Summary
우리는, 자동 제어 기술을 사용하여 편마비 팔의 기능 회복을위한 실시간 미러 로봇 시스템을 개발 재활 의사의 피드백을 통해 건강한 주제에 대한 임상 연구 및 결정 작업을 실시했다. 이 간단한 미러 로봇 팔 편마비 뇌졸중 환자에서 작업 치료에 효과적으로 적용될 수있다.
Abstract
미러 치료는 뇌졸중 후 편마비 팔의 기능 회복을위한 임상에서 효과적인 작업 요법으로 수행되었습니다. 이것은 건강 아암을 이동시키면서 편마비 아암 실시간으로 움직이는 것처럼 거울을 이용하여 허상을 유도함으로써 수행된다. 그것은 감각 피질의 활성화를 통해 뇌의 신경 가소성을 촉진 할 수 있습니다. 그러나, 종래의 미러 요법은 암 편마비 실제로 움직이지 않는 것이 중요한 제한에 갖는다. 따라서, 우리는 편마비 아암의 실시간 움직임을 가능하게하는 밀폐 된 피드백 메커니즘을 이용하여 종래의 미러 치료 간단한 부가 모듈로 실시간 2 축 미러 로봇 시스템을 개발 하였다. 우리는 3 태도를 사용하고 팔꿈치 및 손목 관절, 및 외골격 프레임에 대한 참조 시스템 센서, 2 브러시리스 DC 모터 제목. 6 건강한 주제에 타당성 조사에서, 로봇 거울 요법은 안전하고 가능했다. 우리는 더 다이의 활동에 유용한 작업을 선택LY는 재활 의사의 피드백을 통해 훈련을 살고. 만성 뇌졸중 환자들은 거울 로봇 시스템의 2 주 후에 애플리케이션 Fugl 메이어 평가 스케일과 팔꿈치 굴곡 경련의 개선을 보였다. 로봇 거울 치료는 신경 가소성과 편마비 팔의 기능 회복에 중요한 것으로 간주되는 감각 피질에 고유 감각 입력을 향상시킬 수있다. 본 명세서 미러 로봇 시스템은 쉽게 개발 작업 요법을 향상시키는 데 효과적으로 사용될 수있다.
Introduction
뇌졸중 환자를 들어, 편마비 팔의 장애는 효과를 쇠약하게하고있다. 양손 활동을 수행 할 수있는 능력은 일상 생활에 필수적이지만, 편마비 아암의 기능적 결손들은 뇌졸중 시작 후 심지어 몇 년 남아있다. 간단한 작업은 편마비 팔의 기능 회복에 거의 영향을 미치지의 병원에서 다양한 교육 프로그램 중, 운동은 운동 또는 수동 반복의 범위를 증가시킵니다. 이러한 이유로, 일상 생활 (ADLS)의 활동과 관련된 의미있는 작업의 훈련은 병원에서 작업 치료에 적용되고있다.
거울 요법의 효과는 neurorehabilitation 1-4에서 이전의 연구에 의해 입증되었다. 미러 치료는 건강한 아암을 이동시키면서 편마비 아암 실시간으로 움직이는 것처럼 거울을 이용하여 허상을 유도함으로써 수행된다. 그것은 감각 피질 (1)의 활성화에 의해 뇌의 신경 가소성을 촉진 할 수 있습니다. 따라서, 모토R 전력과 편마비 암의 기능을 향상시킬 수있다. 그러나, 종래의 미러 요법은 암 편마비 실제로 움직이지 않는 것이 중요한 제한에 갖는다.
따라서 폐쇄 피드백 메커니즘을 사용하여, 종래의 미러 치료 간단한 부가 모듈로 실시간 2 축 미러 로봇 시스템을 개발 하였다. 이것은 신경 가소성 및 편마비 아암의 기능 회복 (도 1 및 2) 5-7에서 중요하게 고려되는 감각 피질에 고유 감각 입력을 전달할 수있다.
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Protocol
모든 절차를 검토하고 서울 대학교 병원의 임상 시험 심사위원회의 승인을했다.
1. 거울 치료 작업
- 2 차원 미러 치료 작업의 예 (도 3)
- 거울에 워밍업 운동에 대한 5 분을 보면서 자유롭게 건강한 팔을 이동합니다.
주 : 환자가 리드미컬하게 건강한 팔의 움직임을 행사할 수 있도록 하나 메트로놈을 이용할 수있다. - 건강 측면에서 드리블 약 5 분 ( "공을 구멍에"작업)을위한 당구와 유사한 선택한 구멍에 작은 공을 놓습니다. 드리블 약 5 분 ( "축구 게임"작업) 대한 축구 유사한 목표로 작은 공을 놓습니다.
- 테이블에 배치 번호 스티커를 사용 (작업 "점은 추적") 번호 순서대로 건강 측면의 핸들을 이동하고 반대 방향으로 돌아갑니다. 약 5 분 동안 반복합니다.
- 이러한 교류 등 일상 생활에서 모든 개체를 사용하여최대 건강 측면에 핸들을 사용 (작업 "컵 이동") 선택된 장소에 밀어 넣습니다. 약 5 분 동안 반복합니다.
- 거울에 워밍업 운동에 대한 5 분을 보면서 자유롭게 건강한 팔을 이동합니다.
미러 로봇 시스템의 구성 요소 (2)
- AHRS 센서 설정
- 3 시판 AHRS 센서를 얻습니다.
참고 : AHRS 센서 자기 센서, 가속도계 및 자이로 센서 (총 9 축)으로 구성되어 있습니다. - USB 커넥터와 PC에 AHRS 센서를 연결합니다.
- 일반 센서 설정을 구성 할 하이퍼 터미널 또는 기타 통신 소프트웨어를 사용합니다.
- 각각의 센서를 AHRS를 들어, RS232 통신을 선택 COM 포트로 설정합니다. 그런 다음, 8 초당 115,200 비트, 데이터 비트 전송 속도를 설정 없음으로 패리티, 1 정지 비트, 그리고 없음으로 흐름 제어.
- COM 포트를 확인하려면, 왼쪽 하단에 홈 버튼을 클릭합니다. 마우스 오른쪽 버튼으로 컴퓨터를 클릭합니다. 그런 다음 속성을 클릭하십시오. 장치 관리자를 클릭합니다. 을 클릭하여 포트 (COM & LPT) 탭을 확장합니다.
- 통신 일단unication는 설립 100 채널을 설정하고 각각의 센서 ID를 할당하고있다.
참고 : 일부 센서는 사용하기 전에 가속도계, 자이로 스코프 및 자력계의 교정이 필요할 수 있습니다. - 배터리 보호 구역을 표시 사원 수와 세트 센서와 같은 출력 형식을 설정합니다.
주 : 쿼터니온 컴퓨팅 속도를 높일뿐만 아니라 짐벌 로크 특이점을 제거하는 데 사용된다.
- 3 시판 AHRS 센서를 얻습니다.
- 브러시리스 DC 모터 설정
- 이 고성능 브러시리스 DC 모터와 컨트롤러를 준비합니다.
- 각 제어기를 들어, 전원 공급 장치의 전원 케이블을 연결한다. 또한, 모터에 모터 케이블, 홀 센서 케이블 및 인코더 케이블을 연결한다.
- 다른 컨트롤러에 CAN-CAN 케이블을 연결합니다.
참고 : CANopen을이 장치 사이의 통신에 사용됩니다. - 각 제어기 디바이스를 구별하기위한 설정 노드 ID.
- 일반적인 구성의 PC에 USB 케이블을 연결합니다.
- contro을 전원을 전원 공급 장치 스위치llers와 모터.
- 모터, 홀 센서, 엔코더를 구성하고 조정하는 모터 제조 업체에서 제공하는 시스템 구성 소프트웨어를 사용합니다.
참고 : 각도 한계와 집 위치가 안전한 작동 구성해야합니다.
- 프레임과 모터의 조립
주 : 모든 주문 제작 부분은 인용 부호에 이름이 지정됩니다. 재료 및 장비의 표를 참조하여 그림 4에서도 13을하시기 바랍니다.- 팔꿈치 관절 모터의 모터 축에 키 홈과 체결 체를 넣어 및 M5 육각 소켓 고정 나사 (도 4)을 사용하여 고정.
- 4X M5 소켓 헤드 나사 (10mm)를 사용하여 팔꿈치 모터 "팔꿈치 결합 중공 실린더 커버"를 확보하고, 단계 2.3.1 부착 결합 동체의 상부에있는 커플 링의 버퍼 부분 (중간 슬라이더 부분) 배치 (그림 4).
- "팔꿈치 옥상 프레임"에 베어링 볼을 연결합니다그리고 4 배 M4 소켓 헤드 나사 (8mm) (그림 5)로 고정합니다.
- "낮은 팔꿈치 지원"으로 "팔꿈치 모터의 힘을 분산 축"을 연결하고 4 배 M3 소켓 머리 나사 (6mm)로 고정합니다. 그런 다음 "낮은 팔꿈치 지원"의 상단에 "위 팔꿈치 지원"을 배치하고 8 배 M3 소켓 머리 나사 (12mm) (그림 6)를 사용하여 고정합니다.
- 상단, 중간 단계 2.3.3에서 조립 및 하단의 커플 링 본체의 마지막 부분에 단계 2.3.4에서 어셈블리를 놓습니다. 모두 함께 가입하고 M5 육각 소켓 세트 나사 (10mm) (그림 7)와 커플 링 본체를 고정합니다.
- 배 M5 소켓 헤드 나사 (15mm) (그림 7)를 사용하여 단계 2.3.2 단계 2.3.5 및 조립에 안전한 조립. 4 점을 확보하는 단계 2.3.2에서 어셈블리를 돌립니다.
- 4X M4 소켓 헤드 나사 (10mm)를 이용하여 손목 모터 "저급 손목 결합 중공 실린더 덮개"고정. 그리고, 하나의 장소모터 축에 키 홈과 체결기구 및 M4 육각 소켓 고정 나사를 이용하여 고정; 이어서, 결합 동체의 위쪽에 커플 링 (도 8)의 완충 부분을 배치했다.
- 양면 테이프 나 접착제의 종류 (그림 9)와 "손목 옥상 프레임"위에 "마찰 감소 링"을 연결합니다.
- "처리"로 "손목 모터의 힘을 분산 축"을 연결하고 4 배 M2.5 소켓 머리 나사 (4mm) (그림 10)를 사용하여 고정합니다.
- 상단, 중간 단계 2.3.8에서 조립하고, 하단의 커플 링 본체의 마지막 부분에 단계 2.3.9에서 어셈블리를 배치합니다. 모두 함께 가입하고 M4 육각 소켓 세트 나사 (10mm) (그림 10)와 결합 몸을 고정합니다.
- 배 M3 소켓 머리 나사 (그림 11)를 사용하여 단계 2.3.10에서 어셈블리 "손목 motor2roof2"를 고정합니다.
- 단계 단계 2.3.11 및 어셈블리의 안전한 조립이 우리를 2.3.7ING 배 M3 소켓 머리 나사 (15mm) (그림 11).
- 2 "공동 운동 제한"및 4 배 M4 소켓 헤드 나사 (15mm) (그림 12A)를 사용하여 2 축 칼라를 고정합니다.
- 샤프트와 8 배속 M3 소켓 머리 나사 (8mm) (그림 12B)를 사용하여 "손목 옥상 프레임"을 확보하기 위해 샤프트 칼라를 사용합니다.
- 조립 2.3.14에서 샤프트에 조립 2.3.13에서 샤프트 칼라를 밀어 배 M4 소켓 헤드 나사를 사용하여 "낮은 팔꿈치 지원"(15mm)를 추가 샤프트 칼라를 고정합니다. 그 후, 두 부분을 결합하고 레버 (도 13A)로 고정.
- 6 배 M4 소켓 헤드 나사 (15mm) (그림 13B)를 사용하여 단계 2.3.15에서 어셈블리에 "지원의 벽을"고정합니다. 6 배 M6 소켓 머리 나사를 사용하여 단계 2.3.16에서 테이블 스탠드 조립 (15mm) (그림 13C)를 고정합니다.
거울 롭 3. 디자인오티 시스템
- 자동 제어에 대한 수학적 모델
- 상지 운동의 자동 제어를위한 설정 동적 모델 (그림 14).
주 : 인간 상지 운동의 동적 모델 조인트 링크의 운동을 이용하여 표현 될 수있다. 아래와 같이 따라서, 로봇 머니퓰레이터에 대한 식을 사용하여 모델링 방법 :
노트: (
: 공동 위치 벡터, 
: 공동 속도 벡터, 
: 공동 가속 벡터, H : 관성 행렬, F : 코리올리과 원심력 행렬, G : 중력, E의 벡터 : 토크 행렬로 인해 환경과의 상호 작용, 
: 일반 forc의 벡터 관절에 적용 ES)를 편마비와 운동의 건강한 팔 쇼 다양한 측면. 즉 편마비 아암 인해 근육 마비 시간에 이동할 수 없다 또는 동작에 필요한 충분한 토크를 제공 할 수있다. 따라서 시스템은 재활 훈련이 편마비 팔을 통해 정상 동작을 통해 수행 될 수 있도록 설계되었습니다; 다음 즉, 재활 로봇 건강한 팔의 움직임을 제공하기 위해 환자의 편마비 아암에 부착되고 간단히 배합 될 수있다 :
(편마비 팔 움직임) - 재활 로봇) = (건강한 팔 운동)의 움직임. - 재활 로봇 전체 시스템에 오류를 일으키는 인한 마비 아암 매니퓰레이터에 마비 환자의 팔을 부착하고, 추가로 토크와 시간 지연을 관찰한다. 편마비 측의 조작을 통해이를 감지합니다.
- 수학 방정식으로 : 오류 (추적 오차의 (t)) 측정 :
에스 / ftp_upload / 54521 / 54521eq6.jpg "/>
참고 : (S : 추적 오류,
: 양성 명확한 설계 파라미터 행렬 
: 원하는 실제 위치 사이의 오류, 
: 상기 트래킹 에러 인간 상지 운동의 동적 모델과 결합 될 수있다) 원하는 실제 속도 간의 오차는 다음과 같이 표현 될 수있다 : 
참고 : (K D : 시간이 지남에 따라 변경 피드백 보상 미분 게인 값,
: 관성 오류 행렬, 
: 코리올리 원심력 에러 매트릭스) - 재활 로봇의 각 관절을 제어하려면 Lagr를 사용angian 역학 (8). 각 관절에 대한 운동의 동적 방정식은 다음과 같습니다
참고 : (D : 계수 행렬,
다음 식 액츄에이터 관성 행렬) 계수 D는 위의 관절 (8) 사이의 관성 커플 링 효과와 관절 사이의 토크에 영향을 미친다. 이 수학적 모델을 이용하여 자동 제어 모델은도 14의 블록 방식으로 도시 될 수있다.
- 상지 운동의 자동 제어를위한 설정 동적 모델 (그림 14).
- 소프트웨어 프로토콜 (그림 15)
- 프로그램이 시작되면, 모터와 센서와의 통신을 확립 한 값을 초기화한다. 모터 및 센서는 초기 위치 (4.1.3 참조)에 일단, 메인 루프로 이동합니다.
참고 : - 200 샘플 / 초 메인 루프의 샘플링 주파수를 들어, 우리는 50을 추천합니다. 최대 지연을 위해, 우리는 기껏해야 2 초를 권장합니다. 또한, 토크 한계를 들어,40 Nm의 손목 모터가 10 발휘할 수 - - 20 nm의 팔꿈치 모터 (25)를 발휘 할 수 있도록 소프트웨어와 함께 모터 전류 값을 조절하는 것이 좋습니다. - 이 정지 버튼에 의해 인터럽트되지 않는 연속 자세를 읽고 표제어 참조 시스템 (AHRS) 센서의 현재 위치 값은 모터의 값을 송신한다.
주 : 데이터 출력 쿼터니온이며, 적절 로봇 동작을위한 원하는 각도로 변환한다. 참고로 프레임을 조정 센서 중 하나를 선택하고 다른 센서는 프레임을 좌표 재설정합니다. 기준으로 계산 된 프레임, 최종 출력 요우 각도를 구하는 역 운동학을 사용한다. - 이 정지 버튼에 의해 중단되지 않기 연속적 자동차의 위치를 확인하고 AHRS 센서에 의해 제공되는 원하는 위치로 이동을 수행하는 값을 업데이트.
주 : 모터 위치가 모터 회사 및 #와 소프트웨어 내부 확인할 수 모터의 엔코더에 의해 제공된다39;의 제공 소프트웨어 라이브러리 명령. - 한편, AHRS 센서에서 모든 각도와 각속도를 기록한다.
- 작업이 완료되고, 사용자가 정지 버튼을 누른 후에는 루프를 종료하고 원래의 위치로 이동시켜 로봇을 마무리.
- 프로그램이 시작되면, 모터와 센서와의 통신을 확립 한 값을 초기화한다. 모터 및 센서는 초기 위치 (4.1.3 참조)에 일단, 메인 루프로 이동합니다.
- 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI) (도 16)
- "오류"를 추가하고 실행하는 동안 감지하는 기능과 디버그 오류 사항 "오류".
- 로봇 동작면 (환자의 마비 측)을 선택하는 환자 사이드 버튼을 추가합니다.
- 환자를 식별하는 환자 정보 박스를 구축.
- 모터 상태 표시기를 추가합니다.
- 안전을 위해 각도 제한 컨트롤을 추가합니다.
- 때문에 뻣뻣한 상지에 근육과 힘줄 부상을 방지하기 위해 각 모터의 최대 속도, 가속도, 감속을 구성합니다.
주 : 시스템은 편마비 암의 가속과 감속을 반영한다. - 에이DD 지표 모터의 위치와 속도, 그리고 입력 전류 정보를 검색 할 수 있습니다.
- AHRS 센서와 시스템 사이의 통신을 설정하기 위해 VISA 리소스 이름 컨트롤을 구축 할 수 있습니다.
- 누적 센서 드리프트 에러를 제거하기 위해 교정 함수를 추가한다.
- 센서 정보를 검색하기 위해 센서에 대한 지표를 마련.
주 : 센서 정보는 관절 각도 (두 개의 연속 센서 사이의 각도) 및 배터리 보호 구역을 포함한다.
- 미러 로봇 동작 동안 극복 아암 경련
- 각 관절 경직을 극복하기에 충분한 토크를 발휘할 수 모터를 선택합니다.
참고 : 손목 모터는 10 Nm의보다 높은 토크 출력 및 팔꿈치 모터보다 높은 25 Nm의를 가져야한다. - 단단히 환자의 팔 로봇 운동을 전달하기 위해, 로봇의 외골격 팔뚝을 해결하기 위해 반 탄성 재료로 이루어지는 스트랩을 사용한다.
참고 : 예를 스트레치 같은 반 탄성 스트랩,시간 패브릭 스트랩 또는 폴리 에스테르 / 나일론 탄성 꼰 끈이 권장됩니다. 스트랩이 너무 신축성있는 경우, 위치에 팔을 보유하지 않을 것이다. 스트랩은 모두 탄성 없으면 근육 또는 힘줄 부상 팔꿈치 경련 고도의 경우에 발생할 수있다. - 팔꿈치, 손목 운동을 분리하기 위해, 프레임을 압박하여 손목을 고정하는 샤프트 칼라 조합이 견고한 프레임을 사용한다.
주 : 칼라를 손목의 강성이 과잉이면 근육 및 건 부상을 방지하기 위해 사용된다. - 로봇에 손을 해결하기 위해 핸들 주위에 끈을 사용합니다.
- 각 관절 경직을 극복하기에 충분한 토크를 발휘할 수 모터를 선택합니다.
: 공동 위치 벡터, 
: 공동 속도 벡터, 
: 공동 가속 벡터, H : 관성 행렬, F : 코리올리과 원심력 행렬, G : 중력, E의 벡터 : 토크 행렬로 인해 환경과의 상호 작용, 
: 일반 forc의 벡터 관절에 적용 ES)를 편마비와 운동의 건강한 팔 쇼 다양한 측면. 즉 편마비 아암 인해 근육 마비 시간에 이동할 수 없다 또는 동작에 필요한 충분한 토크를 제공 할 수있다. 따라서 시스템은 재활 훈련이 편마비 팔을 통해 정상 동작을 통해 수행 될 수 있도록 설계되었습니다; 다음 즉, 재활 로봇 건강한 팔의 움직임을 제공하기 위해 환자의 편마비 아암에 부착되고 간단히 배합 될 수있다 : 
: 양성 명확한 설계 파라미터 행렬 
: 원하는 실제 위치 사이의 오류, 
: 상기 트래킹 에러 인간 상지 운동의 동적 모델과 결합 될 수있다) 원하는 실제 속도 간의 오차는 다음과 같이 표현 될 수있다 : 
: 관성 오류 행렬, 
: 코리올리 원심력 에러 매트릭스) 
다음 식 액츄에이터 관성 행렬) 계수 D는 위의 관절 (8) 사이의 관성 커플 링 효과와 관절 사이의 토크에 영향을 미친다. 이 수학적 모델을 이용하여 자동 제어 모델은도 14의 블록 방식으로 도시 될 수있다. 미러 로봇 시스템 4. 임상 응용 프로그램
- 로봇 미러 요법을 실시
- 환자의 상태에 따라 높이와 작업 테이블의 폭을 조정합니다.
- 두 팔 사이의 중간 선에서 미러를 설정하고 테이블이나 플랫폼에서 설정합니다.
- 핸들, 손목에 AHRS 센서를 배치프레임, 로봇의 방향과 평행 건강 측면 정렬에 플랫폼의 가장자리.
참고 : 센서의 내부 요 축이 가리키는해야합니다. - 컴퓨터에있는 치료 소프트웨어를 실행합니다.
- 환자 측 스위치 버튼을 클릭하여 편마비 쪽을 선택합니다.
- 환자의 관절 상태에 따라 최대 관절 각 제한을 설정합니다. 안전한 작동을 위해, 팔꿈치 굴곡 한계 이하 50º보다 더 -70º보다 팔꿈치 확장 제한, 이하 80º보다 손목 굴곡 제한, 손목 확장 제한을 사용하여 이상 -60º.
참고 : 플러스와 마이너스 기호가 자동으로 수정하고 한계도 경계의 밖으로 경우 소프트웨어 레벨에서 수정된다. - 설정 최고 속도, 가속도 및 감속도. 이러한 값의 경우, 손목 모터 0, 33 RPM 사이의 팔꿈치 모터와 사용 속도 값을 0 ~ 22.5 RPM 사이의 속도 값을 사용합니다.
참고 : 기존의 거울 치료의 경우, 모든 값을 0으로 설정로봇을 고정합니다. - 환자 정보를 입력합니다.
- 프로그램을 실행하기 전에 모든 AHRS 센서의 전원을 켭니다.
- 프로그램의 왼쪽 상단 모서리에있는 화살표 버튼을 클릭하여 프로그램을 실행합니다.
- 일단, 최대 프롬프트 팝 "다른 이름으로 저장"문자열 상자를 눌러 확인에 결과 데이터에 대한 적절한 파일 이름을 작성합니다.
- 로봇과 건강 암 (두 손 떨어져 몸과 평행에서 서로) 초기 위치에 있지만, 초기 위치 0으로 센서 값을 초기화 할 수있는 보정 버튼을 누릅니다.
참고 : 단계 1.1.1 참조 -이 작업에 사용되는 손을 위해 1.1.4. - 모든 작업이 완료 눌러 STOP 버튼을 누릅니다.
참고 : 로봇 거울 치료를 들면, 생물 의학 엔지니어는 주요 조정자 역할을해야하며, 작업 치료사는 환자를 지원해야합니다.
- 건강한 주제에 대한 임상 연구
- 확인을 위해 건강한 주제에 대한 임상 연구를 실시안전 및 타당성 8. 명령 줄 ( "자신에 편마비 팔을 이동하지 마십시오을.") 편마비 팔을 완전히 수동적 인 운동의 주제에.
- 핸들에 모두 프레임에 팔, 손을 놓습니다. 그런 다음, 끈으로 팔을 고정합니다.
- 치료 효과의 평가
- 치료 전에 환자에 대한 잠재적 인 테스트를 유발 등 Fugl-마이어 평가 척도 (9), 수정 애쉬 워스 규모 (10), 수정 바델 지수 (11), Jebsen 손 기능 검사, 손 전력 측정, hemispatial 방치 시험, 모터 등의 기능 평가를 실시하고 있습니다.
- 하루에 60 분 - 30 2 차원 미러 로봇 뇌졸중 환자에 대한 임상 시험을 실시한다. 명령 줄 ( "자신에 편마비 팔을 이동하지 마십시오을.") 환자에.
- 환자가 마지막 세션을 수행 한 후, 행위 추적 기능 평가.
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Representative Results
여섯 정상인을 대상 당 평균 106 초 취했다 10 배 (도 17에 도시 한 바와 같이, 건강한 손에 부착되는 펜 교대 개의 작은 판을 터치)에 '펜 마킹 작업'을 실시했다. 어떤 부작용도 관찰되지하고, 로봇 미러 치료가 가능한 것으로 입증되었다.
또한, 재활 의사의 임상 연구가 수행되었다. 우리는 효과적인 로봇 미러 작업 치료에 적합한 작업을 결정하기 위해 전문가 의견을 요청했다. 6 재활 의사의 의견과 함께, 미러 로봇에 의해 유도 환상의 정도 (수치 평가 척도 각 [NRS] 10에서 7.2) 작업 "한 잔 이동" "구멍에 공"과 가장 높은이었고, 다음 "축구 게임 '(7.0 / 10) 및 작업 (6.5 / 10)"추적 점 ". 양팔 간의 이동 동안에 동시성 관해서"한 잔을 움직이는 '로봇 거울 치료, 작업은"구멍에 공 ""축구 게임 "와"점 추적 "(6.8 / 10 각) 및 (6.2 / 10) (그림 뒤에, 7.0 / 10의 NRS 점수를했다 3). 이 4 개의 작업 중 재활 의사는 뇌졸중 환자의 ADL 훈련을위한 유용한 작업으로 "축구 게임"을 추천했다.
우리는 2 주 (10 세션)에 대한 하루에 30 분 동안 미러 로봇 뇌졸중 환자에 대한 임상 시험을 실시했다. 주제는 다음과 포함 기준 충족해야합니다 : 1) 18 세 이상을; 사개월 및 전 육년 사이에 진단 2) 천막 상부 스트로크; 의학 연구위원회 (MRC) 2 등급 이하의 3) 위 사지 편마비. 다음과 같이 메인 제외 기준은 1) 3 등급 이상 (중증 경직)의 애쉬 워스 규모를 수정; 2) 미니 정신 상태 검사 (12)보다 점수; 3) 전역 또는 감각 실어증.
일 방문을 수행 한 후, 그 후속 기능 평가를 실시했다. 편마비 암의 Fugl-마이어 평가 규모는 66에서 17 (12)로부터 개선 및 팔꿈치 굴근의 애쉬 워스 규모를 수정 (경련의 경우)는 1 +로 등급 2에서 감소 하였다. 왼쪽 측면 핀치 힘은 다른 매개 변수 (그림 18, 표 1) 이전과 로봇 거울 치료 후 유의 한 차이를 보이지 않았다 0 ~ 3 파운드로 증가했다.
에서 로봇 미 그림 1. 개념적 흐름rror 요법 고유 감각 입력을 용이. 실험은 로봇 미러 요법에 대한 개념적인 흐름에 따라 설계된다.
그림 2. 미러 로봇 시스템의 다이어그램. 건강한 팔의 운동이 3 AHRS 센서에서 입력을 통해 소프트웨어 알고리즘에 의해 편마비 팔에 부착 된 외골격으로 예상된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
. 거울 로봇 시스템을 사용하여 그림 3. 다양한 작업 사용자는 2 차원 작업에 의해 훈련 할 수있다; 구멍 공, 축구 게임, 점 추적 및 이동한잔. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 팔꿈치 모터 조립. 총회는 팔꿈치 관절 모터, 커플 링, 팔꿈치 커플 링 중공 실린더 커버에 대한 단계를 반복합니다.
그림 5. 베어링 및 팔꿈치 옥상 프레임 어셈블리. 조립 베어링과 팔꿈치 옥상 프레임 어셈블리 사이.
그림 6. 팔꿈치 지원 조립. 팔꿈치 모터의 힘을 분산 샤프트 조립 단계, 상부 전자 lbow 지원 및 낮은 팔꿈치를 지원합니다.
그림 7. 팔꿈치 지원 및 팔꿈치 모터 조립. 조립 팔꿈치 지원과 팔꿈치 모터 단계.
그림 8. 손목 모터 조립. 총회는 손목 관절 모터, 커플 링, 낮은 손목 커플 링 중공 실린더 커버에 대한 단계를 반복합니다.
그림 9. 마찰 감소 링 첨부. 손목 옥상 프레임에 마찰 감소 링의 첨부 파일.
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그림 10. 핸들 조립. 총회는 3D 인쇄 핸들, 커플 링 단계, 손목 모터 힘의 분산 축.
그림 11. 핸들 및 손목 모터 조립. 총회는 손목 모터와 핸들 단계를 반복합니다.
그림 (A) 관절 운동 제한 12. 공동 운동 리미터 어셈블리. 조립 공정, (B) 길이 조정 샤프트, 및 조립 된 손잡이.
13. 최종 조립 그림.샤프트 칼라와 샤프트를 사용하여 조립 손목 모터 부분과 (A) 조립 팔꿈치 모터 부분에 대한 조립 단계, (B)는지지 벽으로 로봇을 조립하고, (C)는 작업 테이블 로봇을 조립. 을 보려면 여기를 클릭하십시오 이 그림의 더 큰 버전.
자동 제어 수학적 모델도 14의 블록 방식. 외골격 로봇의 실시간 제어를위한 폐쇄 피드백 메커니즘을 이용한다.
그림 15. 전체 소프트웨어 프로그램. 소프트웨어 프로그램은 가까이 사용로봇 시스템을 구동하는 D 피드백 메커니즘. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 프로그램의 16 GUI. 제어 및 GUI를 통해 치료를위한 프로그램을 구성 할 수 있습니다 사용자. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 미러 로봇 시스템의 프로토 타입을 사용하여 6 건강한 주제에 (17) 펜 마킹 작업. 10 시간 연속 대상 당 평균 106 초에 갔다 작업을 마킹 펜을 실시.
그림 18. 만성 마우스 오른쪽 기저핵 출혈이있는 60 세의 남성 환자의 기능 평가. 로봇 거울 치료의 10 세션 후 개선을 보여 주었다 데이터의 주요 부분 집합. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 전에 | 10 세션 후 | |
| 미니 정신 상태 검사 | (29) | - |
| Fugl-마이어 평가 척도 (위의 말단) | (12) | (17) |
| 어깨/팔꿈치 | (11) | (15) |
| 손목 | 0 | 1 |
| 손 | 1 | 1 |
| 수정 애쉬 워스 규모 | ||
| 팔꿈치 굴근 | 이 | 1+ |
| 손목 굴곡 | 0 | 0 |
| 수정 바델 지수 (위의 말단) | (25) | (25) |
| Jebsen 손 기능 검사 | Uncheckable | Uncheckable |
| 왼손 전력 (파운드) | ||
| 손잡이 | 8 | 8 |
| 엘ateral 핀치 | 0 | 삼 |
| 손바닥 핀치 | 0 | 0 |
| Hemineglect 테스트 | ||
| 선 이등분 테스트 | 6/6 각 | 6/6 각 |
| 알버트 테스트 | 12/12 각 | 12/12 각 |
| 모터는 잠재적 유발 | 응답 없음 | 응답 없음 |
만성 우측 기저핵 출혈이있는 60 세의 남성 환자 표 1. 기능 평가.
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Discussion
본 연구의 주된 목적은 자동 제어 알고리즘을 이용한 편마비 아암의 기능 회복에 대한 실시간 미러 로봇 시스템을 개발 하였다. 뇌졸중 후 상부 사지 손상 장기적 회복 로봇 보조 요법의 효과는 이전 연구 12 유익한 입증하고, 아암 로봇의 각종 13-20 도입되었다. 그러나, 양측 팔의 움직임을 실현 상지 로봇의 이전 연구 미러 치료 14-15 개념 상이한 미러를 사용하지 않고, 기계적 연결을 적용 하였다. 따라서, 우리의 연구는 고유 감각 입력을 용이하게하기 위해 실제 거울을 사용하여 자신의 작업의 연장이 될 수 있습니다.
이전 시스템을 업그레이드하기 위해, 우리는 건강한 팔에 AHRS 센서를 적용하고 편마비 팔꿈치와 손목에 모터를 부착하여 실시간으로 이동 편마비 팔 수 있었다. 에 편마비 팔에서 고유 감각 입력뇌의 감각 피질 미러 로봇 시스템을 통해 향상 될 수있다. 고유 감각의 촉진은 향후 연구에서 기능적 뇌 MRI에 의해 확인 될 필요가있다.
이는 지연이 최소화되는 경우 미러 효과가 극대화되기 때문에, 시스템이 최소의 지연 동기를 가질 중요하다. 소프트웨어 아키텍처 내부 루프 내에서 병렬로 판독하는 동안이를 달성하기 위해 필요 최소한의 바이트 수와 센서로부터 데이터를 검색. 0.40 초 - 결과, 건강한 팔과 로봇 사이의 동기화 지연은 약 0.04이다.
이 연구에서 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 첫째, 우리는 그립 또는 핀치 미세한 손가락 움직임과 통상 거울 치료의 3 차원 작업을 포함 할 수 없었다. 둘째, 우리는 가능한 한 많은 생리 학적 움직임을 유지하기 위해 건강한 팔의 팔꿈치 관절 해결되지 않았다. 그러나, 엘보 운동 범위의 제한이 SYN을 향상하는 것이 도움이 될 것이다모터에 의해 이동 반대 팔꿈치 만성. 건강한 쪽 팔꿈치 따라서 동시성을 개선한다 고정 부가 구조를 설치하여 내용을 변경, 치료의 효과를 증가시킬 것이다. 관절이 서서히 이동하지만 셋째, 심한 경련 또는 강성을 가지고 환자, 부족으로 모터 전력을 포함 할 수 없습니다. 시스템은 적절한 강성을 극복하도록 높은 토크 출력 모터를 교체함으로써 수정 될 수있다. 그러나, 강력한 모터, 경련 또는 강성의 심각한 수준의 환자에 대한 치료는 관절에 과도한 힘 응용 프로그램으로 인해 힘줄이나 뼈의 손상을 방지하기 위해 피해야한다.
우리는 여기에 제공된 미러 로봇 시스템이 쉽게 개발 작업 요법을 향상시키는 데 효과적으로 사용될 수 있다는 것은 믿는다.
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Disclosures
저자는 공개 아무것도 없어.
Acknowledgments
이 작품은 엔지니어링 및 의과 대학, 서울 대학교 (800-20150090) 대학에서 뇌 융합 프로그램 서울 대학교 (800-20120444) 및 학제 간 연구 이니셔티브 프로그램에 의해 지원되었다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| LabVIEW | National Instruments | System design software | |
| 24 V power supply | XP Power | MHP1000PS24 24V | Any 24 V power supply should do |
| AHRS sensor receiver | E2box | EBRF24GRCV | |
| AHRS sensors | E2box | EBIMU-9DOFV2 | You will need total 3 sensors. Any AHRS sensors will do |
| EC90 flat motor module | Maxon | 323772 + 223094 + 453231 | Any geared motor with higher than 30 Nm should do. (For our custom machined parts, you will need these particular flat motor and gear module, but the gear ratio and encoder may vary) |
| EC45 flat motor module | Maxon | 397172 | Any geared motor with higher than 10 Nm should do (For our custom machined parts, you should use the same gear module but the gear ratio, motor, and encoder may vary) |
| EPOS2 70/10 controller | Maxon | 375711 | This can be replaced with EPOS 24/5 controller |
| EPOS2 24/5 controller | Maxon | 367676 | |
| Connector and cable set | Maxon | 381405 + 384915 + 275934 + 354045 | You can also make these cables. Connectors and corresponding wire info can be found in "300583-Hardware-Reference-En.pdf" and "300583-Cable-Starting-Set-En.pdf" |
| Coupling- Oldham, Set Screw Type | Misumi | MCORK30-10-12 | Type may vary |
| Coupling- High Rigidity, Oldham, Set Screw Type |
Misumi | MCOGRK34-12-12 | Type may vary |
| Shaft Collars | Misumi | SCWDM10-B | You will need 4 sets |
| Shaft Collars | Misumi | SDBJ10-8 | You will need 2 sets |
| Precision Linear Shaft | Misumi | PSSFG10-200 | Any straight 10 mm diameter shaft with at least 200 mm length should do |
| Bearings with housings | Misumi | BGRAB6801ZZ | |
| Elbow motor force dispersion shaft | custom machined | 3D CAD | |
| Lower elbow support | custom machined | Part Drawings | |
| Elbow rooftop frame | custom machined | Part Drawings | |
| Support wall | custom machined | Part Drawings | You will need 2 frames. |
| Elbow coupling hollow cylinder cover | custom machined | Part Drawings | |
| Wrist motor force dispersion shaft | custom machined | Part Drawings | |
| Wrist rooftop frame | custom machined | Part Drawings | |
| Upper wrist coupling hollow cylinder cover | custom machined | Part Drawings | |
| Lower wrist coupling hollow cylinder cover | custom machined | Part Drawings | |
| Joint movement limiter | custom machined | Part Drawings | |
| Handle | 3D printed | Part Drawings | |
| Upper elbow support | 3D printed | Part Drawings | |
| Friction reduction ring | 3D printed | Part Drawings | |
| Acrylic mirror | custom laser cutting | Part Drawings | |
| Task table | custom machined | Part Drawings | |
| Silicone sponge | |||
| DOF limiter | 3D printed | Part Drawings | |
| DOF limiter lid | 3D printed | Part Drawings | |
| Healthyarm handle | 3D printed | Part Drawings | |
| Ball rollers - Press fit | Misumi | BCHA18 | |
| Goalpost | 3D printed | Part Drawings | |
| Circle trace | 3D printed | Part Drawings | |
| Angled assist | 3D printed | Part Drawings | Optional |
| Curved assist | 3D printed | Part Drawings | Optional |
| Plain assist | 3D printed | Part Drawings | Optional |
| Task board | custom laser cutting | Part Drawings |
References
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