内容简介
《康复辅助机器人---从原理到实践》系统介绍了康复辅助机器人从原理到实践的各个方面，涵盖了康复辅助机器人的概述、临床需求、设计方法、人机交互、控制方法、有效性评价以及具体应用案例。书中详细探讨了上肢、下肢康复辅助机器人以及假肢机器人的设计与实现，分析了功能性电刺激技术和虚拟现实技术在康复辅助机器人中的应用，并展望了康复辅助机器人未来的发展方向。此外，书中还介绍了其他典型康复辅助机器人的技术特点、适用对象及发展方向，为相关领域的研究和实践提供了全面的参考。
精彩书摘
第1章 康复辅助机器人概述
1.1 引言
随着自动化和人工智能技术的发展，智能机器人的应用不再局限于传统的工业和制造业，而被广泛应用到医疗健康、教育服务、军事和空间探索等领域。其中，康复辅助机器人就是一类新兴的智能机器人领域。康复辅助机器人的发展不仅为神经科学和康复医学带来了技术进步和观念变革，而且其产业作为一种高新技术产业，已经成为世界经济新的增长点，相关研究得到了世界各国的重视。同时，随着全球特别是中国社会老龄化的加剧，对康复辅助机器人的需求也在不断增加，为该领域的发展提供了更广阔的市场空间和难得的发展机遇。
中国人口老龄化形势严峻，已经成为世界上老年人最多的国家。截至2014年年底，我国60岁以上老龄人口已达2.12亿，并且将在2025年达到3亿。同时，由脑卒中、脊髓损伤、脑外伤等原因造成的残障人口数量迅速增长，我国肢体残疾人口逾2400万，每年新增脑卒中患者约200万，大多数患者都有一定程度的功能障碍。传统的康复训练基于人工手段，而我国康复治疗师却非常紧缺，与美国康复治疗师数量为70人/10万人相比，我国目前仅为0.4人/10万人，且我国治疗师专业水平低，无法满足日益增长的社会需求。
面对中国社会快速老龄化的现状和庞大的残疾人群，康复辅助机器人研究具有重要的学术价值和广阔的应用前景。康复辅助机器人的使用能够提高康复效率，降低治疗成本，减少人员需求和体力消耗，同时可以提高康复效果，其研究进展为神经损伤患者、残疾人、老年人的功能康复带来了希望。而且康复辅助机器人研究涉及神经科学生物力学、机器人自动控制等领域知识，是机器人相关研究中最具挑战性和最受关注的研究领域之一。
1.2 康复辅助机器人的介绍
1.2.1 康复辅助机器人的定义
康复辅助机器人是指有助于人体功能恢复或重建的高度智能化人造机器装备，能自动执行指令任务，代替或协助人体完成一些较为复杂的动作，在康复医疗过程中具有重要的辅助作用。康复辅助机器人可以模拟人的功能、自动化操作，还具有自我反馈和学习能力及自适应能力。通过编程，康复辅助机器人可以引导患者完成一系列指定的动作，防止不必要动作的发生。同时，康复辅助机器人可以在不疲劳的情况下重复运动，并收集客观的定量数据。机器人可以将重复的体力任务转化为游戏和身体挑战，以保持患者的积极性和参与度。
康复辅助机器人的设计目的是通过机械化的手段来改善患者的肌肉力量、运动控制、平衡能力和日常功能，并促进患者康复和提高独立生活的能力。这些机器人可以提供恰当的力量和运动路径，帮助患者进行特定的康复训练和活动，同时监测患者的运动数据和生理参数，以实现个性化的康复治疗。
1.2.2 康复辅助机器人的分类和功能
康复辅助机器人的广泛研究始于20世纪90年代，最早是以工业机器人为研究平台，随着研究的深入逐渐成为独立的机器人大类，包括神经康复机器人、穿戴式外骨骼、智能假肢、智能轮椅等。以神经康复机器人为例按照不同的训练部位，可以分为上肢、下肢、手指、手腕、踝关节等不同种类。根据统计，目前处于研究阶段的各类康复机器人已经超过100种。以下是一些常见的康复辅助机器人分类和其功能的示例：
（1）上肢康复辅助机器人。上肢康复辅助机器人主要用于帮助患者进行上肢康复训练，包括手臂、手腕和手指等部位。它们通常具有关节机构和执行器，可以提供支持、辅助运动和测量患者的运动范围其功能包括恢复上肢肌肉力量、增加手指和关节灵活性等。
（2）下肢康复辅助机器人。下肢辅助康复机器人旨在辅助患者进行下肢康复训练，包括大腿、小腿和足部等部位。这些机器人通常具有关节机构和执行器，可以提供支持、辅助运动和测量患者的步态参数，其功能包括增加下肢肌肉力量，改善步态模式、促进平衡和行走能力的恢复等。
（3）肌肉功能训练辅助机器人。肌肉功能训练辅助机器人主要用于恢复和改善肌肉功能。它们可以提供可调节的阻力和运动路径，以帮助患者进行肌肉锻炼和力量训练。这些机器人可以用于恢复受损肌肉的力量提高姿势控制能力和增加运动范围。
（4）平衡和步态训练辅助机器人。平衡和步态训练辅助机器人旨在帮助患者恢复平衡能力和步态模式。该设备可以模拟不同的平衡和步态任务，并通过提供支持和反馈来帮助患者提高姿势控制能力减少摔倒风险和提高行走效率。
……
目录
第1章 康复辅助机器人概述 1
1.1 引言 1
1.2 康复辅助机器人的介绍 2
1.3 康复辅助机器人关键技术概论 3
1.4 康复辅助机器人的临床应用现状 10
1.5 本章小结 13
第2章 康复辅助机器人的临床需求 14
2.1 康复范畴与手段 14
2.2 康复辅助的临床需求 15
2.3 相关理论及在康复辅助机器人中的应用 20
2.4 康复辅助的未来发展趋势 28
2.5 本章小结 28
第3章 康复辅助机器人的整体设计方法 29
3.1 康复辅助机器人的设计流程 29
3.2 康复辅助机器人的整体设计环节 33
3.3 康复辅助机器人的关键设计环节 34
3.4 康复辅助机器人的硬件开发平台 46
3.5 康复辅助机器人的软件开发平台 52
3.6 本章小结 57
第4章 康复辅助机器人的人机交互方法 58
4.1 康复辅助机器人的人机交互 58
4.2 康复辅助机器人的传统人机交互方式 60
4.3 康复辅助机器人的新型人机交互方式 62
4.4 康复辅助机器人的感知反馈 66
4.5 人机交互中的关键技术 69
4.6 本章小结 78
第5章 康复辅助机器人的控制方法 79
5.1 康复辅助机器人的控制目标 79
5.2 康复辅助机器人的控制系统层级 80
5.3 康复类机器人的控制系统开发 81
5.4 康复辅助机器人的控制系统开发 85
5.5 经典控制方法 87
5.6 本章小结 99
第6章 康复辅助机器人的有效性评价方法 100
6.1 康复辅助机器人有效性评价的概述 100
6.2 人体功能性评测 105
6.3 量表评测 109
6.4 基于运动行为的评测 110
6.5 基于肌力的评测 112
6.6 基于肌电的评测 115
6.7 基于脑电的评测 116
6.8 综合评测方法的应用 118
6.9 本章小结 120
第7章 上肢康复辅助机器人的设计与应用 121
7.1 背景与提出 121
7.2 上肢康复辅助机器人的简介 122
7.3 上肢康复辅助机器人机械结构的设计 124
7.4 上肢康复辅助机器人动力系统的设计 129
7.5 上肢康复辅助机器人控制系统的设计 133
7.6 上肢康复辅助机器人的实现与评价 143
7.7 本章小结 149
第8章 下肢康复辅助机器人的设计与应用 150
8.1 下肢康复辅助机器人的概述 150
8.2 下肢康复辅助机器人的设计考虑与需求分析 153
8.3 下肢康复辅助机器人的设计步骤 155
8.4 下肢康复辅助机器人的关键技术与算法 159
8.5 下肢康复辅助机器人的实现与评价 167
8.6 典型下肢康复辅助机器人的案例研究 167
8.7 未来发展与应用前景 168
8.8 本章小结 169
第9章 上肢假肢机器人的设计与应用 170
9.1 上肢假肢的背景与发展现状 170
9.2 上肢假肢机器人的概述 173
9.3 上肢假肢机器人的结构设计 175
9.4 上肢假肢机器人的控制系统设计 184
9.5 上肢假肢机器人的评价方法 191
9.6 上肢假肢机器人的典型样机 193
9.7 上肢假肢机器人的临床应用 195
9.8 本章小结 196
第10章 上肢辅助抓握外肢体机器人的设计与应用 197
10.1 背景与提出 197
10.2 上肢辅助抓握外肢体机器人的分类 197
10.3 上肢辅助抓握外肢体机器人的硬件系统设计 199
10.4 上肢辅助抓握外肢体机器人的评估 212
10.5 上肢辅助抓握外肢体机器人的范例 214
10.6 本章小结 216
第11章 下肢假肢机器人的设计与应用 217
11.1 下肢假肢机器人的概述 217
11.2 康复需求分析与设计考虑 221
11.3 下肢假肢机器人的设计步骤 223
11.4 下肢假肢机器人的关键技术与算法 226
11.5 下肢假肢机器人的材料与制造 229
11.6 下肢假肢机器人的评估 231
11.7 典型下肢假肢机器人案例研究 232
11.8 下肢假肢机器人的应用 234
11.9 本章小结 236
第12章 康复辅助机器人中的功能性电刺激技术 237
12.1 功能性电刺激的原理和生理效应 237
12.2 功能性电刺激
试读
第1章 康复辅助机器人概述
1.1 引言
随着自动化和人工智能技术的发展，智能机器人的应用不再局限于传统的工业和制造业，而被广泛应用到医疗健康、教育服务、军事和空间探索等领域。其中，康复辅助机器人就是一类新兴的智能机器人领域。康复辅助机器人的发展不仅为神经科学和康复医学带来了技术进步和观念变革，而且其产业作为一种高新技术产业，已经成为世界经济新的增长点，相关研究得到了世界各国的重视。同时，随着全球特别是中国社会老龄化的加剧，对康复辅助机器人的需求也在不断增加，为该领域的发展提供了更广阔的市场空间和难得的发展机遇。
中国人口老龄化形势严峻，已经成为世界上老年人最多的国家。截至2014年年底，我国60岁以上老龄人口已达2.12亿，并且将在2025年达到3亿。同时，由脑卒中、脊髓损伤、脑外伤等原因造成的残障人口数量迅速增长，我国肢体残疾人口逾2400万，每年新增脑卒中患者约200万，大多数患者都有一定程度的功能障碍。传统的康复训练基于人工手段，而我国康复治疗师却非常紧缺，与美国康复治疗师数量为70人/10万人相比，我国目前仅为0.4人/10万人，且我国治疗师专业水平低，无法满足日益增长的社会需求。
面对中国社会快速老龄化的现状和庞大的残疾人群，康复辅助机器人研究具有重要的学术价值和广阔的应用前景。康复辅助机器人的使用能够提高康复效率，降低治疗成本，减少人员需求和体力消耗，同时可以提高康复效果，其研究进展为神经损伤患者、残疾人、老年人的功能康复带来了希望。而且康复辅助机器人研究涉及神经科学生物力学、机器人自动控制等领域知识，是机器人相关研究中最具挑战性和最受关注的研究领域之一。
1.2 康复辅助机器人的介绍
1.2.1 康复辅助机器人的定义
康复辅助机器人是指有助于人体功能恢复或重建的高度智能化人造机器装备，能自动执行指令任务，代替或协助人体完成一些较为复杂的动作，在康复医疗过程中具有重要的辅助作用。康复辅助机器人可以模拟人的功能、自动化操作，还具有自我反馈和学习能力及自适应能力。通过编程，康复辅助机器人可以引导患者完成一系列指定的动作，防止不必要动作的发生。同时，康复辅助机器人可以在不疲劳的情况下重复运动，并收集客观的定量数据。机器人可以将重复的体力任务转化为游戏和身体挑战，以保持患者的积极性和参与度。
康复辅助机器人的设计目的是通过机械化的手段来改善患者的肌肉力量、运动控制、平衡能力和日常功能，并促进患者康复和提高独立生活的能力。这些机器人可以提供恰当的力量和运动路径，帮助患者进行特定的康复训练和活动，同时监测患者的运动数据和生理参数，以实现个性化的康复治疗。
1.2.2 康复辅助机器人的分类和功能
康复辅助机器人的广泛研究始于20世纪90年代，最早是以工业机器人为研究平台，随着研究的深入逐渐成为独立的机器人大类，包括神经康复机器人、穿戴式外骨骼、智能假肢、智能轮椅等。以神经康复机器人为例按照不同的训练部位，可以分为上肢、下肢、手指、手腕、踝关节等不同种类。根据统计，目前处于研究阶段的各类康复机器人已经超过100种。以下是一些常见的康复辅助机器人分类和其功能的示例：
（1）上肢康复辅助机器人。上肢康复辅助机器人主要用于帮助患者进行上肢康复训练，包括手臂、手腕和手指等部位。它们通常具有关节机构和执行器，可以提供支持、辅助运动和测量患者的运动范围其功能包括恢复上肢肌肉力量、增加手指和关节灵活性等。
（2）下肢康复辅助机器人。下肢辅助康复机器人旨在辅助患者进行下肢康复训练，包括大腿、小腿和足部等部位。这些机器人通常具有关节机构和执行器，可以提供支持、辅助运动和测量患者的步态参数，其功能包括增加下肢肌肉力量，改善步态模式、促进平衡和行走能力的恢复等。
（3）肌肉功能训练辅助机器人。肌肉功能训练辅助机器人主要用于恢复和改善肌肉功能。它们可以提供可调节的阻力和运动路径，以帮助患者进行肌肉锻炼和力量训练。这些机器人可以用于恢复受损肌肉的力量提高姿势控制能力和增加运动范围。
（4）平衡和步态训练辅助机器人。平衡和步态训练辅助机器人旨在帮助患者恢复平衡能力和步态模式。该设备可以模拟不同的平衡和步态任务，并通过提供支持和反馈来帮助患者提高姿势控制能力减少摔倒风险和提高行走效率。
……
前言/序言
随着人口老龄化的加剧和灾害、事故、疾病的频发，越来越多的患者深受肢体残疾之苦，这不仅使患者生活质量急剧下降，而且使家庭和社会负担加重。康复辅助机器人是一种对肢体进行功能训练和功能代偿的机器人，可为患者提供高强度的运动刺激，辅助残肢完成基本运动功能。康复辅助机器人减少了医生和家属的体力消耗，极大地降低了治疗和陪护成本，加快了康复周期，提升了患者的生活质量，因而具有重要的研究和应用价值。本书基于作者团队十余年的研究工作整理而成，旨在系统地阐述康复辅助机器人的原理、方法、技术与应用，为本领域的研究人员、医生、患者和学生提供一本可借鉴的学术著作。
本书的内容主要包括：第1章“康复辅助机器人概述”，涉及康复辅助机器人的基本情况介绍、关键技术概述和临床应用现状整体分析；第2章“康复辅助机器人的临床需求”，着重阐述康复辅助机器人的临床应用理论基础；第3章“康复辅助机器人的整体设计方法”，从设计流程、关键环节、硬件平台和软件平台等方面阐述其整体设计方法；第4章“康复辅助机器人的人机交互方法”，着重讲述人机交互方式、感知反馈和关键技术；第5章“康复辅助机器人的控制方法”，着重阐述康复辅助机器人的控制系统设计方法；第6章“康复辅助机器人的有效性评价方法”，系统阐述康复辅助机器人的功能性、行为学、电生理等评价手段；第7章“上肢康复辅助机器人的设计与应用”，着重阐述上肢康复辅助机器人的机械结构、驱动系统、控制系统、评价机制等内容；第8章“下肢康复辅助机器人的设计与应用”，着重阐述下肢康复辅助机器人的设计步骤关键技术、核心算法、评价机制等内容；第9章“上肢假肢机器人的设计与应用”，深入剖析了上肢假肢机器人的结构设计、控制系统设计、评价方法与临床应用等内容。；第10章“上肢辅助抓体机器人的设计与应用”，着重阐述上肢辅助抓握外肢体机器人的硬件系统、软件系统、评价与应用；第11章“下肢假肢机器人的设计与应用”，着重阐述下肢假肢机器人的关键技术、核心算法材料与制造、评价与应用等内容；第12章“康复辅助机器人中的功能性电刺激技术”，着重阐述与康复辅助机器人密不可分的功能性电刺激技术的原理、设计步骤、硬软件系统、评价与应用等；第l3章“康复辅助机器人中的虚拟现实技术”，重点阐述与康复辅助机器人配合使用的虚拟现实技术的背景与原理、硬软件设计开发、典型样机与应用等；第14章“其他几种典型的康复辅助机器人”，系统阐述了位移式康复辅助机器人、位姿调整式康复辅助机器人和生活辅助类康复辅助机器人的原理方法和关键技术；第15章“康复辅助机器人的未来发展方向”，以“头脑风暴”的方式展望了康复辅助机器人的未来发展，特别是与脑机接口、人工智能、元宇宙、数字孪生、3D打印与增材制造、纳米技术、量子计算、高性能芯片等技术的融合与发展。本书从宏观到微观、从需求到实现、从理论到应用，系统阐述了康复辅助机器人的相关知识，既有对康复辅助机器人领域的整体概述，又有对关键技术装备的深入剖析，还有对康复辅助机器人未来发展方向的展望。
本书所提到的研究成果来自国家自然科学基金项目（62073195、31200744）、国家重点研发计划项目（2020YFC2007900）、广东省重点领域研发计划项目（2020B0909020004）、山东省重大创新工程项目（2019JZZY021010）、山东省重点研发计划项目（2019GSF108164）等科研项目。南京医科大学附属苏州医院神经康复科侯莹主任、李金萍主管技师在本书的写作过程中提供了帮助，山东大学控制科学与工程学院康复工程实验室张娜、王加帅、孙铭泽、丁博智、陈淑鑫、郭畅、刘麟杰、孟繁昌、孙希进、王小雨、刘乐、刘梦琦、李元慧、冯彩云等同学进行了资料搜集和整理工作，在此深表谢意。本书在写作过程中得到了山东大学控制科学与工程学院山东大学智能医学工程研究中心、山东大学出版社的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢。
由于时间仓促，加之作者水平有限，书中难免存在疏漏和不足，恳请广大读者批评指正。本书中个别外文单词或字母缩写暂无正式中文译名，为避免讹误，未翻译为中文。对本书的意见和建议请通过电子邮件反馈给我，谢谢！
李可
2024年3月
