上肢康复机器人的发展及应用

上肢康复机器人的发展及应用

在当今社会中，脑中风是一种严重威胁中小学生身心健康的疾病，发病率逐年上升。这种疾病引发了患者肢体运动功能的丧失及相关并发症。尤其是上肢运动功能的丧失,极大地影响了患者日常生活的能力。临床上对偏瘫患者的康复方法很大程度依赖于治疗医师对患者一对一的物理治疗。这样的方法是一种劳力集中的过程,不仅费时费力,也缺乏量化且客观的评价。机器人技术的发展及其与临床康复医学的结合为康复机器人研究提供了一个很好的契机。利用机器人及其相关技术对训练过程进行客观的监测与评价,提高偏瘫康复训练的针对性及科学性,同时将治疗医师从繁重的体力劳动中解脱出来,为患者制定更好的康复方案,进一步提高康复的效率。1传统的训练方法在肌肉功能恢复治疗后的应用作为上肢康复机器人研究的起点,加利福尼亚大学的lum在1993年设计了名为手-物体-手的康复装置(图1a)。该装置从人类日常生活中对双手协调性工作的需要出发,以简单的双手移动和挤压物体训练双手协调性。2年后,lum又设计出另一套训练双手上举协调性的装置(图1b),并在装置上绑上装满咖啡的杯子,依靠装置为患手提供力辅助而成功完成上举的实验来证明了该装置的可行性。这两个装置结构功能都比较简单,由于实验是由正常人完成的,因此未作出对肌肉运动功能的评价。2000年,lum与斯坦福大学合作开发了名为MIME的系列康复机器人。该系列机器人分为3代。第1代完成两个自由度的单关节运动,包括肘部弯曲/伸展,前臂的旋前/旋后;第2代能够实现前臂的平面运动;第3代能够实现前臂的三维空间运动(如图2所示)。第2代和第3代的显著特点是在Puma系列机器人的带动下,不但能够完成单侧训练而且能够完成镜像运动。人体上肢由两个支撑架支撑,提供上肢运动的Puma机器人连接在患侧支撑架上,当健侧实现某二维或三维动作时,负责监测的传感器和光电编码器记录运动,并将数据传送给Puma机器人,带动患侧实现对健侧运动的复制。训练疗程前后采用传统的临床方法对患者进行评价,并对比证实了该装置康复训练对肌肉运动功能的恢复。1999年CozensJAlastair设计了一套康复装置(如图3所示),该装置跟随支撑臂前方的闪烁灯执行10°～80°的肘部屈/伸运动。系统获取电子量角器、加速度计的反馈,根据控制法则对支撑臂上的患肢运动进行外力辅助或干扰,最后依据试验结果,给出训练方式的效果比较。2000年芝加哥大学研制了一种ARMGuide训练装置,如图4所示。该装置具有3个自由度,通过手动调节其中2个自由度Yaw和Pitch使患者完成不同直线轨迹的Reach训练。训练过程中患者手臂绑在夹板上,沿直线轨道练习5个目标点的Reach运动,并利用传感器测量患者前臂施力大小。训练疗程完成后,使患者完成日常生活动作,对比所记录的轨迹范围、直线度、平滑度,并利用未训练过的点来检验未训练区域的运动恢复,该训练装置的设计思路与机构决定了其训练方式的单一性,因此很难进行训练方式的扩展及深入研究。麻省理工学院从1995年开始研制一种被称为MIT-Manus的康复机器人(如图5)。该机器人采用连杆机构,患者握住机构末端的手柄完成平面内的运动训练。计算机为患者提供视觉反馈。该装置的主要特点是具有反向可驱动性,也就是采用阻抗控制技术实现末端点平滑和柔顺,遵从患者运动产生平滑快速运动。患者进行圆或直线路径的平面运动训练后,利用临床评价方法及采集到的运动学参数进行评价,发现机器人训练对肌肉群的恢复有十分有效。另一方面,在研究人员记录下,患者训练前后的动作完成过程中运动学参数,如轨迹、速度等等,通过实验发现,传统的方法在实验前后的评价值不变,而实际上患者肌肉功能已经有了比较明显的改善,由此证明了医学临床评价的粗糙。由瑞士苏黎世大学研究的ARMin康复机器人具有低惯量、低摩擦、可反向驱动的特性。该装置具有6个自由度(4个主动,2个被动)及4种运动模式,其中预定轨迹模式为医生指导患者手臂运动,并记录下轨迹,其后由机器人以不同速度对该轨迹进行重复;预定义治疗模式是在预定的几种标准治疗练习中进行选择训练;在点到达模式中,预定到达点通过图像显示给患者,由机器人对患者肢体进行支撑和引导完成训练;患者引导力支持模式中,运动轨迹由患者确定,利用测得的位置、速度信息通过系统的机械模型来预测所需力与力矩的大小,并通过一个可调辅助因子来提供一部分力和力矩。该装置目前仍然在研究中,利用健康人作了一些机构的可行性实验,还未提出任何评价方法。而在国内,台湾国立成功大学设计了一种应用于平面上肘关节屈/伸运动的康复机器人,利用模糊控制器完成准确的位置与力控制。对一定数量的正常人和偏瘫患者进行圆形轨迹运动的临床试验中,在运动方向给予适当的阻力,并由刚性参数及测得的肱二头肌和肱三头肌肌电信号分别对运动控制能力与运动协调性进行量化评估。随后,清华大学研制了二连杆机构的复合康复装置。患者可握住机构末端手柄,由装置带动上肢在一定面积的水平面上完成上肢平面复合运动(图6a),也可固定在手臂外侧完成肩部3个自由度的分别训练(图6b)。该装置具有被动训练、辅助主动训练和约束阻抗训练模式。研究人员通过比较康复训练期间画出圆和直线的轨迹及运动学相关数据进行对比定性的给出患者的恢复情况。2鉴定康复行为通过对上肢康复机器人的发展进行回顾,不难发现,目前所研究的上肢康复机器人在其主要功能训练与评价两大方面上存在一些不足。首先,作为对偏瘫患者的康复训练装置,目前大多数康复机器人仅仅限于某些简单的单关节活动或平面复合运动,而康复的最基本要求是使患者恢复简单的日常生活的能力。这些运动虽从一定意义上达到了活动关节防止肌肉萎缩的功效,却与日常功能性动作相差甚远,不能刺激患者保持正确运动的感觉,对恢复日常生活能力帮助也不大。另外,对于病情不同的患者,要提出有效的康复方案,其前提是对患者病情的准确把握。一方面传统的评价方法大多依赖于医生的主观目测和一些简单的测量器具。另一方面,从麻省理工学院MIT-Manus进行的试验可以看出,在康复训练的两个阶段分别比较传统评价得分MS1和记录的轨迹及速度曲线可以看出,运动功能具有明显好转的患者其传统方法得到的MS1的值仍然没有改变。因此,大量事实说明临床医学评价粗糙,不恰当的方法甚至引起误判,患者细微的恢复需要更加精确、细致的评价手段。而目前研究的康复机器人大多利用运动学参数对康复状况进行简单、定性的说明。准确、定量的评价手段才是优化康复方案及康复系统,客观评价训练效果的前提。3机构和控制的设计机器人协助康复医师对患者进行临床康复的研究在经过多年的发展后,取得一定的成果,但实现其真正的临床应用仍然需要学者们的不断探索和改进。作为直接与人体作用的机构,康复机器人在设计上需要考虑以下因素。首先,针对运动功能原本就已被损伤的患者患肢,由于其更易受到伤害,设计之初首要关注的问题是患者的安全问题,体现在机构和控制方面。合理的、人性化的机构设计首先从硬件上体现对安全的考虑,然后在控制算法上利用软件控制机械装置的运动,实现对康复对象的多重保护。其次,作为康复患者的一种治疗工具,康复机器人应该提供多样的、有效的运动模式。从临床康复医学的经验出发,机器人的运动模式应适应于不同病情和不同恢复期的患者,并有助于恢复患者日常活动功能,这对保持患者对正确运动的感觉及增强患者自信心都具有相当重要的作用。另外,无论是对于个体不同、病情不同的患者,要提出更为有效、更具针对性的治疗方案,还是在训练、恢复的过程中,对疗效进行准确的认识,在设计中都必须考虑对患者运动功能的评价。目前临床仍应用主观、粗糙的的量表打分进行评价,现有的康复机器人系统也采用运动过程中的运动学各参数,各种传感器的取值等对患者运动进行量化评价。因此,有待进一步挖掘有效、直接的评价参数对评价系统进行完善。最后,在机器人的设计过程中,须以人为本进行细节的完善,如:患者训练过程中肢体的支撑问题,训练过程中患者的舒适度问题,以及如何提高和保持患者训练的积极性等问题。4新上肢康复机器人的研究4.1外骨骼式的手术机构在现有康复机器人系统的不足及提出的若干建议的基础上,设计了一种新型上肢康复机器人,如图7。该机器人的设计以人体上肢解剖学为理论依据,采用外骨骼式结构,各关节的自由度符合人体上肢各关节自由度分配情况,并从康复患者的实际康复训练角度出发,选定上肢运动最基本也是最重要的5个自由度:肩部屈/伸、肩部外展/内收、肘部屈/伸、腕部屈/伸和腕部旋内/旋外,并结合机器人结构及训练要求设定各个自由度活动范围。中风偏瘫患者由于神经损伤导致其上肢肌肉运动功能受损,不仅不能够顺利自如的实现上肢各个动作,甚至对克服自身重力的简单运动也存在难度,因此,对患者患肢的支撑就显得尤为重要。外骨骼式的上肢康复机器人,其包围式结构为患肢在训练运动中提供全方位的支撑,为不同损伤程度及不同恢复时期的患者康复训练的顺利进行提供了保障。另一方面,虽然外骨骼式结构稍显复杂,但其具有与人体上肢相似的结构和关节活动度,其康复训练运动与肢体运动一致,有助于实现患者上肢的正确运动。外骨骼式结构的上肢康复机器人就像一件刚性外衣穿在患者上肢外面,提供给患肢足够的支撑和保护,提供适当的动力并模拟人体上肢的运动,帮助患肢实现康复训练。4.2康复机器人的使用康复训练器具在使用过程中与患者肢体进行最直接的接触,特别是不以人体为驱动源的设备,合理有效地实现其功能,达到康复效果,是建立在保障肢体安全的基础上的,这一点对患者尤其重要。相对于健康人来说,患者的受损肢体无论其力量还是对异常状况的反映能力均相对较差,更易受到伤害。因此,提出的康复机器人从如下方面保障受试者安全。(1)利用各关节传感器监测运动过程中受试者的施力信息,当由肌张力引起的反方向作用力过高时,停止当前运动,以免造成肌肉拉伤;(2)限位开关将机器人的工作空间限定在合理的肢体运动范围之内,避免超过极限角度对受试患者的再次伤害;(3)利用软件对机器人运动速度、位移进行限定;(4)合理设定驱动器件参数,实时监测机器人运动状态,出现故障及时断电;(5)设定急停按钮,当出现紧急的意外情况时,医生通过触发该按钮切断电源,停止运动,同样在结构设计中考虑到机器人位于任意位姿时的自锁,避免由重力引起的各关节转动对患肢伤害。系统选用大减速比谐波减速器实现机器人自锁。4.3开展动作训练的依据康复机器人对病患上肢进行康复训练的首要条件是:该机器人能够实现上肢各关节运动,模拟上肢各正常运动模式。对于不同的患者,根据其病患程度的不同,需要采用不同的康复方法进行渐进式的治疗。在急性期,以临床抢救为主,但康复措施应及早介入。在这个阶段,康复的重点是预防关节挛缩、变形,体现在康复训练治疗方面,主要采用被动运动疗法。偏瘫的恢复期分成3个阶段:软瘫期—痉挛期—改善期。每个阶段所采用的运动疗法的方式要具有针对性才能达到有效的训练。软瘫期主要以恢复和提高肌张力的训练为主;痉挛期以单关节的分离运动为主,抑制异常的运动模式;在改善期,通过评估患者的恢复情况,按由简到繁、由易到难的原则对患者制定运动训练计划,进行有针对性地训练,同时介入日常生活功能性动作的训练,保持患肢训练运动的正确感觉,逐步恢复肢体功能。因此临床中对偏瘫患者的康复训练运动过程是被动运动、助力运动及主动运动。康复训练对患者来说,是一个全方位的训练运动,其运动对象囊括了上肢所有的关节,机器人在各种康复训练模式下,对患肢采取的训练运动方式包括从肩部关节到腕部关节的被动运动及辅助运动。在训练期间,根据实际恢复情况辅以简单的日常生活动作的训练,将各个单关节动作训练加以深化及应用。这些动作的完成是维持独立生活所不可缺少的,当患者经过努力完成这些动作时,在心理上就可以建立起独立生活的信念,对康复治疗充满信心,从而改善康复进程和效果。对于上肢康复机器人来说,对日常生活动作的训练方式取决于上肢日常功能相关动作,在生活自理方面,吃饭、梳头、刷牙、剃须等动作相似,均为由上肢各关节动作,使人手从体侧运动到头部位置的三维空间运动。提裤动作作为简单的三维空间训练动作与进食动作一起引入到所设计的上肢康复机器人中,作为对偏瘫患者的基本日常生活动作训练。4.4骨骼肌生物信号分析为了提高医师对患者运动损伤及治疗效果评价的可靠性,优化治疗方案,从皮肤表面引导患者特定动作时反映肌肉内部工作状态的表面肌电信号。表面肌电信号(sEMG,surfaceelectromyogramme)是从人体骨骼肌表面通过电极记录下来的神经肌肉活动时发出的生物电信号,其固有频率范围大致为10～500Hz。这种生物电信号反映了神经肌肉的活动、功能状态,因此通过分析表面肌电信号来了解肌肉的内部工作状态。利用各种统计学方法及信号分