紧凑型桌面机器人彻底改变了物理治疗的实施

埃德·布朗

技术简介： 您是如何开始这个想法的？

哈比卜·拉赫曼教授： 它始于我们的互联系统研究所的一个项目，我们在该项目中研究了一台电机，制作其数字孪生，看看我们是否可以远程控制电机。我长期以来一直致力于康复机器人技术。我的研究方向是康复和辅助机器人。一组针对中风幸存者，另一组针对坐轮椅的人。在新冠疫情期间，帮助人们康复是一场艰苦的斗争。我一直在研究康复机器人——用机器人进行治疗。因此，我们当时正在考虑如何详细阐述我们的数字技术工作以及远程操作机器人的工作。因此，我们利用这个想法来看看是否可以使用机器人进行远程医疗。

当时面临很多挑战：机器人的平稳安全运行以及正确的数据传输。这与普通的工业机器人不同。我们需要实时看到机器人、看到患者并获得反馈。因此，我们开始构建自己的。

技术简介： 因此，在这个机器人手臂中，你必须改变张力。你是怎么做到的？

拉赫曼： 控制算法可以检测人类的运动意图。我们使用两种类型的传感器：一种是肌电图 (EMG)，另一种是力传感器。我们不经常使用肌电图——只是为了验证系统是否正常工作。

机械工程系教授兼主席哈比卜·拉赫曼 (Habib Rahman) 致力于测试 iTbot，这是一种便携式辅助机械臂，可以让中风患者足不出户即可接受物理治疗。拉赫曼正在开发的基于手臂的平台对患者和治疗师都有好处。 （特洛伊·福克斯摄）

技术简介： 你能告诉我肌电图有什么作用吗？

拉赫曼：一个 肌电图信号来自肌肉。因此，如果您尝试移动，我们就能知道它是如何运作的。我们得到一个基础电信号，然后当肌肉收缩时我们得到一个信号。

技术简介： EMG 信号是否可以非常准确地测量肌肉？

拉赫曼： 是的，如果这个人有适当的手臂运动。但是，对于中风患者来说，获得良好的信号却很困难。然而，如果我们为健康受试者放大这些信号，这是可以解决的。使用力传感器，如果您尝试移动，则意味着您正在激活肌肉，我们可以获得信号，这是生理学质量的衡量标准。有时，如果我不移动手臂，例如，即使我只是拿着哑铃，它仍然在使用肌肉，所以我们会收到肌电图信号。任何动作都会有肌肉信号。

技术简介： 肌电图不需要在手臂上扎针吗？

拉赫曼： 肌动图有两个版本；使用针头就是其中之一。但我们使用表面肌电图。它测量用粘合剂固定在皮肤上的两个电极之间的电位差。控制算法是这样的：如果一个人的手部动作良好，力传感器信号将占主导地位。

UWM 工程与应用科学学院开发的智能机械臂的概念在这里可见一斑。用户握住手臂并移动它以沿着左侧屏幕上的形状线条移动。上臂和肩膀上的传感器提供肌肉激活数据，这些数据被输入到数字双胞胎中，以便治疗师获得提供治疗所需的所有身体信息。 （视频由哈比卜·拉赫曼教授的实验室提供。）

技术简介： 力传感器在哪里？

拉赫曼： 它位于手腕手柄上，因此力传感器始终检测您的动作。根据对象的损伤情况，控制器可以适度调整辅助级别或使对象难以移动。如果你让它变得艰难，那就意味着你正在给予抵抗力并增强肌肉。有很多疗法，例如辅助疗法和抵抗疗法。根据患者的需求，我们可以对控制器进行编程，以提供帮助或阻力。

当您去看物理治疗师时，他们可能会要求您在他们施加阻力的同时用力。同样，机器人也会提供阻力——如果你试图推动它，它会变得有点困难。我们设定一个目标并让人们实现目标，但他们需要真正努力，这样他们的肌肉才能发挥作用。有时，当我们给他们一个目标时，如果人无法实现，机器人会帮助他们到达目标——这就是所谓的主动辅助治疗。

当有人中风时，神经网络的连接就会被破坏——这个人会忘记如何做小任务、精细运动技能，所以他们需要很多帮助。这需要大量的重复，机器人可以给他们做这些——设备轻轻地移动参与者的肢体，而无需参与者自己的努力——这被称为被动治疗。它可以无痛地伸展肌肉并强化正确的运动模式。一旦受试者开始获得真正的运动，我们就会给他们一些功能性任务，以便他们能够学习协调。

技术简介： 从技术上来说，如何调节张力？

拉赫曼： 我们有一个电机驱动器，可以根据力传感器信号或 EMG 信号调整电机电流，以改变电机的动作。

一名研究生使用机械臂进行治疗（右），而机械臂实时收集的数据显示在治疗师屏幕上的数字双胞胎上（左）。尽管照片显示他们一起在房间里，但当患者和手臂位于一个位置而治疗师和计算机位于不同位置时，相同的设置也会起作用。 （视频由哈比卜·拉赫曼教授的实验室提供。）

技术简介： 我读到有两种使用机器人的方式——远程或亲自使用，比如在治疗师的办公室。

拉赫曼： 它总是面对面的，但我们现在正在探索远程医疗。我们有不同版本的机器人。真的很小，可以去一个人家里。另一个版本可以去康复中心，在那里人们可以接受物理治疗来设定治疗目标。治疗师可以远程获取数据，并在需要时调整治疗方案，甚至远程控制机器人。

技术简介： 难道这不是必须由治疗师指导来决定多少是足够的，多少是太多吗？我的意思是，如果你不小心，你可能会伤害别人。

拉赫曼： 是的，我们正在与中风患者合作，获取数据。然而，一旦我们的人工智能完全开发出来，就需要更少的指导，但治疗师必须始终参与其中。我们将与许多中风患者合作，充分开发人工智能，使我们不需要太多的监督。然而，我们仍然需要治疗师来对机器人进行编程和监督。我们一直在招募受试者在控制器上工作。

技术简介： 在我看来，这因接受治疗的个人而异。所以，我不确定如果没有治疗师，即使有先进的人工智能，你也能说这个人需要这么大的力量。

拉赫曼： 当你给机器人接线时，有一个定律可以给你一个预动作，并检测你的疼痛期。一旦肌肉激活，疼痛就会增加，力传感器结果也会增加。这就是我们在实验阶段的工作方式。

技术简介： 这也是通过肌电图测量的吗？

拉赫曼： 是的，肌电图和力传感器，但由于我们正在开发该系统，我们正在与治疗师仔细检查以确定这种疼痛是否正常。然后我们将其输入到控制器中。

未来将会有成千上万的患者，每一位患者都是不同的。我们使用三个东西来测量无痛运动范围。肌电图传感器向我们显示活动水平，力传感器向我们显示阻力水平，我们正在使用摄像头，它可以通过面部表情检测疼痛。这不一定是100%正确的，因为我们还处于开发阶段，但我们的长期目标是建立一个需要最少监督的系统。

技术简介： 您正在创建数字孪生吗？

拉赫曼： 是的，治疗师没有真正的机器人，他们有它的复制品。您可以远程移动机器人并读取正在生成的数据。您可以看到关节角度移动了多少，机器人受到了多大的力。

数字孪生有两个目的。一是远程控制机器人。其次，当机器人移动时，它会发出反馈，以便我们可以看到它移动了多远。一旦对象尝试移动，我们就可以看到力的大小和方向、肌电图读数等。这是一种双向通信。

技术简介： 那么，您需要发射器和传感器吗？

拉赫曼： 是的，我们使用 Microsoft Azure 云服务。我们将信号发送到 Microsoft Azure 云，然后发送到患者的家中。如果他们在没有治疗师的情况下工作，数据将存储在云端，以便治疗师可以随时访问。

技术简介： 我听说您使用游戏。

拉赫曼： 研究表明，机器人疗法可以通过游戏提高我们的表现。这有科学背景，称为运动学习原理。在此基础上，我们为受试者提供特定任务的指导治疗方案。我们给他们适当的挑战，并收集有关他们进步程度的明确和隐含的反馈。

因此，游戏对此很有用。我们给病人一项任务，比如从一个点到另一个点。一旦他们到达那里，我们就会稍微远一点，以增加他们的运动范围，这对他们来说有点挑战。他们熟悉课程，并且确切地知道需要多长时间。有了游戏，就好像治疗师就在那里一样。我们在游戏中使用功能性任务——清洗、清理桌子、从一个地方拿勺子然后把它放在另一个地方。这些游戏是根据运动学习原理开发的，因此由于我们使用隐式和显式反馈，他们可以监控自己的进步。游戏也很吸引人。做重复性的任务可能会让人觉得有点无聊，但玩游戏确实能吸引人。提高你的分数可以激励你。我们小组一直在进行的研究表明，使用游戏可以产生更好的结果。

技术简介： 使用这个机器人而不是仅仅使用物理治疗师有什么优势？

拉赫曼： 他们相辅相成。我们的治疗师一直短缺，而且数量还在减少。他们可以把机器人交给病人，它可以24/7不知疲倦地工作。它允许一名治疗师在一天内看诊许多患者。机器人可以精确地完成 10 次重复操作，而无需坐在患者身边。

这是一个工具，就像我的医生给我一台血压机，他们可以在家监测我的血压，这样医生就不需要每天来检查我的血压。以类似的方式，这将有助于治疗师和患者。保险仅承保一年中有限次数的物理治疗就诊。然而，机器人将使患者能够无限期地遵循治疗师的指导。

技术简介： 展望未来，谁来支付机器费用？保险可以承保吗？

拉赫曼： 我确信保险会承保，因为现在保险承保连续被动运动 (CPM) 机器租赁协议，如果它们在医学上是合理的。但他们只是给你重复，没有别的。机器人让它变得聪明。因此，既然 CPM 机器被涵盖，我们预计机器人也将被涵盖，因为它就像 CPM 但具有高级功能。病人不必购买机器人；这只是租金。

技术简介： 您在将其商业化方面处于什么阶段？

拉赫曼： 我们现在正在对真正的中风患者进行实验。我去年创立了一家初创公司，现在我们正在与其他几个人合作，帮助我们将该设备商业化。还有一些事情需要完成。我们现在可以将它作为一个用于研究目的的机器人出售，但如果我们想在临床家庭环境中使用它，我们需要获得 FDA 的批准，这可能需要一到两年的时间。

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