一種新型神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人的研制

一種新型神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人的研制

無論是成年的還是非母乳，其中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損后，可以恢復(fù)組織和功能，并充分保留它們。這一理論被稱為腦的可塑性理論。據(jù)此,在臨床上有很多偏癱療法,但總的來說仍以肢體康復(fù)訓(xùn)練為核心內(nèi)容?？祻?fù)訓(xùn)練過程主要依靠醫(yī)師對患者進(jìn)行一對一的手工操作,并根據(jù)其主觀臨床經(jīng)驗(yàn)對患肢康復(fù)效果進(jìn)行評價。由于機(jī)器人技術(shù)在節(jié)省勞力、精確控制運(yùn)動、存儲訓(xùn)練信息、提供患者科學(xué)訓(xùn)練模式等方面具有優(yōu)勢,因此已被引入到了康復(fù)領(lǐng)域,輔助患肢進(jìn)行訓(xùn)練。1機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)1.1運(yùn)動軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)原理主要是模仿人體上肢結(jié)構(gòu),采用二連桿機(jī)構(gòu)。從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來說,在訓(xùn)練中康復(fù)機(jī)器人與偏癱上肢一起構(gòu)成了平面五連桿機(jī)構(gòu)。通過給定機(jī)器人兩個關(guān)節(jié)的輸入量,就可得到另外兩桿關(guān)節(jié)的輸出,從而控制偏癱上肢運(yùn)動的軌跡、速度及關(guān)節(jié)力矩等,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輔助患肢進(jìn)行定量訓(xùn)練的目的。通過對二連桿末端運(yùn)動軌跡的規(guī)劃,可在平面內(nèi)輔助患肢實(shí)現(xiàn)各種訓(xùn)練軌跡,這些預(yù)設(shè)軌跡為機(jī)器人針對患肢障礙肌群的高效訓(xùn)練提供了必要基礎(chǔ)。該康復(fù)機(jī)器人具有3個自由度,其中機(jī)器人大臂、小臂分別由兩臺伺服電機(jī)驅(qū)動,可實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的復(fù)合運(yùn)動。另一個自由度主要用來調(diào)整不同患者訓(xùn)練時肩關(guān)節(jié)的高度,以免訓(xùn)練中被拉傷。該機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)主要由大臂、小臂、減速裝置、皮帶輪、鋼絲帶、傳動軸、皮帶張緊裝置及手固持器等組成。1.2機(jī)器人恢復(fù)與以往二連桿康復(fù)機(jī)器人相比,該康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)。1結(jié)構(gòu)緊湊由于增加了減速裝置,驅(qū)動二連桿的兩個電機(jī)可以被安裝在水平面同側(cè),節(jié)省了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)空間,也為升降機(jī)的安裝提供了可能。2結(jié)構(gòu)的剛性增加機(jī)器人大臂由兩根桿件并聯(lián)而成,剛度明顯增加,克服了二連桿結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。3效率低下二連桿機(jī)構(gòu)中一個自由度是通過鋼絲帶實(shí)現(xiàn)的。為了提高傳動效率,設(shè)計(jì)中增加了皮帶張緊裝置,該裝置可以根據(jù)現(xiàn)場需要調(diào)節(jié)皮帶松緊度。4手的組成和結(jié)構(gòu)在訓(xùn)練中患者手臂可以有4種被固持的姿態(tài),圖1a所示為手呈展開狀被固定在水平托板上;圖1b所示為手呈展開狀被固定在垂直托板上;圖1c所示為手握持水平圓柱軸狀;圖1d所示為手握持垂直圓柱軸狀。另外,固持器還可以根據(jù)訓(xùn)練的實(shí)際情況,安裝其他形狀的握持手柄,如圓球形、橢圓球形等。不同的手握姿態(tài)對于不同時期的康復(fù)訓(xùn)練將起到重要的作用,同時也有助于神經(jīng)康復(fù)機(jī)理的深入研究。2機(jī)器人恢復(fù)運(yùn)動分析2.1約束條件的分析由關(guān)節(jié)空間向操作空間的映射關(guān)系為:x=f1(θ1,θ2),y=f2(θ1,θ2).x=f1(θ1,θ2),y=f2(θ1,θ2).由圖2可知,康復(fù)機(jī)器人手臂末端工作空間由下式計(jì)算:{x=L1sinθ1+L2sinθ2,y=L1cosθ1+L2cosθ2.(1){x=L1sinθ1+L2sinθ2,y=L1cosθ1+L2cosθ2.(1)式中:x、y分別為機(jī)構(gòu)末端沿X、Y軸方向的位置坐標(biāo),L1、L2分別為機(jī)器人大、小臂桿長,θ1、θ2分別為大、小臂轉(zhuǎn)動的角度。對于上肢偏癱患者來說,其康復(fù)訓(xùn)練的主要部位是肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)。肩關(guān)節(jié)完成的主要動作是內(nèi)旋和外轉(zhuǎn),肘關(guān)節(jié)完成的主要動作是屈和伸。在訓(xùn)練中,約束條件如下:1)大臂的活動范圍。與矢狀面的夾角為40°～-90°。2)小臂的活動范圍。與大臂的夾角為0°～120°。結(jié)合式(1)及約束條件可得該機(jī)構(gòu)工作空間范圍。2.2機(jī)器人末端位置當(dāng)已知機(jī)構(gòu)主動件的位置、姿態(tài),求解機(jī)構(gòu)輸出件的位置、姿態(tài),稱為機(jī)構(gòu)位置正解;若已知輸出件的位置、姿態(tài),求解機(jī)構(gòu)輸入件的位置、姿態(tài),稱為機(jī)構(gòu)位置反解。由定義知,式(1)即為機(jī)構(gòu)位置正解,該解主要用于控制機(jī)器人運(yùn)動。由式(1)及約束條件可求出θ1、θ2關(guān)于機(jī)器人末端位置(x,y)的解析式(2),該解被稱為機(jī)構(gòu)位置反解,反解主要用于機(jī)器人相關(guān)理論研究。{θ1=arctan(2L1x+√4L21x2-[x2+(y+L1)2-L22][x2+(y-L1)2-L22]x2+(y+L1)2-L22),θ2=arctan(2L2x-√4L22x2-[x2+(y+L2)2-L21][x2+(y-L2)2-L21]x2+(y+L2)2-L21).(2)???????????????θ1=arctan(2L1x+4L21x2?[x2+(y+L1)2?L22][x2+(y?L1)2?L22]√x2+(y+L1)2?L22),θ2=arctan(2L2x?4L22x2?[x2+(y+L2)2?L21][x2+(y?L2)2?L21]√x2+(y+L2)2?L21).(2)3基于速度控制的壓力模式在康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動控制中,如何根據(jù)患肢的病情特點(diǎn)提供相應(yīng)的訓(xùn)練模式,是控制技術(shù)中的關(guān)鍵問題。針對不同時期病情的特點(diǎn),康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)訓(xùn)練模式分別采用被動、輔助主動、約束及阻抗模式等。被動訓(xùn)練模式用于癱軟期患肢的訓(xùn)練,以機(jī)器人帶動患肢運(yùn)動為主,刺激患者對正確運(yùn)動的感覺;輔助主動訓(xùn)練模式用于痙攣期,以患者主動運(yùn)動為主,機(jī)器人輔助其完成動作,促進(jìn)分離運(yùn)動的出現(xiàn);約束、阻抗訓(xùn)練模式用于功能恢復(fù)期,前者促進(jìn)運(yùn)動速度的恢復(fù),后者抑制異常運(yùn)動,強(qiáng)化運(yùn)動訓(xùn)練。為實(shí)現(xiàn)上述訓(xùn)練模式,康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)采用模擬量速度控制模式和模擬量力矩控制模式。在被動方式訓(xùn)練模式時,系統(tǒng)采用速度模式控制;輔助主動模式訓(xùn)練時,系統(tǒng)采用速度模式控制;約束及阻抗方式訓(xùn)練時,系統(tǒng)采用力矩模式控制?；颊咴谳o助主動、約束及阻抗模式訓(xùn)練時,需要在運(yùn)動平面內(nèi)設(shè)定恒定或變化的力場,從而形成訓(xùn)練中所需要的輔助力和阻力。參考圖2,得力場F合成計(jì)算公式(3)。{F2=F21+F22+2F1F2cos(θ2-θ1)?θ=π2+θ2-arccos(F2+F21-F222FF1),F1=Μ1/L1,F2=Μ2/L2.(3)式中:F為機(jī)構(gòu)末端所受到的合力,θ為機(jī)構(gòu)末端轉(zhuǎn)動的角度,F1、F2為大、小臂末端所受到的力,M1、M2為兩電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。圖3所示為助力主動時所需的輔助力場,輔助患肢主動完成從A點(diǎn)到B點(diǎn)的直線運(yùn)動。同樣,患肢在被動模式訓(xùn)練時,需要在運(yùn)動平面內(nèi)設(shè)定恒定或變化的速度場,從而形成訓(xùn)練中所需要的速度。其控制過程主要以上肢平面運(yùn)動的位置Pt為反饋量,根據(jù)上肢當(dāng)前時刻的位置Pt來確定下一時刻的運(yùn)動方向和速度大小,因此形成速度場Vt+Δt=f(Pt)。通過對函數(shù)f的不同設(shè)計(jì),從而得到不同的平面速度場Vt+Δt。圖4所示為被動訓(xùn)練時所需的速度場,通過速度場機(jī)器人帶動患肢完成從B點(diǎn)到A點(diǎn)的直線運(yùn)動。4康復(fù)評價結(jié)果在北京康復(fù)研究中心對30名偏癱患者進(jìn)行了為期1個月的康復(fù)訓(xùn)練,平均每人每天訓(xùn)練1h。這些患者共同的特點(diǎn)是痙攣嚴(yán)重、運(yùn)動功能基本喪失,屬于偏癱癥狀嚴(yán)重的患者。目前康復(fù)評價仍依靠康復(fù)醫(yī)師主觀測評,如Fugl-Meyer法等。為了能較客觀地對康復(fù)訓(xùn)練效果進(jìn)行評價,利用機(jī)器人提取、存儲患者訓(xùn)練前后運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù),如運(yùn)動軌跡、速度、位移、力矩等參數(shù),可以制定出康復(fù)評價的方法。圖5所示為患者1進(jìn)行的軌跡訓(xùn)練,其中圖5a—c分別為該患者訓(xùn)練10、21、30d后完成的直線;圖5d—f分別為畫圓情況。從圖中可以看出隨著訓(xùn)練時間的增加,患者1畫出的軌跡越來越規(guī)范,這說明患肢肌群協(xié)調(diào)能力得到增強(qiáng),痙攣減輕。另外,通過比較患者主動訓(xùn)練前后最大伸展的距離及被動訓(xùn)練時機(jī)器人最大牽引力的大小,也能看出康復(fù)訓(xùn)練的效果。從圖6中可以看出,患者2、3、4經(jīng)主動訓(xùn)練后伸展的最大距離比訓(xùn)練前增加了,說明患者肌力得到增強(qiáng)。圖7中患者2、3、4被動訓(xùn)練后,機(jī)器人牽引力比訓(xùn)練前減小了,說明患者運(yùn)動功能得到一定程度的恢復(fù),自己控制的能力得到增強(qiáng)。從其他患者提取的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中分析,也得到了上面類似的結(jié)論。經(jīng)過一個月的康復(fù)訓(xùn)練后,臨床總結(jié)出如下結(jié)論:1)病人對這種新的治療方法不反感,沒有產(chǎn)生副作用;2)短時間內(nèi)可以不同程度地降低患者肌張力;3)多數(shù)患者上肢運(yùn)動功能得到了不同程度的恢復(fù)。上述結(jié)論中除康復(fù)機(jī)器人可以在短期內(nèi)明顯降低肌張力外,其他結(jié)論與國外同行研究結(jié)果基本一致。5障礙肌群訓(xùn)練控制康復(fù)機(jī)器人是目前國際康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),有很好的應(yīng)用前景?，F(xiàn)階段康復(fù)