劉玲云,魯守銀,張　營,李　臣,王升軍

(山東建筑大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與智能系統(tǒng)研究院，濟(jì)南　250101)

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中醫(yī)按摩機(jī)器人專家控制系統(tǒng)的研究

劉玲云,魯守銀,張營,李臣,王升軍

(山東建筑大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與智能系統(tǒng)研究院，濟(jì)南250101)

針對中醫(yī)按摩過程的復(fù)雜性問題，根據(jù)中醫(yī)按摩專家經(jīng)驗(yàn)和智能控制理論，提出了一種基于產(chǎn)生式規(guī)則的中醫(yī)按摩機(jī)器人專家控制系統(tǒng);給出了該專家控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，并介紹了基于產(chǎn)生式規(guī)則的專家控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路;通過對專家控制系統(tǒng)的知識庫、推理機(jī)的設(shè)計(jì)，同時利用C#開發(fā)語言，實(shí)現(xiàn)了具有良好人機(jī)交互的專家控制系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的實(shí)時性和有效性。

中醫(yī)按摩機(jī)器人；專家控制系統(tǒng)；知識庫；推理機(jī)

0　引言

近年來，專家系統(tǒng)在人工智能應(yīng)用領(lǐng)域取得了令人矚目的成就，它實(shí)現(xiàn)了人工智能從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用、從一般推理策略探討轉(zhuǎn)向運(yùn)用專門知識的重大突破[1]。建造專家系統(tǒng)的過程可以稱為一個“知識工程”，它可以利用人類專家提供的專門知識，模擬人類專家的思維方式，解決對人類專家都相對困難的問題。近幾年，隨著機(jī)器人技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，專家系統(tǒng)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用研究也已成為熱點(diǎn)[2]。

中醫(yī)按摩在我國有著悠久的歷史，但是目前各大醫(yī)院仍由經(jīng)驗(yàn)豐富的按摩師人工進(jìn)行臨床治療，推拿按摩的療效與按摩師的水平經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，施力的大小、方向、位置、穴位、頻率等都對治療效果有一定的影響。因此這不僅是一項(xiàng)復(fù)雜繁重的工作，并且人力資源的耗費(fèi)也是非常巨大的[3-4]。本文介紹的中醫(yī)按摩機(jī)器人，結(jié)合專家系統(tǒng)知識與控制理論知識，根據(jù)中醫(yī)按摩知識以及中醫(yī)按摩領(lǐng)域的專家經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種基于規(guī)則的專家控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確的提出有效的治療方案并執(zhí)行，這不僅減少了人力資源的浪費(fèi)，也為中醫(yī)按摩機(jī)器人的智能化提供了一種更有效的方式。

1　中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中醫(yī)按摩機(jī)器人是一種康復(fù)型服務(wù)機(jī)器人，可針對老年人的各種退行性疾病進(jìn)行腰椎部位和背部的按摩，通過掌按、掌揉、掌推、指按、指揉、捏拿、叩擊等多種按摩手法以達(dá)到按摩治療的目的[2,5]。本文介紹的中醫(yī)按摩機(jī)器人為龍門式結(jié)構(gòu)[6]，主要由五大部分組成:床體部分、機(jī)械臂、仿人機(jī)械手、運(yùn)動控制柜、操作臺部分。該機(jī)器人主要是進(jìn)行背部按摩，所以床體上設(shè)置了臉孔，這樣就基本上確定了人體位置，方便按摩時的穴位定位。床體底部設(shè)有腳輪，方便床體移動。機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)沿著床體長、寬、高方向運(yùn)動，并能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)。仿人機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)腕部轉(zhuǎn)動，并且結(jié)合拇指開合實(shí)現(xiàn)掌指的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各按摩手法。運(yùn)動控制柜安放在床體底部，為機(jī)械臂和機(jī)械手的運(yùn)動提供動力和信號傳遞。操作臺為全觸摸式結(jié)構(gòu)，操作者可以在面板上實(shí)現(xiàn)對被按摩者的信息錄入、穴位數(shù)據(jù)采集、生理指標(biāo)數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)的存儲等，方便對按摩機(jī)器人進(jìn)行控制。

根據(jù)該機(jī)器人的系統(tǒng)功能，中醫(yī)按摩機(jī)器人主要由主控系統(tǒng)、人體穴位檢測及定位系統(tǒng)、按摩機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)、按摩機(jī)構(gòu)、基于生理指標(biāo)參數(shù)和中醫(yī)按摩知識的按摩專家系統(tǒng)、人機(jī)交互模塊、安全保障模塊等部分組成[5,7]。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　中醫(yī)按摩機(jī)器人專家控制系統(tǒng)

中醫(yī)按摩機(jī)器人專家控制系統(tǒng)主要是根據(jù)患者提供的基本信息，通過適當(dāng)?shù)耐评硪?guī)則，決策出適合該患者的治療方案，同時結(jié)合傳感器信息以及上位機(jī)輸入指令對按摩推拿過程進(jìn)行實(shí)時控制。本專家控制系統(tǒng)主要由專家知識庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫、實(shí)時推理機(jī)、人機(jī)交互、信息獲取、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成[2,8]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　專家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1知識庫的建立

中醫(yī)按摩機(jī)器人專家系統(tǒng)中，知識庫主要包括事實(shí)庫即綜合數(shù)據(jù)庫、診斷規(guī)則庫和治療方案庫。事實(shí)庫中存儲患者的基本信息，包括身高、體重、癥狀等輸入信息。治療方案庫中存放著診斷完成之后推薦的各種具體治療方案。診斷規(guī)則庫是系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)庫，主要存放與腰間盤突出等病癥有關(guān)的原理知識和中醫(yī)按摩的專家經(jīng)驗(yàn)，為推理過程提供所需要的知識。診斷規(guī)則庫中的規(guī)則表示采用產(chǎn)生式規(guī)則表示，基本形式是IF…THEN[9-11],下面是該系統(tǒng)中的部分規(guī)則：

R1: IF 體重指數(shù)<18(可信度=0.8)

THEN 體重偏瘦(可信度=0.7)

R2: IF 壓痛點(diǎn)位于腰4～5椎旁1 cm處(可信度=0.8)

THEN 出現(xiàn)坐骨神經(jīng)痛(可信度=0.7)

R3: IF 腰椎側(cè)凸(可信度=0.7)OR跛行步態(tài)(可信度=0.6)OR腰部活動受限(可信度=0.6)

THEN 癥狀明顯(可信度=0.7)

R4: IF 下腰部疼痛(可信度=0.8)OR下肢疼痛、麻木(可信度=0.7)OR下肢肌肉萎縮(可信度=0.6)

THEN 癥狀明顯(可信度=0.8)

R5: IF 體重偏瘦(可信度=0.7)AND血壓偏高(可信度=0.9)

THEN 耐受力弱(可信度=0.7)

Rn-1 : IF 出現(xiàn)坐骨神經(jīng)痛(可信度=0.6)AND癥狀明顯(可信度=0.8)

THEN 確診為腰間盤突出(可信度=0.8)

Rn : IF 確診為腰間盤突出(可信度=0.8)AND耐受力弱(可信度=0.7)AND脈率正常(可信度=0.7)

THEN 采用治療方案一(可信度=0.9)

2.2推理機(jī)的建立

由于本文研究的是實(shí)時專家控制系統(tǒng)，要求根據(jù)患者的生理指標(biāo)參數(shù)變化，實(shí)時改變治療方案并實(shí)行，所以采用正向推理。因?yàn)檎蛲评硪卜Q數(shù)據(jù)驅(qū)動控制[12]，是基于已有的數(shù)據(jù)信息，正向使用規(guī)則，使規(guī)則的前提與數(shù)據(jù)庫中的記錄相匹配，從而得出推斷結(jié)果。推理流程圖如圖3所示。

圖3　推理流程圖

3　專家控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

中醫(yī)按摩機(jī)器人專家控制系統(tǒng)依據(jù)治療方案生成專家系統(tǒng)推理結(jié)果，根據(jù)患者實(shí)時生理指標(biāo)，調(diào)整動作序列執(zhí)行按摩推拿過程。治療方案生成專家系統(tǒng)是應(yīng)用人工智能，模擬人類專家的求解思維來實(shí)現(xiàn)治療方案生成的一種智能化方法，專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由人機(jī)交互界面、知識庫、推理機(jī)等部分組成。治療方案生成專家系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4　專家系統(tǒng)原理圖

其中知識的獲取是將知識存入知識庫，并保證其一致性和完整性。本文知識獲取方式采用半自動獲取，通過自然語言交互與中醫(yī)按摩領(lǐng)域?qū)＜抑苯訉υ挘@取知識，形成規(guī)則構(gòu)成知識庫，為防止輸入的信息的無關(guān)性、隨意性，采用二級存儲方式，只有當(dāng)新的信息通過試運(yùn)行被證實(shí)可靠時，才能存入知識庫，從而保證了知識的一致性和完整性，使系統(tǒng)的知識能夠得到正確的補(bǔ)充和完善。知識的表示采用產(chǎn)生式規(guī)則法，推理方法采用正向推理。

當(dāng)專家控制系統(tǒng)工作時，首先通過治療方案生成專家系統(tǒng)，產(chǎn)生相應(yīng)的方案，控制系統(tǒng)將該治療方案以控制命令的方式通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送到多軸運(yùn)動控制器。運(yùn)動控制器接受該控制指令，解析得到穴位坐標(biāo)以及相應(yīng)的按摩手法等信息，驅(qū)動機(jī)械臂各軸運(yùn)動到坐標(biāo)位置，調(diào)整機(jī)械手到相應(yīng)的按摩姿態(tài)后，開始執(zhí)行按摩手法。同時生理指標(biāo)模塊實(shí)時獲取患者的血壓、脈搏等生理參數(shù)，上傳至控制系統(tǒng)，實(shí)時對治療方案進(jìn)行調(diào)整，并重新下發(fā)控制指令。在整個按摩過程中，保護(hù)模塊也同時運(yùn)行，當(dāng)出現(xiàn)急停命令、力度過大、Z軸方向限位等異常情況時，系統(tǒng)馬上停止當(dāng)前的操作，控制機(jī)械臂上移，直到控制系統(tǒng)下發(fā)新的控制命令。整個控制流程具有實(shí)時、高效、安全、可靠等工作特點(diǎn)，驗(yàn)證了專家系統(tǒng)在中醫(yī)按摩機(jī)器人控制系統(tǒng)上應(yīng)用的可行性。

中醫(yī)按摩機(jī)器人專家控制系統(tǒng)需要用戶向控制系統(tǒng)提供基本信息，系統(tǒng)向用戶提供治療方案，同時系統(tǒng)接收檢測到的用戶的生理指標(biāo)參數(shù)，實(shí)時改變操作指令，以提高專家控制系統(tǒng)的智能化。因此，系統(tǒng)需要良好的人機(jī)界面，以便用戶操作。本系統(tǒng)采用Visual Studio開發(fā)工具，以Access數(shù)據(jù)庫為平臺，設(shè)計(jì)了上位機(jī)界面。圖5為系統(tǒng)界面圖。

圖5　系統(tǒng)界面圖

4　實(shí)驗(yàn)分析

針對中醫(yī)按摩機(jī)器人專家控制系統(tǒng)的實(shí)時性和安全性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。專家控制系統(tǒng)的實(shí)時性是指系統(tǒng)能根據(jù)患者當(dāng)前的生理指標(biāo)參數(shù)來實(shí)時改變治療方案，根據(jù)這一功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

首先將生理指標(biāo)模塊改為由上位機(jī)直接輸入的模式，然后輸入患者的基本信息及主要癥狀，其中血壓、心率為正常，生成治療方案并執(zhí)行。在按摩過程中，在上位機(jī)中輸入新的血壓、心率值為血壓升高、心率過快，點(diǎn)擊確定按鈕，治療方案改為暫停執(zhí)行，按摩手動作停止，機(jī)械臂上移，按摩過程終止。實(shí)驗(yàn)界面如圖6所示。

圖6　實(shí)驗(yàn)操作界面圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本專家控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r調(diào)整治療方案，實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的實(shí)時控制，同時也證明該專家控制系統(tǒng)在遇到患者生理指標(biāo)參數(shù)異常時能夠進(jìn)行緊急停止，證明了該專家控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。

5　結(jié)論

本文提出了一種基于產(chǎn)生式規(guī)則的中醫(yī)按摩機(jī)器人專家控制系統(tǒng)，研究了專家控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，對專家控制系統(tǒng)的知識庫、推理機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并采用VC#開發(fā)工具，開發(fā)良好的人機(jī)交互界面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了專家控制系統(tǒng)的可行性和可靠性。為了更好的提高中醫(yī)按摩機(jī)器人的智能化程度，下一步可以擴(kuò)充專家控制系統(tǒng)的知識庫容量，設(shè)計(jì)更高效的推理算法，以提高系統(tǒng)性能。

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Research on Expert Control System of Chinese Medicine Massage Robot

Liu Lingyun，Lu Shouyin，Zhang Ying，Li Chen，Wang Shengjun

(Research Institute of Robotics Technology and Intelligent System,Shandong Jianzhu University,Jinan250101，China)

In view of the complexity of traditional Chinese medicine massage process,according to the experience and intelligent control theory of Chinese medicine massage,a expert control system based on generative rule is proposed. The basic structure of the expert control system is presented. The design idea of the expert control system based on generative rules is also introduced. Through the design of the knowledge base and the inference engine of the expert control system,the expert control system with good human-computer interaction is realized by using c#. The validity of the control system has been verified.

traditional Chinese medicine massage robot; expert control system; knowledge base; inference engine

1671-4598(2016)04-0055-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.017

TP242

A

2015-10-28；

2015-12-18。

國家836項(xiàng)目(2010AA040201) ;山東省2014年科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014GGX103002)。

劉玲云 (1991-)，女，山東乳山人，碩士研究生，主要從事智能機(jī)器人系統(tǒng)方向的研究。

魯守銀(1968-)，男，山東濟(jì)南人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)控制、機(jī)器人系統(tǒng)、魯棒控制、復(fù)雜控制系統(tǒng)方向的研究。