一种新型神经康复机器人的研制

一种新型神经康复机器人的研制

无论是成年的还是非母乳，其中枢神经系统受损后，可以恢复组织和功能，并充分保留它们。这一理论被称为脑的可塑性理论。据此,在临床上有很多偏瘫疗法,但总的来说仍以肢体康复训练为核心内容。康复训练过程主要依靠医师对患者进行一对一的手工操作,并根据其主观临床经验对患肢康复效果进行评价。由于机器人技术在节省劳力、精确控制运动、存储训练信息、提供患者科学训练模式等方面具有优势,因此已被引入到了康复领域,辅助患肢进行训练。1机器人机械设计1.1运动轨迹规划设计原理主要是模仿人体上肢结构,采用二连杆机构。从机械结构上来说,在训练中康复机器人与偏瘫上肢一起构成了平面五连杆机构。通过给定机器人两个关节的输入量,就可得到另外两杆关节的输出,从而控制偏瘫上肢运动的轨迹、速度及关节力矩等,进而实现机器人辅助患肢进行定量训练的目的。通过对二连杆末端运动轨迹的规划,可在平面内辅助患肢实现各种训练轨迹,这些预设轨迹为机器人针对患肢障碍肌群的高效训练提供了必要基础。该康复机器人具有3个自由度,其中机器人大臂、小臂分别由两台伺服电机驱动,可实现平面内的复合运动。另一个自由度主要用来调整不同患者训练时肩关节的高度,以免训练中被拉伤。该机器人机械系统主要由大臂、小臂、减速装置、皮带轮、钢丝带、传动轴、皮带张紧装置及手固持器等组成。1.2机器人恢复与以往二连杆康复机器人相比,该康复机器人机构具有以下特点。1结构紧凑由于增加了减速装置,驱动二连杆的两个电机可以被安装在水平面同侧,节省了系统总体结构空间,也为升降机的安装提供了可能。2结构的刚性增加机器人大臂由两根杆件并联而成,刚度明显增加,克服了二连杆结构的缺点。3效率低下二连杆机构中一个自由度是通过钢丝带实现的。为了提高传动效率,设计中增加了皮带张紧装置,该装置可以根据现场需要调节皮带松紧度。4手的组成和结构在训练中患者手臂可以有4种被固持的姿态,图1a所示为手呈展开状被固定在水平托板上;图1b所示为手呈展开状被固定在垂直托板上;图1c所示为手握持水平圆柱轴状;图1d所示为手握持垂直圆柱轴状。另外,固持器还可以根据训练的实际情况,安装其他形状的握持手柄,如圆球形、椭圆球形等。不同的手握姿态对于不同时期的康复训练将起到重要的作用,同时也有助于神经康复机理的深入研究。2机器人恢复运动分析2.1约束条件的分析由关节空间向操作空间的映射关系为:x=f1(θ1,θ2),y=f2(θ1,θ2).x=f1(θ1,θ2),y=f2(θ1,θ2).由图2可知,康复机器人手臂末端工作空间由下式计算:{x=L1sinθ1+L2sinθ2,y=L1cosθ1+L2cosθ2.(1){x=L1sinθ1+L2sinθ2,y=L1cosθ1+L2cosθ2.(1)式中:x、y分别为机构末端沿X、Y轴方向的位置坐标,L1、L2分别为机器人大、小臂杆长,θ1、θ2分别为大、小臂转动的角度。对于上肢偏瘫患者来说,其康复训练的主要部位是肩关节和肘关节。肩关节完成的主要动作是内旋和外转,肘关节完成的主要动作是屈和伸。在训练中,约束条件如下:1)大臂的活动范围。与矢状面的夹角为40°～-90°。2)小臂的活动范围。与大臂的夹角为0°～120°。结合式(1)及约束条件可得该机构工作空间范围。2.2机器人末端位置当已知机构主动件的位置、姿态,求解机构输出件的位置、姿态,称为机构位置正解;若已知输出件的位置、姿态,求解机构输入件的位置、姿态,称为机构位置反解。由定义知,式(1)即为机构位置正解,该解主要用于控制机器人运动。由式(1)及约束条件可求出θ1、θ2关于机器人末端位置(x,y)的解析式(2),该解被称为机构位置反解,反解主要用于机器人相关理论研究。{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基于速度控制的压力模式在康复机器人运动控制中,如何根据患肢的病情特点提供相应的训练模式,是控制技术中的关键问题。针对不同时期病情的特点,康复机器人系统训练模式分别采用被动、辅助主动、约束及阻抗模式等。被动训练模式用于瘫软期患肢的训练,以机器人带动患肢运动为主,刺激患者对正确运动的感觉;辅助主动训练模式用于痉挛期,以患者主动运动为主,机器人辅助其完成动作,促进分离运动的出现;约束、阻抗训练模式用于功能恢复期,前者促进运动速度的恢复,后者抑制异常运动,强化运动训练。为实现上述训练模式,康复机器人控制系统应采用模拟量速度控制模式和模拟量力矩控制模式。在被动方式训练模式时,系统采用速度模式控制;辅助主动模式训练时,系统采用速度模式控制;约束及阻抗方式训练时,系统采用力矩模式控制。患者在辅助主动、约束及阻抗模式训练时,需要在运动平面内设定恒定或变化的力场,从而形成训练中所需要的辅助力和阻力。参考图2,得力场F合成计算公式(3)。{F2=F21+F22+2F1F2cos(θ2-θ1)‚θ=π2+θ2-arccos(F2+F21-F222FF1),F1=Μ1/L1,F2=Μ2/L2.(3)式中:F为机构末端所受到的合力,θ为机构末端转动的角度,F1、F2为大、小臂末端所受到的力,M1、M2为两电机输出转矩。图3所示为助力主动时所需的辅助力场,辅助患肢主动完成从A点到B点的直线运动。同样,患肢在被动模式训练时,需要在运动平面内设定恒定或变化的速度场,从而形成训练中所需要的速度。其控制过程主要以上肢平面运动的位置Pt为反馈量,根据上肢当前时刻的位置Pt来确定下一时刻的运动方向和速度大小,因此形成速度场Vt+Δt=f(Pt)。通过对函数f的不同设计,从而得到不同的平面速度场Vt+Δt。图4所示为被动训练时所需的速度场,通过速度场机器人带动患肢完成从B点到A点的直线运动。4康复评价结果在北京康复研究中心对30名偏瘫患者进行了为期1个月的康复训练,平均每人每天训练1h。这些患者共同的特点是痉挛严重、运动功能基本丧失,属于偏瘫症状严重的患者。目前康复评价仍依靠康复医师主观测评,如Fugl-Meyer法等。为了能较客观地对康复训练效果进行评价,利用机器人提取、存储患者训练前后运动学、动力学相关数据,如运动轨迹、速度、位移、力矩等参数,可以制定出康复评价的方法。图5所示为患者1进行的轨迹训练,其中图5a—c分别为该患者训练10、21、30d后完成的直线;图5d—f分别为画圆情况。从图中可以看出随着训练时间的增加,患者1画出的轨迹越来越规范,这说明患肢肌群协调能力得到增强,痉挛减轻。另外,通过比较患者主动训练前后最大伸展的距离及被动训练时机器人最大牵引力的大小,也能看出康复训练的效果。从图6中可以看出,患者2、3、4经主动训练后伸展的最大距离比训练前增加了,说明患者肌力得到增强。图7中患者2、3、4被动训练后,机器人牵引力比训练前减小了,说明患者运动功能得到一定程度的恢复,自己控制的能力得到增强。从其他患者提取的训练数据中分析,也得到了上面类似的结论。经过一个月的康复训练后,临床总结出如下结论:1)病人对这种新的治疗方法不反感,没有产生副作用;2)短时间内可以不同程度地降低患者肌张力;3)多数患者上肢运动功能得到了不同程度的恢复。上述结论中除康复机器人可以在短期内明显降低肌张力外,其他结论与国外同行研究结果基本一致。5障碍肌群训练控制康复机器人是目前国际康复训练领域研究的热点,有很好的应用前景。现阶段康复