膝关节康复机器人腿部人机界面设计研究

Chinese Journal of Rehabilitation Medicine, Dec. 2008, Vol. 23, No.12 ·康复医学工程· 膝关节康复机器人腿部人机界面设计研究 张 晶 1 王玉慧 1 王党校 1 摘要 目的：遵循人机工程学原理，设计康复训练机器人合理的腿部人机界面，以使得伤残者在进行膝关节康复训 练时腿部受力合理、感觉舒适。 方法：选取体格健壮的成年人 4 名，针对某型号膝关节康复机器人测定康复训练中主 动模式下受试者小腿部受力数值； 采用 RSSCAN 公司的足底压力测试系统测试受试者腿部在承受以上压力的情况 时、不同人机界面情况下小腿受力的分布情况。 结果：腿部压力主观感受测试中不合理的小腿夹持器人机界面使受 试者感觉不适，小腿出现皮肤磨破、肌肉酸痛等不良反应；曲率半径为 80mm 和 70mm 时其中三位受试者的测试感觉 较舒适，另外一名当曲率半径 70mm 和 60mm 时主观感受比较舒适。 在腿部压力分布测试中曲率二（R=80mm）对应 的最大压力数值最小，压力分布比较均匀。结论：由实验可得，小腿夹持器下表面曲率半径比小腿围换算圆半径(将小 腿截面近似作为圆,以 L=2πR,由圆周长计算半径 R)大 10—20mm 左右压力基本达到等压，受试者反馈也比较舒适。 对于不同腿围的受试者，合理的小腿人机界面曲率半径在一定范围内，且此范围取决于受试者的小腿围。 关键词 膝关节；人机工程;康复;机器人 中图分类号：R496 文献标识码：A 文章编号：1001-1242（2008）-12-1098-04 Research designing knee rehabilitation robot′s human-machine interface/ZHANG Jing，WANG Yuhui，Wang Dangxiao//Chinese Journal of Rehabilitation Medicine,2008,23(12): 1098—1101 Abstract Objective:According to principles of ergonomics, to design a reasonable knee rehabilitation robot′ s human -machine interface to make the disabled more comfortable during rehabilitation training. Method: Four healthy adults were selected for measuring the pressure on the foreleg during active rehabilitation training following a certain knee rehabilitation robot. Then distribution of the pressure on different human-machine interfaces were measured by Rsscan foot scan system. Result: Foreleg -pressure subjective test showed, unreasonable human - machine interface which foreleg made volunteers felt uncomfortable, caused skin frazzle and muscle soreness; Three volunteers felt comfortable when curvature radius of human-machine interface on the foreleg was 70mm and 80mm, the other one felt comfortable when curvature radius was 60mm and 70mm. The foreleg-pressure distribution test showed that the pressure was isopiestic when curvature radius was 80mm. Conclusion:When curvature radius of human-machine interface on the foreleg was 10—20mm more than radius of human foreleg (the section of foreleg was assumed as circularity, calculating radius R as L=2πR), the volunteers felt more comfortable and the pressure on the foreleg was isopiestic. For different person the reasonable curvature radius of human-machine interface on the foreleg is within a certain range, which relies on the girth of the person′s foreleg. Author′ s address School of Mechanical and Automation Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 100083 Key words knee； ergonomics; rehabilitation; robot 随着人类文明的发展， 康复产品作为对伤残者 人文关怀的化身，已经取得了长足的发展。在康复产 品的设计中，需要应用人机工程学的理论、数据，使 得人机界面更合理，从而提高康复训练的质量。机器 人技术已逐渐介入到医学康复的更多领域, 帮助伤 残者进行康复训练已成为机器人技术在医学领域的 重要应用[19，24]。 Weinberg 等 [1]提出了一款膝关节主动康复矫形 装 置 (active knee rehabilitation orthotic device， AKROD)， 它的主要用途是防止膝关节受伤者在行 进过程中膝关节伸展过度 ， 腿部在摇摆过程中 AKROD 可以控制其灵活性， 可以协助强化患者的 步态训练， 它使膝关节矫形训练可以在平常社区甚 至家中就能进行。 Ken′ichi Koyanagi 等 [3]设计了一个 3 自由度的 上肢康复机械， 这个机械能够根据用户训练的效果 来调整训练量。 侯来永 [6]通过对将进行单侧全膝关节置换术的 骨性关节炎患者患侧、 健侧膝关节肌力及同年龄组 健康者膝关节肌力的测试研究，找出三者的关系，为 手术期膝关节功能康复提出指导。 1 北京航空航天大学机械学院，100083 作者简介：张晶，女，硕士研究生 收稿日期：2008-06-04 1098 中国康复医学杂志，2008 年，第 23 卷，第 12 期 本文针对北航机器人所设计开发的膝关节康复 训练机器人第一代物理样机，运用人机工程学原理， 采用实验分析的方法， 对其腿部人机界面进行改进 设计，从而改善训练中腿部受力情况。 膝关节康复训练机器人是针对膝关节伤病后运 动功能恢复而设计的 [10，12，16—17，22，26]，运动模式是患者 下肢做往复摆动。 具有主动训练和被动训练两种训 练模式，二者区别在于人在训练中是否主动用力。由 北航机器人所开发的第一代物理样机如图 1 所示， 目前的人机界面尚不够理想， 由下部的四个长方形 板及上部的快粘带共同构成小腿夹持器， 作为伤残 者腿部人机界面。 小腿夹持器安装在往复摆动的末 端杆上，是康复机器人的运动实现部分[2]。 其康复训练示意图见图 2， 采用被动训练模式 时，受训练者不施加主动力，由机器人的末端杆带动 小腿夹持器作等速摆动，实现小腿的被动运动，主要 适用于恢复初期[11，14—15，18]；主动训练模式是由机器人 输出阻力，由受训练者施加主动力，克服阻力实现摆 动，主要适用于恢复后期[13，23]。 1 对象与方法 1.1 对象 采用实验的方法选受试者 4 名， 均为体格健壮 的成年人，无相关病史，该样本涵盖不同年龄段及两 种性别，能够比较全面地反映实验结果。受试者数据 见表 1。 1.2 方法 本研究涉及两个实验， 第一个实验是不同界面 时腿部压力主观感受测试 [9，20—21，25]；第二个实验是各 种界面时腿部压力分布测试[7—8]。 实验一，包括两个步骤，步骤一针对现有物理样 机的小腿部人机界面测试受试者在康复运动中转动 角度、施力数值、角速度值以及腿部感受随着摆动次 数的变化情况， 并测试了小腿采用不同发力部位时 接触面的感受。方法是受试者每人进行 3次实验，由 受试者进行主动模式的运动， 即由受试者施力给小 腿夹持器， 克服机器人的输出阻力以带动末端杆摆 动。 步骤二是为了得到使受试者主观感受舒适的小 腿夹持器下表面曲率，同时考虑到易于加工，通过制 作平板与 4 种曲率圆弧面 （半径分别为 ：95mm、 80mm、70mm、60mm）的石膏模型先后作为辅助设备 替代原有小腿夹持器的下表面让受试者做主动运 动， 记录受试者主观感受数据从而得到五种情况下 使受试者主观感受不舒适的主动力值以及受试者主 观感受舒适的小腿夹持器下表面界面。 实验二， 由实验一得到使受试者主观感受不适 的主动力值，利用比利时的 RSSCAN 公司的足底压 力测试仪， 对受试者小腿上部施加该压力时采用上 述 5 种小腿夹持器的下表面 （平面及 4 种曲率圆弧 面） 测试受试者小腿下部压力分布情况。 比利时的 RSSCAN 公司的足底压力测试仪测试受试者小腿部 受力分布情况。 内置传感器大小为 0.5cm×0.5cm， 0.5m 的测力板装有 4096 个传感器， 最低感应力为 0.25N。 可以在平地上进行测试 , 采样频率可达 500Hz。 由于设备的界面是平面，为了测试小腿夹持 器下表面为不同曲率时小腿压力分布情况， 本实验 采用细棍组成上表面为不同曲面的辅助设备用以协 助测试，该辅助设备的制作方法是：针对每一种曲率 采用 720 小段口径为 5mm×5mm 塑料模型方管 （型 号 C-207-50）组成 24×30 的阵列，阵列上表面近似 构成所要圆弧面，每一小段方管为一个测力单元，近 似为点受力，如图 3所示。测试平板受力情况时直接 将受试者小腿置于的 RSSCAN 公司的足底压力测 试仪表面上用于模拟，然后对小腿上部施加压力。 4 种曲率界面的测试是将所制作的辅助设备置于 RSSCAN 压力测试系统的表面上， 再把受试者小腿 放在辅助设备上，保持小腿距踝 100mm 处（由实验 一可知）在辅助设备沿长度方向的中心，再对小腿上 部施加压力分析受力情况。 表 1 受试者一般资料 受试者序号 身高 (cm) 性别 年龄 (岁) 体重 (kg) 小腿长 （mm） 小腿腿肚外周长 （mm） 3 178 男 25 65 420 326 4 179 男 22 74 420 400 1 161 女 44 59 370 366 2 176 男 23 70 410 380 图 1 膝关节康复训练机器人第一代物理样机 图 2 第一代膝关节康复训练机器人康复训练示意图 1099 Chinese Journal of Rehabilitation Medicine, Dec. 2008, Vol. 23, No.12 1.3 数据分析处理 由于实验辅助设备制作有误差， 实验后通过编 程在 MATLAB 里实现对四种曲率原始数据的光顺 处理。 曲面光顺的方法采用高斯滤波的方法进行对 数据的修整。 其方程： ga (t)= 1 2 πa姨 exp(- t 2 4a ) MATLAB 中输出 4 种曲率曲面光顺后云图，从 中抽取一组比较有代表性的云图与相对应的平面原 始云图进行对比。 2 结果 2.1 不同界面时腿部压力主观感受测试 2.1.1 现有小腿夹持器腿部受力及感受测试: 实验 中记录了转动角度、施力数值及角速度值，共得 12 组数据，图 4 显示出其中一组数据的片段。 同时记 录受试者在训练中的感受： 往复运动次数在 3 至 7 次时，受试者感觉上、下部界面接触不舒服；往复运 动次数在 35—42次时，受试者感觉上部快粘带致使 接触部位皮肤疼痛；52—58 次时， 下部接触处肌肉 发酸；75—78 次时， 受试者感觉上部快粘带致使接 触部位皮肤破损。 本实验还测试了小腿夹持器置于 受试者小腿不同部位时受试者的主观感受： 当置于 踝后部时，受试者感觉省力但是跟腱疼痛；置于小腿 肌肉最丰满处时感觉费力，肌肉酸；距踝 100mm 处 时感觉较省力，酸痛感较轻。 本实验统计了 12组实验中瞬时主动力值，其中 最大值为 147.304N，并求得均值为 101.557N。 根据 本次实验结果可得受试者做主动运动时瞬时主动力 在抬腿过程中前 1/4 周期（往复 1 次为 1 个周期）处 于加速过程，最大瞬时主动力平均在 100N 左右；在 回程中前 1/4 周期处于反向加速状态， 最大瞬时主 动力可达 60N 左右。 实验表明：小腿夹持器采用目 前的人机界面，受试者小腿出现皮肤磨破、肌肉酸痛 等不良反应。 2.1.2 优化界面腿部压力主观感受测试： 反复测试 中受试者主观感受不适时数据显示器显示主动力均 在 120N 左右， 说明采用本实验的小腿夹持器下表 面较现有小腿夹持器受试者小腿受力情况有所改 善。 分别记录在五种情况中当数据显示器显示主动 力值达到 120N 时受试者主观感受： 平板时受试者 均感觉接触区域中部肌肉酸痛； 曲率半径为 95mm 时受试者均感觉肌肉酸痛感较平板有所减轻； 其中 3 名受试者对曲率半径为 80mm 和 70mm 的测试感 觉较舒适, 曲率半径为 60mm 时感觉接触区域腿有 两侧受压感； 另外一名当小腿夹持器下表面曲率半 径为 80mm 时感觉仍有酸痛感， 曲率半径 70mm 和 60mm时主观感受是比较舒适。 2.2 优化界面腿部压力分布测试 MATLAB 中输出 4 种曲率曲面光顺后云图，由 实验数据可知前三个受试者舒适曲率相同， 最后一 个受试者舒适曲率不同。 从前三个受试者数据中挑 出一组比较有代表性的云图与相对应的平面原始云 图对比（见图 5，见前置彩色插页），四种曲率光顺后 的统计结果与平面原始数据进行对比（见表 2）。 平板和曲率一（R=95mm）对应的最大压力比较 大，平板情况下，较大压力所占面积较大，说明压力 分布不够均匀， 压力较大的地方受试者主观感觉不 舒适。 曲率二（R=80mm）对应的最大压力数值最小， 说明压力分布比较均匀，受试者主观感觉也较舒适。 曲率四（R=60mm）对应的最大压力比曲率三和曲率 二对应的最大压力大，说明压力分布不均匀，受试者 腿部两侧有挤压感，主观感觉不舒适。 3 讨论 根据各种界面下的压力云图可知： 小腿夹持器 下表面曲率半径比小腿围换算圆半径 (将小腿截面 近似作为圆 , 以 L=2πR, 由圆周长计算半径 R)大 10—20mm 左右压力基本达到等压， 受试者反馈也 比较舒适。 平板时较大压力所占面积较其他几个曲 表 2 数据统计结果对比 最大力（N） 较大压力（≥0.9N） 面积/总压力面积（%） 平板 1.5 19.20 曲率一（R=95mm） 1.24 3.09 曲率二（R=80mm） 0.75 0 曲率三（R=70mm） 0.97 0.95 曲率四（R=60mm） 1.01 1.77 图 3 辅助设备 图 4 主动训练中：角度-力-速度 序号 -100 150 100 50 0 -50 数 值 角度（°） 角速度（°/s） 主动力（N） 1100 中国康复医学杂志，2008 年，第 23 卷，第 12 期 面大，最大压力值也较大，受试者均主观感觉中部肌 肉酸痛。 而小腿夹持器下表面曲率半径比小腿围换 算圆半径大 20mm以上时受试者小腿局部压力较集 中，受试者也主观反馈肌肉酸痛，小腿夹持器下表面 曲率半径接近小腿围换算圆半径又使受试者感觉小 腿两侧受压。因此，小腿夹持器下表面曲率半径比小 腿围换算圆半径大 10—20mm 左右从实验角度来说 是可以被采纳的。 同时，由于实验条件有限，受试者 太少，难以推断适用于所有人群的相关数据。 综上所述， 小腿夹持器的下表面曲率半径应该 比小腿围换算圆半径大 10—20mm 左右， 具体设计 时需参考用户人群的实际尺寸， 根据人机工程学测 量数据，分别按照男性和女性第 5 百分位，第 50 百 分位和第 95 百分位的小腿围长数据并参照本实验 所得结论将小腿夹持器设计为大、中、小三种型号以 供选择。 虽然目前各种康复机器人不断涌现 [4—5]，但是由 于人机接口设计不足，使得穿戴费时、使用者穿戴后 很不舒适， 这是机器人在临床康复应用上受阻的重 要原因之一。 本研究对于康复机器人人机接口的探 索设计提出了一种方法， 对于康复机器人其他人机 接口的研究设计提供了借鉴。 参考文献 [1] Weinberg BA, Nikitczuk JA, Patel SA, et al. Design, Control and human testing of an active knee rehabilitation orthotic device [C]. IEEE International Conference on Robotics and Automation Roma, Italy, 2007,10(14)：4126—4133. [2] Li Chao, Wang Dangxiao, Zhang Yuru. Experimental study on enlarged force bandwidth control of a knee rehabilitation robot [C]，Proc. of 2007 International Conference on Human Computer Interaction, HCII, Beijing, China, 2007. 22—27. [3] Ken′ ichi Koyanagi, Junji Fumsho, Ushio Ryut, et al.Develop- ment of rehabilitation system for the upper limbs in a nedo project[C]． Proceedings of the 1003 IEEE Infernntiooal Confer- ence on Robotics & Automation，2003,3(14):4016—4022. [4] Caron, 2003 O. Caron, Effects of local fatigue of the lower limbs on postural control and postural stability in standing posture[J]. Neurosci Lett，2003,340 (2)：83—86. [5] Wolfgang P, Christian L, Bernhard S, et al. Intraarticular pres- sure distribution in the talocrural joint is related to lower leg muscle forces[J]. Clinical Biomechanics,2007, 23(5): 623—639. [6] 侯来永，宋军，薛勇，等. 单侧膝关节骨性关节炎患者全膝关节 置换术前膝关节屈伸肌力的等速测试研究[J]. 中国康复医学杂 志, 2007, 22(6): 527—529. [7] 王西时,白瑞蒲.人体小腿受冲击载荷时的动力响应[J].生物医学 工程学杂志,2000,17(2):155—158. [8] 贾晓红,张明,樊瑜波,等. 小腿截肢患者不同路况下膝关节动态 载荷研究[J]. 生物医学工程学杂志,2005,22(2):221—224. [8] 陶澄，兰纯娜，何爱味，等. 人膝关节后交叉韧带重建后康复治 疗的生物力学研究 [J]. 中国康复医学杂志 ，2007，22(7):602— 604. [9] 郑桂芬,王玉,姜坷. 系统康复治疗膝关节功能障碍的疗效分析 [J]. 中国康复医学杂志，2007,22(10):934—935. [10] 俞晓杰,吴毅,白玉龙,等. 等速向心和离心肌力训练治疗膝关节 骨性关节炎患者的有效性研究[J]. 中国康复医学杂志，2007,22 (11):985—988. [11] 李森田,单淑兰,张达夫,等. 关节镜下松解结合康复训练治疗膝 关节僵硬的疗效研究[J]. 中国康复医学杂志，2008,23(2):174. [12] 贾晓红，李小兵，王人成. 小腿假肢对线对膝关节肌肉活动特 性的影响[J]. 中国康复医学杂志，2006，21（12）：1119—1122. [13] 冯和林，李增炎. 早期康复训练对前交叉韧带重建后愈合作用 的研究进展[J]. 中国康复医学杂志，2006，21（7）：670—672. [14] 高凯，王予彬，王惠芳. 前交叉韧带损伤与重建术后的等速肌 力评价[J]. 中国康复医学杂志，2006，21(5): 467—469. [15] 李峰,文静,张蓉,等. 基于步态分析的击剑运动员膝损伤原因探 讨[J]. 中国康复医学杂志，2008,23(3):254—255. [16] 覃东,孙乐蓉. 创伤后膝关节功能障碍的系统康复治疗[J]. 中 国康复医学杂志，2008,23(2):173—174. [17] 成鹏，毕霞，郎海涛，等. 速度因素对躯干等速肌力测试影响的 研究[J]. 中国康复医学杂志，2004，19(8):578—580. [18] 王人成,沈强,金德闻. 假肢智能膝关节研究进展[J]. 中国康复 医学杂志，2007,22(12):1093-1094. [19] 李放,张葱,胡永善. 闭链测定负荷对健康成人下肢位置觉的影 响[J]. 中国康复医学杂志，2007,22(10):930. [20] 王文清,徐振奇,泥志军. 强制性使用运动疗法对脑卒中患者下 肢运动功能恢复的影响 :2 例 [J]. 中国康复医学杂志 ， 2007,22(7):642—650. [21] 葛红卫. 运动训练促进缺血下肢血管新生、改善行走功能的研 究进展[J]. 中国康复医学杂志，2007,22(3):283—285. [22] 王传年. 综合疗法对膝关节骨性关节炎康复效果的观察[J]. 中 国康复医学杂志，2006,21(6):558. [23] 杨延砚,陈亚平. 膝关节粘连的基础研究及治疗进展[J]. 中国 康复医学杂志，2006,21(5):472—474. [24] 江晓峰,胡雪艳. 偏瘫步态膝关节角度分析[J]. 中国康复医学 杂志，2007,22(10):918—920. [25] 俞永林,任志伟,杨丰建,等. 运动训练结合玻璃酸钠治疗膝关节 骨性关节炎患者关节功能改善分析 [J]. 中国康复医学杂志， 2007,22(6):535—537. 1101