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智能轮椅

随着社会的发展和人类文明程度的提高,人们特别是残疾人愈来愈需要用现代高科技来改善他们的生活质量和生活的自由度。因此,为残疾人或行动不便者提供有行走能力的机器人轮椅是个人服务机器人的一个重要应用。机器人轮椅与普通的机械式轮椅不同,它可以具有视觉导航、口令导航等功能,并能与人进行语音交互。

智能轮椅

机器人轮椅技术的关键是安全岢航问题,采用的基本方法是用超声波、红外线和视觉测距,也有采用口令控制。超声波和红外线导航的主要不足是可控测量范围有限,视觉导航可以克服这方面的不足。机器人轮椅还具有与轮椅使用者交互的功能,这种交互最直接的方式是通过语音对话来实现。为实现这些功能,机器人轮椅的控制系统应包括口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能。

 

如厕护理机器人

“如厕护理”机器人是由日本岩手大学开发的,是老年人的好帮手。

这种“如厕护理”机器人外表并不像人。它由两部分组成:一部分是通过遥控可移到床前的马桶;另一部分是帮助老人从床上起来,把他们送到马桶边的辅助装置。移动式马桶放在可全方位移动、由直流马达驱动的平板车上。辅助装置由可操作的方向盘和双脚站立的台予组成,方向盘可旋转,也可上下移动。

如厕护理机器人

如厕时用小型控制器令马桶移至床前。老人睡在床上从侧而抓取方向盘,方向盘会自动升高,把人从床上带起来,脚站到台予上之后转动方向盘,可操纵辅助装置向马桶移动。

这种机器人能大大提高老人的生活自理能力,既减轻了护理者的负担,又提高了老年人的生活质量。

 

医院智能跑腿机器人

 

松下电工在“ROHODEX 2003”展会上展出的具有自律控制功能的医院智能跑腿机器人“HOSPI”。

医院智能跑腿机器人

该机器人主要用以代替人传递X光片、样本和药品等。它的特点是具有“认人”功能,可以根据每个人在各种场合下的面部图像、计算出其实质特征并存储,供识别时使用。

由于能够利用亮度补偿后的浓淡图像检测人的面部,因此即便周围的照明条件复杂,也能够正确识别。结合用于检测对象物体的下部是否有“腿”的“激光前达”信息,能够准确地找到对象物体,比如点滴架和病床等。

“护士助手”机器人

看到现在世界上有这么多形形色色的机器人,你也许会问世界上第一台真正意义上的机器人是谁发明的?发明第一台机器人的正是享有“机器人之父”美誉的恩格尔伯格先生。

恩格尔伯格是世界上最著帛的机器人专家之一,1958年他建立了Unimation公司,并于1959年研制出了世界上第一台工业机器人,他对创建机器人工业作出了杰出的贡献。1983年,就在工业机器人销售日渐火暴的时候,恩格尔伯格和他的同事们毅然将Unimation公司卖给了西屋公司,并创建了TRC公司,开始研制服务机器人。

恩格尔伯格认为,服务机器人与人们生活密切相关,服务机器人的应用将不断改善人们的生活质量,这也正是人们所追求的目标。一旦服务机器人像其他机电产品一样被人们所接受,走进千家万户,其市场将不可限量。

恩格尔伯格创建的TRC公司第一个服务机器人产品是医院用的“护士助手”机器人。它于1985年开始研制,1990年开始出售,目前已在世界各国几十家医院投入使用。“护士助手”除了出售外,还出租。由于“护士助手”的市场前景看好,现已成立了“护士助手”机器人公司,恩格尔伯格任主席。

“护士助手”机器人

“护士助手”是自主式机器人,它不需要有线制导,也不需要事先作计划,一旦编好程序,它随时可以完成运送医疗器材和设备,为病人送饭,送病历、报表及信件,运送药品,运送试验样品及试验结果等任务。

该机器人由行走部分、行驶控制器及大量的传感器组成。机器人可以在医院中自由行动,其速度为0.7m/s左右。机器人中装有医院的建筑物地图,在确定目的地后机器人利用航线推算法自主地沿走廊导航,由结构光视觉传感器及全方位超声波传感器可以探测静止或运动物体,并对航线进行修正。它的全方位触觉传感器保证机器人不会与人和物相碰。车轮上的编码器测量它行驶过的距离。在走廊中,机器人利用墙角确定自己的位置,而在病房等较大的空间时,它可利用天花板上的反射带,通过向上观察的传感器帮助定位。需要时它还可以开门。在多层建筑物中,它可以给载人电梯打电话,并进入电梯到所要到的楼层。该机器人有较大的荧光屏及用户友好的音响装置,用户使用起来迅捷方便。

进入血管的机器人

在美国洛杉矶市举行的一次新闻发布会上,与会者在投影屏幕上看到了这样组镜头2005年的某一天,一个由直径只有30um的齿轮装配成的小小机器人,被植入血管里。这个小小机器人像潜水艇一样在血液的河流中自由自在地游动着。一旦遇到血管中淤积或漂浮的胆固醇、脂肪,它们就毫不留情地扑上去,迅速将其撕烂嚼碎。同凶恶的病毒相遇时,它们也毫不畏惧,挺身而出。可是,病毒是很狡猾的,它们眼看对方来势凶猛,往往会装出一副缩头缩尾的可怜相,好像已经投降;或者干脆一下子躺下,一动不动,似乎已经成了一具僵尸。机器人善良大度,它们大踏步地从这些已经放下武器的敌人身边走过。

进入血管的机器人

但是,受到优待的病毒并没有就此罢休,等机器人擦肩而过后,它们一跃而起,开始从背后恶狠狠地攻击机器人,机器人不断倒下。

您别着急,这些机器人体内有纠错程序。它们中的许多机器人在吃了一次亏之后,只要不是光荣牺牲,它们便能自动调整行为方式。于是,机器人不再老实可欺。它们见到病毒后,不管它们如何伪装,非要杀它个片甲不留。

病毒也随机应变,当它们同机器人相遇时,便拼命膨胀躯体,虚张声势,竭力装出一副凶神恶煞的模样。可是,大脑内藏有“超级勇敢”程序的机器人,英勇善战,视死如归,决心以自己的生命来捍卫主人的健康。于是机器人同病毒进行了激烈的大搏杀。最后,病毒被不断歼灭。病毒的碎块不断渗透出血管,流入肾脏,通过尿液排除体外。于是动脉畅通无阻,人体更加健康。

上进有关超微技术的剧情是根据科学家的设想编造出来的,但这并不足无法实现的梦想,随着微机电技术的发展,幻想正一步步走向现实。

1988年5月27日.美国加利弗尼亚大学的两位华裔研制出了只有76um的微马达。

1991年11月,日本电子公司的科研人员在当时最先进的“电子隧道扫描显微镜”下.用“超微针尖”将硅原子排成金字塔形的“凹棱锥体”,它只有36个原子那样高,这是人类首次用手工排列原子,在世界原子物理界引起轰动。

1996年7月,美国哈佛大学研制成功了直径只有7um的涡轮机。一张邮票上可以放置几千个这种涡轮机。只有在超高倍显微镜下才能看清楚它的外形和结构。我国也已研制出了1mm电机。

超微技术现在与老百姓的关系还不密切,这主要足因为它们还不实用。对此,美国斯坦福大学的现代超微物理学专家本杰明金博士作了这样的描迷“未来人们将研制出高度智能化的人造跳蚤、蜘蛛等动物。它们集超微型电脑、驱动器、传动装置、传感器、电源等于  体,成为人类十分独特、而且非常得力的助手。它们将广泛应用于医疗、农业、工业、航天、军事等各个领域。除了人们津津乐道的注入血管清除毒物的功能外,在外科手术上还可用微马达来缝合神经、微血管、眼球等;还可用它来深入人体内脏,如肾、心脏等作检查。”

这位教授最后说“与目前许多处于试验阶段的高新尖端技术样,超微技术产品的潜在价值和用途一时还很难设想。但是,可以相信在将来的某一天,这种巧夺天工的产品会悄悄进入我们的家庭,起到种种奇妙无比的作用。”

救护机器人

美国的科学家已经研制成功了这种救护机器人,他们把这种体积小巧、灵活能干的救护机器人固定在战士的军装上,使这种军装成为“救命衣”。

救护机器人

这种机器人功能十分强大,如果枪弹击中战士,机器人就将止疼剂和抗菌剂迅速向伤口释放,以防止战士伤口被感染。救命衣上的机器人还能控制上面的感觉灵敏的微型麦克风。 一旦战士的身体某个部位被击中,该部位附近只有笔尖大小的麦克风,能接收到被击巾的信息,并会向机器人的大脑发送这一信息。机器人会很快判断出受伤的具体部位、受伤的严重程度,从而采取相应的处理措施。假设某战士肺部被击中而受伤,肺部会放出一定的气体、产生一定的声音,机器人可以从气体及声音等情况,判断出是肺部受伤以及受伤的轻重程度。机器人在采取措施的同时,会判断自己能否完全解决。如果伤情严重,机器人会向医务人员发出相应的信息,以便让医护人员来处理。这种机器人当然也可以用在警察和其他有工作需要的人身上。

口腔修复机器人

牙齿是人类健康的保护神,拥有一口结实、完好的牙齿是身体健康的保证。然而随着人年龄的增长,牙齿将会出现松动脱落。目前,世界上大多数发达国家都步入了老龄化社会,很多老人出现了全口牙齿脱落。全口牙齿脱落的患者,称为无牙颌,需用全口义齿修复。在我国目前有近1200万无牙颌患者。人工牙列是恢复无牙颌患者咀嚼、语言功能和而部美观的关键,也是制作全口义齿的技术核心和难点。传统的全口义齿制作方式是由医生和技师根据患者的颌骨形态,靠经验,用手工制作,无法满足日益增长的社会需求。北京大学口腔医院、北京理工大学等单位联合成功研制出口腔修复机器人

口腔修复机器人

这是一个由计算机和机器人辅助设计、制作全口义齿人工牙列的应用试验系统。该系统利用图像、图形技术来获取生成无牙颌患者的口腔软硬组织计算机模型,利用自行研制的非接触式三维激光扫描测量系统来获取患者无牙颌骨形态的几何参数,采用专家系统软件完成全口义齿人工牙列的计算机辅助统计。另外,科学家们还发明和制作了单颗塑料人工牙与最终要完成的人工牙列之间的过渡转换装置——可调节排牙器。

基于机器人可以实现排牙的任意位置和姿态控制,利用口腔修复机器人相当于快速培养和造就了一批高级口腔修复医疗专家和技术员。利用机器人来代替手工排牙,不但比口腔医疗专家更精确地以数字的方式操作,同时还能避免专家因疲劳、情绪、疏忽等原因造成的失误。这将使全口义齿的设计与制作进入到既能满足无牙颌患者个体生理功能及美观需求,又能达到规范化、标准化、自动化、工业化的水平,从而大大提高其制作效率和质量。

伤残人助理机器人

英国MikeTopping公司从1987年研制的一种称为Handy 1 的机器人,能为患有脑瘫、运动神经元疾病、中风、肌肉营养不良等疾病的残疾人和意外事故的受伤者提供就餐、洗脸、刮脸、刷牙和化妆等各种服务。

伤残人助理机器人辅助就餐主要是依靠在其托盘部分安装的一个光扫描系统,使病人能够从餐盘的任何部分选择食物。其原理是,一旦系统通电,餐盘中的食物就被分到若干格中,共有七束光线在餐盘的后而从左向右扫描。病人只需等到光线扫到他想吃的食品的那格后面时,按动单一开关,机器人前进到餐盘中所选中部分,盛出一勺食物送到病人的嘴里。病人可以按照所希望的速度盛取食物,这一过程可重复进行.直到盘子空了为止。

伤残人助理机器人

伤残人助理机器人除了可以帮助病人吃饭和喝水外,还可以更换不同的托盘系统,帮助残疾人完成洗脸、刮脸、刷牙和化妆等活动。洗脸,刮脸,刷牙托盘系统在工作时,先拿起一块海绵,把它放到水盆中,挤出多余的水,再给海绵打上香皂并放到脸上。等病人洗完脸后,机器人用水冲洗,然后用热空气吹干。该托盘还装有一个电刮脸刀、一把牙刷和一个漱口用的水杯。所有这些用品都可以拿起来并以任意的顺序使用。化妆托盘可以帮助女患者完成化妆,在托盘的格内放有不同的化妆品,如腮红、粉底霜、眼影和口红等。使用时,各种类型化妆品旁的一组光线开始扫描,当病人想要的化妆品旁的光线发亮时,按动开关,机器人选择化妆工具并将适量的化妆品加到化妆工具上,然后移到脸部的适当位置上,进行化妆。

伤残人助理机器人的简便性及多功能性会对残疾人和护理人员具有很大的吸引力,因为它为有特殊需求的人们提供了较大的自主性,使他们增加了融入到正常环境中的机会。

辅助内镜外科手术机器人

内镜外科手术是近十几年发展起来的种微创伤外科手术。与传统的开放性外科手术比较,具有创伤小、可减轻患者痛苦、术后恢复快、有利于降低医疗社会成本等优点。目前,内镜外科手术已得到医学界的普遍认可,已有成千上万的患者受益于此项技术。到2000年,美国、欧洲和日本等西方国家有60%~80%的腹腔外科手术采用内镜外科手术方式。我国部分医院也在外科和妇科开始应用内镜外科手术。

但是,现有内镜外科手术机器人还存在不足之处,主要问题是:

①手术时医生需要一边观察监视器上的图像,一边操作手术器具,而内镜则需要由另一名医生操作,这样,不仅要花费较多的人力,而且难以保证内镜的准确定位和图像的稳定性,影响手术的安全系数。

②医生操作内镜时缺乏应有的触感,容易产生错误动作,而引起对内脏器官的损伤。为此,采用内镜手术要求医生经过专门训练,具有熟练精湛的操作技巧,从而影响了这项技术的普及。

为克服上述内镜外科手术存在的不足之处,近年来,将机器人技术、计算机图像技术、现代信息处理技术、控制技术等与微创外科手术相结合,研究开发辅助内镜外科手术机器人系统已成为内镜外科手术的发展方向。

辅助内镜外科手术机器人

辅助内镜外科手术机器人足由机器人手臂代替人手操作内镜、机器人手臂可实现微小运动、微小定位和微操作功能,以满足内镜在人体内的姿态控制和深度控制要求。在进行远程外科手术时,有经验的医生可在控制室内通过视频监视器、遥控台及声音通信去操作手术室里的机器人手臂和对现场手术医生进行全过程指导。

辅助内镜外科手术机器人系统的关键技术有

①机器人运动机构和微小定位、操作的研究。

②医生与机器人协调作业系统和微控制器的研究。

③内镜实时图像处理和识别技术研究。

④基于视觉、触觉信息融合的内镜主动引导技术的研究。

⑤多媒体和信息网络在远程人机通信和协作应用的研究。

⑥系统安全性的研究。

医疗外科机器人在提高手术质量、减少手术创伤、缩短病人的恢复周期、降低病人和医院的开支等方面带来一系列的技术变革,也将改变传统医疗外科的许多概念,对新一代手术设备的丌发与研制、对医学的进步产生深远的影响。从世界机器人的发展趋势看,用机器人辅助外科手术将成为一种必然趋势。

脑神经外科手术辅助机器人

脑神经外利手术辅助机器人是近几年在多学科交叉领域中兴起,并越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题之一。它是基于计算层而扫描图像( computed tomograplly)或核磁共振图像(magnetic resonance imaging的三维医疗模型,对脑神经外科手术进行规划与虚拟操作,最后由机器人进行辅助定位或手术操作。

脑神经外科手术辅助机器人主要由手术规划和辅助手术两大部分组成。手术规划是以计算机图形学为基础,以CT、MRI、血管造影等影像学技术为主要手段获取医疗图像,并对这些图像进行处理和三维模型重建,在手术前获得病人病灶点及周围组织的三维立体图像,构成一个“虚拟病人”,通过虚拟现实技术的各种仿真及交互方法,医生可以反复对病人进行虚拟手术,确定最性的手术方案。辅助手术操作是在规划完成后,规划的手术方案的技术参数将从规划系统传送给机器人控制器,通过映射测量和映射算法将图形空间的规划参数变换到机器人操作空间,机器人按预定的手术方案完成指定的辅助手术操作。

脑神经外科手术辅助机器人

目前脑神经外科手术的发展趋势是追求安全、微创和精确,使用机器人进行立体定向脑神经外科手术能够满足这些要求,并且在微创方面获得了传统治疗方法不可比拟的良好效果。在使用机器人系统之前,国内外普遍使用的是有框架脑立体定向手术,即在患者的颅骨上固定一个金属框架并拍摄CT片。医生通过CT片来确定病灶在这全框架(也就是一个坐标系)中的具体位置并决定手术的位置。手术时在病人颅骨上钻一个小孔,将手术器械通过探针导管插入病人脑中,对病灶点进行活检、放疗、切除等手术操作。

采用机器人进行立体定向神经外科手术时,机器人可以在手术时自动计算出开颅位置和方向,井精确控制探针插入的深度。用机器人辅助立体定向神经外科手术,不但没有了固定框架给患者带来的痛苦和给医生带来的操作不便,而且提高了定位精度和操作的可视性,为患者最大限度地减少了手术创伤。目前,我国北京航空航无大学机器人研究所和海军总医院已研制出了这种机器人。1997年5月该机器人为病人实施了首例开颅手术,到2000年11月它已为140多位病人实施了这种手术。2000年11月在北京举办了“中美医用机器人临床应用学术交流会”。2000年11月15日上午,美国心外科机器人和中国脑外科机器人分别实施临床手术。四楼的手术室里,来自美国的机器人首先对59岁的患者进行冠状动脉搭桥手术。这种名叫伊索的机械手臂伸入到胸腔内,随着医生“上、下、左、右”的指令在0.2-1cm的范围内移动,寻找用于措桥的乳内动脉。美国机械手臂研制公司的副总裁张先生介绍说,传统手术中取乳内动脉要用45min,而利用机械手臂只要15min左右就可以完成。如果不采用这一手术方式,病人会留下一个20cm长的切口,由于借助机械手臂上的内窥镜,医生的视野更清晰,可以在手术图像上直接操作,这次在病人胸部的切口只有5cm。二楼手术室里,中围机器人正在为61岁的王女士进行脑部的“活检”。主刀医师赵先生说,像王女士这样病灶较深的脑外手术,以前要把四个钉子扎到颅骨上,戴着一个金属大框架,到处去做CT、核磁扫描。借助机械手臂,病人就可以抛掉大框架,借助机械手臂来定位,并为医生提供手术平台。医生通过手术台旁边的计算机屏幕,就可以为手术确定病灶点,原来至少要用半天时间才能完成的手术,现在30min就完成了。9时开始的手术,不到l0时,王女士就轻松地走下手术台,“脑里面松快多了”,王女士笑着说。辅助手术机器人的研制者之、海军总医院全军神经外科中心田增民教授介绍说,现在神经外科手术的发展趋势是追求安全性、微创性和精确性,使用机器人系统符合了这些要求,并且在微创伤方而获得了传统治疗方法不可比拟的良好效果。在使用机器人系统之前,国内外普遍采用的是有框架脑立体定向手术,即在患者的颅骨上钻四个小洞,然后固定一个金属框架。医生通过这个框架(也就是一个坐标系)来确定病灶的具体位置,并决定手术的位置。采用机器人系统,不但没有了固定框架给患者带来的痛苦和给医生带来的操作不便,而且提高了定位精度和操作的可视性,为患者最大限度地减少了手术创伤。机器人在医疗方面的应用越来越多,如用机器人置换髋骨、用机器人做胸部手术等。这主要是因为用机器人做手术精度高、创伤小,大大减轻了病人的痛苦。从世界机器人的发展趋势看,用机器人辅助外科手术将成为一种必然趋势。