运动自适应上肢智能外骨骼机器人的概念

2014-10-9 13:49:40 | 原作者:admin

      

    外骨骼机器人是指具有类人形结构,可供人体穿戴的一类机械设备,利用位置、力 / 力矩和生物等传感设备感知外骨骼机器人和穿戴者的运动、生理等信息,根据设定的目标功能对信息进行综合、决策,通过人机物理接触界面向穿 戴者传递所需的作用力和位移。本文研究的运动自适应上肢外骨骼机器人主要针对康复训练领域,其运动自适应特性可以从两方面进行阐述:

1) 运动自适应物理交互物理交互的运动自适应特性是指外骨骼机器人引导肢体运动时,其机械旋转中心/ 转轴在运动过程中能够自主适应人体生理旋转中心/旋转轴的空间位置变化,两者始终保持重合,由此外骨骼机器人和人体形成的人机闭式运动链具有良好的运动学相容性,实现 作用力和位移可控的人机物理接触界面。 

    外骨骼机器人与穿戴者之间通常被认为是刚性联接, 即人机物理接触界面不会发生相 对滑移,两者在运动过程中具有完全一致的运动形式。在运动康复领域,外骨骼机器人的 使用对象为脑卒中患者。由于神经损伤和肌肉萎缩等因素,患者生理关节浮动不稳固,容 易发生脱位等非自主运动,并且对外力引起的疼痛感非常敏感。虽然刚性联接形成的可 靠、稳定的人机物理接触界面能够精确地传递运动和作用力,保障运动康复训练的顺利进行,但是随之而来的问题是外骨骼机器人和人 体所形成的的闭式运动链存在超静定Hyperstaticity

    当外骨骼机器人和人体的关节旋转中心在运动过程中出现偏差时,外骨骼机器人运动链和人体手臂运动链不能保持完全一致,受限于人机物理接触界面的刚性联接而出现不可控接触力,可能超过脑卒中患者能够承受的范围, 同时导致外骨骼机器人和人体的运动也无法得到有效控制,无法满足运动康复训练安全性 和舒适性等要求,如下图所示


   为了实现刚性联接的人机物理接触界面同时避免不相容的人机闭式运动链, 外骨骼机 器人在运动过程中需要完全匹配人体关节生理运动, 即外骨骼机器人和人体的关节旋转中/旋转轴始终保持重合。传统的外骨骼机器人普遍采用简化的单自 由度铰链关节或者三 自由度球窝关节来近似模拟人体生理关节。这类机械关节简单、易于实现和进行 控制,但是难以完整、准确地复现极其复杂的人体关节生理运动。以肩部复合关节为例, 其中的盂肱关节在肱部上扬时会引起肩胛骨联动, 导致盂肱关节旋转中心位置发生改变 如下图所示。如果采用传统的三自由球窝关节来模拟盂肱关节,始终固定的机械关节 旋转中心不能跟随生理关节旋转中心的位置变化, 从而在人机物理接触界面产生不可控接 触力,降低穿戴舒适性,影响康复训练效果,甚至危及患者人身安全。 


    因此,运动自适应的物理交互是在充分分析、综合人体关节生理运动机理的基础上, 通过对外骨骼机器人机械关节进行优化设计实现的, 能够较好地解决人机闭式运动链的超静定问题。


    2)运动自适应感知交互 感知交互的运动自适应特性是指在运动康复训练过程中,外骨骼机器人运用位移、力
/力矩和生物等传感设备检测脑卒中患者肢体异常运动模式,与健康肢体正常运动模式进 行对比并输出位移或者力 /力矩矫正量至人机物理接触界面引导患者适应正常运动模式,同时正常运动模式中各运动基本单元(如关节角度或角速度)相互关联,相互影响,相互 适应,协同完成运动康复训练。 从上述定义可知,实现运动自适应感知交互的前提就是获取肢体正常协同运动模式。 肢体运动是一个融合神经、肌肉、骨骼等要素的复杂生理过程,如下图所示。


    中枢神经系统( Central Nervous System, CNS)产生神经电信号,经过外围神经系统( Peripheral Nervous System, PNS)传导至上下肢肌肉,刺激其收缩或者伸展,从而带动骨骼产生围绕 关节的转动运动。所以肢体运动模式可以从三个层次进行描述:中枢神经信号,肌肉刺激反应和骨骼运动形式。中枢神经信号和肌肉刺激反应是较深层次的运动模式,能够从本质上说明肢体运动来源,但是信号获取难度较大,成本也较高。本文从人体行为科学的角度 出发,采用更加直观和容易检测的骨骼运动形式,即关节运动学信息(角度和角速度),来描述生理运动模式。肢体正常运动模式是针对具体任务而言的,即不同任务具有不同的运动模式。基于任务的运动康复训练方式能够增加患者训练的兴趣和乐趣,更加有效地刺 激中枢神经系统,加快运动模式重建,已经成为脑卒中康复训练常用方法


    人体运动是一个复杂的生理信号传导过程,涉及到的神经和肌肉数量极其庞大。中枢 神经系统如何准确无误地同时控制大量神经和肌肉一直是充满争议的研究热点。现阶段被普遍接受的一个观点是中枢神经系统中存在一个模式发生器( Central Pattern Generator,根据具体运动任务产生协同的肢体运动神经信号传递到肌肉执行器而产生多关节协同运动。早在 20 世纪 60 年代,Bernstein 就指出人类肢体运动时其基本运动原( Motor Primitive)相互协同,遵守一定准则以共同完成指定的任务。维基百科对 协同的定义是一个系统内各基本单元相互作用,和各单元单独作用之和相比会产生不同甚 至更好的效果。与之类似,生理运动学的协同指作为基本单元的各个肌肉或者关节相互合作产生新的运动模式。协同作用可以很直观地用下图表示,采用三自由度平面连杆机构画一段圆弧,A1-A4 表示每个运动阶段只能旋转单一关节,B1-B4表示整个运动过程三个关节同时参与运动,可见只有三个关节协同运动才能完成该任务。



    因此,运动自适应的感知交互的目标是根据具体任务下的正常协同运动模式纠正脑卒 中患者的异常运动模式,使患者逐步适应正常运动模式,运动模式中的基本单元(关节角 度或角速度)之间相互适应,相互影响,在完成具体任务的前提下不断强化正常协同运动模式。
    (严华)




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