文摘
由于日益增长的需求协助康复治疗手部运动,提出了一种机器人系统动员手的手指屈伸练习。给出机器人系统是由四个类型,机制,有能力以适应用户的手指长度小指从索引中,通过调整每个机制只有一个链接。轨迹由每个机制对应于每个手指的自然flexoextension路径。振幅的掌指的旋转关节(MCP)和近端指间关节(PIP)从0到90°和远端关节(浸)从0加速到60°变化;联合旋转自然协调。四个面向R-RRT机制允许一个15°绑架运动指数,戒指,和小的手指。这种机制的运动学分析是为了保证开发的位移速度和平滑加速度成所需的运动范围,并给出了仿真结果。重新配置机制覆盖大约95%的手大小的一群墨西哥成年人。最大轨迹跟踪误差小于3%,全方位的运动,它可以通过额外的手指关节旋转补偿没有受伤给用户。
1。介绍
残疾人的数量增加;因此,康复服务的需求也不断增加,由于人口增长和老龄化,新兴的慢性疾病,医学的进步,保护和延长寿命1]。世界卫生组织报道,“估计有10%的世界人口,约6.5亿人,经历某种形式的损伤或残疾”;大约80%的残疾人生活在发展中国家。绝大多数是贫穷和困难在获得基本卫生服务经验,包括康复服务(1),解决这个问题的另一种选择是使用机器人系统的康复治疗。机器人系统已经被证明加强手疗法通过整合集约和互动练习2,3]。莱文农证实“先进技术能丰富治疗,可以帮助患者不能定期到诊所接受治疗”(4]。“上肢障碍特别限制影响的独立学科”(5)和损伤的影响显著的执行日常生活活动(ADL)。有伤害就像骨折、扭伤和混乱导致暂时性残疾和他们需要动员运动康复治疗的一部分(6]。Fasoli等人的结论是,“机器人疗法可能补充其他治疗方法通过减少运动损伤在中度到重度的慢性损伤的人”(7]。另一方面,凯里等人的结论”,慢性中风患者接受跟踪培训表现出改善的跟踪精度和把握和释放功能,和这些改进是伴随着大脑重组”(8]。因此,Kitago等人坚固,有一个伟大的需要开发新方法的上肢卒中后康复。机器人neurorehabilitation的疗法是一种很有前途的形式,可以在高剂量比传统疗法(9]。此外,康复机器人也可以恢复过程的定量监测平台在一个康复计划由于标准化的实验装置和高重复性的运动任务。
不同的上肢康复机器人设备已经发展在过去的二十年里提供手运动疗法(5]。有不同的设计理念应用到机器人疗法,确定所使用的自由度和技术考虑。目标是开发一个训练平台,帮助病人恢复手的活动范围和把握对象的能力,最终使受损的手参与活动的日常生活10]。
在特定情况下手指的手,外骨骼,可穿戴的矫正法和手套,触觉接口和end-effector-based设备开发和评估,以促进康复过程(3,5]。外骨骼是设备的机械结构,反映了四肢的骨骼结构;也就是说,每一段的肢体关节运动连接到相应的设备。这种设计允许独立、并发和精确地控制在几个肢体关节运动。然而,更复杂的比一个end-effector-based装置(5]。这种方法的一个例子是HEXORR,手外骨骼康复机器人(10]。这个设备被设计来提供全方位的运动(ROM)的手的所有数字。拇指驱动器允许变量拇指运动平面合并不同程度的extension-flexion abduction-adduction。手指四连杆是由直流驱动,无刷电机。HEXORR机制只有一个旋转轴的掌指的关节指数小的手指,但手指关节的转动轴不共线。这个设备不考虑远端指间连接的手指。
可穿戴手套设备,如机械手套,它利用软制动器组成的塑造与纤维弹性钱伯斯增援,诱导特定的弯曲,扭转,扩展轨迹下流体增压。这些软制动器机械程序来匹配和支持单个手指的运动范围(11]。这些设备需要气动或液压设备,这是更复杂的比电力供应,尤其是对国内使用。手的变化大小可以使用这些设备的并发症。
触觉设备形式另一组系统与用户交互通过触觉和肢体的动员。触觉设备可以分为主动或被动,取决于他们的类型的驱动器。这种方法的一个例子是“触觉旋钮”,这是一个两个自由度的机器人界面训练手腕和手的运动和力的控制。“触觉旋钮”使用一个驱动平行四边形结构,提出了两个可移动的表面挤压的主题(12]。这个设备的执行等ADL把握和操作对象。
end-effector-based系统的优点是简单的结构,从而减少复杂的控制算法。然而,很难分离某一关节的具体动作。罗格斯手主二世是一个力反馈手套由气动活塞位置的手掌的手,拇指提供力反馈,指数,中间,和戒指的手指13]。指尖一个线性发展轨迹,其振幅取决于气动活塞的长度。王维是一种商用设备,提供端点控制每个手的位数固定轨迹沿着线性电动马达(14]。在这种情况下,指尖一个线性发展轨迹。
可重构机器人系统的设计,提出了Ro-Share,优势对提到的设备。首先,它的设计,以便每个指尖发展自然flexoextension轨迹考虑每个手指的关节协调运动链。每个手指的自由移动而迫使其关节的转动轴对齐。只有一个致动器为每个机制,调动一个手指是必要的。每个机制都可以进行调整,以曲柄的长度调整手指长度的链接。手长度的变化可以高达16%的男性和女性成人从18岁到90岁之间特定的人口15]。因此,机器人系统指导手指的指尖,指数,中间,戒指,和小指,屈伸练习提出,必须能够适应手指大小通过只有一个链接长度调整。
2。方法
2.1。手运动学模型
的一般结构人手可分为两组运动分析。第一组是由骨头的手腕子,第二掌骨链接和趾骨的五位数16,17]。一个现实的方法,用于flexoextension练习手指的康复疗法,认为小指的手指从索引中一个运动链与3链接,趾骨和4自由度(自由度)。拇指的运动链有3个链接,掌骨的(MC), 2趾骨,5自由度。的的手掌被认为是一个固定的基地。在这种方法中,食指与小指,掌骨(MC)代表每个运动链的固定基地。这是补充的近端指骨(PP),内侧指骨(MP)和远端指骨(DP)链接,如图1。横行(MCP)有两个自由度,和趾关节近端(PIP)和远端(下降),只有一个自由度。P代表了指尖,移动的运动链。连接的拇指腕掌的是(TCMC) 2自由度的掌指的(生产TMCP) 2自由度,和近端关节(PIP)有一个自由度。
Denavit-Hartenberg (d - h)约定用于定义每一个四运动链18,19]。表1介绍了d - h参数的运动链,垂直距离,LMP(和自民党的名义长度近端,内侧,分别和远端趾骨。
方程(1)描述了指尖的位置和方向11]: 在哪里代表了一个数组,其中包含指尖的位置和姿态,和是手指的指示器:指数= 2,中等= 3,环= 4,和小指= 5,因为1是预留给拇指。代表向量用于定义坐标系原点的每个手指的运动链相对于一个固定参照系底部的手。是定义几何变换的齐次变换矩阵之间的每个手指的运动链的起源及其技巧。根据(16,17),手指关节的旋转表所示2。图2显示的路径flexoextension运动链的三个中指指骨。这条道路的指尖()的初始运动要求flexoextensor机器人系统的机制。
2.2。提出R-RRT机制
简单的特点、模块化和低成本的建设和维护是可取的设备协助康复治疗(20.]。最重要的标准是病人的安全;因此,R-RRT flexoextensor机制的一系列运动机械有限公司,以避免手指伸展过度。flexoextension路径的跟踪精度是第二个方面的重要性,因为连续的和温和的运动是期望从一开始(路径(结束))。因此,应该运动的位置和速度控制。练习可以开始运动的低振幅、低速度和增加幅度和速度全方位的弯曲和扩展。治疗必须由专业的理疗师总是监督,以避免突然的移动会引起疼痛或进一步损害病人。在应对上述要求,系统由四个四连杆式曲柄滑机制(R-RRT)动员的手指从索引中小指。
图3显示了中指相应的机制设计。直流伺服电动机驱动器C点滑动的直线导轨通过螺钉,上述原因半圆的动作点B的可变长度曲柄(VLC)。最后,指出D flexoextension耦合器连接发展的路径。点D是附加到指尖P通过顶针保护医疗用胶带。顶针有unactuated接头连接与链接2(耦合器)在点D;它允许顶针和自然的自由旋转方向的远端指骨。作为额外的安全,限制传感器检测当机制达到的位置最大弯曲或扩展,指出电子控制器这些职位。R-RRT式曲柄滑块机构,选择自扩展耦合器链接发展路径提出了图非常相似2。每个flexoextensor机制(R-RRT)发展flexoextension路径的末端耦合器的扩展链接(D),图4(一)。
(一)
(b)
每个手指的长度定义的尺寸相应的机制。flexoextensor的合成机制从一个执行轨迹生成方法使用3精密分耦合器连接的基于曲线(21]。
主要约束耦合的扩展链接的长度,必须大于曲柄的长度,,以避免碰撞的手指和机制。链接2的长度耦合器的扩展链接,,是由(2)和(3),分别 由于手摇曲柄的长度决定了范围的运动设在flexoextension的路径,图2旋转的角度,图5(一个);在这之后,感动点的旋转路径用齐次变换矩阵h .最后,开始和结束的路径与轴是一致的和最大弯曲的位置满足点,图5 (b)。
(一)
(b)
计算旋转角度 在哪里,,,最大弯曲位置的坐标是()和最大扩展位置(轴)的自然flexoextension路径和。最后,计算曲柄连杆的长度 在哪里和轴上的坐标吗头寸的最大扩展和最大弯曲自然flexoextension路径的旋转角。
一旦合成机理、路径的方向是由一个旋转的恢复机制的角度(同等幅度比但相反的方向)。之后,一个迭代的数值方法来减少错误路径后来使用(22]。
2.3。重新配置R-RRT机制
每个病人都可能有不同的大小,因此需要重新配置机制能够适应flexoextension路径。因此,重新配置方案修改点的路径耦合器的环节提出了以遵循的路径flexoextension手指的大小不同。一群墨西哥人口,平均大小为十八岁到90岁之间的成年人估计= 175.62毫米的标准偏差毫米(15]。如果我们认为一个正常的概率分布,然后,在区间[,),大约95%的墨西哥人口的手大小是理解。因此,据估计,手的大小从158.39到192.85毫米不等。曲柄连杆的长度是直的一半flexoextension旋转路径的长度设在。然后,改变曲柄连杆的长度可以修改的路径点的振幅的机制。可变长度的设计曲柄链接(VLC)提出了图6的长度其外部节点之间和不同长度的比例。VLC是由被动旋转接头连接的两个链接,点和终端连接的螺丝链接5点通过一个球关节,只允许旋转。螺丝和链接之间的其他联系人4是通过螺母;所以当螺杆转动,各不相同。相似三角形形成的点和,图6,有角,这是由余弦定理 在和的长度是和线,分别拥有相同的长度,。
长度被定义为 在和的长度是和分别有相同的长度,。
2.4。运动学分析R-RRT机制
为了验证监测道路flexoextension拟议的机制,运动分析合成机制的执行和跟踪误差的计算路径。向量循环方法用于位置分析(21]。右手坐标系定义和一个当地的参考系,位于点固定链接0。每个机制都有一个点,这是旋转的曲柄,链接1。点在联合耦合器连接曲柄链接,链接2;点发展一个圆形的半径等于曲柄的长度。点,相应的幻灯片,继续一个线性轴平行设在。最后,点位于耦合器连接的扩展,形成一个椭圆路径,在180°≤θ≤360°,类似于flexoextension路径图2。
向量和分别对应连接1和2,图4 (b),所以,他们的大小是常数。点定义的是根据角矢量的大小不同,因为它是向量的总和和。的矢量有以下组件:滑动轴平行的幻灯片这是常数和对应的偏移量的长度()扩展滑动轴的轴线与主之间的链接21]。最重要的一点是,因为它执行所需的路径和被定义为向量的总和的结果和向量(8)。的大小向量是恒定的,因为它对应的扩展长度耦合器连接;角表示是一个常量值,决定了方向向量。
位置方程(8),速度方程(9)和加速度方程(10)的点计算表达式: 在哪里段的长度是,段的长度是,和分别是角速度和加速度。
3所示。结果
3.1。施工参数
flexoextension的可重构机器人系统是由四个四连杆机制,它是一个变量高度前臂和手掌支撑基础上,数字7。表3显示参数的指数对应的四种机制建设,中间,戒指,和小的手指。
图8显示了行为的位置、速度和加速度的点的中指的机制- - -相互重合。观察到的是,所有的曲线光滑连续的范围从最大的路径扩展()最大的手指弯曲()。
图9说明的最后工作区域flexoextensor中指的情况下可重构机制。中央路径对应的平均大小(175.62毫米)和外部路径对应于最低(158.39毫米)和最大(192.85毫米)的大小墨西哥成年人18 - 90 (8]。最新的两条路径之间的区域对应的面积扩大了重新配置工作可变长度曲柄连杆(VLC)。然而,调整后手柄的长度,它不会移动,直到所需的另一个病人。
3.2。路径跟踪误差
为了确定跟踪误差根据自然的flexoextension路径的中指,之间的差别和向量测量。最大误差的值为2.98%。图10显示的图像误差的范围内运动的曲柄链接。
(一)
(b)
病人的手大小是有界的158.39毫米到186.63毫米,分为八个间隔4.30毫米的增量。耦合器的长度恒定值的链接= 436.44毫米,长度的扩展耦合器链接= 84.33毫米,角耦合器的扩展链接β= 80°= 1.396弧度,只有修改链接的长度和路径如图11。表4显示的值九手大小和最大跟踪误差。
3.3。绑架运动
自然延伸动作的手的手指,绑架运动也是由指数、环、小指。MCP关节弯曲时,外侧韧带紧张;它使绑架运动困难的或不可能的16]。索引、环和小手指绑架的主要振幅运动30°[Cobos]。的位置每个R-RRT机制最大弯曲点作为参考;在这种情况下,中指不开发绑架;然后,中指机制与手臂纵轴方向平行。机制取向指数,戒指,和小手指允许一个绑架运动,始于0°最大弯曲和以一个角度γ在最大的扩展。如果这个角γ需要的价值最大绑架的一半;然后,γ= 15°。结果是一个绑架运动15°参照中指、食指和无名指和15°的小指与无名指参考。这导致了舒适的运动四个手指,指数小指,掌指的关节运动flexoextension和绑架。
4所示。结论
可重构机器人系统的设计可以适应flexoextension手的大小;它是功能性和实用性之间达成妥协的结果所需的运动手指康复疗法的一部分。手指的运动执行后自然flexoextension路径和防止过伸,确保手指不执行不自然的动作。四个面向R-RRT机制允许一个15°绑架运动指数,戒指,和小的手指。四种R-RRT机制的重构性允许系统适合每个病人的手大小,允许关注更大的人口比例考虑设计。
我们的建议的一个优点是有关病人舒适;也就是说,病人的手不应该携带任何东西,因为它是基于系统。这是一个优势在手套或外骨骼的质量必须加载用户的手。该系统将提供所需的力量移动手指,让理疗师,通过电子控制系统,监控和记录的进展进行评估和康复病人的进化协议。莱文农说,“…技术是下一代的语言和治疗师必须适应类型的治疗能够提供他们的客户,他们需要启用使用家庭将来与客户及重要设备”(4]。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢金融支持的机构:Instituto Politecnico Nacional大学Tecnologica德地方,CONACYT也CRIQ Centro de Rehabilitacion积分de地方和治疗师的建议和讨论康复协议。