Name: 机器人镜治疗系统偏瘫武器功能恢复 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-08-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 32 s
Description: 了解机器人镜像疗法系统用于偏瘫手臂功能康复的方法。该技术通过增强本体感觉输入促进神经可塑性，为中风患者提供先进的作业治疗康复方案。

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本工作由首尔国立大学脑融合项目（800-20120444）以及首尔国立大学工学院和医学院跨学科研究倡议项目（800-20150090）资助。

所有操作程序均经首尔国立大学医院机构审查委员会审核并批准。
1. 镜像疗法任务
<ol>
	<li>二维镜像疗法任务示例（图3）
	<ol>
		<li>在镜前自由活动健康侧手臂，持续约5分钟，作为热身练习。 
		注意：可使用节拍器，以便患者以有节奏的方式活动健康侧手臂。</li>
		<li>在健康侧，将一个小球运球并放入选定的孔中，类似于台球，持续约5分钟（“球入孔”任务）；或将小球运球并射入球门，类似于足球，持续约5分钟（“足球游戏”任务）。</li>
		<li>利用贴在桌面上的编号贴纸，用健康侧手柄按数字顺序移动，并沿相反方向返回（“点迹追踪”任务）。重复约5分钟。</li>
		<li>使用日常生活中的任意物体（如杯子），用健康侧手柄将其推至指定位置（“移动杯子”任务）。重复约5分钟。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 镜像机器人系统的组成部分
<ol>
	<li>AHRS 传感器设置
	<ol>
		<li>获取 3 个市售的 AHRS 传感器。 
		注意：AHRS 传感器由磁力计、加速度计和陀螺仪传感器组成（共 9 轴）。</li>
		<li>使用 USB 连接线将 AHRS 传感器连接至计算机。</li>
		<li>使用超级终端或其他通信软件配置通用传感器设置。</li>
		<li>对每个 AHRS 传感器，设置为 RS232 通信模式并选择 COM 端口。然后将波特率设为 115,200 位/秒，数据位设为 8，无奇偶校验，停止位设为 1，无流控制。
		<ol>
			<li>要查看 COM 端口，请单击左下角的“开始”按钮，右键单击“计算机”，然后点击“属性”。点击“设备管理器”，展开“端口（COM &amp; LPT）”选项卡。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>建立通信后，将通道设为 100，并为每个传感器分配 ID。 
		注意：某些传感器在使用前可能需要对加速度计、陀螺仪和磁力计进行校准。</li>
		<li>将输出格式设为四元数，并设置传感器以显示电池电量。 
		注意：使用四元数可加快计算速度，并消除万向节死锁奇异性。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>无刷直流电机设置
	<ol>
		<li>准备 2 个高性能无刷直流电机及其控制器。</li>
		<li>对每个控制器，将电源线连接至电源，同时将电机线、霍尔传感器线和编码器线连接至电机。</li>
		<li>使用 CAN-CAN 线将一个控制器连接至另一个控制器。 
		注意：CANopen 用于设备之间的通信。</li>
		<li>为每个控制器设置节点 ID，以区分不同设备。</li>
		<li>将 USB 线连接至计算机，用于通用配置。</li>
		<li>开启电源，为控制器和电机供电。</li>
		<li>使用电机制造商提供的系统配置软件对电机、霍尔传感器和编码器进行配置和调校。 
		注意：为确保安全运行，必须配置角度限制和原点位置。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>框架与电机的组装 
	注意：所有自制零件均以引号标注名称。请参考 材料与设备表 以及 图 4 至图 13。
	<ol>
		<li>对于肘关节电机，将带键槽的一个联轴器本体安装到电机轴上，并使用 M5 内六角紧定螺钉固定（图 4）。</li>
		<li>使用 4 颗 M5 内六角圆柱头螺钉（10 mm）将“肘部联轴器空心圆筒盖”固定在肘部电机上，并将联轴器的缓冲部件（中间滑块部分）放置在步骤 2.3.1 中已安装的联轴器本体顶部（图 4）。</li>
		<li>将球轴承插入“肘部屋顶框架”中，并使用 4 颗 M4 内六角圆柱头螺钉（8 mm）固定（图 5）。</li>
		<li>将“肘部电机力分散轴”插入“下肘支撑”中，并使用 4 颗 M3 内六角圆柱头螺钉（6 mm）固定。然后将“上肘支撑”放置在“下肘支撑”上方，并使用 8 颗 M3 内六角圆柱头螺钉（12 mm）固定（图 6）。</li>
		<li>将步骤 2.3.4 的组件置于顶部，步骤 2.3.3 的组件置于中间，联轴器本体的最后一部分置于底部。将三者组装在一起，并使用 M5 内六角紧定螺钉（10 mm）固定联轴器本体（图 7）。</li>
		<li>使用 4 颗 M5 内六角圆柱头螺钉（15 mm）将步骤 2.3.5 的组件与步骤 2.3.2 的组件固定（图 7）。旋转步骤 2.3.2 的组件以确保所有 4 个点均被紧固。</li>
		<li>使用 4 颗 M4 内六角圆柱头螺钉（10 mm）将“腕部下联轴器空心圆筒盖”与腕部电机固定。然后将带键槽的一个联轴器本体安装到电机轴上，并使用 M4 内六角紧定螺钉固定；随后将联轴器的缓冲部件放置在联轴器本体顶部（图 8）。</li>
		<li>使用双面胶或任何类型的粘合剂将“摩擦减小环”粘贴在“腕部屋顶框架”顶部（图 9）。</li>
		<li>将“腕部电机力分散轴”插入“手柄”中，并使用 4 颗 M2.5 内六角圆柱头螺钉（4 mm）固定（图 10）。</li>
		<li>将步骤 2.3.9 的组件置于顶部，步骤 2.3.8 的组件置于中间，联轴器本体的最后一部分置于底部。将三者组装在一起，并使用 M4 内六角紧定螺钉（10 mm）固定联轴器本体（图 10）。</li>
		<li>使用 4 颗 M3 内六角圆柱头螺钉将“腕部电机2屋顶2”与步骤 2.3.10 的组件固定（图 11）。</li>
		<li>使用 4 颗 M3 内六角圆柱头螺钉（15 mm）将步骤 2.3.11 的组件与步骤 2.3.7 的组件固定（图 11）。</li>
		<li>使用 4 颗 M4 内六角圆柱头螺钉（15 mm）固定 2 个“关节运动限位器”和 2 个轴套（图 12A）。</li>
		<li>使用轴套固定轴，并使用 8 颗 M3 内六角圆柱头螺钉（8 mm）将“腕部屋顶框架”固定（图 12B）。</li>
		<li>将组件 2.3.13 中的轴套滑入组件 2.3.14 的轴上，并使用 4 颗 M4 内六角圆柱头螺钉（15 mm）将额外的轴套与“下肘支撑”固定。然后将两部分连接，并用杠杆锁紧（图 13A）。</li>
		<li>使用 6 颗 M4 内六角圆柱头螺钉（15 mm）将“支撑墙”固定在步骤 2.3.15 的组件上（图 13B）。使用 6 颗 M6 内六角圆柱头螺钉（15 mm）将桌架与步骤 2.3.16 的组件固定（图 13C）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 镜像机器人系统的设计
<ol>
	<li>自动控制的数学模型
	<ol>
		<li>设置上肢运动自动控制的动态模型图14). 
		注：人体上肢运动的动态模型可通过关节与连杆的运动学来表达。因此，利用机器人操作臂的方程，可获得如下所示的建模结果： 
		<img alt="用于力学分析的动力学平衡方程：H(q)ẋ + F(q, ẋ) + G(q) + E(q, ẋ) = τ。" src="/files/ftp_upload/54521/54521eq1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 1"> 
		注意：(<img alt="静力平衡；ΣFx=0，ΣFy=0，力矩平衡；受力矢量图，力臂概念。" src="/files/ftp_upload/54521/54521eq2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 2">关节位置向量， <img alt="动态平衡；方程 q̇；热系统分析；符号表示" src="/files/ftp_upload/54521/54521eq3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 3">关节速度矢量， <img alt="动态系统符号 q̈ 在方程中；位置的二阶导数；物理学概念。" src="/files/ftp_upload/54521/54521eq4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 4">：关节加速度向量，H：惯性矩阵，F：科里奥利力与离心力矩阵，G：重力向量，E：与环境相互作用产生的力矩矩阵 <img alt="静态平衡；公式 ΣFx=0；力学系统中受力分析与平衡的示意图。" src="/files/ftp_upload/54521/54521eq5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 1">：施加于关节的广义力矢量）偏瘫臂与健康臂在运动特性上存在差异。具体而言，偏瘫臂由于肌肉瘫痪无法及时产生运动，或无法提供运动所需的足够力矩。因此，系统设计旨在通过偏瘫臂实现基于正常运动模式的康复训练；换言之，康复机器人被连接至患者的偏瘫臂，以传递来自健康臂的运动，其基本原理可简要表述如下： 
		康复机器人运动 = (健康手臂运动) - (偏瘫手臂运动)</li>
		<li>使用康复机器人将患者瘫痪侧上肢连接至机械臂，观察因瘫痪肢体导致的额外转矩及时间延迟，这些因素会引起整个系统的误差。通过偏瘫侧的机械臂检测上述现象。</li>
		<li>测量误差（s(t)：将跟踪误差表示为数学方程： 
		<img alt="静态平衡；方程：s(t)=(d/dt+Λ)q̃；用于描述动态系统。" src="/files/ftp_upload/54521/54521eq6.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 6"> 
		注意：（s：跟踪误差， <img alt="静态平衡，ΣFx=0，矢量图，物理教学概念" src="/files/ftp_upload/54521/54521eq7.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程 7">正定设计参数矩阵， <img alt="量子化符号公式，q 上方有波浪号，用于量子力学方程。" src="/files/ftp_upload/54521/54521eq8.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程 8">期望位置与实际位置之间的误差， <img alt="热力学中用于能量流动分析的传热速率符号。" src="/files/ftp_upload/54521/54521eq9.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 1">：期望速度与实际速度之间的误差）上述跟踪误差可结合人体上肢运动的动力学模型，并表示为： 
		<img alt="动态平衡方程；控制系统分析；数学公式" src="/files/ftp_upload/54521/54521eq10.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 10"> 
		注意：(KD 随时间变化的带反馈补偿的微分增益值， <img alt="量子力学中的哈密顿算符符号（Ĥ）；方程表示法。" src="/files/ftp_upload/54521/54521eq11.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程 11">：惯性误差矩阵， <img alt="静态平衡；ΣFx=0；矢量表示法；物理概念；受力平衡图" src="/files/ftp_upload/54521/54521eq12.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 12">：科里奥利力与离心力误差矩阵</li>
		<li>为了控制康复机器人的各个关节，使用拉格朗日动力学8每个关节的运动动力学方程为： 
		<img alt="动力学方程；力矩平衡公式；求和；符号；数学教育概念" src="/files/ftp_upload/54521/54521eq13.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 13"> 
		注意：（D：系数矩阵， <img alt="静态平衡概念，\(I_{i(act)}\) 方程片段，科学计数法。" src="/files/ftp_upload/54521/54521eq14.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 14">：执行器惯性矩阵）上述方程中的系数 D 影响具有惯性耦合效应的关节之间的扭矩8. 该数学模型的自动控制模型可通过下图所示的框图来表示 图14.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>软件操作流程 (图15)
	<ol>
		<li>程序启动后，建立与电机和传感器的通信，并初始化各数值。待电机和传感器到达初始位置（见 4.1.3）后，进入主循环。 
		注意：主回路的采样频率建议为 50 - 200 次/秒，最大延迟建议不超过 2 秒。此外，关于力矩限制，建议通过软件调节电机电流值，使肘部电机输出力矩为 25 - 40 Nm，腕部电机输出力矩为 10 - 20 Nm。</li>
		<li>由于未被停止按钮中断，持续读取姿态与航向参考系统（AHRS）传感器的当前位置值，并将这些值传输至电机。 
		注意：数据输出为四元数，应正确转换为机器人运动所需的角。选择其中一个传感器坐标系作为参考，并重置其他传感器坐标系。以计算得到的坐标系为参考，利用逆运动学获取最终输出的偏航角。</li>
		<li>由于未被停止按钮中断，需持续检查电机的位置，并更新数值以实现根据AHRS传感器提供的目标位置进行移动。 
		注意：电机位置由电机的编码器提供，可通过电机公司提供的软件库命令在软件中查看。</li>
		<li>同时，记录所有来自AHRS传感器的角度和角速度。</li>
		<li>任务完成后，当用户按下停止按钮时，退出循环并通过将机器人移回初始位置来完成最终操作。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>图形用户界面（GUI）图16)
	<ol>
		<li>添加“错误输入”和“错误输出”函数，以在执行过程中检测和调试错误。</li>
		<li>添加患者侧按钮以选择机器人操作侧（患者偏瘫侧）。</li>
		<li>构建患者信息框以识别患者。</li>
		<li>添加电机状态指示器。</li>
		<li>添加角度限制控制以确保安全。</li>
		<li>为防止因上肢僵硬导致肌肉和肌腱损伤，需为每个电机设置最大速度、加速度和减速度。 
		注意：该系统反映了偏瘫上肢的加速与减速运动。</li>
		<li>添加指示器以获取电机的位置、速度和输入电流信息。</li>
		<li>构建VISA资源名称控件，以建立AHRS传感器与系统之间的通信。</li>
		<li>添加校准功能以消除累积的传感器漂移误差。</li>
		<li>按顺序排列传感器的指示器，以获取传感器信息。 
		注意：传感器信息包括关节角度（两个连续传感器之间的角度）和电池余量。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>克服镜像机器人操作过程中的上肢痉挛
	<ol>
		<li>选择能够提供足够扭矩以克服各关节痉挛的电机。 
		注意：腕关节电机的扭矩输出应高于 10 Nm，肘关节电机应高于 25 Nm。</li>
		<li>为了将机器人运动牢固地传递至患者的上肢，使用由半弹性材料制成的绑带将前臂固定在机器人外骨骼中。 
		注意：建议使用半弹性绑带，例如弹力织物绑带或聚酯/尼龙弹性编织绑带。若绑带弹性过大，将无法固定手臂位置；若绑带完全无弹性，在肘部痉挛程度较高时可能导致肌肉或肌腱损伤。</li>
		<li>为了分离肘部和腕部运动，使用两个刚性框架并结合一个轴套，通过框架夹紧腕部将其固定。 
		注意：如果腕部僵硬度过高，可使用轴套来防止肌肉和肌腱损伤。</li>
		<li>使用绑带固定手柄，将手部固定在机器人上。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 镜像机器人系统的临床应用
<ol>
	<li>实施机器人镜像疗法
	<ol>
		<li>根据患者情况调整任务台的高度和宽度。</li>
		<li>将镜子置于双臂中线位置，并放置于桌面或平台上。</li>
		<li>将AHRS传感器安装在手柄、腕部支架以及健康侧平台边缘，使其与机器人的方向平行。 
		注意：传感器内部的偏航轴应朝向上方。</li>
		<li>在计算机上运行治疗软件。</li>
		<li>通过点击“患者侧”切换按钮选择偏瘫侧。</li>
		<li>根据患者关节状况设置最大关节角度限制。为确保安全操作，肘部屈曲限制应小于50º，肘部伸展限制应大于-70º，腕部屈曲限制应小于80º，腕部伸展限制应大于-60º。 
		注意：正负号将由软件自动校正，若设定值超出范围，软件层面也会自动修正。</li>
		<li>设置最大速度、加速度和减速度。肘部电机的速度值应设为0至22.5 rpm之间，腕部电机的速度值应设为0至33 rpm之间。 
		注意：对于传统镜像疗法，可将所有参数设为零，以使机器人保持固定不动。</li>
		<li>填写患者信息。</li>
		<li>在运行程序前开启所有AHRS传感器。</li>
		<li>点击程序左上角的箭头按钮启动程序。</li>
		<li>当弹出“另存为”提示时，在字符串输入框中输入合适的结果数据文件名，然后点击“确定”。</li>
		<li>当机器人与健康侧手臂处于初始位置（双手远离身体且相互平行）时，按下校准按钮，将传感器初始值归零。 
		注意：本任务所用手部姿势详见步骤1.1.1–1.1.4。</li>
		<li>完成所有任务后，按下“停止”按钮。 
		注意：在进行机器人镜像疗法时，应由生物医学工程师担任主要协调人员，作业治疗师协助患者完成操作。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>针对健康受试者的临床研究
	<ol>
		<li>对健康受试者开展临床研究，以验证安全性与可行性8。向受试者说明指令（“请勿自主移动偏瘫侧手臂”），以确保偏瘫侧手臂完全被动运动。</li>
		<li>将双侧前臂置于支架上，双手握住手柄，并使用绑带固定前臂。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>治疗效果评估
	<ol>
		<li>治疗前对患者进行功能评估，包括Fugl-Meyer评估量表9、改良Ashworth量表10、改良Barthel指数11、Jebsen手功能测试、手部力量测量、半侧空间忽略测试以及运动诱发电位测试。</li>
		<li>对脑卒中患者开展为期每日30–60分钟的二维镜像机器人临床试验，并向患者说明指令（“请勿自主移动偏瘫侧手臂”）。</li>
		<li>患者完成最后一次治疗后，进行随访功能评估。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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<li>Lum, P. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MIME+robotic+device+for+upper-limb+neurorehabilitation+in+subacute+stroke+subjects%3A+A+follow-up+study%5BTitle%5D)+AND+%22J+Rehabil+Res+Dev%22%5BJournal%5D)">MIME robotic device for upper-limb neurorehabilitation in subacute stroke subjects: A follow-up study.</a> J Rehabil Res Dev. 43 (5), 631-642 (2006).</li>
<li>Yang, C. L., Lin, K. C., Chen, H. C., Wu, C. Y., Chen, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pilot+comparative+study+of+unilateral+and+bilateral+robot-assisted+training+on+upper-extremity+performance+in+patients+with+stroke%5BTitle%5D)+AND+%22Am+J+Occup+Ther%22%5BJournal%5D)">Pilot comparative study of unilateral and bilateral robot-assisted training on upper-extremity performance in patients with stroke.</a> Am J Occup Ther. 66 (2), 198-206 (2012).</li>
<li>Nef, T., Mihelj, M., Riener, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ARMin%3A+a+robot+for+patient-cooperative+arm+therapy%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Biol+Eng+Comput%22%5BJournal%5D)">ARMin: a robot for patient-cooperative arm therapy.</a> Med Biol Eng Comput. 45 (9), 887-900 (2007).</li>
<li>Ozkul, F., Barkana, D. E., Demirbas, S. B., Inal, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+proprioceptive+sense+of+the+elbow+joint+with+RehabRoby%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Int+Conf+Rehabil+Robot%22%5BJournal%5D)">Evaluation of proprioceptive sense of the elbow joint with RehabRoby.</a> IEEE Int Conf Rehabil Robot. , 5975466(2011).</li>
<li>Pehlivan, A. U., Celik, O., O'Malley, M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+design+of+a+distal+arm+exoskeleton+for+stroke+and+spinal+cord+injury+rehabilitation%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Int+Conf+Rehabil+Robot%22%5BJournal%5D)">Mechanical design of a distal arm exoskeleton for stroke and spinal cord injury rehabilitation.</a> IEEE Int Conf Rehabil Robot. , 5975428(2011).</li>
<li>Zhang, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Feasibility+studies+of+robot-assisted+stroke+rehabilitation+at+clinic+and+home+settings+using+RUPERT%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Int+Conf+Rehabil+Robot%22%5BJournal%5D)">Feasibility studies of robot-assisted stroke rehabilitation at clinic and home settings using RUPERT.</a> IEEE Int Conf Rehabil Robot. , 5975440(2011).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本研究的主要目的是利用自动控制算法开发一种用于偏瘫上肢功能恢复的实时镜像机器人系统。既往研究已证实，机器人辅助治疗对卒中后上肢功能障碍的长期恢复具有积极作用12，并已引入多种上肢机器人系统13-20。然而，以往实现双侧上肢运动的上肢机器人研究采用的是机械连接方式，未使用镜像装置，这与镜像疗法的概念不同14-15。因此，本研究通过实际使用镜面来增强本体感觉输入，可视为对前述研究工作的延伸。
为了升级先前的系统，我们在健康手臂上应用了AHRS传感器，并在偏瘫侧的肘部和腕部安装电机，从而实现实时驱动偏瘫手臂运动。通过镜像机器人系统，可增强偏瘫手臂向大脑感觉皮层的本体感觉输入。未来的研究需通过功能性脑MRI进一步验证本体感觉增强的效果。
系统必须具有最小的同步延迟，因为延迟越小，镜像效果越显著。为实现这一点，我们在软件架构的循环中并行读取传感器数据，并尽量减少所需读取的字节数。因此，健康手臂与机器人之间的同步延迟仅为约 0.04 - 0.40 秒。
<p cla...

对于中风患者而言，偏瘫上肢功能障碍会造成严重的不良影响。完成双手协调活动的能力对日常生活至关重要，但即使在中风发生数年后，偏瘫上肢的功能缺陷往往仍然存在。在医院开展的各类训练项目中，增加关节活动范围的练习或简单任务的被动重复训练，对偏瘫上肢功能恢复的效果有限。因此，与日常生活活动（ADLs）相关的有意义任务训练已被应用于医院的作业治疗中。
既往研究已证实镜像疗法在神经康复中的作用1-4。镜像疗法通过使用镜子产生一种错觉，即在移动健侧上肢的同时，偏瘫侧上肢也在实时运动。该疗法可通过激活感觉运动皮层促进大脑神经可塑性1，从而改善偏瘫侧上肢的肌力和功能。然而，传统镜像疗法存在一个关键局限性，即偏瘫侧上肢并未实际运动。
因此，我们开发了一种实时双轴镜像机器人系统，作为传统镜像疗法的简易附加模块，采用闭环反馈机制。该系统可向感觉皮层传递本体感觉输入，这在偏瘫上肢的神经可塑性和功能恢复中被认为具有重要意义（图1和图2）5-7。

<table><tbody><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments</td><td></td><td>系统设计软件</td></tr><tr><td>24 V 电源</td><td>XP Power</td><td>MHP1000PS24 24V</td><td>任何 24 V 电源均可使用</td></tr><tr><td>AHRS 传感器接收器</td><td>E2box</td><td>EBRF24GRCV</td><td></td></tr><tr><td>AHRS 传感器</td><td>E2box</td><td>EBIMU-9DOFV2</td><td>总共需要 3 个传感器。任何 AHRS 传感器均可使用</td></tr><tr><td>EC90 平板电机模块</td><td>Maxon</td><td>323772 + 223094 + 453231</td><td>任何扭矩高于 30 Nm 的齿轮电机均可使用。（对于我们的定制加工零件，您需要使用该特定的平板电机和齿轮模块，但齿轮比和编码器可以不同）&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>EC45 平板电机模块</td><td>Maxon</td><td>397172</td><td>任何扭矩高于 10 Nm 的齿轮电机均可使用（对于我们的定制加工零件，应使用相同的齿轮模块，但齿轮比、电机和编码器可以不同）</td></tr><tr><td>EPOS2 70/10 控制器</td><td>Maxon</td><td>375711</td><td>可用 EPOS 24/5 控制器替代</td></tr><tr><td>EPOS2 24/5 控制器</td><td>Maxon</td><td>367676</td><td></td></tr><tr><td>连接器和电缆套装</td><td>Maxon</td><td>381405 + 384915 + 275934 + 354045</td><td>您也可以自行制作这些电缆。连接器及对应线缆信息可在 &quot;300583-Hardware-Reference-En.pdf&quot; 和 &quot;300583-Cable-Starting-Set-En.pdf&quot; 中找到</td></tr><tr><td>联轴器 - 十字滑块型，顶丝固定式</td><td>Misumi</td><td>MCORK30-10-12</td><td>型号可不同</td></tr><tr><td>联轴器 - 高刚性，十字滑块型，&lt;br/&gt; 顶丝固定式</td><td>Misumi</td><td>MCOGRK34-12-12</td><td>型号可不同</td></tr><tr><td>轴套</td><td>Misumi</td><td>SCWDM10-B &amp;nbsp;</td><td>需要 4 套</td></tr><tr><td>轴套</td><td>Misumi</td><td>SDBJ10-8</td><td>需要 2 套</td></tr><tr><td>精密直线轴</td><td>Misumi</td><td>&amp;nbsp;PSSFG10-200</td><td>任何直径为 10 mm、长度至少 200 mm 的直轴均可使用&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>带座轴承</td><td>Misumi</td><td>BGRAB6801ZZ</td><td></td></tr><tr><td>肘部电机力分散轴&amp;nbsp;</td><td>定制加工</td><td>3D CAD&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>下臂支撑件</td><td>定制加工</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>肘部顶架框架</td><td>定制加工</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>支撑墙</td><td>定制加工</td><td>零件图纸</td><td>需要 2 个框架。</td></tr><tr><td>肘部联轴器空心圆筒盖&amp;nbsp;</td><td>定制加工</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>腕部电机力分散轴</td><td>定制加工</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>腕部顶架框架</td><td>定制加工</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>上腕部联轴器空心圆筒盖</td><td>定制加工</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>下腕部联轴器空心圆筒盖</td><td>定制加工</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>关节运动限位器</td><td>定制加工</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>手柄</td><td>3D 打印</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>上臂支撑件</td><td>3D 打印</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>减摩环</td><td>3D 打印</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>亚克力镜面</td><td>定制激光切割</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>任务台</td><td>定制加工</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>硅胶海绵</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>自由度限位器</td><td>3D 打印</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>自由度限位器盖</td><td>3D 打印</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>Healthyarm 手柄</td><td>3D 打印</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>球形滚轮 - 过盈配合</td><td>Misumi</td><td>BCHA18</td><td></td></tr><tr><td>门形支架</td><td>3D 打印</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>圆形轨迹板</td><td>3D 打印</td><td>零件图纸</td><td></td></tr><tr><td>斜角辅助件</td><td>3D 打印</td><td>零件图纸</td><td>可选</td></tr><tr><td>弧形辅助件</td><td>3D 打印</td><td>零件图纸</td><td>可选</td></tr><tr><td>平面辅助件</td><td>3D 打印</td><td>零件图纸</td><td>可选</td></tr><tr><td>任务板</td><td>定制激光切割</td><td>零件图纸</td><td></td></tr></tbody></table>

用于偏瘫上肢功能恢复的机器人镜像疗法系统

Robotic Mirror Therapy System for Functional Recovery of Hemiplegic Arms

镜像疗法作为一种有效的作业治疗手段，已在临床环境中用于中风后偏瘫上肢的功能恢复。该疗法通过使用镜子诱发一种错觉，使患者在移动健侧上肢的同时，感觉偏瘫侧上肢也在实时运动。这种方法可通过激活感觉运动皮层促进大脑神经可塑性。然而，传统镜像疗法存在一个关键局限性，即偏瘫侧上肢并未实际运动。因此，我们开发了一种实时双轴镜像机器人系统，作为传统镜像疗法的简易附加模块，采用闭环反馈机制，实现偏瘫侧上肢的实时同步运动。系统使用了3个姿态与航向参考系统传感器、2个用于肘关节和腕关节的无刷直流电机，以及外骨骼框架。在一项针对6名健康受试者的可行性研究中，机器人辅助镜像疗法显示安全且可行。我们进一步通过康复科医生的反馈，筛选出适用于日常生活活动训练的任务。一名慢性期中风患者在连续2周应用该镜像机器人系统后，其Fugl-Meyer评估量表评分和肘屈肌痉挛程度均有所改善。机器人辅助镜像疗法可能增强向感觉皮层的本体感觉输入，这被认为在神经可塑性和偏瘫上肢功能恢复中具有重要意义。本文所介绍的镜像机器人系统易于开发，可有效用于提升作业治疗效果。

六名健康受试者进行了10次“笔标记任务”（用健康手握住笔，交替触碰两块小木板，如图17所示），每位受试者平均耗时106秒。未观察到任何不良事件，证实机器人镜像疗法具有可行性。
此外，我们开展了一项针对康复医师的临床研究。通过征询专家意见，以确定适用于有效开展机器人镜像作业治疗的适当任务。根据6名康复医师的反馈，在“小球入孔”和“移动水杯”任务中，镜像机器人诱发的错觉程度最高（在数字评分量表[NRS]上均为7.2分，满分10分），其次是“足球游戏”任务（7.0/10）和“描点连线”任务（6.5/10）。关于机器人镜像治疗过程中双侧上肢运动的同步性，“移动水杯”任务的NRS评分为7.0/10，其次是“足球游戏”和“描点连线”任务（均为6.8/10），“小球入孔”任务为6.2/10（图3）。在这4项任务中，康复医师推荐将“足球游戏”任务作为脑卒中患者日常生活活动能力训练的有用任务。
...

我们开发了一种利用自动控制技术实现偏瘫上肢功能恢复的实时镜像机器人系统，对健康受试者进行了临床研究，并通过康复医生的反馈确定了训练任务。这种简单的镜像机器人可有效应用于偏瘫上肢中风患者的作业治疗。

镜像疗法已在临床环境中作为有效的作业疗法用于中风后偏瘫上肢的功能恢复。它是一种……

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构想，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、组装和系统配置较难掌握。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。并选择COM端口，然后将波特率设置为115,200比特每秒，数据位设为8。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“开始”按钮。右键单击“此电脑”，选择“属性”、“设备管理器”，然后点击“端口”选项卡以展开查看。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时，先将带键槽的联轴体之一安装到电机轴上，并使用 M5 内六角螺钉将其固定。使用四颗10毫米M5内六角螺钉将弯头联轴器空心圆筒盖固定到弯头电机上。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，将球轴承插入弯头顶部框架中，并用四颗8毫米M4内六角螺钉固定。接下来，将肘部电机力分散轴插入下肘部支撑件中，并用四颗六毫米M3内六角螺钉固定。然后，将上肘部支撑件置于下肘部支撑件上方，并使用八颗12毫米M3内六角螺钉进行固定。将C部件置于顶部，B部件置于中间，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沉头螺钉将下腕部耦合空心圆筒盖与腕部电机固定在一起。然后，将一个联轴体安装在电机轴上，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。使用双面胶带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，将上腕部联轴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 部件固定到上腕部联轴空心圆筒盖的底部。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连接运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，将额外的轴套与肘部下支撑件固定。随后，将两个部件连接，并用杠杆锁紧。最后，使用六颗15毫米M4内六角螺钉将支撑墙固定到组件上，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处，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，将肘关节电机的速度值设置在0至22.5 RPM之间。为腕部电机使用介于 0 至 33 RPM 之间的速度值，并设置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引导，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，拿起一个带把手的杯子，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10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，需要注意双臂之间的同步性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基于实时机器人镜像疗法的系统，以促进偏瘫上肢的功能恢复。

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