劉壯 朱純煜 朱越 劉蘇 喻洪流,3 李素姣,3

0 引言

目前,腦卒中是導(dǎo)致肢體功能障礙的最主要因素之一[1]，約80%的腦卒中患者出現(xiàn)上肢偏癱。偏癱患者主要表現(xiàn)為自主運動能力喪失，無法實現(xiàn)自我生活照護(hù)[2]。醫(yī)學(xué)理論和實踐證明，規(guī)范、系統(tǒng)的早期康復(fù)治療對腦卒中患者恢復(fù)其運動功能起著至關(guān)重要的作用[3]。

通過康復(fù)訓(xùn)練可以提高患者的肌力及活動度，防止肌肉萎縮，且鍛煉還會刺激神經(jīng)系統(tǒng)，提高其活躍性，促進(jìn)腦細(xì)胞功能的恢復(fù)，改善上肢運動功能及認(rèn)知功能，提高生活質(zhì)量，為康復(fù)治療提供了全新的治療方式[4]。傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練主要由康復(fù)醫(yī)療師對患者的一對一輔助訓(xùn)練來完成，這種被動式訓(xùn)練方式耗時耗力，訓(xùn)練效果受到治療師手法和體力等因素的影響，導(dǎo)致部分患者的康復(fù)效果不佳，進(jìn)而影響患者的康復(fù)進(jìn)程。

隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人在康復(fù)和動力輔助相關(guān)領(lǐng)域呈現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。研究顯示，利用康復(fù)機(jī)器人技術(shù)對肢體功能障礙患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練具有重要意義[5]。目前，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)已經(jīng)研發(fā)了不同自由度和功能的上肢康復(fù)機(jī)器人，比如瑞士Hocoma公司研發(fā)Armeo Spring外骨骼康復(fù)機(jī)器人，功能全面、技術(shù)成熟，但是設(shè)備比較復(fù)雜；Fellag等[6]設(shè)計的基于滑動控制的上肢外骨骼機(jī)器人，是一款擁有5個自由度的用于康復(fù)的外骨骼機(jī)器人，該外骨骼采用末端固定式，使用者只能坐在椅子上進(jìn)行康復(fù)，導(dǎo)致活動范圍受到極大的局限。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這些上肢康復(fù)機(jī)器人具有多個自由度，活動范圍較大，但同時也導(dǎo)致設(shè)備體積較大，不利于攜帶。此外，部分外骨骼機(jī)器人缺乏實時檢測患者恢復(fù)狀況的功能，在一定程度上影響了患者的治療效果。

基于目前上肢外骨骼機(jī)器人存在的不足，本文研發(fā)了穿戴式上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人。該設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，體積小，重量輕，便于攜帶；控制系統(tǒng)包括肌電、應(yīng)力、姿態(tài)采集等單元，并設(shè)計了主動、被動和助動三種訓(xùn)練模式，可實時檢測患者肌肉恢復(fù)狀況，解決訓(xùn)練模式自適應(yīng)不足的問題。

1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文提出的穿戴式上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)包括肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)模塊，用于實現(xiàn)肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的屈曲和伸展運動，其中肘關(guān)節(jié)具有主動、被動和助動三種訓(xùn)練模式的主動自由度，腕關(guān)節(jié)為主動自由度無電機(jī)驅(qū)動。外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 外骨骼整體機(jī)械結(jié)構(gòu)

上臂設(shè)計的固定臂托和前臂固定架與穿戴者的手臂通過綁帶固定，可靈活調(diào)節(jié)綁帶長度以適應(yīng)穿戴者的臂粗。

前臂設(shè)計了滑軌，前臂固定架、套可以在滑軌上滑動，以適應(yīng)穿戴者的臂長，并保證了穿戴者與外骨骼肘部關(guān)節(jié)中心的連續(xù)重合。

肘關(guān)節(jié)模塊機(jī)構(gòu)由前臂滑軌、前臂套、扭矩傳感器、上臂托、電機(jī)、電機(jī)架以及同步帶輪等結(jié)構(gòu)組成。為整個外骨骼系統(tǒng)定制的MAXON直流諧波減速電機(jī)(直徑43 mm，長71 mm，減速比100)作為動力源，輸出12 N·m的力矩，符合設(shè)計要求。為了防止外骨骼對人體造成二次傷害，肘關(guān)節(jié)設(shè)計第一重機(jī)械限位(0°～140°)。此外，在外骨骼上創(chuàng)新性地安裝了姿態(tài)傳感器(MPU6050模塊)，實時采集肘關(guān)節(jié)角度信息，在軟件程序中設(shè)計第二重限位保護(hù)。

腕關(guān)節(jié)模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)依據(jù)人體仿生學(xué)設(shè)計了前臂固定架、連接塊以及手柄等結(jié)構(gòu)。腕關(guān)節(jié)模塊的主動自由度無電機(jī)驅(qū)動設(shè)計，保證患者在進(jìn)行肘關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的同時，腕部也可以得到充分的訓(xùn)練，再配合手柄的抓握設(shè)計，完全符合訓(xùn)練需求。

為保證上肢外骨骼的舒適性和輕便性，機(jī)械結(jié)構(gòu)的滑軌部分為鋼制材料，其余部分如前臂固定架、上臂托、連接塊等結(jié)構(gòu)均采用3D打印，以減輕穿戴外骨骼時的負(fù)重感。

2 控制系統(tǒng)

上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計框如圖2所示，包括主控芯片、數(shù)據(jù)采集單元、驅(qū)動單元、系統(tǒng)電源等部分。

圖2 上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)

考慮到整個外骨骼系統(tǒng)在使用中需要滿足輕便的條件，本文選用STM32芯片組成的嵌入式系統(tǒng)?？晒┻x用的芯片分別是STM32F103、F407、F767芯片。其中F103芯片的ADC通道數(shù)最少(21通道)、主頻最低(72 MHz)；F4和F7芯片的ADC通道數(shù)目相同(24通道)，F(xiàn)4芯片主頻168 MHz；F7芯片主頻最高(216 MHz)。綜合芯片性能和成本，F(xiàn)407芯片ADC通道數(shù)、主頻等滿足控制系統(tǒng)需求，最終選定F407芯片為嵌入式系統(tǒng)主控芯片。主控芯片主要完成多傳感器數(shù)據(jù)采集、處理，發(fā)送控制指令驅(qū)動外骨骼運行等功能。

數(shù)據(jù)采集單元包括肌電電極、拉壓力傳感器(量程0～20 kg)、扭矩傳感器(量程0～20 N·m)、姿態(tài)傳感器(量程0～180°)。肌電電極、拉壓力傳感器和扭矩傳感器采集的數(shù)據(jù)，需要通過主控芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，ADC)，再進(jìn)行軟件濾波。本文設(shè)計了多通道ADC同時采集(多傳感器)，引入直接存儲器訪問(direct memory access,DMA)來幫助主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)搬運，以保證系統(tǒng)的實時性，同時提高效率。姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)在解算后通過通信串口將數(shù)據(jù)傳給主控芯片，主控芯片通過串口將所有數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)(GUI界面)。實驗表明，上位機(jī)實時顯示表面肌電信號值、負(fù)載值、肘關(guān)節(jié)扭矩值以及上肢肘關(guān)節(jié)運動角度等信息，有助于患者了解自身的情況，吸引患者全身心投入到康復(fù)訓(xùn)練中。

驅(qū)動單元由MAXON電機(jī)以及配套的驅(qū)動器等組成。電機(jī)安裝前需要使用EPOS Studio上位機(jī)軟件配置調(diào)試，調(diào)試結(jié)束可與主控芯片通信。本文采用CANopen協(xié)議來進(jìn)行主控芯片與驅(qū)動器之間的通信，因為CANopen網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性，并且CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

為了提高患者康復(fù)訓(xùn)練的效率，本文設(shè)計了主動、被動和助動三種訓(xùn)練模式軟件程序。軟件系統(tǒng)主控程序流程如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)主控流程

系統(tǒng)開始工作后，進(jìn)入初始化程序(初始化過程設(shè)計了自動歸零程序，防止誤操作造成不必要的損傷)，隨后等待患者選擇模式，系統(tǒng)在接收到按鍵鍵入信息后，進(jìn)入相應(yīng)的模式。主動-助動模式下，采集人體的肌電信號，主控芯片對肌電信號進(jìn)行預(yù)處理，再通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測關(guān)節(jié)角度，根據(jù)預(yù)估值給驅(qū)動器發(fā)送控制指令，驅(qū)動外骨骼電機(jī)帶動患者完成康復(fù)訓(xùn)練。被動模式下，按照設(shè)定的運行模式完成康復(fù)訓(xùn)練，同時采集患者的表面肌電信號并通過上位機(jī)顯示，醫(yī)生和患者可實時觀測肌電信號。

考慮患者在康復(fù)訓(xùn)練中的需求，在軟件程序中創(chuàng)新性地設(shè)計了擋位調(diào)節(jié)功能，以隨時調(diào)整擋位大小(0°～140°)。

3 外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)性能實驗

3.1 受試者信息

實驗過程中需采集肌電信號，選擇肘部運動屈肌肱二頭肌和伸肌肱三頭肌這對拮抗肌。本研究招募的5名健康受試者均是高校學(xué)生，無肌肉損傷、肌肉骨骼病史，在實驗開始之前，確保受試者無劇烈的肘關(guān)節(jié)運動，避免肌肉疲勞而引發(fā)測量數(shù)據(jù)的偏差。受試者穿戴外骨骼，整體運行性能安全可靠。

3.2 上肢外骨骼助力性能實驗

為了探究受試者穿戴外骨骼時肌肉激活程度，驗證上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人給上肢提供助力完成助動訓(xùn)練的可行性，建立表面肌電信號與肌肉激活程度關(guān)系模型，得到對應(yīng)肌肉的神經(jīng)激活水平即肌肉激活程度[9]：

式中：a(t)為肌肉激活程度，a(t)∈[0，1]，肌肉處于最大自主收縮狀態(tài)時a=1，肌肉未激活時a=0；A為非線性形狀因子；U(t)為經(jīng)過預(yù)處理后的表面肌電信號。

受試者做兩組對照實驗，一組是在無輔助力情況下，克服上肢和外骨骼前臂重力完成屈-伸肘運動；另一組是有輔助力下，完成肘部運動。上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人助力性能實驗場景如圖4所示。

圖4 上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人助力性能實驗場景

受試者屈肘實驗的肘部運動屈肌肱二頭肌激活程度如圖5所示，伸肘實驗的伸肌肱三頭肌激活程度如圖6所示。

圖5 肱二頭肌激活程度

圖6 肱三頭肌激活程度

由圖可知，無輔助力完成運動的情況下，肱二頭肌、肱三頭肌激活程度分別達(dá)到0.53和0.16；有輔助力的情況下，肱二頭肌、肱三頭肌平均激活程度分別達(dá)到0.21和0.05。由此可知，受試者肱二頭肌、肱三頭肌肌肉激活程度在有-無輔助力時分別減弱約32%、11%，驗證了上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人給上肢提供助力完成助動訓(xùn)練的可行性。

3.3 上肢外骨骼肌電控制性能實驗

為了驗證肌電信號預(yù)測關(guān)節(jié)運動角度能否滿足控制需求，驗證外骨骼輔助人體完成主動訓(xùn)練的可行性，受試者左臂分別進(jìn)行肘關(guān)節(jié)屈伸動作。實驗時，受試者左臂貼肌電電極如圖7所示，右臂穿戴上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人。

圖7 左臂肌電電極位置

左臂肌電信號通過肌電電極傳輸?shù)街骺匦酒ㄟ^表面肌電信號與肘關(guān)節(jié)角度的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測關(guān)節(jié)運動角度，選取最大的關(guān)節(jié)角度作為真實角度，真實角度作為上肢外骨骼肘關(guān)節(jié)運動的目標(biāo)角度[10-12]。在運動過程中，姿態(tài)傳感器將上肢外骨骼跟隨目標(biāo)角度值的運動角度傳到主控芯片，主控芯片通過串口將外骨骼角度發(fā)送到上位機(jī)顯示。對比真實角度和上位機(jī)顯示的外骨骼角度，5位受試者肌電信號預(yù)測關(guān)節(jié)角度準(zhǔn)確率分別93%、95%、96%、94%、97%，平均值為95%。

由此可知，上肢外骨骼活動角度在人體正常范圍之內(nèi)，外骨骼的跟隨運動與受試者真實運動意圖差異性較小，準(zhǔn)確率約95%，驗證了外骨骼輔助人體完成主動訓(xùn)練的可行性。

3.4 上肢外骨骼應(yīng)力測試實驗

為了驗證拉壓力傳感器和扭矩傳感器實際測量值的準(zhǔn)確度，驗證外骨骼輔助人體負(fù)載重物完成被動訓(xùn)練的可行性，受試者穿戴外骨骼在被動模式下完成如下實驗。選用50 g、100 g、200 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼，進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)測試。拉壓力傳感器實驗測得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 拉壓力傳感器實驗數(shù)據(jù)

扭矩傳感器實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 扭矩傳感器實驗數(shù)據(jù)

實驗中可能因為砝碼自身以及實驗需要掛鉤懸掛砝碼等原因?qū)е挛⒘空`差，但是實驗結(jié)果表明，拉壓力傳感器和扭矩傳感器測量值誤差均低于5%，驗證了外骨骼輔助人體負(fù)載重物完成被動訓(xùn)練的可行性。

4 討論和結(jié)論

本文提出一種穿戴式上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，機(jī)械結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，體積小，重量輕，便于攜帶，控制系統(tǒng)包括肌電采集、應(yīng)力采集、姿態(tài)采集等單元，并設(shè)計了主動、被動和助動三種訓(xùn)練模式，解決了部分設(shè)備無法實時檢測患者肌肉恢復(fù)狀況、訓(xùn)練模式自適應(yīng)不足等問題。此外，該設(shè)備還有其他設(shè)備不具有的肌電信號估計肘關(guān)節(jié)角度功能。

實驗表明，上肢外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)運行安全可靠，受試者穿戴外骨骼在有輔助力情況下的肌肉激活程度平均降低約21%，肌電信號預(yù)測關(guān)節(jié)角度準(zhǔn)確度約95%，應(yīng)力檢測值與負(fù)載實際值誤差低于5%，驗證了上肢外骨骼機(jī)器人給人體提供助力、提高患者自身的參與度以及輔助人體負(fù)載重物的可行性，可以進(jìn)行輔助患者進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練。