JBE | 日本Kagawa University研究团队 | 采用双侧或单侧辅助机器人的双侧康复系统

文摘 2024-10-03 15:00 吉林

为了治疗偏瘫患者的单侧瘫痪，已经开发了采用双侧或单侧辅助机器人的双侧康复系统。然而，柔性机器人辅助促进双侧肢体间协调的问题仍然是一个需要解决的挑战。

Kagawa University的研究团队在Journal of Bionic Engineering上发表题为《An EMG‑Based Biomimetic Variable Stiffness Modulation Strategy for Bilateral Motor Skills Relearning of Upper Limb Elbow Joint Rehabilitation》的学术论文，针对可变刚度致动器(VSA)集成机器人，提出了一种仿生变刚度调制策略，用来提高双侧肢体协调能力，促进双侧运动技能的再学习。本文建立了上肢肘关节肌电协同参考刚度估计模型，通过独立的实时刚度控制，在患侧肢体上再现肌肉协同效应。此外，还结合了双向阻抗控制，实现了患者与机器人的柔性交互。初步研究了多任务强度对双侧运动技能再学习的影响。实验结果表明，该方法可以实现双侧大强度运动任务技能的再学习，进一步促进双侧肢体间协调能力的提高。

图1 PVSED的机械设计：（a）受试者佩戴的PVSED的原型；（b）受试者个体体型的适应性设计

为了实现高自适应独立刚度调节的肘关节运动辅助康复训练，在之前的工作上进行了改进，本文设计的PVSED为一种重量轻、便携、用户自适应的机械结构，肘关节有1个主动自由度(DOF)和5个被动自由度。此外，还有一个用于主动调节肘关节刚度的VSA。如图1所示，PVSED的主体结构主要包括后架、肩架、上肢架。每一个都有一个可调节的结构，以适应不同的用户特定的身体尺寸。此外，还设计了用于肘关节屈伸运动的主关节驱动器系统和用于自变量刚度调节的变刚度驱动器系统。其中，实现肘关节伸缩运动的主作动系统，肘关节的滑轮由电缆传动机构驱动，电缆传动机构与安装在后架的直流电机(Maxon RE-30石墨刷电机)相连。在独立刚度执行器系统中，VSA是在主机上实现的。VSA由固定在主机上的紧凑型直流电机(Maxon RE-13石墨刷电机)驱动的带有可移动枢轴的螺钉、一对对抗弹簧和用于与用户交互的输出链接组成。如果主机和输出环节之间存在缺陷，用户将感受到其中一个对抗性弹簧伸长而产生的弹性，从而产生柔性交互。

图2 PVSED的组成及变刚度原理

如图2所示，PVSED的变刚度原理可以根据刚度的定义来描述，定义为：

式中，为作用于输出环节的相互作用力，为VSA的弹簧力。是PVSED的力臂，它是一个常数。折转角可计算为。∕ 表示传动比。为实现适应不同任务的自变量刚度调制，RE-13电机通过滚珠丝杠旋转角度控制可动枢轴位置，可主动调节弹性元件与输出环节之间的传动比 ∕。因此，通过旋转RE-13电机的角度，将活动枢轴改变到相应位置，以接近所需的传动比 ∕，即可实现PVSED所需的输出刚度。如前所述，为了便于控制实践，刚度控制问题可以转移到RE-13旋转控制中。在试验中，输出环节固定在力传感器(MINI 4/20, BLAUTOTEC)上。通过旋转PVSED的主机，可以记录每个位置的力。带入测得的和旋转角度,即可通过公式计算出各枢轴位置的输出刚度。

图3 控制系统配置图

在本文中，设计了实现轨迹跟踪和独立刚度调制的整体系统配置，包括处理器单元、健康侧运动捕捉的运动感觉单元、PVSED运动感觉单元、肌电信号采集与处理单元、PVSED电机控制单元，如图3所示。选用Arduino mega 2560作为处理器单元，与各传感器通信，控制伺服电机控制器进行电机轨迹跟踪控制，实现肌电驱动协同参考刚度估计模型。对于轨迹跟踪控制，在健康侧肢体上放置一个惯性测量单元(GY-25 T倾斜角度模块)来捕获双侧训练任务的参考轨迹。另外两个分别连接在PVSED的输出环节与患病侧肢耦合采集实际位置，连接在PVSED的主体框架上计算VSA的缺陷。每个惯性测量单元通过i2c方法与处理器单元通信。在PVSED电机控制单元中，采用两台ESCON 50/5伺服控制器，通过处理器单元的PWM指令驱动主关节作动器系统的直流电机RE-30和变刚度作动器系统的直流电机RE-13。

图4 实验设置

采用双侧阻抗控制器与基于逆动力学的转矩控制器级联，实现人机耦合系统的柔性辅助控制，如图4所示。在实验阶段，受试者被指示站在监视器前，在本文中认为右侧肢体是受影响的一侧，故在右侧为其佩戴上PVSED。用酒精清洗皮肤以消除皮肤生物阻抗干扰后，将两个Ag/AgCl干电极连接在对侧肢体的二头肌和三头肌上，收集原始肌电信号。在实验中，受试者被要求自然地完成双侧卷曲运动任务。同时，记录健康肢体的原始肌电信号和两侧肢体的运动信息，用于刚度估计和辅助交互控制。

图5 低刚度工况、仿生变刚度工况、高刚度工况对比结果:（a）低刚度，无仿生可变刚度；（b）仿生可变刚度；（c）高刚度，无仿生变刚度。

如图5所示，从低刚度状态到高刚度状态，跟踪误差呈增大趋势，这也对应于刚度的增大趋势。这一现象与我们之前的研究是一致的，因为随着刚度的增加，产生相同的VSA偏差角的扭矩也在增加。在仿生变刚度条件下，PVSED输出刚度可以根据健康侧肌电信号计算出所需刚度来影响交互转矩，验证了所提出的仿生刚度调制策略的可行性。

结论：本文提出了一种结合双侧阻抗控制框架的肌电驱动仿生变刚度调节策略，旨在促进偏瘫患者双侧运动技能的再学习。通过初步实验对所提出的变刚度康复策略的可行性和性能进行了评价。不同负荷实验结果表明，该策略可在不同任务强度下将健康侧肢体的大范围双侧运动模式和技能转移到受损侧肢体。

提出的仿生刚度调节策略具有以下优点:

1)提出了上肢肘关节康复的仿生可变刚度调节概念，旨在促进肢体间协调和双侧运动技能的再学习。采用基于肌电图的协同参考刚度估计模型，通过肘关节对抗性肌肉的协同效应来解释双侧运动技能。

2)利用所提出的协同参考模型，双侧运动模式和任务技能可以由关节上指定拮抗肌肉的肌电信号定量表征。不同载荷下的对比实验结果表明，在0 kg、1.5 kg和2.5 kg条件下，平均刚度值分别为27.759 Nm/rad、30.459 Nm/rad和32.981 Nm/rad，侧肢可以根据需要的双侧运动模式感知不同的柔度辅助。

3)基于所提出的仿生变刚度调制策略，实现了基于人-机器人耦合系统逆动力学的双边阻抗控制框架，实现了参考轨迹跟踪。通过传递健康侧肢体的生物力学，进行结果对比，随着刚度和阻尼值从0 kg到2.5 kg的增加趋势(在 0 kg时，平均刚度为 27.759 Nm/rad，在1.5 kg时为30.459 Nm/rad到2.5 kg时为32.981 Nm/rad，其中的平均阻尼分别为3.68 Nm∙s/rad、3.85 Nm∙s/rad和3.95 Nm∙s/rad，平均跟踪误差呈减小趋势(4.96°、4.06°、2.77°))，通过相应的可变阻抗特性，证明可以实现患者与机器人的柔性交互。

全文链接：https://rdcu.be/dgoZi

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI4ODE4NDAwNw==&mid=2655158048&idx=2&sn=8b66aa9e84a4a2026ec7ca6fe6392931

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