Examination of the Effect of Rehabili-Mouse, a Desktop Rehabilitation Robot for Upper Limb Paresis after Stroke

Background: Active rehabilitation of the paralyzed limb is necessary for functional recovery from upper limb paralysis after stroke. In particular, the amount of training is very important, and robot rehabilitation is useful. However, most conventional robots are expensive, large, and stationary. We have developed Rehabili-Mouse, a new tabletop rehabilitation robot that is compact and portable. The purpose of this study was to conduct paralyzed upper limb training for a patient after stroke using Rehabili-Mouse and to examine its effect. Case: The patient was a 44-year-old man who had left-sided paresis after a right cerebral infarction, 3 months after onset. The training was carried out between February 2021 and March 2021 at Oyu Rehabilitation Hotspring Hospital. The training was 20 minutes of Rehabili-Mouse in addition to 40 minutes of usual occupational therapy and performed five times a week for four weeks. Upper limb functions were evaluated before and after the training, and two questionnaires of patient satisfaction with the device and the training were administered after the completion of the training. Upper limb function improved. The patient’s satisfaction with the device was poor, but his satisfaction with the training was good. Discussion: Training for the paralyzed upper limb after stroke using Rehabili-Mouse improved upper limb function and satisfied the trained patient. We plan to increase the number of cases and conduct further studies.

基于模糊控制的上肢康复机器人变导纳控制

传统固定参数的导纳模型无法对上肢康复机器人的柔顺性实时调节,而现有变参数导纳模型需要结合实际康复需求进行改善。为此,以自主研发的串并混联的末端牵引式上肢康复机器人为研究对象,结合模糊控制与导纳控制,提出了一种面向实际康复需求的新型变导纳控制策略,制定了4条有利于康复效率与安全的模糊规则。该策略利用交互力误差及其变化率作为模糊控制输入,实时改变导纳模型的参数,实现柔顺性自主调节。仿真和实验结果验证了所提出的变导纳模型控制策略可行性和所制定的4条模糊规则的有效性。在患者可适应训练强度的场景中,相较于固定导纳模型,变导纳模型追踪给定路径时产生的冗余路径最多可降低56.13%,提高了康复训练效率;当康复运动超出患者可承受范围时,变导纳模型可提前0.5 s改变追踪路径,提高了康复的安全性。

六自由度上肢康复机器人机构设计及轨迹规划

本研究设计一款六自由度上肢康复机器人,机器人采用绳索驱动、串并联相结合的关节结构形式,能够牵引偏瘫患者的上肢实现多个关节且活动范围较大的康复运动训练。针对上肢康复机器人机构适用性问题,基于运动学理论和D-H坐标系法建立上肢康复机器人本体D-H参数模型,根据空间坐标向量之间的平移、旋转关系,对运动序列建模分析,求解正运动学,通过封闭解法求解逆运动学。基于运动学分析结果,提出五次多项式函数关节空间轨迹规划方法,对上肢提拉抬肘运动进行轨迹规划仿真,验证了康复运动过程中的运动能力。

气动肌肉驱动的上肢康复机器人动力学仿真

针对目前外骨骼机器人本体结构复杂,人机交互安全性不高的问题,结合驱动系统中气动人工肌肉的轻质、大驱动力、高柔顺性和接近人体肌肉的特性,提出一种基于气动肌肉的外骨骼上肢康复机器人。采用蒙特卡罗方法获得机器人的安全工作空间,并基于拉格朗日方程对外骨骼上肢康复机器人进行动力学建模,通过MATLAB软件对上肢康复机器人动力学特性仿真。

上肢康复机器人任务导向性训练对肩关节功能障碍患者的疗效观察

目的:观察上肢康复机器人任务导向性训练治疗肩关节功能障碍的疗效。方法:选取肩关节功能障碍患者58例,随机分为观察组和对照组各29例。2组均接受物理因子与关节松动术联合治疗,在此基础上,对照组增加肌力训练,观察组增加上肢康复机器人任务导向性训练。在治疗前和治疗4周后,采用Constant-Murley肩功能评分量表(CMS)评定比较2组疗效。结果:治疗4周后,2组CMS总分及疼痛、功能活动、关节活动范围、肌力4个分项的评分均高于治疗前(P<0.01);观察组CMS总分及疼痛、关节活动范围、肌力评分3个分项的评分均高于对照组(P<0.05),2组功能活动评分差异无统计学意义。结论:上肢康复机器人的任务导向性训练可以有效减轻患者肩关节疼痛,提高患者的上肢运动功能和康复效果。

上肢康复机器人治疗对脑瘫痉挛型偏瘫患儿上肢运动功能恢复的影响

目的:观察上肢康复机器人治疗对脑瘫痉挛型偏瘫患儿患侧上肢运动功能恢复的影响,探索机器人康复训练能否替代人工训练。方法:将脑瘫痉挛型偏瘫患儿49例按照随机数字表法分为对照组(n=25)和观察组(n=24),对照组每天进行常规康复训练2次;观察组进行常规康复训练1次、上肢机器人训练1次,2组均训练8周。治疗前后分别采用脑瘫儿童手功能分级(MACS)、墨尔本单侧上肢功能评定量表(MUUL)进行评定,测量患侧肘关节、肩关节水平位主动活动度(ROM)。结果:与训练前比较,训练后2组MUUL评分均有显著增高(P<0.01),2组间比较差异无统计学意义;训练后2组MACS评分均较训练前有显著降低(P<0.01),2组间比较差异无统计学意义;训练后2组肩关节水平内收ROM均较训练前有显著增加(P<0.01),2组间比较差异无统计学意义;训练后2组肩关节水平外展及肘关节ROM较训练前均有显著增加(P<0.01),观察组更高于对照组(P<0.05)。结论:上肢康复机器人结合常规康复训练能促进脑瘫痉挛型偏瘫患儿上肢运动功能的恢复,上肢康复机器人训练效果与人工效果相当,在某些方面要优于常规人工训练。

上肢康复机器人的发展及应用综述

介绍了康复机器人的理论基础,综述了上肢康复机器人的研究现状,阐述了上肢康复机器人在脑卒中、脑瘫、脊髓损伤、多发性硬化、帕金森等疾病康复中的应用现状,分析了应用上肢康复机器人进行康复训练的优势和不足,指出了实现更高自由度、选材轻量化、提高设备运行安全性、研发智能控制技术、实现较低成本生产、扩大覆盖率是上肢康复机器人未来发展的方向。

互动式头针结合上肢外骨骼机器人对脑卒中患者上肢功能的影响

目的基于中枢-外周-中枢闭环理论,探讨互动式头针结合上肢外骨骼机器人对脑卒中患者上肢功能的影响。方法选择2022年2月—2023年2月在山东大学附属省立第三医院康复治疗中心招募的40例脑卒中患者,采用随机数字表法将患者分为对照组和观察组,每组20例,均进行常规康复治疗。对照组在常规康复治疗的基础上进行上肢外骨骼机器人康复训练,每次25 min,1次/d,5 d/周,共4周。观察组在对照组治疗基础上新增头针留针,与上肢外骨骼机器人相结合进行互动式头针治疗。头针穴选取顶颞前斜线、顶旁2线的定位标准,留针25 min,间隔5 min施行捻转手法1次,1~2 min/次,1次/d,5 d/周,共4周。分别于治疗前后在ICF身体功能与结构领域使用Fugl-Meyer上肢运动功能评估量表(FMA-UE)评估上肢运动功能。在ICF活动领域使用Wolf运动功能测试(WMFT)评估患者上肢执行功能性任务的能力;在ICF参与领域使用改良Barthel指数(MBI)评估患者日常生活活动能力的独立性。结果①身体功能与结构领域:与治疗前相比,2组治疗4周后FMA-UE评分均明显提高(P<0.05);与对照组相比,观察组治疗后FMA-UE评分提升更显著(P<0.05)。②活动领域:与治疗前相比,2组治疗4周后WMFT评分均明显提高(P<0.05);与对照组相比,观察组治疗后WMFT评分明显提高(P<0.05)。③参与领域:2组治疗4周后MBI评分均明显提高(P<0.05);与对照组相比,观察组治疗后MBI评分提升更显著(P<0.05)。结论互动式头针结合上肢外骨骼机器人可有效改善脑卒中患者上肢运动功能、上肢执行功能性任务能力及日常生活活动能力。

基于电机-磁流变阻尼器混合驱动的绳索牵引上肢康复机器人的设计与应用

传统的末端牵引康复机器人一般使用电机驱动,连杆传动,难以避免惯性和刚性器件对系统动态性能的影响。针对以上问题,研制了一种基于混合驱动的绳索牵引式上肢康复机器人系统。系统采用绳索牵引末端的方式驱动机器人运动,实现在大工作空间内的柔顺操作。设计了具有低惯性特性的电机-磁流变阻尼器混合驱动系统,以替代传统的电机驱动。结合动作捕捉系统,设计了被动和镜像两种训练模式,以实现脑卒中患者的上肢康复训练。实验证明,混合驱动系统可输出3.5 N·m的转矩;被动训练模式中,机器人在600×500×350 mm的工作空间内,轨迹跟踪误差小于8 mm;镜像训练模式中,轨迹平均跟踪误差为6.34 mm。结果表明,系统的驱动方法和训练模式安全有效。

基于上肢机器人分离运动训练对脑卒中患者的经颅磁刺激运动诱发电位及上肢功能的影响

目的:本研究探讨上肢机器人分离运动训练改善脑卒中患者上肢运动功能的疗效,并通过分析其经颅磁刺激运动诱发电位(transcranial magnetic stimulation motor-evoked potential,MEP),进一步探讨其相关机制。方法:招募符合条件的脑卒中患者作为研究对象并随机分为试验组(n=21)和对照组(n=23),试验组进行固定轨迹(肘关节屈曲伸直、肩关节内收外展的分离运动)的上肢机器人训练,对照组进行随意运动轨迹(够取物品的复合动作)的上肢机器人训练。两组的机器人训练均1次/天,20min/次,5次/周,连续3周;对两组患者分别进行Fugl-Meyer上肢运动功能评分(Fugl-Meyer assessment of upper extremity,FMA-UE)和改良Barthel指数(modified Barthel index,MBI)的评定。检测两组患者治疗前后MEP的潜伏期以及中枢运动传导时间(central motor conduction time,CMCT)。结果:治疗3周后试验组患者的FMA-UE、MBI评分及MEP与治疗前比较均有改善(P<0.05),对照组患者的FMAUE、MBI评分、MEP与治疗前比无明显差异(P>0.05);治疗3周后组间比较,两组患者的FMA-UE、MBI评分及MEP无明显差异(P>0.05)。结论:上肢机器人的分离运动训练能改善脑卒中患者上肢运动功能,提高脑卒中患者日常生活自理能力,这可能与增强了脑卒中患者的脑功能重塑有关。

康复机器人结合动作观察疗法对脑卒中患者上肢运动功能康复的影响

目的观察康复机器人结合动作观察疗法对脑卒中患者上肢运动功能康复的作用。方法选择2022年4-12月在联勤保障部队大连康复疗养中心就诊的初发脑卒中患者46例(病程<3个月)。利用随机数字表法将入选患者分为对照组及试验组,每组23人。两组均接受常规康复治疗及上肢康复机器人训练。上肢康复机器人训练前,试验组采用动作观察疗法观看与上肢有关的日常生活动作和活动视频,之后患者想象自己利用患侧上肢完成这些动作;对照组观看英文字母、汉字、几何图形或没有动物及人的视频。治疗前、治疗4周,采用简式Fugl-Meyer运动功能评分-上肢部分(FMA-UE)、运动评定量表上肢部分(MAS-UE)、改良Barthel指数(MBI)对两组患者进行上肢功能评定。结果治疗前,两组患者FMA-UE、MAS-UE、MBI评分均无统计学差异(P>0.05);治疗后,两组FMA-UE、MAS-UE、MBI均显著提高(P<0.001);治疗后,试验组FMA-UE(P=0.039)、MAS-UE(P=0.027)、MBI(P=0.004)高于对照组,差异具有统计学意义。结论康复机器人结合动作观察疗法,能够进一步改善脑卒中患者的上肢运功功能,提高日常生活活动能力。

等速肌力训练结合上肢康复机器人对脑卒中恢复期偏瘫患者上肢功能恢复、生活质量及神经可塑性的影响

目的:探讨等速肌力训练结合上肢康复机器人对脑卒中恢复期偏瘫患者上肢功能恢复、生活质量及神经可塑性的影响。方法:选取2021年3月—2024年3月在宝鸡市人民医院诊治的102例脑卒中恢复期偏瘫患者作为研究对象,按照随机数字表法将其分为对照组(51例,常规训练)和研究组(51例,等速肌力训练结合上肢康复机器人训练),比较两组患者上肢功能恢复、生活质量及神经可塑性。结果:与训练前相比,两组患者训练3个月后上肢动作研究量表(ARAT)、Fugl-Meyer上肢运动功能评价量表(FMA-UE)评分升高(P<0.05),与对照组相比,研究组训练3个月后ARAT、FMA-UE评分更高(P<0.05)。与训练前相比,两组患者训练3个月后脑卒中专用生活质量量表(SS-QOL)各维度评分升高(P<0.05),与对照组相比,研究组训练3个月后SS-QOL各维度评分更高(P<0.05)。与训练前相比,两组患者训练3个月后斜率不对称指数、cM1-Slope、RMT不对称指数降低,i M1-Slope、cM1-RMT升高(P<0.05),与对照组相比,研究组训练3个月斜率不对称指数、cM1-Slope、RMT不对称指数更低,iM1-Slope、cM1-RMT更高(P<0.05)。结论:等速肌力训练结合上肢康复机器人训练应用于脑卒中恢复期偏瘫患者,可促进上肢功能恢复,提升生活质量,改善神经可塑性。

基于可变异混合PSO的上肢康复机器人轨迹优化

针对上肢康复机器人的训练轨迹运动生涩、不贴合人手臂的日常习惯等问题,提出使用改进粒子群算法对上肢康复机器人进行时间最优轨迹优化.由于粒子群算法极易早熟,存在寻优稳定性较差的问题,在算法中引入鸟类混群协同觅食的概念,设计了一种新的速度更新公式,考虑个体极值、群体极值和社会极值对粒子更新的影响,提高了算法在高维搜索空间中和高维约束条件下的全局寻优能力与寻优鲁棒性,并在粒子迭代过程中引入停滞变异补偿机制增加粒子多样性,进一步提升算法的寻优效率.通过MATLAB仿真实验,改进后的粒子群算法将平均最优时间缩短44.29%,平均收敛代数减小了16.75%,使得上肢康复机器人各关节运动符合康复训练要求,能够提高康复训练质量.

7自由度外骨骼上肢康复机器人的肩部优化及运动仿真

针对上肢手臂运动障碍康复训练的需求,设计了一种7自由度外骨骼上肢康复机器人。采用扁平电动机及谐波减速器驱动;优化了肩部结构,与传统结构相比,减少了肩部连杆机构45.97%的运动空间占比,提升了肩部结构刚度;通过D-H参数法对机器人正、逆运动学求解并验证;使用蒙特卡洛法分析机器人的工作空间,证明了结构设计的合理性;使用Matlab软件对机器人末端进行了运动轨迹仿真。结果显示,在机器人运动过程中,各个关节的角位移、角速度及角加速度变化连续且平缓,验证了机器人设计的合理性和有效性,满足人体手臂康复训练要求。

上肢康复机器人联合VR训练对重症颅脑损伤术后干预效果及对日常行为的中介效应研究

目的:研究重症颅脑损伤(sTBI)患者去骨瓣减压术(DC)后采取上肢康复机器人训练(ULRRT)联合虚拟现实(VR)互动干预后,其日常生活能力、神经功能、认知功能和肢体功能的改善情况。同时,依照“认知行为理论”,探讨认知功能、神经功能在肢体功能对日常生活行为的关系中的中介效应。方法:回顾性分析2019年1月—2023年6月于西安交通大学第一附属医院治疗的92例sTBI患者的临床资料,根据可比性原则按不同干预方式将其划分为机器人组(32例,常规干预+上肢康复机器人干预)、VR组(26例,常规干预+VR互动干预)、联合组(34例,常规干预+上肢康复机器人干预+VR互动干预)。采用美国国立卫生院卒中量表(NIHSS)、简易精神状态检查(MMSE)、上肢运动功能评定量表(FMA-UE)及日常生活能力量表(ADL)分别评估并比较三组患者的神经功能、认知功能、上肢功能及日常生活能力。结果:干预后,联合组MMSE、FMA-UE、ADL评分均高于机器人组、VR组(P<0.05),而联合组NIHSS低于机器人组、VR组(P<0.05)。ADL与MMSE、FMA-UE为正相关关系,与NIHSS为负相关关系(P<0.05)。ADL的变化受到FMA-UE、NIHSS和MMSE的影响。NIHSS、MMSE在FMA-UE对ADL的影响关系中起到完全中介的作用。结论:上肢康复机器人联合VR互动干预对sTBI患者术后康复具有积极意义,可以提高上肢运动功能,改善认知和神经功能,进而提高生活质量。

一种混合驱动的上肢康复外骨骼机器人设计

针对现有上肢康复外骨骼机器人的驱动问题,设计一种混合驱动的上肢康复外骨骼机器人,肩关节由电机直接与关节相连驱动,肘关节与腕关节由电机与绳索配合驱动。按照人体上肢解剖学结构设计出外骨骼机器人的本体结构和基本属性,分析肘关节运动原理,进行绳驱动关节张力分析,运用D-H法建立机器人的运动学模型,分析正运动学,通过ADAMS软件对机器人进行动力学仿真,运用CUBSPL函数作为驱动得出各关节的力矩变化,为后面各个关节电机的选型提供依据。

一种串并混联上肢康复机器人柔顺控制研究

随着我国脑卒中患者数量不断增加,机器人技术在脑卒中患者康复训练中将被大面积运用,而康复机器人在人机耦合时为了协调和安全,对机器人的柔顺性具有要求。针对此问题,以一种串并混联的上肢康复机器人为研究对象,设计了一种控制方法。首先使用拉格朗日方法对该康复机器人进行了动力学建模,然后基于导纳原理建立了人机间力的交互关系,再在动力学的基础上设计了滑模控制来对期望轨迹进行跟踪并引入了模糊控制以减少滑模控制的抖振,最后验证了滑模控制的稳定性。通过Simulink仿真,验证了该控制方法的有效性。分析仿真结果,发现在该控制方法下,导纳参数越小,训练强度越小,控制的柔顺性越好。

一种上肢康复机器人肩关节减速器的传动精度分析及优化

基于上肢康复机器人的肩关节相对于其他上肢关节误差敏感性高及承载大的特点,采用一种渐开线少齿差行星减速器应用于其肩关节传动。考虑加工装配误差是造成传动误差的主要因素,运用啮合线增量法建立少齿差行星减速器传动误差的解析计算模型;从统计学角度出发,采用蒙特卡洛法分析了偏心误差及其初始相位对上肢康复机器人肩关节传动精度的影响;基于肩关节传动精度解析模型,分析了传动误差造成的输出力矩波动;并在加工及装配精度不变的情况下,针对少齿差齿轮副各零件的偏心误差初始相位,采用粒子群优化算法进行传动精度优化,以改善上肢康复机器人肩关节传动精度及其造成的输出力矩波动,减少上肢康复患者可能由此造成的二次损伤。

上肢康复机器人联合弗伦克尔训练法在脑干卒中上肢协调障碍中的应用

目的探讨上肢康复机器人联合弗伦克尔(Frenkel)训练法在脑干卒中上肢协调障碍中的临床应用价值。方法便利选取2021年9月—2023年7月赣州市人民医院收治的48例脑干卒中后上肢协调障碍患者为研究对象。按照随机数表法分为两组,各24例。对照组实施常规综合康复,治疗组在对照组的基础上运用上肢康复机器人联合Frenkel训练。比较两组患者肱二头肌,三角肌前、中束,肱三头肌表面肌电均方根(Root Mean Square,RMS)值,干预前、干预1个月和干预3个月后国际合作共济失调量表(International Cooperative Ataxia Rating Scale,ICARS)、上田氏协调试验及改良Barthel指数得分变化,统计两组患者干预过程中Fugl-Meyer上肢运动功能评分(Fugl-Meyer As⁃sessment of Upper Extremity,FMA-UE)变化情况。结果干预3个月后,治疗组肱二头肌,三角肌前、中束,肱三头肌表面肌电RMS值分别为(165.8±21.4)、(253.3±33.6)、(266.7±32.2)、(133.5±16.5)uV·s,均高于对照组,差异有统计学意义(t=3.830、8.792、10.432、40.354,P均<0.05);治疗组ICARS、上田氏协调试验及改良Barthel指数评分均高于干预前治疗组及干预后对照组,差异有统计学意义(P均<0.05);治疗组FMA-UE评分高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论针对脑干卒中后上肢协调障碍患者应用上肢康复机器人联合Frenkel训练法,对改善患者共济失调能力,提高上肢协调与运动能力,促进患者生活质量有积极作用。

Mechatronic Design of a Synergetic Upper Limb Exoskeletal Robot and Wrench-based Assistive Control

Upper limb exoskeletal rehabilitation robots are required to assist patients＇ arms to perform activities of daily living according to their motion intentions. In this paper, we address two questions： how to design an exoskeletal robot which can mechanically reconstruct functional movements using only a few actuators and how to establish wrench-based assistive control. We first show that the mechanism replicating the synergic feature of the human upper limb can be designed in a recursive manner, meaning that the entire robot can be constructed from two basic mechanical units. Next, we illustrate that the assistive control for the synergetic exoskeletal robot can be transformed into an optimization problem and a Riemannian metric is proposed to generate anthropomorphic reaching movements according to contact forces and torques. Finally, experiments are carried out to verify the functionality of the proposed theory.