用于偏瘫上肢功能恢复的机器人镜像疗法系统

本实验的总体目标是引入一种用于偏瘫上肢功能恢复的实时机器人镜像疗法系统。该方法通过证明结合先进职业疗法可实现偏瘫上肢的功能恢复，有助于解答转化性神经康复生物医学工程研究中的关键问题。该机器人镜像疗法的主要优势在于能够增强向感觉皮层的本体感觉输入，这对于脑卒中患者的脑神经可塑性具有重要意义。

初次接触该方法的人员可能会遇到困难，因为开发软件协议以及组装框架和电机的过程较为复杂。我们最初是在观察传统神经疗法时产生了这种方法的想法，因为传统方法存在局限性，即偏瘫手臂实际上并未产生运动。该方法的可视化演示至关重要，因为机器人镜像疗法的传感器设置、组装和准备工作难以通过文字描述掌握。

首先获取三个姿态与航向参考系统（AHRS）传感器，并使用 USB 连接器依次将其连接到计算机。使用通信软件在计算机上配置传感器的基本设置。将每个传感器设置为 RS 232 模式。

然后选择 COM 端口，将波特率设置为 115,200 位每秒，数据位设置为 8 位。

奇偶校验设为无，停止位设为1，流控制设为无。

要检查 COM 端口，请点击左下角的“主页”按钮。右键单击计算机，选择属性、设备管理器，然后点击端口选项卡以展开。通信建立后，超级终端将显示传感器读数。

然后，设置通道并为每个传感器分配不同的 ID。对每个传感器重复进行配置、COM 端口检查以及通道和 ID 的分配。最后，将输出格式设置为四元数。

并将传感器设置为显示电池余量。开始组装肘关节电机，先将带键槽的联轴体之一安装到电机轴上，然后使用 M5 内六角螺钉将其固定。

使用四颗10毫米M5内六角螺钉将肘部联轴器空心圆筒盖固定到肘部电机上。然后将第二个缓冲联轴器本体放置在第一个联轴器本体的上方。接着，将球轴承插入肘部屋顶框架中，并用四颗8毫米M4内六角螺钉将其固定。

接下来，将肘部电机力分散轴插入下部肘部支撑件中，并用四颗直径六毫米的M3内六角螺钉固定。然后，将上部肘部支撑件安装在下部肘部支撑件上方，并使用八颗12毫米长的M3内六角螺钉进行固定。将C部件置于顶部，B部件置于中部，另一个联轴体置于底部。

将它们连接在一起，并用一个10毫米M5内六角螺钉固定耦合体。然后，使用四个15毫米M5沉头螺钉将A部件安装到该组件的底部。接下来，使用四个10毫米M4沉头螺钉将下腕耦合空心圆筒盖与腕部电机固定在一起。

然后，将联轴体安装到电机轴上，用一个M4内六角螺钉固定，再在其上方安装一个缓冲联轴体。使用双面胶将减摩环固定在腕部屋顶框架的顶部。

然后，将腕部电机力分散轴插入手柄，并使用四个 M2.5 内六角螺钉固定。将部件 F 安装在顶部，部件 E 安装在中部，底部安装一个联轴体。使用一个 10 毫米 M4 内六角螺钉固定联轴体。

使用四个 10 毫米 M3 内六角螺钉，将上腕关节连接空心圆筒盖安装到该组件的底部。然后，使用四个 15 毫米内六角螺钉，将 D 部件固定到上腕关节连接空心圆筒盖的底部。接下来，使用四个 15 毫米 M4 内六角螺钉，固定两个为安全起见包裹了海绵的联动限位器以及两个带杠杆的轴套。

然后，将G部分的轴套滑入轴上，并使用两个普通轴套，通过八个8毫米长的M3内六角螺钉将轴与腕部屋顶框架固定在一起。再使用四个15毫米长的M4内六角螺钉，将额外的轴套与下肘支撑件固定。接着，将两个部件连接，并用杠杆锁紧。

最后，使用六颗15毫米M4内六角螺钉将支撑壁固定到组件上，并使用六颗15毫米M6内六角螺钉固定桌式支架。首先，将AHRS传感器放置在手柄、腕部支架以及受试者健康侧平台的边缘上，确保传感器与机器人的方向平行对齐。然后，启动计算机上的治疗软件。

通过点击患者侧切换按钮选择偏瘫侧。设置以下关节角度限制：肘关节屈曲小于50度，肘关节伸展大于负70度，腕关节屈曲小于80度，腕关节伸展大于负60度。然后，将肘部电机的速度值设置在0至22.5转/分钟之间。

为腕部电机设置介于 0 至 33 RPM 之间的转速值，并设定最大加速度和减速度值。接着，开启所有 AHRS 传感器。然后，单击程序左上角的箭头按钮以运行程序。

当“另存为”提示弹出时，输入结果数据的文件名，然后点击“确定”。最后，在机器人与健康手臂处于初始位置（即双手远离身体且相互平行）时，按下校准按钮，将传感器数值初始化为零。首先告知参与者，他们将使用健康手臂完成一组镜像疗法任务，包括小球入孔、足球游戏、点迹追踪以及移动水杯任务。

在“球入洞”任务中，将一个小球放入选定的孔洞中，类似于台球游戏。同样，在足球游戏中，运球并将小球放入球门，类似于真实的足球比赛。接下来，在点迹追踪任务中，使用贴在桌面上的编号贴纸作为指引，按数字顺序反复移动手柄。

然后反向返回。最后，在执行移动杯子任务时，取一个带把手的杯子，并将其推至选定位置。重复该过程，直至五分钟结束。

以下是19个月前发生右侧基底节出血并接受为期两周机器人镜像治疗的一位患者的治疗结果。经过十次治疗后，偏瘫上肢的Fugl-Meyer评估评分从12分提高到17分。此外，用于评估痉挛程度的肘屈肌改良Ashworth量表评分从2级降至1+级。

左侧侧捏力量从零增加到三磅。一旦掌握，如果操作得当，机器人镜像疗法可在40分钟内完成。在执行此操作过程中，必须注意双臂之间的同步感错觉对于镜像疗法至关重要。

该方案建立后，将为神经康复领域的研究开辟新途径，有助于探索先进的作业疗法对脑损伤（如脑卒中）患者本体感觉功能恢复的影响。观看本视频后，您应能够充分掌握如何构建并实施一套用于偏瘫上肢功能恢复的实时机器人镜像疗法系统。