通过将每个机器人测量得到的动力转化为上肢坐标系统,我们可以实现准入控制方案,在该方案中可以定位到上肢的特定关节进行援助。准入控制方案的功能是测量每个人DOF的转矩和动力,根据治疗师设置的刚度和阻尼参数来调节预期的关节位置。
使用较高的援助程度(高度性刚性设置),机器人谨慎遵守治疗师的规定动作。这比较适合较少主动运动的病人。降低援助的程度(较低的刚性设置)允许对规定动作有较大偏差,这适合于那些在较大范围主动运动的病人使用或者当病人的活动性提高时使用。模型中每个关节的援助可以独立改变,同时保留运动的协调模式。
实现
我们使用LabVIEW实时模块和NI 公司的接口卡实现iPAM实时控制器,执行控制器的信号I/O功能。输入传感器包括两个六轴动力变频器,六个非接触式旋转传感器,三个测量肩膀位置的电位器,和几个用于安全开关的数字输入。模拟输出信号控制12对压力调节阀,其在每个机器人关节处驱动低摩擦性气缸。该控制器完全基于状态,使代码具有逻辑性、可扩展性和易于审核。实时操作系统允许控制器确定性执行,有助于确保整个系统的可靠性和安全性。
物理治疗师使用客户端电脑,与用户界面一起启动,向病人提供指令、运动线索和与iPAM系统交互性能反馈信息。客户端使用TCP协议通过以太网与实时控制器异步通信。用户界面的主要组成部分是三维空间显示。在LabVIEW软件平台上使用基于OpenGL三维图片功能进行控制,它允许具体任务信息实时性地传递给病人。
试验性临床试验
我们分两次小规模试验性临床研究实现了iPAM系统,通过招募中风后导致手臂残障的26个病人,来参加长达20个小时的机器人治疗会议。每次会议包括近40分钟的运动机器人使用时间。在研究过程中,在使用运动机器人超过300个小时期间,iPAM系统辅助了超过 13,000个运动达到的动作。病人接受使用该系统的比例很高,一些病人表现出手臂运动性能的提高。在临床试验期间,病人没有表现出不良反应的情况。在两次试验的整个过程期间,实时控制器保持稳定。LabVIEW环境模块化特性使其对于原型设计和开发我们的系统来说是理想的选择。
根据新型和新兴技术应用基金方案(NEAT E027),这项工作得到了英国国家健康服务的支持。