文摘

介绍了一种新型的手指康复系统使用多点触界面是由病人虽然表面肌动电流图。我们已经开发出多点机器人触觉界面:宏三世能给3-directional部队5指尖。这个机器人还可以用作康复设备,可以提供各种指尖练习和测量各种类型的信息。面肌电信号与宏III一起考虑病人的意图。该系统用于病人瘫痪手和手指,和运动将提供生物反馈到指尖的设备。相比完全被动的康复,该系统可以使用面肌电信号提供积极的康复。实验包括手指打开和关闭该系统十健全的学科。结果表明,几乎所有的科目感到合适的运动设备的支持。

1。介绍

手手指函数对日常生活很重要,和手指受伤可以是一个非常严重的问题。这些患者需要及时和持续的康复恢复他们失去的能力和恢复正常的日常生活。长与治疗师、康复训练的相对短缺,并不总是提供给病人。对于这个问题,一个解决方案可能是一个手的手指康复机器人系统由个别病人使用。

最近,许多康复机器人系统研究了。的许多方面机械手臂康复治疗(1- - - - - -3),包括临床试验(4,5),已报告。手臂康复治疗机器人的帮助下(6),包括用双手的镜像,病人自控治疗练习,是一种自控康复。香港和全7)已经开发出一种tendon-driven骨骼外动力辅助装置,使用一个表信号和模糊控制。Saint-Bauzel et al。8)提出了一个反应使自动化接口下肢康复和临床结果。

手康复,然而,是特别困难的,因为手具有多自由度的运动,和设备必须相对较小的规模。康纳利et al。9)已经开发出一种虚拟现实的手康复系统气动手套,和Oblak et al。10)已经开发出一种普遍的触觉装置的手臂和手腕康复。在前者,有点困难手麻痹患者戴上手套,而后者可以提供锻炼肩膀,手臂,和手腕,而不是手或手指。紧凑的设备与电缆系统中风后使用(11,12),和exoskeleton-type机械设备(13,14)已经提出。前者是一个紧凑的装置,但只提供了有限的练习,因为电缆开动。后者不仅可以帮助弯曲/扩展,而且还与绑架/内收和拇指反对派运动但只能帮助关节运动,不是3-directional指尖运动。

表面肌动电流图(表)底层皮肤和肌肉的电活动记录有助于康复机器人设备。一个机器人步态康复控制策略15),上肢康复(16),和一个审判的手腕康复(恢复过程17已报告。然而,面肌手指康复中的应用还没有被广泛的研究。

在日本,有许多患者手指瘫痪;例如,腕管综合症可能导致手指麻痹,可以长期透析,目前需要透析在日本大约有28万人口。因为手和手指功能为日常生活是非常重要的,本文提出了一种新型的手指康复系统提供更有效的康复。在这些情况下,机械设备应该能够提供各种练习包括弯曲或扩展,并将其与小体积。解决这个问题将是一个康复系统,可以提供3-directional运动到指尖。通常情况下,人们更容易想象比“移动指尖移动每个手指关节。因此“建议的系统提供了一种触觉界面手手指康复。多点触觉界面机器人(18)曾被开发出来,这个设备可以为操作员提供指尖运动。为了实现更有效的为患者康复,该系统利用面肌电信号控制。手指关节角估计系统表了(19),该系统将有利于复杂运动。在一个医生的意见,这可能导致一个具有挑战性的临床试验研究,并对面肌融入具有重要意义的康复机器人系统的手的手指。上述系统将有效的周围神经损伤患者的胳膊。

作为临床试验的进行预测,我们这里现在实验结果从这个系统利用健全的学科。这个预备考试的目的是为了确认指尖是基于移动用户的意图的一个健康的身体。

2。系统

图1显示了系统的轮廓。

这个系统使用指尖的触觉装置和面肌电信号信息从病人的前臂或手。因为这触觉设备很小,所以它可以使用在病人坐在桌上。首先,本系统决定了欣赏的指尖从面肌运动;之后,该设备提供了练习的指尖。例如,如果从肌肉面肌手指扩展(肌肉伸肌肌腱牵向前)激活和跨越超过一定阈值时,触觉设备发挥硬件力量在每个指尖为了打开手指。以下部分提供了系统的细节。

2.1。多点触觉界面宏三世

图2显示了多点机器人触觉界面,宏三世,我们已经开发出18](手部分的规格表1)。

这个机器人由一只手和一只胳膊。手有5个手指触觉一部分,每个触觉的手指关节和3自由度(自由度)。手臂部分6关节和6自由度。因此,总的来说,宏III 21个自由度。这个机器人有以下特点。(我)帧的触觉的手指有三个直流电机和三个主动关节(数据2(e)和2(f))。第一个关节的abduction-adduction中间指骨(MP)联合的触觉的手指,和第二个和第三个是弯曲扩展的MP和近端指间(PIP)联合,分别。此外,触觉的手指有硬件提示(图力传感器2(d)),每个电动机有一个编码器。(2)宏三世有五个手指触觉,可以同时提供多个指尖3-directional部队。(3)同时,触觉的手指已经永久磁铁(图2(d))。操作员将手指指尖的文件夹,这个文件夹中有一个金属球(图2(c))。文件夹和金属球在一起形成一个被动的球形接头(图2(d)),可以改变用户的姿势对触觉的手指。(iv)宏III系统手臂可以实现较大的工作空间。与此同时,部分可以使用作为一个紧凑的触觉装置。

对于这个设备作为康复设备,有一些优势。普通机器人手指康复设备通常是一种外骨骼(13,14),或在指尖tendon-driven类型(11,12]。宏III对这些设备类型有以下优点。(我)在每个指尖三向运动:虽然tendon-driven类型设备只能提供运动沿着线直接到用户的手指,宏三世允许3-directional运动。也就是说,各种类型的手指练习与宏III是可能的。因为这个机器人有一个硬件每个手指力传感器,系统用户可以限制应用力。它可以实现安全控制策略。最大输出力的价值的一个手指(3.6 N)可以被视为从医学方面足够价值的情况下生物反馈接口(稍后将部分描述)。相比之下,一种外骨骼(13)设计等方式申请约0.3 Nm扭矩的手指关节。(2)连接到设备:exoskeleton-type设备必须坚定地连接设备的用户的手指链接链接。相比之下,用户连接到第三宏用手指文件夹和被动关节球形磁铁,使他们能够快速、轻松地连接。(3)紧凑的尺寸:机器人系统,支持tendon-driven或外骨骼手指的运动扩展类型通常是相当大的。虽然齿轮传动机构有反弹,这个系统不是位置控制采用不同的力控制方法。在这方面,这个缺点的齿轮机构不是大问题。宏III没有手臂的大小是相对紧凑,可以支持桌面的康复。(iv)日常康复:由于易于连接和康复在桌上,宏III系统提供康复,每天很容易继续做。日常的康复是非常重要的,防止关节挛缩和提供早期恢复。

2.2。手指康复的肌动电流图

面肌措施从肌肉生物电信号响应自愿收缩。这些信号提供各种类型的信息对一个人的意图。因此希望面肌功能作为一种新型的人机接口,它已被许多研究人员研究[19,20.]。

在康复领域,面肌电信号被用作生物反馈工具。例如,康复与面肌非常有效的“神经损伤,”,因为它很容易为病人识别肌肉时应专注于使用面肌电信号作为生物反馈。在康复的应用程序中,表的形式生物反馈的病人主要是波形显示或声音。

的另一种方式使用面肌电信号,这个信号显示肌肉活动,因此复苏水平的晴雨表。的“外围”或“中央神经损伤,”复苏的程度可以确定通过测量面肌电信号长时期。

普通康复机器人系统的控制方法可分为以下类型:简单教学播放类型(11),对称主从式(12),和telerehabilitation系统(14]。教学播放类型系统和telerehabilitation系统不能反映病人的意图或思考。这是一个严格的被动康复,而有效的康复应该涉及到病人的活动。系统采用对称主从结构可以提供练习以及用户的意图。受伤但可以使用这种类型只有在有限的情况下,例如,偏瘫或单面麻痹大脑的在这种情况下,病人可以移动身体健康的一面。此外,在这些系统中,患者倾向于只专注于移动健康的一面,而不是瘫痪。

在目前的研究中,触觉装置是由面肌电信号控制。首先,用户的运动意图从表中提取,然后指尖练习的目的是提供给用户宏三世。这个生物反馈很容易为病人图像相比,波形或声音。,而不是完全被动运动,该系统可以给病人康复经验反映病人的意图。

2.3。提出系统的医学方面

本节包括2医疗整形医生的反馈。反馈从业者显然是非常重要的,当在医学或康复领域开展研究。

A和B的医生的意见如下。

医生B表示,从医学的角度来看,这项研究将导致具有挑战性的临床试验。具有重要意义面肌融入康复机器人系统的手和手指。这个提议系统能够适用于一般手手指麻痹病例。

上述系统将有效的周围神经损伤患者手臂(注意,这里也是一种手手指麻痹)。在前臂肌肉和类似的功能相互平行运行。这将是重要的在这个研究分析面肌和肌肉和手指之间的关系函数。根据瘫痪的程度或复苏的病人,上肢的固定或肘可能需要。

正如上面指出的,该系统可以应用于手的手指瘫痪的情况。虽然这种情况有很多不同的原因,下面将描述两例周围神经相关。(我)周围神经损伤:周围神经系统驻留或扩展在中枢神经系统,包括大脑和脊髓。以下三个相关周围神经的手指和手:正中神经、尺神经、桡神经。这些神经损伤可能是由于外部伤口如造成用一把锋利的刀。(2)腕管综合症:这种情况下是由压缩引起的周围神经中运行的腕管由于某种原因。特别是,腕管综合症可能是由于在长期透析,在2010年,日本需要透析的患者的数量大约是28万。

本文认为周围神经损伤的情况下,医生的建议。在这种情况下,病人接受手术。手术后,恢复神经轴将达到最终器官,。这是神经移植术。然而,在这个过程中,轴突可能达到不同的器官比他们最初的联系。如果轴突做达到不同的器官,病人将无法移动他们的肌肉一样,以前。为了解决这个问题,需要康复对肌肉的再教育。这个改造期间,病人不能预期的运动。因此,继续康复病人的动机将会减少,和关节挛缩将开始出现由于减少了肌肉的运动。

康复训练将根据受伤的神经或不同程度的恢复,因此治疗师应该为每种情况确定适当的锻炼。指尖康复锻炼的例子所示,和图3展示肌肉的关系和前臂和手的工作。(我)正中神经损伤:拇指对抗性,突进运动(MP弯曲和皮普,蘸扩展)的食指或中指,和独立的弯曲的拇指,食指和中指。(2)尺神经损伤:无名指和小指弯曲。(3)桡神经损伤:手指扩展,卷起(MP扩展和皮普,倾斜弯曲)的运动的手指。

在神经损伤的情况下,这些练习是重要的神经移植术对肌肉的再教育。

2.4。该系统的优势

如前所述,该系统能够提供“日常”和“活跃”康复。

前者是意识到由于密实度宏III设备,易于连接设备各种传感器(指尖位置,指尖的力量和面肌信号在特定的肌肉)。日常的康复是非常重要的,防止关节挛缩和早期恢复。此外,记录以上信息在每一个康复时间是有效评估长期复苏的程度。

积极康复然后通过使用面肌指尖运动。因为面肌电信号是自愿的运动密切相关,它有助于反映病人的意图,使病人积极康复没有援助。这个系统需要一个积极成功的康复和恢复病人的意图。

2.5。控制策略大纲

总体控制策略提出了系统将被描述在本节中,而实验的细节将在后面一节中介绍。

首先,面肌有助于理解病人的意图。但原始表数据也提供了不受欢迎的信息(例如,典型的生物噪声或个人差异,等等),所以需要信号处理。至于面肌电信号的信号处理,系统采用一个提取特征值方法,确定平均绝对值(飞行器)或者根意味着广场(RMS)分割和正常化(21]。这些过程,这将是有用的使用特征值而不是原始表数据。

其次,病人的运动意图应该从表中提取信息。而面肌和手指运动之间的关系是相当复杂的,通过关注某些手指功能,许多方法都可用。例如,如果飞行器从面肌周围常见的数字伸肌肌肉超过某个阈值,然后用户的意图是“打开的手指。“当然,这条规则必须确定取决于受伤或病人的情况。几乎所有情况下,这个规则或提取方法应该是简单的。然而,如果它是必要的或有效的利用更复杂的手指运动,系统估计的手指关节角(21)将是有益的。

在获得所需的指尖运动通过上述方法,系统必须从运动转变成一个连续的指尖轨迹。触觉设备宏III提供指尖的力量取决于所需的指尖轨迹。为康复力的控制是合适的,而不是力可以调整位置控制。作为一个简单的例子,一个开关目标位置的目的。有必要事先衡量这些职位。当一个病人的关节没有收缩,可以测量目标位置在治疗师的帮助下或病人。当关节有收缩,病人的手指的长度链接和延展性测量,和解决与这些参数的运动学将确定目标位置。最简单的方法来生成所需的指尖部队是使用虚拟弹簧模型(图4)。

这种方法只需要目标位置和当前位置。所需的力矢量一个手指的计算 在哪里是弹簧系数对角矩阵,是当前的手指指尖位置,然后呢显示了目标或期望的指尖位置。这些汽车在触觉装置有一个编码器,和所有可用运动学参数当前指尖位置可以通过正运动学计算。此外,为了调整部队的指尖,所需的力量应该应用低通滤波器(LPF),限制到适当的范围。

最后,宏三世的触觉手指指尖将PI控制律控制的部队(18]。首先,转矩误差向量定义如下: 在哪里触觉的手指的运动学雅可比矩阵,是理想的指尖力矢量计算的虚拟弹簧的方法,像在前一节中解释说,然后呢从硬件测量指尖力矢量力传感器位于顶部的触觉的手指。宏III系统采用PI控制律: 在哪里是应用转矩向量到触觉手指和和分别提出的组件和积分增益矩阵。方程显示了PI控制律。提前收益或参数校准。图5显示了这个系统的整体框图。

3所示。实验

对临床试验进行预测,提出了系统测试十一等人(十个成年男性,年龄22 - 24)。在此进行预测,目标练习“打开的手”和“与所有的手指捏”。这些是简单,但基本功能和重要的康复练习手周围神经损伤(前者是后者的桡神经和中位数和径向神经)。衡量面肌电信号与这些运动,两个终端将被放置在公共数字伸肌和profundus肌肉,屈肌腱牵向前。主题五个手指文件夹适用于每个指尖和连接的设备。在这个实验中,将使用五个手指(图6)。

这个预备考试的目的是为了确认指尖以响应用户的意图从表中提取通过一个简单的策略对于一个健康的身体。注意,在医生的意见,面肌电信号可以测量从周围神经损伤患者。更容易集中注意力,两个表终端使用和切换策略采用简单的方法决定从面肌运动模式。

3.1。面肌电信号的采集和信号处理

进行了抽样获得的1000年,1 ms, 12位。在这个实验中,系统使用2面肌电节点,一个共同的数字为profundus屈肌腱牵向前伸肌肌肉和其他肌肉。原始的表数据第一次过滤与带通滤波器(10 - 350 Hz),然后分段(段的长度是256,和转变的长度是32)。最后,飞行器从分段表面肌电信号的提取。在下面几节中,“MAV1”指的是飞行器从常见的数字伸肌肌肉中提取价值,和“MAV2”profundus屈肌腱牵向前的肌肉。同样,“Thre1”是指MAV1阈值和“Thre2”MAV2的阈值。当真正价值跨越超过相应的阈值,可以认为肌肉被激活。

3.2。提取运动意图

在此进行预测,系统选择以下模式为主题的意图的if - then规则。这个规则将决定下面的指尖练习模式:模式0意味着触觉设备不提供任何力量,和病人的手将保持放松的状态。在模式1的情况下,所需的指尖运动是打开的手。最后,模式2,所需的运动是所有手指捏或关闭。if - then规则所示的详细算法1。

注意,当MAV1 > Thre1 MAV2 > Thre2,模式2。这条规则是通过试错过程决定的。

3.3。生成相对应的指尖运动意图

作为一个简单的方法来确定指尖运动,在此进行预测,指尖位置数据测量事先选择根据模式每32个毫秒。必须确定这些数据(指尖位置的状态“打开的手”和“与所有的手指捏”)。

3.4。生成所需的部队派到触觉设备

虚拟弹簧模型生成所需的力量从选定目标的指尖位置(图4)。弹簧系数是150 N / m,最大力量限制在一个轴是3 N,和截止频率的低通(一阶)过滤器是0.2赫兹(图5)。这些参数确定,这样生成的部队可能不会导致快速变化。截止频率提出了系统响应的角色,因为这个实验目标的主题,上面的价值决定通过尝试和错误。当这个系统应用于人已经失败,应该从价值小的价值。同样,弹簧系数和最大力量限制也必须谨慎的方式决定的。在与用户手指痉挛状态,弹簧系数的值和最大力量限制应该小。

3.5。实验的程序

实验过程包括以下步骤。

首先,系统和实验解释了这个问题。主题理解的方法和目的后,进行了实验。

中学,两个表终端连接到主体的前臂(常见的数字伸肌肌肉和profundus屈肌腱牵向前肌肉),和五个指尖被连接到宏三世用手指文件夹。

接下来,指尖开启和关闭的位置测量。

在那之后,有必要调整两个飞行器阈值。这些调整,这个话题可以切换运动模式的思想主题。

最后,实验和数据采集进行了(图6)。主题使用前臂和手腕休息的扶手和连接每个指尖的触觉设备另一侧。

实验结束后,对下面描述的问卷。

3.6。主观的评价

实验结束后,应对以下问卷。每个问题项对应的分数范围从1到5。在此问卷,5对应好/理想的和1坏/不良。(我):”被认为是运动支持的设备?点:1(不)5(我是这样认为的。)(二):“自然是支持吗?”的观点:1(我认为它不是自然的。)5(我觉得很自然。)(3):“有焦虑?点:1(我觉得恐惧。)5(我放松。)

4所示。结果与讨论

表2问卷显示受试者的反应。

几乎所有的商品都高点总数,表明该系统可能是有用的作为一个康复设备。特别是项目(i)和(iii)有很高的分。这一点是非常重要的对于一个康复设备由面肌电信号控制,和这个事实指出,该系统可能是有效的。

图7显示系统的坐标原点,示例图的相应实验结果拇指和轴轴的中指在图所示8。在这张图的情况下,Thre1 0.024和Thre2是0.003。

表和图表明,指尖运动对应主题的意图是在某种程度上生成的。然而,在图形显示模式切换,切换可能错误的过渡模式,例如在大约2或7秒。这种类型的错误有时存在另一个主题,和几乎所有情况下引起模式从其他模式过渡到模式0。这个错误的原因被认为是面肌电信号可以增加相应主题的意图但很难迅速减少面肌的人。一般来说,少量的时间减少面肌电信号通过振荡是必要的。因此需要修改系统,操作员可以切换模式对应于操作者的意图。例如,改善这个错误,一个解决方案是使用一个滞后阈值的方法,即使用两个阈值(一个是超过和低于其他)。虽然这应该考虑,这个实验表明,一个健全的主题可以控制运动模式由面肌和切换从一个轻松的运动状态。

5。结论和未来的工作

本文提出了一种新型的手指康复系统多点触觉界面由面肌电信号控制。因此,系统可以为病人提供有效的手指康复。根据医生的意见,本研究将导致具有挑战性的临床试验。

作为一个临床试验的进行预测,实验结果与系统的健全的学科。本研究针对两种类型的运动有两个表终端。我们的结果表明,该系统提供3-directional部队在每个指尖对应主题的摘要,和受试者认为自然运动的支持。结果表明,该系统有一个切换错误的过渡模式。这个问题必须解决,病人可以切换模式对应于他们的意图。

在未来,它将需要修改系统,该系统可以提供更多种类的运动。例如,用拇指和食指掐锻炼是非常重要的,也是一个晴雨表的复苏。瘫痪相关运动可能导致腕管综合征或内侧神经损伤。尤其令人关注的是,日本人在日常生活中,使用筷子,这个工具需要少量运动。我们的目的是与该系统进行的临床试验。