控制雙機器人系統(tǒng)，向中風患者提供上肢治療

　　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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(shè)置的剛度和阻尼參數(shù)來調(diào)節(jié)預期的關(guān)節(jié)位置。

　　使用較高的援助程度（高度性剛性設(shè)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(shè)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(guān)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(guān)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(guān)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(shè)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（NEATE027），這項工作得到了英國國家健康服務的支持。