文摘
SEFRE (Shoulder-Elbow-Forearm机器人经济)康复系统提出了。SEFRE康复系统由机器人机械手和外骨骼,所谓的前臂支持机制(FSM)。系统的控制器开发主PC组成的5个模块,即智能控制(IC),病人沟通(PC),训练和比赛(TG),进度监控(PM),和患者监督(PS)。这些模块支持病人运动与SEFRE六个模式,也就是说,被动,被动拉伸,被动的指导,开始活跃,积极协助,积极抵制。验证系统的优势,在全国康复中心进行临床试验。在这里,系统的实施和临床结果SEFRE的验证。
1。介绍
现在老龄化时代。根据泰国老化状态报告,现在长老泰国人口的12%左右,并可以在2030年[双比例1]。更多的老人需要更多的照顾者支持他们的体能下降,例如,低视力,听力问题,削弱肌肉。关于这些物理障碍,不仅有功能障碍的老化现象,但也造成的残疾,慢性疾病或事故必须关注。在大多数情况下,不能用四肢可能结果。
一个能力受损困扰他们的日常生活。从而缓解这些障碍总是对他们帮助很大。一般来说,恢复肢体功能是可行的。因此我们我们的研究集中在手臂和腿的康复。因为最近有一个看护人数量不足,所以我们相信使用机器人系统在康复过程中是必须的。
机器人技术增强了一个简单的装置是超级大国的工具。额外的丰富功能包括重复性、精度高和可定制的运动。大量的医疗和康复机器人系统已经受审,而有些是接受在一定程度2- - - - - -5]。
一方面,全球众多的机器人康复系统已经开发为表中列出一些示例1。更多的现有系统还收集了Maciejasz et al。6]。另一方面,把一个市场上可能是繁重的由于一些因素,例如,超大的尺寸和重量或少这种比率。利用设备的另一个负担是并发症病人或看守。同时,系统和服务的成本把它们联系到。
这样一种设备,可以承受的价格和胜任特征是需要扩大机器人康复过程的部署。设置这个作为我们的座右铭,WEFRE (Wrist-Elbow-Forearm机器人经济)康复系统首先发达。这个系统的目的是作为家庭使用工具(7]。先后SEFRE (Shoulder-Elbow-Forearm机器人经济)康复系统已经开发成一个创新的机器提供康复服务在医院8]。SEFRE旨在让大家从系统中获得好处,例如,一个病人有一个受损的胳膊或者一个健康的人肌肉缺乏的问题。摘要SEFRE彻底解释部分的发展2。然后,部分3提出了系统的临床前试验和紧随其后的是结论部分4。
2。SEFRE康复系统
SEFRE康复系统创建一个机器人康复系统的所有人。系统由三个主要组件:Shoulder-Elbow-Forearm恢复机制,一个智能控制器和一个友好的图形用户界面。加快开发过程,工业机器人(库卡KR5 sixx850)用于示意了肩关节。然后小说外骨骼所谓“前臂支持机制(FSM)”系统集成。FSM负责移动肘和前臂。本节提供的理解SEFRE在FSM的细节,康复协议、控制方案和实施,和游戏。(控制设计的细节在本节中,提出了在2013年ECTI,泰国(8]。)
2.1。FSM
虽然库卡的主要任务是恢复肩膀运动,FSM部署elbow-forearm教练。FSM创建作为一个独立的模块,可以在自己的工作或被其他系统控制。FSM从而控制程序的开发从主控制器,分别称为“sFSM”(部分2.4。3)。FSM被设计作为一个轻量级机制运动装备的最大提高功率4公斤的负载。简化系统,两个书架上伺服马达(Dynamixel ex - 106 +)集成提供肘部和前臂的运动。
由于FSM必须连接到病人的手臂,需要考虑几个标准。其中包括,例如,形式和材料导致没有痛苦或愤怒,重量是光减少额外的负载库卡,和左和右手臂的适应机制。
因此,FSM的外骨骼是一种理想的形式。这导致SEFRE康复系统semiexoskeleton机器人康复系统。FSM的第一个原型图所示1(一)。
(一)
(b)
整合FSM机器人机械手后,SEFRE康复系统已经准备好提供一只手臂治疗病人。图1 (b)显示系统配置当病人SEFRE康复系统的位置在前面。
2.2。康复协议
自从我们出生,我们的上肢是至关重要的部分操纵的事情日夜不得安宁。剥夺自由移动手臂的能力都没有的胳膊。因此人失去了肢体功能需要恢复特性。有几个层次的手臂残疾基于残留肌肉力量。SEFRE旨在服务病人在任何级别的肌肉无力。系统还提供了两种类型的运动:个人联合演习,让病人恢复任何障碍,也就是说,肩、肘、或前臂,单独一个接一个地和合并后的关节运动,即功能康复活动,允许病人移动手臂的模式在日常生活活动。图2提出了完整的康复SEFRE康复系统的协议。
个人联合演习,五治疗模式提供基于每个肌肉力量级别(实验室)。
2.2.1。被动(P)
被动模式提供了完整的支持生产联合运动目标共同选定范围内的运动(ROM)。运动是由SEFRE从病人没有任何努力。
此模式用于患者实验室0没有任何残留肌肉力量,也就是说,任何病人完全失去了肌肉力量由疾病或事故。
2.2.2。发起活动(IA)
在这种模式下,联合运动必须由病人的作用力;运动是由SEFRE被动模式。这是一个动机模式,鼓励病人尝试使用恢复肌肉的力量。
此模式用于患者实验室1 - 2人开始恢复一些肌肉力量。这可能是一个下一步的康复过程后的病人做练习在一段时间内的被动模式。
2.2.3。积极协助(AA)
AA模式提供了一个病人可以插入一个目标导向系统在一段时间。后导向力小于目标水平,SEFRE在被动模式下继续运动。
此模式用于病人复苏和到达肌肉力量三级训练自己希望获得更多的力量。
2.2.4。积极抵制(AR)
这种模式类似于AA除了SEFRE时才行动导向力大于或等于目标水平。这是一个重量训练的患者几乎完全恢复自己。
这种模式是用于实验室4 - 5患者有高水平的肌肉力量。在这种模式下的病人实践做日常活动的能力几乎类似于一个健康的人。
2.2.5。被动拉伸(PS)
这是一个特殊的模式,只有对个人联合演习。在这种模式下,联合运动是由SEFRE被动模式。额外的步骤是短时间内暂停两端所需的路径。这种模式让罗联合增加了拉伸关节两端。
此模式用于患者实验室0 - 5有痉挛性的问题。
2.2.6款。被动的指导(PG)
这是一个特殊的模式,只有功能活动锻炼。机能活动的选择,病人可以根据一个典型的手臂运动锻炼,例如,达到向前或喂自己。一分之四提供治疗模式一样在前面的运动类型,即P IA, AA,基于“增大化现实”技术,在PG模式中,所需的移动路径被定义为一个医生或者一个看守,也就是说,一个特殊的实现模式;这个练习可以添加新的自定义路径的被动模式。
这种模式用于患者实验室0没有任何残留肌肉力量谁需要额外的特殊运动路径。
2.3。控制方案
SEFRE目标是作为一个智能设备,任何看守甚至病人自己可以使用工具愉快没有汗。许多关键部件从而进化:智能控制系统提供有效的康复,友好的界面和游戏的和有趣的病人(部分2.5),和数据库模块收集和提供卓有成效的医生和治疗师的数据。控制系统如图的概述3(一个)。
(一)
(b)
控制系统分为四个模块:主电脑,机器人机械手(库卡)、安全传感器硬件(SS)和FSM(图3)。通过它的名称的定义,掌握电脑是主要的单位管理的活动休息,特别是密切关注SS党卫军模块。系统中错误监测的国际刑警组织单位。这些包括用户准备好信号,末端执行器运动信号,机器人运动范围信号,使开关信号,和紧急停止信号。每一个故障信号送到操纵器和主电脑停止系统到承认错误,澄清和解决。对病人进行运动康复协议的基础上,系统的控制方案分为高、低电平控制。高度控制的任务是由主电脑,虽然机械手和FSM操作控制水平较低。完成所有任务后进行恢复选项。
2.4。控制系统实现
主电脑被开发为一个智能控制器。控制器是分解成五个子:智能控制(IC),病人沟通(PC),训练和比赛(TG),进度监控(PM),和患者监督(PS)。每个人都有一个关键的任务如下:集成电路:智能控制单元,PC:病人和系统之间的接口单元,TG:游戏管理单元,下午:康复监测单元,PS:分析和监督单位。集成电路负责生成命令基于配置的康复方案。进行这样一个任务,集成电路和其他模块之间的通信协议,也就是说,库卡,FSM, GUI,和游戏,执行如图4。
协议有四个组成部分:机器人位姿,机器人状态,改变状态,并单击按钮。改变机器人状态当单击GUI上的一个按钮,IC必须发出相应的信号收到信号后机器人基于点击按钮。因此,这将导致一个新的机械手的姿势;即机器人位姿和机器人状态发生了变化。这个概念打开车门装配其他模式系统只通过修改集成电路;库卡和FSM需要重新编程。
2.4.1。沟通
有五个通信路径是由集成电路进行康复过程。
机械手通信。该协议允许IC控制机械手状态如图4。图显示了八大州SEFRE进行康复的过程。为例子,库卡家的家乡是位置,机械手可以被安全地搬迁。或构成就绪状态是状态,让病人附加FSM的手臂。或病人之前行使基于配置当集成电路在运行状态。因此,运行状态是一种特殊的机械手的运动变化。改变状态,过渡条件控制的集成电路。例如,病人已开始康复后通过GUI,集成电路发出启动信号从原点状态改变机器人状态到就绪状态。然后机械手调整它的位置,允许病人正确地把胳膊。
sFSM沟通。之间的通信IC和FSM控制器类似于机械手沟通如上所述。这允许IC控制库卡和FSM同时改变状态。
力传感通信。集成电路与系统的力传感基本的输入。力感应通信旨在感应力在任何关节肌肉力量的活动模式。各种力传感系统中,每个传感器的目的是加深了在接下来的话题。
GUI和游戏交流。GUI和游戏(GG)模块负责与病人互动在有吸引力的和友好的方式。尽管GG似乎让病人直接给一个命令系统,模块不能理解和执行病人的欲望。识别请求的信息转发到集成电路和执行调查的有效方法。同时,集成电路传输机械手的位置回到GG操纵一个动画的游戏。
数据库通信。集成电路传输都需要实际数据记录在数据库通过数据库通信。
2.4.2。安全控制
集成电路检查安全系统的基于状态图的不同模式4。这个任务是通过考虑信号值等几个传感器紧急停止,负载细胞,或限位开关。为例子,在康复治疗开始之前,IC检查限位开关是否病人手臂位置正确,符合配置的一面。或终止康复过程之前,IC重新检查限位开关是否FSM的手臂已经脱离。此外,力值传感器是由集成电路判断肌肉力量超过安全水平。
2.4.3。sFSM
sFSM只FSM自主控制器控制模块,分开了IC。两个伺服电机为FSM部署有两种操作模式。两者都是联合模式和轮模式,用于控制电机的位置和速度,分别。由于有限状态机的机械设计,电动机是在轮模式,这需要一个额外的控制算法。算法由round-counting函数作为一个编码器和PID (Proportional-Integral-Derivative)控制功能。这个定制算法支持sFSM控制关节的位置在车轮马达操作模式。
2.4.4。力传感
力传感系统的一个重要组成部分,因为传感器赋予SEFRE病人的任何努力。选择每一个力传感器是基于其特殊的属性,与传感任务相一致。三种类型的力传感器,即基础力扭矩传感器,称重传感器,并迫使感应电阻器(FSR),与SEFRE集成。
基础上力扭矩传感器。六轴力/力矩传感器(ATI mini45)申请监控肩膀的运动,也就是说,通过感应力大小和方向施加的肩膀,这是最复杂的关节臂。high-precision-high-cost传感器部署由于复杂的肩膀在六个自由度的运动。
负载细胞。两个负载细胞应用于测量力的大小和方向肘:弯曲和扩展。
力感应电阻器(FSR)。两平方FSRs应用于测量前臂的力大小和方向:旋后,手掌向下。
备注,因为前臂和肘部绕自己的轴旋转,所以我们简化我们的系统通过使用负载细胞身上而不是其他复杂的传感器。
2.4.5。同步
在每一个州,集成电路起着至关重要的作用在库卡之间的同步和FSM各种所需的动作,例如,达到向前,并发和自然运动。本节告诉两个模块之间的同步过程每个康复模式。
根据同步流程图如图5、IC任命机械手的速度和FSM之前开始的同时运动。节奏决定基于病人的运动速度设置。然后机械手集成电路信号FSM开始移动。几乎在每一轮都回到起点,集成电路同时检查是否达到的位置。如果是,集成电路不断让他们开始,否则,到达点的模块首先停下来等待其他IC。之后,IC认为不同两个到达时间之间的时间间隔的FSM库卡和。不同之处在于与可接受的时间间隔,这是基于试验和错误3秒。如果不同的间隔小于或等于可接受区间,IC允许他们以当前的速度。否则,IC试图并发两模块通过调整每个开始下一轮新的速度。这个流程将继续,直到会话结束。
基于两种主要模式:同步可分为被动和主动。
被动模式。集成电路同步机械手和FSM一起排除力传感通信的手臂运动。力传感只包含安全的目的。
主动模式。集成电路同步的操纵者和基于FSM的力传感。所以病人需要对系统做一个练习的力量预排程序的路径。
2.5。游戏
为各种不同条件的病人肌肉无力,练习也分为两种模式:被动和主动,解释康复协议。因此,游戏是故意设计来匹配病人条件在每个模式。
游戏现在大多是由于他们必须适合主动模式让玩家体验社会互动(22]。这意味着玩家可以移动的演员或对象在任何方向的游戏时间自由。但这种类型的游戏是绝对不适合的病人没有肌肉力量。同时,在被动模式下,自动机器人移动,无视任何之间的交互系统和病人。我们的游戏因此刻意设计成符合运动类型,让患者享受比赛在这种模式下。
2.5.1。被动的游戏设计的康复
独立游戏的关键因素在被动模式下的其他事件条件和得分。
事件条件下被动的游戏设计。这种游戏类型的游戏事件发生只有当联合达到两端的ROM。例如,扩展之间的肘关节运动0度和弯曲80度,有一个关键对象后肘动作游戏。所以在比赛中一个事件只发生如果对象位于几乎或完全在延长的位置0度或80度弯曲。
交通游戏图6(一),病人必须滑手推车左边去接运费。那么手推车必须搬到另一方交付货物。达到右侧后,货运随机变成了一个有价值的或无用的对象,这表明每一轮的分数。没有回报或障碍,并可以与之交互双方之间的病人在运动。
(一)
(b)
水果收集游戏图6 (b),每个水果都有不同的分数。病人应该把篮子两侧收集一块所需的水果,避免无用的东西。为被动模式匹配这个游戏时,病人没有自由移动的机会收集任何想要的水果。因此,它不适合被动模式无疑。
得分为被动设计游戏。持有吸引患者基于随机值对象,得分高的比低的对象应该看上去不那么频繁。这种策略使游戏更具有挑战性的和愉快的。
同样,不应当有任何负面得分因为这个条件可能阻止病人玩这个游戏。
2.5.2。游戏设计Pre-Active模式
Pre-Active模式是一个活跃的模式与一个指定的路径。这种模式适合那些有足够的肌肉力量运动一个腐烂的手臂沿着预定的道路。
事件条件Pre-Active游戏的设计。在Pre-Active游戏中,事件条件类似的被动的游戏。然而,主要区别是作用力的附加条件。做运动在Pre-Active模式中,病人必须施加一个力系统不断(部分2.2)。我们可以创建一个激励模式。举例来说,一个额外的奖励只出现于只是几秒钟之前到达点的关键对象。这个诱饵刺激病人不断努力玩系统。
Pre-Active交通游戏来源于在被动模式下一个游戏。因为病人可能没有注意到作用力的大小,需要添加一个力指示器在每一个活跃的游戏。代表力大小的指标,颜色,如箭头所示在窗口的双方在图7(一)。
(一)
(b)
得分为Pre-Active设计游戏。管理得分Pre-Active游戏几乎是相同的那些游戏中被动模式。总之,random-score方法无法分析直接验证玩家在Pre-Active模式的性能。因此得分基于运动的循环次数实现评估每个病人的性能。病人有更多的权力必须能够多运动周期。这可以提高分数的结果。因此最终的分数可以意味着多少每个会话的病人所做的努力。
老虎机游戏的人物7 (b)大量的运动周期,用红色圆圈所示一盒,用于计算最后得分和分析性能。
3所示。临床前试验
核实SEFRE的优势,我们已经进行了密集的泰国国家康复中心的临床试验。
3.1。协议
临床前试验的主要目的是验证的操作和安全系统通过在被动模式下康复。从一小群主题能给一个初步的结果提出了工作(23- - - - - -25]。因此,三个40 - 68岁的受试者招募来进行以下试验步骤:(我)之前就开始审判,签了合同,试用协议的细节是精确地解释道。个人信息和医学背景都被记录下来。(2)为期5天的审判期间,受试者接受传统治疗两个小时每个会话,每天一次。在每个会话,他们必须恢复SEFRE 15分钟。(3)在这个实验中,每一个主题是确认有两个评估,即肌肉张力评估和被动罗(舞会)评估。两个评估进行了两次:第一天之前和之后的第五天。同时,受试者必须填写问卷评估SEFRE康复系统的印象。所有科目的实际试用期每天图所示8。
3.2。运动
SEFRE为病人提供了运动在几个动作如图9- - - - - -12。然而,优化试验过程中,三个活动设置为验证动作:肩弯曲伸缩,肘部弯曲伸缩,前臂pronation-supination。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
3.3。试验结果
受试者的临床前试验的例子在图所示13。强化试验结果的基础上,我们认为SEFRE已经验证的好处。首先,所有科目和亲戚被SEFRE恢复时感到安全。同时,肌肉张力和舞会的评估结果证据SEFRE可以保留上肢的身体状况(表2和3)。此外,系统允许临时花宝贵的时间在其他病人没有充分重视SEFRE。
(一)
(b)
(c)
基于这些结果,下一阶段是认证系统在主动模式。另外,受试者的数量和试用期必须扩展。此外,以确保系统能够支持和团结与传统治疗协议,受试者必须分为两组,即控制和实验小组。因此,我们的工作仍然是在一个初始步骤;然而,我们相信,我们的研究必须有一个伟大的成就康复领域SEFRE时完成。
4所示。结论
SEFRE康复系统由机器人机械手和外骨骼,也就是说,FSM(前臂支持机制)。系统的主控制器是主电脑,包括五个模块,即智能控制(IC),病人沟通(PC),训练和比赛(TG),进度监控(PM),和患者监督(PS)。基于这些模块,SEFRE康复系统能够提供六臂治疗模式:被动(P),被动拉伸(PS),被动的指导(PG)、发起活动(IA),积极协助(AA),和积极抵制(AR)。这些允许SEFRE康复机器人系统,例如,一个病人没有任何残留肌肉力量和一个健康的人临时肌肉缺乏问题。验证系统的优势,提供康复的临床前试验是由在被动模式下三40 - 68岁的受试者。密集的审判结果,三个受试者进行五个交易日,显示所有科目和亲戚被SEFRE恢复时感到安全。此外,肌肉张力和舞会评估验证了系统保留上肢的身体状况。因此,下一阶段是验证系统在主动模式下,我们相信,这一定是一个伟大的好处康复领域当系统完成。
此外,实现SEFRE的格言,一个负担得起的机器人康复系统,一个小型工业机器人与ATI mini45模块,必须替换为一个定制的小说系统的机制,降低生产成本。这是我们的下一个关键里程碑完成SEFRE Shoulder-Elbow-Forearm经济康复机器人系统。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢博士Wasuwat Kitisomprayoonkul泰国红十字会康复中心,博士Daranee Suwapan诗琳通国家医疗康复中心,和他们的OTs和分允许他们做一个密集SEFRE康复临床前试验系统和Nassaree先生Benalie支持他们完成试验。