机器人辅助运动功能康复中的控制和评估策略

机器人辅助运动功能康复中的

控制和评估策略

t任宇鹏1王广志1高小榕1季林红2

1清华大学生物医学工程系2清华大学精密仪器系

[摘要]本文介绍用于运动功能康复的辅助机器人系统并论证其可行性。文章分析其区别于传统工业机器人的技术难点和特点;总结现有辅助康复训练的控制策略和评估策略种类;最终提出新的基于BCI和三维上肢运动检测的控制和评估策略。

[关键词]神经康复,机器人,康复训练

[Abstract]These papers presented a robot-aided rehabilitation system for motor function and demonstrate the feasibility.The difficult y and characteristic were anal y zed,which were distin g uished from g eneral industrial robots.The strate g ies of motor control and assessment p rocedure in current robot-aided rehabilitation research were classified.Finall y,a new framework of control and assessment was raised,which is based on brain-computer interface and3D kinematicmeasurement of upperlimbs.

[Ke y word]Neuro-rehabilitation,Robot,Rehabilitative trainin g

引言

近30年神经康复领域中最重要的研究成果之一是阐明了中枢神经系统具有高度的可塑性(Plasticit y)。实验表明,特定的功能训练在此过程中必不可少,这为机器人辅助康复技术提供了重要的医学依据。随着现代中枢神经康复机理研究的进展,国外研究人员基于机器人技术在运动功能康复方面开展了大量研究,其研究目标是发展具有康复治疗和评价功能的机器人。此过程中,运动功能康复训练的方法如何通过机器人的控制策略得以实现,即在某种意义上如何代替或辅助治疗师为患者进行治疗,已经成为这类机器人控制研究的难点和热点。

随着辅助康复机器人的研究和使用,有望通过机器人和计算机控制技术,简化医师与患者/一对一0的繁重治疗过程,并建立新的康复评估方法,从而对运动功能的康复机制重新评估和理解,在此基础上进一步研究人脑控制肢体运动的机理。研究的基本思路如图1所示。在我国,康复医学事业仍然处于起步阶段,而患者数量多、治疗师资源缺乏。据此现状,发展机器人辅助肢体运动功能康复技术更具实际意义。

1.辅助康复控制系统的特点和难点)设计符合康复医学理论的康复控制策略

图10腔道微全系统示意图一协调,更需要各研究机构、大学、企业等优势互补,共同攻关,才能提高我国在该领域的竞争能力。我国在该领域的研究起步较晚,但目前在国外未形成成熟产业的情况下,有重点地加强研究开发力度,将缩小差距,并在某些领域获得自主知识,形成具有国际竞争力的产业群。

参考文献共6篇(略)

图1机器人辅助运动功能康复的研究方向

辅助肢体运动功能康复机器人的系统设计有其自身应用和设计的特点。不能在脱离运动功能康复理论和病患机理的情况下,直接引入工业机器人的控制策略和系统结构。否则,无法达到康复效果,并有可能造成患者肢体损伤,引起患者痉挛加重和不可逆转的运动功能障碍。因此,在控制和评估策略中要考虑以下问题:

(1)设计辅助康复的控制策略要基于神经生理学的运动功能康复方法,对辅助康复的对象要有严格的针对性。由中枢神经系统损伤造成的运动功能障碍,其病患部位不同、病患特性不同、不同恢复阶段对应的训练原则也不同。这就要求制定的机器人辅助康复控制策略应有严格的针对性,从而使辅助系统的应用符合医学标准并得到医师和患者的认可。我们现阶段所研究的辅助康复机器人仅针对脑卒中患者在恢复期的上肢运动功能康复,因此本文关于控制策略和评估策略的讨论也主要围绕上述对象。

(2)能够实现多种复合的运动模式的控制系统是实现辅助康复功能的前提条件。研究中,我们认为传统工业机器人所采用的步进电机或带有高减速比的直流电机的驱动形式不能同时满足所需要的随意运动(voluntary movement)、助力运动(assistant movement)、抗阻力运动(resisted movement)、被动运动(p assive movement)等多种康复辅助运动形式的实现。而无刷力矩伺服电机控制系统和交流伺服电机直接驱动是较

好的方案,能满足辅助康复训练的控制要求。

(3)机器人要感知患肢状态并采取相应的

控制策略。这是辅助康复控制的技术难点。患肢运动过程中,其肌张力的变化、肌肉痉挛的出现将会使系统负载和动力学参数发生不确定的大幅度改变,有可能使控制系统变得不稳定。而患肢运动信息的错误辨识将有可能造成肌肉组织撕裂、肌肉痉挛及结缔组织损伤。因此,在控制系统适应性、传感器技术应用、运动评估数据分析和算法方面需要作更深入的研究。

(4)控制系统要引入新的反馈环,其设计重

点在于如何提取和利用患者的主动运动意愿。实验表明,主动运动意愿的存在对康复效果有重要的积极影响。因此我们认为应在传统控制系统中增加主动运动的正反馈环和病态运动的负反馈环,如图2所示。其中辨别正确的主动运动和错误的病态运动,正是控制系统在信息辨识和处理方面的难点。

图2用于辅助康复控制的新反馈环节

I:传统控制框架;II:引入人体系统函数的反馈环

(5)要设计合理的评估策略和实验对照方法来验证机器人辅助康复的治疗效果。运动功能的治疗和恢复有着严格的时间性。其患者还不能因接受机器人的辅助治疗,而减少医师实施的正常治疗时间。因此,如何合理分析和排除非机器人因素对患者康复的影响,是对机器人效果进行评价的关键。要充分论证其与医学上的康复评估方法的相关性,才能得到医师和康复机构的认可。

2.机器人辅助康复的多种控制策略

近年来,机器人辅助康复的控制策略的设计逐渐与运动功能训练中的易化技术(facilitation)吻合。其特点在于:a.强调感觉对运动的重要性,利用感觉输入促进正常模式的运动功能; b.在治疗中要按人类的