“超级外挂”上肢外骨骼机器人来啦!
来源: 机器人大讲堂 作者: 2020年07月15日 09:57
前言

上肢外骨骼是一种可穿戴式机械臂,机械臂的运动与人体上肢运动相匹配,可以提供安全、灵活、丰富的康复训练,能够实现主动、被动、主被动协调等运动模式。




使用外骨骼机械臂进行肌力训练,能够恢复患者上半身的功能,帮助患者变得更加独立,尤其是对中风患者有更大意义。



一、起源


由于脑部血管阻塞或者突然破裂导致大脑供血不足而引起的脑组织损伤疾病称为“脑卒中(stroke)”又称为“中风”。世界卫生组织调查数据显示,在 2015 年全球 5640 万例死亡中,半数以上(54%)是由以下 10 种病因导致,其中脑卒中高居第二位。



另一方面,权威医学期刊《新英格兰医学杂志》根据1990-2016年的数据研究显示,全球25岁以上的人中,1/4 有患中风的风险,而中国人风险最高。依2017年我国居民数据,每5位死亡者中就至少有1人死于脑卒中,且脑卒中后存活者中70%留有不同程度的残疾,患者中最普遍的后遗症是上肢轻度瘫痪,而上肢运动功能的缺失会极大降低患者的生活质量。


临床试验证明,除了手术和药物治疗外,康复运动训练有助于偏瘫患者在大脑中枢与肢体运动控制之间重新建立有效联系。


为帮助中风患者实现康复运动训练,通常治疗师需要长期引导完成一系列动作,可以视为一种再学习或者再训练的过程,高重复性、高强度、目标导向性的特定任务训练。现有康复治疗医师和专业护理人员的数量远不能满足实际的需求,上肢康复机械臂的出现为改变康复治疗现状提供了一种有效的解决方案。


正是源于协助这部分患者完成上半身的复健的需求,Harmonic Bionics开发的Harmony SHR项目于2011年在德克萨斯大学雷诺机器人实验室启动,资金来自国家科学基金会和美国宇航局。



它既可以按照预先编制的程序自动重复模拟日常的多平面运动来促进功能恢复;又可以支持患者本人通过正常一侧手臂来引导另一侧完成复健动作;或通过实时记录健康的手臂运动,并将其复制到受中风影响的一侧来进行以患者为主导的治疗,或者称为“双向同步治疗”。


二、核心技术


肩关节复合体包括胸锁关节、肩胛胸廓关节、肩锁关节和盂肱关节,涉及胸骨、锁骨、肋骨、肩胛骨和肱骨,是人体中最复杂的关节。16 块肌肉控制肩关节复合体,从而实现大范围运动,这些肌肉通常不是独立发挥作用,而是协调配合控制多个关节运动。



这就要求机械臂的核心部件——肩部机构,在能够保证肩部最大限度的运动范围的同时,尽可能做到轻便、紧凑,进而驱动肩部关节的协调运动,这也是肩部康复的关键所在。


另一个难点在于确保机械臂与患者之间的定位,以避免使用者的关节受到伤害,因此有必要增加尺寸调整功能,以适用不同用户的需求。其他挑战包括开发具有高刷新率的闭环扭矩控制执行器等等。



三、结构设计


在设计外骨骼机械臂结构之前,要先明确总体设计方案,包括构型、各关节运动范围、结构参数等。机械臂有其复杂性,且尺寸调整机构需要高度紧凑,以便为电子设备和执行器留出空间。


Harmonic Bionics通过选择德国运动塑料制造商igus的DryLin-T高性能直线轴承,以确保了外骨骼支架的高刚性、无需润滑;而且,直线轴承机构能够一次锁定到位,以防止不必要的尺寸变化。该产品也经常用于机械制造、机床、包装搬运和木工等行业。



对于不同康复阶段的患者,可以采用Lovett 肌力分级,来评估患者肌肉力量,一般将肌力分为 0 ~ 5 级。针对不同肌力等级的患者需要采用不同的康复训练模式,康复模式与患者肌力分级之间关系如下:


肌力等级

描述

康复模式

0

肌肉完全无收缩能力

被动模式

1

肌肉有轻微收缩,但不能引起关节运动

2

肌肉收缩可以使关节在减重条件下进行全范围运动

主动模式(助力)

3

关节可以抵抗重力进行全范围运动,但不能抵抗外加阻力

4

关节可以抵抗重力及一定阻力进行全范围运动

主动模式(阻力)

5

肌肉力量正常



其中,被动模式是指完全由外骨骼机械臂带动患者上肢运动,主动模式是指患者控制外骨骼机械臂按照自身意图运动。在康复训练过程中,主动与被动模式下,均由各关节力矩和位置信息来进行控制以,力矩信息通过力矩传感器得到,位置信息通过编码器测量。


四、应对挑战


外骨骼技术从上世纪60年代兴起,经历了数次爆发和低谷,每一次爆发都是技术换代式的革命。这种爆发体现在众多科幻作品中,同时在一代代年轻人心中埋下能够上天遁地的机甲种子。



随着可穿戴设备的发展、材料科技的发展、传感器技术的发展、通信与电力技术的发展、或是动力系统的发展,外骨骼技术进入了一个新的台阶。但同时我们也要看到外骨骼机械臂设计的重重挑战。


比如,需要从人机运动匹配出发,考虑运动过程中肩关节旋转中心与机械臂的匹配、机械臂与人体肘关节轴线的匹配、左侧与右侧患肢的通用性、外骨骼与人体之间的连接方式等问题;同时需要保证患者的安全性;以及寻找耐用、无润滑的部件等。


但中风作为一个急需解决的医学问题,值得更多关注。通过外骨骼机械臂的使用,能够改变治疗师的工作方式,一定程度上解放了治疗师,让他们有更多的精力去与患者互动,为脑卒中患者开启健康新纪元。


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