基于自適應(yīng)按需輔助的上肢鏡像控制策略

李會(huì)軍 胡珊珊 宋愛(ài)國(guó)

(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 南京 210096)

1 引言

偏癱是一種中樞神經(jīng)損傷疾病，多發(fā)生于腦卒中患者，常見(jiàn)癥狀為肢體一側(cè)運(yùn)動(dòng)功能障礙和肢體疼痛等[1]。傳統(tǒng)治療偏癱的方法為治療師與患者一對(duì)一進(jìn)行輔助康復(fù)訓(xùn)練，由于患者與治療師數(shù)量的不平衡以及治療費(fèi)用過(guò)于昂貴，該方法具有一定局限性?？祻?fù)機(jī)器人的出現(xiàn)解決了上述局限性，康復(fù)機(jī)器人可以在無(wú)治療師的情況下輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，同時(shí)可以通過(guò)采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)合理評(píng)估患者的康復(fù)狀態(tài)，以便更好地優(yōu)化治療方案，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

基于康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)有多種康復(fù)療法，主要有被動(dòng)療法、主動(dòng)療法、鏡像療法等。其中鏡像療法(Mirror Therapy, MT)是一種基于鏡像對(duì)稱(chēng)原理的康復(fù)療法，通常為偏癱患者左右兩側(cè)肢體做相互對(duì)稱(chēng)的訓(xùn)練動(dòng)作，通過(guò)鏡像視錯(cuò)覺(jué)反饋刺激大腦相應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生痛覺(jué)和運(yùn)動(dòng)感，以促進(jìn)偏癱患者運(yùn)動(dòng)功能的重建和恢復(fù)[2,3]。鏡像療法在偏癱患者的臨床康復(fù)上應(yīng)用廣泛[4-6]。Wang等人[7]提出一種基于慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)測(cè)量系統(tǒng)的外骨骼上肢機(jī)器人鏡像治療方法，使用IMU檢測(cè)健肢運(yùn)動(dòng)軌跡，患側(cè)同步健側(cè)軌跡，有效提升了康復(fù)訓(xùn)練效果；Shahbazi等人[8]提出一種由治療師根據(jù)患者康復(fù)情況制定訓(xùn)練方案的鏡像訓(xùn)練方法，可以適應(yīng)不同康復(fù)周期的患者；瞿暢等人[9]研制了一種體感控制的鏡像康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，使用Kinect采集健肢體態(tài)動(dòng)作來(lái)控制患肢進(jìn)行同步鏡像運(yùn)動(dòng)，具有良好的控制性能。上述鏡像訓(xùn)練方法通過(guò)機(jī)器人輔助患肢，實(shí)現(xiàn)患肢對(duì)健肢的鏡像跟隨運(yùn)動(dòng)，具有一定的康復(fù)療效，然而這些方法對(duì)于患肢來(lái)說(shuō)均為簡(jiǎn)單的被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，沒(méi)有考慮患肢的主動(dòng)性能。

研究表明偏癱患者的主動(dòng)性是影響其康復(fù)效果的關(guān)鍵因素之一[10,11]。Hogan等人[10]認(rèn)為治療形式比治療強(qiáng)度更重要，患者的主動(dòng)參與相比被動(dòng)訓(xùn)練更能提升康復(fù)效果；Warraich等人[11]認(rèn)為患者的主動(dòng)參與可以促進(jìn)治療過(guò)程中神經(jīng)可塑性和運(yùn)動(dòng)恢復(fù)。同時(shí)，考慮到偏癱患者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的舒適性和安全性，康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的抗干擾性也成為影響其康復(fù)訓(xùn)練效果的關(guān)鍵因素之一[12-14]。因此研究一種可以提升患者主動(dòng)與系統(tǒng)抗干擾性的控制策略十分必要。

阻抗控制策略通過(guò)調(diào)節(jié)力與位置之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系來(lái)控制機(jī)器人，是一種常用的機(jī)器人控制策略[15]，但傳統(tǒng)阻抗控制在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域僅適用于被動(dòng)模式，不利于提升患者訓(xùn)練的主動(dòng)性。按需輔助控制策略的主要思想是系統(tǒng)根據(jù)患者的實(shí)時(shí)需求提供盡量小的輔助力以幫助其完成康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)，使得系統(tǒng)提供的輔助力矩達(dá)到最小值，患者提供的主動(dòng)力矩達(dá)到最大值[16]，從而提升患者的主動(dòng)性以促進(jìn)其康復(fù)效果。

因此本文提出一種基于自適應(yīng)按需輔助的鏡像控制策略，將按需輔助控制策略應(yīng)用于鏡像康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，根據(jù)患肢運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整補(bǔ)償患肢運(yùn)動(dòng)所需輔助力，充分考慮了鏡像訓(xùn)練中患肢的主動(dòng)性能，在保證患肢鏡像跟隨精度的同時(shí)可以提升患者的主動(dòng)性和系統(tǒng)的抗干擾性。設(shè)計(jì)了兩項(xiàng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比本文方法與傳統(tǒng)阻抗控制方法控制性能的差異性，通過(guò)分析兩種方法的輔助力大小和鏡像跟隨誤差，驗(yàn)證本文方法提升患者主動(dòng)性和系統(tǒng)抗干擾性的效果。

2 自適應(yīng)按需輔助鏡像控制策略

本文提出一種自適應(yīng)按需輔助鏡像控制策略，如圖1所示，該策略主要包括鏡像控制和按需輔助控制兩個(gè)模塊。鏡像控制模塊通過(guò)視覺(jué)定位識(shí)別采集患者健側(cè)與患側(cè)手位置，基于鏡像對(duì)稱(chēng)原理，由患者健側(cè)手位置計(jì)算患側(cè)手期望位置，得到患側(cè)手的運(yùn)動(dòng)偏差；按需輔助模塊為一種基于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)評(píng)估的阻抗控制算法，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)評(píng)估參數(shù)包括：患肢狀態(tài)波動(dòng)率(State Fluctuation Rate, SFR)、患肢力矩偏移率(Torque Offset Rate, TOR)和機(jī)器人輔助率(Robot Assistance Rate, RAR)3個(gè)參數(shù)；機(jī)器人根據(jù)患肢運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輔助力。

2.1 鏡像控制模塊

鏡像控制模塊采用視覺(jué)定位方法分別識(shí)別患肢和健肢的位置，再通過(guò)鏡像位置解算器解算出患肢的期望位置，最后輸出患肢實(shí)際位置與期望位置的偏差。鏡像位置解算器的原理為鏡像對(duì)稱(chēng)原理，即

圖1 自適應(yīng)按需輔助鏡像控制策略架構(gòu)

2.2 按需輔助模塊

按需輔助模塊設(shè)計(jì)了一種患肢運(yùn)動(dòng)狀態(tài)評(píng)估方法，根據(jù)一些參數(shù)來(lái)實(shí)時(shí)評(píng)估患肢的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；基于傳統(tǒng)阻抗控制得到期望輔助力，根據(jù)患肢運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)實(shí)際輔助力的大小。

2.2.1 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)評(píng)估方法

(2)患肢力矩偏移率(Torque Offset Rate,TOR)，即

2.2.2 按需輔助控制方法

如圖1所示，按需輔助模塊的輸入量為位置偏差，經(jīng)過(guò)阻抗控制器解算為機(jī)器人的期望輸出力/力矩，即

圖3 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)評(píng)估框圖

3 實(shí)驗(yàn)研究與分析

本文研究招募4名健康受試者，2男2女，身體健康狀況良好，無(wú)心血管等疾病，年齡為24～26歲。實(shí)驗(yàn)于東南大學(xué)機(jī)器人傳感與控制技術(shù)研究所進(jìn)行，受試者均簽署知情同意書(shū)。

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

基于按需輔助的上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練方法的實(shí)驗(yàn)交互系統(tǒng)包括機(jī)器人本體、視覺(jué)定位系統(tǒng)、控制箱、虛擬場(chǎng)景等部分。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示，康復(fù)機(jī)器人采用并聯(lián)連桿結(jié)構(gòu)和串聯(lián)菱形拉伸結(jié)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)X和Y方向上的運(yùn)動(dòng)[19]，共2個(gè)訓(xùn)練自由度，X和Y方向已標(biāo)注于圖中；攝像頭安裝在桌面上方，通過(guò)檢測(cè)機(jī)器人末端和健側(cè)握把上的Apriltags進(jìn)行定位；機(jī)器人末端安裝串聯(lián)手臂托架結(jié)構(gòu)，同時(shí)在手部的握把上安裝有6維力傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量康復(fù)訓(xùn)練末端與患肢的交互力。

圖4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

虛擬場(chǎng)景的搭建在Unity3D平臺(tái)完成，主要目的是增加受試者訓(xùn)練時(shí)的樂(lè)趣和沉浸性[20,21]。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)虛擬場(chǎng)景如圖5所示，場(chǎng)景中的X和Y方向與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)桌面的X和Y方向保持對(duì)應(yīng)關(guān)系。場(chǎng)景中主要物體有小球、寶石和障礙物，小球跟蹤受訓(xùn)者患肢的運(yùn)動(dòng)情況，與患肢的位置坐標(biāo)保持一致；寶石處設(shè)置碰撞檢測(cè)，當(dāng)小球與其發(fā)生碰撞時(shí)游戲得分增加；障礙物阻礙小球運(yùn)動(dòng)，使小球保持直線運(yùn)動(dòng)。游戲開(kāi)始前可以手動(dòng)設(shè)置游戲時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)游戲時(shí)長(zhǎng)為零時(shí)游戲停止，并顯示游戲得分。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證本文方法對(duì)于提升患者主動(dòng)性和系統(tǒng)抗干擾性的效果，4名受試者參與本實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，受試者坐在桌子的前面，雙手分別放置的左邊的握把和右邊的患側(cè)手臂托架上面，4名受試者分為兩組，分別模擬兩種不同的康復(fù)狀態(tài)。其中，受試者A和C(1男1女)模擬患肢不穩(wěn)定狀態(tài)，具體表現(xiàn)為：SFR>0.7，TOR>0.7；受試者B和D(1男1女)模擬患肢穩(wěn)定狀態(tài)，具體表現(xiàn)為：SFR<0.3，TOR<0.3；以上數(shù)值均表示每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的平均值。

上肢在X方向的運(yùn)動(dòng)軌跡采用正弦軌跡，即X=sin(t)，受試者保持此軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍為0～40cm，Y方向軌跡同X方向。本實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法，通過(guò)對(duì)比本文方法與傳統(tǒng)方法性能的差異來(lái)驗(yàn)證本文方法對(duì)于患者主動(dòng)性和系統(tǒng)抗干擾性的提升效果。其中，傳統(tǒng)方法為阻抗控制，為單純的被動(dòng)訓(xùn)練模式，如式(8)-式(10)所示。實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)方法和本文方法的如下參數(shù)取值保持相同：αx取-1，αy取1，Kp取-0.45，Kd取0.24。

圖5 虛擬場(chǎng)景

本實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)1驗(yàn)證患者主動(dòng)性提升效果，實(shí)驗(yàn)中分別記錄兩組受試者使用兩種方法時(shí)機(jī)器人輔助力的大小，間接反映患肢的有效主動(dòng)力矩大小，從而說(shuō)明本文方法對(duì)于提升患者主動(dòng)性的效果；同時(shí)記錄兩種方法的鏡像跟隨誤差，反映兩種方法的位置精度。實(shí)驗(yàn)2驗(yàn)證系統(tǒng)抗干擾性，受試者B和D分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在X方向進(jìn)行平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，第1.3 s左右時(shí)給設(shè)備末端施加一個(gè)10N左右的干擾外力保持1 s，記錄系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)變化以及輔助力和跟隨誤差，分析本文方法的抗干擾性。

為減少偶然因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，要求受試者在參與實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行大量模擬訓(xùn)練，熟悉其所模擬患肢狀態(tài)，且每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)6遍，最終取6次實(shí)驗(yàn)的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果[22]。具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 患肢主動(dòng)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)1患肢主動(dòng)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6和表2所示，圖表中的數(shù)據(jù)均為6次實(shí)驗(yàn)的平均值：

(1)SFR>0.7,TOR>0.7的受試者A和C進(jìn)行上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6(a)、圖6(c)和表2所示。分析圖表可知，當(dāng)受試者患肢狀態(tài)不穩(wěn)定時(shí)，各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)值偏大；此時(shí)傳統(tǒng)方法機(jī)器人的平均輔助力為7.8N，本文方法機(jī)器人的平均輔助力為4.9N；同時(shí)傳統(tǒng)方法的平均鏡像跟隨誤差為44.3 mm，本文方法的平均鏡像跟隨誤差為27.5 mm。相比傳統(tǒng)方法，本文方法在患肢狀態(tài)不穩(wěn)定時(shí)明顯降低了輔助力，同時(shí)又減小了跟隨誤差。

(2)SFR<0.3,TOR<0.3的受試者B和D進(jìn)行上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6(b)、圖6(d)和表2所示。分析圖表可知，當(dāng)受試者患肢狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)值偏小；此時(shí)傳統(tǒng)方法機(jī)器人的平均輔助力為6.4N，本文方法機(jī)器人的平均輔助力為1.5N；同時(shí)傳統(tǒng)方法的平均鏡像跟隨誤差為28.8 mm，本文方法的平均鏡像跟隨誤差為17.4 mm。相比傳統(tǒng)方法，本文方法在患肢狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)輔助力很小，同時(shí)又減小了跟隨誤差。

結(jié)合以上兩種情況，由表2可知，本文方法相比傳統(tǒng)方法在患肢穩(wěn)定和不穩(wěn)定這兩種狀態(tài)下的輔助力平均降低了56.9%，說(shuō)明患肢的有效主動(dòng)力矩大大增加；傳統(tǒng)方法平均位置精度為9.1%，本文方法平均位置精度為5.6%，相比傳統(tǒng)方法減小了鏡像跟隨誤差，提升了鏡像跟隨精度。

3.3.2 系統(tǒng)抗干擾性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)2系統(tǒng)抗干擾性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7和表3所示，圖表中的數(shù)據(jù)均為6次實(shí)驗(yàn)的平均值：

分析圖表可知，當(dāng)系統(tǒng)受到10N持續(xù)1s的外力干擾時(shí)，傳統(tǒng)方法的輔助力幾乎保持不變，本文方法的平均輔助力由原先的1.2N變?yōu)?8.9N，補(bǔ)償了89%的干擾外力；在這1s內(nèi)傳統(tǒng)方法的平均鏡像跟隨誤差由原先的28.5 mm增大到40.3 mm，增加了39.9%；本文方法的平均鏡像跟隨誤差由原先的17.4 mm變?yōu)?8.6 mm，增長(zhǎng)率僅為6.5%；由圖7可知，在第1.3 s系統(tǒng)突然受到10N的外力干擾時(shí)，各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)的平均值由原先的<0.3變?yōu)?0.6，但第1.5 s開(kāi)始各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)開(kāi)始下降，直至最終趨于平穩(wěn)<0.3的狀態(tài)。

綜上所述，當(dāng)系統(tǒng)受到外力干擾時(shí)，傳統(tǒng)方法沒(méi)有自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，鏡像跟隨誤差大幅增長(zhǎng)，而本文方法輔助力可以自適應(yīng)補(bǔ)償89%的外力干擾，使得鏡像跟隨誤差一直保持在一個(gè)平穩(wěn)較低的水平，提升了系統(tǒng)的抗干擾性。

4 結(jié)論

本文研究的基于按需輔助的上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練控制策略，基于傳統(tǒng)阻抗控制增加了自適應(yīng)按需輔助模塊，根據(jù)患肢的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)節(jié)機(jī)器人對(duì)患肢的輔助力大小，實(shí)現(xiàn)患肢對(duì)健肢的鏡像運(yùn)動(dòng)跟隨。通過(guò)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析得知，本文方法相比傳統(tǒng)方法提供的平均輔助力降低了56.9%，增加了患肢主動(dòng)力矩的利用率，提升了患肢的主動(dòng)性；本文方法平均位置精度為5.6%，相比傳統(tǒng)方法減小了鏡像跟隨誤差，提升了鏡像跟隨精度；當(dāng)系統(tǒng)受到外力干擾時(shí)，本文方法輔助力可以自適應(yīng)補(bǔ)償89%的干擾外力，鏡像跟隨誤差僅提高了6.5%，大大降低了干擾外力對(duì)患肢的傷害同時(shí)保證了鏡像跟隨精度，有效提升了系統(tǒng)的抗干擾性。因此本文方法對(duì)于鏡像康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)有效提升了患肢主動(dòng)性以及系統(tǒng)抗干擾性，滿足鏡像康復(fù)訓(xùn)練的要求。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

圖6 患肢主動(dòng)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 患肢主動(dòng)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 系統(tǒng)抗干擾性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 系統(tǒng)抗干擾性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果