康复机器人研发中的哲学思维

2018-02-18夏金凤韦建军王春宝刘铨权段丽红

装备制造技术 2018年11期

夏金凤，韦建军，王春宝，，3，刘铨权，段丽红

（1.广西科技大学机械工程学院，广西柳州 545006；2.深圳市老年医学研究所，广东深圳 518035；3.华南理工大学，广东广州，510641）

0 引言

哲学是关于世界观的学问，是系统化、理论化的世界观和方法论，是自然知识、社会知识、思维知识的概括和总结，是人类正确认知世界的武器。康复机器人是基于运动仿生学原理，采用医工结合的研发方法，融合机器人工学、电子信息、控制工程、人工智能、康复医学、运动医学等学科为一体。康复机器人的研发技术也成为多学科交叉融合的一门技术。从哲学角度来讲来看，康复机器人既是有形的物质同时也是无形的精神。因此，康复机器人的设计既涉及到康复机器人实体，又涉及到“概念”这种无定型的精神的东西。康复机器人的设计既涉及到如何根据已知模型，又牵涉到如何根据已知模型进行物理结构设计，进一步构建结构模型，直至加工成为人工自然物的“物质变精神，精神变物质”的哲理[1]。智能康复机器人作为康复工程、机械工程和控制工程的融合体，哲学在其研发、应用过程中起到极其重要的作用。

1 哲学思维在康复机器人研发及应用中的特点

哲学思维所具有的最突出、最明显也是最重要的特性，是它高度自觉的抽象性、批判性、反思性。这三大特性表现于哲学观察任何对象的视角和层次之中，也表现于哲学思考所使用的概念形式、哲学推理所追求的逻辑走向等等之中[2]。

康复机器人设计具有哲学思维的抽象性。抽象是认识感性阶段向理性阶段飞跃的决定性环节[3]，设计者通过对康复机器人的抽象环节进行深入的认知活动，将康复机器人中诸因素变化、作用情况清晰后再综合分析，清楚诸因素之间的主次、交互影响，看其定性定量变化的作用，从而抓住并揭示出其内在变化的规律，才能设计出更符合康复需求的产品。在康复机器人设计过程中，首先需要对人体结构进行分析，建立人体生理模型。在进行模型分析时，将腕指关节、肘关节、肩关节、踝关节等，这些关节转化为工程上所需的结构简图，把关节运动转化为工程上的运动。

康复机器人设计具有哲学思维的批判性，对康复机器人分析和评价需要做到清楚、准确、相关、有深度，并具有严格的逻辑性。在此基础上还要有严格的推理，这种推理具有合理的框架，推理过程具有明确的目的性[4]。康复机器人设计过程中使用到的数据都必须得到相应的解释，概念必须清楚，并将概念的内涵和外延都表述清楚。批判性思维可以让我们清晰的认识同类设计，只有对康复机器人有清晰的认识才能在同类产品中创新。机械设计是一个具有创新意识的过程，在明确的功能需求下，就要有严格的逻辑思维去分析已有产品，然后设计出满足需求的结构。

康复机器人设计具有哲学思维的反思性，反思不仅仅是“回忆”或“回顾”已有的心理活动，而且要找到其中的“问题”以及“答案”。也就是设计者在康复机器人设计过程中考察自己活动的经历中探究其中的问题和答案，重构自己的理解，激活个人的智慧，并在活动所涉及的各个方面的相互作用下，产生超越已有信息以外的信息。康复机器人设计中反思性学习的灵魂是“提出问题→探究问题→解决问题”。康复机器人设计不是一次性就可以完成的，需要反复循环验证。

2 智能康复机器人的研发思路

因果关系是事物间相互关系的一种，是由先发生的现象必然引起后续现象的一种本质的联系[5]。科学是随着研究方法所获得的成就而前进的，研究方法每前进一步，我们就提高一步，随着我们面前就开拓了一个充满种种新鲜事的更辽阔的远景，因此，研究方法对康复机器人设计有重要作用。传统康复训练中，每位患者必须配备专业的康复治疗师以进行针对性的康复训练。这种方式不仅康复周期长，治疗师负担重，而且康复效果受到康复治疗师能力水平限制。为解决这一问题，国内外许多科研机构提出用机器人代替康复治疗师的基本操作。这样不仅减轻了康复治疗师的工作强度，而且为患者提供稳定的，更具有针对性的康复训练平台。现有康复机器人缺乏客观的训练与评价体系。其患者康复状态及训练参数调整需依靠康复治疗师的主观判断，无法实现康复过程的客观评价与针对性的自动调整。与此同时，需要归纳总结，从已有的康复机器人中去寻找规律，需要大量的查询国内外相关参考文献或产品。站在前人的基础上去发现问题然后解决问题，这样才能使设计出的康复机器人满足康复需求。

康复机器人的研发思路采用循环研究的方法，主要步骤可以分为分析建模→综合开发→临床验证，并通过循环研究最终完成康复机器人的开发。如下图1所示即为康复机器人的研发思路。

图1 康复机器人的研发思路

3 康复机器人研发思路的应用

健康的人体可以分为上肢、腰部、下肢、踝关节等重要部分，人体的健康不能脱离其各部位的健康而存在，没有各关节的康复就不能有人的健康；各部位的健全是人体健康的重要环节。事物的整体及其各个部分都处于不断运动变化中，并且受到环境改变的制约。部分与整体之间的关系不是静态的，而是动态的。整体和部分的范畴有重要的认识论意义。在研究过程中，人们首先要了解患者身体，继而分析研究其病患部位，并在这个基础上综合地、具体地研究康复机器人。本文通过本课题组已研发的康复机器人来举例说明。根据人体重要组成部分，完成了踝关节康复机器人[6-10]、指腕关节康复机器人[10]、上肢功能康复机器人[11]和躯干运动协调康复机器人[12]。应用仿生原理开发面向单关节与运动协调的智能康复机器人如图2所示。各个康复机器人单元均遵循康复需求分析→生理特征模型化→康复手法仿生构型→康复机器人开发的流程，模拟治疗师进行康复训练的操作手法。

图2 智能康复治疗师仿生机器人系统图

3.1 临床康复训练与治疗师手法仿生的需求分析

康复机器人设计来源于需要，临床康复训练与治疗师手法仿生的需求是设计的动力和泉源。康复训练分类与治疗师手法仿生需求分析如图3所示，依据患者康复进程，患者的康复训练主要可以分为面向偏瘫的恢复早期、以神经促通为目标的单一功能训练，以及以患者生活重建为目标的运动协调性训练。临床早期康复训练过程中，通过利用健患侧协同动作及联合反应，重复刺激等辅助训练，防止患者肌肉萎缩，促进神经通道通畅。临床中后期康复训练过程中，通过在治疗时的引导下，利用反复练习，完成多关节运动协调训练，为患者重新获得正常的生活技能提供坚实基础。由于治疗师的康复手法存在差异，因而，为了获得临床经验丰富的康复治疗师的操作手法，开发治疗师康复手法仿生的康复机器人，改善康复治疗师需求的困境，实现患者的精准康复治疗。

图3 康复训练分类与治疗师手法仿生需求分析

3.2 生理特征模型化

我们对人体的了解是在研究和分析的基础上，由感性的人体功能结构上升为理性的机械原理，进而把各种机械原理的规定通过更深刻的加工，达到具体的再生产，由理性的机械原理上升到理性的人体简化模型，从而获得内在联系和本质的过程。传统的偏瘫患者康复训练中，单一患者往往需要一个或者多个治疗协助，造成医疗资源紧张，同时，治疗师临床经验的差异导致康复治疗效果不同。为了减少治疗师临床经验对康复治疗的影响，将结合患者康复部位的生理特征与治疗师的康复手法，提取构建训练手法的关键参数。为了获取康复治疗师的操作手法，需要采用工学的方法描述受损肢体的生理机构特征，构建描述患者肢体生理结构机构件图。邀请具有丰富临床实验的康复治疗师对各种康复对象如图4所示，治疗师康复手法特征量化提取方法的。

图4 治疗师康复手法特征量化提取方法

3.3 康复手法仿生构型

根据患者康复需求，分类归纳患者训练内容-治疗师康复手法的数据样本，通过数据挖掘，提取出康复训练过程中反映患者肢体的运动信息，与康复治疗师操作手法的关键参数，构建患者肢体运动康复训练（Patient Limbs）与康复师操作手法（Physiotherapist Skill）的PLPS映射模型。康复手法再现的PLPS模型如图5所示。