科技创新

在红外传感器、嵌入式视觉系统等其他类型的传

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  20 《机器人技术与应用》双月刊 第2期1 前 言目前,全世界60岁以上的老年人口已达到6亿左右,人口老龄化已成为世界范围的重大社会问题。我国60岁及其以上老年人口已达1.32亿,占全国总人口的10%,并以年均3.32%的速度持续增长。预计到2015年,60岁以上的人口将超过2亿,占总人口的14%,其中老年病患者约有50%需要护理服务。此外,我国还有各类残疾人约6千万,约占我国总人口的5%。因此,我国合计需要进行护理的人口大约为1亿人。人口的加速老龄化使医疗和社会保险系统面临前所未有的压力,高龄老年人的自我照料能力差,主要由家庭护理,护理费用高,劳动强度大,护理条件急需改善。在我国的13亿人口中,家庭数3~4亿,有功能障碍者或需看护人员的家庭,占全国家庭总户数的1/10,即3577万左右。各类残疾人和长期卧床老年人的大量存在,使得助老助残问题正日益成为一个重大的社会问题。因此,研制开发助老助残机器人产品,为老年人和残疾人提供诸如出行、护理和医疗康复等方面的服务,这对于提高老年人和残疾人的生活质量,保证我国社会的稳定发展具有重要作用。助老助残机器人产品主要功能是辅助老年人和残疾人的日常生活,其中典型的产品有辅助腿脚不便的老年人和残疾人出行的轮椅产品,为患慢性病的老年人、空巢家庭中的老年人、住院后退养的体弱者、瘫痪和半瘫痪等失去自理能力的病人、心脑血管疾病人群,以及骨伤疗养者等进行护理的护理床产品,帮助残障人士与肢体功能退化的老年人进行肢体康复训练的康复机器人产品。我们将从这三类产品的产业、技术出发,分析其发展现状和趋势,并从技术和产业发展两方面分析我国与先进国家之间的差距。2 我国助老助残机器人产业 发展现状2.1 我国普通/电动轮椅产业发展现状我国现已有100家以上的普通轮椅生产企业,年产量为200万台左右,其中有60家以上的电动车和电动轮椅生产厂商,电动轮椅(含轮椅式电动代步车)的产量约占轮椅总产量10~20%,而具有室内外通用特点的真正意义上的电动轮椅产品只占电动轮椅产品总产量的10%(2万台左右),国内主要轮椅生产商及其产品特点见表1。由于目前国内电动轮椅消费市场尚未成熟,很多国内生产商产品主要出口,主要出口地是北美、欧洲和东南亚等地区。目前国内的电动轮椅市场还处于早期开发阶段,产品的价格较高。在国内市场,电动轮椅的价格大体可分为三个档次:(1)高档电动轮椅高档电动轮椅的价位在19000元以上。高档电动轮椅以美国Pride、台湾必翔、德国奥托博克等厂家的产品为代表,产品为整机进口或主要零部件进口组装,组装地点基本在上海地区。(2)中档电动轮椅中档电动轮椅的价位在12000元左右,中档电动轮椅以台湾德林机电的产品为代表,其他厂家也有此价格范围内的产品。(3)低档电动轮椅低 档 电 动 轮 椅 的 价 位 在2000~8000元,主要是国内企业的产品,以广东佛山凯洋医疗器械、上海威之群、兰州航空机电、烟台康利、天津夏博科技等国内企业的产品为代表,根据轮椅结构不同,价格有一定的差异。国产电动轮椅产品除了控制我国助 老助 残 机器人产业与技术发展现状调研? 邓志东 程振波(清华大学计算机系,北京)专题报道 S Special R Repo orts* 国家863计划资助项目(2007AA041702)2009年3月30日 《机器人技术与应用》 21器采用进口产品外,其他零部件基本上都采用了国内配套产品。2.2 多功能护理床产业发展现状(1)SS18电脑远红外按摩理疗床该护理床适用于腰椎间盘突出症、骨质增生、顽固性颈椎病、落枕、肩周炎、慢性腰肌劳损、急性腰扭伤、腰椎肥大、坐骨神经痛、失眠、性功能减退、月经不调、便秘、精神紧张症、中风后遗症、风湿性脊柱炎、疲劳综合症等,还具有减肥、滋润肌肤等美容功效。(2)T-1多功能侧翻床该多功能康复护理床由昆山瑞天床业有限公司研制生产,2001年获得国家专利(专利号:01238674.X),主要适合瘫痪病人的特殊护理要求,特别对防止褥疮滋生、肺部积痰、手术后静卧、肢体恢复等都有很大的益处。(3)MYD多功能医疗护理床该护理床是石家庄市满友医疗器械实业有限公司研制的,主要为框架结构,床面采用分体设计,可以调整为满足用户需求的各种状态。该床采用先进的中控刹车系统,并配置丹麦安全电压电机,稳定性可靠。该床从整体设计、制造上能满足各种需求,操作简单,具有人性化特点,设计中考虑病人的需求,设计有呼叫护士功能、娱乐功能、床成椅子形状、预设病人体位、液晶显示等多种复合功能。(4)上海杰作医疗护理设备厂护理床系列该多功能护理床系列主要用于特殊病人的康复护理,对一些卧床的特殊病人,如瘫痪患者、手术后病人、骨折病人、产妇等进行护理工作,主要是照顾病人的吃、喝、大小便及身体各部位的清洁、活动等,实现了功能的多样化,满足用户的需要,减轻了护理人员的劳动强度。国产的护理床除了简陋的固定式普通病床外,目前县级以上医院大多采用手动式护理床。该类型护理床姿态调节范围有限,功能单一,配有手摇式自动输送便器,价格一般在3000元左右。早期多以蜗轮与蜗杆相配合,利用杠杆原理分别支撑并驱动多折床面板,实现对卧床者体位的改变。近年来,这种传统的手摇驱动床面板的方式,已逐渐被电机驱动取代,出现了许多国产电动护理床,如广东佛山市勤联医疗器械有限公司生产的QL系列手动/电动护理床,年产量约3000张,在国内市场占有相当的份额。2.3 肢体康复产品产业发展现状目前市场上的四肢康复锻炼设备表1 国内主要轮椅生产商分布情况地区重点企业数量有影响企业 特点备注上海14上海轮椅厂、上海威之群机电制品 有限公司、上海思沛机电制品有限 公司、格罗贝尔轮椅车上海有限公 司、上海立翔昌兴业进出口贸易有 限公司等5家。国外跨国企业的主要组装地,发往 全球的电动轮椅达到数十万部。企 业性质广泛,有国营、私有及跨国。 经营时间也跨度较大。广东10广东南海凯洋医疗设备有限公司等。以出口为主,产业和配套基础好,人 力成本低,市场意识强。天津8天津市夏博科技有限公司。以手动轮椅为主要经营领域,电动 产品较少,它是未来的潜在客户区 域,轮椅发展历史较长。浙江14金华日普电动车有限公司、金华祺 翔电动车制造有限公司、浙江金华 爱司米电气有线公司、中国浙江宁 波佳和特种车辆有限公司等5家。是国内在发展电动车辆方面的主要 基地,产业基础和市场认可度高, 相关支持和配套实施齐全。未来在 轮椅发展方面是需求最大的地区之 一。是轮椅式电动 代步车的主要 产地。其它20贵州华烽电器公司、德林股份有限 公司、兰州航空机电有限责任公司、 烟台康利科技机电有限公司、江苏 鱼跃医疗设备公司等5家。这些企业都是以产业整合的角度进 入轮椅整机生产的,实力和竞争力 较强,部分企业在电动总成等方面 具有一定实力。22 《机器人技术与应用》双月刊 第2期的产品功能单一,其应用范围仅限于局部关节,即腕关节、肘关节和肩关节的康复,而且产品的智能化程度不高。 当前市场上的四肢康复锻炼设备主要来自于德国、美国和日本,尽管其功能较为单一,但是价格仍然非常昂贵。例如,用于腕关节和手关节锻炼的CPM机(CPM机是利用康复医学中连续被动运动的基本原理对受伤肢体进行康复治疗的机械装置,是目前为止机器人生物力学或生物物理化学类型的典型应用),其价格为10万元左右。我国较大规模的医疗康复设备生产和销售产家有:南京康龙威科技实业有限公司、南京赐和医疗器械有限公司、浙江科惠医疗器械有限公司以及两家国外康复器械产品代理厂家(常州市健本医疗康复器材有限公司、南京华润生物工程有限公司医疗器械事业部)。上述前4家公司在2004年度和2005年上半年共销售各种四肢康复器2153台,其中1421台为国外进口产品,占总数的66%,产品价格均在每台5万~15万元之间。国内康复类产品价格低廉,在1万元左右,但是其质量和技术水平较低,存在运动定位精度低、作用力难以控制的严重缺点,并且售后质量无法保证,因此不受医院和用户的欢迎。但是,上述民营企业非常希望和高校、研究所合作,利用研究单位的技术优势,开发功能强、质量好、价格低的康复产品。3 助老助残机器人技术发展现 状3.1 电动轮椅技术发展现状电动轮椅其核心技术是电动驱动总成、嵌入式控制器、传感器和传感器信息处理技术、电源技术。(1) 电动驱动总成在电动轮椅电动总成的生产方面,我国目前已有多家企业具有生产技术和生产能力。如贵州华烽电器公司2004年生产电动轮椅用电动驱动总成10万台以上,其出口金额已达1000多万美元;而兰州万里航空机电公司的电动轮椅电动驱动总成的产能也在2万台左右。上述产品不但已经用于国内电动轮椅产品,而且被台湾以及国外电动轮椅产品广泛采用。(2) 嵌入式控制器在嵌入式控制器研究方面,在国家“863”计划的支持下,我国已经做了大量的研究开发工作,并取得了一批可以用于智能轮椅产品的研究成果。例如,中科院自动化所一直在积极进行基于DSP技术的嵌入式控制器和传感器处理技术的研究,已经研制出基于DSP的高性能低成本嵌入式智能轮椅控制器。该控制器的成本只有国外进口控制器的1/3,不但具有进口轮椅控制器的基本功能,而且可以根据超声传感器和红外传感器的信息对轮椅进行控制,使电动轮椅具有平稳加减速、自主避障等功能。(3) 传感器技术在传感器和传感器信息处理技术方面,国内近年来已经有了长足的进步,具有了很好的技术基础。例如,在超声传感器方面,与进口超声传感器每套需要近千元相比,目前国内已经研制开发出了平均单只成本只有40~50元的集成化超声传感器系统。这样的超声传感器与高性能控制器相配合,所感知的环境信息完全可以满足智能轮椅和智能传感器的需要。此外,在红外传感器、嵌入式视觉系统等其他类型的传感器方面,我国也都取得了一定成果,有了一定的工作基础。(4) 电源技术在电源技术方面,目前普通智能轮椅与智能助行器所需要的普通铅酸电池技术已经非常成熟。例如,春兰电器公司研制开发的镍氢电池已经被成功地应用于国产电动汽车和电动自行车,其产品也完全可以被应用于智能轮椅与智能助行器产品。3.2 多功能护理床技术发展现状对于肢体运动功能存在严重障碍的患者,怎样设计合理的机构和控制方式将其从病床上转移到其他地方一直是困扰医务人员的难题。由日本SANYO公司生产了一种传送辅助设备,命名为Patient-Care Robot。该设备能够将病人和伤残人员从床上扶起,并将他们送到浴室、盥洗室或其他地方。虽然在1983~1988年由新能源与工业技术开发组织(New Energy and Industrial Technology Development Organization,NEDO)以及工业科技办事处(Agency of Industrial Science and Technology)共同开发了“用于残疾人员的人体传送辅助系统”。但是由于该系统不便于操作,所以并未在医院中广泛应用。在总结了经验之后,该研究小组认为,一个成功的传送系统必须能够满足以下要求:•推或拉一个物体的时候,操作感觉应像人操作一样;•护士不必使用非常大的力气去移动患者;•器械必须让患者感觉到尽可能小的不舒适感,工作必须平缓、柔和;•结构尽量简单,利于实际使用以及今后的进一步改进。日本DAIHEN公司和东京大学的学者注意到,将患者从病床上转移到传送床上的时候,关键是转移机构必须合理。在上述基础上,他们设计了一个转移装置,该装置由主转移部分、操作盒、供电电池、和控制盒构成。由于该装置相比于Patient-Care Robot机构和控制部分设计更合理,所以可以更容易地将患者从病床上进行转移。此外,麻省理工学院的学者采用了一种柔软的被单来转换患者的体位。该设计可以保护患者柔弱的皮肤不受到摩擦伤害,确保其在翻身过程中不会在被单上滑动。该系统样机采用一对伺服驱动机器人臂来操作床单,并采用了基于测量患者位置和方向的闭环控制系统,帮助患者完成翻身、转移病床等操作。在帮助护士将患者从坐姿和平躺姿态扶起到站立姿态的护理床设计专题报道 S

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