使用下肢康复患者数据

文摘

本研究的目的是调查6自由度并联机器人的性能跟踪脚的运动轨迹的局部麻痹的腿在一个大步。脚轨迹的9名患者局部麻痹的腿,包括雄性和雌性都已经被Vicon系统测量、分析一个步态实验室。基于6自由度UPS并联机器人的运动学和动力学分析,研制了一种算法在MATLAB的长度来计算所需的执行机构和他们的力量在所有轨迹。机器人的工作空间和奇异点在九个不同情况下被调查。6自由度UPS并联机器人原型高重复性的设计和建造,以模拟一个大步。结果表明,该机器人能够跟踪所有的轨迹与1.2毫米的最大定位误差。

1。介绍

神经损伤如中风、创伤性脑和脊髓损伤可以导致下肢残疾(1]。中风是第二个最常见的原因死亡和残疾的主要原因在欧洲(2]。密集的努力需要治疗师和患者在传统康复会议;此外,44%的患者康复理疗将未来问题[3,4]。通过使用机器人技术,所有劳动密集型操作将由机器人协助康复设备和基于获得的数据诊断、定制的治疗将促进5]。

主要有两种类型的机器人协助下肢康复设备可以包括可穿戴设备和基于平台的设备(6- - - - - -8]。功能恢复的步态下肢功能恢复的可以是一个指标,专门为踝关节(1]。几种不同的机器人已经发展为下肢康复,如罗格斯IT-HPARR, AKROD,要点,NUVABAT [9]。并联机器人可以用于下肢康复,运动疗法,和肌肉力量训练。运动疗法可以在五种不同的方式进行,包括被动,活跃,active-resistive, active-assistive,和双边演习;每一个这些模式需要从患者不同程度的参与。在力量训练中,致动器应用阻力来提高用户的肌肉力量。基于证据,治疗师建议active-assistive练习为病人提供功能性利益做练习手册援助的最低水平(1]。然而,选择适当的控制策略和康复系统为一个特定的下肢残疾仍在研究和它应该作进一步的调查10]。

罗格斯大学的研究人员专注于机器人康复系统的发展和影响在不同的研究11- - - - - -17]。发现罗格斯的组合系统,虚拟现实(VR)系统会导致更好的结果在卒中后患者的步态而不是单独使用机器人(12,14]。在[10,18),罗格斯大学系统已经用于脑瘫患者,人们已经发现,提高了患者的生活质量,增加他们的脚踝的力量和运动控制。在另一项研究中,一个six-degree-of-freedom并联机器人,名叫r - 2000,被用来模拟一个步态周期和地面反应部队体外,体内获得基于数据从一个步态(19]。

有不同的优化技术等机械手的轨迹选择最低寻找算法,遗传算法、多目标优化、最小时间轨迹,最低能量轨迹,无碰撞轨迹。所有这些技术都是基于运动学和动力学约束的机械手在运动的路径。动力学的结果相比更现实的运动学的结果的拟合在关节转矩约束和限制20.]。在另一项研究中,一种混合的并联机器人的路径规划9自由度已成功研究机器人跟踪时脚健康受试者的轨迹21,22]。

在另一项研究中,对踝关节康复并联机器人设计和建造能够执行只有两个旋转,由于前两个动作是占主导地位的行动在脚踝康复23]。确定适当的对机器人的运动轨迹,有不同的方法如造型基于规范的轨迹运动(24- - - - - -26];预录的轨迹得到步态分析(27,28];和预先录制的轨迹在治疗师帮助(29日,30.]。

摘要6自由度并联机器人的性能在下面真正的病人数据基于机器人的运动学和动力学分析被调查。在跟踪机器人的能力全方位的练习使用健康的参与者将被认为是在一个单独的研究。本研究的目的是测试的功能6自由度UPS并联机器人轨迹跟踪脚轻瘫的病人关于机器人的约束。一个6自由度UPS并联机器人设计和建造,以跟踪9的脚轨迹的局部麻痹的腿轻瘫的病人在一个大步。它认为病人会使用机器人在坐姿和所有必需的权力来执行运动将致动器提供的。系统开发和中风幸存者的使用,尤其是对于那些在经济复苏的早期阶段。个性化定制基于预先录好的脚机器人的运动轨迹的患者是一个基本的和必要的问题在康复的过程将在本研究中解决。

2。步态分析

2.1。参与者

共有9个病人包括四个女性和五个男性出席了西米德兰兹郡康复中心的物理康复治疗中风后的第一次会议。组的平均年龄是49.3岁从21日到68年。参与者完成了知情同意的形式参与本研究,获得了相关的伦理审批。三个女性,如图1(一),1 (g),1 (h)和三个雄性,如图1 (d),1 (f),1(我)身体的右侧,瘫痪,其余的,如图1 (b),1 (c),1 (e)左侧瘫痪。图中所示的男性参与者之一1 (c)和一个女性参与者如图1(一)沃克在步态分析。除了一个男性如图1 (e)在测试期间,所有其他参与者穿鞋。

2.2。测量

步态实验室配备12 Vicon相机(频率为100赫兹),包括6个MX3 +和6个MX T40相机。两个数字50 Hz相机中使用了矢状和横向飞机。Vicon摄像机同步有两个力板块和Ampti(基斯特勒公司最佳状态)是用于实验室收集数据采样频率为2000赫兹。在数据收集之前,摄像机校准在2.8米²校准体积。16个反光标记放置在参与者的权利和左腿步态参数记录。标记的位置被Vicon测量系统和时间空间参数,线速度,标记和加速度的计算。万向节的角度系统的基础上,联合运动计算。关节的合力是通过应用逆动态计算。平均每条腿的数据是在成功的试验。

一组三个标记连接到大腿,小腿和脚段。在开始实验之前,高度,质量,和所有参与者的人体测量尺寸测量包括骨盆深度,膝盖宽度、时尚气息,sphyrion高度。

每个参与者被要求在10米人行道行走与自我选择的速度。六个成功的试验收集每条腿总12试验每个参与者。脚段的轨迹计算的测量轨迹的附加标记1、2和3,放在脚跟,脚踝关节,和脚趾,分别如图2。平面的法向量计算由这三个标记由以下方程: 在哪里,,代表脚后跟的位置、踝关节和脚趾标记,分别。

3所示。分析并联机器人

3.1。物理模型的发展

并联机器人的运动学研究基于定位的范围和线性翻译脚的部分。并联机器人的驱动器的长度和致动器力计算;然后研究了机器人的奇异区域基于-欧拉公式在解决31日- - - - - -33]。

遵循的轨迹一只脚在一个步态周期,一个算法是在MATLAB开发的长度来计算每个执行器的执行机构和所需的力量基于运动学,动力学,奇点,机器人工作空间的设计。所需的步态轨迹测量的实验室和进口机器人的控制系统。机器人与MATLAB的CAD模型,遵循相同的轨迹。机器人面临的任何约束,奇异点,或工作空间的限制,寻找下一个可以沿着轨迹点。

基于six-DoF运动学和动力学分析,建立了昆虫在伯明翰大学的34),如图3,使用六30厘米的线性伺服驱动器与中风,操作速度每秒(12 V)的55.88毫米,11.33公斤的动态信任(12 V),和静态信任(12 V) 226.79公斤连接到顶部和基地由六个滚动球形关节(SRJ016C)和六个万向节。超轻型G6聚碳酸酯脚穿可调肩带被放置在顶部的平台。微控制SSC-32用于UPS机器人的运动控制。

一个图形用户界面(GUI)设计了在MATLAB控制机器人的动作根据设计控制系统。步态实验室获得的轨迹被用作参考轨迹和误差值是连续计算的区别实际脚轨迹和机器人的末端执行器的轨迹。数据库,作为图书馆的各种康复练习,一直在嵌入式GUI使操作员选择最合适的运动康复治疗的下肢。三种不同的速度模式设计的机器人,包括慢、中、快,将用于不同的康复阶段。

3.2。平行的昆虫机器人运动的重复性

一个实验的可重复性和可靠性进行评价机器人的定位在静态模式下如下。机器人最初定位(0,0,120)毫米设在允许它在自由转换- - -相互重合。然后,机器人搬到−100毫米设在。一旦它已经停止移动,机器人搬到+ 100毫米设在然后再搬回−100毫米。的行程长度最短的执行机构与一组游标卡尺测量。然后,运动三次重复和中风是测量另一个生产四组数据所需的位置。这个过程重复了几个机器人的工作空间区域内的其他行程。最后,机器人搬回翻译协调(0,0,120)毫米。上述过程重复所有轴的翻译。的设在翻译的范围略小于其他两个轴。

4所示。结果与讨论

在这项研究中,参与者的平均范围的运动踝关节在一个步态周期plantarflexion /背屈(8°、7.74°),内收/绑架(10.08°,3.35°),并在倒置/翻转(16.07°,3.65°),分别。

4.1。步态的结果

节2,我们解释了脚的轨迹计算坐标的基础上附加的标记。脚轨迹的所有参与者通过Vicon系统测量和数据分析了Vicon Nexus软件。腿是规范化的轨迹获得每个参与者在一个大步。平均平均轨迹在6试验计算个体患者为了使用机器人的控制系统。例如,参与者(a)的脚轨迹已经规范化,如图4(一)。脚最多达到120毫米沿着轨迹设在当脚到达68%的轨迹。腿瘫痪的地面反作用力和运动力板的测量。如图4 (b)力的变化范围- - -相互重合改变了从0到98 N,而这个值从0到810 N的变化设在。峰力设在发生在脚跟和脚趾都接触力板。在40%的轨迹,脚跟和脚趾触摸板的力,和52%的轨迹跟失去了接触力板。最大的地面反作用力在不同的轴被用作一个外力为了计算执行机构力量在脚轨迹。

4.2。可靠性分析

图表在图5的翻译和坐标显示出它们之间的明显的相似性,与偏差显示峰值在225毫米的位移(数字5(一个)和5 (b)),进入高原以外的峰值点(0.55和0.43毫米和、职责)。所有六冲程长度为225毫米的位移致动器分别为202.9,212.0,80.7,91.6,159.2,和139.5毫米。相比之下,在一个150毫米的位移设在,冲程长度是166.1,89.7,172.4,135.7,82.5,和122.2毫米。平均行程更长时间在225毫米,与几个中风达到超过200毫米的长度。这是接近接近250毫米的执行器的最大行程相比,中风在150毫米的长度。这是观察到的不可靠性增加中风的执行机构。理论上,如果所有的执行机构的性能,不应该有差异之间的数据产生的翻译- - -设在翻译。然而,小错误在测量过程不一致等长度的u形夹致动器将导致轴之间的差异。

正如预期,设在翻译相比,表现出不同的趋势- - - - - -,垂直位移发生在不同的平面上。比较的标准偏差的绝对值设在与其他翻译,它表明,致动器能可靠的3.65倍纯粹的垂直的翻译相比,横向运动。标准差仅达到0.171毫米(图5(一个))而不是0.420和0.624毫米的另两个轴的翻译。

翻译纯粹的设在有不同的特点,所有的致动器长度理论上是相等的位置。由于这个特征,所有的致动器只需要一起行动以同样的速度相对于其他翻译,这需要一些致动器在一个序列。这将导致一个更可靠设在运动。中使用的控制器平台(Lynxmotion SSC-32)是所有驱动器可编程同步运动;然而,由于驱动器的硬件上的固定的工作周期,这是不可能实现同步。

与执行机构的可靠性在翻译下,旋转运动显示波动的可靠性。然而,这种趋势不是随机的所有三个轴旋转显示峰值不可靠15至20度的旋转和一个类似高原超出这个范围。三个旋转视觉相似的“阶段”和特点。

4.3。机器人分析

机器人的工作空间是在MATLAB仿真对致动器的最大长度和关节约束为了找到可及边界的移动平台,如图6。最大的终端执行器的翻译- - - - - -,- - - - - -,相互重合是556毫米,556毫米和280毫米。

的轨迹的参与者(a)在MATLAB开发使用的程序为了找到特定运动的致动器的长度。计算长度传输接口程序(VBA)为了修改开发的汽车组装在SolidWorks CAD模型。开发一个算法在MATLAB计算执行机构的力量基于测量机器人的运动步态实验室和运动分析中的数据。致动器的军队为个案和平均值计算为所有参与者的轨迹计算在5.5年代,如图7。所需的力量执行器1和4之间开始293 N和243 N,分别和达到最大值450 N和370 N,分别在摇摆步态周期的阶段。力的趋势作动器2和5之间开始348 N和346 N和逐渐减少;然而,在4 s他们增加到最大值435 N和449 N,分别。致动器的力量3和6的趋势波动的立场阶段的步态,0 - 0.9的时间范围,然后他们两人达到了最大值100 N, N为4.4 s,分别。

脚在一个步态周期的轨迹一直紧随其后所有九个参与者的终端执行器,给图8。脚的轨迹测量步态实验室与MATLAB模拟机器人的轨迹。每个参与者的插图脚轨迹是平均6个成功的试验。轨迹测量脚瘫痪的病人在一个单一的步伐已经按比例缩小的设在两次脚从原始轨迹为了机器人的工作空间内。机器人可以移动278毫米的积极设在而最大的按比例缩小的轨迹是263毫米设在(图8 (e))。机器人能够跟踪所有9名患者的脚轨迹在一个跨步,虽然脚轨迹是不同的。机器人在家里开始了运动位置,而所有执行机构的行程大小为零。最初,计算机器人执行器的长度对预定义的轨迹,然后计算所需的力致动器应用天然气采收率。机器人在其运动的奇异性进行了调查关于机器人的关节约束和工作区。如果没有任何奇异点在机器人的轨迹,然后它开始运动。执行机构在其运动的速度是2.71厘米/秒,这是常数沿整个轨迹。在图8(一个),机器人达到66毫米设在;这是脚的时间达到最大的位置在一个大步。病人被要求尽可能地走在一条直线;因此,数据的变化−10毫米和+ 10毫米之间。脚轨迹非常相似的趋势在所有情况下,所以机器人沿着相似的轨迹。然而,它是非常重要的个性化的轨迹运动以来患者个体小运动关节的运动范围会导致严重伤害病人。

机器人已经计算的平均位置误差而机器人跟踪轨迹。终端执行器的位置已经计算基于伺服作动器的反馈。结果与步态的结果。位置误差的平均值9个参与者0.7毫米,1.2毫米,0.95毫米的- - - - - -,- - - - - -,相互重合,如图9。研究结果表明,绑UPS为踝关节康复并联机器人有足够的精度。

如图9(一个)的位置误差设在零当机器人是通过50%的轨迹。的位置误差设在波动,达到最大的1.2毫米经过95%的轨迹。最大的位置误差是由机器人的关节约束造成的。的位置误差设在0.26秒后开始从零达到零。这意味着的位置误差设在脚轨迹达到最大时零位置。然后,这个错误之前从根本上增加到0.95毫米减少为零的轨迹。中风以来规模增加两个轴,位置误差预计将增加。系统能够跟踪轨迹剖面在不同康复锻炼对1.2毫米的最大定位误差。然而,可以减少误差带改进算法设计的体系结构,可以进一步提高系统的准确性。

的长冲程大小系统允许操作员执行各种练习需要一个更大的工作空间。当前康复设备可能是便宜和容易使用在当地诊所和医院没有专门培训。系统将使高质量的治疗中风后随时有严重障碍的人。此外,治疗和性能更一致的,可预见的和可衡量的。个性化脚由平均轨迹运动的试验是关键之一在康复过程中应考虑的问题。病人的健康腿的脚平均轨迹可以用作参考轨迹康复影响腿的机器人。虽然罗格斯机器人(13- - - - - -15ARBOT),和其他发达平行脚踝机器人(35,36)考虑使用并联机器人下肢康复,定义合适的练习的协议可以由机器人尚未妥善解决。然而,在这项研究中,尝试引入一些基本协议定义合适的练习,可以使用的机器人。

5。结论

在这项研究中,能力的6自由度并联机器人下肢康复患者使用脚轨迹的局部麻痹的腿进行了分析。物理机器人原型开发获得的跟踪轨迹。结果表现出最大的1.2毫米的位置误差设在。机器人表现出良好的可重复性的翻译- - -相互重合的移动平台。基于运动学和动力学分析,机器人的轨迹在脚的跟踪轨迹的所有患者在MATLAB模拟,结果表明,机器人在哪里能够跟踪所有的轨迹在其工作空间。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢西米德兰兹郡康复中心(WMRC),伯明翰社区医疗保健NHS信托基金会的一部分,提供步态测量实验室支持和应用计算和工程有限公司(AC&E)对这个项目的支持。

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