机器人----中国科学院沈阳分院科技成果信息网

  团队信息




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     课题组名称：康复机器人团队


    课题组网址：


    负责人：赵新刚
    工作单位：中国科学院沈阳自动化研究所
    学科领域：机器人学与机器人技术




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     课题组院地合作联络人员


    姓名：张道辉
    办公电话：


    手机：13080711130
    E-mail：zhangdaohui@sia.cn






     科技处院地合作联络人员


    姓名：房灵申
    办公电话：024-23970539


    手机：13840267512
    E-mail：lsfang@sia.cn




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  团队介绍




  康复机器人团队一直致力于生物电信号处理、人机交互技术及康复机器人等方向的研究。自主设计开发了表明肌电信号采集传感器，肌电信号采集分析软件系统，并开发了上肢肌电假肢、肌电假手、肌电鼠标等多套人机交互实验平台。在分析人的手指骨骼、关节及手指运动的基础上，设计开发了面向残疾人实用的五指假肢手；为提高手部功能，设计开发了单指具有2个主动自由度的五指假肢手，每个手指自由度由电机驱动，能执行多种类人手的动作。研发了多套康复机器人系统平台，包括上肢镜像康复系统、七自由度上肢康复系统、下肢外骨骼助力系统、外骨骼康复手和踝关节康复系统等，积累了丰富的康复机器人设计与开发经验。

  下面重点介绍外骨骼康复手和踝关节康复系统。
外骨骼康复手
1、简介

  肢体运动障碍是脑卒中患者的常见后遗症，严重影响患者生活质量。现有人工康复方式效率低、成本高，因此，团队开展外骨骼康复手研究，通过康复运动帮助患者重新学习肢体运动控制技能，恢复建立脑到肌肉的正确的神经通路。主要包括两个方面的研究：1）基于柔性驱动器，从机构上保证患者不会受到伤害。2）智能化图形交互环境，患者可实时基于表面肌电信号控制康复手，实现患者自我康复操作。开发的机器人系统将在医院康复中心进行康复实验与评估。本系统以柔性驱动的康复理念为指导建立机器人辅助康复系统，引领机器人辅助康复技术及康复产品的发展。


  坐式（左）与卧式（右）踝关节康复系统

2、主要用途

  外骨骼康复手可用于脑卒中等神经损伤患者在康复中心或在家中进行康复治疗，提供更智能化、更高效康复训练服务。康复模式包括：
  1）被动训练，机器人系统辅助患者瘫痪手指进行被动康复训练，防止挛缩和粘连，改善肢体血液循环，防止或消除肢体肿胀以及恢复和维持关节的正常活动范围；
  2）主动训练，患者基于表面肌电信号控制康复手，恢复肌肉力度和对肌肉的控制能力；
  3）主被动结合，康复训练后期，患者患者在外力协助下完成设定的运动学目标，增进关节运动的协调性和保证动作的准确性；
  4）采用安全力控制策略，确保患者安全；
  5）训练过程实时记录患者sEMG，实时评估患者康复状况，辅助医生/患者做出康复决策。

3、性能指标

康复设备功能：

  （1）可以基于表面肌电信号，并控制外骨骼康复手人带动患侧做运动。同时为患者实时显示虚拟运动画面，达到刺激患者皮层，重建正确的脑神经通路的作用。
  （2）可以支撑病人的手部重量，可辅助患者手指运动，且范围和速度均由患者主动控制，符合患者主动康复原理；这种带有辅助力的神经肌肉功能训练可以有效地提高神经对肌肉的支配和控制能力，提高肌肉的募集能力和协调性，从而提高患者上手指的运动功能。
  （3）外骨骼康复手同时具有连续被动运动功能。每个关节可按照预先设定好的角度和速度，进行持续的被动运动。主要用于防治制动引起的关节挛缩，促进关节软骨、韧带和肌腱的修复，改善局部血液淋巴循环，促进肿胀、疼痛等症状的消除，使关节活动角度尽可能恢复到或超过损伤前的程度，最终使手部功能的恢复更早、更完善。
  （4）智能化图形交互环境，患者可实时基于表面肌电信号控制外骨骼康复手，实现患者自我康复操作。

康复设备特点：

  （1）每只手指的驱动部分均串联弹性元件，使之与直线电机组合，实现柔顺驱动，充分保证患者的安全性，舒适性。
  （2）具有被动、主动、主被动等多种康复运动模式，不同模式之间切换方便，可独立存储多套治疗方案。
  （3）按人类工程学设计，外骨骼康复手手掌部分充分吻合人手曲线，更具方便性和合理性。
  （4）患者通过使用康复机器人参与治疗训练，能有效促进神经系统功能的重组。

康复设备适应症：

  脑中风（脑神经异常）、脑外伤所致手指运动障碍，早期对患者姿位的摆放以及被动运动，可以有效地防止各种异常运动模式的形成和并发症的产生。

外骨骼康复手参数：

  （1）近指端关节弯曲/伸展：；
  （2）远指端关节弯曲/伸展：；
  （3）近指端关节最大运动速度及最佳效率速度分别为：、；
  （4）远指端关节最大运动速度及最佳效率速度分别为：、。

4、市场前景

  传统的运动功能障碍改善治疗是采用手术的方法修复受损的神经系统，并通过术后的康复训练来改善运动功能。通过高强度、重复性的训练刺激皮质层重组并加强习得性应用来帮助患者重新学习运动控制已经得到了康复医学的验证。但是这种康复治疗方案不仅增加了理疗师的劳动强度同时也加重了患者的财务负担。应用康复医学概念并结合机器人技术研制外骨骼康复手，利用机械装置辅助手部关节及手指弯曲伸展运动，并通过控制系统实现运动康复策略促进手部功能恢复，将会克服传统方法的缺陷，为患者提供更好的康复体验，具有广阔的应用前景。

  患者对于自动化程度较高的康复设备需求迫切，但我国具有高智能化程度的康复训练设备还处于空白状态。另外，从发达国家康复产业的发展来看，由于市场需求的拉动，家庭医疗器械即使在各行业普遍不景气的情况下，也能一枝独秀。本项目成果既适合康复中心进行批量患者康复使用也适合单个患者家庭康复使用，因此本项目的成果前景非常广阔，市场潜力巨大。

踝关节康复系统


1、简介

  踝关节是人体负重最大的关节，也是人体下肢运动的关键关节，在人类的日常生活中起着关键作用。目前，由于人口老龄化的加重，交通工具的快速发展以及人们生活节奏的加快，踝关节的损伤在日常生活中较为常见。现有人工康复方式效率低、成本高，团队开展踝关节康复技术研究，通过康复运动帮助患者重新学习肢体运动控制技能，恢复建立脑到肌肉的正确的神经通路。从神经康复角度出发，开展了以下两个方面的研究：
  1）基于关节扭矩传感器集成的踝关节康复机器人多模式控制方法，从控制上保证患者安全；
  2）智能化图形交互环境，患者可实时基于表面肌电信号控制踝关节康复系统，增强患者主动参与度，实现患者自我康复操作。本系统以基于表面肌电信号的多模式控制方法的康复理念为指导建立踝关节康复系统，引领机器人辅助康复技术及康复产品的发展。

2、主要用途

  踝关节康复系统可用于脑卒中等神经损伤患者在康复中心或在家中进行康复治疗，提供更智能化、更高效康复训练服务。功能包括：
  1）基于被动控制模式，在线实时调节踝关节跖屈运动与背屈运动的极限位置、康复运动周期次数、速度参数、拉伸时间，让患者在踝关节康复设备的带的下进行往复康复运动，并且在极限位置上进行拉伸一定的时间；
  2）基于主动多种控制模式，恢复神经意识对踝关节运动的准确控制；
  3）采用穿戴式工作方式，直接驱动踝

  典型转移转化项目案例




  暂无

  团队信息




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     课题组名称：自主机器人课题组


    课题组网址：ar.sia.cn


    负责人：何玉庆
    工作单位：中国科学院沈阳自动化研究所
    学科领域：机器人学




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     课题组院地合作联络人员


    姓名：杨丽英
    办公电话：024-83601191


    手机：15998250523
    E-mail：yangliying@sia.cn






     科技处院地合作联络人员


    姓名：房灵申
    办公电话：024-23970539


    手机：13840267512
    E-mail：13840267512 lsfang@sia.cn




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  团队介绍




  团队主要研究方向及可转移转化的科技成果等

  自主机器人团队致力于工业级旋翼无人机系统的研发与应用。经过十余年的技术攻关，成功研发了SIA-40（起飞重量40公斤）、SIA-100（起飞重量100公斤）、SIA-700（起飞重量700公斤）、XY-200（载荷200公斤）等一系列无人直升机系统。其中，云鸮100（SIA-100）无人机具备完全自主知识产权，在国内已经率先开展了灾难救援、电力巡检与架设、精准农业等行业应用。翔鹰-200（XY-200）大型无人直升机实现了控制系统、动力系统、传动系统等关键部件的国产化，在国内首次成功实现了大型无人直升机的舰船甲板自主起降技术验证。

  团队主要技术产品为工业级旋翼无人机系统。主要研究方向包括：

  系列化无人机本体轻量性、适配性及可靠性设计
  无人机飞行控制自主性及智能性研究
  面向典型应用的无人机系统与标准化载荷一体化技术
  无人机产品生产、检测技术标准化
  面向典型行业的规模化应用推广

  典型转移转化项目案例




  1.云鸮100无人直升机系统研制与产业化

  云鸮100无人直升机是面向科考、救援、电力、农业、公共安全等领域研制的一款特种机器人，攻克了长续航、强抗风、高可靠本体设计，复杂气流中的自主稳定飞行控制，动态环境中自主轨迹规划与跟踪，多机编队飞行以及双机自主避碰等多项关键技术，解决了动态平台自主起降，高海拔环境、低温环境自适应飞行等难点问题，为南极科考、电力、农业、灾害救援等行业应用提供了重要手段和工具。云鸮100按照工业级无人机标准设计研发，其智能化与实用化水平处于国内领先地位。关键技术特点如下：

  依照ISO9000标准设计和制造的高可靠的无人直升机本体，具有有效载荷大，续航和抗风能力强的特点；完成验证飞行2000余小时，自评技术成熟度达到6级；

  自主设计研发全套飞行控制系统，面向风扰、故障等不确定性因素的超视距稳定飞行控制技术经过行业应用飞行验证，技术成熟度达到7级水平；

  具备基于视觉的特定目标自主识别与跟踪技术，复杂环境条件（光照、水面反射、雨雾）的影响，实现对静、动态目标的高精度识别与持续跟踪，与同行业无人机比具备明显的技术优势。自评技术成熟度达到5级。

  技术指标：最大起飞重量≥100公斤、最大任务载重≥30公斤、最大平飞速度≥60公里/小时、最大续航时间≥2小时、最大抗风能力≥5级、工作温度范围-20 C-40 C、可实现遥控/半自主/全自主飞行。


  图1 云鸮-100无人直升机


  图2 大连海面溢油监测与处置


  图3 高压输电线缆跨江架设


  图2 农业喷洒应用

  云鸮100无人直升机在电力应用领域，实现了巡线和电力线架设，创造经济效益超过 3 亿元，实现了国内首次无人直升机超高压线架设，其中跨长江作业长达 15 公里，属世界首创。旋翼无人机电力巡检与架设相关技术成果荣获辽宁省科技进步一等奖、国家电网科技进步奖二等奖、中国电力科学技术进步奖三等奖、中国科学院科技促进发展科技贡献二等奖，该旋翼无人机在电力巡检与架设方面的应用于2011年通过省级科技成果鉴定，其中不断航跨长江、黄河等架线作业模式属国际首创。在公共安全与灾害处置领域，与消防部门合作完成了火情灾后的信息获取应用；与武警部门合作，实现了对群体性突发事件进行空中监控、投放非杀伤性武器的演示；随国家救援队参与芦山 4.20 地震救援，为人员救助提供了信息保障；参加了大连新港输油管线爆炸后的海面溢油监测及化油剂喷洒处置，在国内首次开展无人机进行溢油监测工作。在农业领域，创新提出了一种超低空超微量施药方式，应用无人机控制系统完成农田导航、飞行控制及药量控制，在增大农药沉积率的同时极大地减少了施药量。无人机精准施药系统在新疆、安徽、江苏、黑龙江、吉林、辽宁等省份建立了20 万亩的示范应用基地，并于2013 年获得第二十届农高会最高奖项——“后稷特别奖”。

  2.翔鹰200无人直升机系统研制与产业化

  翔鹰200无人机系统是项目团队另一项核心技术，技术路线采用载人直升机进行无人化改造的技术路线，已实现对潍坊天翔V-750大载荷无人机、罗特威A-600直升机的无人化改造，主要包括飞行控制系统研发、电气及传动机构改造、系统参数辨识以及大量的验证试验。目前，翔鹰-200大型无人直升机已经实现了控制系统、动力系统、传动系统等关键部件的国产化，在国内首次成功实现了大型无人直升机的舰船甲板自主起降技术验证。项目团队成功完成了两个型号的无人机改造，在国内具有领先地位；该量级的无人直升机系统在国内尚无成熟可靠的机型，关键技术特点如下：

  具备系统功能：全功能自主飞行（自主起飞、自主降落、自主悬停）；超视距自主航迹跟踪飞行、地势等高飞行；起降环境要求低，无需跑道；能够搭载多种类型的先进有效载荷；能够在数据链失效的情况下安全返航和着陆；能够配置在有直升机降落平台的舰艇使用；操作简单、迅速投入行动、最少的人工干预、最低限度的操作基地需求。

  操作特点：操作简单；系统自检；自动返航；油量、电量显示；一个地面站可控制多架飞机；可以从移动平台控制飞机。操作模式：自主垂直起降；自主巡航飞行；手动速度控制（稳定模式）；遥控飞行。

  技术指标：最大起飞重量700公斤、最大载荷200公斤、续航时间2-4小时；


  图3-1 翔鹰-200大载荷无人直升机


  图3-1 翔鹰-200大载荷无人直升机舰载起降实验验证

  大载荷无人直升机已实现自主起降、航迹飞行等，整体技术路线可行，但是技术成熟度尚未达到YX-100无人直升机的技术水平，需要进一步研发和技术迭代。将来翔鹰-200无人直升机在海洋执法、现代农业、应急救援等诸多领域具有广阔的应用前景。