使用iPAM系統的病人接受上肢治療運動

　　作者:Andrew Jackson - University of Leeds Peter Culmer - University of LeedsMartin Levesley - University of LeedsSophie Makower - Leeds Primary Care NHS Trust Bipinchandra Bhakta - Leeds Institute of Molecular Medicine, Faculty of Medicine and Health, University of Leeds

　　行業:生命科學, 科研, 機電學/ 電工學

　　產品:PCI-6723, LabVIEW, PCI-6259, 實時模塊

　　挑戰:開發一種安全且可靠的機器人康復系統，對中風后手臂殘障的病人提供援助，以輔助治療手臂運動，協調和指引手臂。

　　解決方案:使用NI公司LabVIEW軟件對兩個定制機器人實現雙持續的實時性控制系統，通過與治療師溝通所需要使用而設計的用戶界面（UI）以協調和輔助人類手臂運動。

　　“LabVIEW環境模塊化特性使其對于原型設計和開發我們的系統來說是理想的選擇。”

    中風后，康復設施通過重復性有意義的協調性運動，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。機器人康復系統可以輔助傳統的治療服務，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，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，以三個驅動轉動關節為特點，在笛卡兒（Cartesian）空間上控制機器人的執行終端。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。該系統記錄了應用于手臂的力度和機器人關節的運動情況。然后該運動可以被iPAM系統重放，在整個運動 期間以輔助病人所需（如圖1）。iPAM系統所提供的輔助程度可以由物理治療師調整。

　　控制系統

    iPAM機器人必須主動地提供動力以輔助人類手臂運動。因此，機器人有效地協調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，我們開發了新型控制方案，該方案圍繞對人類關節的自由度進行操作，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 (兩個轉換和三個旋轉)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。

    人類關節角度不是由iPAM系統直接測量的，因此是采用人類手臂模型的直接逆運動學公式，根據手臂的已知運動數據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運動奇點。

    然而，我們使用雅可比（Jacobian）轉置方法開發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化為上肢坐標系統，我們可以實現準入控制方案，在該方案中可以定位到上肢的特定關節進行援助。準入控制方案的功能是測量每個人DOF的轉矩和動力，根據治療師設置的剛度和阻尼參數來調節預期的關節位置。

    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。模型中每個關節的援助可以獨立 改變，同時保留運動的協調模式。

　　實現

    我們使用LabVIEW實時模塊和 NI公司的接口卡實現iPAM實時控制器，執行控制器的信號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字輸入。模擬輸出信號控制12對壓力調節閥，其在每個機器人關節處驅動低摩擦性氣缸。該控制器完全基于狀態，使代碼具有邏 輯性、可擴展性和易于審核。實時操作系統允許控制器確定性執行，有助于確保整個系統的可靠性和安全性。

    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系統交互性能反饋信息。客戶端使用TCP協議通過以太網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

    我們分兩次小規模試驗性臨床研究實現了iPAM系統，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系統輔助了超過 13,000個運動達到的動作。病人接受使用該系統的比例很高，一些病人表現出手臂運動性能的提高。在臨床試驗期間，病人沒有表現出不良反應的情況。在兩 次試驗的整個過程期間，實時控制器保持穩定。LabVIEW環境模塊化特性使其對于原型設計和開發我們的系統來說是理想的選擇。

    根據新型和新興技術應用基金方案（NEAT E027），這項工作得到了英國國家健康服務的支持。

    目前NI已全面推出LabVIEW Robotics 2009，用于自主地面機器人系統的設計、原型與發布，更多信息請訪問www.ni.com/robotics/zhs。

　　作者信息:Andrew JacksonUniversity of Leeds Woodhouse LaneLeeds LS2 9JT英國Tel: 44 113 343 2523a.e.jackson@leeds.ac.uk