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系統(tǒng)，對中風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計的用戶界面（UI）以協(xié)調(diào)和輔助人類手臂運動。

  中風是造成英國慢性成年人殘疾的最常見的根源。身患中風還活著的人中，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（NHS）造成了很大的負擔。

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

機器人設計

   智能化氣動手臂運動(iPAM)是一個雙機器人系統(tǒng)，旨在向由于中風而導致上肢運動殘障的病人提供重復的運動治療。 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肢體運動治療，并記錄運動情況。該系統(tǒng)記錄了應用于手臂的力度和機器人關節(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)性工作是至關重要的，因為肢體錯位或過度用力可能會導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，更易于估計。重要的是，該方法考慮到了測量誤差和運動學奇點。為了提供準確的手臂位置估計，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)化為上肢坐標系統(tǒng)，我們可以實現(xiàn)準入控制方案，在該方案中可以定位到上肢的特定關節(jié)進行援助。準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)治療師設置的剛度和阻尼參數(shù)來調(diào)節(jié)預期的關節(jié)位置。

   使用較高的援助程度（高度性剛性設置），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病人的活動性提高時使用。模型中每個關節(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)，通過招募中風后導致手臂殘障的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)應用基金方案（NEAT E027）,這項工作得到了英國國家健康服務的支持。