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机械网--控制双机器人系统,向中风患者提供上肢治疗

发布时间:2021-11-18 14:46:14 阅读: 来源:松紧带厂家

行业:生命科学, 科研, 机电学/ 电工学产品:PCI⑹723, LabVIEW, PCI⑹259, 实时模块挑战:开发1种安全且可靠的机器人康复系统,对中风后手臂残障的病人提供支援,以辅助治疗手臂运动,调和和指引手臂。解决方案:使用NI公司LabVIEW软件对两个定制机器人实现双延续的实时性控制系统,通过与治疗师沟通所需要使用而设计的用户界面(UI)以调和和辅助人类手臂运动。“LabVIEW环境模块化特性使其对原型设计和开发我们的系统来说是理想的选择农村违建会被强制拆除吗。”

中风是造成英国慢性成年人残疾的最多见的根源。身患中风还活着的人中,85%的人具有某种程度的手臂麻痹。5年以后,这些病人中有25%的人仍然在使用手臂上会表现出1定的困难,这对英国国家健康服务(NHS)造成了很大的负担。中风后,康复设施通太重复性故意义的调和性运动,使用物理疗法以辅助病人重新学习丧失的运动功能。如果设施资源不足,将会导致病人不能花费足够的时间来接受康复活动,这可能潜伏地限制恢复的程度。机器人康复系统可以辅助传统的治疗服务,以增加康复的强度和频率。机器人设计智能化气动手臂运动(iPAM)是1个双机器人系统,旨在向由于中风而导致上肢运动残障的病人提供重复的运动治疗。 iPAM由两个气动性动力机器人组成,以3个驱动转动关节为特点,在笛卡儿(Cartesian)空间上控制机器人的实行终端。当方便运动时,该机器人依 附在上肢的方式类似于治疗师支持手臂的方式:1个机器人依附在靠近手段前臂附近,另外1个机器人依附在上臂中间。矫形器能够支持手臂,其特点为3个被动转动自由度(DOF),以确保肢体始终舒适地与机器人保持1致。物理治疗师通过机 器人末梢部分来引导肢体运动治疗,并记录运动情况。该系统记录了利用于手臂的力度和机器人关节的运动情况。然后该运动可以被iPAM系统重放,在全部运动 期间以辅助病人所需(如图1)。iPAM系统所提供的辅助程度可以由物理治疗师调解。使用iPAM系统的病人接受上肢治疗运动

控制系统iPAM机器人必须主动地提供动力以辅助人类手臂运动。因此,机器人有效地调和性工作是相当重要的,由于肢体错位或过度 用力可能会导致肢体的疼痛或受伤。为了做到这1点,我们开发了新型控制方案,该方案围绕对人类关节的自由度进行操作,而不是机器人笛卡尔末端。我们将人类 手臂简化为6个DOF模型,对应肩膀上的5个DOF (两个转换和3个旋转)和肘部1个DOF。由于每个机器人可以控制3个DOF,因此两个机器人束缚上肢的6个DOF是可能的。人类关节角度不是由iPAM系统直接丈量的,因此是采取人类手臂模型的直接逆运动学公式,根据手臂的已知运动数据和机器人相对依附点的位置进行估计的。该公式没法应对来自软组织接口(皮肤、肌肉和矫形填充)的固有丈量误差和肩关节运动奇点。但是,我们使用雅可比(Jacobian)转置方法开发了1个新的迭代公式,其基于手臂前向运动学,更容易于估计。重要的 是,该方法考虑到了丈量误差和运动学奇点。为了提供准确的手臂位置估计,在控制循环的每次迭代中,以500Hz频率对前向运动学的50次迭代进行处理。这 对实时控制器提出了大量计算能力的要求,和肯定的实时性要求,使其具有高肯定性。通过将每个机器人丈量得到的动力转化为上肢坐标系统,我们可以实现准入控制方案,在该方案中可以定位到上肢的特定关节进行支援。准入控制方案的功能是丈量每个人DOF的转矩和动力,根据治疗师设置的刚度和阻尼参数来调理预期的关节位置。使用较高的支援程度(高度性刚性设置),机器人谨慎遵照治疗师的规定动作。这比较适合较少主动运动的病人。降落支援的程 度(较低的刚性设置)允许对规定动作有较大偏差,这适合于那些在较大范围主动运动的病人使用或当病人的活动性提高时使用。模型中每个关节的支援可以独立 改变,同时保存运动的调和模式。实现我们使用LabVIEW实时模块和 NI公司的接口卡实现iPAM实时控制器,实行控制器的信号I/O功能。输入传感器包括两个6轴动力变频器,6个非接触式旋转传感器,3个丈量肩膀位置的 电位器,和几个用于安全开关的数字输入。模拟输出信号控制12对压力调理阀,其在每个机器人关节处驱动低摩擦性气缸。该控制器完全基于状态,使代码具有逻 辑性、可扩大性和易于审核。实时操作系统允许控制器肯定性实行,有助于确保全部系统的可靠性和安全性。 物理治疗师使用客户端电脑,与用户界面1起启动,向病人提供指令、运动线索和与iPAM系统交互性能反馈信息。客户端使用TCP协议通过以太网与实时控制器异步通讯。用户界面的主要组成部分是3维空间显示。在LabVIEW软件平台上使用基于OpenGL3维图片功能进行控制,它允许具体任务信息实时性地传递给病人。实验性临床实验我们分两次小范围实验性临床研究实现了iPAM系统,通过招募中风后导致手臂残障的26个病人,来参加长达20个小时的 机器人治疗会议。每次会议包括近40分钟的运动机器人使用时间。在研究进程中,在使用运动机器人超过300个小时期间,iPAM系统辅助了超过 13,000个运动到达的动作。病人接受使用该系统的比例很高,1些病人表现出手臂运动性能的提高。在临床实验期间,病人没有表现出不良反应的情况。在两 次实验的全部进程期间,实时控制器保持稳定。LabVIEW环境模块化特性使其对原型设计和开发我们的系统来说是理想的选择。根据新型和新兴技术利用基金方案(NEAT E027),这项工作得到了英国国家健康服务的支持。目前NI已全面推出LabVIEW Robotics 2009,用于自主地面机器人系统的设计、原型与发布,更多信息请访问www高铁拆房赔偿多少钱一平方.ni.com/robotics/zhs。作者信息:Andrew JacksonUniversity of Leeds Woodhouse LaneLeeds LS2 9JT英国Tel: 44 113 343 2523a.e.jackson@leeds.ac.ukAndrew Jackson - University of Leeds Peter Culmer - University of LeedsMartin Levesley - University of LeedsSophie Makower - Leeds Primary Care NHS Trust Bipinchandra Bhakta - Leeds Institute of Molecular Medicine, Faculty of Medicine and Health, University of Leeds (end)资讯分类行业动态帮助文档展会专题报道5金人物商家文章