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(xué)會（CCF）主辦，雷鋒網(wǎng)、香港中文大學(xué)（深圳）承辦，深圳市人工智能與機器人研究院協(xié)辦，得到了深圳市政府的大力指導(dǎo)，是國內(nèi)人工智能和機器人學(xué)術(shù)界、工業(yè)界及投資界三大領(lǐng)域的頂級交流博覽盛會，旨在打造國內(nèi)人工智能領(lǐng)域極具實力的跨界交流合作平臺。

7月13日，東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院的院長、生物電子學(xué)國家重點實驗室副主任宋愛國發(fā)表了主題為《肢體運動康復(fù)機器人技術(shù)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(shù)、空間機器人技術(shù)、助老助殘康復(fù)機器人技術(shù)的研究，他也編寫了5項特種機器人國家標(biāo)準(zhǔn)。

宋愛國教授的團隊重點開展力反饋遙操作機器人技術(shù)研究，2001年開始面向醫(yī)療領(lǐng)域開展醫(yī)療機器人的研究，2003年與美國西北大學(xué)進行科研合作，將力反饋遙操作機器人技術(shù)用于中風(fēng)病人的康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，進行康復(fù)機器人技術(shù)的研究。

在演講中，宋教授論述了康復(fù)機器人產(chǎn)生的背景，“在上一世紀(jì)90年代之前，由于康復(fù)醫(yī)學(xué)還沒有發(fā)現(xiàn)人的大腦具有可塑性，當(dāng)時的康復(fù)機器人以康復(fù)護理機器人為主。一直到上世紀(jì)90年代中后期，由于康復(fù)醫(yī)學(xué)理論的發(fā)展，康復(fù)機器人技術(shù)研究重點從康復(fù)護理機器人轉(zhuǎn)向康復(fù)訓(xùn)練機器人?！?/p>

而且，結(jié)合我國的實際情況，宋教授提出將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和康復(fù)機器人相結(jié)合，研究遠(yuǎn)程康復(fù)機器人技術(shù)，使患者能夠在社區(qū)醫(yī)院、養(yǎng)老院或家庭通過訓(xùn)練師的遠(yuǎn)程控制機器人進行自助式康復(fù)訓(xùn)練?！把兄圃囼炦^程中康復(fù)醫(yī)生曾提出遠(yuǎn)程康復(fù)機器人采用一對一訓(xùn)練方式，雖然減輕了患者的負(fù)擔(dān)，但是醫(yī)生的效率沒有提高，所以希望讓一個康復(fù)訓(xùn)練師同時遠(yuǎn)程控制兩到三臺機器人，幫助兩到三個病人進行康復(fù)訓(xùn)練?！?/p>

因此，東南大學(xué)牽頭聯(lián)合中科院合肥智能機械研究所、華中科大、錢璟康復(fù)股份有限公司等承擔(dān)了國家863重點項目:“網(wǎng)絡(luò)化一對多遠(yuǎn)程助老助殘康復(fù)機器人研究”。

康復(fù)機器人的發(fā)展有4項關(guān)鍵的技術(shù)：（1）適應(yīng)于人的機構(gòu)設(shè)計、（2）力反饋技術(shù)、（3）安全控制技術(shù)、（4）定量評估技術(shù)。圍繞這些技術(shù)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(xiàn)場演講內(nèi)容，雷鋒網(wǎng)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(fù)機器人技術(shù)的研究與進展》，主要分三個方面介紹。

大家知道康復(fù)機器人是本世紀(jì)初發(fā)展起來的，有著多重背景。

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

以前的中風(fēng)病人經(jīng)搶救后多數(shù)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?jīng)]有幫助，應(yīng)該進行康復(fù)訓(xùn)練，幫助他慢慢恢復(fù)運動功能。

在上世紀(jì)90年代，神經(jīng)康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展發(fā)現(xiàn)大腦是具有可塑性的，人的運動神經(jīng)可以進行重構(gòu)，通過不斷地訓(xùn)練能夠恢復(fù)大部分的運動功能。下圖為康復(fù)訓(xùn)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(xùn)練一個月后，她就可以自己走了，再經(jīng)過一個月的訓(xùn)練，她就能夠扔掉拐杖了。

我國政府對康復(fù)機器人的發(fā)展也非常重視，早在2002年，我們國家就提出了“人人享有康復(fù)服務(wù)”的戰(zhàn)略目標(biāo)，2015年國務(wù)院又發(fā)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(fù)醫(yī)學(xué)還沒有發(fā)現(xiàn)大腦的可塑性，當(dāng)時的康復(fù)機器人以康復(fù)護理機器人為主，希望機器人把中風(fēng)病人或偏癱病人服侍好，實現(xiàn)自動喂飯、喂水。到上世紀(jì)90年代后期，康復(fù)機器人的發(fā)展從康復(fù)護理機器人轉(zhuǎn)向康復(fù)訓(xùn)練機器人。

這是一些代表性的康復(fù)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(yīng)用的康復(fù)機器人。

2000年左右，美國斯坦福大學(xué)、美國加州大學(xué)都研制了一些康復(fù)機器人，這些都是非常有代表性的康復(fù)訓(xùn)練機器人。

這是瑞士蘇黎士聯(lián)邦理工大學(xué)研制的上肢康復(fù)機器人，他們的研究非常出色，特別是在臨床實驗、產(chǎn)品的研發(fā)以及與企業(yè)的合作方面做得很好。這一款A(yù)rmin1，在上肢訓(xùn)練中的性能是非常突出的。

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

這是蘇黎士聯(lián)邦理工大學(xué)研制的下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人Lokomat，價格將近400萬。國內(nèi)有幾家醫(yī)院購買了這個設(shè)備，大家可以看到它的減重裝置和下肢主被動訓(xùn)練情況。

大家可以看到人工訓(xùn)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(xùn)練就非常輕松，這個機器人能夠有效提高康復(fù)訓(xùn)練過程的效率。

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

國內(nèi)的研究比國外要晚一些，國內(nèi)最早的研究是2000年左右，當(dāng)時是清華大學(xué)開展了一些研究，但是國內(nèi)各個科技計劃都沒有對康復(fù)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(wù)機器人規(guī)劃。

非常榮幸，科技部當(dāng)時讓我負(fù)責(zé)助老助殘機器人規(guī)劃的編寫工作，因為我們課題組從2003年開始研究康復(fù)機器人技術(shù)，因此在2005-2006年的863服務(wù)機器人規(guī)劃制訂中，我就加了康復(fù)機器人的研究內(nèi)容，并起草了康復(fù)機器人研究發(fā)展規(guī)劃，后來這個規(guī)劃得到了科技部批復(fù)，并在863計劃機器人技術(shù)主題正式立項資助。

中科院也將康復(fù)機器人列入機器人技術(shù)的重點發(fā)展計劃，所以從2006年以后康復(fù)機器人研究就在國內(nèi)開始得到各類科技計劃的經(jīng)費資助，2010年以后康復(fù)機器人開始被學(xué)術(shù)界、醫(yī)學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界普遍重視。

目前我國開展康復(fù)機器人研究的高校眾多，而且研發(fā)的企業(yè)也很多。10年前只有十幾家公司在作研發(fā)，現(xiàn)在從事康復(fù)機器人研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)有200多家。

但是我國的康復(fù)機器人研究存在著醫(yī)工結(jié)合不緊密的問題，特別是企業(yè)、高校和醫(yī)院的結(jié)合不緊密。

我認(rèn)為康復(fù)機器人有這么幾個關(guān)鍵技術(shù)：

第一個是適應(yīng)人的機構(gòu)設(shè)計，因為它畢竟是進行人體運動康復(fù)訓(xùn)練的。例如人的肩關(guān)節(jié)有三個自由度非常復(fù)雜，你的機構(gòu)怎么適應(yīng)肩關(guān)節(jié)運動，瑞士蘇黎士聯(lián)邦理工大學(xué)的康復(fù)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(shù)，在康復(fù)機器人當(dāng)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(qū)動能力，但是現(xiàn)在很多康復(fù)機器人沒有這個反向驅(qū)動能力，這就導(dǎo)致只能被動訓(xùn)練，無法主動訓(xùn)練。比如說外骨骼機器人，它是鎖死的，它沒有反向驅(qū)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(fù)機器人是進行康復(fù)訓(xùn)練的醫(yī)療設(shè)備。但是如果控制不安全，就很可能造成訓(xùn)練損傷，這種事情近幾年已經(jīng)發(fā)生了很多起。

第四個是定量評估技術(shù)，患者失能狀態(tài)、康復(fù)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(xué)的評估技術(shù)。

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(shù)的研究，從2003年開始和美國西北大學(xué)合作，并將力反饋遙操作機器人應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域。

現(xiàn)在我國的老齡化越來越嚴(yán)重，康復(fù)訓(xùn)練師很少，但運動障礙人群很多。所以我們當(dāng)時提出，面向我國的實際情況，將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和康復(fù)機器人相結(jié)合，研究遠(yuǎn)程康復(fù)機器人，實現(xiàn)社區(qū)醫(yī)院、養(yǎng)老院或家庭自助式康復(fù)訓(xùn)練。

所以康復(fù)機器人本體機構(gòu)盡量要進行輕便化設(shè)計，甚至是可穿戴的，然后要把飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合進來。

我們在2003年開始研究了面向家庭和社區(qū)醫(yī)院的遠(yuǎn)程化康復(fù)機器人技術(shù)，當(dāng)時以上肢康復(fù)機器人為主，病人在醫(yī)院主要做被動訓(xùn)練，被動訓(xùn)練階段結(jié)束后病人回到家中或養(yǎng)老院，就以遠(yuǎn)程化的主動訓(xùn)練為主。

訓(xùn)練過程還是非?？菰锏?，按照康復(fù)醫(yī)學(xué)的理論，病人越投入、越積極，恢復(fù)得就越快，因為它畢竟是一種運動神經(jīng)系統(tǒng)的恢復(fù)，所以我們也編了很多的游戲配合康復(fù)機器人。

我們2006-2007年在中大醫(yī)院做了一年半的康復(fù)機器人臨床試驗。當(dāng)時主要是驗證我們研發(fā)的桌面式遠(yuǎn)程康復(fù)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(fā)現(xiàn)虛擬游戲非常重要。康復(fù)游戲跟康復(fù)機器人相結(jié)合，才能使得病人能夠積極有效地進行康復(fù)訓(xùn)練。

這套系統(tǒng)我們后來跟錢璟公司合作，進行了一些產(chǎn)業(yè)化工作。我們研究了這種桌面式康復(fù)機器人，主要是面向社區(qū)醫(yī)院和福利院。

在當(dāng)時的試驗中，醫(yī)生希望可以遠(yuǎn)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(fù)訓(xùn)練，從而提高康復(fù)訓(xùn)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(fù)機器人，針對老年人居家康復(fù)或在養(yǎng)老院的康復(fù)訓(xùn)練。2007年這項建議被863計劃列為重點項目，我們聯(lián)合多家單位開始研究一對多的康復(fù)機器人。

我們當(dāng)時按照一個康復(fù)訓(xùn)練師遠(yuǎn)程控制三個不同的康復(fù)機器人的思路開展研究，醫(yī)生可以在康復(fù)中心通過網(wǎng)絡(luò)對三臺位于不同養(yǎng)老院的康復(fù)機器人進行遠(yuǎn)程設(shè)置和控制，三臺康復(fù)機器人有上肢的，也有下肢的。

這是遠(yuǎn)程康復(fù)機器人的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。在這個過程中，要對病人的生理信息進行監(jiān)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(fēng)往往是高血壓引起的，在訓(xùn)練過程中，我們在前面還進行情緒的判斷，先由醫(yī)生跟他進行交流，看他情緒是否合適訓(xùn)練。此外對患者的血壓、脈搏、血氧、心率的監(jiān)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(yī)生也可以遠(yuǎn)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(xùn)練過程。如果醫(yī)生發(fā)現(xiàn)患者的情緒過于高漲，它也會終止這個過程。

這是我們研發(fā)的醫(yī)生端的界面，醫(yī)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(yī)生能夠監(jiān)控到三個病人以及三臺機器人。

這是實際應(yīng)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(yī)生進行視頻對話。

另外，我為這個機器人開發(fā)了很多游戲。因為在臨床當(dāng)中，我們也發(fā)現(xiàn)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(shè)計得像一個游戲機，不像機器人，實際上它本質(zhì)還是一個機器人。

這是它的電路，其中有一個很重要的執(zhí)行器。我剛才講到，為什么說力反饋技術(shù)在這里面很重要呢？在主被動訓(xùn)練里面，你要產(chǎn)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(qū)動的功能。

所以我們在這里設(shè)計了一種新穎的磁流變執(zhí)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(fù)機器人，這是由中科院合肥智能研究所研制的下肢三關(guān)節(jié)康復(fù)機器人，包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)。

這是我們設(shè)計的磁流變電機，可以產(chǎn)生安全可靠的力反饋。

這是整個系統(tǒng)的構(gòu)成。

后面我們還做了很多臨床試驗，我們在中大醫(yī)院和同仁醫(yī)院做了100多例病例。這是做被動訓(xùn)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(tài)，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(xùn)練，病人已經(jīng)開始可以做主動的訓(xùn)練。剛開始他的主動訓(xùn)練的力量和幅度都非常非常小，需要進行助力的訓(xùn)練。這是經(jīng)過四周的訓(xùn)練，他的主動運動的范圍都比原來顯著提高了，當(dāng)然他還要訓(xùn)練，這個病人在醫(yī)院一共待了4個多月才回家。

這是我們的主被動訓(xùn)練數(shù)據(jù)，最右邊這個是健康受試者的數(shù)據(jù)，和前面的患者情況進行比較，這個曲線比較復(fù)雜，我們后面用一個柱狀圖來表示。在這個圖當(dāng)中，最右邊這個是正常人的，黑色部分是訓(xùn)練以后的情況，最左邊是訓(xùn)練前的情況?？梢钥吹酵ㄟ^四周的康復(fù)訓(xùn)練，他的運動范圍、活動能力，不管是被動訓(xùn)練還是主動訓(xùn)練，都明顯提高，當(dāng)然離正常人還有一段距離。

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

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

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

這是我們這幾年開發(fā)的桌面式上肢康復(fù)機器人。這套系統(tǒng)正在華山醫(yī)院做一些臨床實驗，我們編寫了很多的康復(fù)游戲。

這是我們目前承擔(dān)的一個國家重點研發(fā)項目，在遠(yuǎn)程康復(fù)、面向居家的康復(fù)、養(yǎng)老院的康復(fù)，醫(yī)生最關(guān)心的就是安全性問題。因為康復(fù)訓(xùn)練師不在你身邊，是通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程聯(lián)系的，所以安全性非常重要。

我們在這個重點研發(fā)項目里面，提出利用柔索結(jié)構(gòu)實現(xiàn)主被動的康復(fù)訓(xùn)練。柔索的結(jié)構(gòu)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(shè)計了一種新的結(jié)構(gòu)，把電機和柔索分開，我們這里仍然用到了磁流變的執(zhí)行器，因為它可以產(chǎn)生0.5牛米甚至1牛米的力。

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

我們和常州錢璟公司合作，開發(fā)具有力反饋的情景交互式的康復(fù)機器人。這是他們自己研發(fā)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(shù)應(yīng)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(fā)了4款交互式康復(fù)訓(xùn)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(huán)境中進行康復(fù)的訓(xùn)練。

最后再簡要講一下我們制訂的康復(fù)機器人標(biāo)準(zhǔn)的情況。這個標(biāo)準(zhǔn)目前還沒批下來，我就簡單介紹一下。這是前幾年我們負(fù)責(zé)的《運動康復(fù)訓(xùn)練機器人通用技術(shù)條件》國家標(biāo)準(zhǔn)。去年12月底遞交了最終稿，正在等待審批。

這個標(biāo)準(zhǔn)主要適用于在康復(fù)醫(yī)師、康復(fù)治療師和專業(yè)護理人員的指導(dǎo)下，通過運動方式輔助受訓(xùn)者進行肢體康復(fù)訓(xùn)練的機器人。

它主要規(guī)定了運動康復(fù)訓(xùn)練機器人的術(shù)語和定義、分類、產(chǎn)品型號組成、基本結(jié)構(gòu)、功能要求、性能與運行參數(shù)要求、安全、試驗方法、檢驗規(guī)則、標(biāo)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(jié)束。雷鋒網(wǎng)

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