[01141619]下颚外骨骼康复机器人研究与开发的产学研合作项目

一、课题来源与背景 下颚运动功能障碍是口腔颌部一种常见症状,具体表现为开口困难、开口受限,在临床上属于颞下颌关节紊乱综合症。通常患者的可开口度较小,开口过程异常痛苦,并伴有颞下颌关节区疼痛、作响,咀嚼肌肌肉无力,无法完成正常的咀嚼功能,严重的影响到患者的口腔卫生,给患者的生活带来极大不便。 对下颚运动功能障碍的治疗临床上多采取保守疗法,包括采用药物减轻炎症,采用热敷、针灸等物理疗法缓解疼痛,但患者开口受限等症状的改善不甚理想。国外研究表明病后初期应督促患者迅速张口,可以避免咀嚼肌功能减退及颞下颌关节周围粘连进一步恶化,加速肌肉骨骼的新陈代谢情况,减少结缔组织胶着的发生,因此开闭口运动训被推荐且广泛的应用于临床实践之中。另外,开闭口训练能够被动的拉动咀嚼肌运动,增加肌肉血液流动,促进相应部位大脑血流加速及细胞再生,有助于恢复大脑对开口动作的反馈控制。 现阶段对于颞下颌关节紊乱综合症引起的开口受限的康复训练,大都利用插入手指或弹性咬合板进行被动开颌。此类方法可操作性差,一是对理疗师的要求比较高,理疗师对治疗过程需有足够的经验,避免用力过猛造成损伤,或用力过轻达不到锻炼效果;二是需要保证持续性锻炼,完成所需周期及单次训练时间,否则无法渐进的增大张口的程度,并不利于物理疗程的实施。 为了解决此类问题,世界范围内用于口腔肌肉锻炼的仪器却较为少见,康复训练对于恢复下颚运动功能障碍、开口受限在理论和临床上都获得肯定,对用于开颌运动的康复训练仪器的研究和开发也势在必行。 二、技术原理及性能指标 根据下颚运动模型设计机器人机构,本课题创新性的提出采用最小最大优化算法和遗传算法,并辅以下颚瞬时中心点轨迹作为约束进行优化计算得到最优杆件长度,以保证人体佩戴外骨骼机器人进行康复训练时,机器人带动人体下颚的运动轨迹与人体下颚本身的运动轨迹一致,从而确保人体下颚在被动运动时不会受到来自机器人方面施加力的伤害。 机构设计阶段,除了保证人体下颚的运动轨迹需与人体下颚本身的运动轨迹一致以外,还需要保证人体下颚不受到驱动力传递到下颚的各个部位的力不至于伤害到下颚及相关软组织。本课题对人体下颚与头盖骨中间所附的软组织建立了生物力学模型,在外骨骼驱动人体下颚的状态下,将外骨骼与人体下颚看作一体,观察外骨骼驱动力对下颚软组织的压力情况,进行人机交互生物力学验证。 本课题中所研发的下颚外骨骼装置拟采用层次化多种可选控制模式,上层控制方式有三种,即预设、自适应及sEMG肌电信号控制,底层全部采用位置反馈控制算法。其中,预设和自适应控制完全模拟人体下颚的自主运动方式,预设模块包含多种康复运动疗程,自适应控制器将CPG神经控制元用于可穿戴辅助设备中,根据下颚多点力反馈自适应选取下一个运动周期的康复疗程,并使校正后的人体运动更符合原本的自主运动模式。 三、技术的创造性和先进性 1.设计并制造了三版外骨骼机器人。 2.设计并制造了用于咀嚼肌sEMG表面肌电信号测量并采集的生物信号采集卡。sEMG采集卡将采集得到的信号首先经过前级放大,然后经过滤波消除工频噪声和高低频噪声,再经过后级放大和累加,得到输出后可以直接由ADC进行转换的模拟电压量。 3.采用了模糊算法实现柔顺控制。 四、技术的成熟程度,适用范围和安全性 本课题中涉及的技术通过合理配置可以通用性的用于以下机器人应用范例中： 1.人体sEMG信号采集与应用; 2.外骨骼动力控制; 3.服务类机器人关节驱动器。 五、应用情况及存在的问题 目前所研发产品处于实验阶段,存在的问题如sEMG信号稳定性差,会造成系统启动相应暂时失效,这是由于皮肤的清洁度等因素会影响sEMG信号的获取;另外本课题研发的外骨骼装置的安装位置在头部附近,考虑到空间和人体头部所承受的重量,将外骨骼安装在肩部,整体由肩部承重,或外骨骼安装在头盔上,由头部承重,但这两种都有相应的缺陷。工业设计人员提出使用分布式承重固定带将外骨骼系统固定与人体下颚附近,为下个阶段的测试重点。 六、历年获奖情况 2017年芜湖市第六届大学生专利创新创业大赛,《用于下颚治疗装置上的左右运动机构》,二等奖; 2017年全国三维数字化创新设计大赛安徽省赛区,《模拟下颚仿真运动医疗设备》,特等奖; 2017年全国3D大赛10周年精英联赛安徽省赛区,《模拟下颚运动医疗设备》,特等奖; 2017年大学生国家级创新创业训练计划立项,《下颚外骨骼康复机器人》,项目编号201713613114。