外文翻译-初始病人测试iPAM系统的行程 - 一个机器人系统复原
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外文翻译-初始病人测试iPAM系统的行程
一个机器人系统复原
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初始病人测试iPAM系统的行程 - 一个机器人系统复原摘要:iPAM系统是一个双机器人系统，目前是英国新兴应用技术（NEAT）资助下英国国民保健服务（NHS）的新发展。目标是演示系统提供辅助上肢治疗中风后的康复。 IPAM拥有两个统筹，气动驱动机器人手臂连接到患者的前臂和上臂提供援助，模仿一名物理治疗师的干预。该系统的设计和制造已经完成，并安装在社区内的当地医院（圣玛丽厘，利兹，英国）的机器人康复单元。控制器目前正在开发和“微调”提供重力补偿的机器人，除去病人手臂上的任何潜在的破坏载荷。控制方案已经过测试，仿真和使用机械手臂模型，以确保安全运行。两个小规模试验方面已进行评估，机器人的设计，首先机械设计系统正常的手臂运动，其次，为客户提供不同级别的升降机病人的手臂增加的移动范围。这些试验前在连接到iPAM系统健康志愿者和行程比较自由臂运动。机器人配置，以补偿其自身的重量，所以人上肢被卸载。结果发现，在机器人运动模式上没有显着的影响。第二组病人的临床试验是评估各种级别的操作协助对抗地心引力。患者被要求指向应用于其上的目标下臂有不同程度的“失重”。在这些患者具有显着的上肢减值，值越高，“失重”改善到很高的程度，但改变了运动模式。结果从试验中表现出目标模式的适用性操作取决于患者残疾的严重程度。引言挑战是如何提供受中风的康复治疗，这是一个普遍性的问题，这个问题只会放大人口老龄化的感觉。目前30万左右患中风的人仅在英国影响，就有85的人经历了从手臂麻痹程度发病1。 5年后，仍有四个使用患侧手臂困难的报告2。康复计划的目的这项工作是由英国利兹大学机械工程系的NEAT格兰特E027A.杰克逊，P. Culmer，M. Levesley，A. E.杰克逊和联合王国大学计算机科学系的S.马考沃与利兹初级保健NHS支持的。增加病人的独立性，注重日常任务，自我照顾，家务和娱乐。通过这些活动的做法，重新学习运动技能可大大增加能力。地方、国民健康服务（NHS）的负担重大，极为有限的物理资源，患者没有足够的时间从事康复活动。在世界各地的一些数字机构机器人辅助充实的传统物理治疗是一个潜在的解决方案。一个特别的方法使用的是麻省理工学院的马努斯3 附件系统上的一个点，温柔/ s的4和UECM5的机器人。这些系统依赖于一个单一的在手腕上的附着点，有时与被动吊索在上臂的机制支持承担并抵消一些手臂质量。最近的一项研究6与InMotion2系统（商业模型MIT-马努斯）展示小但积极改进。中度运动障碍和慢性中风病人得分为27。温柔/ s的机器人系统，它是基于围绕修改后的触觉操作，一直在利用单案例研究中，经过一段时间的比较改善机器人干预相比，没有干预和吊带悬挂干预。该调查显示了这两种情况下的机器人干预的优势7。在中国清华大学开发的机器人有一个2自由度平面配置上下肢复合运动（UECM）康复计划被发展。它可以根据病人的能力运行在辅助和电阻模式，。一项临床试验已在23例慢性中风患者开展。结果多数患者经历了一个改善的运动功能8。所有这些试验的结果展示出机器人辅助理疗的功效。另外，在上述系统中，臂控制端控制的是手的运动轨迹，而不是人类的四肢协调。这种系统的一个局限是无法完全约束上肢。一个单一的末端效应器位置没有定义特定的肘或肩部旋转，因此联合协调是不可行的。此外， 肘痉挛患者和手腕半脱位肩膀的辅助力量，有可能导致不恰当的水平扭矩，在肩关节造成疼痛或不适。传统的物理治疗涉及到PT在两个联络点在手臂上的作用。下臂弯曲到手腕周围之间的中点和第二肘部和肩部。这使得PT完全约束肢体和统筹的方向位置的臂在治疗方式的意义。图1.iPAM系统解决了这些问题的解决方案之一外骨架型机器人系统的发展或围绕肢体的嵌合，以允许更大程度统筹。Pneu-WREX9，RUPERT 10和ARMin 11机器人系统都采用这种方式。Pneu-WREXWREX5自由度机器人系统有一对4连杆，它是由气动执行器驱动，而重力补偿提供了更换弹簧。RUPERT（机器人上肢重复治疗仪）有4个活动的自由度，所以只有一个刨床运动臂，行动限制肘部伸直，前臂旋前，腕关节屈曲。根据第二个迭代是发展了12。ARMin系统是一局部的外骨骼系统，4活性自由度和2被动，由电驱动的电缆提供的致动电机通过阻抗控制实现。试验中ARMIN系统表现出了下降的水平，机器人在运动过程中，随着试验的进展，说明协助了某些运动改善 13。II.iPAM双机器人系统智能气动手臂运动（IPAM）机器人系统是一种为中风麻痹患者上肢提供辅助运动治疗的双机器人系统（图1）。每个机器人手臂有3活跃的自由度和通过一个专门设计的助攻患者的矫形器。矫形器通过压力与位于手腕上下臂和中间靠近肘部袖口连接，各自方向的矫形器以及手臂的中心3个旋转轴中的每一个是不受约束的。这使得矫形器的对齐与臂的端部执行器的方向无关。3气动低摩擦所提供的每个机器人的致动气瓶使用6比例控制阀控制。位置和力传感器是通过机器人系统用来监测患者的手臂的位置。 3供电的组合在每个机器人臂底允许6个自由度控制人的手臂连接。人的手臂自由度示于图 2。此配置是物理治疗师（PT）使用在控制常规上肢病人的肢体部分康复治疗类时似的方法。使用的机器人的运动学模型和人类手臂的角度传感器测量，可以监视最终矫形器的位置和病人手臂的位置。由此产生的6自由度控制电位的控制策略，有利于协调运动的臂作为一个整体，而不是仅仅远端段的运动（例如，前臂或手）。这是iPAM系统的一个关键方面。此外，对机器人上臂的积极控制也允许为在运动过程中的肩部提供充分支持。图2. 用iPAM系统控制人类手臂得六自由度III控制系统通过个独立的物理机器人连接到病人的手臂，每个机器人之间的有效协调是至关重要的。误对准机器人的末端效应会给患者的肢体上放上不希望的转矩。因此，它是需要为合作实施控制计划的。这需要从每个机器人的映射到一个坐标系表示人类手臂。这已经实现了用运动模型的人的手臂14，如图3所示。 Utilising运动模型的手臂，和系统测量，它是能够确定作用于肢体的位置和力矩。如果轨迹是被定义在人类联合空间，下一个合乎逻辑的步骤是提供相同的坐标系统的援助。一个准入控制计划已经开发出来，调制输入每个自由度轨迹的函数测得的力/转矩和其形式：其中K和C分别是刚度和阻尼系数。这使得要单独改变人类手臂的每个自由度。欲了解更多细微控制计划见15。最初iPAM系统，三个特定控制计划实施： 重力补偿模式：机器人仍然在重力补偿模式，即，根据机器人关节的方向，机器人驱动足够解除机器人自身的重量和矫形。当这种机器人的感觉失重，病人却是自由移动自己的手臂，以满足所需的目标。机器人不提供辅助运动。 手轨迹模式：就像一个单一连接点的机器人。高的机器人工作在重力补偿模式，而较低的机器人操作在笛卡尔的控制计划。 联合控制模式：机器人手臂提供准入控制如上文所述有关人体关节提协调运动。对于初始的试验中，只有第一个控制方案被利用。这种控制方案的扩展，允许iPAM系统抵消一些病人的手臂的重量。悬挂的移动设备提供了类似的效果。IV.初步试验作为一个平行部分进行了初步试验处理收集定性的数据用户和治疗师感知iPAM系统和相关的程序与它相关。两套不同的试验用户涉及参与实验用户感知的研究。A.目标第一个实验是一个小规模的调查，以确定通过机器人系统的被动模式参加运动是舒适和不受阻碍的。这是非常重要的，因为设计系统依赖于不施加力或力矩系统上肢，除非明确需要控制计划。第二个实验的目的是测量对运动的影响，在机器人不同程度的援助抵消上臂和前臂重力的影响。除了上述的目标，这两个实验中作为一个有用的平台，可以用来进行数据收集进一步发展各种控制模式的机器人。B.方法1）实验1：一个标准化的运动任务的构造，可以在具有和不具有执行机器人。通过开始和结束点的运动定义了标记，参与者的腰的位置成为第一个位于舒适位置的，第二个用于抵消远侧，中间和优的第一个标记。一个完整的周期标记参与者首先触摸开始执行的运动所提供一个指点工具，移动触摸结束标记，然后回到开始标记，如图4所示。参与者被要求在没有iPAM系统和iPAM系统连接的条件下15次执行的运动周期。分为3等分以避免疲劳影响结果。运动被设计成既现实又涉及到所有自由度的系统，它代表了一般情况。IPAM座位系统用于两个试验条件。除了提供座位高度一致外，它允许使用线束克制，尽量减少运动的主干，这有助于保持测试之间的重复性。对于测试iPAM系统设计经营协议，以确保双方系统的正确操作和测试可重复性。该协议概述如下：1）将IPAM设置在“重力补偿”模式2）座椅参与者和配合线束约束3）再行上臂矫形器及附加4）再行前臂矫形器和附加5）测量上肢段矫形器的位置图3.6自由度运动手臂模型图4.实验1的配置两种测试条件下运动记录用于一个运动分析系统的主动红外标记。该NDI OPTOTRAK CERTUS具有测量精度高（可达0.1mm），并已被批准在医疗环境中使用。它被用来标记相对到预定义的笛卡尔坐标系的记录和指针的位置。此外，当iPAM系统被连接到参与者，它被用来收集一系列矫形器和上肢位置的数据。总共3个项目被招募为第一个实验。 （PT）检查被放在每个科目测试的前面，以确定是否适合，并评估减值。受试者包括1个健康（PU）主题和2个右侧偏瘫深度影响运动的脑中风患者（P1，P2）。汇总所有招募试验患者于表。2）实验2：实验1修改后的版本目的是用于测试中“解除”上肢添加不同水平的影响。定义一个位于远端的新运动，只有一个结束标志超过了最大健康的可以成为参与者。该被定义为开始点的运动是上面的手肘在一个舒适的的位置与上肢成弯曲的90度。实施运动定义的变化允许测量的模式和upperlimb运动的范围。完整的运动周期从开始位置启动，移动到结束标记，然后回到开始位置U。实验测试4的不同条件下，没有，低，中，高协助对抗地心引力。无需对应的标准重力补偿模式iPAM系统即机器人致动器补偿重量的援助。对抗重力的升力每个条件提供在详表二。所描述的实验相同的操作在协议1下使用，以确保一致的配置。在此之后初始设定为水平的举升机逐步引入的运动，在引进的升力，或在任何时间在实验过程中，参与者被指示应报告任何不适，在这一点升力安全地删除和机器人系统脱离上肢。参与者被要求开始引入该升降机运动后不久，对于每个条件做15次重复记录，再分为3个等分。运动记录的NDIOPTOTRAK CERTUS跟踪系统和IPAM机器人的运动用于实验1中所描述的系统。进一步4个项目试者被从第二个的实验招募。所有受试者遭受了中风（P3，P4，P5，P6），总结在表一的四个科目，1被拒绝，因为他们没有使用受影响的上肢功能，因此从PT发起和维持任何运动所需的积极干预，这个级别的减值将会更加适合未来工作与辅助控制器控制器14的合作。C.结果1）实验1：所有的受试者（PO，P1，P2）在实验1中没有错误报告不适或不满的情况下成功地完成活动，。图5（a）表示这次每个受试者所得的轨迹。从检查这些结果，显而易见的是，总的运动趋势是没有显着性差异的范围内，或类型，或运动类似自由和机器人之间的附加动作。分析结果在图5中量化任何分歧在实验条件下。从假设的峰值与理想的直线轨迹计算的偏差每一次移动的尝试，并作为衡量使用的移动效率。图6示出的结果的分布为两个达到条件的主题之间。在图5和图6所示的结果表示的是，在一个被动的重力补偿模式，iPAM系统并不妨碍上肢运动。这表明，第一，重力补偿模式是有效的，并且有没有错误的力施加到上肢；第二，结合机器人系统不施加运动上肢约束。表I.在IPAM初步试验涉及学科中的总结信息表II.在每个测试中所提供的IPAM竖向力条件图6.箱形图的峰值偏差2）选择实验2：实验2所有的科目（P3，P4，P5）的动作成功完成。没有任何不舒服的水平抬起报告。图7中每个主题显示了有代表性的地块的轨迹，所有的变动范围汇总统计列于表中。从图7，很明显，主体对iPAM系统提供的水平升力有不同的响应。主题P3显示出的在所有的水平相似的运动模式抬起没有明显的区别。相反，受试者P4和P5增加在其范围为水平的举升机的远端程度提高。还设有一个在运动中的横向偏移P5上升增加。从iPAM系统中增加科目达到P4和P5使用上肢关节角度能进一步检查详细数据。图8示出一个cyclogram肩部和肘部延长P5。很显然，运动的格局，说明了响应斜率，这些关节之间并没有显着改变的条件。然而，在肘部和肩部的运动范围延伸增加，解释了在横向平面范围的增加。有人指出，从两个目视检查的实验和iPAM系统上肢关节的数据来看，有一种普遍的趋势，以更高肩外展作为水平上升的增加。这横向偏移的变动如图 7。主题P3和P4-P5响应之间的显着差异凸显这种控制方式的一个有趣的特性。从PT检查发现，受试者P4和P5在双方自愿的情况下运动范围减小，据报道，有一个接近肩部和肘部的地方P3是全方位的运动。因此，到P3的额外支持可以做小，以改善现有的各种运动。然而，对于P4和P5更多的支持明显增加的移动范围，这表明原来的缺陷有可能是一个功能的肌肉无力。增加上升的另一个特点是提供的支持到肩部，有点类似于slingsuspension系统中常用的康复设置。A cyclogram两个角度的策略通过非正式的讨论普遍表示偏向更高层次的“上升”，特别是从患有关节半脱位的肩膀的P3。 图5.自由流动和IPAM附加运动图8.Cyclogram肩肘关节P5没有上升的屈曲上图）和高扬程（如下图）V.结论和未来工作A.结论iPAM双机器人系统已经出现。它有被证明是无阻碍附件重力辅助机器人的运动模式。根据iPAM系统的能力，以确定这是预料之中的机器人末端点的方向，改变水平升力。无源三自由度允许的情况下矫形器设计意味着没有不受欢迎的力或力矩放置在手臂上，因此，病人不会感觉机器人手臂强迫一个特定的轨迹。机器人的能力，以容纳运动的范围而不阻碍的性质，其中臂的移动提供了良好的平台，建立更先进的控制方案。如前所述，在此阶段iPAM系统的发展，系统是不适合患者几乎没有自主运动的因为它仍然需要肌肉激活移动手臂，但从第二组试验，很明显，这些患者范围限制的议案，通过使用iPAM系统负载补偿模式，通过可以移动某些关节能够提高他们的整体角度，这将是一个方法，通过治疗将被执行。它已被证明系统的整体疗效是一个有用的指标。一旦该系统能够在辅助模式下操作，这些几乎没有运动能力的患者会从中受益最大的。这也是显而易见的试验，不是所有的患者都将受益于互动iPAM系统。患者用一个正常的范围的运动仍可能遭受运动在手腕和手指的负荷。目前，还没有机制把实施手腕和手指屈曲到纳入iPAM系统，因此iPAM系统可能不会是对这些患者的最好的治疗选择。图7.通过一个由iPAM系统提供不同程度上升运动达到运动的手在横向平面的位置表III实验2统计摘要B.进一步的工作目前正在测试的联合协调iPAM控制系统。它已被证明iPAM系统能够准确地测量人体的实时关节角度。通过利用这些测量，我们有能力使6可控导控制在每个应用允许的地方进行调整以适应患者的任何关节的干预。一旦完成，它的目的，短期将进行临床试验，以评估iPAM系统的疗效作为一种有效的治疗资源。VI.致谢我们非常感谢约克郡康复技术用户组的援助。参考文献1 C. Skilbeck, D. Wade, R. Langton-Hewer, and V.A. Wood.Recoveryafter stroke. J Neurology, Neurosurgery and Psychiatry. 46:5-8. 1983.2 J.M.L. Geddes, J. Fear, A. Tennant, A. Pickering, M. Hillman, and M.A. Chamberlain. Prevelance of self reported stroke in the population of Northern England. Journal of Epidemiol Community Health Med.50:140-143, 1996.3 S.P. Buerger, H. Krebs and N. Hogan. Characterization and control of a screw-driven robot for neurorehabilitation. In Control Applications,2001. (CCA 01). Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on, pages 388394, 2001.4 R. Loureiro. Upper limb robot mediated stroke therapy-gentle/s approach. Autonomous Robots, 15(1):3551, July 2003.5 S. Bi, L. Ji, and Z. Wang. Robot-aided sensorimotor arm training methods based on neurological rehabilitation principles in stroke and brain injury patients. In Engineering in Medicine and Biology Society,2005. IEEE-EMBS 2005. 27th Annual International Conference of the,pages 50255027, 2005.6 L.R. 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