Author(s):
Andrew Jackson - University of Leeds
Peter Culmer - University of Leeds
Martin Levesley - University of Leeds
Sophie Makower - Leeds Primary Care NHS Trust
Bipinchandra Bhakta - Leeds Institute of Molecular Medicine, Faculty of Medicine and Health, University of Leeds

Industry:
Biotechnology, Research, Mechatronics

Products:
PCI-6723, LabVIEW, PCI-6259, Real-Time Module

The Challenge:
開(kāi)發(fā)一種安全且可靠的機(jī)器人康復(fù)系統(tǒng)，對(duì)中風(fēng)后手臂殘障的病人提供援助，以輔助治療手臂運(yùn)動(dòng)，協(xié)調(diào)和指引手臂。

The Solution:
使用NI公司LabVIEW軟件對(duì)兩個(gè)定制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)雙持續(xù)的實(shí)時(shí)性控制系統(tǒng)，通過(guò)與治療師溝通所需要使用而設(shè)計(jì)的用戶(hù)界面（UI）以協(xié)調(diào)和輔助人類(lèi)手臂運(yùn)動(dòng)。

  中風(fēng)是造成英國(guó)慢性成年人殘疾的最常見(jiàn)的根源。身患中風(fēng)還活著的人中，85%的人具有某種程度的手臂麻痹。五年之后，這些病人中有25%的人仍然在使用手臂上會(huì)表現(xiàn)出一定的困難，這對(duì)英國(guó)國(guó)家健康服務(wù)（NHS）造成了很大的負(fù)擔(dān)。

  中風(fēng)后，康復(fù)設(shè)施通過(guò)重復(fù)性有意義的協(xié)調(diào)性運(yùn)動(dòng)，使用物理療法以輔助病人重新學(xué)習(xí)喪失的運(yùn)動(dòng)功能。如果設(shè)施資源不足，將會(huì)導(dǎo)致病人不能花費(fèi)足夠的時(shí)間來(lái)接受康復(fù)活動(dòng)，這可能潛在地限制恢復(fù)的程度。機(jī)器人康復(fù)系統(tǒng)可以輔助傳統(tǒng)的治療服務(wù)，以增加康復(fù)的強(qiáng)度和頻率。

機(jī)器人設(shè)計(jì)

   智能化氣動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)(iPAM)是一個(gè)雙機(jī)器人系統(tǒng)，旨在向由于中風(fēng)而導(dǎo)致上肢運(yùn)動(dòng)殘障的病人提供重復(fù)的運(yùn)動(dòng)治療。 iPAM由兩個(gè)氣動(dòng)性動(dòng)力機(jī)器人組成，以三個(gè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)為特點(diǎn)，在笛卡兒（Cartesian）空間上控制機(jī)器人的執(zhí)行終端。當(dāng)方便運(yùn)動(dòng)時(shí)，該機(jī)器人依附在上肢的方式類(lèi)似于治療師支撐手臂的方式：一個(gè)機(jī)器人依附在靠近手腕前臂附近，另一個(gè)機(jī)器人依附在上臂中間。

   矯形器能夠支撐手臂，其特點(diǎn)為三個(gè)被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(DOF)，以確保肢體始終舒適地與機(jī)器人保持一致。物理治療師通過(guò)機(jī)器人末梢部分來(lái)引導(dǎo)肢體運(yùn)動(dòng)治療，并記錄運(yùn)動(dòng)情況。該系統(tǒng)記錄了應(yīng)用于手臂的力度和機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況。然后該運(yùn)動(dòng)可以被iPAM系統(tǒng)重放，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)期間以輔助病人所需（如圖1）。iPAM系統(tǒng)所提供的輔助程度可以由物理治療師調(diào)整。

控制系統(tǒng)

  iPAM機(jī)器人必須主動(dòng)地提供動(dòng)力以輔助人類(lèi)手臂運(yùn)動(dòng)。因此，機(jī)器人有效地協(xié)調(diào)性工作是至關(guān)重要的，因?yàn)橹w錯(cuò)位或過(guò)度用力可能會(huì)導(dǎo)致肢體的疼痛或受傷。為了做到這一點(diǎn)，我們開(kāi)發(fā)了新型控制方案，該方案圍繞對(duì)人類(lèi)關(guān)節(jié)的自由度進(jìn)行操作，而不是機(jī)器人笛卡爾末端。我們將人類(lèi)手臂簡(jiǎn)化為六個(gè)DOF模型，對(duì)應(yīng)肩膀上的五個(gè)DOF (兩個(gè)轉(zhuǎn)換和三個(gè)旋轉(zhuǎn))和肘部一個(gè)DOF。由于每個(gè)機(jī)器人可以控制三個(gè)DOF，因此兩個(gè)機(jī)器人約束上肢的六個(gè)DOF是可能的。

人類(lèi)關(guān)節(jié)角度不是由iPAM系統(tǒng)直接測(cè)量的，因此是采用人類(lèi)手臂模型的直接逆運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，根據(jù)手臂的已知運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和機(jī)器人相對(duì)依附點(diǎn)的位置進(jìn)行估計(jì)的。該公式無(wú)法應(yīng)對(duì)來(lái)自軟組織接口(皮膚、肌肉和矯形填充)的固有測(cè)量誤差和肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)奇點(diǎn)。

   然而，我們使用雅可比（Jacobian）轉(zhuǎn)置方法開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的迭代公式，其基于手臂前向運(yùn)動(dòng)學(xué)，更易于估計(jì)。重要的是，該方法考慮到了測(cè)量誤差和運(yùn)動(dòng)學(xué)奇點(diǎn)。為了提供準(zhǔn)確的手臂位置估計(jì)，在控制循環(huán)的每次迭代中，以500Hz頻率對(duì)前向運(yùn)動(dòng)學(xué)的50次迭代進(jìn)行處理。這對(duì)實(shí)時(shí)控制器提出了大量計(jì)算能力的要求，以及確定的實(shí)時(shí)性要求，使其擁有高確定性。

   通過(guò)將每個(gè)機(jī)器人測(cè)量得到的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為上肢坐標(biāo)系統(tǒng)，我們可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)入控制方案，在該方案中可以定位到上肢的特定關(guān)節(jié)進(jìn)行援助。準(zhǔn)入控制方案的功能是測(cè)量每個(gè)人DOF的轉(zhuǎn)矩和動(dòng)力，根據(jù)治療師設(shè)置的剛度和阻尼參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)預(yù)期的關(guān)節(jié)位置。

   使用較高的援助程度（高度性剛性設(shè)置），機(jī)器人謹(jǐn)慎遵守治療師的規(guī)定動(dòng)作。這比較適合較少主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的病人。降低援助的程度（較低的剛性設(shè)置）允許對(duì)規(guī)定動(dòng)作有較大偏差，這適合于那些在較大范圍主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的病人使用或者當(dāng)病人的活動(dòng)性提高時(shí)使用。模型中每個(gè)關(guān)節(jié)的援助可以獨(dú)立改變，同時(shí)保留運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)模式。

實(shí)現(xiàn)

   我們使用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和NI 公司的接口卡實(shí)現(xiàn)iPAM實(shí)時(shí)控制器，執(zhí)行控制器的信號(hào)I/O功能。輸入傳感器包括兩個(gè)六軸動(dòng)力變頻器，六個(gè)非接觸式旋轉(zhuǎn)傳感器，三個(gè)測(cè)量肩膀位置的電位器，和幾個(gè)用于安全開(kāi)關(guān)的數(shù)字輸入。模擬輸出信號(hào)控制12對(duì)壓力調(diào)節(jié)閥，其在每個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)處驅(qū)動(dòng)低摩擦性氣缸。該控制器完全基于狀態(tài)，使代碼具有邏輯性、可擴(kuò)展性和易于審核。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)允許控制器確定性執(zhí)行，有助于確保整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性。

物理治療師使用客戶(hù)端電腦，與用戶(hù)界面一起啟動(dòng)，向病人提供指令、運(yùn)動(dòng)線索和與iPAM系統(tǒng)交互性能反饋信息?？蛻?hù)端使用TCP協(xié)議通過(guò)以太網(wǎng)與實(shí)時(shí)控制器異步通信。用戶(hù)界面的主要組成部分是三維空間顯示。在LabVIEW軟件平臺(tái)上使用基于OpenGL三維圖片功能進(jìn)行控制，它允許具體任務(wù)信息實(shí)時(shí)性地傳遞給病人。

試驗(yàn)性臨床試驗(yàn)

我們分兩次小規(guī)模試驗(yàn)性臨床研究實(shí)現(xiàn)了iPAM系統(tǒng)，通過(guò)招募中風(fēng)后導(dǎo)致手臂殘障的26個(gè)病人，來(lái)參加長(zhǎng)達(dá)20個(gè)小時(shí)的機(jī)器人治療會(huì)議。每次會(huì)議包括近40分鐘的運(yùn)動(dòng)機(jī)器人使用時(shí)間。在研究過(guò)程中，在使用運(yùn)動(dòng)機(jī)器人超過(guò)300個(gè)小時(shí)期間，iPAM系統(tǒng)輔助了超過(guò) 13,000個(gè)運(yùn)動(dòng)達(dá)到的動(dòng)作。病人接受使用該系統(tǒng)的比例很高，一些病人表現(xiàn)出手臂運(yùn)動(dòng)性能的提高。在臨床試驗(yàn)期間，病人沒(méi)有表現(xiàn)出不良反應(yīng)的情況。在兩次試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程期間，實(shí)時(shí)控制器保持穩(wěn)定。LabVIEW環(huán)境模塊化特性使其對(duì)于原型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)我們的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是理想的選擇。

根據(jù)新型和新興技術(shù)應(yīng)用基金方案（NEAT E027）,這項(xiàng)工作得到了英國(guó)國(guó)家健康服務(wù)的支持。