助步行完全失能者的坐位生活輔助機(jī)器人;圖4為輔助臥床不起障礙者的人型護(hù)理機(jī)器人;圖5為輔助下肢障礙者的排泄輔助機(jī)器人;圖6為智能床型護(hù)理機(jī)器人。此外,中心還研發(fā)了物品搬送智能機(jī)器人及智能假肢等。

      不同于以物體為操作對(duì)象的工業(yè)機(jī)器人,福祉機(jī)器人的服務(wù)對(duì)象是人,需要與人類交互,因此確保福祉機(jī)器人控制系統(tǒng)的安全性至關(guān)重要。福祉機(jī)器人還需要具有進(jìn)化型智能性,以理解人的意圖并適應(yīng)不斷變化的身體特征和心理特征。本文給出福祉機(jī)器人的定義,進(jìn)而從系統(tǒng)構(gòu)建角度說明福祉機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人的本質(zhì)區(qū)別,針對(duì)所研發(fā)的系列福祉機(jī)器人(圖1~6),闡述沈陽工業(yè)大學(xué)中日福祉機(jī)器人研究中心的成果概要及展望。各福祉機(jī)器人的詳細(xì)機(jī)構(gòu)、數(shù)理模型推導(dǎo)、理論證明等,可參閱相關(guān)論文。

      1 工業(yè)機(jī)器人與福祉機(jī)器人

      1.1 福祉機(jī)器人的定義

      “機(jī)器人”在學(xué)術(shù)領(lǐng)域里沒有公認(rèn)的定義。從狹義角度上可將機(jī)器人稱為具有信息感知、行為判斷和動(dòng)作執(zhí)行3種功能的智能機(jī)械系統(tǒng)。

      國際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)(ISO)對(duì)工業(yè)機(jī)器人有明確的標(biāo)準(zhǔn)定義,不作贅述,這里可以簡單地理解為:在工廠等生產(chǎn)現(xiàn)場作業(yè)的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象為物體,其目的是實(shí)現(xiàn)各種作業(yè)的自動(dòng)化。

      福祉機(jī)器人與機(jī)器人一樣在學(xué)術(shù)領(lǐng)域尚未有公認(rèn)的定義,本文對(duì)福祉機(jī)器人給出通俗易懂的定義。福祉指幸福和安康的狀態(tài),因此福祉機(jī)器人可以定義為:能夠直接為人們的幸福、安康而作出貢獻(xiàn)的機(jī)器人。福祉機(jī)器人工作于人類空間,與人類直接打交道,服務(wù)對(duì)象是人,其目的是實(shí)現(xiàn)人們的幸福、安康。按照這種思考方式,福祉機(jī)器人的范圍雖然很廣,但并不抽象,指具體的機(jī)器人。因此,針對(duì)健康促進(jìn)、疾病預(yù)防、醫(yī)療、失能護(hù)理、體弱或殘疾人生活輔助等能作出貢獻(xiàn)的機(jī)器人,可以統(tǒng)稱為福祉機(jī)器人。系列機(jī)器人能對(duì)康復(fù)醫(yī)療、失能護(hù)理、障礙者(體弱者、殘疾人)生活輔助作出貢獻(xiàn),都屬于福祉機(jī)器人的定義范圍,所以本機(jī)器人研究中心稱為福祉機(jī)器人研發(fā)中心,開發(fā)的系列機(jī)器人(圖1~6)統(tǒng)稱為SUT福祉機(jī)器人。

      1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

      圖7為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成框圖,圖8為福祉機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成框圖。兩者的系統(tǒng)架構(gòu)有著本質(zhì)不同。

      由圖7可知,在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中,控制對(duì)象是無生命物體,系統(tǒng)的位置、速度等目標(biāo)值由外部給出,其目的是追求高速度及高作業(yè)效率。由圖8可知,福祉機(jī)器人的操作對(duì)象是腿部力量不足、平衡能力不足、步行完全失能、臥床障礙等有生命體征的人,其目的是機(jī)器人輔助使用者移動(dòng)、輔助其日常生活活動(dòng)行為等。因此,福祉機(jī)器人系統(tǒng)不追求高速度、高作業(yè)效率。如果將工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的傳統(tǒng)控制方法直接應(yīng)用于福祉機(jī)器人,不僅無法獲得滿意的控制結(jié)果,而且還存在危險(xiǎn)性。構(gòu)建福祉機(jī)器人系統(tǒng)需要機(jī)器人理解使用者意圖(方向意圖、行為意圖等),并且在控制過程中需考慮使用者舒適度、姿態(tài)、重心位置等,系統(tǒng)目標(biāo)值并不是由上級(jí)系統(tǒng)給定,而是在滿足使用者意圖和舒適度等前提下由系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)生成。因此,福祉機(jī)器人系統(tǒng)包括使用者意圖識(shí)別、重心位置、姿態(tài)信息、舒適度感受信息等反饋環(huán)節(jié),以及系統(tǒng)目標(biāo)值自動(dòng)生成環(huán)節(jié)的人機(jī)整體控制系統(tǒng)。

      無論是從操作對(duì)象還是研究課題方面,福祉機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人都有著本質(zhì)區(qū)別。工業(yè)機(jī)器人的操作對(duì)象是無生命的物體,其研究最終目的是追求作業(yè)本身的高效率及高速度。然而,確保安全性對(duì)用于人類生活空間的福祉機(jī)器人至關(guān)重要。為避免或降低作用力造成的危險(xiǎn),研究人員通常會(huì)在福祉機(jī)器人上安裝硬件,如急停按鈕、雙保險(xiǎn)電路和限速機(jī)構(gòu)等。其實(shí),從控制的角度實(shí)現(xiàn)安全保障亦非常重要,以分析人類駕駛汽車的過程為例,控制的重要性便容易理解。當(dāng)司機(jī)駕駛汽車時(shí),司機(jī)相當(dāng)于控制器,大腦中的駕駛方法相當(dāng)于控制算法。大多數(shù)交通事故并不是因?yàn)槠嚤旧沓霈F(xiàn)故障,而是由司機(jī)大腦中的錯(cuò)誤駕駛方法所造成。即使是在脫輪等意外機(jī)械故障突發(fā)情況下,優(yōu)異駕駛方法(控制算法)也能將損失控制在最低程度。因此,確保安全性的控制器設(shè)計(jì)對(duì)福祉機(jī)器人系統(tǒng)至關(guān)重要。

      2 SUT福祉機(jī)器人

      2.1 步行功能訓(xùn)練機(jī)器人

      生命的本質(zhì)在于運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)的主體是步行。老年人由于年齡、疾病、跌倒、交通事故等原因?qū)е虏叫泄δ苷系K時(shí),如果不能及時(shí)得到康復(fù)治療、快速恢復(fù)步行功能,則會(huì)陷入步行功能障礙→身體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)功能衰減→臥床不起→死亡的惡性狀態(tài)。近年來,隨著少子老齡化加劇,需要步行訓(xùn)練的老年人激增,物理治療師缺口巨大,因此,步行訓(xùn)練機(jī)器人成為康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)熱點(diǎn)之一。

      至今已經(jīng)開發(fā)了多種步行訓(xùn)練機(jī)器人,其中也出現(xiàn)了下肢肌肉訓(xùn)練與步態(tài)訓(xùn)練相混淆的現(xiàn)象??瓷先?,走路似乎是非常簡單的運(yùn)動(dòng),但實(shí)際上步行運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜。以下5點(diǎn)是在步態(tài)訓(xùn)練方面的基本研究理念。

      1)從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度,步態(tài)訓(xùn)練的最高層次和最終形式是:借助腳與地面間的真實(shí)摩擦而產(chǎn)生的反作用力來移動(dòng)身體重心。這是因?yàn)樾凶叩谋举|(zhì)是借助摩擦力實(shí)現(xiàn)身體重心移動(dòng),只有當(dāng)患者能夠自如地控制摩擦力時(shí),步行功能才能被再現(xiàn),即恢復(fù)了步行功能。

      2)從認(rèn)知科學(xué)角度,當(dāng)視覺信息與腦內(nèi)體性感覺不一致時(shí),或地面環(huán)境與腦內(nèi)體性感覺不相匹配時(shí),不能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)步行。這是因?yàn)槟X內(nèi)通過物體大小變化識(shí)別走行速度,腳腿既是支撐身體的執(zhí)行器,又是對(duì)地面環(huán)境的傳感器,只有在視覺觸覺都能夠正確反映真實(shí)環(huán)境時(shí),才能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)步行運(yùn)動(dòng)。因此,應(yīng)通過蹬踏實(shí)際地面進(jìn)行步行訓(xùn)練,同時(shí)感受環(huán)境的相對(duì)變化、自身與墻壁的距離及物體的大小變化。

      3)從神經(jīng)學(xué)角度,腦內(nèi)的運(yùn)動(dòng)前野和運(yùn)動(dòng)后野命令信號(hào)經(jīng)過腦干及脊髓有序地控制肌肉實(shí)現(xiàn)行走。因此,只有在病理學(xué)上正確診斷出發(fā)病的機(jī)制和部位,才有可能找到正確的訓(xùn)練方法,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)訓(xùn)練。

      4)從步行功能角度,走路絕不是簡單的直立狀態(tài)使重心向前移動(dòng)。然而目前許多步行訓(xùn)練機(jī)器人只是把復(fù)雜的步行運(yùn)動(dòng)視為重心的向前移動(dòng)。實(shí)際上,步行功能不只是向前方運(yùn)動(dòng),還包括很多復(fù)雜的運(yùn)動(dòng):后方向、左右方向、對(duì)角線方向、旋轉(zhuǎn)/轉(zhuǎn)彎、站立、爬樓梯及平衡等,支持每個(gè)動(dòng)作的肌肉部位和力量各不相同。因此,只有對(duì)這些復(fù)雜動(dòng)作進(jìn)行全面而精準(zhǔn)訓(xùn)練,才可以實(shí)現(xiàn)快速康復(fù)。

      5)從福祉機(jī)器人角度,首先在保證安全的前提下,還需要實(shí)現(xiàn)高精度的訓(xùn)練。使用步行車(帶無動(dòng)力輪)或助行器(僅支撐腿)的傳統(tǒng)步行訓(xùn)練中,最典型的事故模式有兩種類型:一種是由于姿勢崩潰而跌落;另一種是由于步行速度跟不上訓(xùn)練設(shè)備的速度而跌倒。因此,對(duì)于所有步行訓(xùn)練機(jī)器人來說,都必須防止這兩類事故發(fā)生,進(jìn)而還需要高精度地跟蹤來自醫(yī)生訓(xùn)練處方的指定路徑和軌跡。訓(xùn)練處方是醫(yī)生根據(jù)患者的恢復(fù)狀態(tài)給出的最佳治療方案。中日福祉機(jī)器人研究中心基于上述研究理念,研發(fā)了步行功能訓(xùn)練機(jī)器人,其訓(xùn)練情景如圖9所示。該步行訓(xùn)練機(jī)器人能使患者通過腳部蹬地面,獲得與地面摩擦所形成的反作用力,使身體重心移動(dòng)。由于在實(shí)際環(huán)境中實(shí)施步行訓(xùn)練,患者通過視覺與周圍環(huán)境的聯(lián)動(dòng),能夠獲得真實(shí)的認(rèn)知功能,腦內(nèi)的感覺野以及運(yùn)動(dòng)野也能得到準(zhǔn)確的活性化。由圖9可知,步行功能訓(xùn)練機(jī)器人不僅可以訓(xùn)練患者直立向前行走,還可以進(jìn)行橫走、斜走、倒退、斜退、繞彎走、旋轉(zhuǎn)走等復(fù)雜步行動(dòng)作群的綜合訓(xùn)練。臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,通過全方向步行功能訓(xùn)練,不僅使患者向前行走時(shí)的相關(guān)部位衰退肌力得到改善,還能精準(zhǔn)訓(xùn)練步行動(dòng)作群中的各部位肌力,實(shí)現(xiàn)步行功能快速康復(fù)。從控制的角度,研究人員針對(duì)該步行訓(xùn)練機(jī)器人的精準(zhǔn)控制以及確保安全性兩個(gè)方面,開展了深入研究,取得了一系列創(chuàng)新性成果[1-32]。今后,還將在智能化方面開展研究,以達(dá)到物理治療師擁有的高度智能。

      2.2 生活輔助機(jī)器人

      人類有一種現(xiàn)象,如果在某個(gè)方面得到過度關(guān)照,則在該方面的能力就會(huì)降低。對(duì)體弱老年人或部分失能者的過度照顧,雖然體現(xiàn)了愛心或孝順,但有可能使體弱老人或部分失能者患上失用癥,最終導(dǎo)致他們完全失能。因此,在進(jìn)行生活輔助機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該遵守的原則是:盡可能使用身體殘存功能,實(shí)現(xiàn)生活自理。

      適用于立位筋力及平衡能力不足人群自理的生活輔助機(jī)器人應(yīng)用場景如圖10所示,其可以輔助使用者從坐姿到站立、在狹窄室內(nèi)自由行走、維持日常生活[33-39]。老齡化過程中明顯的生理衰退主要表現(xiàn)在四肢靈活性下降、骨質(zhì)疏松、肌肉萎縮等方面,從而導(dǎo)致跌倒和骨折的危險(xiǎn)性大幅增大。老年人因疾病、肌力衰弱、骨折、跌倒等原因所造成的站立功能衰弱導(dǎo)致行走困難,限制了活動(dòng)范圍,身體的困頓導(dǎo)致精神萎靡,精神萎靡又進(jìn)一步加快了身體機(jī)能的老化,形成惡性循環(huán)。立位自理生活輔助機(jī)器人可以發(fā)揮站立功能衰弱老年人的殘存行走功能,預(yù)防下肢行走功能完全喪失。

      坐位自理生活輔助機(jī)器人用于輔助步行完全失能人群場景如圖11所示,其可以輔助步行完全失能者進(jìn)行超市購物、擦玻璃、做飯、吃飯等日?;顒?dòng)。對(duì)于步行完全失能者,如果不積極使用殘存的上半身運(yùn)動(dòng)功能,則可能陷入長期臥床不起的狀態(tài),不僅導(dǎo)致個(gè)人痛苦,還會(huì)給家庭和社會(huì)造成負(fù)擔(dān)。本坐位生活輔助機(jī)器人可以發(fā)揮人體上半身功能,輔助其移乘、移動(dòng)等,實(shí)現(xiàn)步行完全失能者生活自理。

      在生活自理輔助機(jī)器人的使用過程中,由于受房間內(nèi)不同地面材質(zhì)、濕度、溫度等因素影響,導(dǎo)致全向輪承受的摩擦系數(shù)不同,摩擦力本身又是機(jī)器人朝向與移動(dòng)方向間夾角的非線性時(shí)變函數(shù)。對(duì)于立位生活輔助機(jī)器人的使用者前臂對(duì)機(jī)器人扶板施加力的作用位置和運(yùn)行姿勢的變化、使用者坐的位置和坐姿的變化等原因,都容易導(dǎo)致機(jī)器人重心偏移。重心偏移不僅影響機(jī)器人路徑跟蹤精度,還可能導(dǎo)致機(jī)器人發(fā)生傾倒事故。因此,生活自理輔助機(jī)器人的控制需要實(shí)時(shí)適應(yīng)多樣化路徑以及各種非線性摩擦,要考慮重心偏移問題。為使生活輔助機(jī)器人能夠進(jìn)入家庭,還需要確保安全性,提高可操作性。如果立位自理生活輔助機(jī)器人能基于使用者的步行動(dòng)作和姿勢理解其行走方向,能基于使用者的手臂動(dòng)作、上半身姿勢理解其日常活動(dòng)行為意圖,就可以不需要使用者操作操縱桿來控制機(jī)器人,這會(huì)進(jìn)一步提高生活自理輔助機(jī)器人靈活性[40-46]。

      2.3 護(hù)理輔助機(jī)器人

      2.3.1 人型護(hù)理機(jī)器人

      近年,隨著老齡化加劇,因疾病、衰老等因素而喪失獨(dú)立生活能力、臥床不起的失能老人數(shù)量快速增加,老年人護(hù)理老年人的“老老護(hù)理”家庭也在增加。針對(duì)嚴(yán)峻的老齡化社會(huì),居家護(hù)理輔助機(jī)器人研究顯得極為重要。目前,研究人員與企業(yè)從不同角度積極研發(fā)多種護(hù)理輔助機(jī)器人。從學(xué)術(shù)角度看,臥床失能者護(hù)理輔助機(jī)器人面臨的挑戰(zhàn),是擁有正確判斷“什么時(shí)候,應(yīng)該做什么,如何做”的高度智能化。

      本團(tuán)隊(duì)的研究理念是,護(hù)理人員的知識(shí)及技能(人的護(hù)理智能)應(yīng)該作為護(hù)理機(jī)器人智能化的追求目標(biāo),但護(hù)理機(jī)器人并不需要與護(hù)理人員的身體結(jié)構(gòu)完全一致。比如,為了減輕人們洗衣服的體力勞動(dòng),并非需要制造出與人手解剖結(jié)構(gòu)完全一致的機(jī)械手,而是創(chuàng)造出洗衣機(jī),把如何判斷清潔、如何節(jié)水節(jié)電等人的智能,作為智能洗衣機(jī)追求的指標(biāo)。同樣,護(hù)理機(jī)器人不需要與人一樣用兩條腿走路?;谶@種研究理念,本機(jī)器人研究中心研發(fā)的護(hù)理輔助機(jī)器人(圖4),其下部結(jié)構(gòu)由全向平臺(tái)組成。本護(hù)理機(jī)器人具有多種功能和特點(diǎn),尤其具有高度智能化,可以根據(jù)失能者生理需求,比如渴、餓、冷等推理需要完成的護(hù)理任務(wù)[47-54],應(yīng)用場景如圖12所示。目前,多數(shù)護(hù)理機(jī)器人處于這樣的智能水準(zhǔn):“把冰箱里的面包給我拿來”(教其去哪里、做什么)或“把面包給我拿來”(教其做什么,沒有指定位置)。而本機(jī)器人研究中心研發(fā)的護(hù)理機(jī)器人能夠理解生理欲求,比如,臥床不起障礙者表達(dá)“我餓了”(只表達(dá)生理欲求,既不指定食物也不指定位置)時(shí),可以基于生理欲求推理出食物及所在位置。目前,雖然取得了一些研究成果,但是還有很多未解決的課題。期望在年輕學(xué)者的努力下,使其能夠?qū)嵱没?/p>

      2.3.2 排泄輔助機(jī)器人

      為了維持生命,人們需要從飲食中吸收營養(yǎng),將廢物排出體外。廢物排出是營養(yǎng)吸收的前提,因此對(duì)于人類及其他動(dòng)物來說,排泄功能必不可少。但是人與其他動(dòng)物的最大區(qū)別在于:1)排泄行為高度隱私,不在大庭廣眾之下進(jìn)行;2)廢物在人體內(nèi)時(shí)沒有任何厭惡感,而廢物一旦排出體外,則被視為異己,產(chǎn)生一種強(qiáng)烈的厭惡感。長期以來這兩點(diǎn)已經(jīng)形成了根深蒂固的文化。

      由于上述的第1點(diǎn)是既有人權(quán)保護(hù)問題,又有人格尊嚴(yán)問題,第2點(diǎn)是既有心理問題,又有清潔處理的難點(diǎn)。因此,排泄行為的護(hù)理及排泄物的處理被認(rèn)為是護(hù)理工作中的最大難題,會(huì)消耗護(hù)理人員的大量精力。近年,由于需要護(hù)理的失能老年人數(shù)量迅速增加,排泄輔助及排泄物處理得以重視,開發(fā)了多種排泄輔助器具,但各有利弊,未從本質(zhì)上解決問題。

      團(tuán)隊(duì)深刻意識(shí)到排泄護(hù)理難題,為解決上述兩個(gè)問題,研發(fā)了排泄輔助機(jī)器人,如圖13所示。為了避免攙扶臥床不起的被護(hù)理者往返衛(wèi)生間的繁重勞動(dòng),只在必要時(shí)排泄輔助機(jī)器人自動(dòng)移至床前,被護(hù)理者可以自行如廁,然后該機(jī)器人自動(dòng)返回待機(jī)場所。護(hù)理人員只需協(xié)助被護(hù)理者從床上移乘到排泄輔助機(jī)器人上,便可同時(shí)解決上述問題。

      排泄輔助機(jī)器人不同于一般的移動(dòng)機(jī)器人,有其需要解決的特殊難題。不僅具有識(shí)別環(huán)境自主移動(dòng)能力,可在抑制水箱內(nèi)水晃動(dòng)的同時(shí)精準(zhǔn)地移動(dòng)[55-58],還具備理解被護(hù)理者和護(hù)理人員移乘行為能力,未來需要具備排泄后的部位清潔和健康檢查功能。

      2.3.3 床型護(hù)理機(jī)器人

      健康人每天約有三分之一時(shí)間用于睡眠,所以在擁有床文化的中國,床的重要性不言而喻。而臥床不起人群全天幾乎都生活在床上,因此床對(duì)他們的身體影響很大,是最重要的護(hù)理設(shè)備?,F(xiàn)在,制造企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)研發(fā)床時(shí),似乎不區(qū)分護(hù)理床和醫(yī)療床。然而,護(hù)理床與醫(yī)療床具有本質(zhì)不同。

      對(duì)于疾病、事故、老齡等原因所造成的臥床不起人群,幾乎所有時(shí)間將都在床上度過,所以其視野和活動(dòng)范圍受到限制,精神生活枯燥,即使有殘存生活能力也無法發(fā)揮。經(jīng)對(duì)護(hù)理床調(diào)查,發(fā)現(xiàn)存在的問題如下:視野狹窄、空間有限、發(fā)生壓瘡、難以保持體位、無力、很難適應(yīng)身體變化、易發(fā)生跌倒或被夾住意外、移動(dòng)困難等。為了解決這些問題,本機(jī)器人研究中心研發(fā)了臥床不起人群用床型護(hù)理機(jī)器人[59-60]。

      臥床不起人群用床型護(hù)理機(jī)器人有兩種控制模式。圖14為臥床不起障礙者用床型護(hù)理機(jī)器人,該機(jī)器人具有超聲波傳感器和距離激光傳感器,臥床不起障礙者可以按照自己的意愿,以手動(dòng)操作模式在房間內(nèi)向各方向安全移動(dòng),任意設(shè)置床姿,還可以根據(jù)自己的身體狀況保持姿勢和翻身。因此,臥床不起人群不需要從床上移乘至輪椅,就能實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng),從而可以擴(kuò)大活動(dòng)范圍,開闊由于臥床不起而造成的狹窄視野,緩解枯燥的精神生活,在通風(fēng)良好的地方或靠近供暖制冷系統(tǒng)好的地方睡眠,而無需向任何人尋求幫助,提高其生活質(zhì)量。另外,在自動(dòng)控制模式下,床型護(hù)理機(jī)器人可以讀取和解析障礙者人體的荷重信息,基于人體的荷重信息,理解臥床不起障礙者的身體姿勢,進(jìn)行適當(dāng)翻身,預(yù)防褥瘡,使臥床不起人群保持較好體態(tài),睡姿識(shí)別如圖15所示。

      床型護(hù)理機(jī)器人的未來研究課題是,基于床單內(nèi)的軟體薄型荷重傳感器信息,研發(fā)防止跌倒和被夾住事故的智能算法,實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)與其他福祉機(jī)器人協(xié)同作業(yè)。

      3 多福祉機(jī)器人協(xié)同

      在護(hù)理現(xiàn)場,護(hù)理人員分工合作,護(hù)理器具也各有獨(dú)特功能。同理,在研發(fā)福祉機(jī)器人過程中,不應(yīng)該沉湎于把動(dòng)漫里鐵臂阿童木那樣無所不能超級(jí)機(jī)器人變成現(xiàn)實(shí)的“夢想”之中,應(yīng)該勇于面對(duì)實(shí)際護(hù)理現(xiàn)場中的具體需求,創(chuàng)造出能完成具體護(hù)理任務(wù)的福祉機(jī)器人。

      根據(jù)上述理念,團(tuán)隊(duì)開發(fā)的福祉機(jī)器人具有非常明確的用途(圖4~6),并能協(xié)同完成護(hù)理任務(wù)。人型護(hù)理機(jī)器人與床型護(hù)理機(jī)器人合作,給臥床不起障礙者送水。當(dāng)臥床不起障礙者說“我渴了”時(shí),人型護(hù)理機(jī)器人就能推理出“水”及水的所在“位置”,取水并遞給臥床不起障礙者。為了使障礙者在喝水時(shí)不會(huì)誤咽,床型護(hù)理機(jī)器人可以慢慢地托起臥床不起障礙者上半身。物品搬送智能機(jī)器人與床型護(hù)理機(jī)器人合作,也可以給臥床不起障礙者送飯、送書[61-65],如圖16所示。本文將這種護(hù)理任務(wù)稱為RHR(robot-human-robot)型任務(wù)。再比如,排泄輔助機(jī)器人與護(hù)理人員合作,幫助臥床不起障礙者如廁,將這種護(hù)理工作稱為RHH(robot-human-human)型任務(wù)。另外,在日常生活輔助方面,既有RHR型任務(wù)也有RHH型任務(wù)。例如,坐位自立生活輔助機(jī)器人與物品搬送智能機(jī)器人相互配合,使下肢障礙者能夠獨(dú)立完成洗衣晾衣任務(wù)(RHR型任務(wù)),如圖17所示。因此,康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域里也需要合作。

      以上內(nèi)容是有趣且具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)研究課題。無論RHR任務(wù)還是RHH任務(wù),機(jī)器人必須既能理解人的意圖,又能理解其他機(jī)器人的行為,并且能夠快速正確推理出自己應(yīng)執(zhí)行的任務(wù)并執(zhí)行該任務(wù)。換句話說,機(jī)器人必須具備相當(dāng)于人類水準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)智能,并能實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制。下一步,中日福祉機(jī)器人研究中心將繼續(xù)面對(duì)現(xiàn)實(shí)社會(huì),持之以恒地去攻克具有科學(xué)意義及應(yīng)用價(jià)值的挑戰(zhàn)性難題。

      4 展 望

      前文從康復(fù)訓(xùn)練、自主生活輔助、完全失能者護(hù)理輔助3個(gè)方面介紹了中日福祉機(jī)器人研究中心的科研成果。今后,在增進(jìn)健康方面[66-67]繼續(xù)針對(duì)新型福祉機(jī)器人深入開展研究工作。福祉機(jī)器人目標(biāo)人群明確、易理解患者意圖、市場規(guī)模大,已有很多新興企業(yè)融入該行業(yè)。其中,也出現(xiàn)了一些以融資宣傳為目的的機(jī)器人,目前正面臨市場產(chǎn)品良莠不齊的形勢,因此精準(zhǔn)把握行業(yè)痛點(diǎn)及技術(shù)瓶頸所在,突破關(guān)鍵技術(shù)是決定勝負(fù)的關(guān)鍵。比如,步行輔助機(jī)器人如果其自身都無法穩(wěn)定移動(dòng),則不可能很好輔助步行困難者行走,因此在步行輔助機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,要盡可能擴(kuò)大穩(wěn)定區(qū)域,使重心向地面的投影點(diǎn)必須落在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。簡要地講,以支撐體重為目的的椅子不采用兩腿結(jié)構(gòu),是因?yàn)閮赏冉M成的穩(wěn)定區(qū)域面積幾乎為零。

      人類在約700萬年的進(jìn)化中,與自然共存,追求“生”和“樂”,創(chuàng)造了工具和語言,形成了高度的文明。未來,人類基于社會(huì)福祉理念,將使文化不斷進(jìn)化,形成更高度的文明。因此,福祉機(jī)器人的市場規(guī)模巨大,要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出通常的想象。相信不久的將來,福祉機(jī)器人及使用福祉機(jī)器人的智能化住宅等市場規(guī)模將越來越大。近年,很多汽車公司已開始致力于福祉機(jī)器人基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā),由此將會(huì)產(chǎn)生龐大的就業(yè)機(jī)會(huì),亟須大量掌握福祉機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)的人才。

      為了真正創(chuàng)造出貢獻(xiàn)于人類“生”與“樂”的福祉機(jī)器人并普及于社會(huì),必須突破3大難關(guān):

      1)福祉機(jī)器人用于人類生活空間,必須確保人類安全性,這是艾薩克·阿西莫夫(ISAACASIMOV)提出的機(jī)器人3原則中的第1條。對(duì)于以高速高效自動(dòng)化為目的的工業(yè)機(jī)器人,通常在獨(dú)立空間執(zhí)行規(guī)定任務(wù),機(jī)器人3原則并非被認(rèn)為最重要。而福祉機(jī)器人確保使用者的安全,是實(shí)際應(yīng)用的先決條件。但是,目前福祉機(jī)器人安全性理論體系尚未確立,這為研究者提供了巨大的機(jī)遇。本文認(rèn)為從控制角度研究安全性問題是突破口之一。在福祉機(jī)器人安全控制理論構(gòu)筑方面,沈陽工業(yè)大學(xué)中日福祉機(jī)器人研究中心取得了系列成果[3]。

      2)福祉機(jī)器人為了與人共存,需要具有理解人意圖的智能,并且該智能的表現(xiàn)形式能夠被人所理解。關(guān)于理解人意圖的智能化研究,近年已提出了一些方法,而有關(guān)福祉機(jī)器人的智能化表現(xiàn)形式的研究還不多見。中日福祉機(jī)器人研究中心在機(jī)器人理解人意圖的智能化研究領(lǐng)域中已經(jīng)處于最前沿。例如,臥床不起失能者護(hù)理輔助機(jī)器人智能化中,機(jī)器人理解臥床不起失能者意圖(需求)的智能可以分4個(gè)層次:①把桌子上的水拿來(指定了物及所在位置);②拿水來(只指定物,無須指定位置);③口渴了(只表達(dá)生理欲求,既不指定物也不指定位置);④失能者雖沒有請求,但的確需要某些護(hù)理內(nèi)容,換句話說,失能者即使沒有請求,機(jī)器人也能推理出需要護(hù)理的項(xiàng)目,并主動(dòng)實(shí)施護(hù)理。世界上的研究基本都處在第1層次(需要指定物及所在位置)或第2層次(只指定物,無須指定位置)的水平。中日福祉機(jī)器人研究中心的研究已攻克第3層次難題,能夠基于生理欲求推理出物及所在位置[48-49]。關(guān)于第4層次,該中心正在挑戰(zhàn)一種智能算法:失能者即使沒有請求,機(jī)器人也能推理出需要護(hù)理的項(xiàng)目,主動(dòng)實(shí)施護(hù)理。該算法近期將公布于世。這是機(jī)器人3原則第2條沒有涵蓋的情況,表明應(yīng)按照新時(shí)代的需求重新定義機(jī)器人3原則。

      3)大學(xué)的使命是精準(zhǔn)把握社會(huì)真正需求,在科技攻關(guān)的過程中為社會(huì)培養(yǎng)優(yōu)秀人才,實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)與研究成果的雙豐收。福祉機(jī)器人要得到普及,需要其生產(chǎn)成本低廉、耐用性高、設(shè)計(jì)美觀,這是企業(yè)的使命,期待能涌現(xiàn)出更多有強(qiáng)烈社會(huì)責(zé)任感的企業(yè)。

      5 結(jié)束語

      經(jīng)過約700萬年進(jìn)化后,人類只用了約100年的時(shí)間就將平均壽命延長了50年。針對(duì)突如其來的老齡化社會(huì)中特有問題,中國及很多國家實(shí)施了相應(yīng)的戰(zhàn)略對(duì)策。目前,研究人員開發(fā)了多種福祉機(jī)器人,大多研究都處于起步階段。期望中日福祉機(jī)器人研究中心科研成果能為解決人口老齡化問題提出相應(yīng)的解決方案。

      致謝:自2002年沈陽工業(yè)大學(xué)與高知工科大學(xué)建立校級(jí)合作,雙方進(jìn)行了24次校長、院長級(jí)別互訪及60余次教師研修,培養(yǎng)博士27名;沈陽工業(yè)大學(xué)與IEEE共同創(chuàng)辦了IEEEInternationalConferenceonIntelligenceandSafetyforRobotics,創(chuàng)辦并連續(xù)11年舉行沈陽市大學(xué)生福田杯機(jī)器人科技創(chuàng)新大賽,促進(jìn)了福祉機(jī)器人的發(fā)展。在此,對(duì)兩校領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)學(xué)術(shù)組織、青年教師及研究生給予的支持及貢獻(xiàn)深表謝意。

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      (責(zé)任編輯:楊 樹 英文審校:尹淑英)

      特邀專家 王碩玉,日本高知工科大學(xué)主監(jiān)教授,日本工程院院士,日本機(jī)器人學(xué)會(huì)Fellow,日本機(jī)械學(xué)會(huì)Fellow。1983年沈陽機(jī)電學(xué)院電機(jī)系自動(dòng)化本科畢業(yè),同年任該校電機(jī)系助教,1988年沈陽工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化碩士畢業(yè),1993年日本北海道大學(xué)電氣工程博士畢業(yè)?,F(xiàn)任日本生命支援學(xué)會(huì)理事,日本智能信息模糊學(xué)會(huì)評(píng)議員。曾任日本工程院主席團(tuán)執(zhí)委、日本機(jī)器人學(xué)會(huì)關(guān)鍵技術(shù)審查委員會(huì)主席、日本機(jī)器人學(xué)會(huì)論文期刊主編、日本機(jī)器人學(xué)會(huì)會(huì)刊總編、日本機(jī)器人學(xué)會(huì)理事、日本機(jī)械學(xué)會(huì)評(píng)議員、日本生物醫(yī)學(xué)模糊系統(tǒng)學(xué)會(huì)會(huì)長等。

      30年來一直致力于福祉機(jī)器人(增進(jìn)健康機(jī)器人、康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人、自立生活輔助機(jī)器人、護(hù)理輔助機(jī)器人等)的理論構(gòu)建及核心關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。在福祉機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、智能化、安全性、機(jī)構(gòu)等方面作出了重要貢獻(xiàn),為福祉機(jī)器人領(lǐng)域的健康發(fā)展起到了引領(lǐng)作用。在腦型推理構(gòu)建方面,創(chuàng)建了距離型模糊推理的理論體系(多段推理、真理值推理、圖形推理、聯(lián)想記憶等),形成了一支學(xué)派。

      特邀專家 楊俊友,博士生導(dǎo)師,二級(jí)教授,遼寧特聘教授,國務(wù)院政府特殊津貼專家,新型電力系統(tǒng)與電工裝備國家高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智基地負(fù)責(zé)人,特種電機(jī)與高壓電器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,兼任遼寧省電工技術(shù)學(xué)會(huì)理事長。日本高知工科大學(xué)、國立電氣通信大學(xué)客座教授。主要從事新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行控制、智能福祉機(jī)器人等領(lǐng)域研究。主持完成國家自然科學(xué)基金、國家電網(wǎng)公司總部等縱、橫向科研項(xiàng)目81項(xiàng),發(fā)表學(xué)術(shù)論文410篇,獲授權(quán)國家發(fā)明專利59件,獲省級(jí)科技進(jìn)步與教學(xué)成果一、二、三等獎(jiǎng)分別是5項(xiàng)、8項(xiàng)、3項(xiàng)。作為大會(huì)主席創(chuàng)辦了IEEEISR、ICRRI等國際學(xué)術(shù)會(huì)議。

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