WAM機器人輔助上肢康復訓練技術應用研究

白敬 張進敏 孫慧玉 王保升

1 南京工程學院 智能裝備產業技術研究院,南京,211167 2 南京工程學院 江蘇省智能制造裝備工程實驗室,南京,211167 3 南京中電熊貓平板顯示科技有限公司,南京,210033 4 南京工程學院 汽車與軌道交通學院,南京,211167

0 引言

由腦卒中、腦外傷、脊髓損傷等疾病引起的上肢偏癱患者日益增多[1],他們亟待進行康復治療．傳統的上肢康復訓練方式主要通過康復醫師幫助或者由簡單的器械牽引患肢輔助康復訓練,但很難確?？祻瓦\動訓練的時間長度、訓練強度和規范性,不易達到滿意的治療效果[2]．由于康復科室少和康復裝備供應不足,大部分患者不能及時、正確地進行康復訓練,使得不少上肢偏癱患者難以康復．隨著人們健康意識的不斷增強,康復醫療需求不斷增加．機器人輔助康復治療的持續性和重復性好,可提供科學有效的康復訓練方法,改善康復訓練效果[3]．

國內外學者對康復機器人進行了大量研究,如美國麻省理工學院研制的模塊化康復訓練機器人MIT-MANUS[4]、美國Motorika公司(http:∥motorika.com/reogo/)研制的多種訓練模式上肢康復機器人Reo Go、Washabaugh EP等研制的便攜式平面康復機器人PaRRo[5]、Atashzar等[6]研究的基于虛擬環境的觸覺康復機器人HRR、2005年瑞士蘇黎世大學研制的一款典型上肢外骨骼康復機器人ARMin[7]、華盛頓大學研制的線驅動七自由度外骨骼式機器人CADEN-7[8]等．近年來外骨骼康復機器人的發展較快,國內外學者研究較多,如基于氣動肌肉驅動的五自由度可穿戴式上肢外骨骼RUPERT[9]、基于轉矩可控的串聯彈性驅動器外骨骼機械臂ANYexo[10]、七自由度電纜驅動外骨骼機械臂CAREX-7[11]、基于彈性驅動器的四自由度肩肘關節外骨骼NESM[12]等．但對機器人康復訓練效果的研究相對較少.康復效果是驗證康復訓練方法可行性的重要一環,因此對康復訓練效果的研究必不可少．

康復評估是制定康復治療方案的基礎,也是觀察其治療效果的客觀標準,對康復治療、評估治療療效、預測功能恢復均有重要的作用[13]．目前,腦卒中幸存者的運動功能和治療干預的效果通常由治療師使用臨床評估量表來評估．機器人衍生的測量技術,可以為患者行為提供客觀精確的測量[14]．

本研究運用WAM機器人對上肢偏癱病人進行康復訓練,對其康復過程進行跟蹤,分析運動參數,評價康復效果,同時運用醫學評估Brunnstrom等級分期法進行康復評估,分別從機器人運動參數和傳統醫學評估方法兩方面分析,驗證WAM機器人進行上肢康復訓練的有效性．

1 方法

1.1 康復訓練方式

在中風患者康復的過程中,康復訓練的方法尤為重要,設計合理的康復訓練方式,有助于中風患者的早日康復．根據上肢日?；顒臃秶?考慮患者中風后肢體的運動范圍及病人的承受能力,針對有一定活動能力的患者,在保證安全的前提下,設計上肢末端的“十”字與“米”字運動,即患者手部抓握機械臂末端手柄,機械臂牽引上肢在空間范圍內寫“十”字與“米”字,以達到訓練上肢的目的．

為使康復訓練變得生動有趣,設計相關虛擬場景以提高患者參與康復訓練的積極性．采用Kinect采集手部位置信息,控制虛擬籃子接物體,設計各種形狀的物體,包括三角形、四邊形、五邊形、六邊形、五角星等,從屏幕上方隨機掉落,籃子接到物體得分．受試者在進行醫院常規訓練的同時,進行為期1個月的機器人康復訓練,每周5次,每次30 min,每周記錄1次康復訓練結果,以驗證康復訓練的有效性．康復訓練前后,康復評估師分別對每個受試者進行康復評估,比較機器人康復訓練和傳統康復訓練的效果．

1.2 機器人控制方法

在康復訓練過程中,上肢康復機器人與患肢直接接觸進行交互,患者的安全非常重要,這就需要實時監測機器人末端與患肢之間的相互作用力,并保持系統的穩定性．在控制方法中,阻抗控制具有一定的優勢,能較好地通過調節機器人的位置偏差與末端力的動態關系來控制機器人的位置和力．本文所采用的WAM康復機器人系統的目標阻抗控制模型如下：

Kd(q(t)-q(t))=Fd(t)-Fe(t),

(1)

在實際的康復訓練中,為機器人阻抗控制模型選擇合適的參數是非常重要的．通常情況下參數可以通過自適應方法、神經網絡學習方法或從示教數據中獲得．本文采用自適應模糊反演的方法對阻抗控制模型的參數進行優化．圖1為基于自適應模糊反演的阻抗控制系統框圖,具體控制方法的設計見參考文獻[15]．

圖1 基于自適應模糊反演的阻抗控制系統框圖Fig.1 Backstepping adaptive fuzzy based impedance control system

1.3 數據采集與處理

WAM機器人牽引上肢偏癱病人患肢進行“十”字和“米”字運動,機器人各關節安裝位置傳感器和轉矩傳感器,記錄每位受試者康復訓練時機器人的位置和轉矩信息并分析,以反映受試者康復訓練情況．分析康復訓練前后的軌跡跟蹤誤差的絕對值及其最大值和最大絕對轉矩及其變化率,來評價患肢的運動功能．在康復訓練1個月后,康復評估醫師運用Brunnstrom等級分期法分別對受試者的患肢運動功能進行評估,記錄患肢運動功能等級,對比康復訓練前后受試者的康復情況．

2 實驗

2.1 實驗裝置

本實驗上肢康復機器人系統由四自由度WAM機械臂、三維力傳感器、手柄、主機構建而成．機械臂是由美國barrett公司生產的標準4-DOF WAM機械臂,可反向驅動,采用鋼絲繩直接驅動各個關節,機械臂通過CAN總線與外部PC進行數據傳輸．三維力傳感器采用整體輪輻式十字梁結構,底端底蓋通過法蘭盤與機械臂相配合連接．手柄通過3D打印的方式獲取實物,安裝在柄托上,通過法蘭盤與傳感器頂柱的銷孔相連接,固定于WAM機械臂的末端,以方便受試者抓握．運用Kinect相機采集受試者上肢位置信息,搭建虛擬環境,提高康復訓練的趣味性,增加受試者康復訓練的積極性．

2.2 受試者

臨床康復訓練試驗在南京同仁醫院康復醫學科進行,選取住院治療的偏癱患者為受試者,進行1個月的跟蹤訓練與評估．病例篩選標準如下:

1)納入標準:符合1995年全國第4屆腦血管病學術會議通過的《各類腦血管病診斷要點及腦卒中患者臨床神經功能缺損程度評分標準》,并經臨床確診的初發腦卒中患者,均存在肢體運動功能障礙,無嚴重的認知障礙和精神疾病,生命體征穩定．

2)排除標準:發病前有精神疾病,卒中前已有癡呆表現,嚴重的認知障礙及失語,或伴有心、肺、肝、腎等重要器官嚴重疾病,有影響功能恢復的神經肌肉骨骼病變,臨床不能配合治療者．

根據上述標準,最終篩選出6例病例接受實驗,其中男患者4例、女患者2例,詳細情況如表1所示．同時篩選4例患者進行對比試驗,即這4例患者只進行傳統的康復訓練．所有篩選病例均自愿參與并配合試驗．

表1 受試者基本信息

在試驗展開前,醫護人員對試驗的內容及安全性進行了測試,確保患者的安全．本研究提供的康復訓練不會對患者產生副作用,符合南京同仁醫院倫理委員會及相關機構的要求．

3 實驗結果與分析

3.1 機器人訓練結果與分析

康復訓練實驗場景如圖2所示,受試者在進行康復訓練．取一例受試者的康復訓練信息進行分析,結果如圖3、圖4所示．圖3為“十”字康復訓練結果,其中圖3a為關節誤差2,圖3b為關節轉矩2,圖3c為關節誤差3,圖3d為關節轉矩3．圖中藍色實線為第1次康復訓練結果,紅色實線為1個月之后的康復訓練結果．從圖3a和3c中可以看出,經過1個月的康復訓練,受試者康復訓練時的關節誤差有所降低,誤差波動減少減弱,絕對峰值呈降低趨勢;從圖3b和3d中可以看出,康復訓練1個月后機器人檢測的轉矩大小呈減弱狀態,轉矩變化率降低．

圖2 實驗場景Fig.2 Experimental scene

圖3 “十”字康復訓練結果Fig.3 Performance of rehabilitation training by marking cross with upper limb,(a) joint error 2 (b) joint torque 2,(c) joint error 3,and (d) joint torque 3

為進一步說明機器人康復訓練后的效果,對該患者訓練的軌跡跟蹤誤差和轉矩信息進行分析,求解軌跡跟蹤誤差絕對峰值、最大誤差變化率、最大絕對轉矩和最大絕對轉矩變化率,“十”字康復訓練結果如表2所示.由表2可知,機器人康復訓練后,受試者康復訓練時的誤差總體變化減小,誤差絕對峰值下降,最大誤差變化率減少,患肢病情的不確定性對康復訓練過程的干擾減少,最大絕對轉矩降低,最大絕對轉矩變化率減少,患肢的康復訓練前由于肢體不受控制,存在頻繁顫動,康復訓練后,顫動減少,肢體功能增強,康復訓練運動過程更加穩定．

表2 “十”字康復訓練

圖4為“米”字康復訓練結果,其中圖4a為關節誤差2,圖4b為關節轉矩2,圖4c為關節誤差3,圖4d為關節轉矩3．圖中藍色實線為第1次康復訓練結果,紅色實線為1個月之后的康復訓練結果．從圖4中可以看出,在康復訓練開始時,機器人牽引患者手臂康復訓練時的誤差,即圖4a和4c中藍色實線,均有比較尖銳的峰值,變化趨勢陡峭、鋸齒狀明顯,康復訓練后誤差峰值降低,波動有所變緩;轉矩在康復訓練前后變化比較明顯,圖4b和4d中的紅色實線直觀顯示轉矩最大絕對值明顯降低,且波動變化趨于平緩．

圖4 “米”字康復訓練結果Fig.4 Performance of rehabilitation training by marking “*” with upper limb,(a) joint error 2,(b) joint torque 2,(c) joint error 3,and (d) joint torque 3

表3為“米”字康復訓練后的結果分析.由表3可知,康復訓練后誤差絕對峰值下降,最大誤差變化率減少,患肢更能跟隨機器人的康復軌跡．同時最大絕對轉矩降低,最大絕對轉矩變化率減少,患肢的康復訓練變得更加柔順,隨意運動減少．

表3 “米”字康復訓練

3.2 康復醫師評估結果與分析

受試者在接受康復訓練之前,康復醫師對每位受試者進行康復評估,評定每位受試者的Brunnstrom分期等級,評估結果如圖5中藍色條形所示,接受1個月的康復訓練后,每位受試者的康復程度評估結果如圖5中橙色條形所示．圖5a表明參與機器人康復訓練的患者Brunnstrom分期等級增加更加明顯,各位受試者患肢情況都有所好轉,其中受試者2和受試者4的Brunnstrom分期等級增加較多．圖5b表明傳統康復訓練中受試者Brunnstrom分期等級增加較少,其中受試者1和受試者4的Brunnstrom分期等級沒有增加．由圖5可知WAM機器人的康復訓練效果優于傳統的康復訓練．

圖5 康復評估醫生評估結果Fig.5 Rehabilitation performance appraised by doctors,(a) robot-assissted rehabilitation training,and (b) conventional rehabilitation training

4 結束語

本研究運用WAM機器人平臺對上肢偏癱患者進行為期1個月的康復訓練,分析康復訓練前后WAM機器人牽引患者進行康復訓練時的關節誤差與轉矩,并對康復訓練前后患者的Brunnstrom分期等級進行評定,結果表明接受WAM機器人康復訓練患者的康復進度優于傳統康復訓練,WAM機器人可為中風患者提供合理的康復訓練方式．