使用iPAM係統的病人接受上肢治療運動

　　作者:Andrew Jackson - University of Leeds Peter Culmer - University of LeedsMartin Levesley - University of LeedsSophie Makower - Leeds Primary Care NHS Trust Bipinchandra Bhakta - Leeds Institute of Molecular Medicine, Faculty of Medicine and Health, University of Leeds

　　行業:生命科學, 科研, 機電學/ 電工學

　　產品:PCI-6723, LabVIEW, PCI-6259, 實時模塊

　　挑戰:開發一種安全且可靠的機器人康複係統
，對中風後手臂殘障的病人提供援助，以輔助治療手臂運動
，協調和指引手臂。

　　解決方案:使用NI公司LabVIEW軟件對兩個定製機器人實現雙持續的實時性控製係統
，通過與治療師溝通所需要使用而設計的用戶界麵（UI）以協調和輔助人類手臂運動。

　　“LabVIEW環境模塊化特性使其對於原型設計和開發我們的係統來說是理想的選擇。”

    中zhong風feng後hou，康kang複fu設she施shi通tong過guo重zhong複fu性xing有you意yi義yi的de協xie調tiao性xing運yun動dong
，使shi用yong物wu理li療liao法fa以yi輔fu助zhu病bing人ren重zhong新xin學xue習xi喪sang失shi的de運yun動dong功gong能neng。如ru果guo設she施shi資zi源yuan不bu足zu
，將jiang會hui導dao致zhi病bing人ren不bu能neng花hua費fei足zu夠gou的de時shi間jian來lai接jie受shou康kang複fu活huo動dong，這zhe可ke能neng潛qian在zai地di限xian製zhi恢hui複fu的de程cheng度du。機ji器qi人ren康kang複fu係xi統tong可ke以yi輔fu助zhu傳chuan統tong的de治zhi療liao服fu務wu，以yi增zeng加jia康kang複fu的de強qiang度du和he頻pin率lv。

　　機器人設計

    智能化氣動手臂運動(iPAM)是一個雙機器人係統，旨在向由於中風而導致上肢運動殘障的病人提供重複的運動治療。 iPAM由兩個氣動性動力機器人組成，以三個驅動轉動關節為特點
，在笛卡兒（Cartesian）空間上控製機器人的執行終端。當方便運動時
，該機器人依 附在上肢的方式類似於治療師支撐手臂的方式：一個機器人依附在靠近手腕前臂附近，另一個機器人依附在上臂中間。

    矯形器能夠支撐手臂

，其特點為三個被動轉動自由度(DOF)
，以確保肢體始終舒適地與機器人保持一致。物理治療師通過機 器人末梢部分來引導肢體運動治療，並記錄運動情況。該係統記錄了應用於手臂的力度和機器人關節的運動情況。然後該運動可以被iPAM係統重放
，在整個運動 期間以輔助病人所需（如圖1）。iPAM係統所提供的輔助程度可以由物理治療師調整。

　　控製係統

    iPAM機器人必須主動地提供動力以輔助人類手臂運動。因此，機器人有效地協調性工作是至關重要的，因為肢體錯位或過度 用yong力li可ke能neng會hui導dao致zhi肢zhi體ti的de疼teng痛tong或huo受shou傷shang。為wei了le做zuo到dao這zhe一yi點dian
，我wo們men開kai發fa了le新xin型xing控kong製zhi方fang案an，該gai方fang案an圍wei繞rao對dui人ren類lei關guan節jie的de自zi由you度du進jin行xing操cao作zuo，而er不bu是shi機ji器qi人ren笛di卡ka爾er末mo端duan。我wo們men將jiang人ren類lei 手臂簡化為六個DOF模型
，對應肩膀上的五個DOF (兩個轉換和三個旋轉)和肘部一個DOF。由於每個機器人可以控製三個DOF，因此兩個機器人約束上肢的六個DOF是可能的。

    人類關節角度不是由iPAM係xi統tong直zhi接jie測ce量liang的de，因yin此ci是shi采cai用yong人ren類lei手shou臂bi模mo型xing的de直zhi接jie逆ni運yun動dong學xue公gong式shi
，根gen據ju手shou臂bi的de已yi知zhi運yun動dong數shu據ju和he機ji器qi人ren相xiang對dui依yi附fu點dian的de位wei置zhi進jin行xing估gu計ji的de。該gai公gong式shi無wu法fa應ying對dui來lai自zi軟ruan組zu織zhi接jie口kou(皮膚

、肌肉和矯形填充)的固有測量誤差和肩關節運動奇點。

    然而，我們使用雅可比（Jacobian）轉置方法開發了一個新的迭代公式，其基於手臂前向運動學
，更易於估計。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，在控製循環的每次迭代中，以500Hz頻率對前向運動學的50次迭代進行處理。這 對實時控製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(tong)過(guo)將(jiang)每(mei)個(ge)機(ji)器(qi)人(ren)測(ce)量(liang)得(de)到(dao)的(de)動(dong)力(li)轉(zhuan)化(hua)為(wei)上(shang)肢(zhi)坐(zuo)標(biao)係(xi)統(tong)
，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)準(zhun)入(ru)控(kong)製(zhi)方(fang)案(an)，在(zai)該(gai)方(fang)案(an)中(zhong)可(ke)以(yi)定(ding)位(wei)到(dao)上(shang)肢(zhi)的(de)特(te)定(ding)關(guan)節(jie)進(jin)行(xing)援(yuan)助(zhu)。準(zhun)入(ru)控(kong)製(zhi)方(fang)案(an)的(de)功(gong)能(neng)是(shi)測(ce)量(liang)每(mei)個(ge)人(ren)DOF的轉矩和動力
，根據治療師設置的剛度和阻尼參數來調節預期的關節位置。

    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（較低的剛性設置）yunxuduiguidingdongzuoyoujiaodapiancha，zheshiheyunaxiezaijiaodafanweizhudongyundongdebingrenshiyonghuozhedangbingrendehuodongxingtigaoshishiyong。moxingzhongmeigeguanjiedeyuanzhukeyiduli 改變，同時保留運動的協調模式。

　　實現

    我們使用LabVIEW實時模塊和 NI公司的接口卡實現iPAM實時控製器，執行控製器的信號I/O功能。輸入傳感器包括兩個六軸動力變頻器，六個非接觸式旋轉傳感器，三個測量肩膀位置的 電位器，和幾個用於安全開關的數字輸入。模擬輸出信號控製12對壓力調節閥
，其在每個機器人關節處驅動低摩擦性氣缸。該控製器完全基於狀態
，使代碼具有邏 輯性、可擴展性和易於審核。實時操作係統允許控製器確定性執行，有助於確保整個係統的可靠性和安全性。

    物理治療師使用客戶端電腦，與用戶界麵一起啟動，向病人提供指令
、運動線索和與iPAM係統交互性能反饋信息。客戶端使用TCP協議通過以太網與實時控製器異步通信。用戶界麵的主要組成部分是三維空間顯示。在LabVIEW軟件平台上使用基於OpenGL三維圖片功能進行控製，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

    我們分兩次小規模試驗性臨床研究實現了iPAM係統，通過招募中風後導致手臂殘障的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分鍾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係統輔助了超過 13,000個(ge)運(yun)動(dong)達(da)到(dao)的(de)動(dong)作(zuo)。病(bing)人(ren)接(jie)受(shou)使(shi)用(yong)該(gai)係(xi)統(tong)的(de)比(bi)例(li)很(hen)高(gao)，一(yi)些(xie)病(bing)人(ren)表(biao)現(xian)出(chu)手(shou)臂(bi)運(yun)動(dong)性(xing)能(neng)的(de)提(ti)高(gao)。在(zai)臨(lin)床(chuang)試(shi)驗(yan)期(qi)間(jian)
，病(bing)人(ren)沒(mei)有(you)表(biao)現(xian)出(chu)不(bu)良(liang)反(fan)應(ying)的(de)情(qing)況(kuang)。在(zai)兩(liang) 次試驗的整個過程期間，實時控製器保持穩定。LabVIEW環境模塊化特性使其對於原型設計和開發我們的係統來說是理想的選擇。

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

    目前NI已全麵推出LabVIEW Robotics 2009，用於自主地麵機器人係統的設計、原型與發布
，更多信息請訪問www.ni.com/robotics/zhs。

　　作者信息:Andrew JacksonUniversity of Leeds Woodhouse LaneLeeds LS2 9JT英國Tel: 44 113 343