基于互聯(lián)網(wǎng)的上肢康復(fù)機(jī)器人

□ 吳炳堅(jiān)

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研發(fā)背景

上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙是腦卒中、創(chuàng)傷性腦損傷、脊髓損傷、多發(fā)性硬化癥的常見(jiàn)后遺癥,嚴(yán)重影響患者的日常生活能力。以神經(jīng)可塑性原理為基礎(chǔ)的機(jī)器人上肢運(yùn)動(dòng)功能訓(xùn)練,能夠優(yōu)化患者大腦運(yùn)動(dòng)功能神經(jīng)的重塑,恢復(fù)大腦對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)的有效控制,從而提高患者的日常生活能力[1]。

目前主流上肢康復(fù)機(jī)器人主要有美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的MIT-MANUS上肢康復(fù)機(jī)器人、意大利帕多瓦大學(xué)研制的Sophia系列上肢康復(fù)機(jī)器人、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研制的 ARMin系列上肢康復(fù)機(jī)器人等[2-5]。這些上肢康復(fù)機(jī)器人只進(jìn)行上肢關(guān)節(jié)粗大運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,體積比較大,而且昂貴,僅限在醫(yī)院內(nèi)使用,無(wú)法滿足復(fù)雜的康復(fù)訓(xùn)練要求。

筆者研發(fā)的上肢康復(fù)機(jī)器人,提供上肢關(guān)節(jié)粗大運(yùn)動(dòng)與手部精細(xì)運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的訓(xùn)練方案。平臺(tái)與計(jì)算機(jī)之間使用藍(lán)牙無(wú)線信號(hào)傳輸,采用分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),便于不同場(chǎng)景使用和攜帶,是目前市場(chǎng)上最為精致小巧的上肢康復(fù)機(jī)器人。

患者可以在診所或家中進(jìn)行遠(yuǎn)程康復(fù)治療,解決多次往返醫(yī)院的不便,創(chuàng)建了上肢功能障礙整體解決方案進(jìn)入社區(qū)、家庭的新模式。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

上肢康復(fù)機(jī)器人分為兩部分——軟件平臺(tái)和移動(dòng)平臺(tái),兩者之間進(jìn)行藍(lán)牙無(wú)線通信。

軟件平臺(tái)部署在互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上,采用瀏覽器/服務(wù)器模式,對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較低,不用安裝任何專業(yè)軟件,只要有一個(gè)瀏覽器就可以實(shí)現(xiàn),維護(hù)方便。

軟件平臺(tái)設(shè)有治療師和患者兩大端口,通過(guò)瀏覽器頁(yè)面訪問(wèn)。治療師端可以制訂方案與管理,患者端有可視化訓(xùn)練過(guò)程和結(jié)果。

上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

上肢康復(fù)機(jī)器人在桌面上跟隨患者前臂移動(dòng),底座中心安裝攝像頭,使用二維碼圖像識(shí)別技術(shù)可精確識(shí)別當(dāng)前的運(yùn)行軌跡與趨勢(shì),同時(shí)測(cè)量所有手臂的動(dòng)作參數(shù),通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信反饋給軟件平臺(tái)。

3 移動(dòng)平臺(tái)

上肢康復(fù)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)采用三輪全向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)形式,徑向?qū)ΨQ安裝,各輪互成120°。上肢康復(fù)機(jī)器人通過(guò)靜態(tài)矯形器固定在手臂上,夾桿上的緊固機(jī)構(gòu)根據(jù)不同手臂長(zhǎng)度可以調(diào)整位置,在左右臂矯形器之間可以進(jìn)行更換。

上肢康復(fù)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)如圖2所示。

▲圖2 上肢康復(fù)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)

4 運(yùn)動(dòng)模型

建立如圖3所示的世界坐標(biāo)系XOY和機(jī)器人坐標(biāo)系X′O′Y′,θ為機(jī)器人坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的夾角。

▲圖3 坐標(biāo)系

設(shè)在世界坐標(biāo)系下上肢康復(fù)機(jī)器人的線速度為Vx、Vy,角速度為ω,機(jī)器人坐標(biāo)系下上肢康復(fù)機(jī)器人的線速度為V′x、V′y,角速度為ω′,將世界坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)映射為沿機(jī)器人坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng),可得:

(1)

采用正交旋轉(zhuǎn)矩陣表示,可推出坐標(biāo)系關(guān)系矩陣方程式為:

(2)

驅(qū)動(dòng)輪間的夾角為120°,設(shè)三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度為V1、V2、V3,R為上肢康復(fù)機(jī)器人中心到輪中心的水平距離,如圖4所示,建立正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為[6-7]:

▲圖4 參數(shù)示意圖

(3)

由式(3)可以推出上肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)矩陣方程式為:

(4)

由式(2)、式(4)可得上肢康復(fù)機(jī)器人在世界坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)方程。

5 硬件設(shè)計(jì)

上肢康復(fù)機(jī)器人硬件系統(tǒng)如圖5所示。底座力傳感器為左右布局的兩個(gè)單自由度傳感器,集成在結(jié)構(gòu)框架和正交夾緊桿之間,既可以測(cè)量豎直方向上的用戶交互力,又可以應(yīng)用算法來(lái)判斷患者左右運(yùn)動(dòng)的意圖。電位計(jì)用于測(cè)量手腕旋轉(zhuǎn)角度。

自制電路板1為四層電路板,藍(lán)牙無(wú)線通信模塊和ARM處理器集成在該電路板上。其中,ARM處理器是基于ARM Cortex-A9的高速處理器,用于上肢康復(fù)機(jī)器人核心算法控制及其它電路模塊的交互。

自制電路板2為基于STM32芯片最小系統(tǒng)的兩層電路板,用于采集手臂動(dòng)作參數(shù),實(shí)時(shí)讀取安裝在各手指位置的薄膜壓力傳感器的值和用于測(cè)量手腕旋轉(zhuǎn)角度的電位計(jì)電壓值。

患者可以選擇上肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式,包括被動(dòng)、主動(dòng)、輔助等。

(1) 被動(dòng)模式。電機(jī)處于自由拖拽狀態(tài),上肢康復(fù)機(jī)器人底座中心安裝的攝像頭可實(shí)時(shí)拍攝康復(fù)訓(xùn)練桌上的位置二維碼圖片,發(fā)送給ARM處理器。ARM處理器采用圖像算法,計(jì)算出當(dāng)前位姿信息,并通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信將當(dāng)前上肢康復(fù)機(jī)器人的位姿信息、手臂動(dòng)作參數(shù)等數(shù)據(jù)打包上傳給計(jì)算機(jī)人機(jī)系統(tǒng),并映射到訓(xùn)練與評(píng)估系統(tǒng)的小游戲中。

▲圖5 上肢康復(fù)機(jī)器人硬件系統(tǒng)

(2) 主動(dòng)模式。上肢康復(fù)機(jī)器人獲取位姿信息和手臂動(dòng)作參數(shù)的機(jī)制與被動(dòng)模式相同。患者選擇主動(dòng)模式后,上肢康復(fù)機(jī)器人通過(guò)評(píng)估游戲精確計(jì)算出患者的上肢可活動(dòng)空間、力反饋等數(shù)據(jù),經(jīng)處理配置給訓(xùn)練游戲系統(tǒng)。患者進(jìn)入某一特定游戲后,藍(lán)牙無(wú)線通信將上肢康復(fù)機(jī)器人所需運(yùn)動(dòng)的方向、速度等信息下發(fā)給ARM處理器核心處理芯片。ARM處理器核心處理芯片對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆向分解,解析出三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的速度、加速度、時(shí)間等,并通過(guò)控制器局域網(wǎng)通信總線發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)比例積分微分方式控制電機(jī),并通過(guò)電機(jī)編碼器將電機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)反饋給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

(3) 輔助模式。在主動(dòng)模式下通過(guò)底座力傳感器判斷患者左右運(yùn)動(dòng)意圖,由算法控制上肢康復(fù)機(jī)器人左右偏移。

6 軟件平臺(tái)

6.1 架構(gòu)

上肢康復(fù)機(jī)器人軟件平臺(tái)采用JAVA編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā),使用服務(wù)器部署互聯(lián)網(wǎng),在瀏覽器中輸入服務(wù)器網(wǎng)際協(xié)議地址可進(jìn)入軟件界面。

軟件平臺(tái)架構(gòu)如圖6所示,分為三部分——用戶系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、游戲系統(tǒng)。用戶系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)、游戲系統(tǒng)之間分別采用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言和JAVA語(yǔ)言網(wǎng)絡(luò)加載協(xié)議進(jìn)行通信,游戲系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)之間通過(guò)可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

6.2 用戶系統(tǒng)

用戶系統(tǒng)有治療師和患者兩大端口。

▲圖6 軟件平臺(tái)架構(gòu)

(1) 治療師端。治療師端有上肢康復(fù)機(jī)器人軟件平臺(tái)的最高權(quán)限,界面如圖7所示。病人管理模塊支持患者數(shù)據(jù)庫(kù)管理,用于添加或修改患者身份信息、患肢信息、病歷卡號(hào)等。治療模塊在患者經(jīng)過(guò)評(píng)估游戲后能夠得出患者現(xiàn)階段的各項(xiàng)指標(biāo),治療師為患者分配訓(xùn)練游戲的等級(jí)、時(shí)長(zhǎng)、周期。日歷模塊用于記錄患者所有應(yīng)用上肢康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練記錄。結(jié)果模塊可一鍵生成訓(xùn)練評(píng)估報(bào)告,提供患者評(píng)估游戲數(shù)據(jù)、訓(xùn)練游戲、患者信息等文檔,供治療師查閱。

▲圖7 治療師端界面

(2) 患者端。患者使用治療師分配的用戶名和密碼登錄系統(tǒng)后,出現(xiàn)治療師訓(xùn)練方案中設(shè)置的評(píng)估和訓(xùn)練游戲,以及相應(yīng)的難度、周期。患者端界面如圖8所示。

▲圖8 患者端界面

6.3 評(píng)估和訓(xùn)練游戲

(1) 評(píng)估游戲。筆者根據(jù)國(guó)際功能分類[8-10]設(shè)計(jì)了八個(gè)評(píng)估游戲,分別為力校準(zhǔn)、被動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)范圍、用力范圍、運(yùn)動(dòng)控制、力量控制、手掌與手腕評(píng)估、日常生活活動(dòng)能力評(píng)估,如圖9所示。

▲圖9 評(píng)估游戲

每個(gè)評(píng)估游戲是一項(xiàng)1～2 min的短任務(wù),目的是為治療師提供手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)的客觀評(píng)估,并相應(yīng)調(diào)整訓(xùn)練游戲參數(shù)。

(2) 訓(xùn)練游戲。訓(xùn)練游戲包括探索發(fā)現(xiàn)、指定動(dòng)作、購(gòu)物車、拖放圖形、記憶配對(duì)、拼圖、拼寫、紙牌,如圖10所示。

▲圖10 訓(xùn)練游戲

這些訓(xùn)練游戲與日常生活相關(guān),可在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中有效提高患者康復(fù)的信心,加快康復(fù)進(jìn)度,促使患者更快恢復(fù)上肢功能。

7 試驗(yàn)

7.1 多用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)試驗(yàn)

部署服務(wù)器后,設(shè)置互聯(lián)網(wǎng)域名,可以實(shí)現(xiàn)多用戶訪問(wèn)。多用戶登錄效果如圖11所示。

治療師使用瀏覽器遠(yuǎn)程登錄軟件平臺(tái),可以對(duì)患者進(jìn)行多用戶管理。患者多用戶可以使用瀏覽器登錄軟件平臺(tái),進(jìn)行康復(fù)治療。

▲圖11 多用戶登錄效果

7.2 游戲功能驗(yàn)證

通過(guò)試驗(yàn),上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練游戲的位置、速度、范圍會(huì)被評(píng)估系統(tǒng)測(cè)量出,得到參數(shù)限制。

運(yùn)動(dòng)范圍試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示,用于評(píng)估患者手臂應(yīng)用上肢康復(fù)機(jī)器人后的最大活動(dòng)范圍。左上點(diǎn)位置是上肢康復(fù)機(jī)器人初始位置,評(píng)估系統(tǒng)記錄上肢康復(fù)機(jī)器人在二維碼坐標(biāo)康復(fù)桌面180°活動(dòng)中的軌跡。試驗(yàn)軌跡分為八次往復(fù)運(yùn)動(dòng),經(jīng)測(cè)量,系統(tǒng)記錄的軌跡與實(shí)際相符,符合康復(fù)設(shè)計(jì)要求。

▲圖12 運(yùn)動(dòng)范圍試驗(yàn)結(jié)果

力量控制評(píng)估試驗(yàn)用于治療師采集患者手臂的平衡力,評(píng)估患者1 min內(nèi)保持手臂在一定角度范圍內(nèi)的能力。

上肢康復(fù)機(jī)器人底座力傳感器記錄實(shí)時(shí)受力情況,如圖13所示,軟件平臺(tái)由此計(jì)算出閾值范圍內(nèi)的力平衡時(shí)間。

用力范圍試驗(yàn)用于評(píng)估患者五個(gè)手指的握力情況。采用兩個(gè)手指薄膜壓力傳感器,大拇指壓力使用一個(gè)薄膜壓力傳感器,其余四個(gè)手指壓力合用一個(gè)薄膜壓力傳感器。系統(tǒng)通過(guò)手掌展開(kāi)或握緊判斷兩個(gè)手指薄膜壓力傳感器受力的合值,小于20%為手掌處于松開(kāi)狀態(tài),20%～60%為初步握緊狀態(tài),60%～80%為握緊狀態(tài),大于80%為完全握緊狀態(tài)。

▲圖13 實(shí)時(shí)受力情況

8 結(jié)束語(yǔ)

筆者研發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的上肢康復(fù)機(jī)器人,體積小巧、成本低廉,為患者提供量化的多運(yùn)動(dòng)模式、多場(chǎng)景應(yīng)用、多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練功能,可以實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)信息反饋,覆蓋上肢康復(fù)全周期訓(xùn)練,同時(shí)創(chuàng)立了上肢功能障礙整體解決方案中機(jī)器人療法進(jìn)入社區(qū)、家庭的新模式。