WAM機(jī)器人輔助上肢康復(fù)訓(xùn)練技術(shù)應(yīng)用研究

白敬 張進(jìn)敏 孫慧玉 王保升

1 南京工程學(xué)院 智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,南京,211167 2 南京工程學(xué)院 江蘇省智能制造裝備工程實(shí)驗(yàn)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(xué)院 汽車與軌道交通學(xué)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(jìn)行康復(fù)治療．傳統(tǒng)的上肢康復(fù)訓(xùn)練方式主要通過康復(fù)醫(yī)師幫助或者由簡單的器械牽引患肢輔助康復(fù)訓(xùn)練,但很難確?？祻?fù)運(yùn)動訓(xùn)練的時間長度、訓(xùn)練強(qiáng)度和規(guī)范性,不易達(dá)到滿意的治療效果[2]．由于康復(fù)科室少和康復(fù)裝備供應(yīng)不足,大部分患者不能及時、正確地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,使得不少上肢偏癱患者難以康復(fù)．隨著人們健康意識的不斷增強(qiáng),康復(fù)醫(yī)療需求不斷增加．機(jī)器人輔助康復(fù)治療的持續(xù)性和重復(fù)性好,可提供科學(xué)有效的康復(fù)訓(xùn)練方法,改善康復(fù)訓(xùn)練效果[3]．

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

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

本研究運(yùn)用WAM機(jī)器人對上肢偏癱病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,對其康復(fù)過程進(jìn)行跟蹤,分析運(yùn)動參數(shù),評價(jià)康復(fù)效果,同時運(yùn)用醫(yī)學(xué)評估Brunnstrom等級分期法進(jìn)行康復(fù)評估,分別從機(jī)器人運(yùn)動參數(shù)和傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)評估方法兩方面分析,驗(yàn)證WAM機(jī)器人進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練的有效性．

1 方法

1.1 康復(fù)訓(xùn)練方式

在中風(fēng)患者康復(fù)的過程中,康復(fù)訓(xùn)練的方法尤為重要,設(shè)計(jì)合理的康復(fù)訓(xùn)練方式,有助于中風(fēng)患者的早日康復(fù)．根據(jù)上肢日?；顒臃秶?考慮患者中風(fēng)后肢體的運(yùn)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(shè)計(jì)上肢末端的“十”字與“米”字運(yùn)動,即患者手部抓握機(jī)械臂末端手柄,機(jī)械臂牽引上肢在空間范圍內(nèi)寫“十”字與“米”字,以達(dá)到訓(xùn)練上肢的目的．

為使康復(fù)訓(xùn)練變得生動有趣,設(shè)計(jì)相關(guān)虛擬場景以提高患者參與康復(fù)訓(xùn)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(shè)計(jì)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(jī)掉落,籃子接到物體得分．受試者在進(jìn)行醫(yī)院常規(guī)訓(xùn)練的同時,進(jìn)行為期1個月的機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練,每周5次,每次30 min,每周記錄1次康復(fù)訓(xùn)練結(jié)果,以驗(yàn)證康復(fù)訓(xùn)練的有效性．康復(fù)訓(xùn)練前后,康復(fù)評估師分別對每個受試者進(jìn)行康復(fù)評估,比較機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練和傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練的效果．

1.2 機(jī)器人控制方法

在康復(fù)訓(xùn)練過程中,上肢康復(fù)機(jī)器人與患肢直接接觸進(jìn)行交互,患者的安全非常重要,這就需要實(shí)時監(jiān)測機(jī)器人末端與患肢之間的相互作用力,并保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性．在控制方法中,阻抗控制具有一定的優(yōu)勢,能較好地通過調(diào)節(jié)機(jī)器人的位置偏差與末端力的動態(tài)關(guān)系來控制機(jī)器人的位置和力．本文所采用的WAM康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的目標(biāo)阻抗控制模型如下：

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

(1)

在實(shí)際的康復(fù)訓(xùn)練中,為機(jī)器人阻抗控制模型選擇合適的參數(shù)是非常重要的．通常情況下參數(shù)可以通過自適應(yīng)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)方法或從示教數(shù)據(jù)中獲得．本文采用自適應(yīng)模糊反演的方法對阻抗控制模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化．圖1為基于自適應(yīng)模糊反演的阻抗控制系統(tǒng)框圖,具體控制方法的設(shè)計(jì)見參考文獻(xiàn)[15]．

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

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

WAM機(jī)器人牽引上肢偏癱病人患肢進(jìn)行“十”字和“米”字運(yùn)動,機(jī)器人各關(guān)節(jié)安裝位置傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器,記錄每位受試者康復(fù)訓(xùn)練時機(jī)器人的位置和轉(zhuǎn)矩信息并分析,以反映受試者康復(fù)訓(xùn)練情況．分析康復(fù)訓(xùn)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(zhuǎn)矩及其變化率,來評價(jià)患肢的運(yùn)動功能．在康復(fù)訓(xùn)練1個月后,康復(fù)評估醫(yī)師運(yùn)用Brunnstrom等級分期法分別對受試者的患肢運(yùn)動功能進(jìn)行評估,記錄患肢運(yùn)動功能等級,對比康復(fù)訓(xùn)練前后受試者的康復(fù)情況．

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)由四自由度WAM機(jī)械臂、三維力傳感器、手柄、主機(jī)構(gòu)建而成．機(jī)械臂是由美國barrett公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)4-DOF WAM機(jī)械臂,可反向驅(qū)動,采用鋼絲繩直接驅(qū)動各個關(guān)節(jié),機(jī)械臂通過CAN總線與外部PC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸．三維力傳感器采用整體輪輻式十字梁結(jié)構(gòu),底端底蓋通過法蘭盤與機(jī)械臂相配合連接．手柄通過3D打印的方式獲取實(shí)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(jī)械臂的末端,以方便受試者抓握．運(yùn)用Kinect相機(jī)采集受試者上肢位置信息,搭建虛擬環(huán)境,提高康復(fù)訓(xùn)練的趣味性,增加受試者康復(fù)訓(xùn)練的積極性．

2.2 受試者

臨床康復(fù)訓(xùn)練試驗(yàn)在南京同仁醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科進(jìn)行,選取住院治療的偏癱患者為受試者,進(jìn)行1個月的跟蹤訓(xùn)練與評估．病例篩選標(biāo)準(zhǔn)如下:

1)納入標(biāo)準(zhǔn):符合1995年全國第4屆腦血管病學(xué)術(shù)會議通過的《各類腦血管病診斷要點(diǎn)及腦卒中患者臨床神經(jīng)功能缺損程度評分標(biāo)準(zhǔn)》,并經(jīng)臨床確診的初發(fā)腦卒中患者,均存在肢體運(yùn)動功能障礙,無嚴(yán)重的認(rèn)知障礙和精神疾病,生命體征穩(wěn)定．

2)排除標(biāo)準(zhǔn):發(fā)病前有精神疾病,卒中前已有癡呆表現(xiàn),嚴(yán)重的認(rèn)知障礙及失語,或伴有心、肺、肝、腎等重要器官嚴(yán)重疾病,有影響功能恢復(fù)的神經(jīng)肌肉骨骼病變,臨床不能配合治療者．

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn),最終篩選出6例病例接受實(shí)驗(yàn),其中男患者4例、女患者2例,詳細(xì)情況如表1所示．同時篩選4例患者進(jìn)行對比試驗(yàn),即這4例患者只進(jìn)行傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練．所有篩選病例均自愿參與并配合試驗(yàn)．

表1 受試者基本信息

在試驗(yàn)展開前,醫(yī)護(hù)人員對試驗(yàn)的內(nèi)容及安全性進(jìn)行了測試,確?；颊叩陌踩狙芯刻峁┑目祻?fù)訓(xùn)練不會對患者產(chǎn)生副作用,符合南京同仁醫(yī)院倫理委員會及相關(guān)機(jī)構(gòu)的要求．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 機(jī)器人訓(xùn)練結(jié)果與分析

康復(fù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)場景如圖2所示,受試者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練．取一例受試者的康復(fù)訓(xùn)練信息進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3、圖4所示．圖3為“十”字康復(fù)訓(xùn)練結(jié)果,其中圖3a為關(guān)節(jié)誤差2,圖3b為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩2,圖3c為關(guān)節(jié)誤差3,圖3d為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩3．圖中藍(lán)色實(shí)線為第1次康復(fù)訓(xùn)練結(jié)果,紅色實(shí)線為1個月之后的康復(fù)訓(xùn)練結(jié)果．從圖3a和3c中可以看出,經(jīng)過1個月的康復(fù)訓(xùn)練,受試者康復(fù)訓(xùn)練時的關(guān)節(jié)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(fù)訓(xùn)練1個月后機(jī)器人檢測的轉(zhuǎn)矩大小呈減弱狀態(tài),轉(zhuǎn)矩變化率降低．

圖2 實(shí)驗(yàn)場景Fig.2 Experimental scene

圖3 “十”字康復(fù)訓(xùn)練結(jié)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(jìn)一步說明機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練后的效果,對該患者訓(xùn)練的軌跡跟蹤誤差和轉(zhuǎn)矩信息進(jìn)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(zhuǎn)矩和最大絕對轉(zhuǎn)矩變化率,“十”字康復(fù)訓(xùn)練結(jié)果如表2所示.由表2可知,機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練后,受試者康復(fù)訓(xùn)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(fù)訓(xùn)練過程的干擾減少,最大絕對轉(zhuǎn)矩降低,最大絕對轉(zhuǎn)矩變化率減少,患肢的康復(fù)訓(xùn)練前由于肢體不受控制,存在頻繁顫動,康復(fù)訓(xùn)練后,顫動減少,肢體功能增強(qiáng),康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動過程更加穩(wěn)定．

表2 “十”字康復(fù)訓(xùn)練

圖4為“米”字康復(fù)訓(xùn)練結(jié)果,其中圖4a為關(guān)節(jié)誤差2,圖4b為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩2,圖4c為關(guān)節(jié)誤差3,圖4d為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩3．圖中藍(lán)色實(shí)線為第1次康復(fù)訓(xùn)練結(jié)果,紅色實(shí)線為1個月之后的康復(fù)訓(xùn)練結(jié)果．從圖4中可以看出,在康復(fù)訓(xùn)練開始時,機(jī)器人牽引患者手臂康復(fù)訓(xùn)練時的誤差,即圖4a和4c中藍(lán)色實(shí)線,均有比較尖銳的峰值,變化趨勢陡峭、鋸齒狀明顯,康復(fù)訓(xùn)練后誤差峰值降低,波動有所變緩;轉(zhuǎn)矩在康復(fù)訓(xùn)練前后變化比較明顯,圖4b和4d中的紅色實(shí)線直觀顯示轉(zhuǎn)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(fù)訓(xùn)練結(jié)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(fù)訓(xùn)練后的結(jié)果分析.由表3可知,康復(fù)訓(xùn)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(jī)器人的康復(fù)軌跡．同時最大絕對轉(zhuǎn)矩降低,最大絕對轉(zhuǎn)矩變化率減少,患肢的康復(fù)訓(xùn)練變得更加柔順,隨意運(yùn)動減少．

表3 “米”字康復(fù)訓(xùn)練

3.2 康復(fù)醫(yī)師評估結(jié)果與分析

受試者在接受康復(fù)訓(xùn)練之前,康復(fù)醫(yī)師對每位受試者進(jìn)行康復(fù)評估,評定每位受試者的Brunnstrom分期等級,評估結(jié)果如圖5中藍(lán)色條形所示,接受1個月的康復(fù)訓(xùn)練后,每位受試者的康復(fù)程度評估結(jié)果如圖5中橙色條形所示．圖5a表明參與機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)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(zhuǎn),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(tǒng)康復(fù)訓(xùn)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(jī)器人的康復(fù)訓(xùn)練效果優(yōu)于傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練．

圖5 康復(fù)評估醫(yī)生評估結(jié)果Fig.5 Rehabilitation performance appraised by doctors,(a) robot-assissted rehabilitation training,and (b) conventional rehabilitation training

4 結(jié)束語

本研究運(yùn)用WAM機(jī)器人平臺對上肢偏癱患者進(jìn)行為期1個月的康復(fù)訓(xùn)練,分析康復(fù)訓(xùn)練前后WAM機(jī)器人牽引患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時的關(guān)節(jié)誤差與轉(zhuǎn)矩,并對康復(fù)訓(xùn)練前后患者的Brunnstrom分期等級進(jìn)行評定,結(jié)果表明接受WAM機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練患者的康復(fù)進(jìn)度優(yōu)于傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練,WAM機(jī)器人可為中風(fēng)患者提供合理的康復(fù)訓(xùn)練方式．