机器人技术论文

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　      摘 要：在光电技术迅猛发展的背景下，出现了用机器替代人眼发挥识别功能的技术，也就是机器视觉技术。这样的先进技术手段具备高度自动化、精准化以及便捷安全的突出优势，也因此促进了这一技术在诸多领域中的实践应用。本文首先对机器视觉技术及其发展情况进行简要概述，之后着重对机器视觉技术的主要应用领域与应用方法进行说明，以期为机器视觉技术的大范围普及推广创造良好条件。
　　关键词：机器视觉技术;发展;应用
　　DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.130
　　1 机器视觉技术发展概述
　　 视觉是人获知外界事物多元信息的一个重要渠道，会将获得的信息传入大脑，由大脑结合人类知识经验处理分析信息，完成信息的识别。机器视觉顾名思义是用机器模拟人类视觉，从图像或者图像序，识别检测实际生活中三维物体的形态及其运动情况。和人类视觉相比，机器视觉具备很多优势，比方说机器视觉不会出现视觉疲劳，同时机器视觉技术功能比人类视觉的速度和精准度更高;机器视觉技术可以在诸多检测技术如紫外线、超声波等的支持之下检测到人类视觉但没有办法检测得到的事物。
　　2 机器视觉技术的主要应用领域分析
　　2.1 机器视觉技术在制造业的应用
　　 機器视觉技术在制造业中有以下几个主要应用领域：第一，精密测量。在制造业的生产活动当中，对零件进行精密测量是必不可少的一个工作环节。机器视觉监测体系基本是由摄像头、计算机处理和光学系统几部分构成的。先是用光源发射平行光束照在零件被检测部位上，被检部位轮廓用纤维光学镜成像，由计算机进行图像处理，获得被测部位轮廓位置信息。在被测零件出现位移以后，机器视觉系统两次测量边缘轮廓位置，位移是两次测量结果的差值。假如是在同一图像当中的两条平行边缘轮廓的话，轮廓差值是位置差值。第二，产品特征检测。机器视觉技术可利用产品特征检测在批量生产模式当中精准高效检测产品质量。其一是从产品空间特征着手进行检测，也就是检测产品尺寸与形状是否能够达到合格标准;其二是检测产品表面特点，也就是通过检测产品表面划痕、裂纹、磨损、粗糙度、纹理等划分产品质量;其三是检测产品结构特点，检验产品是否缺少零件或掺有多余杂质。第三，机器人研究。机器视觉技术应用于机器人的制造和研究，能够给机器人建立视觉系统，提升其智能化与自动化水平。
　　2.2 机器视觉技术在农业中的应用
　　 农业现代化水平在不断提高，呼吁大量先进科技在农业领域的应用，而机器视觉技术就是农业改革发展中不可或缺的技术力量。机器视觉技术在农业中的应用主要体现在：第一，应用于土壤检测，给农作物种植提供根据。机器视觉技术可以对目标物的图像信息进行有效的分析判断，提升机器处理速度与效率。收集农产品的信息常常利用CCD照相机或摄像机，同时和红外光谱或高光谱信息进行整合完成信息收集，给信息处理工作打下基础。通过把计算机视觉技术和近红外光谱结合起来，能够迅速检测出土壤的含水率，检测不同地点土壤成分，更好的选择要种植的农作物种类。第二，应用于农作物生长参数的获取。机器视觉技术在图像处理和算法识别方面有着很强的精准度，通过选取恰当算法的方式可以给精准获得自然环境之下农作物的多方面生产参数提供重要参考。第三，可以提高农业机器人的智能化水平，使其顺利完成农产品采摘、分类、包装、管理等活动。
　　2.3 机器视觉技术在汽车业的应用
　　 汽车行业是如今发展速度很快的一个行业，也是计算机视觉技术应用的一个主要领域，现如今已经逐步和汽车生产制造的多个环节结合起来，给汽车智能化发展提供了巨大助力。就拿检测汽车零部件尺寸与外观质量来说，过去检测方法耗费过多的人力物力，而结果的精准度和产品的合格率也得不到保障，但是在有了机器视觉技术发挥检测作用，显著提升了检测效率和精确程度。机器视觉技术在汽车业的应用主要体现在：第一，应用于3D四轮定位。机器视觉技术在汽车3D四轮定位仪的开发和产品研发当中有着显著应用价值，是其中的关键技术，而且设计精度水平很高。第二，应用于汽车整车与零部件自动检测。比如，运用带有双光源光路的机器视觉系统得到活塞表面图像信息，并选取恰当软件平台处理数字图像信息，能够一次性检测汽车所有活塞重点项目;以机器视觉技术为核心的汽车门锁自动检测系统可以提升门锁检测效率与精度，保证经济价值;通过对以机器视觉技术为基础的汽车连杆裂解槽检测法的应用，消除人工检测的误判和漏检问题。第三，应用于汽车产品装配加工。机械产品装配、新能源电池模块焊装等都能够对机器视觉技术进行应用。第四，应用于汽车智能驾驶。现如今汽车智能驾驶的研究在不断深入，而机器视觉技术是智能驾驶真正得以落实的核心技术，为车辆的智能驾驶提供强有力的信息支撑。
　　3 机器视觉技术未来发展趋势
　　 在未来机器视觉技术会进一步扩大优势功能，弥补当前技术发展和应用当中的不足，接下来从以下几个角度着手分析其未来发展趋势：第一，统一开放标准是其发展的动力所在。在未来基于机器视觉技术的产品应逐渐依照国际统一标准来进行衡量判断，而在我国自动化开放程度逐步提升的背景下会促进机器视觉技术走开放性发展道路，逐步和国际接轨，推动机器视觉整个行业的长足进步。第二，嵌入式产品会逐步替代板卡式产品。未来机器视觉会逐步趋于依靠PC技术，而且和数据采集等控制与测量的集成会更加紧密。由嵌入式产品替代板卡式产品正在持续增长，而彻底替代是必然趋势。其重要原因是在计算机与微电子技术手段的迅猛进步之下，嵌入式系统将会更大范围的推广应用，特别是在低功耗技术优势的发挥之下将会得到人们的关注。除此以外，嵌入式操作系统主要运用的是高级语言，其优势是能够提升工作效率、可靠性和可维护性。第三，标准一体化解决方案是其必然发展路径。机器视觉技术在未来发展当中会更大范围运用标准化技术，尤其是为满足自动化企业需求探寻软硬一体化解决方案，推动机器视觉技术高端化发展与应用。
　　参考文献：
　　[1]唐向阳，张勇，李江有，黄岗，杨松，关宏.机器视觉关键技术的现状及应用展望[J].昆明理工大学学报（理工版），2014（02）：68-70.
　　[2]董娜.基于机器视觉技术的机械制造自动化技术应用[J].中国科技投资，2016（16）：139-140.

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       摘要：随着科技的飞速发展，我国在国际上的地位日益增长的同时，国家领导入也在鼓励广大青年要善于将传统文化与现代科技相结合，去其糟粕，取其精华，形成一种新的文化。故本文主要介绍如何基于Arduino将传统文化进行改变，完成传统文化的继承与创新的目标。木偶戏又称为傀儡戏，主要是用木偶表演故事的戏剧，是我国传统艺术之一川。本文使用Arduino制作木偶戏机器人，利用金属齿轮数字标准舵机进行提线控制木偶的四肢，自动完成木偶戏最简单最基本的动作表演。
　　关键词：傀儡戏;机器人;Arduino;舵机
　　中图分类号：TP391
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）04-0242-02
　　收稿日期：2019-11-21
　　基金项目：甘肃农业大学省级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201810733011）
　　作者简介：贾嫣（1978—），山西太原人，硕士，副教授，通信作者，主要研究方向为数字图像处理。
　　Arduino-based Puppet Show Robot
　　ZHOU Yu-huai，W ANG Bang-zhou，HU Bin，LIU Min，JIA Yan
　　（School of Information Science and Technology，Gansu Agriculture University，Lanzhou 730070，China）
　　Abstract：With the rapid development of science and technology，China's position in the world is growing day by day，at the same time，the national leaders are also encouraging the majority of young people to be good at combining traditional culture with modern science and technology，to get rid of its bad situation，take its essence，and form a new culture.Therefore，this paper mainly introduces how to change traditional culture based on Arduino to achieve the goal of inheritance and innovation of traditional culture.As one of the tradi is used to make a puppet robot，and the metal gear digital standard steering engine is used to control the limbs of the puppet with strings，so as to automatically complete the simplest and most basic action performance of the puppet show.tional arts in China，puppet plays，also known as puppetry，are mainly plays that use puppets to perform stories ['].In this paper，Arduino
　　Key words：puppet show;robot;Arduino;steering engine
　　1 概述
　　我國有着上下五千年的历史，是四大古国中唯一个没有文化断层的国家，而木偶戏就是我国五千年历史长河中的一点星光。木偶戏源于汉，兴于唐，三国时期已有偶人可进行杂技表演，隋代则开始用偶人表演故事[1]。宋代黄庭坚也在《涪翁杂说》中说：“傀儡戏，木偶人也。或曰当书魁曇，盖象古之魁曇之士，仿佛其言行也。”2006年5月20日，木偶戏经国务院批准列人第一批国家级非物质文化遗产名录。
　　木偶戏是台湾民间最神秘诡异的剧种，一般民间戏曲多为庙会酬神之用，兼具娱神、娱人特色，唯独傀儡戏以除煞禳灾为主要功能，除必要的工作人员及主事者外，并不欢迎一般“闲杂人等”，而除煞仪式所使用的咒语、手诀、符咒及法索、七星剑等法器，也使傀儡戏更具神秘色彩[2]。随着朝代更替与文化的相互交融与碰撞，慢慢地木偶戏被用于表演，表演时，演员在幕后-边操纵木偶，一边演唱，并配以音乐。但是由于近现代外来文化的入侵、人们生活节奏的变化和娱乐方式的改变，木偶戏的传承和发展面临着前所未有的困难。把科学技术与传统文化相互结合，是我们义不容辞的责任与义务。本项目是在上代产品的基础上重新对机械臂等基础机构进行了新的改进。
　　2 功能与结构
　　2.1 Arduino控制器模块
　　Arduino是一个基于开放原始码的软硬件平台，构建于开放原始码simple I/O介面板，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。Arduino 包含两个主要的部分[5]：硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板;软件部分是Arduino IDE程序开发环境。在IDE中编写程序代码，将程序;上传到Arduino电路板后，Arduino主控板就会根据程序执行相应的任务。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。主控板上
　　的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器[3]。 　　本系统所采用的主控板是Arduino UNO R3开发板，主控板主要负责接收按钮发送的信号，在接收到信号后控制电机和舵机运转，完成对电机的PWM调速和舵机的转动角度控制，控制各个舵机运转完成预期动作[4]。
　　2.2 PCA9685 16路12位PWM信号发生器
　　2.2.1 PCA9685 16路12位PWM信号发生器的简介
　　在该作品中，PCA9685 16路12位PWM信号发生器是最主要的部件，该模块使用I2C总线可控制16路PWM输出，每路12位分辨率（4096级），其内置25MHz晶振，可以不连接外部晶振，也可以连接外部晶振，但是最大晶振为50MHz。该模块支持2.3-5.5V电压，最大耐压值为5.5V，该模块还具有上电复位及软件复位等功能。在该模块使用过程中，必须确定I2C地址，通过焊接A5-A0确定模块的I2C地址，如果不做任何焊接，默认地址是0x80，其V+引脚用于给舵机供电。在本次实验中使用十个舵机，来分别控制两个人偶完成相应的动作。
　　2.2.2 精度控制
　　如果假设舵机为50Hz的控制频率，脉宽为0.5ms-2.5ms，12位分辨率（4096级），相关精度计算如下：
　　·PWM周期：
　　·时间分辨率：
　　·最大脉宽时间：
　　·最大脉宽时间可分成的份数：
　　.0-180o的舵机，角度分辨率为：
　　2.3 供电模块
　　供电模块由5V可充电电池和9V干电池组成，9V干电池用于给Arduino控制器供电，5V电池用于PCA968516路12位PWM信号发生器供电。Arduino 5V引脚接PCA968516 路12位PWM信号发生器Vec引脚供电示意图如下：
　　2.4 硬件连接说明
　　Arduino通过库函数来驱动PCA968516路12位PWM信号发生器，它们的具体连接如图2所示。
　　2.5 机械臂的结构与组成
　　机械臂由一个JX11092.5Kg大金属舵机和四个MG90S 9g金属舵机组成，2.5Kg金属舵机用来控制木偶转身，其他四个9g金属小舵机分别控制木偶的四肢，通过五个舵机的相互配合木偶可完成一些较为复杂的动作，本实验中使用完全相同的两个机械臂来控制两个木偶，通过编程控制舵机转动不同的角度来实现相应的动作，在、再配以音乐，可以完成简单的木偶戏表演。
　　2.5.1 舵机
　　舵机是由直流电机、控制电路板、可调电位器、变速齿轮组等组成，（如图2所示）这些器件被封装在舵机外壳里，简单地来说，舵机就是一个封装 好的伺服马达，英文Servo。
　　其简单的工作原理是：控制电路电路接收控制源的信号，并控制小型直流电机转动，变速齿轮组将电机的转速成倍的缩小，并将电机的输出扭矩放大相应的倍数，然后进行输出。可调电位器和变速齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动的角度，控制电路板检测并根据可调电位器判断舵机转动角度，以达到控制舵机转动相应角度的目的。实验所用的舵机外壳是塑料外壳，舵机散热效果并不理想，对实验结果有轻微的影响，如使用金属外壳舵机，能大大提高舵机的散热效果。变速此轮组按照材料的不同也分为：塑料此轮组、金属此轮组和混合此轮组。塑料齿轮组价格低廉，噪音小，但是强度较低。金属此轮组一般噪声大，价格相比于塑料齿轮组要贵，但是强度高。混合齿轮组在金属齿轮组和塑料齿轮组间做了折中，如电机输出扭矩不大时，一般采用塑料齿轮。
　　2.5.2 机械臂的物理结构
　　第一代实验作品采用如下机械臂机构：
　　第一代机械臂的结构设计如图4所示，由1个大扭力舵机.和4个9g舵机构成，能够基本满足提线木偶戏表演的操作需求，具有结构简单、重量轻、易组装的特点，同时也满足了提线木偶表演的强度需要。舵机A为大扭力舵机，通过转动，带动十字架型机械臂及4个9g舵机的位置移动，从而实现提线木偶的转身动作。舵机1、舵机2、舵机3、舵机4为9g舵机，每个舵机上分别牵引着木偶双手和双脚上的线，通过程序控制每個舵机的转动，从而实现对木偶的每条胳膊、每条腿的控制，完成较为复杂的动作。每个舵机上分别牵引着木偶双手和双脚上的线，通过程序控制每个舵机的转动，从而实现对木偶的每条胳膊、每条腿的控制，完成较为复杂的动作[4]。
　　第二代实验作品采用如下机械臂机构：
　　机械臂最上方是一个2.5Kg大舵机，该舵机固定在舞台的上方的横梁上，大舵机的下方是一个“工”字形的舵机支架，大，舵机的转动轴固定在“工”字支架的中间位置，当大舵机转动时可以控制其下方的其他结构和木偶转动，以达到转身效果。“工”字型结构的一端朝上开有四个小孔。另一端的近地面固定着是个9g小舵机，小舵机的转动轴上固定着条形结构长度刚好到达小孔下方，木偶四肢的提线由，上至下穿过小孔固定在条形结构的末端。当四个小舵机开始摆动时，木偶四肢的提线被拉动，以此控制木偶四肢的运动。
　　第一代实验作品因为舵机在运动时，控制木偶的提线不在同一水平线上抽动，导致木偶在运动时会出现极不协调的肢体动作。在重新设计机械臂结构以后，人偶肢体协调度得到显著改善。
　　3 实验结果
　　该实验可以通过编程实现对舵机多个舵机进行控制，多个舵机相互配合可以实现不同的动作，如抬手遮脸行走移动、转身、抬腿等动作，各动作相互配合，再配上传统木偶戏音乐，基本可以完成简单的表演，在该实验中，我们选的木偶人物为神话人物七仙女和董永，所选音乐为黄梅戏天仙配选段。
　　参考文献：
　　[1]叶明生.中国傀儡戏史-古代、近现代卷，Antiquity to moderm periods：古代、近现代卷Antiquity to modern periods[M].北京：中国戏剧出版社，2017.
　　[2]叶明生.台湾傀儡戏探源[J].台湾研究，2004（6）：52-55.
　　[3]闫洪猛.基于Arduino的移动机器人控制系统设计[J].电子技术与软件工程，2018（7）：106.
　　[4]周榆淮，贾嫣，孙文燕，等.基于Arduino的提线木偶戏机器人的设计与实现[J].电脑知识与技术，2018，14（18）：193-195.

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　　摘   要：随着人口老龄化问题的凸显，护理机器人市场需求呈现上升趋势，其技术发展也十分迅速。介绍了助餐机器人、卫生护理机器人、复健机器人和智能护理床式机器人的特点及代表性型号，分析得出当前护理机器人的研究热点主要集中在机构优化创新设计、人工智能控制及安全性等方面。认为国内护理机器人的研究和应用与西方发达国家相比仍存在较大差距，今后的发展应该围绕突出护理机器人的特色功能、与人工智能相结合、提高护理机器人的安全性与可靠性等方面加以改进。

　　关键词：护理机器人;助餐机器人;卫生护理机器人;复健机器人;智能护理床式机器人

　　中图分类号： TP242 文献标识码： A        文章编号：2095-7394(2020)04-0062-09

　　第六次全国人口普查数据显示，我国60岁以上的人口已高达1.85亿，占总人口的13.9%。根据联合国对人口年龄类型的划分，目前我国已经进入“老年型国家”，且老龄化的速度还在不断加快。预计从2020年开始，我国将步入老龄化严重阶段，老龄化水平将达到17.17%;到2050年，我国将步入超高老龄化国家行列，60岁及以上人口将占到30%[1]。与此同时，由于人们对生活品质追求的提高，使得医疗护理不管在质上还是量上都需要满足更高水准的要求。医疗、护理和康复需求的不断增加，以及相对缺乏的医护人力，使得医疗及健康服务机器人市场具有巨大的发展潜力。

　　护理机器人作为一种特殊的医用机器人，一般是指为需护理人的身体功能和生活提供支援，或者为护理人员提供支援的机器，它服务的对象主要为失能老年人或者残疾人。荷兰、美国、日本等国从20世纪80年代就开始重视护理机器人的研发价值和社会意义，目前，这些发达国家的护理机器人技术已走在世界前列[2]。我国发展服务机器人产业已被列为“863”计划重点项目并引起相关部门和科研单位的重视，但与上述发达国家相比，我国在护理机器人技术方面仍存在比较明显的差距[3]。

　　1    护理机器人的分类及研究进展

　　1.1  助餐机器人

　　助餐机器人是用来帮助行动不便的使用者进行日常饮食护理的一种机器人。1987年，英国的Mike Topping公司开发了一款Handy 1型助餐机器人，旨在帮助一名11岁的脑瘫男孩完成进食[4]。而美国Sammons Preston公司研发的助餐机器人包含了开关、手脚控制器、转盘、托盘、推送器等装置，其结构如图1所示。该类助餐机器人由数台直流伺服电动机驱动，拥有较大的工作空间，可应对不同体型和年龄段的使用者。

　　助餐机器人的控制大致可以通过三种途径实现[5]：一是脚踏开关。使用者只需要踩踏相应脚踏开关即可获得进餐帮助，其缺点是自动化程度较低。第二种是语音识别。将特定功能的语音信号存入模板库中，当使用者发出声音指令时，将其与模板库中的原有信号进行匹配与识别。其缺点是由于不同人的发音存在差异，会导致不能识别或者误识别的情况出现。第三种是识别头部姿势。其硬件由视频采集卡和高精度摄像头组成，通过头部的动作，如摇头、低头等识别使用者的需求，并产生相应的操作命令。其缺点是系统组成较为复杂，软件控制上也容易出现误动作。

　　如何取餐是开发助餐机器人的难点。如图2所示，目前最成功的是半勺式取餐机构，该机构自由度仅为1.通过直流伺服电动机驱动丝杠螺母前后运动来实现勺子的张合[6]。美国在2009年开发出世界上首个四轴饮食护理机器人Meal Buddy，它包含一个3自由度的机械臂和配套的餐盘和餐桌[7]。该机器人在餐盘的设计上，充分考虑到在喂给有汤汁的食物时可能造成的汤汁滴落问题，采用了磁力吸附的原理以及特殊的机械结构。我国哈尔滨工程大学在助餐机器人设计[8]与进餐时餐勺轨迹规划[9]等领域进行了长期深入的研究，取得了一定的成果;但其目前研制的助餐机器人还处于功能样机阶段，亟需改进以实现产品化。

　　近年来，针对助餐机器人还开发了化妆、刷牙、刮胡须等功能，使其成为更加完善的护理机器人[10]，从而提高了被护理者的自理能力和自信心。

　　1.2   卫生护理机器人

　　面对无法独自完成个人卫生清洁工作的人群，传统的人工卫生护理工作量大且效率低下，卫生护理机器人的出现即可有效解决这些问题。其中，应用最广泛的是站立式卫生护理机器人，该类护理机器人包含辅助站立系统和清洁系统两大部分[11]。典型的辅助站立系统结构方案如图3所示，依靠扶手的垂直向上提升带动人体重心向上移动，由此减小下肢的受力。清洁系统包含背部清洁、臀部清洁、腿部清洁、头部清洁等。其中：背部、臀部、腿部清洁系统通过支撑板上的圆形塑料搓头模拟人工搓澡，还有一些智能型的个人卫生护理机器人甚至可以根據被护理者的性别、年龄和皮肤特性，设置搓澡力度;头部清洁系统主要采用由主转臂、自转臂、俯仰支撑臂组成的3自由度定位装置，以伺服电动机驱动，搓头安装在半圆形帽壳上[12-13]。

　　浴缸式自动洗浴机器人可以实现自动洗头、洗澡、按摩、干身、生命体征监测等功能，被护理者可以不必站立而完成个人卫生的清洁。由于浴缸式自动洗浴机器人存在被护理者进出不方便的问题，因此出现了看护轮椅式洗澡机器人，如日本的Bishamon看护用轮椅洗澡机器人，如图4所示。它采用了角度可调的浴缸和上下可分离的轮椅紧密结合的模式，轮椅即为整个机器人的一部分，这样，被护理者进出浴缸非常方便，机器人使用效率较高。

　　如图5所示为我国洛阳圣瑞机电技术有限公司与河南科技大学等联合开发的轮椅式洗澡机器人[14]，它采用半封闭卧式舱体结构，分为固定、移动两部分，其中移动部分采用座椅结构，以方便洗浴者入舱。

　　1.3  复健机器人

　　中风或脑血管损伤可能会引起永久神经性损伤，导致患者无法灵活控制一部分肢体，进而严重危害人体健康。由于人体大脑的中枢神经有可塑性，因此，如果在发病初期及时治疗，完全可以在一定程度上重组和重建大脑神经功能。例如，对于由脑卒中造成的偏瘫患者，相关研究结果表明，康复训练在神经系统功能发生障碍后的3个月内具有比较显著的效果，而超过6个月后神经系统功能恢复的可能性就相对较小[15]。助行复健机器人(亦称为康复机器人)就是以此为目的进行设计的，它主要用于帮助老年人、伤残病人等站立、行走、活动，以恢复他们的患侧肢体运动功能，改善其日常活动能力，从而提高生活质量。国外先后有美国麻省理工学院KREBS H I等研制了末端式上肢康复机器人MIT-MANUS[16]，斯坦福大学BURGAR C G等开发了拥有上肢镜像功能的MIME[17]，如图6所示;国内华中科技大学吴军等研发了一种气动肌肉双向拉伸的外骨骼康复机器人[18]，如图7所示，这种机器人关节的运动通过气动肌肉来实现。 　　在下肢康复机器人的研究方面：瑞士苏黎世联邦理工学院研制的 Lokomat[19]，其新的下肢机构增加了骨盆的侧向运动和髋关节的内收/外展运动，以实现更加接近人体行走的自然步态;美国特拉华大学研制的ALEX[20]下肢康复机器人包含12个自由度，能适应各种动作;国内清华大学、中国科学院自动化研究所、上海交通大学、南京理工大学、浙江大学以及哈尔滨工程大学等，也在下肢康复机器人领域做了初步研究[21-22]。

　　近几十年来，国内研究者在上肢康复机器人技术领域的研究成果较多，尤其是在主动训练、柔顺性控制、康复评价等领域的技术研究工作已经开展得比较深入，并开始逐步应用于临床[23]。然而，制作成本高、应用普及受限以及康复效果有限等，是现有上肢康复机器人应用研究中面临的主要问题;而下肢康复机器人的研究和临床应用尚处于初步阶段，仍然存在诸多问题有待深入研究解决[24]。

　　1.4   智能护理床式机器人

　　智能护理床式机器人主要服务于空巢家庭中的老人、失去自理能力的病人等。国外护理床研究起步早、技术比较成熟，早在20世纪90年代，相关电动护理床就已经在医疗护理领域得到应用，其中具有代表性的是日本八乐梦公司的KQ-86330和KR-C7320E[25]，如图8所示。该护理床采用电机驱动，根据使用者要求调整靠背、大腿板、小腿板的角度，可以改变睡姿和坐姿。美国 Hill-Rom 公司研发了CareAssist 系列多功能电动护理床[26]，如图9所示，该护理床采用创新性机械结构将床体与轮椅融合为一体，通过机构的运动即可将床体变为一个轮椅，以便于患者在不离开护理床的条件下完成位置转移和坐、卧姿态的转换;但该护理床存在体积较大、轮椅状态时行驶不便等不足之处，因此该类护理床目前多应用于医疗机构。目前，国内的一些科研机构也开展了智能护理床的相关研究工作，并取得了一定的进展[27-28]，但投入实际生产的仍然很少。

　　对于失能人群，解决其长期卧床的大小便问题是护理工作中最为繁琐的环节，因此，如何保证失能人群可以便捷且舒适地完成大小便是护理设备研发的重点之一[29]。针对这一问题，目前比较常见的是一次性便袋和升举式便盆[30]两种方案，如图10所示。由于以上两种方案均需要由护理人员对被护理者进行便后身体清洁工作，所以实际使用中护理人员的工作强度仍然比较大。

　　如图11所示，日本松永和国产鱼跃品牌将轮椅与家用坐便器结合，在一定程度上解决了使用者的大小便护理问题，但在解决长期卧床患者的大小便问题时，仍显得过于繁琐。此外，日本还研发了Ever Care全自动排泄处理系统[31]，该产品由床体集便器、净水污水箱、水循环系统以及嵌入式计算机系统组成，可自动完成对患者的大小便护理工作，如图12所示。由于患者臀部需要长时间包裹于床体集便器内，使其舒适性受到很大影响，因此，该产品的使用者主要是生活完全不能自理的人群。

　　综上，目前市场上主流的护理床式机器人在功能上，尤其是在大小便护理功能的完善方面，还有很大的提升空间。新一代的护理床式机器人可以将智能马桶技术与移动机器人技术融入其中，开发出在机械结构上与床体相对独立的移动式智能马桶，一方面，可提供温水冲洗和暖风烘干功能;另一方面，结合智能调度和导航系統，可与多个床体进行对接，从而提高护理质量并改善护理人员的工作环境。此外，通过进一步融入各种智能传感器，新一代护理床式机器人还可以对呼吸、体温和血压等生命体征进行实时监控，并通过网络共享给护理人员，从而在使用者生命体征数值出现异常时发出警报。

　　2    护理机器人的研究热点

　　2.1  机构优化创新设计

　　机构性能的优化和提升对于护理机器人功能的改善有着重要作用。目前，助餐机器人的喂食机构还无法达到人类手指的灵活性，因此，如何通过机构创新设计，使助餐机器人满足多种类型食物，如流质、半流质和固体食物的喂食需求，是当前需要解决的关键技术之一[32]。护理床式机器人从最原始的纯手动方式，发展到目前的全自动智能化，每一代机器人的革新都伴随着机构的优化创新。目前，市场上的护理床大多具备起背、屈腿、侧翻身以及大小便护理等功能，然而，功能越全面的护理床机械结构越复杂、体积亦更加庞大;因此，通过机构优化创新，在实现多功能的同时进一步缩小体积，从而提高其便携性能，是护理床式机器人研发中的关键技术之一。此外，将近些年来出现的新型软体机器人[33]技术思想融合到护理行业，可有效提高护理机器人的柔顺性、安全性和适应性。新型软体机器人在人机交互、复杂易碎品抓持和狭小空间作业等方面具有不可比拟的优势，据报道，国外已研发相关产品来辅助脑中风患者或骨折病人做上肢康复训练。

　　2.2  传感器与智能控制技术

　　人工智能是全世界的研究热点之一，因此，智能化必然是未来机器人技术发展的重要方向，而护理机器人的智能水平又依赖于传感器以及智能控制技术的发展。传感器如同人类的“五官”，机器人若需要感知外部的环境变化并做出反应，就需要依靠传感器来采集外界的环境信息并进行综合处理。早期的护理机器人主要依靠机械结构来实现其各项护理功能，随着技术的发展，目前的护理机器人使用了大量的传感器并结合智能控制算法来提高其自动化和智能化水平。例如：用于检测位移和角位移量的传感器，以及测量速度和加速度的传感器;检测接触力、把握力、荷重、发布压力、力矩的触觉传感器;检测平面位置、距离、形状的视觉传感器;检测声音、超声波的听觉传感器;检测气体成分和味道的嗅觉味觉传感器;等等[22]。

　　为了克服单一传感器只能给出环境的部分或侧面信息的局限性，逐步产生了多传感器信息融合技术，它通过对多种传感器获得的关于未知环境特征信息的分析和综合，得到对该环境全面、一致的估计[34]。例如：天津大学设计的一款用于识别语音指令的智能语音系统，其装载了微音器和摄像机，以人发音时的面部表情变化为指示信号，干扰信号是其他各种声音组成的噪音，通过传感器的信息融合，可以从驳杂的噪音中检出目标声音[35]。 　　2.3  可靠性和安全性

　　尽管国内外关于工业机器人可靠性和安全性的相关研究成果较多[36-38]，但针对护理机器人可靠性和安全性的研究仍相对较少，目前仅在康复机器人等领域有少量的研究报道[39]。护理机器人不同于一般的工业机器人，它是直接作用于人的系统，需要具备高的可靠性和安全性以保护使用者的生命安全;因此，为了使其能够长期可靠地运行，做好可靠性设计是关键环节。

　　在实际应用中，将容错技术、故障诊断技术等多种技术引入护理机器人中，采用不同的冗余配置方式，可以实现规划级和控制级计算机系统高可靠性设计[40]。而在可靠性设计的基础上，按照各子系统的重要程度来进行可靠性分配，如采取不降低产品性能前提下的简化设计、降低元件实际承受的应力、增加冗余的并联结构等措施，可以防止因为串行零部件可靠性低而导致的全体结构失效[41]。

　　为了保证护理机器人的安全性，采用ISO 13482-2014标准对个人护理机器人安全问题产生原因及相应的处理措施进行分析。目前，国内外许多学者在机械结构设计、控制算法以及评估方法等领域开展了比较广泛的研究[42]，例如：用故障树形图分析法来分析，从而对机器人的安全性进行评估[43];使用安全地板，当有人靠近时自动关闭机器;安装安全敏感系统，检测是否有进入机器人工作区的人员或者物体;等等。

　　3   总结与展望

　　随着人们生活水平的提高和科技的快速发展，在应对全世界范围内人口老龄化问题的过程中，护理机器人的需求正逐渐增大。上述个人卫生护理机器人、助餐机器人、复健机器人以及智能护理床式机器人等型号多样、功能迥异的护理机器人的出现，改善了老年人和残障人士的生活质量，缓解了老龄化社会所带来的巨大压力。

　　总体而言，我国对护理机器人的研究和应用起步较晚，与西方发达国家之间仍存在较大差距。在今后的发展中，应该从突出护理机器人的特色功能、与人工智能相结合、提高护理机器人的安全性与可靠性等方面加强改进，从而在该领域形成独特的竞争力。

　　参考文献：

　　[1] 刘喜珍. 老年社会关怀研究[J]. 北京青年政治学院学报，2013(4)：51-55.

　　[2] 倪自强，王田苗，刘达. 医疗机器人技术发展综述[J].机械工程学报，2015.51(13)：45-52.

　　[3] 李扬，周岷峰. 我国医疗机器人产业发展特征分析[J].机器人产业，2018(2)：95-100.

　　[4] TOPPING M J，SMITH J K. The development of handy 1. A robotic system to assist the severely disabled[J]. Technology and Disability，1999.10(2)：95-105.

　　[5] 王岚.助餐机器人的机构设计与控制模式研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

　　[6] 李彦涛.助餐机器人样机控制及控制研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

　　[7] SONG W K，KIM J. Novel assistive robot for self-feeding [M]. Korea：INTECH Open Access Publisher， 2012.

　　[8] 李彦涛，张立勋，赵奇，等. 基于xPC的助餐机器人实时控制系统研究[J]. 中国康复医学杂志，2011.26(4)：363-366.

　　[9] 张立勋，李彦涛，高峻，等. 助餐机器人轨迹规划研究[J]. 系统仿真学报，2010.22(5)：1232-1236.

　　[10] 孙海欣，曹志强. 智能助餐机器人的设计[J]. 长春大学学报，2017.27(8)：18-21.

　　[11] 付东辽，韩建海，胡志刚. 卫生护理机器人辅助站立装置设计与研究[J]. 机械传动，2013.37(11)：43-46.

　　[12] 朱飒爽，李国霞，伏桂月，等. 个人卫生护理机器人控制部分的设计与实现[J]. 现代电子技术，2012.35(5)：131-133.

　　[13] 翟常冬，边敦新，沙晓，等.基于STM32的多功能智能护理机器人设计[J]. 集成电路应用，2019.36(5)：44-46.

　　[14] 赵志伟.国内首台个人卫生护理机器人在洛阳诞生[N].洛阳日报，2010-11-26(1).

　　[15] 潘畅.中风偏瘫实用康复术详图解[M].北京：中国中医药出版社，1999.

　　[16] KREBS H I，VOLPE B T，WILLIAMS D，et al. Robot-aided neurorehabilitation： a robot for wrist rehabilitation [J]. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering，2007.15(3)：327 -335.

　　[17] BURGAR C G，LUM P S，SHOR P C，et al. Development of robots for rehabilitation therapy：the Palo Alto VA/Stanford experience [J]. Journal of Rehabilitation Research and Development，2000.37(6)：663-673.

　　[18] 吳军，王永骥，黄剑，等. 新型可穿戴式多自由度气动上肢康复机器人[J]. 华中科技大学学报(自然科学版)，2011.39(S2)：279-282. 　　[19] COLOMBO G，JOERG M，SCHREIER R，et al. Treadmill training of paraplegic patients using a robotic orthosis [J]. Journal of Rehabilitation Research and Development，2000.37(6)：693-700.

　　[20] ZANOTTO D，STEGALL P，AGRAWAL S K. ALEX III：a novel robotic platform with 12 DOFs for human gait training [C]// Proceedings of the 2013 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Karlsruhe：IEEE，2013：3914-3919.

　　[21] 倪文彬，瞿志俊，张建云，等.一种步态康复训练机器人设计[J]. 机械科学与技术，2016.35(11)： 1665-1672.

　　[22] 侯增广，赵新刚，程龙，等. 康复机器人与智能辅助系统的研究进展[J]. 自动化学报，2016.42(12)： 1765-1779.

　　[23] MACIEJASZ P，ESCHWEILER J，GERLACH-HAHN K，et al. A survey on robotic devices for upper limb rehabilitation [J]. Journal of  Neuro Engineering and Rehabilitation，2014.11(1)：3-32.

　　[24] KREBS H I. Rehabilitation robotics：an academic engineer perspective [C]// Proceedings of the 33rd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBS). Boston：IEEE，2011：6709-6712.

　　[25] 朱爱洁. 多功能智能护理床研制[D]. 合肥：合肥工业大学，2018.

　　[26] HU C M，YEH C H. The synergy of QFD and TRIZ design practice：A case study for medical care bed [C]// Proceedings of 2011 International Conference on Modelling，Identification and Control (ICMIC). Shanghai：IEEE，2011：523-531.

　　[27] 赵礼刚，阮涛，丁军政，等. 基于ADAMS的多功能护理床支背机构优化设计[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版)，2019.33(1)：45-50.

　　[28] 秦帅华，赵新华，杨玉维，等. 多功能护理床起背机构创新设计及运动分析[J]. 天津理工大学学报，2018.34(2)：1-5.

　　[29] LO C C，TSAI S H，LIN B S. Novel non-contact control system of electric bed for medical healthcare[J]. Medical & biological engineering & computing，2017.55(3)：517-526.

　　[30] 桑凌峰，傅建中，甘中学，等. 轮椅担架一体化护理机器人设计[J]. 机械设计与研究，2018.34(5)： 65-69.

　　[31] 周祖茗，张华，刘兴，等. 智能尿便处理器的设计与研究[J]. 制造业自动化，2012.34(18)：100-103.

　　[32] 张祥，喻洪流，雷毅，等. 国内外饮食护理机器人的发展状况研究[J]. 中国康复医学杂志，2015.30(6)：627-630.

　　[33] 王田苗，郝雨飞，杨兴帮，等. 软体机器人：结构、驱动、传感与控制[J]. 机械工程学报，2017.53(13)：1-13.

　　[34] 王耀南，李树涛. 多传感器信息融合及其应用综述[J]. 控制与决策，2001(5)：518-522.

　　[35] 王建荣，张句，路文焕，等.机器人自身噪声环境下的自动语音识别[J].清华大学学报(自然科学版)，2017.57(2)：153-157.

　　[36] 孙剑萍，JEFF X，汤兆平. 机器人定位精度及标定非概率可靠性方法研究[J]. 仪器仪表学报，2018.39(12)：109-120.

　　[37] FAZLOLLAHTABAR H，NIAKI S T A. Integration of fault tree analysis，reliability block diagram and hazard decision tree for industrial robot reliability evaluation[J]. Industrial Robot，2017.44(6)：754-764.

　　[38] 陈胜军. 工业机器人系统可靠性预测方法研究[J]. 南京师范大学学报(工程技术版)，2008(2)：6-9.

　　[39] 康浩博，王建辉.基于安全性考虑的五自由度外骨骼式上肢康复机器人自适应控制[J]. 中国科技论文，2014.9(7)：844-851.

　　[40] 周风余，刘明，张志献，等. RPJ-D型喷浆机器人机械结构及其分布式计算机控制系统的可靠性设计[J]. 机器人，2003(2)：127-131.

　　[41] 劉朝霞，孙宇锋，轩杰，等. 考虑多因素的可修系统任务可靠性分配方法[J]. 北京航空航天大学学报，2019.45(4)：834-840.

　　[42] 赵京，张自强，郑强，等.机器人安全性研究现状及发展趋势[J]. 北京航空航天大学学报，2018.44(7)： 1347-1358.

　　[43] 李锡江，刘荣，张厚祥，等. 基于模糊故障树法的清洗机器人安全性研究[J]. 北京航空航天大学学报， 2004(4)：344-348.

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