控制雙機器人系統，向中風(fēng)患者提供上肢治療運動(dòng)

　　控制系統

　　iPAM機器人必須主動(dòng)地提供動(dòng)力以輔助人類(lèi)手臂運動(dòng)。因此，機器人有效地協(xié)調性工作是至關(guān)重要的，因為肢體錯位或過(guò)度 用力可能會(huì )導致肢體的疼痛或受傷。為了做到這一點(diǎn)，我們開(kāi)發(fā)了新型控制方案，該方案圍繞對人類(lèi)關(guān)節的自由度進(jìn)行操作，而不是機器人笛卡爾末端。我們將人類(lèi) 手臂簡(jiǎn)化為六個(gè)DOF模型，對應肩膀上的五個(gè)DOF (兩個(gè)轉換和三個(gè)旋轉)和肘部一個(gè)DOF。由于每個(gè)機器人可以控制三個(gè)DOF，因此兩個(gè)機器人約束上肢的六個(gè)DOF是可能的。

　　人類(lèi)關(guān)節角度不是由iPAM系統直接測量的，因此是采用人類(lèi)手臂模型的直接逆運動(dòng)學(xué)公式，根據手臂的已知運動(dòng)數據和機器人相對依附點(diǎn)的位置進(jìn)行估計的。該公式無(wú)法應對來(lái)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)節運動(dòng)奇點(diǎn)。

　　然而，我們使用雅可比(Jacobian)轉置方法開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的迭代公式，其基于手臂前向運動(dòng)學(xué)，更易于估計。重要的 是，該方法考慮到了測量誤差和運動(dòng)學(xué)奇點(diǎn)。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(dòng)學(xué)的50次迭代進(jìn)行處理。這 對實(shí)時(shí)控制器提出了大量計算能力的要求，以及確定的實(shí)時(shí)性要求，使其擁有高確定性。

　　通過(guò)將每個(gè)機器人測量得到的動(dòng)力轉化為上肢坐標系統，我們可以實(shí)現準入控制方案，在該方案中可以定位到上肢的特定關(guān)節進(jìn)行援助。準入控制方案的功能是測量每個(gè)人DOF的轉矩和動(dòng)力，根據治療師設置的剛度和阻尼參數來(lái)調節預期的關(guān)節位置。

　　使用較高的援助程度(高度性剛性設置)，機器人謹慎遵守治療師的規定動(dòng)作。這比較適合較少主動(dòng)運動(dòng)的病人。降低援助的程 度(較低的剛性設置)允許對規定動(dòng)作有較大偏差，這適合于那些在較大范圍主動(dòng)運動(dòng)的病人使用或者當病人的活動(dòng)性提高時(shí)使用。模型中每個(gè)關(guān)節的援助可以獨立 改變，同時(shí)保留運動(dòng)的協(xié)調模式。

　　實(shí)現

　　我們使用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和 NI公司的接口卡實(shí)現iPAM實(shí)時(shí)控制器，執行控制器的信號I/O功能。輸入傳感器包括兩個(gè)六軸動(dòng)力變頻器，六個(gè)非接觸式旋轉傳感器，三個(gè)測量肩膀位置的 電位器，和幾個(gè)用于安全開(kāi)關(guān)的數字輸入。模擬輸出信號控制12對壓力調節閥，其在每個(gè)機器人關(guān)節處驅動(dòng)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(shí)時(shí)操作系統允許控制器確定性執行，有助于確保整個(gè)系統的可靠性和安全性。

　　物理治療師使用客戶(hù)端電腦，與用戶(hù)界面一起啟動(dòng)，向病人提供指令、運動(dòng)線(xiàn)索和與iPAM系統交互性能反饋信息?？蛻?hù)端使用TCP協(xié)議通過(guò)以太網(wǎng)與實(shí)時(shí)控制器異步通信。用戶(hù)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(jìn)行控制，它允許具體任務(wù)信息實(shí)時(shí)性地傳遞給病人。

　　試驗性臨床試驗

　　我們分兩次小規模試驗性臨床研究實(shí)現了iPAM系統，通過(guò)招募中風(fēng)后導致手臂殘障的26個(gè)病人，來(lái)參加長(cháng)達20個(gè)小時(shí)的 機器人治療會(huì )議。每次會(huì )議包括近40分鐘的運動(dòng)機器人使用時(shí)間。在研究過(guò)程中，在使用運動(dòng)機器人超過(guò)300個(gè)小時(shí)期間，iPAM系統輔助了超過(guò) 13,000個(gè)運動(dòng)達到的動(dòng)作。病人接受使用該系統的比例很高，一些病人表現出手臂運動(dòng)性能的提高。在臨床試驗期間，病人沒(méi)有表現出不良反應的情況。在兩 次試驗的整個(gè)過(guò)程期間，實(shí)時(shí)控制器保持穩定。LabVIEW環(huán)境模塊化特性使其對于原型設計和開(kāi)發(fā)我們的系統來(lái)說(shuō)是理想的選擇。

　　根據新型和新興技術(shù)應用基金方案(NEAT E027)，這項工作得到了英國國家健康服務(wù)的支持。

　　目前NI已全面推出LabVIEW Robotics 2009，用于自主地面機器人系統的設計、原型與發(fā)布，更多信息請訪(fǎng)問(wèn)www.ni.com/robotics/zhs。