文摘

康复机器人技术已经成为一个被广泛接受的方法来处理人的训练与运动功能障碍。在机器人中训练,肩膀重复运动训练已被证明有利于改善人类肢体的运动能力。运动功能康复训练的一个重要而困难的范式是运动节奏的肩膀,不是一个单一的联合,但复杂的骨骼和巧妙的组合,肌肉,韧带和肌腱。最对康复机器人设计之前考虑简化的生物力学模型,导致机器人和人类之间的偏差的肩膀。目前的生物力学模型只是为康复机器人技术开发设计。提出了一种新的基于联合几何约束的混合空间模型来描述肩膀骨骼系统的运动和建立模型的位置分析方程的齐次坐标变换矩阵和向量的方法,可以用来计算机器人的运动学综合系统。肩膀节奏,最引人注目的特殊性在肩膀上的复杂的运动学和重要参考培训策略使用机器人,通过描述和分析提出了骨架模型由三个独立变量。这种方法极大地简化了肩膀运动描述的复杂性,为培训提供了一个重要的参考策略的上肢康复机器人。

1。介绍

康复机器人已经受到了越来越多的兴趣提供康复治疗后神经损伤,如中风和脊髓损伤1]。肩膀是其中一个最复杂的人体运动机能领域,已直接影响上肢运动功能的恢复。当一个肩膀运动功能障碍造成的伤害或疾病,它通常需要合理的康复适合病人的具体情况。在这种情况下,一些研究表明,康复策略基于任务取向,融合高强度重复运动训练将会非常有利于提高运动能力,这是最有效的康复方法之一(2- - - - - -7),而上肢康复机器人是一个举世公认的有效方法进行康复策略。

有很多机器人提出了目前下肢和上肢康复。他们中的大多数有丰硕的成就即使准确的运动信息的骨骼和肌肉完全没有考虑。在机器人有很多尝试从一个简化的本文作者的自由(景深)球窝,如佳丽和Liszka [8)定义了三自由度球形接头的肩膀。然而,它不是有效的肩膀使用外骨骼康复机器人有三个正交轴相交一度认为肩膀球状关节,因为肩膀不能被视为一个骨骼共同但复杂而巧妙的组合,肌肉,韧带和肌腱。肩复杂的显著特点是运动涉及肩胛骨的运动节奏,锁骨和肱骨。节奏分析是重要的和必要的肩复杂的康复训练。

生物医学研究人员做了大量分析肩膀肌肉骨骼模型的训练。1965年,法官9)建立了一个简单的二维系列链接模型来描述肩膀骨头之间的相对运动特征;然而,该模型只有现有的定性描述,缺乏共同的描述与定义和定量分析类型。是女士和陈10)建立了一个三维肱骨的6自由度刚体模型相对于1986年的人的躯干。此外,女士和中空的肩复杂模型的自由度增加到9 1989年。尽管陈女士和建立了一个三维模型的肩膀骨头来分析他们的运动特点,串联的肩膀,没有例外,肩胛骨的过程简化为两个连杆连接到锁骨和肱骨。

在肩关节有复杂的模型。加纳和打手心11)建立了一个13-DoF人类上肢骨骼模型在1999年。模型中没有定义的几何约束scapulothoracic清晰度联合(ST)和分析模型的运动。基于这个模型的概念,Maurel和Thalmann Maurel et al。12,13)治疗圣联合作为一个单点联系与表面5自由度,但研究缺乏系统性的分析。Tondu [14)在2005年提出了一个类似的肩膀机理模型,它定义了圣联合作为一个平面下属Maurel模型的基础上,而忽略了旋转自由胸锁关节(SC)沿着锁骨方向轴,建模肩带作为一个二自由度空间并联机构。这个模型简化了分析肩腰带的难度。为了使肩膀得到一个更大的工作空间和更多的活动,Lenarcic和Stanisic15)在2006年提出了一个肩带使用六条腿的骨架系统six-joint并行机制来处理模拟,但是很难确定各关节的位置和双杠的长度对应于实际的肩带。也很难对应于一个人的运动。

当前康复机器人设计了一套简化的骨架模型和等自由度机械手臂外骨骼克莱因等人提出的。16]。因此,本文提供了一个合适的模型,描述了肩复杂运动通过一个模型的空间混合机制四个棒和四个关节,通过实际数据验证模型的准确性对康复机器人的肩关节。其中,SC关节,肩锁的(AC)关节,和盂肱(GH)联合都定义为球铰链关节,胸腔是近似为椭球体。圣联合的约束定义为肩胛上的两个固定的点连接到胸腔椭球点接触约束,和SC的旋转接头锁骨轴被认为是一个额外的自由度。

2。建模和分析

肩膀肌肉骨骼模型的动力学,骨头构成的肩膀的姿势分析肩运动分析的基础,肌肉驱动特点,肌肉力量,关节受力分析。由于肩膀骨骼系统的复杂性,很难获得人民的姿势的肩膀骨头迅速通过使用常用的实时框架标记方法。基于所提供的结果获得和打手心11,17]因为人类的解剖结果肩膀几何、人体肩部骨架系统简化为一个混合空间机理模型来模拟和分析肩骨的运动。每个关节和骨骼的运动被定义局部坐标系统固定在相应的骨骼,和位置的逆分析机制完成的齐次坐标转换矩阵和向量方法,简化了分析和预测的肩膀骨骼配置。最后,本章通过实验验证模型的合理性的实际人力的肩膀。

2.1。一个肩膀骨骼系统的模型

人体运动学的肩膀主要取决于骨骼系统组成的肩带和肱骨与肌肉和肌腱系统相比,所以本文肩膀骨骼系统主要是进行了讨论。它可以被视为一个闭环的系统组成的胸腔,锁骨和肩胛骨。参与肩膀关节运动涉及交流共同,SC联合,圣联合,GH关节。

摘要混合空间机制模型用于模拟肩膀骨骼系统,如图1。在这个模型中,SC联合,交流,和GH联合表示 , ,和 ,分别被视为理想的三自由度球形关节。肩胛骨达到两点接触胸椭球表面通过其内侧外侧边缘和 ,这可能是相当于cylindrical-planar双4自由度。其中,组件1、2、3和4代表锁骨、肩胛骨、胸廓表面,分别和上臂的肱部。肱骨代表组件的长轴4,也就是说,连接GH的中心的方向和肘部的中心 ,肘关节的地方被定义为的中点外外侧脚踝EL和脚踝内侧。

2.2。提出的模型的运动学分析

在上面的机理模型、组件1,2,3,4构成混合空间机制包含一个封闭的链和一个开放的连锁店,在组件1,2,3形成一个闭环链。

2.2.1。计算自由度拟议的机制

获得的运动学机制,我们首先应该分析它的自由度。闭环的肩带,景深的机制()是通过Kutzbach-Grubler公式(18]。 在哪里机制的组件的数量,是关节的数目,相对自由的吗th运动副。闭环的部分有三个组件和三对运动。SC和交流都是球形关节3自由度。圣联合是一对cylinder-plane 4自由度。所以一个封闭的链的4自由度肩关节系统可以获得。考虑到肱骨运动的总自由度的肩膀是7。然而,在活动的过程中肩膀,锁骨绕着它的轴旋转的非常小,它有一个内部自由度,并没有改变整个姿势的链接4 (19- - - - - -21]。因此,对于联合 ,旋转的方向绕组组件2是一个额外的自由。如果旋转角,肩带的运动姿势可以通过输入三个关节变量。

2.2.2。建立全球坐标和局部坐标固定到一个肩膀骨头

为了描述和分析的框架模型的运动学肩复杂,每一根骨头是固定的坐标系,如图2。全球坐标系统的起源点 SC联合点吗 ,和轴 , ,和三分别是平行直线的交点人类解剖冠状面,矢状面,横向平面。锁骨系统 ,原点位于SC联合点 。的轴的方向锁骨轴,和轴在水平面和垂直于定义 。肩胛骨的系统 ,它的起源点位于点AC的联合 ,在哪里轴的方向肩胛骨内侧缘和方向的垂直于飞机由点 , ,和 。 平行于 。肱坐标系统 起源点位于中心的关节窝的关节,轴的方向来 ;的轴是垂直于这个平面由点 ,EL和EM;和轴是由右手定则决定。

2.2.3。关节的运动学分析的肩膀

肩带,胸腔,锁骨,和肩胛骨通过关节SC,彼此相互联系交流,和圣,从而形成一个闭环机制。闭链机制,职位分析可以归因于确定其余关节变量和骨骼的姿势使用已知的机制几何参数和至少三个联合变量作为输入。摘要逆分析的目的是验证实际肩运动的准确性预测的模型。

为了描述矩阵方便,关节之间的距离和联合是设置为 ,共同的中心之间的距离和点是 ,之间的距离和点是 ,和肱骨的长度 。

根据上述定义的坐标系统,从系统过渡 来 ,即胸的运动相对于胸,可以通过下面的矩阵表示: 在哪里和分别表示正弦和余弦。

转换从系统到系统可以认为搬家了吗沿着设在首先和旋转在设在,然后旋转在x设在,最后旋转在设在。转换矩阵

胸的位置和规模椭球是已知的。假设椭圆中心点的位置固定系统是 椭球体的传递矩阵相对于固定系统是

如果semilong轴椭球的分别, , ,和和点和点位于胸椭球桌子表面,位置坐标可以表示为椭圆的参数方程: 在哪里 , , ,和的公式,分别描述点的位置参数和点 。点和点也位于肩胛,如图3。的位置坐标和在肩胛骨系统 在哪里在公式的夹角和 ,因为分 , ,和都是在肩胛骨, , ,和是常数。总之,使用位置的变换关系和 ,建立位移约束方程如下:

公式(8)可以表示如下:

方程(9)联合位置约束方程解腰带的机制。让每个组件是零;可以将方程转化为含有共6个约束方程 10个关节变量。锁骨绕自己的轴旋转是一个额外的自由度,如果是零,就可以使用任何三个旋转变量作为输入来解决剩下的变量。

肩带的运动分析完成后,在肱骨通过GH接头连接到肩复杂的执行。上臂的运动姿态通常是研究在全球参考系统,使用印度商学院标准推荐的吴邦国委员长和Cavanagh [22,23)来描述肱骨的姿势。旋转矩阵应用到全球体系转换肱骨系统是

如果GH中心的位置坐标 的转换矩阵,翻译从肱骨系统全球货币体系是

2.3。验证基于参考数据的肩膀骨骼运动

本文的肩膀骨头的大小是指人类上臂骨和关节的解剖数据获得的获得和打手心11,17,24]。发布的肩膀数据库V1.1, Bolsterlee et al。21)于2014年,是作为参考的肩膀运动数据来源。然后,通过联合位移约束方程,获得的运动机制是通过使用Matlab进行了分析。

2.3.1。肩膀机制几何

本文的大小机制是基于人类骨骼和关节的解剖了加纳和打手心;每个组件的尺寸如图1如表所示吗1在下面。胸腔的半长轴椭球和中心点的椭球如表所示2。中心点的坐标是固定系统 。

肩胛GH联合中心的位置是

2.3.2。肩关节运动的描述

每个骨架图的局部坐标系2定义计算方便。印度商学院的标准推荐的吴总管和吴et al。22,23)广泛应用于生物医学工程来描述人体上半身骨骼和关节的运动。在印度商学院标准,当地坐标系统的肩骨和骨具有里程碑意义的图所示4。

本文的肩膀骨骼配置分析结果和实验测量结果统一根据印度商学院的标准进行比较;因此,有必要找出之间的对应关系计算坐标系统和印度商学院的坐标系统。克莱恩Breteler et al。25)获得更有利的肩膀形态学数据集通过解剖一个57岁男性的身体和建立一个通用数据集人类的肩膀骨头。表3显示骨标记的相关参数和胸腔的大小的一般模型和本文的实验对象。所有胸腔相对应的坐标转换系统;长度单位是毫米。

通过每个局部坐标系统的定义和特征尺寸的每个标记点的肩部骨架表2和3坐标系统之间的关系 , , ,和用于上述计算和坐标系统 , , ,和建议在该校标准可以通过下面的旋转变换矩阵来描述:

2.3.3。肩运动实验的定义

肩膀数据库(肩膀数据库V1.1)发表的Bolsterlee等人2014年的肩膀运动提供数据被用于分析(21,26]。实验收集数据从五个健康的成年男性。本文选择的对象之一(29岁,身高186厘米,体重109公斤)的数据库。实验使用一组运动检测系统(Optotrak系统,数码有限公司北部,滑铁卢,安大略省,加拿大)检测6的空间位置标记组固定在胸腔,肩胛骨,肱骨,前臂和手掌如图5。骨标记的位置排列根据该校标准,和一系列的位置标记被收集在100赫兹的频率。

为了得到准确的肩膀运动数据,在实验中,受试者被要求完成关节活动度(ROM)任务包括肩绑架(ABD),弯曲(弯曲),和肩胛骨的平面运动(SCAP),包含所有的基本运动肩膀表所示4。处理,数据的每个骨骼的运动姿态的肩膀可以统一转化为价值 。

2.3.4。解决方案和验证每个骨头的姿态和位置

通过处理每个标记的空间坐标测量实验中,关节变量 了,3个独立的关节位移作为输入,然后剩下的六个关节变量 获得,以及肩带运动姿态,最后与实验测量结果。

图6显示了胸腔运动姿态的实验对象ABD的运动测试和肱骨的姿势下YXY旋转序列是由三个相应的欧拉角描述HumY₁、HumX HumY₂。图7显示锁骨的姿态测量相对于胸,据该校标准,锁骨的姿态描述下YXZ旋转序列。的三个欧拉角形成取决于ClavY、ClavX和ClavZ分别。

因此,在任何时候,相对于胸锁骨的姿态矩阵可以得到:

假设

替代(17)(12)和(13):

让的第三列(18)和(2)是相同的,可以获得以下三个约束方程: 然后

图8输入关节变量的结果吗和 。

假设对象ABD运动是在特定的时刻,胸锁关节标记点的位置向量SC吗 ,和之间的转换关系和可以表示为以下传递矩阵:

因此,降低肩胛的位置向量AI的椭球体系统可以得到:

结合公式(4)和(12)和表3胸腔数据,我们可以有以下公式:

ABD运动的实验对象 ,低的位置肩胛角AI的椭球体如图9。

然而,事实是,AI点位于肩胛但不总是表面的椭球体,这意味着它不完全配合点在模型中。本文的投影点沿中心线的肩胛下的AI椭球视为等价点 。如图10,人工智能和椭球中心之间的连接交点的椭球面,胸部椭球体的位置和大小的实验对象参考表3。

它可以获得 。替代(6)和(22),然后有

另一个输入关节变量可以发现:

为总结,对象在ABD运动实验中,输入关节变量职位分析的机制如图11。

然后,进入关节变量 成封闭解方程组,关节变量 和 得到如图12和13。

因此,肩带机构位置分析完成后,结果在计算骨或关节运动的坐标系的姿态可以获得,然后转换对应于印度商学院的标准系统,所以肩膀骨骼运动的机构模型预测结果可以获得并与实验测量结果。图14显示了肩胛骨相对于胸腔运动姿态分析结果(圣联合)。数据15,16,17肩胛骨的组件的结果姿态矩阵分解后YXZ旋转序列根据印度商学院的标准。由于生物研究的丰硕的成果,详细而准确的实验数据在肩膀上运动可以提供,在本文中,我们选择一组代表数据验证的运动学描述骨架模型和实验测量结果是一致的。

使用相同的方法,锻炼FLEX和SCAP的实验可以分析和肩部运动机构模型配置预测和实验测量结果基本上是一致的。

3所示。肩膀节奏模型

从机械模型的观点,肱骨的三个转动自由度是独立的三个自由度的运动的肩带机制。然而,大量的研究表明,当肩膀做一些基本动作自然状态(如绑架、内收、外部旋转,手掌向下,弯曲,和子宫前倾),有一个显著的相关性和可重复性的肩带和肩的动作,后肩关节的节奏的规律。

本文简化了肩关节节奏问题的分析建立肱姿态之间的关系和肩带的三个独立输入关节变量的机制。

3.1。节奏分析三种运动任务的实验

个人的肩膀节奏是高度重复的和不受负载的大小当肩膀在轻负载的情况27,28),但存在个体差异29日]。因此,本文扩展了传统肩关节节奏和描述了肩胛骨之间的关系和锁骨的姿态和姿态的肱骨分别通过该模型有三个独立的关节变量 。通过该模型的约束条件考虑肩复杂的个体大小,3个独立的关节变量之间的对应关系可以进一步用来确定整个肩带的姿势和肱姿势。这种方法减少了变量的数量参与节奏,提高个体差异的影响。

肩膀节律的研究文献[17,25- - - - - -28)表明,高程平面(HumY₁)和高程(HumX)在肩骨运动相对独立,在肩带的姿势与两个关节变量有很强的规律性。建模时肩膀节奏,本研究亦使用飞机的高度和高程作为节奏函数的自变量。

3.1.1。ABD运动节奏

ABD运动期间,完成五行为的提升和下降肱骨,如图6。虽然主题是要求做额平面绑架,飞机的实际高程的范围主要集中在−10°20°,如图18。虽然当肩膀搬,海拔的共同变量平面和高程的共同变量被认为是独立于对方,强烈的规律性和自反性如图18,因为它代表了身体协调实验对象在一定运动像ABD锻炼,和耦合现象将消失在任意运动。高程平面和高程之间的关系图8不通用,所以本文将使用高程面和法律的高度为两个独立的变量函数。

图19显示各种因变量的变化与肱骨仰角当主体ABD锻炼。 用于确定肩带的节奏,而图19日(d)用于确定肱骨绕着它的轴旋转的节奏(HumY吗₂内部/外部旋转)。采用三次多项式拟合,和肩膀节奏函数可以得到: 在哪里 表示多项式拟合系数相应的关节变量。为简化计算,节奏函数对应ABD运动表达如下:

表5显示了因变量的拟合结果,拟合曲线的准确性和善良,分别以均方根误差(RMSE)和确定系数(R²)。

3.1.2。SCAP运动节奏

在整个SCAP锻炼、提升和下降在肱骨的行动完成了4次。分析ABD运动节奏,节奏构造函数。

图20.显示了曲线拟合结果和表6给出了多项式节奏函数系数、RSME和系数的决心。

3.1.3。FLEX运动节奏

在整个FLEX锻炼、提升和下降在肱骨的行动完成了4次。ABD运动节律分析一样,节奏构造函数。

图21显示了曲线拟合结果和表7给出了多项式节奏函数系数、RSME和系数的决心。

3.2。肩膀节奏的扩张

解除飞机不是唯一固定在ABD SCAP, FLEX的动作。SCAP, ABD和FLEX,肱骨起重平面角HumY₁变化如图16和22。可以看出,高程的主要运动范围的飞机在这三个动作,如表所示8。

从理论上讲,HumY肩关节节奏函数的变量₁和HumX在整个范围的活动,和运动之间的关系的肩膀骨头和轴向旋转角HumY₂肱骨的并不重要。同时,轴向旋转角度HumY₂和HumX是相关的。因此,在本研究中,相对应的肩关节节奏ABD, SCAP, FLEX延伸到运动空间 和 ,节奏可以表示如下:

4所示。结论

在本文中,一个新的肩膀复杂的骨骼模型提出了基于几何约束联合使用空间混合机制来描述人类承担复杂的运动,康复机器人的开发。提出的模型的有效性和可行性已经通过肩膀骨骼运动的实验数据验证。基于这个模型,通过分析各关节角和变化规律的在肩膀复杂运动期间,肩膀节奏与HumY通过多项式拟合的方法₁和HumX作为独立变量,使其适合指导培训战略的肩膀康复机器人。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了中国自然科学基金(项目号。51475322,51535008,51535008,51721003),天津市科学技术厅项目(批准号17 jczdjc30300)和纪律来大学的人才引进计划(“111计划”)批准号B16034。