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智能控制:助行器技术发展方向
2020年03月17日 | 点击数:600 | 【】【】【
    衰老和残疾会导致步态变化及平衡能力下降,这是人的自主活动能力减弱的主要原因。维持独立行动能力是人们面对衰老和伤残时的共同目标。使用助行器可扩大行走时的支撑基面,使身体重心在更大范围内活动,对下肢功能的锻炼、康复也有一定的辅助作用,适用于因疾病而下肢行动不便者和下肢肌力较弱的老年人。随着社会老龄化进程加快,未来几十年内,我国助行器使用量将大幅增加。
 
    种类多样
    根据GB/T 14730-2008《助行器具 分类和术语》,助行器具(assistive pr oducts f or wal king)是辅助使用者行走的支撑器具,分为双臂操作助行器具和单臂操作助行器具。考虑到操作力源,助行器还可分为无动力助行器、动力式助行器和功能性电刺激助行器。
 
    无动力助行器
    无动力助行器通常是将下肢负重转移到上肢来进行步态辅助,它能增加人体的静态和动态平衡能力,提供身体支撑。双臂操作助行器具和单臂操作助行器具都属于无动力助行器。
 
    动力式助行器
    过去几十年间,一些研究人员开发出了智能轮椅、拐杖和步行器,整合了机器人技术、电子技术和机械技术的新型助行器出现,它们被称为“智能步行者(smar t wal ker s)”。以上新技术的整合改进创新了助行器的身体支撑、感知及意图识别等功能,使助行器能更好地适应用户的个人需要。从广泛意义上讲,智能助行器主要是利用科技手段,针对不同环境、情形下的助行需求,通过实现不同的功能对使用者给予不同的助行援助。
 
    增加电刺激功能的助行器
    这种助行器在设计中加入功能性电刺激(Funct ional El ect r ic St imul ation,FES),为中枢神经系统损伤所致瘫痪肌肉类型等的运动功能重建及锻炼提供了有效手段。增加电刺激功能的助行器对三瘫(偏瘫、截瘫和脑瘫)病人具有一定的治疗效果,在助行方面主要可增强肌力,纠正足下垂和异常步态。
 
    智能化控制
    智能助行器的感知系统
    智能助行器的感知系统分为基于视觉信息的感知系统、基于运动信号的感知系统和基于生理电信号的感知系统。
    有视力障碍的使用者无法通过自身视觉来获取周围环境的信息,这对其正常行走带来极大不便。对他们而言,智能助行器上基于视觉信息的感知系统至关重要。智能助行器可通过其附载的视觉传感器获取环境信息,识别并判断行走环境中的障碍物,从而规划出正确的运动路径,引导使用者行走。
    基于运动信号的感知主要通过检测使用者肢体及助行器的运动角度、速度、位置、力等信号,判断使用者及助行器的运动趋势和状态。位移传感器、惯性测量单元、加速度计等传感器可检测位置、角度、加速度等运动信号。当使用者发出不同动作时,其身上装备的可穿戴传感器会发生相应的物理量变化,检测变量也随之改变,从而获得使用者当前的运动状态信息。
    基于生理电信号的感知通过各种侵入式和非侵入式的生理电信号采集装置(如MEMS微针阵列干电极等设备),采集使用者的生理电信号。
 
    智能助行器的交互系统
    在使用者使用智能助行器的过程中,智能助行器与使用者之间以一定的交互方式,通过接口,为完成助行功能而进行信息交换。在人机交互方式中,触觉/力交互、语音交互、手势交互和基于生理电信号的交互等较常见。
    在触觉/力交互中,使用者在意图方向上产生力意图,系统感知到人的期望力强度和期望力方向,对人的意图进行建模,从而获取使用者的运动意图,使助行器作出相应反应。
    在语音交互中,使用者可通过语音方式对助行器发出命令,助行器也能通过振动提示或语音回复将状态反馈给使用者,适合视觉障碍人群使用。
    基于生理电信号的交互方式一般用于肢体末端缺失或力量不足以表达运动意图,以及使用者完全丧失行动能力的情况,也常用于智能轮椅、智能假肢、可穿戴外骨骼等其他智能助行设备。
 
    智能助行器的控制系统
    当前,在智能助行器的控制方法研究中,大多是基于感知系统获取的运动意图来对机器人进行位置控制、力控制、力/位混合控制,以及基于生理电信号的控制。
    在位置控制方法中,通过感知系统获取的运动意图信号或依据活动要求设定的运动轨迹,通过控制助行器的实际位置与期望的运动位置间的误差,并使之不断收敛,使助行器能支撑使用者在预期的活动方向上运动。
    在力控制方法中,相关研究提出了基于全向式助行拐杖机器人辅助使用者进行行走的动态意图导纳模型,以及在线意图提取估计算法,以保证助行机器人能够基于力意图,按照使用者的意愿进行相应的运动控制。其通过提取使用者的手掌、前臂与机器人的交互力,准确判断使用者的行走意图和起坐意图,辅助使用者进行起、坐姿态转换和行走。
    在力/位混合控制中,一般依赖于期望位置与实际位置的偏差以及期望交互力与实际交互力的偏差,对智能助行器进行控制,使智能助行器在满足助行器运动位置和人机交互力符合预期的条件下,辅助使用者行走。
 
    人性化设计
    人机工程学的基础研究对象是人—机—环境系统,运用生理学、心理学和有关学科的知识,根据人与机器的条件和特点,合理分配人与机器承担的操作职能,并使之相互适应,实现人—机—环境的最佳匹配和最优化。
    设计助行器要从老年人、残疾人的运动系统生理特性出发,充分考虑以上人群的心理特点,结合人机工程学原理和准则来完成。助行器产品设计需满足以下三个原则。
 
    安全性原则
    助行器的设计应注重整体结构的稳定性,增加产品的易用性,且应注意产品使用和操作方法的清晰、简洁,避免因操作复杂而引起一系列安全问题。在助行器的使用过程中,应通过控制策略实时监测使用者和助行器的异常状态,并及时反应,保障使用者的安全。
 
    可调节性原则
    助行器使用者年龄跨度大,身体素质不一,生活环境不同,针对这一情况,可通过统计、测试得出人体各部位结构的尺度参数范围,并结合老年人的身体退化规律进行对比分析,以增强产品的可调节性,使其适用于更多的人群。
 
    标准化原则
    如今,我国助行器行业处于发展初期,存在产品单一、设计不够人性化等问题。为使老年人、残疾人能够更好地使用和维护助行设备,我们应加快助行器产品的标准化工作,尽早解决组件更换难等问题,并推动助行器和使用环境的进一步融合。
 
    研究有待深入
    目前,关于何种失能状况人群应使用助行器,我国缺乏系统的研究及相应的规范、指南。同时,有关助行器对人体运动生理系统所造成影响的研究还不够深入,对助行器重量、安全性、价格等方面的研究也存在不足。
    未来,助行器的发展应以价格适宜、易用、安全为目标,并结合智能技术、新传感技术、控制技术和电机技术等,使用轻质、高强度的新材料,基于生物力学、人机工效学对产品设计进行优化,实现个性化的结构设计。
    科技的发展给助行器行业带来新机遇,使得将机器人、传感器以及电路集成到此类设备上成为可能。目前,我们需要基于现有技术研发新式助行器,并且应更加注重人机交互、智能化及功能的扩展性。
    智能助行器的推广和应用有望调和传统助行器功能单一性与使用者需求多样性间的矛盾,可减少使用者在行走时的能量消耗,帮助其更轻松、自由地行走,以达到提高使用者生活质量,并带动相关产业发展的目的。
 
   (来源:《中国医疗器械行业发展报告(2019)》)
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