關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人上肢理療和訓(xùn)練

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1、三自由度上肢訓(xùn)練器及控制系統(tǒng)設(shè)計 （文獻(xiàn)翻譯） 18 關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人上肢理療和訓(xùn)練 摘要：本研究的目的是設(shè)計一個機(jī)器人系統(tǒng)來幫助患者的康復(fù)，使他們能以后做各種日?；顒?。假設(shè)要使一個9自由度的外骨骼機(jī)器人到達(dá)所期望的的位置，這對操作系統(tǒng)和各關(guān)節(jié)的設(shè)計是相當(dāng)?shù)睦щy。在本文中，我們解決操作一個人的手臂的運動軌跡不定的問題，使我們能夠避免通過錯誤姿勢來做康復(fù)運動，同時尋找所需的解決方案，然后盡可能準(zhǔn)確地達(dá)到所需的康復(fù)運動動作。此外，本研究結(jié)合肌電圖（EMG）和力傳感器來檢測病人的運動對他上肢的影響，使康復(fù)機(jī)器人可

2、以支持人類的的上肢適當(dāng)?shù)剡_(dá)到預(yù)期的運動。為此我們對康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計和實驗，并取得可喜的成果。 B.-C. Tsai, W.-W. Wang, L.-C. Hsu, L.-C. Fu and J.-S. Lai The 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems October 18-22, 2010, Taipei, Taiwan 1 簡介 經(jīng)過去十年的發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人物理治療已經(jīng)投入使用至今。事實上，許多康復(fù)機(jī)器人在文獻(xiàn)[1-4]已提出了上肢的治療和援助。根據(jù)康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械

3、結(jié)構(gòu)，主要有三種類型的中風(fēng)癱瘓患者接觸或互動的。第一種類型是一個端點的固定系統(tǒng)，如MIT-Manus，可以修復(fù)的患者的前端的一部分，UE（用戶設(shè)備）引導(dǎo)所需的變動。也就是說，中風(fēng)癱瘓患者可以執(zhí)行動作，只有前臂支撐。是第二類型的線纜懸掛系統(tǒng)，，如Freebal重力補(bǔ)償系統(tǒng)。它提供了康復(fù)服務(wù)的UE在反重力的支持。第三類是外骨骼臂系統(tǒng)，如AR Min。 在這項研究中，我們的康復(fù)機(jī)器人選擇外骨骼類型。類似人類的機(jī)器人臂（外骨骼）的使用已在文獻(xiàn)中已經(jīng)提出各種建議，并對人的手臂的動作的原理進(jìn)行解釋。所有這些類人機(jī)器人的結(jié)構(gòu)通常采用一些特殊的組成部分圓形的導(dǎo)環(huán)，以達(dá)到人的肩膀的內(nèi)部/外部旋轉(zhuǎn)。然而，參與設(shè)

4、計的特殊成分，這項研究的目的是在模仿人類的??運動使用的坐標(biāo)功能和生物啟發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)我們的目標(biāo)。這種康復(fù)機(jī)器人是專為上肢康復(fù)外骨骼型，包括自由度的設(shè)計，結(jié)合選擇性反向運動學(xué)（IK）解決方案，阻抗控制，由EMG觸發(fā)而改進(jìn)的MIT-Manus 。其中，自由度設(shè)計是指比正常人類的上肢多個關(guān)節(jié)。這樣的設(shè)計可以讓ROM接近一個正常的人，并提供協(xié)調(diào)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在本研究中因為IK問題產(chǎn)生重復(fù)設(shè)計的問題，首先是研究機(jī)器人手臂和人的手臂區(qū)別，然后尋找有效的和理想IK的幾何關(guān)系解決方案。 中風(fēng)康復(fù)治療的康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用程序的運動軌跡是執(zhí)行圓形軌跡。這個訓(xùn)練計劃，使患者的手臂協(xié)調(diào)運動。 Miyoshi等人（2

5、010年）指出，它是一個復(fù)雜的運動協(xié)調(diào)肌肉的共同收縮和偏心活動在內(nèi)側(cè)/外側(cè)和向前/向后方向。此外，一個顯示運動皮層的激活和復(fù)制一些幾何形狀的的視覺反應(yīng)之間的關(guān)系文獻(xiàn)已經(jīng)發(fā)表過。 2 康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計 2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu) 人類的上肢的程度的自由度（DOF）通常被定義為獨立的位移或運動的總數(shù)。一般來說，肩關(guān)節(jié)復(fù)雜的3自由度運動（前屈/后伸，外展/內(nèi)收，旋內(nèi)/旋外），2個自由度，肘關(guān)節(jié)（屈曲/伸直，前臂旋前/旋后）， 在腕關(guān)節(jié)的自由度（前屈/后伸，旋內(nèi)/旋外）。理想的情況下，設(shè)計自由度上肢康復(fù)機(jī)器人能達(dá)到的所有功能，但事實上，它可能無法實現(xiàn)，因為它產(chǎn)生的運動范圍（ROM），特別是肩會運動

6、到一些死區(qū)。因此，我們采用多自由度設(shè)計來解決這個問題。多自由度的康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計提供更多可供選擇的運動解決方案的同時，避免在相關(guān)的工作區(qū)不利的軌跡點規(guī)劃。按照這樣的概念，外骨骼型機(jī)器手臂配備比一個人的手臂多個關(guān)節(jié)，產(chǎn)生了9個自由度機(jī)械手，包括6DOF肩關(guān)節(jié)的機(jī)器人，在肘關(guān)節(jié)的1自由度和2自由度在腕關(guān)節(jié)，如示于圖2.1.1。 圖2.1.1 康復(fù)機(jī)器人的圖片 在下文中，圖2.1.2 顯示了一個人的上肢和其與所提到的9自由度康復(fù)機(jī)器人的運動自由。顯然，用來容納由于人類的肩關(guān)節(jié)的（即2-4個關(guān)節(jié)，為水平面內(nèi)運動，關(guān)節(jié)5為矢量面內(nèi)運動，運動的機(jī)械關(guān)節(jié)的1-6的康復(fù)機(jī)器人，即關(guān)節(jié)1,2，3,4,

7、6的旋內(nèi)/旋外運動），機(jī)械關(guān)節(jié)7是用于人類的肘關(guān)節(jié)的運動，以及用于其它的機(jī)械關(guān)節(jié)，以適應(yīng)由于的人的腕關(guān)節(jié)的運動（即關(guān)節(jié)8-9，旋內(nèi)/旋外運動）。為了使機(jī)器人適應(yīng)不同病人的需求，其作用機(jī)理是這樣設(shè)計的，上臂的長度，可向從26厘米至34厘米之間變化，而??與前臂可以作出24厘米和30之間變化厘米。 圖2.1.2 人體上肢的運動模型一個人的手臂模型（b）康復(fù)機(jī)器人 2.2 系統(tǒng)架構(gòu) 根據(jù)一般的控制系統(tǒng)的功能，它可以被分為三類：（1）傳感器系統(tǒng)（2）驅(qū)動裝置和（3）計算機(jī)處理器。傳感器系統(tǒng)通常包括電位器，對于每個關(guān)節(jié)的電機(jī)的編碼器，以及肌電圖（EMG）和用于人類的上肢的力傳感器。肌肉表面

8、所連接的電極對收集患者的EMG信號。此外，康復(fù)機(jī)器人配備4個力傳感器安裝在機(jī)器人與人的手臂之間的連接，如圖2.2.1所示，每個力傳感器來實現(xiàn)通過對應(yīng)變計用于測量人類和機(jī)器人之間的相互作用力。從上臂由兩個力傳感器測得的力是由于肩膀前屈/后伸，水平內(nèi)收/外展。肘部彎曲/伸展與肩旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的相互作用力測量前臂。另一方面，康復(fù)機(jī)器人的電位計在每個關(guān)節(jié)處輸出的絕對值的該特定關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)位置信息。但是，為了實現(xiàn)更精確的位置和速度控制，每個關(guān)節(jié)的電機(jī)的電機(jī)編碼器安裝到相對更高的分辨率的相關(guān)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)位置信息提取，驅(qū)動裝置使用直流電動機(jī)的FAULHABER系列，具有重量輕和高扭矩的顯著功能。 圖2.2.1

9、安裝在機(jī)器人手臂的四個力傳感器。照片1）所示的傳感器可以感知力的肩膀前屈/后伸。照片2）顯示的傳感器，可以感知力的肩膀，水平內(nèi)收/外展。的結(jié)構(gòu)是類似的上臂和前臂的傳感器，可以感知彎曲/伸展的力量和肩部旋轉(zhuǎn)。 3 康復(fù)機(jī)器人運動學(xué) 圖3.1 9自由度康復(fù)機(jī)器人手臂 在本節(jié)中，我們將嘗試通過逆運動學(xué)解決方案的研究，探討所有可行的這9個自由度的外骨骼型康復(fù)機(jī)器人手臂的運動。為了滿足這一目的，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的簡化示意圖畫在圖3.1，共12個坐標(biāo)被分配到基地和運用Denavit的DH（D-H）表示法使用的11個關(guān)節(jié)軸的適當(dāng)位置上。在下文中，我們將調(diào)用的坐標(biāo)框架為方便起見，“聯(lián)合支點”作為起源

10、。請注意，關(guān)節(jié)（）和關(guān)節(jié)（）是固定的，因此，相關(guān)的旋轉(zhuǎn)角度和是恒定的，一個U形連接臂在原點的坐標(biāo)系的連結(jié)與把手的坐標(biāo)原點在抓框架。符號（滑動關(guān)節(jié)）和~ （旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）被視為對應(yīng)于各種關(guān)節(jié)運動的變量，相關(guān)的DH參數(shù)示于表3.1。 表3.1 康復(fù)機(jī)器人D-H參數(shù) 由于我們的康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計屬于外骨骼型，它是合理的假設(shè)，在正常運行的人的手臂基本上構(gòu)成平行的康復(fù)機(jī)器人臂，這自然推斷一些聯(lián)合樞轉(zhuǎn)的軌跡機(jī)器人應(yīng)保持在適當(dāng)?shù)年P(guān)系與這些的一些相應(yīng)的人的手臂的關(guān)節(jié)。根據(jù)此平行運動的原則，而不是解決逆運動學(xué)解決方案通常發(fā)現(xiàn)整個機(jī)器人的運動空間，我們簡化了這個問題，只查找那些解決方案，例如，無論是康復(fù)機(jī)器人

11、和人類的手臂，將符合上述原則。從技術(shù)上講，我們首先會嘗試找到位置軌跡的基本的共同支點的康復(fù)機(jī)器人給人類手臂各關(guān)節(jié)的知識。更具體地說，我們只找到三個位置對應(yīng)于人的肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)支點。反過來，我們可以很容易地根據(jù)這三個位置的姿勢解決康復(fù)機(jī)器人的幾何形狀。 假設(shè)我們知道人類的肩膀上的期望位置肘關(guān)節(jié)聯(lián)合，，手腕接頭，上臂的長度，前臂的長度，和并行康復(fù)機(jī)器人和人類臂之間的距離。記的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1到關(guān)節(jié)9的機(jī)器人手臂到，特別是重命名的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4，關(guān)節(jié)6和關(guān)節(jié)7作為機(jī)器人的肩部關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)，和手腕關(guān)節(jié)，分別。遵守先前提到的原則，后面的三個機(jī)器人關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)，，，和人類手臂?，F(xiàn)在，如果我們進(jìn)一

12、步表示機(jī)器人的上臂和機(jī)器人的前臂，和，分別的長度，我們可以從示于圖之間的關(guān)系的人的手臂和機(jī)器人的特征。圖3.2所示。 圖3.2 機(jī)器人與人之間的關(guān)系 在一般情況下，我們可以調(diào)整機(jī)器人的上臂和機(jī)器人的前臂的長度相匹配的人的同行的長度。但是，我們寧愿讓機(jī)器人的上臂的長度比人類的要長，以容納身材較小的患者，同時解決了逆運動學(xué)問題的最佳原則?，F(xiàn)在，我們將開始得到的解決方案如下。 圖3.3 圖顯示了一個人的肩，肘，腕關(guān)節(jié)之間的關(guān)系，肘關(guān)節(jié) ，一個正常的計劃，其中包括三個聯(lián)合位置矢量的定義。 首先，我們會發(fā)現(xiàn)位置的機(jī)器人的肘關(guān)節(jié)的，當(dāng)人類手臂的姿勢。如圖3.3，我們定義人的上臂和前臂，

13、以后可以用來推導(dǎo)出矢量肘關(guān)節(jié)的向量： （3.1） 平行運動原理前面介紹的，機(jī)器人的肘關(guān)節(jié)應(yīng)位于沿方向從人類的肘關(guān)節(jié)，即： （3.2） 然后，它是簡單的，計算機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)的位置，一旦被發(fā)現(xiàn)的位置的機(jī)器人的肘關(guān)節(jié)。這是因為機(jī)器人的上臂的載體是人類的上臂矢量平行，然后，我們可以直接確定機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)為： （3.3） 現(xiàn)在，機(jī)器人的肩部和肘部的位置，這樣我們就可以找到合適的解決方案的IK從圖3.4中的幾何形狀。其結(jié)果是

14、顯示在下面的公式。 （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8） （3.9） （3.10）

15、 （3.11） （3.12） （3.13） （3.14） （3.15） （3.16） （3.17） 最后，因

16、為我們限制的運動，人的手腕前屈/后伸，外展/內(nèi)收，前臂旋前/旋的簡單運動，人的手腕關(guān)節(jié)和相應(yīng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人（和）是簡單的同軸，也就是說，他們的解決方案是顯而易見的。 總括來說，前述IK可以被分成兩組。其中第一個涉及角度的 ~ ，而第二個涉及角度 ~。在第一組中，我們試圖找到構(gòu)成的機(jī)器人在機(jī)器人的胳膊肘的姿勢是根據(jù)人類手臂的姿勢。當(dāng) ~ 確定第一組中的解決方案時，該的第二組直接對應(yīng)于人的手臂的角度。因為我們把整體解決方案IK分為兩組，可以大大減少計算負(fù)擔(dān)。 圖3.4 康復(fù)機(jī)器人和人類手臂的圖顯示之間的關(guān)系 4 控制系統(tǒng)的設(shè)計 圖4.1 控制系統(tǒng)框圖 圖4.1示出的兩個康復(fù)

17、的模式，該模式由基本PID反饋控制器，阻抗控制器，肌電圖（EMG）觸發(fā)和一個開關(guān)的控制系統(tǒng)。當(dāng)基本PID反饋控制器是位置控制器，其接收的誤差之間的所需的和當(dāng)前姿勢康復(fù)機(jī)器人和努力來驅(qū)動的誤差為零。阻抗控制轉(zhuǎn)矩控制器，它盡量減少康復(fù)機(jī)器人和人類手臂的扭矩/力之間差距，使之盡可能多的互動，從而推動了康復(fù)機(jī)器人按照人的意愿運動。 EMG觸發(fā)器用于檢查人體肌肉是否收縮。最后，開關(guān)可以選擇主動模式和被動模式。 4.1 基本PID反饋控制 由于康復(fù)治療的康復(fù)機(jī)器人的位置控制的精度水平不高，而不像工業(yè)機(jī)械手那樣要求高，在這里我們選擇基本PID反饋控制器來控制機(jī)器人手臂。所述控制器被示出在下面的數(shù)學(xué)：

18、 這個控制器特點是，不僅可以大大降低計算負(fù)擔(dān)，而且如果選擇適當(dāng)?shù)姆答佋鲆孢€可以保持跟蹤誤差的有界性。詳細(xì)的討論和證明，可在其他文獻(xiàn)中找到[10]。 4.2 阻抗控制 使用阻抗控制是模仿人體上肢的姿勢和扭矩之間的機(jī)械阻抗，其一般形式如下所示： （4.2.1） 其中是由于上肢的運動，如扭矩定義，，是當(dāng)前姿勢的人體上肢所需的人體上肢和，，分別是慣性，阻尼和剛度。 我們假設(shè)模仿的慣性和阻尼的機(jī)械阻抗是零，如果康復(fù)運動的速度是緩慢的，（4.2.1）的功能可以簡化，可以被簡化為以下： （4.2.2

19、） （4.2.2）式的物理意義是，所需的姿態(tài)是當(dāng)前姿勢加補(bǔ)償?shù)臉?gòu)成，這在另一方面意味著所需的構(gòu)成應(yīng)遵循的轉(zhuǎn)矩的方向。 4.3 肌電觸發(fā) EMG設(shè)備是用來檢測微弱的肌電圖信號產(chǎn)生的中風(fēng)癱瘓患者。但是，在力傳感器的換能器的輸入機(jī)械力轉(zhuǎn)換成電輸出信號。因此，中風(fēng)癱瘓患者通過肌電圖信號和機(jī)械力傳感器產(chǎn)生的電信號之間比較，使該系統(tǒng)可以檢測到正確的肌肉收縮，然后康復(fù)機(jī)器人提供的中風(fēng)癱瘓患者正確的外力，協(xié)助他們完成指定的任務(wù)。細(xì)節(jié)描述如下： 4.3.1 EMG前處理 我們會記錄EMG信號，一個帶通的頻率20 Hz至450 Hz，肌電活動定義如下：

20、 （4.3.1.1） 其中，ch= 1，2，...，8 表示的特定的肌肉。 4.3.2 觸發(fā)信號的定義 該閾值決定的松弛肌肉的肌電活動，觸發(fā)信號被定義為如下： （4.3.2.1） 其中，傳送是指示特定的肌肉，和這些特定肌肉是負(fù)責(zé)上肢的特定運動的信道的集合。然后，將控制策略（4.3.1.1）修改，以建立正確的肌電觸發(fā)。如下： （4.3.2.2） 其中被定義為觸發(fā)信號是負(fù)責(zé)特定上肢運動。 5 實驗和結(jié)果 5.1 實驗裝置 這個實驗的一個主題康復(fù)機(jī)器人設(shè)計

21、的圓圈軌跡，執(zhí)行和編程在LabVIEW 8.6中。 康復(fù)訓(xùn)練計劃是在某個平面上的沿圓形軌跡運動。在圓形軌跡的實驗中，病人可以選擇的康復(fù)模式有被動模式和主動模式。 康復(fù)機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)的圓圈繪制之前，必須預(yù)先設(shè)定。在初始位置的肩與肘關(guān)節(jié)的康復(fù)機(jī)器人本身和康復(fù)機(jī)器人上臂和前臂的長度被適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。然后，對象坐在與他的上臂和前臂固定由肩帶連接到支撐底座，和他的手握住手柄。表面肌電電極附著在皮膚表面的主體，包括三角?。ㄇ?，中，后部），肱二頭肌，肱三頭肌肌。這些肌肉負(fù)責(zé)肩關(guān)節(jié)屈曲/伸展，和肘關(guān)節(jié)前屈/后伸。 EMG噪音水平是在靜息狀態(tài)下測得的閾值。 設(shè)計康復(fù)機(jī)器人運動后，從電腦屏幕上的可視化反饋的圓

22、圈繪制任務(wù)執(zhí)行在每個康復(fù)模式。此外，與肩膀相平目標(biāo)圓的直徑被設(shè)定為24厘米的順時針旋轉(zhuǎn)。圓圈繪制的速度可以自我決定的，在電腦上顯示的圖形如下。 5.2 實驗結(jié)果 在三種不同的模式，圖5.2.1表示手腕在xz平面和yz平面的軌跡。人的上肢的角度，圖5.2.2還有兩種不同的模式。 圖5.2.1 在兩種模式下在xz平面和yz平面的人的手腕的軌跡。平滑的路徑是被動模式的軌跡，不規(guī)則的一個是主動模式。 圖5.2.2 人的上肢隨時間變化在被動模式下（左圖）和主動模式（右圖）的角度。 6 討論 從圖5.2.1，我們可以清楚地看到，被動模式比主動模式的圓形軌跡相對平滑。這是因為讓他的手

23、腕從一個位置通過預(yù)定義的路徑到規(guī)定的位置是在實驗中確實不容易。在實驗中讓實驗者的手腕從一個位置，沿著預(yù)先規(guī)定的路徑，用一個低分辨率顯示屏是很難觀察到。特別是關(guān)節(jié)插值（y-軸）的手腕在主動模式下特定漂移的。因此，微癱瘓患者在主動模式下繪制的圓輕，提供了一個先進(jìn)的訓(xùn)練，而被動模式是用于在嚴(yán)重癱瘓者。 從圖5.2.2人們可以看到，肩關(guān)節(jié)伸展彎曲，肘關(guān)節(jié)屈曲的趨勢是相似的，但肩外展和內(nèi)旋傾向是不同的三種模式。這應(yīng)歸因于不同的策略來解決重復(fù)動作。在被動模式下的策略是采用最低肘關(guān)節(jié)的運動，而在主動模式的策略是主動運動。基于這些結(jié)果，在長期的訓(xùn)練中我們可以分析這些結(jié)果，然后改變電機(jī)控制策略。7 結(jié)論和未來的工作 我們設(shè)計了一個外骨骼型多自由度康復(fù)機(jī)器人（康復(fù)機(jī)器人），它不需要特殊的組成部分來驅(qū)使人的肩膀旋轉(zhuǎn)，如圓形導(dǎo)軌。本文介紹了自由度設(shè)計結(jié)合選擇性反向運動（IK）的解決方案，轉(zhuǎn)矩反饋和肌電圖觸發(fā)。我們今后的工作是設(shè)計控制器，通過應(yīng)用程序來實現(xiàn)圓形軌跡的繪制任務(wù)，可指導(dǎo)病人沿著圓形路徑來訓(xùn)練和控制中度癱瘓患者的運動策略。 致謝 我們要感謝國立臺灣大學(xué)醫(yī)學(xué)院附設(shè)醫(yī)院的醫(yī)療團(tuán)隊和所有康復(fù)治療師的協(xié)助和寶貴的努力，使上肢康復(fù)機(jī)器人的最新原型開發(fā)上線。