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康复机器人概述pdf

作者:小编发布时间:2025-10-06 02:48

  

康复机器人概述pdf

  1康复机器人的概念配机器手臂”机器手,可在水平面内移动,有结构轻便、响应

  康复机器人是能自动执行任务的人造机器装置,用以取快的特点,是许多康复机器人项目的基础。上述两类有代表

  代或协助人体的某些功能,从而在康复医疗过程中发挥作性的机器人都存在着与环境整合不理想的问题。

  用。康复机器人领域的主要发展目标包括:研发医疗人员和床旁机器人的典型代表是Handyl,是目前销量最大的

  患者方便使用的康复器械及以此为依托的技术;促进临床康康复机器人之一。Handy1设计的初衷是给残障人士喂食,

  复治疗效果;为患者的日常活动提供方便。作为生物医学工近来也逐渐开发出盥洗、剃须、化妆等功能。与其功能相类

  程的分支领域,康复机器人融合了生命科学、工程学、计算机的还有Winsfordfeeder(RTD—ARC,NewJersey,us)、

  科学、心理学、康复医学等多个学科,其研发目标尤其侧重于MySpoon(SecomCo.Ltd,Tokyo,Japan)和NeaterEater

  临床实用性。B(uxton,UK)等。此类机器人系统为有特殊需求的人们提

  现有的康复机器人可以从不同角度进行分类。按照功2.1.2移动式机器人:移动式机器人包括智能轮椅、轮椅机

  能目的可粗略的分为:辅助/替代型和训练/治疗型等。按照器人和自动机器人。智能轮椅能够自动获取外界地标,以确

  其针对的躯体部位,可分为上肢机器人、下肢机器人和手部定自身位置和移动路线。代表产品有Wheelesley机器人轮

  机器人;按照人机结合的方式,可分为外骨骼式和嵌合式;按椅系统、PamAid及其衍生产品Guido机器人助步器】。轮椅

  照其移动方式,可分为固定式和移动式。机器人是安装在轮椅上的机械手,以Manus和Raptor为代

  2.1辅助/替代型机器人表。前者是具有7个自由度的机械手,具有良好的纵向活动

  这一类型的机器人是通过辅助或者直接替代患肢的功度并能紧密折叠后置于轮椅侧面1;后者的设计与Marius相

  能来帮助患者完成日常活动,其功能覆盖较广泛,包括进食、类,但是以牺牲3个自由度为代价,将价格降为Manus的1/

  饮水、个人卫生,工作和娱乐,行动,够物等。按照其载体的3。自动机器人种类较少,代表是移动作业辅助机器人Mo.(

  不同又可以分为:固定式机器人、移动式机器人以及智能假bileVocationalAssistantRobot,MoVAR)系统、凯斯特康复

  肢和支具】。工程系统(KAISTRehabilitationEngineeringSystem,

  2.1.1固定式机器人:固定式机器人包括工作站机器人和床KARES)II,以及Wessex机器人。MoVAR系统是带轮子的

  旁机器人。其设计理念旨在令残障人士在特定工作或生活DeVAR机器人,并配有摄像头及周边地图,可以在仪表盘上

  环境下实现功能性的独立,以便提高其就业或生活能力。工的显示器中给出反馈。KARESⅡ系统的设计探索了多种

  作站机器人以桌面作业辅助机器人(DesktopVocationalAs.控制模式,包括视觉伺服、眼控鼠标、触觉包,以及远程控制

  sistiveRobot,DeVAR)、职业作业辅助机器人(Professional的机械手。Wessex机器人是一种可移动式家用机器人,旨在

  VocationalAssistantRobot,ProVAR)、机器人技术fRobotic满足家居生活中在多个房间内频繁移动的需求。

  Technology,RT)为代表。DeVAR系统是一个以“可编程通2.1.3智能假肢和支具:采用自动控制技术的假肢/支具被

  用装配机械手”为基础的声控智能工作站,将所有的外周设称为智能假肢伎具。目前较成熟的智能假肢产品有Utah/

  备以特定形式预置在工作站上,以便机器人能按需获取,并MIT人工臂,其设计涵盖了自肩关节至腕关节的上肢全长,

  设计有接口可与现有办公设施配合使用,可以协助残障人士末端连接装饰性义手或钩形设备;分级电控假肢手南安普敦

  处理一些日常活动及职业活动,但还不能脱离人力帮助,实手,可以模拟真实的人手进行多个轴向的活动;以及以南安

  现完全独立T作。RT机器人是一系列改良“选择顺应性装普顿手i4和1爱丁堡臂系统1为基础的复合上肢高使用性全组

  DOI:10.3969 ̄.issn.1001—1242.2015.04.024

  1北京大学第一医院康复医学科,北京市西城区西什库大街8号,100034;2通讯作者

  合假上肢(TotallyModularProstheticAnnwithHigh关节活动提供支持,扩大了使用者的行动范围,丰富了训练

  Workability,ToMPAw)项目。与此类似,智能下肢也分为部模式和工作环境。这些智能下肢机器人的出现,使患者的行

  分下肢及全长下肢,目前大部分产品还处于实验室阶段或初动方式从借助轮椅代步发展到尽可能接近正常的步行模式,

  期产业化阶段。智能假肢的研发热点之一是“脑.机接口”,反映了现代康复理念“从功能替代到功能恢复”的进步。

  智能支具是发展最早的康复机器人分支,目前较为先进3.1机器人参与训练有利于神经重塑

  的项目有尚在研发的上肢支具——动力上肢支具系统(Mo—神经重塑是指中枢神经系统具有自我重塑的能力,这一概

  torizedUpperLmibOrthoticSystem,Mulos)及ReWalk、念是现代康复模型建立的基础。大量研究表明,运动学习能

  eLEGS等下肢支具。这两款下肢机器人都是通过拐杖中的够促进神经重塑,从而促进神经系统损伤后的功能康复”。与

  传感器进行控制,向前移动右拐杖,则左腿随之向前移动,反传统训练方式相比,机器人参与的运动训练具有几个明显的

  之亦然。依靠这类机器人,部分截瘫患者已经可以完成独立优势:良好的重复性,精确的控制力,客观的、可量化的评估

  2.2训练/治疗型机器人练,这对患者的运动学习十分有效。研究表明,机器人辅

  机器人辅助下运动训练是近年来脑卒中康复领域中发助下的运动训练中感觉和运动信息同步性较好,这对于神经

  展最快的课题。现有的康复机器人不但可以替代治疗师的系统重塑、形成正确感觉一运动回路很有帮助。

  部分工作,还能够完成许多人力不能完成的工作,有些还有3.2机器人参与训练的运动模式

  训练型康复机器人的代表有镜像运动能动系统(Mirror为三种:被动运动、助力运动、阻力运动。被动运动模式下,

  ImageMovementEnabler,MIME) ̄81,具有6个自由度的上肢患者的肌肉保持放松,主要用于保持关节活动度、训练前的

  机器人,可以实现患肢或双上肢的主/被动运动训练,还有In—热身和训练后的冷却。助力运动模式下,由患者主动发力启

  MotionArm机器人】、ARMEO系列康复系统、ReoGo上肢动一个运动,然后机器人按照预设线路和强度辅助患者完成

  康复机器人等。以ReoGo为例,它的机器臂可灵活完成三这一运动,适用于患者肌力较弱或有协调性障碍的情况,例

  维空间内任意方向的上肢运动,对肩、肘、腕关节进行全方位如使用上肢机器人ReoGo进行够物训练时,即可根据患者能

  运动训练;可让患者实时看到自己上肢的位置,帮助患者恢力采用不同的助力模式””。阻力运动模式下,机器人会在患

  复本体感觉;还可针对患者不同的能力进行评估,如主动参者完成运动的过程中施加一定的阻力,例如使用Tibion仿生

  与程度、动作平滑程度、主\被动关节活动度、目标追踪准确腿进行由站到坐的训练时,可以根据患者股四头肌离心控制

  自然的步态,并能集中注意力同时进行其他的功能锻炼,主3.3机器人参与运动训练的控制策略

  要应用于脑卒中患者的步态和平衡能力训练。代表性的产康复机器人的控制策略包括:辅助策略、挑战策略、触觉

  品包括Walkaround系统”,WHEREI和WHERE11,Lo.刺激策略、教练策略等。辅助策略是在患肢运动过程中给

  komatt】.LOPES(LowerextremityPoweredExoSkeleton,下予辅助,帮助患肢完成训练任务;挑战策略与之相反,对训练

  肢动力外骨骼)_,1AutoAmbulator,HuREx(Human—inspired设置障碍和挑战,如设置阻力,要求特殊发力模式,或放大错

  roboticexoskeleton,人体触发式机器人外骨骼)[16J,KineAs.误动作等;触觉刺激策略是在虚拟空间中模拟训练日常活动

  sistt”,WalkTrainer,HapticWalker,以及Tibion仿生腿任务,具有灵活、方便、丰富有趣、安全等优势;教练策略中

  等。这些下肢机器人主要是外骨骼形式的,有些与减重悬吊机器人不与患肢产生直接接触,而是通过教练的方式鼓励病

  系统、运动平板等相结合。例如:KineAssist系统可以为躯干患,促进其进行运动学习。在实际应用中,这些策略经常在

  提供部分减重支持,并允许躯干和骨盆有多个轴向的运动能同一训练中共同发挥作用。上述四种策略中,辅助策略是应

  力,方便患者进行直线、转弯、迈上台阶等多种形式的步行训用最广泛的,又可以再分为:基于阻力的(如ARMGuide)、

  练;Lokomat系统让患者在运动平板上进行步行训练,它不基于平衡的(如减重悬吊系统)、基于肌电信号的(如MIT-

  仅提供躯干部分减重支持,还可以通过下肢外骨骼系统的约MANUS)以及基于表现的(如MIT-MANUS)四种。辅助策

  束和支持以及视觉反馈系统,更智能的进行步态训练;Tibion略必须遵循“按需辅助”的原则,即:当使用者处于正确运动

  仿生腿则通过下肢外骨骼系统以及足底压力传感系统对膝轨道时,机器人不加干预,当偏离预设轨道时,机器人通过适

  ChineseJournalofRehabilitationMedicine,Apr.2015,Vo1.30,No.4

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  当的机械力帮助其重建正确运动轨道(包括时间上的和空间康复机器人的经济效益也是其研发和商业化所不可回

  上的)。挑战策略在康复治疗领域也有较长的使用历史,避的问题。限于康复机器人有限的使用量,经济学分析尚未

  又可以再分为:阻力策略、限制.诱导策略以及错误放大策略显示机器人辅助训练比传统训练方法有明显的经济效益。

  等。其典型应用即为神经肌肉本体感觉促通技术,研究表明康复机器人参与的运动训练不仅需要考虑运动处方的

  阻力训练能增加患肢投入程度,有利于运动功能的提高。安全性,还要考虑机器人自身的安全性。在现有的康复机器

  4机器人参与康复训练的效果数康复机器人都有强大的动力系统,一旦失控,后果不堪设

  与药物临床试验相比,康复机器人的临床试验不论在数想。对于临床工作者来说,如何审查其安全性无疑是一个巨

  性和可靠性较差;第四,运动处方起效时间较慢、效果较不明[1]derLoosMvRD.Chapter54:HealthCareandRehabilita-

  显,为临床试验的实施增加了难度。综上所述,各种机器人tionRoboticsM[].SpringerHandbookofrobotics.1st.ed.Si

  参与康复训练的效果很难互相比较,也很难归纳总结。下面cilianoBKO,Berlin:Springer-Verlag,2008.1223一l251.

  仅就个别规模较大、设计较完善的研究做简单论述。[2]RentschlerAJ,SimpsonR,CooperRA,eta1.Clinicalevalu—

  有关下肢机器人的研究中,一项多中心随机对照试验表a【i0nofGuidoroboticwalkerJ[].JournalofRehabilitation

  明,短期内(12周)机器人辅助治疗与对照康复治疗以及无康复Research&Development,2008,45(9):l281一l294.

  [3]DriessenBJ,EversHG,vanWoerdenJA.MANUS—awheel—

  chair-mountedrehabilitationrobot[J].ProcInstMechEngH,

  4[]KyberdPJ,LightC,ChappellPH,eta1.Thedesignofan—

  htropomorphicprosthetichands:AstudyoftheSouthamp—

  tonHand[J],Robotica.2001,19:593—_60O.

  [5]GowDJ,DouglasWGeggieC,eta1.Thedevelopmentof

  异质性有关,也与日常活动能力评估指标的不敏感有关。在hteEdinburghmodulararnlsystem[J].ProcInstMechEng

  现有的超过30种见诸报道的手功能康复机器人中,有8种被H,2001,215(3):29—1298.

  临床研究证明能减轻患肢残障,促进患手功能。相关证据表[6]VellisteM,PerelS,SpaldingMC,eta1.Corticalcontrolof

  明,机器人辅助下的手功能康复虽然处于发展初期,但前景aprostheticarnf'lorself-feeding[J].Nature,2008,453(7198):

  虚拟现实或互动视频游戏结合使用,但尚无有效数据支持其[7】HargroveLJ,SmionAM,YoungAJ,eta1.Roboticlegcon—

  效果评估0”。trolwithEMGdecodinginanamputeewithnervetransfers

  J[].NewEnglandJournalofMedicine,2013,369(13):l237—

  【8]LumPS,BurgarCG,VanderLoosM,eta1.MIMErobot—

  iCdeviceforupper-1imbneurorehabilitationinsubacute

  strokesubjects:Afollow—upstudy[J1.JRehabiReslDev,

  者能否舒适、便捷、有效的运用机器人,包括:机器人能否舒[9]KrebsHI,VolpeBLWilliamsD,eta1.Robot-aidedneurore-

  适、便捷的附着在人体上,是否足够轻便、易携、灵活,能否满habilitation:arobotforwristrehabilitationJ[].IEEETrans

  足使用的时间长度和运动幅度,能否智能化的感知和理解使NeuralSystRehabilEng,2007,15(3):327—335.

  用者的需求,并给出适合的工作模式等等。机器人一环境接【10]GjibelsD,LamersI,KerkhofsL,eta1.TheArmeoSpring

  口问题决定了机器人能否更好地适应复杂的日常活动环境,astrainingtooltoimproveupperlimbfunctionalityinmul—

  包括:能否协助患者通过繁华的街道、陡窄的阶梯、湿滑的路tiplesclerosis:apilotstudy[J】.Journalofneuroengineering

  面,其自由度能否满足精细复杂的洗漱、修饰、烹饪等日常活nadrehabilitation,2011,8(5):5.

  动,甚至职业活动,能否代偿患者的视觉、听觉、甚至触觉,等[11】FaranS,EinavO,YoeliD,eta1.Reoassessmenttoguide

  theReoGoTherapy:Reliabilityandvalidityofnovelrobot—

  iescoresC[].VirtualRehabilitationIntemationalConference.

  Ha1fa.2009.a1.Rehabilitationofgaiaftterstroke:areviewtowardsa

  [12]VegA,PopovicDB.Walkaround:mobilebalancesupporttop—downapproach[J].JournalofNeuroengineeringandRe—

  fortherapyofwalking[J].NeuralSystemsandRehabilita-habilitation,2011,8(1):66.

  tionEngineering,IEEETransactionson,2008,16(3):264_一[23]LanghomeP,CouparEPollockA.Motorrecoveryafter

  269.stroke:asystematicreview[J].TheLancetNeurology,2009,8

  [13】SeoKH,LeeJJ.Thedevelopmentoftwomobilegaireha—t(8):741—754.

  bilitationsystems[J].NeuralSystemsandRehabilitationEn·[24]HuXL,TongKSongR,eta1.Acomparisonbetween

  gineering,IEEETransactionson,2009,l7(2):156—166.electromyography—drivenrobotandpassivem

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