基于EMG信號(hào)驅(qū)動(dòng)的康復(fù)機(jī)器人動(dòng)作模型設(shè)計(jì)

前言

近年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越多地在康復(fù)過(guò)程中被引入，目的是降低人工成本，加快恢復(fù)過(guò)程。由于大多數(shù)設(shè)備使用中，患者都是被動(dòng)的，所以目前的技術(shù)挑戰(zhàn)就是建立能夠理解患者意圖并相應(yīng)調(diào)整的交互控制功能，實(shí)現(xiàn)患者的主動(dòng)參與。

機(jī)器人和患者之間的交互控制是康復(fù)機(jī)器人研究中非常重要的一個(gè)方面, 由于康復(fù)機(jī)器人是與運(yùn)動(dòng)功能受損的患肢相互作用, 而病人是具備自主運(yùn)動(dòng)意識(shí)的對(duì)象, 因此機(jī)器人和患者之間的交互控制不可或缺。首先, 交互控制會(huì)為患者創(chuàng)造一個(gè)安全、舒適、自然并且具備主動(dòng)柔順性的訓(xùn)練環(huán)境, 避免患肢由于痙攣、顫抖等異常的肌肉活動(dòng)而與機(jī)器人產(chǎn)生對(duì)抗, 保護(hù)其不會(huì)受到二次損傷。其次, 交互控制會(huì)從傳感器信號(hào)中獲取患者的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖, 鼓勵(lì)患者積極參與到運(yùn)動(dòng)中來(lái), 實(shí)現(xiàn)所謂的主動(dòng)訓(xùn)練, 從而提高康復(fù)的效果。 根據(jù)獲取主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖時(shí)所使用的信號(hào)不同, 機(jī)器人與患者之間的交互控制策略可以基本分為兩類(lèi): 1) 基于力信號(hào)的控制方法; 2) 基于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的控制方法。

此文獻(xiàn)研究的方法是基于生物醫(yī)學(xué)EMG信號(hào)驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)肌肉骨骼模型來(lái)計(jì)算肌肉動(dòng)力和關(guān)節(jié)力矩。雖然這種方法很有前景，但收集EMG數(shù)據(jù)并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作，因?yàn)榉胖帽砻骐姌O的肌肉需要專(zhuān)業(yè)的人員來(lái)選擇，并且EMG數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可能會(huì)受到電磁干擾的影響。

此研究設(shè)計(jì)了一個(gè)EMG模型，該模型建立在一個(gè)普通康復(fù)運(yùn)動(dòng)的EMG數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，以發(fā)展預(yù)測(cè)以任意速度執(zhí)行的相同運(yùn)動(dòng)的EMG值的能力。報(bào)告的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較符合期望，在EMG預(yù)測(cè)中顯示出了良好的準(zhǔn)確性，從而使EMG驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)肌肉骨骼模型成為可能。模型即使是通過(guò)重復(fù)的動(dòng)作建立的，但也具有較好的適用性，可以簡(jiǎn)化對(duì)活動(dòng)康復(fù)設(shè)備的使用，使得病人的使用更加簡(jiǎn)潔有效。

方法

受試者：5個(gè)（3男2女）自愿參與的受試者，年齡26±1.22，體重66±12.83 kg，身高1.7±0.089 m。均沒(méi)有對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)作有影響神經(jīng)或者肌肉的協(xié)調(diào)問(wèn)題。

裝備：使用Cometa Wave wireless EMG系統(tǒng)來(lái)收集EMG信號(hào)，采集以下5塊肌肉的肌電：腓腸肌外側(cè)肌（GASL）、腓腸肌內(nèi)側(cè)?。℅ASM）、比目魚(yú)?。⊿OL），腓骨長(zhǎng)?。≒ER）、脛前?。═IB）。采集裝置的位置也按照相關(guān)研究的推薦位置來(lái)確定。

跖屈的動(dòng)作通過(guò)相機(jī)記錄，3個(gè)循環(huán)標(biāo)記點(diǎn)分別放在腓骨上端、外側(cè)踝和第五跖骨，如圖所示。

實(shí)驗(yàn)步驟: 整個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，所有受試者均在開(kāi)始前接受過(guò)相同的動(dòng)作指導(dǎo)，數(shù)據(jù)采集前，讓所有受試者坐在一個(gè)舒適的座椅上，足部不著地。然后，再讓受試者進(jìn)行全范圍的踝關(guān)節(jié)跖屈，一組重復(fù)3次，總共進(jìn)行9組。

開(kāi)始的3組，要求動(dòng)作緩慢進(jìn)行（LC），之后再中速(MC)，最后快速(HC)。測(cè)試中有使用節(jié)拍器，來(lái)減少各個(gè)組里各個(gè)動(dòng)作的速度差異。收集不同頻率的動(dòng)作旨在獲得一個(gè)較為全面的EMG模型，使得這個(gè)模型能夠應(yīng)用在整個(gè)踝關(guān)節(jié)康復(fù)動(dòng)作中。

額外的跖屈動(dòng)作收集的數(shù)據(jù)被用來(lái)確認(rèn)我們的數(shù)據(jù)模型的有效性。每個(gè)不同頻率至少進(jìn)行3個(gè)額外組。另外再額外增加一個(gè)頻率（AC），介于快速和中速之間，同樣可增加此EMG模型的有效性。

數(shù)據(jù)采集：EMG信號(hào)的初始數(shù)據(jù)使用高通濾波進(jìn)行過(guò)濾，矯正，在進(jìn)行低通濾波過(guò)濾。此時(shí)EMG的數(shù)據(jù)就完成了標(biāo)準(zhǔn)化。各個(gè)肌肉的EMG信號(hào)峰值是由各個(gè)受試者的相同肌肉中提取出來(lái)的。踝關(guān)節(jié)角度由另一種儀器獲取，用來(lái)測(cè)出踝關(guān)節(jié)跖屈的角速度，從而確定跖屈動(dòng)作的起止范圍。

EMG模型：預(yù)計(jì)的EMG模型是使用跖屈的平均速度的數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的EMG值的。對(duì)于每個(gè)受試者，都建立了一個(gè)個(gè)人的包含3種動(dòng)作頻率的EMG模型。每個(gè)頻率和每塊肌肉，EMG的平均曲線(xiàn)被首先計(jì)算出來(lái)，之后，每個(gè)肌肉的3種不同頻率的曲線(xiàn)，通過(guò)時(shí)間點(diǎn)來(lái)分離出1000個(gè)樣本，除去速度參數(shù)，來(lái)進(jìn)行單獨(dú)的平均曲線(xiàn)計(jì)算。

這些各個(gè)肌肉的曲線(xiàn)可以用在相關(guān)的康復(fù)訓(xùn)練或治療中，根據(jù)所需的頻率。根據(jù)時(shí)間的要求來(lái)完成一個(gè)完整的踝關(guān)節(jié)跖屈，每個(gè)平均EMG曲線(xiàn)都被預(yù)先計(jì)算過(guò)，來(lái)匹配任務(wù)要求的頻率，從而生成一個(gè)預(yù)計(jì)的EMG信號(hào)。

EMG模型有效性測(cè)試：使用皮爾遜相關(guān)指數(shù)R平方和均方根錯(cuò)誤指數(shù)RMSE來(lái)評(píng)判。進(jìn)行兩次檢測(cè)，第一次旨在評(píng)估此模型的準(zhǔn)確性，收集同樣的頻率值下的跖屈肌肉信號(hào)值，輸入EMG模型中來(lái)進(jìn)行測(cè)試。第二次測(cè)試旨在評(píng)估此模型預(yù)估EMG型號(hào)的準(zhǔn)確性，使用不同的頻率下（AC）的運(yùn)動(dòng)EMG信號(hào)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

結(jié)果

Tables1 和2都列出了從5個(gè)受試者肌肉中獲得的標(biāo)準(zhǔn)化EMG信號(hào)的R2 和RMSE值，整體的R2值是0.75，表明預(yù)測(cè)的曲線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)是相關(guān)的。平均的RMSE值是0.088±0.022。第二次測(cè)試的結(jié)果如Tables3 和 4所示，和第一次的測(cè)試結(jié)果類(lèi)似。

上圖為預(yù)測(cè)的EMG信號(hào)和測(cè)量的信號(hào)各個(gè)肌肉比較，橫坐標(biāo)為跖屈的收縮百分比，數(shù)據(jù)均來(lái)自于4號(hào)受試者的AC頻率跖屈收縮，灰色區(qū)域?yàn)椤罉?biāo)準(zhǔn)差的參考范圍間隔區(qū)域，綠線(xiàn)為模型預(yù)測(cè)值?？梢钥闯鼍G線(xiàn)基本落在灰色區(qū)域內(nèi)，說(shuō)明EMG模型預(yù)測(cè)能力較好。

結(jié)論

此研究第一次呈現(xiàn)了以5塊主要肌參與的跖屈運(yùn)動(dòng)EMG信號(hào)模型，并獲得了較為理想準(zhǔn)確的研究結(jié)果。應(yīng)用在損傷患者身上的相關(guān)研究也可以進(jìn)行了，未來(lái)將會(huì)把研究中心放在建立矯正機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)康復(fù)功能并且能夠簡(jiǎn)便易行地應(yīng)用在真正的病人身上。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)正被逐漸應(yīng)用于機(jī)器人和患者的交互控制，這種交互控制具有很大的靈活性，為完全癱瘓患者的主動(dòng)訓(xùn)練提供了潛在的可能方案，但由于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的隨機(jī)性高, 從中獲取準(zhǔn)確的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)。

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