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:
開發(fā)一種安全且可靠的機器人康復(fù)系統(tǒng)，對中風(fēng)后手臂殘障的病人提供援助，以輔助治療手臂運動，協(xié)調(diào)和指引手臂。

The Solution:
使用NI公司LabVIEW軟件對兩個定制機器人實現(xiàn)雙持續(xù)的實時性控制系統(tǒng)，通過與治療師溝通所需要使用而設(shè)計的用戶界面（UI）以協(xié)調(diào)和輔助人類手臂運動。

  中風(fēng)是造成英國慢性成年人殘疾的最常見的根源。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表現(xiàn)出一定的困難，這對英國國家健康服務(wù)（NHS）造成了很大的負擔(dān)。

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

機器人設(shè)計

   智能化氣動手臂運動(iPAM)是一個雙機器人系統(tǒng)，旨在向由于中風(fēng)而導(dǎo)致上肢運動殘障的病人提供重復(fù)的運動治療。 iPAM由兩個氣動性動力機器人組成，以三個驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)為特點，在笛卡兒（Cartesian）空間上控制機器人的執(zhí)行終端。當(dāng)方便運動時，該機器人依附在上肢的方式類似于治療師支撐手臂的方式：一個機器人依附在靠近手腕前臂附近，另一個機器人依附在上臂中間。

   矯形器能夠支撐手臂，其特點為三個被動轉(zhuǎn)動自由度(DOF)，以確保肢體始終舒適地與機器人保持一致。物理治療師通過機器人末梢部分來引導(dǎo)肢體運動治療，并記錄運動情況。該系統(tǒng)記錄了應(yīng)用于手臂的力度和機器人關(guān)節(jié)的運動情況。然后該運動可以被iPAM系統(tǒng)重放，在整個運動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機器人必須主動地提供動力以輔助人類手臂運動。因此，機器人有效地協(xié)調(diào)性工作是至關(guān)重要的，因為肢體錯位或過度用力可能會導(dǎo)致肢體的疼痛或受傷。為了做到這一點，我們開發(fā)了新型控制方案，該方案圍繞對人類關(guān)節(jié)的自由度進行操作，而不是機器人笛卡爾末端。我們將人類手臂簡化為六個DOF模型，對應(yīng)肩膀上的五個DOF (兩個轉(zhuǎn)換和三個旋轉(zhuǎn))和肘部一個DOF。由于每個機器人可以控制三個DOF，因此兩個機器人約束上肢的六個DOF是可能的。

人類關(guān)節(jié)角度不是由iPAM系統(tǒng)直接測量的，因此是采用人類手臂模型的直接逆運動學(xué)公式，根據(jù)手臂的已知運動數(shù)據(jù)和機器人相對依附點的位置進行估計的。該公式無法應(yīng)對來自軟組織接口(皮膚、肌肉和矯形填充)的固有測量誤差和肩關(guān)節(jié)運動奇點。

   然而，我們使用雅可比（Jacobian）轉(zhuǎn)置方法開發(fā)了一個新的迭代公式，其基于手臂前向運動學(xué)，更易于估計。重要的是，該方法考慮到了測量誤差和運動學(xué)奇點。為了提供準(zhǔn)確的手臂位置估計，在控制循環(huán)的每次迭代中，以500Hz頻率對前向運動學(xué)的50次迭代進行處理。這對實時控制器提出了大量計算能力的要求，以及確定的實時性要求，使其擁有高確定性。

   通過將每個機器人測量得到的動力轉(zhuǎn)化為上肢坐標(biāo)系統(tǒng)，我們可以實現(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)進行援助。準(zhǔn)入控制方案的功能是測量每個人DOF的轉(zhuǎn)矩和動力，根據(jù)治療師設(shè)置的剛度和阻尼參數(shù)來調(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），機器人謹慎遵守治療師的規(guī)定動作。這比較適合較少主動運動的病人。降低援助的程度（較低的剛性設(shè)置）允許對規(guī)定動作有較大偏差，這適合于那些在較大范圍主動運動的病人使用或者當(dāng)病人的活動性提高時使用。模型中每個關(guān)節(jié)的援助可以獨立改變，同時保留運動的協(xié)調(diào)模式。

實現(xiàn)

   我們使用LabVIEW實時模塊和NI 公司的接口卡實現(xiàn)iPAM實時控制器，執(zhí)行控制器的信號I/O功能。輸入傳感器包括兩個六軸動力變頻器，六個非接觸式旋轉(zhuǎn)傳感器，三個測量肩膀位置的電位器，和幾個用于安全開關(guān)的數(shù)字輸入。模擬輸出信號控制12對壓力調(diào)節(jié)閥，其在每個機器人關(guān)節(jié)處驅(qū)動低摩擦性氣缸。該控制器完全基于狀態(tài)，使代碼具有邏輯性、可擴展性和易于審核。實時操作系統(tǒng)允許控制器確定性執(zhí)行，有助于確保整個系統(tǒng)的可靠性和安全性。

物理治療師使用客戶端電腦，與用戶界面一起啟動，向病人提供指令、運動線索和與iPAM系統(tǒng)交互性能反饋信息?？蛻舳耸褂肨CP協(xié)議通過以太網(wǎng)與實時控制器異步通信。用戶界面的主要組成部分是三維空間顯示。在LabVIEW軟件平臺上使用基于OpenGL三維圖片功能進行控制，它允許具體任務(wù)信息實時性地傳遞給病人。

試驗性臨床試驗

我們分兩次小規(guī)模試驗性臨床研究實現(xiàn)了iPAM系統(tǒng)，通過招募中風(fēng)后導(dǎo)致手臂殘障的26個病人，來參加長達20個小時的機器人治療會議。每次會議包括近40分鐘的運動機器人使用時間。在研究過程中，在使用運動機器人超過300個小時期間，iPAM系統(tǒng)輔助了超過 13,000個運動達到的動作。病人接受使用該系統(tǒng)的比例很高，一些病人表現(xiàn)出手臂運動性能的提高。在臨床試驗期間，病人沒有表現(xiàn)出不良反應(yīng)的情況。在兩次試驗的整個過程期間，實時控制器保持穩(wěn)定。LabVIEW環(huán)境模塊化特性使其對于原型設(shè)計和開發(fā)我們的系統(tǒng)來說是理想的選擇。

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