適應(yīng)患者個(gè)體差異的上肢康復(fù)機(jī)器人直接示教技術(shù)

林高，張道輝，趙新剛

1.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所/機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽市 110016；2.中國科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧沈陽市 110169；3.中國醫(yī)科大學(xué)智能醫(yī)學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽市 110004

0 引言

約90%的腦卒中偏癱患者會(huì)在發(fā)病3 周內(nèi)發(fā)生上肢痙攣，其中約1/3在發(fā)病6個(gè)月后仍然存在上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙，導(dǎo)致部分患者生活不能自理[1-3]。上肢康復(fù)訓(xùn)練可以提高患者肌力，防止肌肉萎縮，且鍛煉還會(huì)刺激神經(jīng)系統(tǒng)，促進(jìn)腦細(xì)胞功能的恢復(fù)，從而改善上肢運(yùn)動(dòng)功能[4-6]。傳統(tǒng)康復(fù)治療主要以康復(fù)治療師“一對(duì)一”“手把手”的形式進(jìn)行[7-8]，難免會(huì)加重治療師的工作負(fù)擔(dān)。加上目前大部分上肢康復(fù)設(shè)備訓(xùn)練方式單一，無法有效解決因患者個(gè)體差異帶來的上肢訓(xùn)練軌跡與強(qiáng)度不合適的問題，患者無法得到科學(xué)有效的治療[9-11]。

智能康復(fù)訓(xùn)練方法不僅要考慮對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的科學(xué)有效性，還要考慮到康復(fù)治療師操作的簡(jiǎn)單省時(shí)性[12-13]。機(jī)器人直接示教是通過人手直接拖動(dòng)機(jī)器人手臂，使機(jī)器人按照人的意愿完成特定動(dòng)作的一種示教方式，具有直觀性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)[14-15]。目前，直接示教已被廣泛運(yùn)用于工業(yè)機(jī)器人中，并開始向醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域發(fā)展[16]。

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，Lee等[17]通過2個(gè)六維力傳感器采集力信息，并利用對(duì)環(huán)境建模的方式簡(jiǎn)化教學(xué)路徑，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中去毛刺的示教任務(wù)。Lee 等[18]設(shè)計(jì)的兩種末端示教執(zhí)行器，通過機(jī)械的方式將操作力與示教力分離，完成了淬火與玻璃組裝的示教任務(wù)。此外，直接示教還被廣泛運(yùn)用于焊接和噴涂機(jī)器人中[19-23]。以上的工業(yè)機(jī)器人直接示教功能較為單一，只能帶動(dòng)質(zhì)量恒定的輕型末端執(zhí)行器和進(jìn)行一次定速的示教再現(xiàn)。

在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，Emken 等[24]針對(duì)平面兩自由度下肢康復(fù)機(jī)器人提出一種步態(tài)示教訓(xùn)練控制策略。示教階段，康復(fù)治療師拖動(dòng)患者下肢進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練；示教再現(xiàn)階段，機(jī)器人根據(jù)示教步態(tài)對(duì)患者進(jìn)行被動(dòng)式訓(xùn)練，此方法無下肢重力補(bǔ)償，示教時(shí)較為困難。楊浩等[25]利用六維力傳感器并結(jié)合導(dǎo)納控制算法得到機(jī)器人末端位置信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了平面三自由度臥式下肢康復(fù)機(jī)器人的直接示教，測(cè)試了人的抬腿訓(xùn)練效果。趙小磊等[26]通過在患者大腿與小腿間安裝加速度傳感器來獲取康復(fù)治療師的示教軌跡，并利用軌跡對(duì)患者進(jìn)行抬腿訓(xùn)練，但此方法示教穩(wěn)定性較差。當(dāng)前多為在冠狀面上對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行示教與示教再現(xiàn)訓(xùn)練，由于肢體重力與操作者手部抖動(dòng)的影響，示教穩(wěn)定性較低且示教軌跡的平滑性較差，導(dǎo)致訓(xùn)練時(shí)平穩(wěn)度不高。相比于下肢的單自由度訓(xùn)練，上肢作為擁有多自由度的人體復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[27]，示教軌跡復(fù)雜度大大增加，使得直接示教技術(shù)在上肢康復(fù)機(jī)器人上的應(yīng)用存在困難。

本研究基于末端牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人，提出一種針對(duì)不同腦卒中患者進(jìn)行上肢康復(fù)的直接示教訓(xùn)練系統(tǒng)，包括示教與示教再現(xiàn)兩部分。通過加入對(duì)人體上肢的重力補(bǔ)償與約束示教時(shí)步長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同患者上肢的變負(fù)載自適應(yīng)控制，有效提升上肢示教穩(wěn)定性，并解決上肢多自由度訓(xùn)練軌跡問題，使操作者能帶動(dòng)受試者的上肢在多平面與空間上進(jìn)行復(fù)雜軌跡的穩(wěn)定示教。本研究提出一種多樣化的示教再現(xiàn)方法，用于對(duì)不同患病程度患者進(jìn)行不同強(qiáng)度的康復(fù)訓(xùn)練。

1 上肢康復(fù)機(jī)器人直接示教系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 示教系統(tǒng)硬件搭建

根據(jù)控制系統(tǒng)需求分析，系統(tǒng)的硬件組成見圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

上位機(jī)安裝機(jī)器人操作系統(tǒng)(Robot Operating System,ROS)[28]，用于接收和處理數(shù)據(jù)，以及顯示人機(jī)交互界面。控制器通過網(wǎng)線與上位機(jī)進(jìn)行連接，用于接收來自上位機(jī)的用戶命令。機(jī)械臂采用仿人體手臂運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)的ur5e 六自由度協(xié)作機(jī)械臂[29]，有效載荷5 kg，工作半徑850 mm，滿足上肢康復(fù)訓(xùn)練要求。六維力傳感器型號(hào)為ATI Delta IP60，精度為0.01%，力/力矩的測(cè)量范圍分別為-660～660 N、-60～60 N·m，傳感器參數(shù)滿足直接示教要求。末端連接件由示教手柄、粘扣帶和訓(xùn)練手套組成，其中示教手柄由3D 打印制作，能將示教者的力/力矩傳遞給傳感器。粘扣帶毛面固定在示教手柄表面，勾面縫合在訓(xùn)練手套掌面。患者戴上手套后即可通過粘扣帶與示教手柄進(jìn)行連接，使上肢偏癱患者也能夠“握住”手柄，具有穿戴簡(jiǎn)單、與人接觸少等優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)機(jī)械臂異常運(yùn)動(dòng)時(shí)，方便進(jìn)行人機(jī)分離，確保訓(xùn)練過程的安全性。圖2 為末端連接件的穿戴效果。

圖2 末端連接件穿戴效果

1.2 示教系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本研究基于ROS快速實(shí)現(xiàn)模塊化且易擴(kuò)展的上肢康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)。ROS 支持C++與Python 兩種編程方式，并提供有Topic、Service、Parameter Service、Action 四種通訊方式[30-31]，基于C++實(shí)現(xiàn)的本控制系統(tǒng)通訊架構(gòu)見圖3。

圖3 末端牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)通訊架構(gòu)

在ROS中實(shí)現(xiàn)的功能包括示教與示教再現(xiàn)。通過Topic 訂閱消息的方式獲取傳感器力/力矩值，經(jīng)ur5e_wp 功能包中的坐標(biāo)變換、重力補(bǔ)償與移動(dòng)/旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)計(jì)算，將力/力矩轉(zhuǎn)換成末端位置偏移量，把位置偏移量加到當(dāng)前的末端位姿上即得到下一時(shí)刻的末端位姿。然后經(jīng)Moveit運(yùn)動(dòng)學(xué)求解與路徑規(guī)劃，輸出一條規(guī)劃好的軌跡，軌跡點(diǎn)通過關(guān)節(jié)空間下六個(gè)軸的位置、速度和加速度來描述，利用follow_joint_trajectory把軌跡數(shù)據(jù)封裝成符合ROS通訊機(jī)制的Action類型信息發(fā)送給軌跡控制器。軌跡控制器通過軌跡插補(bǔ)的形式給每個(gè)位置伺服發(fā)送指令，完成軌跡的粗插補(bǔ)到細(xì)插補(bǔ)，然后再發(fā)送給每個(gè)位置伺服的過程。6 個(gè)位置伺服分別連接著ur5e 上的6 個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)，來控制電機(jī)同步完成插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。在此期間，關(guān)節(jié)狀態(tài)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)聽電機(jī)的狀態(tài)，將關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息反饋給Moveit，讓Moveit 實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)通過Pose.msg 實(shí)時(shí)記錄機(jī)械臂末端位姿，并利用軌跡復(fù)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)軌跡的再現(xiàn)。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 力/力矩坐標(biāo)變換

傳感器Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Tx，Ty，Tz方向上的力/力矩值通過訂閱geometry_msgs/Wrench.msg 得到。在力傳感器坐標(biāo)系下檢測(cè)到的力/力矩需變換到基坐標(biāo)系下來表示。Wrench.msg 中力/力矩向量在這兩個(gè)坐標(biāo)系間的變換通過WA=來完成[32]，此處分兩步進(jìn)行力/力矩向量的變換。力向量的變換只與坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換有關(guān)，而力矩向量的變換與坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換和平移變換有關(guān)[33]，力/力矩向量變換如下：

2.2 上肢與連接件重力補(bǔ)償

對(duì)患者上肢與連接件進(jìn)行重力補(bǔ)償能使治療師在拖動(dòng)示教時(shí)保持平穩(wěn)。如果機(jī)械臂末端與水平面平行，需要在z軸方向加上(末端朝上)或減去(末端朝下)上肢與末端連接件的合重力G。當(dāng)機(jī)械臂末端偏離水平方向，即六自由度關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)4 或關(guān)節(jié)5 轉(zhuǎn)動(dòng)，還會(huì)在除豎直方向以外的其他方向產(chǎn)生分力。

當(dāng)關(guān)節(jié)4轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，有如下公式：

其中G為患者上肢與末端連接件的合重力，其大小通過讀取變換后z軸方向上的力來表示。θ4為關(guān)節(jié)4的轉(zhuǎn)角，F(xiàn)z為垂直末端平面上的分力，F(xiàn)s為平行末端平面上的分力。

當(dāng)關(guān)節(jié)5轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，有如下公式：

聯(lián)立式(4)得：

Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z為各方向需要補(bǔ)償?shù)闹亓?，?、θ5通過訂閱話題/joint_states得到。

3 個(gè)性化康復(fù)訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)方法

3.1 約束力/力矩-步長(zhǎng)轉(zhuǎn)換

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端跟隨力/力矩方向運(yùn)動(dòng)，需將力/力矩轉(zhuǎn)換成機(jī)械臂末端位置偏移量，再將末端位置偏移量加到當(dāng)前的末端位姿上，得到機(jī)械臂末端下一時(shí)刻的位姿。

工具坐標(biāo)系下x軸方向移動(dòng)步長(zhǎng)dx計(jì)算：

式(9)中FCx為示教者在工具坐標(biāo)系x軸方向下施加力的大小，σfx為移動(dòng)擾動(dòng)閾值。為了防止示教時(shí)手部抖動(dòng)的影響，設(shè)置當(dāng)FCx為-3～3 N 時(shí)不移動(dòng)?？紤]到力過大時(shí)，機(jī)器人會(huì)產(chǎn)生較大幅度的移動(dòng)，所以設(shè)置力的上限為30 N，當(dāng)力超過這個(gè)值時(shí)，機(jī)械臂移動(dòng)速度不再隨著力增加而增加。其中kd為移動(dòng)步長(zhǎng)系數(shù)，用于調(diào)節(jié)移動(dòng)靈敏度。本系統(tǒng)設(shè)置kd=0.02。同理可得dy和dz移動(dòng)步長(zhǎng)計(jì)算表達(dá)式。

工具坐標(biāo)系下x軸方向的旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)θx計(jì)算：

式(10)中TCx為示教者在工具坐標(biāo)系下繞x軸方向施加力矩的大小，σtx為轉(zhuǎn)動(dòng)擾動(dòng)閾值。當(dāng)TCx為-2～2 N·m 時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng)，且力矩的上限設(shè)定為10 N·m，當(dāng)超過這個(gè)值時(shí)，機(jī)器人會(huì)以一個(gè)最大值轉(zhuǎn)動(dòng)。kθ為轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)，本系統(tǒng)設(shè)置z軸kθ=1，x、y軸kθ=0.2。同理可得θy和θz轉(zhuǎn)動(dòng)步長(zhǎng)計(jì)算表達(dá)式。力/力矩-步長(zhǎng)轉(zhuǎn)換函數(shù)見圖4。

圖4 力/力矩-步長(zhǎng)轉(zhuǎn)換函數(shù)

根據(jù)步長(zhǎng)公式計(jì)算出移動(dòng)/旋轉(zhuǎn)變化量的大小ΔP(Δx,Δy,Δz,Δθx,Δθy,Δθz)后，加到當(dāng)前末端位姿Pt(x,y,z,roll,pitch,yaw)中，得到末端需要運(yùn)動(dòng)到的位姿Pt+1(x+Δx,y+Δy,z+Δz,roll+Δθx,pitch+Δθy,yaw+Δθz)，并把位姿信息通過控制器發(fā)送給ur5e，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端跟隨力/力矩方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)設(shè)置某一方向位置偏移量為0 時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端只在某一平面內(nèi)進(jìn)行拖動(dòng)的效果。

3.2 變強(qiáng)度康復(fù)訓(xùn)練方法

軌跡的記錄與示教同時(shí)進(jìn)行。通過Topic 通訊的方式訂閱Pose.msg 來實(shí)時(shí)讀取末端位姿，位置用x、y、z來表示，姿態(tài)用四元數(shù)x、y、z、w來表示。將讀取到的軌跡點(diǎn)按順序保存到文檔中。記錄頻率過低會(huì)使軌跡的順滑度和還原度較差，而頻率過高軌跡點(diǎn)過密會(huì)降低機(jī)械臂的運(yùn)行速度，并使Moveit完成路徑規(guī)劃的時(shí)間變長(zhǎng)。通過對(duì)不同頻率實(shí)驗(yàn)得到的示教軌跡進(jìn)行比較，最終選擇10 Hz作為示教點(diǎn)的采樣頻率。

對(duì)于不同年齡、性別和患病程度的患者，所需的訓(xùn)練強(qiáng)度也不盡相同。在直接示教得到適合患者的訓(xùn)練軌跡后，需根據(jù)患者的具體情況，設(shè)置適合患者的訓(xùn)練強(qiáng)度。通過編寫軌跡復(fù)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)個(gè)性化訓(xùn)練，流程圖見圖5。

圖5 個(gè)性化訓(xùn)練流程圖

利用Moveit 中的arm.setVelocityScalingFactor()函數(shù)對(duì)機(jī)械臂末端的訓(xùn)練速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，訓(xùn)練次數(shù)和休息時(shí)間的調(diào)節(jié)則分別通過編寫while 循環(huán)與sleep()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。從存儲(chǔ)軌跡點(diǎn)的文檔中往復(fù)讀取一遍軌跡點(diǎn)并加入到waypoints[]路點(diǎn)列表中，從而實(shí)現(xiàn)Moveit對(duì)一次訓(xùn)練軌跡的存儲(chǔ)。通過fraction 的值來判斷軌跡規(guī)劃是否成功，當(dāng)fraction=1 時(shí)，生成機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃數(shù)據(jù)后執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。當(dāng)while 循環(huán)所剩余訓(xùn)練次數(shù)為0時(shí)，結(jié)束循環(huán)，從而達(dá)到變強(qiáng)度康復(fù)訓(xùn)練的目的。

4 試驗(yàn)和結(jié)果

4.1 試驗(yàn)對(duì)象

2021 年8 月，在沈陽自動(dòng)化研究所招募5 例健康受試者進(jìn)行試驗(yàn)。其中受試者1～3 為男性，受試者4～5 為女性，平均年齡(24.5±2.2)歲。5 例受試者的信息見表1。

表1 5例受試者上肢各部分長(zhǎng)度比較

4.2 示教試驗(yàn)與軌跡差異性分析

受試者的右側(cè)上肢通過連接件與機(jī)械臂末端進(jìn)行連接，在上肢完全放松的情況下，示教者分別在水平面、矢狀面、冠狀面和三維空間訓(xùn)練模式下，對(duì)受試者上肢與機(jī)械臂末端一同進(jìn)行拖動(dòng)示教，動(dòng)作分別為水平面上的擴(kuò)胸運(yùn)動(dòng)(肘關(guān)節(jié)前屈后伸與肩關(guān)節(jié)水平內(nèi)收外展)、矢狀面上的出拳運(yùn)動(dòng)(肘關(guān)節(jié)前屈后伸與肩關(guān)節(jié)前屈后伸)、冠狀面上的肩關(guān)節(jié)外展運(yùn)動(dòng)和空間中的任意運(yùn)動(dòng)。各模式下的示教動(dòng)作以及5 例受試者上肢被拖動(dòng)的軌跡見圖6。

圖6 示教動(dòng)作與示教軌跡

進(jìn)行示教時(shí)，擴(kuò)胸、出拳、肩關(guān)節(jié)外展和空間運(yùn)動(dòng)的平均示教時(shí)間分別為5.6 s、4.1 s、4.4 s 和7.0 s。受試者的上肢在被拖動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的軌跡較為光滑，說明采集到的力/力矩能較好地轉(zhuǎn)化為步長(zhǎng)，同時(shí)通過設(shè)置某一方向的步長(zhǎng)為0，能很好地限制機(jī)械臂末端只在水平面、矢狀面和冠狀面上運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于水平面上的擴(kuò)胸運(yùn)動(dòng)，軌跡發(fā)生轉(zhuǎn)折前主要對(duì)應(yīng)肘關(guān)節(jié)的前屈后伸，通過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，受試者的前臂長(zhǎng)度對(duì)軌跡轉(zhuǎn)折前的弧長(zhǎng)影響較大。前臂越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的曲線弧長(zhǎng)越長(zhǎng)。軌跡發(fā)生轉(zhuǎn)折后的運(yùn)動(dòng)主要對(duì)應(yīng)肩關(guān)節(jié)水平外展與內(nèi)收。全臂長(zhǎng)度對(duì)軌跡的拖動(dòng)范圍和軌跡發(fā)生轉(zhuǎn)折的位置影響較大。全臂越長(zhǎng)，拖動(dòng)范圍越大，軌跡發(fā)生轉(zhuǎn)折的位置越遠(yuǎn)，軌跡的拖動(dòng)范圍由大到小分別為軌跡受試者2＞1＞3＞4＞5，大小與受試者的全臂長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)。此外由于受試者身高、上臂長(zhǎng)度等不同，每位受試者運(yùn)動(dòng)的初始位置和高度也存在差異，受試者1～5 運(yùn)動(dòng)的水平面相對(duì)于基坐標(biāo)系xy平面的距離分別為0.172 m、0.178 m、0.173 m、0.162 m和0.154 m。

對(duì)于矢狀面上的出拳運(yùn)動(dòng)，在身高、上臂長(zhǎng)度、前臂長(zhǎng)度等因素影響下，各受試者運(yùn)動(dòng)的初始位置高度以及所運(yùn)動(dòng)的矢狀面也各不相同。受試者1～5 運(yùn)動(dòng)的初始位置高度相對(duì)于基坐標(biāo)系xy平面的距離分別為0.065 m、0.060 m、0.072 m、0.089 m、0.090 m，最大差值為3 cm；而對(duì)應(yīng)的矢狀面相對(duì)于基坐標(biāo)系yz平面的距離分別為0.138 m、0.092 m、0.114 m、0.052 m、0.045 m。同時(shí)軌跡的斜率和形狀也存在差別。由于全臂長(zhǎng)度的不同，受試者運(yùn)動(dòng)的位移也有所不同，位移由大到小為：受試者2＞1＞3＞4＞5，該結(jié)果與受試者的全臂長(zhǎng)度的大小相對(duì)應(yīng)。

對(duì)于冠狀面上的肩關(guān)節(jié)外展運(yùn)動(dòng)，受身高、上臂長(zhǎng)度的影響，各受試者運(yùn)動(dòng)的初始位置高度有所不同。受試者1～5 運(yùn)動(dòng)的初始位置高度距離基坐標(biāo)xy平面的距離分別為0.012 m、0.001 m、0.022 m、0.038 m、0.062 m，最大差值為6.1 cm。由于前臂長(zhǎng)度存在差別(受試者2＞3＞1＞4＞5)，各受試者被拖動(dòng)的軌跡并不在一個(gè)冠狀面上。受試者1～5 被拖動(dòng)的平面與基坐標(biāo)系xz平面的距離分別為0.661 m、0.649 m、0.655 m、0.676 m、0.684 m，距離的大小與受試者前臂長(zhǎng)度的大小相反，說明前臂越長(zhǎng)，所運(yùn)動(dòng)的平面就越靠前。由軌跡可知，受試者上臂越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的肩關(guān)節(jié)外展的圓弧半徑越大。

對(duì)于三維運(yùn)動(dòng)，受試者1～3 示教的范圍為80×50×50 cm，受試者4～5 示教的范圍為60×50×30 cm。在此試驗(yàn)中，男性受試者在三維空間下示教的范圍與女性受試者示教的范圍整體相比較大。

由示教軌跡可知，在個(gè)體差異性影響下，不同受試者的訓(xùn)練軌跡和訓(xùn)練的位置也會(huì)有所差別。而通過此直接示教系統(tǒng)能簡(jiǎn)單快速地找到適合受試者自身的訓(xùn)練軌跡，再進(jìn)行訓(xùn)練。

4.3 變強(qiáng)度康復(fù)訓(xùn)練試驗(yàn)與分析

為了方便更改試驗(yàn)參數(shù)，將本控制系統(tǒng)的程序接口集成到人機(jī)交互界面中(圖7)。利用直接示教試驗(yàn)得到的受試者的上肢示教軌跡對(duì)受試者進(jìn)行軌跡訓(xùn)練。訓(xùn)練速度劃分為1 檔至10 檔，對(duì)應(yīng)的速度分別為0.05 m/s、0.10 m/s、0.15 m/s、0.20 m/s、0.25 m/s、0.30 m/s、0.35 m/s、0.40 m/s、0.45 m/s、0.50 m/s。本試驗(yàn)設(shè)置男性受試者1～3 的訓(xùn)練速度為0.25 m/s，訓(xùn)練次數(shù)為10 次；女性受試者4～5 的訓(xùn)練速度為0.15 m/s，訓(xùn)練次數(shù)為20 次。默認(rèn)一次訓(xùn)練結(jié)束后休息5 s，每完成4次訓(xùn)練休息10 s。

圖7 人機(jī)交互界面

受試者1～5的訓(xùn)練軌跡(圖8)一共分為四組，分別對(duì)應(yīng)5 例受試者在水平面上的擴(kuò)胸訓(xùn)練、矢狀面上的出拳訓(xùn)練、冠狀面上的肩關(guān)節(jié)外展訓(xùn)練以及空間訓(xùn)練。其中機(jī)械臂實(shí)影對(duì)應(yīng)機(jī)械臂的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，虛影對(duì)應(yīng)機(jī)械臂在Moveit中的規(guī)劃運(yùn)動(dòng)。

圖8 4種訓(xùn)練模式下5名受試者的訓(xùn)練軌跡

受試者1～3與4～5分別在進(jìn)行10次與20次的訓(xùn)練時(shí)，訓(xùn)練軌跡都與示教軌跡保持一致。在訓(xùn)練結(jié)束后，詢問并匯總了各受試者在進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)的整體感受：訓(xùn)練動(dòng)作與被拖動(dòng)示教時(shí)的動(dòng)作一致，在訓(xùn)練過程中上肢沒有感到任何不適，且都得到了充分的伸展，同時(shí)表示訓(xùn)練強(qiáng)度也較為合適。最后，選擇最接近平均值的受試者3 的訓(xùn)練軌跡供5 例受試者進(jìn)行訓(xùn)練(見表1)。為了避免出現(xiàn)拉傷等情況，設(shè)置訓(xùn)練速度為0.05 m/s，訓(xùn)練次數(shù)為10次，訓(xùn)練效果見表2。

表2 使用受試者3的軌跡進(jìn)行平面訓(xùn)練各受試者訓(xùn)練效果

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不合適的軌跡，受試者會(huì)出現(xiàn)訓(xùn)練動(dòng)作不規(guī)范、訓(xùn)練不到位或過度拉伸等情況。而通過此直接示教系統(tǒng)，能簡(jiǎn)單快速地找到適合受試者的訓(xùn)練軌跡和設(shè)置合適的訓(xùn)練強(qiáng)度后進(jìn)行訓(xùn)練，從而使受試者得到更有效、更安全和更精準(zhǔn)的上肢康復(fù)訓(xùn)練。

5 討論

針對(duì)不同患者上肢訓(xùn)練軌跡與訓(xùn)練強(qiáng)度存在差異的問題，本文設(shè)計(jì)了一種末端牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人直接示教技術(shù)，并驗(yàn)證其可行性。對(duì)所提出的上肢康復(fù)機(jī)器人分別進(jìn)行水平面、矢狀面、冠狀面和三維空間狀態(tài)下的示教試驗(yàn)，得到的軌跡順滑且軌跡走向符合施力方向，整個(gè)示教過程只需4～7 s 即可完成，配合直接示教試驗(yàn)得到的軌跡對(duì)受試者進(jìn)行了上肢變強(qiáng)度康復(fù)訓(xùn)練。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的示教空間下，不同的受試者在完成相同的訓(xùn)練動(dòng)作時(shí)，所對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練軌跡存在一定的差異，如使用不合適自身的軌跡進(jìn)行訓(xùn)練，則會(huì)出現(xiàn)訓(xùn)練動(dòng)作不規(guī)范、訓(xùn)練不到位或過度拉伸等情況。對(duì)于不同的受試者，本文所提出的直接示教系統(tǒng)能穩(wěn)定快速地規(guī)劃出適合各受試者自身的各平面與空間訓(xùn)練軌跡并進(jìn)行了不同強(qiáng)度的康復(fù)訓(xùn)練，訓(xùn)練軌跡合適且精準(zhǔn)。

本文所提出的直接示教系統(tǒng)也存在不足之處，比如在進(jìn)行力矩與旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)，x軸與y軸方向上的旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效果欠佳，本試驗(yàn)通過設(shè)置x軸與y軸的旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)系數(shù)kθ較小的方法來減少誤差，但這會(huì)出現(xiàn)x、y軸旋轉(zhuǎn)角度過小的問題，下一步將針對(duì)這一問題引入重力矩補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。