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[ 智能辅具 ]

智能家居设计案例家庭智能设计
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  摘要:智能辅助器具的基本概念、分类。我国智能辅具科技创新发展现状:智能假肢、智能轮椅车、智能移动辅具、智能家居与环境控制辅具、智能生活辅具、智能康复训练机器人,性价比位居国际领先水平,生产机构、配置服务机构逐年增加,政府在政策、人才和资金上的支持。我国的智能辅助器具领域不仅在数量上、配置服务上存在较大空白,在技术层面上也与国际发展前沿存在着较大的差距。促进智能辅助器具供应的最终目标的实现和推进智能辅助器具的供应政策是未来发展的关键。

  

  康复辅具是残障人(包括老年人、残疾人、伤病人)补偿或改善功能,提高生存质量,增强社会生活参与能力最直接有效的手段之一。对于残疾人补偿或替代其身体功能障碍,对于老年人提高或改进其日常生活活动能力,对于伤病人采取非手术、非药物的工程手段帮助其恢复健康,康复辅具是帮助残障者回归社会的最基本和最有效的手段,对于某些身体功能障碍,配置辅具甚至是唯一的康复手段。

  1 智能辅具

  1.1 智能辅具的概念  人工智能的目的就是让各种各样的机器象人一样思考,具有“智慧”,模仿人类大脑的功能指挥操纵身体的其他器官,作到“知行”合一。智能辅具就是采用这样的科学原理,在辅具执行系统中组合了模仿人脑指挥身体器官行动的必要模块,使该辅具具有“感知外界环境变化的能力”,“分析判断现实情况的能力”,“操纵其他器官的能力”,“反馈操纵结果的能力”,充分模仿了人类感觉器官采集信息,大脑分析归纳整理信息,肢体服从大脑指令进行行动的能力,使该辅具可以迅速感知,并且实时作出调整以适应完成任务的要求。

  智能辅具概念的出现比较新,2011年2月科技部社会发展司在征集“十一五”社会发展领域十大科技成果,将“智能型残障人生活辅具的研发”列入。

  康复设施的科技水平从六十年代以后日趋现代化、智能化。正如中国残联张海迪主席在接受媒体采访时谈到的,智能化正成为残疾人康复器具发展的新趋势。“现在很多的残疾人辅助器具在智能化方面已经取得了非常不错的成绩,如假肢的智能化、轮椅的智能化等,有的轮椅甚至能自动站立起来。更有甚者,很多产品已经借助仿生学的原理,来研制新的智能化高端产品。”

  1.2 智能辅具的应用对象  长期卧床的患者,需要定期变换身体的姿势,进行身体的擦洗和清洁,完成各种日常生活照料等护理工作。长期卧床的重度残障人及失能老人的护理是一个世界性的难题,通常需要专门的护理人员,工作非常辛苦。很多智能机器设备主要是针对他们的,而且智能辅具已经在发达国家达到一定的级别了。

  我国老年人中,失能已达940万人,还有部分失能1894万人;长期卧床、生活不能自理的约有2700万人;82万老年性痴呆患者中约有24万人长期卧床。我国3.74亿个家庭中,有长期卧床患者的家庭约占全国家庭总户数的8%。由于缺乏社会护理,一个失能老人至少影响两个家庭,至少有几千万家庭为失能老人的护理问题所困扰,未来护理和辅助的人员将会短缺。其中,最缺乏的是先进的家庭护理设备和智能辅具。

  2 我国智能辅具的科技创新的现状

  在内容上,目前智能辅具不仅包括了智能假肢、智能轮椅、智能移动辅具、智能家居与环境控制辅具、智能生活辅具、智能康复训练机器人。“十一五”期间,我国科技主管部门和行业主管部门积极推动智能辅具研发,科技部通过科技支撑计划、863计划等国家科技计划支持了多个专门面向重度残障者的重大科研项目,部分项目已取得了一批高水平的科研成果,包括若干个智能生活辅具等标志性新产品,将陆续推向市场,这些成果为智能辅具产品的进一步研究奠定了良好的基础,有力推动了我国智能辅具事业的发展。

  2.1 国产智能下肢假肢  智能下肢假肢在假肢膝关节系统中组合了模仿人脑指挥身体器官行动的必要模块,通过微处理器控制智能假肢膝关节液压系统的阻尼变化来调节支撑期稳定性和摆动期摆动速度,充分模仿了人类感觉器官采集信息,大脑分析归纳整理信息,肢体服从大脑指令进行行动的能力,使膝关节可以迅速感知地面状态,行走速度,并且实时作出调整以适应路面状况和行走要求。

  我国于1994年就开始了智能膝关节研究。2009年由河北工业大学、国家康复辅具研究中心、清华大学联合研制成功国产智能假肢气压膝关节(图1),采用了四连杆与气压缸的一体化设计,利用传感器实现步态和步速识别,智能控制器能够根据穿戴者的行走速度自动调整气缸阀门开度,实时调整假肢的摆动速度,填补了国内智能下肢假肢领域的空白。

  

  图1 国产智能假肢气压膝关节

  2.2我国智能轮椅研究  从某种程度上说,智能轮椅就是基于轮椅的康复机器人。智能轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅,融合多种领域的研究,包括机器视觉、机器人导航和定位、模式识别、多传感器融合及用户接口等,也称智能轮椅式移动机器人。智能轮椅和传统轮椅相比,多了“大脑”、“眼睛”和“耳朵”,它们分别是计算机控制系统,摄像头和激光探测器,还有麦克风。

  中国科学研究院的自动导航智能轮椅,是一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的智能轮椅,曾在“863计划”十五周年成就展展馆的人群中自如穿梭。此项研究成果于2000年11月通过“863”智能机器人主题专家组的鉴定,并研制出我国第一台多模态交互式智能轮椅样机。此项研究高度重视了智能轮椅人-机控制界面的设计,在轮椅的设计中综合运用模式识别实验室有关图像处理,计算机视觉和语音识别等最新成果,使人能通过语音控制轮椅自由行走,轮椅可以实现简单的人-机对话功能。上海交通大学已开发成功一种声控轮椅,主要是为四肢全部丧失功能的残障者设计的,使用者只需发出"开"、"前"、"后"、"左"、"右"、“快”、“慢”、“停”等指令。轮椅可在1.2s内识别指令的意思并完成指令给出的动作。我国“十一五”规划重点支持的服务机器人项目——助老助残机器人系统,国家863计划智能轮椅课题已开发出中端轮椅(图2)实现了差速驱动控制、平滑起停、稳定行驶、实时避障停车功能;高端轮椅(图3)座位可以自由升降,靠背自由倾斜,床与轮椅实现了对接,方便乘坐人员自理上下床;自动避障绕行,跌落、倾翻自动报警,还可对使用者健康状态实时检测。

    

  图2 国产中端智能轮椅                  图3国产高端智能轮椅

  2.3我国智能移动辅具的研究  对于许多下肢功能开始衰退的老年人和残疾人来说,利用智能型辅具正确进行站立和步行训练也对其下肢功能的恢复和保证身体整体的健康水平具有重要意义。

  国产截瘫患者行走训练系统。由清华大学、国家康复辅具研究中心等联合研制的国产截瘫患者行走训练系统(图4)该系统突破了关节反向驱动和腰部随动机构、运动轨迹规划及髋膝关节协调控制等关键技术,设计了根据患者身高自动生成步态轨迹的智能多关节协调运动控制系统,帮助截瘫及其他下肢运动功能障碍患者进行行走训练,恢复其行走功能。

  

  图4 国产截瘫患者行走训练系统

  2.4 智能家居  智能家居又称智能住宅,在国外常用Smart Home表示。这种技术旨在针对留守在家庭中的功能障碍者(老年人和残疾人)的自我照顾、环境控制和健康监测方面的特殊问题,解决关键技术难点,使他们不仅能独立完成照料自己的日常生活,还能通过控制系统和网络系统,控制家庭环境系统与外界环境系统发生交互,帮助他们自尊、自立,更方便地融入到社会生活中去。

  2009年德国“夫琅禾费微电子电路和系统研究所”科研人员推出一种可照看住户的“聪明”房屋即智能家居,希望能破解人口老龄化带来的难题。这种智能家居集现有技术和面向未来的尖端技术于一身。通过由普通个人计算机控制的传感器、触摸屏等设备,“聪明”房屋可监视住户的心跳和呼吸状况,按时提醒住户吃药,自动关闭水龙头以防水池和浴缸溢水,还具备其他一些智能功能。对佩戴“家庭无线电频率身份识别标签”的住户而言,“聪明”房屋的浴室可获知他们的个人偏好,在触摸屏上显示适合的图标。

  2.5 环境控制辅具  智能环境控制辅具帮助重度残障者控制家居中日用电器设备,可用于开门、开窗帘、拨电话、开电灯、电视等。系统的关键是提供一个利用残障人尚有的功能与电器设备间的人机接口。所利用的功能往往是某一部位的动作, 如某一手指的微动、眼球动作、声音、吹气等。人机接口由传感器、处理电路和信号发送等部分组成, 通过它们将人体动作转变成电信号并与需操作的设备联接。基于脑-机界面的环境控制系统的研究正引起各国的重视。

  在上海世博会的沪上·生态家里,有一个叫做 “灵灵”的家居监控机器人(图5),这台造型可爱、会语音交互的机器人堪称智能家居的“大管家”,能够接受用户通过手机、电话等方式发出的指令,不折不扣地完成任务。通过专业的网络视频通信技术,家居监控机器人实现了移动、监控、保洁、控制家电于一体。机器人在家中,主人在公司或者外地,在外面的电脑上就可以看到家中的情况,看看老人、爱人、孩子的情况,可以和他们语音交流,控制机器人从卧室到客厅,一边吸尘、一边监控,实现了移动监控的功能,从而解决了固定网络摄像机监控不到的死角问题。它还可以实时录像,实时监控。当机器人发现移动物体时,它会自动拍照,然后发到主人指定的邮箱,留下可靠、真实的证据。最为重要的是:当机器人没电怎么办,没问题,它会自动去找充电基座充电,所以不怕家里有没有人。主人在公司,可以提前把家中的空调、热水器打开,出差了,看到家里电灯、电视没关,随时可以关闭。

  

  图5  国产家居监控机器人“灵灵”

  2.6 智能生活辅具  智能生活辅具是个人生活自理和防护辅助器具(aids for personal care and protection)的简称,是指残障者由于某种功能障碍,不能完成某项或多项日常生活活动,为提高其自身能力,减轻由于功能障碍带来的生活不便,使其能较省力、省时、高质量地完成一些原来不能完成的日常生活活动,增加生活独立性的辅具。

  目前国内外智能生活辅具的包括智能饮食辅具、大小便智能护理辅具、智能护理床、智能环境控制系统和日常生活护理机器人等几大类,相当多的智能生活辅具产品已经商品化,直接用于机构或家庭中。

  2.6.1大小便智能护理机[1]  我国大小便护理辅具市场的进一步扩大,瘫痪患者自动护理擦洗机器人设备等智能洗浴辅具,将大大减轻整个社会的负担,提高瘫痪患者的生活质量。重度肢体障碍者大小便智能护理机(图6)应用c语言技术的rtx嵌入式操作系统工作,被护理者穿上护理套装后,智能护理机的感应器能够自动识别大小便的排泄状况,选择相应程序设定模式(带手动操作),自动进行冲水抽取排泄物、水洗肛门、尿道口及附近部位、暖风烘干身体等一系列的人性化护理工作,并记录排泄次数。

  

  图6重度肢体障碍者大小便智能护理机

  2.6.2智能汲尿器  2006年国家康复辅具研究中心、北京航天航空大学等单位组成产、学、研联合体,开发了一种智能集尿器(图7),装有湿度传感器的集尿接口和负压气泵均密封地与设有液位传感器的桶盖相连,其工作原理是:装在集尿接口上端的湿度传感器测试到患者有尿液时,立即向智能控制电路发出信号,启动负压气泵工作,自动帮助患者排尿,输入储液桶中;当患者无尿液时,智能控制电路部件则发出电信号关闭负压气泵,当储液桶中的尿液高度达到预定值时,显示屏上会提示人们及时清理。

  

  图7  智能汲尿器

  2.7 智能护理床  目前国内的智能化多功能护理床更类似于机器人。智能化多功能护理床的使用者可以通过语音、遥控器、触摸屏等方便地控制智能化多功能护理床的运动,实现辅助抬背坐起、屈伸腿、左右翻身、平躺、辅助解便、人体生理参数检测、呼叫报警等功能。智能化多功能护理床一侧的触摸液晶屏,不仅可以方便智能化多功能护理床使用者实现各种功能的操作,还可以实现无线上网、查资料、看新闻、听音乐等休闲活动;设置定时服药、定时锻炼、定时收看节目、用餐时间提醒、起床叫醒等提醒服务,可称得上是无微不至。智能化多功能护理床使使用者自主的照顾自己,附属的娱乐设施也免除了残障者长期卧病在床的孤独寂寞,是家庭护理的好帮手。

  国产残障人专用生活起居床(图8)重点突破智能控制、人机交互、生理信息检测、防褥疮等关键技术,研制了3种具有不同功能、不同档次的起居床:产品采用模块化设计,即插即用。根据功能模块的划分,护理床应具有五大功能,每种功能又可以根据需要增减。

  

  图8  国产残障人专用生活起居床

  2.8 日常生活护理机器人系统  当前国际上已有日常生活护理机器人系统。这一系统可在重残人处于卧床、身体不能自由活动的情况下,通过设置在床边的护理装置(机器人部件),对重残人进行饮食照料,包括从贮藏柜的搁板上拿取所需物品等服务。长期卧床而意识健全的重残人,可在病房、家庭中使用这种机器人,在相应机构的配合下可实现的护理项目有:体位变换、大小便的排泄、躯体移动、饮食料理、信息传递(通讯)、紧急逃离等(图9)。

  

  图9 日常生活护理机器人系统整体图

  2.8.1南京国产护理机器人  想坐起来看报纸、吃饭,按一下按钮,躺着的人就坐了起来;要上厕所了,按一下按钮,屁股下面就出现一个洞,坐便器就“走”了过来……2011年05月18日,这一神奇的“护理机器人”[2]在南京亮相。在南京亮相的首位“护理机器人”的服务对象是瘫痪等行动不便者,它最基本的功能就是代替护理人员,让患者自己“照顾”自己。“只要患者有一只手可以活动,就可以自己完成操作,按下按钮就能独立完成基本生活需求。”据拥有这一“护理机器人”的康复之家工作人员介绍,这一“护理机器人”放平时和普通的床没有太大区别,类似于病房里的病床,旁边的护栏可以随意调节高度。患者躺在床上睡累了,按一下按钮,床就立即成了躺椅;想起来吃饭、看报纸,再按一下,又变成了靠背椅;想上厕所了,按一下,屁股下方可以活动的椭圆形挡板会自动消失,便盆紧随其后补上。

  2.8.2智能护理机器人[3]亮相北京国际科博会    2011年5月18日,一款医疗护理机器人(图10)在北京中国国际展览中心举办的“第十四届中国北京国际科技产业博览会”上与观众见面,该机器人能与病患老人进行语言交流、咨询、视频播放和进行简单的护理服务。

  

  图10  智能护理机器人

  2.9 智能康复机器人  康复机器人是近年来发展起来的一种新的运动神经康复治疗技术,作为医疗机器人的一个重要分支,已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。机器人不仅提供了有效的治疗和评价手段,而且为深入研究人体运动康复规律以及大脑与肢体的控制与影响关系提供了另一种途径,使用机器人辅助治疗提高了效率和训练强度、是较常规治疗手段更具有发展潜力的康复手段。正因为如此,国外研究机构和众多康复机构纷纷投入重金对神经康复机器人进行开发和产品化的工作。机器人辅助神经康复和运动训练控制已经成为世界范围内康复技术的最主要发展方向和主要热点。

  外骨骼式机器人。所谓的外骨骼就是一种可穿戴的、人工智能的仿生设备,最初主要为军事用途而研发,它可以在战场上增强士兵们的力量和忍耐力。在医学上,研究者们正在研究外骨骼的另一种用途,即帮助那些身体上的伤残人士。在健康领域,外骨骼的应用不仅仅是向截瘫患者提供机械腿,它能以自然步态帮助截瘫患者摆脱轮椅,自由行走;它还可以教他们如何学习再次行走。

  浙江大学流体传动与控制国家重点实验室从上世纪90年代开始致力于人机一体化理论研究,并逐步衍生人机智能柔性外骨骼技术研究,研制了上肢柔性外骨骼控制系统如图11所示,实际上是一种智能型上肢矫形器。

  

  图11 浙江大学力柔性外骨骼控制反馈系统

  3 未来我国智能辅具的发展

  3.1 智能辅具的发展趋势  近年来,国际智能辅具领域的科技创新高度活跃,信息、网络、微电子、生物材料、精密加工等各类先进技术和创新成果与智能辅具领域的渗透和融合日益加快,发达国家形成了在原创能力和产业发展方面的强势地位。

  智能辅具成为全球产业竞争的焦点领域。我国智能辅具面临艰巨挑战:我国企业的经营规模偏小,产业竞争实力整体不足,产业基础薄弱,产业链条不完整,产业规模、品牌和整体竞争力弱,产品研发水平相对较低,产品综合性能和可靠性还有一定差距,部分高端智能辅具核心技术和关键部件还不能掌握,难以与国外企业抗衡,在产业竞争中处于不利地位。

  3.2 我国智能辅具发展方针  发展康复事业,服务残障者,是社会进步以及落实以人为本的科学发展观的直接体现,同时也是我国民生科技的一个重要组成部分。我国的辅具产业在未来十几年之内,无论是产品的品种、数量,还是技术的先进性,都将达到前所未有的高度。“十二五”期间,我国智能辅具在“自主创新,重点跨越,支撑发展,引领未来”总的国家战略指导下,将紧密结合智能辅具领域技术突破、产品创新、产业发展和应用普及的需要,贯彻“系统布局,整体推进、突出重点、力求突破”的方针。系统布局:系统分析梳理智能辅具的临床需求和产业需求,加强计划集成;整体推进:通过创新联盟、基地平台,项目支持、政策扶持,整体推进智能辅具产业发展;突出重点:综合考虑临床需求、产业规模和技术发展趋势,确定布局重点,突出原创优势;力求突破:对重点领域、重点产品和重点技术进行重点规划,力求形成突破。

  3.3 我国智能辅具战略研究规划  国家“十二五科学和技术发展规划”在加快人口健康科技发展,提升全民健康保障能力,明确提出针对老年人群、残障人群,加强生活辅具的开发。这是在国家科技规划中,首次将康复辅具纳入。

  围绕我国“人人享有康复”的需求,根据普惠化、智能化、个性化等发展趋势,研究结构替代、功能代偿、技能训练、环境改造技术产品。重点研发智能视听及言语功能代偿辅具(人工视觉、人工喉、人工耳蜗)、新型假肢(智能膝关节及储能式假肢、肌电及神经控制假肢)、智能生活辅助系统(智能助行装置、高性能助听器、视障辅助装置等)、老年人认知功能训练系统、脑卒中及运动功能缺失智能康复训练系统、基于神经信号的智能康复训练系统等产品,提升我国智能康复产品的总体水平。

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