控制雙機(jī)器人系統(tǒng)，向中風(fēng)患者提供上肢治療運(yùn)動

　　控制系統(tǒng)

　　iPAM機(jī)器人必須主動地提供動力以輔助人類手臂運(yùn)動。因此，機(jī)器人有效地協(xié)調(diào)性工作是至關(guān)重要的，因?yàn)橹w錯位或過度 用力可能會導(dǎo)致肢體的疼痛或受傷。為了做到這一點(diǎn)，我們開發(fā)了新型控制方案，該方案圍繞對人類關(guān)節(jié)的自由度進(jìn)行操作，而不是機(jī)器人笛卡爾末端。我們將人類 手臂簡化為六個DOF模型，對應(yīng)肩膀上的五個DOF (兩個轉(zhuǎn)換和三個旋轉(zhuǎn))和肘部一個DOF。由于每個機(jī)器人可以控制三個DOF，因此兩個機(jī)器人約束上肢的六個DOF是可能的。

　　人類關(guān)節(jié)角度不是由iPAM系統(tǒng)直接測量的，因此是采用人類手臂模型的直接逆運(yùn)動學(xué)公式，根據(jù)手臂的已知運(yùn)動數(shù)據(jù)和機(jī)器人相對依附點(diǎn)的位置進(jìn)行估計(jì)的。該公式無法應(yīng)對來自軟組織接口(皮膚、肌肉和矯形填充)的固有測量誤差和肩關(guān)節(jié)運(yùn)動奇點(diǎn)。

　　然而，我們使用雅可比(Jacobian)轉(zhuǎn)置方法開發(fā)了一個新的迭代公式，其基于手臂前向運(yùn)動學(xué)，更易于估計(jì)。重要的 是，該方法考慮到了測量誤差和運(yùn)動學(xué)奇點(diǎn)。為了提供準(zhǔn)確的手臂位置估計(jì)，在控制循環(huán)的每次迭代中，以500Hz頻率對前向運(yùn)動學(xué)的50次迭代進(jìn)行處理。這 對實(shí)時控制器提出了大量計(jì)算能力的要求，以及確定的實(shí)時性要求，使其擁有高確定性。

　　通過將每個機(jī)器人測量得到的動力轉(zhuǎn)化為上肢坐標(biāo)系統(tǒng)，我們可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)入控制方案，在該方案中可以定位到上肢的特定關(guān)節(jié)進(jìn)行援助。準(zhǔn)入控制方案的功能是測量每個人DOF的轉(zhuǎn)矩和動力，根據(jù)治療師設(shè)置的剛度和阻尼參數(shù)來調(diào)節(jié)預(yù)期的關(guān)節(jié)位置。

　　使用較高的援助程度(高度性剛性設(shè)置)，機(jī)器人謹(jǐn)慎遵守治療師的規(guī)定動作。這比較適合較少主動運(yùn)動的病人。降低援助的程 度(較低的剛性設(shè)置)允許對規(guī)定動作有較大偏差，這適合于那些在較大范圍主動運(yùn)動的病人使用或者當(dāng)病人的活動性提高時使用。模型中每個關(guān)節(jié)的援助可以獨(dú)立 改變，同時保留運(yùn)動的協(xié)調(diào)模式。

　　實(shí)現(xiàn)

　　我們使用LabVIEW實(shí)時模塊和 NI公司的接口卡實(shí)現(xiàn)iPAM實(shí)時控制器，執(zhí)行控制器的信號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(zhuǎn)傳感器，三個測量肩膀位置的 電位器，和幾個用于安全開關(guān)的數(shù)字輸入。模擬輸出信號控制12對壓力調(diào)節(jié)閥，其在每個機(jī)器人關(guān)節(jié)處驅(qū)動低摩擦性氣缸。該控制器完全基于狀態(tài)，使代碼具有邏 輯性、可擴(kuò)展性和易于審核。實(shí)時操作系統(tǒng)允許控制器確定性執(zhí)行，有助于確保整個系統(tǒng)的可靠性和安全性。

　　物理治療師使用客戶端電腦，與用戶界面一起啟動，向病人提供指令、運(yùn)動線索和與iPAM系統(tǒng)交互性能反饋信息。客戶端使用TCP協(xié)議通過以太網(wǎng)與實(shí)時控制器異步通信。用戶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)時性地傳遞給病人。

　　試驗(yàn)性臨床試驗(yàn)

　　我們分兩次小規(guī)模試驗(yàn)性臨床研究實(shí)現(xiàn)了iPAM系統(tǒng)，通過招募中風(fēng)后導(dǎo)致手臂殘障的26個病人，來參加長達(dá)20個小時的 機(jī)器人治療會議。每次會議包括近40分鐘的運(yùn)動機(jī)器人使用時間。在研究過程中，在使用運(yùn)動機(jī)器人超過300個小時期間，iPAM系統(tǒng)輔助了超過 13,000個運(yùn)動達(dá)到的動作。病人接受使用該系統(tǒng)的比例很高，一些病人表現(xiàn)出手臂運(yùn)動性能的提高。在臨床試驗(yàn)期間，病人沒有表現(xiàn)出不良反應(yīng)的情況。在兩 次試驗(yàn)的整個過程期間，實(shí)時控制器保持穩(wěn)定。LabVIEW環(huán)境模塊化特性使其對于原型設(shè)計(jì)和開發(fā)我們的系統(tǒng)來說是理想的選擇。

　　根據(jù)新型和新興技術(shù)應(yīng)用基金方案(NEAT E027)，這項(xiàng)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(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、原型與發(fā)布，更多信息請?jiān)L問www.ni.com/robotics/zhs。