機(jī)器人輔助訓(xùn)練在腕部本體感覺領(lǐng)域的應(yīng)用

羅勝利， 喻洪流， 倪偉

1.上海理工大學(xué)康復(fù)工程與技術(shù)研究所(上海，200093)

2.上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心(上海，200093)

3.民政部神經(jīng)功能信息與康復(fù)工程重點實驗室(上海，200093)

0 引言

腦卒中是世界上三大死亡原因之一，致殘率高達(dá)80%，腦卒中后6個月，約30%～60%的患者存在不同程度的上肢功能性障礙［1-2］。本體感覺是軀體功能的重要組成部分，研究表明本體感覺障礙可加重患者的上肢運動功能障礙［3-4］，本體感覺訓(xùn)練有助于患者上肢運動功能的改善，幫助患者恢復(fù)運動功能［5-6］。

本體感覺是骨骼肌、肌腱、關(guān)節(jié)等運動器官以及皮膚本身在運動或靜止時產(chǎn)生的感覺［7-8］,包括位置感(position sense)、運動覺(motion sense)和振動覺(vibration sense)［9］。本體感覺障礙患者無法對調(diào)整姿勢做出正確反應(yīng)，從而影響患者的正常生活。目前，本體感覺訓(xùn)練技術(shù)主要應(yīng)用在中樞神經(jīng)損傷、關(guān)節(jié)置換以及傷殘等導(dǎo)致的肢體運動功能障礙患者的康復(fù)治療［10］。

Lorenzo Masia團(tuán)隊利用機(jī)器人輔助技術(shù)量化了本體感覺的評估指標(biāo)，系統(tǒng)地繪制了腕手復(fù)合體三個自由度的腕本體感覺靈敏度，并表征了腕的位置感，他們的實驗結(jié)果表明，腕關(guān)節(jié)的位置敏銳度呈各向異性，且關(guān)節(jié)位移越小，本體感覺的敏銳度越低［11-12］。也有研究表明短時間的挑戰(zhàn)本體感覺的運動訓(xùn)練可以有效增強(qiáng)本體感覺的敏銳度［13］，遺憾的是并沒有量化敏銳度提升效果。

下面介紹一款用于腕關(guān)節(jié)訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器人，并利用該機(jī)器人研究了訓(xùn)練對不同工作區(qū)域內(nèi)腕部本體感覺提升效果的影響。

1 實驗裝置

本研究使用的實驗裝置是專門用于研究人體感覺運動康復(fù)的二自由度機(jī)器人裝置。機(jī)器人的活動范圍接近人類手腕的活動范圍(70°/70°屈曲/伸展(或30°/30°尺偏/橈偏)和90°/90°旋前/旋后)，人體手腕的屈曲/伸展和尺偏/橈偏自由度公用機(jī)器人的一個旋轉(zhuǎn)軸。該腕部訓(xùn)練裝置設(shè)置了兩個無刷電機(jī)驅(qū)動，并配有高分辨率的增量型光電編碼器可以在運動過程中讀取關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

該腕部康復(fù)機(jī)器人采用了繩驅(qū)設(shè)計方案。電機(jī)集中安放在靠近設(shè)備固定位置，通過鋼絲繩將電機(jī)輸出動力傳遞至執(zhí)行器，鋼絲繩的走向通過導(dǎo)向輪完成。與電機(jī)直驅(qū)的驅(qū)動方式相比，這種驅(qū)動方式實現(xiàn)了電機(jī)集中放置，同時繩索傳遞動力的做法簡化了設(shè)備遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，減輕了設(shè)備的重量，減小了設(shè)備的體積。

如圖1所示，兩個驅(qū)動電機(jī)分別通過兩組鋼絲繩控制設(shè)備的兩個關(guān)節(jié)，通過調(diào)整兩個關(guān)節(jié)工作狀態(tài)實現(xiàn)幫助患者完成腕部三個自由度的訓(xùn)練需求。1號電機(jī)控制遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)運動，可以幫助患者完成腕部內(nèi)旋/外旋動作訓(xùn)練，2號電機(jī)控制近端關(guān)節(jié)可以幫助患者完成掌屈/背伸或尺偏/橈偏動作訓(xùn)練。當(dāng)1號電機(jī)帶動遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)至與初始狀態(tài)呈90°夾角時，啟動2號電機(jī)可以實現(xiàn)腕部掌屈/背伸動作訓(xùn)練，當(dāng)遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)保持初始狀態(tài)不變時，啟動2號電機(jī)可以實現(xiàn)腕部尺偏/橈偏動作訓(xùn)練。這一設(shè)計方式在滿足訓(xùn)練需求的同時提高了電機(jī)的有效使用率。

圖1 腕部康復(fù)機(jī)器人Fig.1 Wrist rehabilitation robot

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要涉及下位機(jī)控制，其主要作用是給電機(jī)驅(qū)動器下發(fā)指令、采集并記錄運動信息以及識別并判斷腕部的運動意圖，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。主控板是下位機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)的核心，包括STM32F407的主控芯片及最小系統(tǒng)、與電機(jī)驅(qū)動器之間的通信電路、采集運動信息的編碼器采集電路和儲存運動信息的EEPROM存儲電路、將數(shù)據(jù)反饋至上位機(jī)的串口通信電路等。

圖2 下位機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)架Fig.2 Lower computer control system architecture

驅(qū)動控制系統(tǒng)采用7段S曲線法，確保加速度曲線平滑連續(xù)，減小運動沖擊，提高運動的平穩(wěn)性。對1 000線增量式光電編碼器采用4倍頻采集算法以提高其分辨率，在同等采樣頻率的情況下，編碼器的精度提高了4倍。

同側(cè)關(guān)節(jié)位置匹配測試［14］功能是該腕部康復(fù)機(jī)器人的主要控制控制目標(biāo)。具體包括受試者對目標(biāo)位置的主動匹配和機(jī)器人帶動受試者手腕被動轉(zhuǎn)移。受試者需要主動匹配先前體驗過的位置，在這個過程中該腕部康復(fù)機(jī)器人會記錄下人體手腕實際運動位置和目標(biāo)位置之間的偏差。

2 實驗

2.1 受試者

參與研究的12名受試者（年齡25±2歲，其中5名女性，7名男性）均為右利手，沒有神經(jīng)肌肉病史，從未接觸過該項試驗任務(wù)。實驗開始前對所有受試者進(jìn)行愛丁堡利手測驗，測驗結(jié)果表示受試者均為100%右利手。

2.2 實驗方案

采用同側(cè)關(guān)節(jié)位置匹配測試對本體感覺敏銳度進(jìn)行評估，實驗中，受試者被不透光眼罩遮住雙眼避免視覺信息干擾，受試者的手腕被機(jī)械裝置移動到一個固定角度，保持3 s后將手腕移動回初始位置。隨后，受試者需要主動與腕關(guān)節(jié)上的本體感受目標(biāo)進(jìn)行匹配。對本體感受目標(biāo)進(jìn)行10次匹配測試（機(jī)器人檢測到手腕停止運動時間超過3 s后將手腕帶回初始位置，視為完成一次匹配實驗），取10次平均作為測試結(jié)果。休息2 min后，對相同的本體感受目標(biāo)位置進(jìn)行5 min的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過程中受試者主動操控機(jī)器人匹配目標(biāo)位置，在目標(biāo)位置附近停留3 s后高音提示超過目標(biāo)位置，低音提示未達(dá)到目標(biāo)位置，這個過程中機(jī)器不提供任何運動意圖干預(yù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

訓(xùn)練前和訓(xùn)練后的手腕角度運動信息通過腕部訓(xùn)練裝置采集，為更好地估計手腕位置感訓(xùn)練前后本體感覺敏銳度的提高情況，比較了實際手腕運動位置和期望手腕運動位置的差別。匹配誤差（ME）的計算可以量化手腕實際運動位置偏離目標(biāo)位置的大小，其計算方法是在對同一個本體感受目標(biāo)重復(fù)匹配n（n=10）次實驗誤差的平均值。

式中：θi為手腕實際的運動位置，θt是手腕被期望彎曲的位置，n為匹配實驗次數(shù)。

匹配誤差降低比（MErr）反映了本體感覺敏銳度提升情況。MErr越大，訓(xùn)練后腕部本體感覺敏銳度提升越明顯。

式中MEa為訓(xùn)練后匹配誤差，MEb為訓(xùn)練前匹配誤差。

表1中描述了12位受試者對目標(biāo)位置匹配誤差測試的平均值，其結(jié)果顯示訓(xùn)練后12名受試者尺偏在習(xí)慣區(qū)的平均匹配誤差降低程度最高(平均匹配誤差降低1.77°)，接下來是腕部在極限區(qū)的表現(xiàn)(尺偏：1.58°，橈偏：1.01°)，而橈偏在習(xí)慣區(qū)的平均匹配誤差降低，與訓(xùn)練前相比僅降低了0.66°。從匹配誤差降低比來看，腕部尺偏的本體感覺敏銳度提升最明顯，且極限區(qū)(MErr=44.43%)要好于習(xí)慣區(qū)(MErr=38.29%)，橈偏的結(jié)果剛好相反，極限區(qū)(MErr=27.02%)要略差于習(xí)慣區(qū)(MErr=27.26%)。

表1 受試者的平均匹配誤差Tab. 1 Average matching error of subjects

3.2 結(jié)果分析

12位受試者通過訓(xùn)練，腕部本體感覺的敏銳度均有所提升，這說明訓(xùn)練對提高本體感覺敏銳度是有積極影響的，同時，腕部康復(fù)機(jī)器人完整記錄了試驗過程中受試者的運動信息，量化了評估指標(biāo)，也為進(jìn)一步綜合性探索訓(xùn)練對本體感覺敏銳度的影響提供了原始數(shù)據(jù)積累。

從12位受試者的實驗結(jié)果中可以看出，腕部尺偏本體感覺敏銳度提升效果更加明顯，這說明較大工作空間的關(guān)節(jié)運動方向在提升本體感覺敏銳度上具有顯著優(yōu)勢。這也許與本體感覺敏銳度隨關(guān)節(jié)運動范圍的增大而提升［19］有關(guān)。然而，讓人意外的是在腕部橈偏的測試結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)，訓(xùn)練后習(xí)慣區(qū)的匹配誤差降低比竟然與極限區(qū)幾乎相等，甚至略占優(yōu)勢。有研究表明，訓(xùn)練可以重建或加強(qiáng)腦部運動神經(jīng)傳導(dǎo)通路以提高本體感覺敏銳度［20］。這也許意味著訓(xùn)練頻次越高的位置本體感覺敏銳度越高，而受試者腕部在習(xí)慣區(qū)的使用頻次要遠(yuǎn)高于極限區(qū)。此外，還可能是因為橈偏在習(xí)慣區(qū)的活動角度范圍太小以及人體腕部旋轉(zhuǎn)中心與機(jī)器人關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心不是完全重合，以至于腕部訓(xùn)練機(jī)器人不能準(zhǔn)確地采集到腕部橈偏的實際運動信息。

4 結(jié)論

12名健康受試者的實驗結(jié)果表明，避免視覺干擾的訓(xùn)練對提高本體感覺敏銳度是有效的，且腕部本體感覺的敏銳度的提升隨工作空間的增大而升高。同時表明，該款腕部康復(fù)機(jī)器人能夠清晰準(zhǔn)確地提供關(guān)節(jié)運動信息，可以量化運動評估指標(biāo)，為腕部本體感覺敏銳度的綜合型研究提供了非常合適的實驗平臺。不足之處是該康復(fù)機(jī)器人在采集小范圍運動信息的過程中可能存在處理精度不夠、人-機(jī)關(guān)節(jié)對心度不高等問題，在接下來的研究中我們也會重點考慮提高設(shè)備的分辨率，也會尋找更為精確的人-機(jī)關(guān)節(jié)對心方式。