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智能自适应机器人综合展示平台探讨

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《模式识别与人工智能》2017年第11期

摘要:在老龄化背景下,大量老年人生活上需要康复辅助器具,但是我国康复医疗资源紧张,不能满足老龄化社会下老人养老需求,助老助残智能自适应机器人则可有效缓解康复医疗治疗中资源供需上的矛盾,减轻社会家庭经济负担。在对智能自适应机器人辅助康复的医学依据、老年人日常生活需求进行简单介绍基础上,对助老助残智能自适应机器人控制系统及综合展示平台建立进行了详细分析。

关键词:智能自适应机器人;老龄化社会;综合展示平台

截止到2016年底,我国60岁及其以上人口已经达到23086万人,占全国总人口的16.7%;其中65岁以上人口达到了15003万人,占全国总人口的10.8%;预计2020年我国老年人口将达到2.48亿,2025年60岁及其以上人口将达到3亿,我国将会成为超老年型国家[1]。老龄化下,脑外伤、脊髓损伤、脑卒中等疾病所造成的残障人口也会与日俱增,大量老年人需要康复辅助器具,但当前我国康复医疗的资源很紧缺,很多康复治疗方法康复周期长,人员消耗大,但是康复的效果却十分有限。为缓和康复医疗治疗中资源供需上的矛盾,减轻社会家庭经济负担,将智能自适应机器人应用到老年康复领域,助残助老,可确保康复训练强度,为康复训练提供准确客观数据,提高康复效果。

1智能自适应机器人辅助康复的医学依据

脑神经康复医学专家对脑外伤、脊髓损伤、脑卒中等疾病所造成的中枢神经受损之后神经功能恢复的机理进行了研究。通过研究,专家们认为机体中枢神经系统可塑性强,且神经系统这种高度可塑性为中枢神经系统受损恢复可能性提供了重要的理论依据[2]。脑损伤患者中枢神经受损后在合理学习训练下可以让脑功能得到一定程度恢复。机体中枢神经受损之后能通过功能重组或者重建达到恢复,而神经系统功能恢复主要包括神经系统形态改变及神经系统的生理适应这两个方面。对于人体来讲,中枢系统受损,神经组织很难再生,但是神经组织功能能够通过代偿恢复。神经系统功能可塑性多发生在损伤早期或者是损伤后期,主要表现是神经新突触的连接侧枝出现发芽,进而休眠的突触因神经发生而被活化,神经支配区转移,并最终形成新神经通路。学者相关实验已经证实受损的中枢神经系统其功能在特定功能训练中会得到恢复,这为助老助残机器人辅助康复技术的出现提供了理论依据。

2老年人日常生活需求

为了对老年人生活更好地照顾护理,满足老年人适应需求,需按照老年人基本需求进行分类,并根据老年人基本需求进行照顾。按照国际通行标准,将“吃饭、上下床、穿衣、室内走动、洗澡、上厕所”这六项指标作为参照指标,有一项或两项不能完成为轻度失能,有三项或四项不能完成为中度失能,有五项或六项不能完成为重度失能[3]。对于不同类型老人来讲,他们对辅助康复器械的需求是完全不同的。轻度失能老人康复上的主要需求为:安全监护、精神慰藉还有医疗上的保健功能;中度失能老人康复上的主要需求为:安全监护、精神慰藉、康复训练、用餐、出行、卫浴空间使用、精神上的慰藉还有其他生活辅助;重度失能老人康复上的主要需求为:安全监护、用餐、如厕、清洁及压褥疮的预防。对不同类型老年人康复需求的分析可以得知老年人生活上的康复需求主要包括安全监护、生活服务、医疗保健及学习交流这几个方面,因此康复器械设计也需要从这四方面的需求出发,对老年人生理、心理特点充分考虑,结合人体工程等多种因素对助老助残智能自适应机器人辅助康复系统进行设计,满足老年人在日常生活中的各种需求[4]。

3智能自适应机器人综合展示平台的建立

3.1智能自适应机器人任务从不同类型

老年人日常生活需求可得出助老助残智能自适应机器人的主要功能需要偏重于身体功能康复、代步、辅助作业等生活领域。按照老年人日常最常见的日常活动,选择主要活动当作设计目标,对助老助残智能自适应机器人进行设计。通过学者调研可得出老年人拥有150多项常见日常生活活动,从助老助残智能自适应机器人设计可行性、应用适宜性等角度考虑,助老助残智能自适应机器人可帮助老年人完成基本日常活动。带手臂的轮椅机器人为助老助残智能自适应机器人的最佳选择。这种机器人是在电动轮椅基础模块下,集人机交流、健康监测、轻型手臂、障碍规避感应系统、通讯系统及控制系统等众多系统模块为一体的综合系统,老年人用户可按照自身不同需求对机器人功能进行选择[5]。

3.2智能自适应机器人综合展示平台的建立

(1)控制系统助老助残智能自适应机器人控制系统采用分布式的结构,各个控制模块通过CAN总线在主机上连接,并通过RS232-CAN模块K7110对各个控制模块进行管理控制,通过CANOpen协议让各个模块实现协调通讯。在总控制系统下,人体健康监测系统、测距传感器、车载作业臂等模块自成体系,实现了以人为主的遥控操作及传感器基础下的半自主操控。

(2)综合展示平台助老助残智能自适应机器人综合展示平台如图1所示,主要分安全监控、医疗保健、生活服务、交流学习这四大功能模块。安全监护模块:安全监护模块可为行动不便、体质差的老年人提供身体状况的实时指标,并可对老人身体生理参数进行检测及监控,对所检测到的参数进行危险评估,并可实现人员定位及无线数据通信等众多功能。医疗保健模块:医疗保健模块能够在网络环境下,对多个患者实现远程康复训练,通过机器人异构式本体机构还有流变式无源电机实现对康复信息的检测及远程测控,并借助信息的多通道传输等技术构建老年人上、下肢的康复训练参数,让老年人在此参数下实现远程肢体的康复训练。生活服务模块:助老助残智能自适应机器人的生活服务模块主要是要满足腿部不适老年人的生活需求,通过多模式的人机交互技术,设计出了具有多种功能的可变形轮椅系统。此系统不仅拥有曲腿、抬背等基本功能,同时轮椅扶手还具有可旋转功能,能在轮椅状态下实现人体的支撑、控制;轮椅座椅下还拥有大小便电动升降机构,可解决老年人如厕问题;轮椅机器人还具有网络信息的交互系统,能够实现同医生的远程视频交流,实现吃药提醒及生理参数检测等功能。可以说助老助残智能自适应机器人集多种功能为一体,可实现老年人多种生活服务功能,不仅使护理人员负担大大减轻,还使老年人活动范围扩大,独立生活能力提高,生活质量得以保障。交流学习模块:助老助残智能自适应机器人存在多种娱乐形式,拥有丰富的更为人性化的语音交互功能,用户可以在USB接口下在电脑上对机器人内容进行及时更新。助老助残智能自适应机器人可基于语音对说话人的身份进行识别,同时还可通过语音为老年人提供体温、脉搏、血压等参数,让老年人了解自身身体状况,还能够根据老年人需求为其提供个性化服务,为其构建友好界面,让老年人可以同家人朋友进行视频交流。

4结束语

当前我国已经步入老龄化社会,老年人口越来越多,脑外伤、脑卒中等疾病对老年人威胁越来越大,怎样通过高科技手段不断提升老年人生活质量是学者们要解决的首要问题。助老助残智能自适应机器人在移动平台基础上对多种模块进行集成,用户可按照自身不同需求对模块功能进行最佳优化。[6]从技术上讲助老助残智能自适应机器人拥有高度智能,拥有一定自主能力,从辅助医疗角度讲,可帮助老年人进行上、下肢功能康复训练,具有安全监控功能,可对老年人生理参数进行检测监护,为老年人提供良好的护理照顾,改善老年人生活质量,满足全方位科技养老需求。

参考文献:

[1]蔡炯.机器人自适应主动同时定位与建图新方法[J].计算机测量与控制,2015,23(5):1639-1642.

[2]姜毅龙,李许军,王新震.基于自适应自触发远程控制的机器人路径跟踪研究[J].机械研究与应用,2016,29(6):10-14.

[3]张文君,盛维涛,袁宇鹏,等.智能轮式机器人离散模糊自适应PID控制研究[J].制造业自动化,2015(8):5-8.

[4]张明路,李凡,吕晓玲,等.被动自适应机器人机构学与运动机理研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2017,45(3):46-50.

[5]邢艳荣,秦佳伟,苏彩云.基于自适应滑模控制的四轮全向移动机器人轨迹跟踪方法研究[J].机械传动,2015(12):39-43.

[6]胡佳佳,周翟和,沈超,等.一种自适应残差补偿算法在移动机器人姿态估计中的应用研究[J].传感技术学报,2015(3):363-366.

作者:马聪;毛瑞鹏;王岩 单位:长安大学

慢性病学杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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