可穿戴机器人的研究现状和面临的挑战
2013-03-04王伟编译
王伟 编译
可穿戴机器人的研究现状和面临的挑战
王伟 编译
本文以基于外骨骼的研究进展和社会不断增长的需求为背景,阐述可穿戴机器人的研究现状以及具有代表性的传感器技术。同时,对使用特殊的基于跑步机平台的康复疗法和使用功能性电刺激疗法来完成运动修复的情况进行了回顾。最后讨论了可穿戴机器人在智能空间中集成方面的问题,并提出了一些重要的关键技术。
可穿戴机器人,下肢体骨骼,康复机器人
2000年,欧洲65岁以上老年人约有6000万(约占欧洲总人数16.4%)。随着寿命持续上升,出生率不断降低以及人口老龄化不断加快,预计到2050年,欧洲65岁以上人口将会增加到总人口的37%,这势必将会对辅助机器人的发展产生重大影响。然而,机器人已经快速从传统的工业应用领域扩大到人机交互领域,机器人已经变得更复杂、更智能。
穿戴机器人是一个基于人身体形状和功能所设计的机电一体化系统,结合了人外形上的一些部位和关节,可以被看作是一种补充、提高或者代替人类功能的技术。这款机器人的物理接口允许机械能的直接转换和信息交换,它可以在一个智能环境中与人进行亲密的工作、互动以及合作,已经应用在遥操作、人肌增强和康复方面,从而救助运动控制受损的人。
根据提供的服务不同,可穿戴机器人可分为上肢型、下肢型以及全身肢体型;依据服务功能的不同,可穿戴机器人可分为:
修复人的功能(矫正器)。矫正设备是一种用于稳固人类肢体、修复或者加强那些活动功能已经失去或者比较脆弱的人的外形机械设备。这类可穿戴机器人可以改善使用者肌肉虚弱、关节僵硬的情况,一个成功的矫正器不仅能够修复有缺陷的部位,实现同正常人一样的功能,而且还使穿戴者感觉舒适。
增强人的能力。这类可穿戴机器人能够让穿戴者更有力量,增强其负载能力,可以提高穿戴者的速度、体能以及忍耐力等等,还可以与穿戴者实现一些交互功能。
替代人的功能(假肢)。假肢是一种人造装置,被用来代替人体失去的部分,通常包括膝关节和髋关节。通过穿戴者的意愿,由不同类型的传感器提供电子和机械信息,使用者依靠电子机械传动器来控制假肢行为。
可穿戴机器人主要应用在康复领域,下肢辅助机器人研发始于20世纪60年代末。由于近5年来机器人外骨骼技术的迅速发展,下肢体矫形器的发展已经从复杂的机械结构演变成一款小型商业产品,其中结合了可穿戴式传感器的先进技术。例如,近几年来出现的微型生物传感器,如智能纺织衣,它能够通过监测心跳、测量体温等来评估身体状况。未来可穿戴机器人将利用健康管理系统来持续监测人体健康,一方面,这些智能设备用于实时监测和控制;另一方面,它们依靠其他人员(管理员、医生),通过高水平网络平台与外部环境保持联系。
1 外骨骼机器人技术
不像假肢那样只用最基本的设计代替人体的某些功能,外骨骼系统构成可穿戴机器人的一部分,并且被视为覆盖整个身体或者其中一部分的盔甲,旨在辅助以及改善已有的身体功能。外骨骼机器人被用在人体外部,以辅助肌肉、神经系统或者骨骼系统的运作。外骨骼机器人和人肢体间的认知交互作用构成信息交换,物理交互作用构成能量交换。
1.1 下肢体外骨骼技术
病人步态恢复的两个必要条件是:关节和控制的稳定性,最直接的解决方法就是使用矫形器。上个世纪七八十年代,截瘫患者开始使用矫形器,通过利用系统的机械结构,病人能够在一个被动的外骨骼支撑下直立行走,但这种矫形器需要上肢的帮助才能实现。1969年,贝尔格莱德学院Miomir Vukobratovic教授研发了第一款可以行走的运动外骨骼设备,它包括启动驱动和部分编写的运动学程序,可以产生拟人步态,该装置由严重残疾的人士进行过多次测试。1974年一款新型电力驱动的外骨骼机器人问世,这是电机第一次作为外骨骼机器人的驱动元件。当前,世界上有许多致力于辅助人类下肢体的外骨骼研究工作组,主要成就如下:
日本东京御茶水女子大学研发了一种基于直流电机使用双自由度(髋关节和膝关节)运动下肢体矫形器。该装置已经进行了T12级的评估,主体受伤级别有T5、T8、T11和T12。穿戴者的运动利用运动标识(基于摄像机的运动分析系统)进行分析。该装置的评测显示,所有主体均能正常行走而不会倒下,并且膝关节和髋关节促进器还能提高步伐速度和增加步伐长度。
日本东京大学研发了用于人类下肢体的、有着双关节肌肉功能的液压伺服系统的矫形器。这一设备不仅确保了使用者步伐训练舒适度,而且也不影响其正常的走路方式。
美国德拉瓦大学机械工程学院的研究人员研发了一款灵活的外驱动腿外骨骼的设备(ALEX)。这一设备被安装在膝关节和髋关节处,用来辅助穿戴者行走。该设备已经在健康人的部位测试过,成功地演示了在训练过程中通过选择控制病人的正常步伐而进行不同的行走。
英国索尔福德大学的研究人员发明了一种10自由度可活动下肢装置。为让下肢关节部位获得更好的灵活性和重复使用性,该装置选用气动人工肌肉提供动力。
伯克利下肢末端外骨骼(简称BLEEX)是由加利福利亚大学提出来的一项外骨骼技术。该设计旨在提高穿戴者力量和耐力方面的能力,而且可以允许穿戴者背部负重。BLEEX可以用于军队士兵、野地消防队员、救灾人员等,或者处理其他一些紧急情况。
1.2 单关节矫形器
1.2.1 膝关节矫形器
膝关节主要负责对人在行走、站立、下蹲等弯曲伸展运动过程中股骨和胫骨间角度变化的控制。在膝关节附近设计一个矫正装置尤其重要,这个关节一般用矢状平面内代表膝盖运动的单自由度模型来表示,它是身体保持稳定性和灵活、自然运动的关键因素。下面介绍一些膝关节矫形器的设计和膝关节运动控制方面的研究进展。
Yobotics公司由麻省理工实验室衍生发展而来,该公司已经发明了一种称为RoboKnee的可操纵下肢矫形装置。RoboKnee设计用来帮助大腿肌肉群(股四头肌和股后肌群)在人体站立、行走、攀爬等运动时膝关节的弯曲和伸展。
瑞士洛桑大学为膝关节弯曲伸展发明了一种自动膝盖矫形模型。刺激股四头肌肌肉以运动学功能和动力学参数闭环控制来实现。膝关节的转矩和角位移进行实时计算,膝盖矫形器的运动依靠电机来保证实现。该项研究已经被引入健康学科和下肢及全身瘫痪学科。
Fleischer和Hommel发明了一种动力矫形器,当人体进行一般运动(站立、行走、攀爬等)时,在膝盖关节弯曲和伸展过程中,用来辅助大腿肌肉运动,通过评估电信号,引导矫正装置。
日本东北大学机器人技术和机电一体化实验室的研究人员发明了一种膝盖矫正装置,该装置带有双电流变流体制动器,可以水平支撑膝盖、实时测量膝关节扭矩以及抵挡人体膝盖平均扭矩的25%。
为了降低对大腿肌肉的过度使用,密歇根大学的研究人员发明了一种灵活的护具。这种护具在平行于膝盖的部分添加了一根牵引弹簧,目的在于兼容外骨骼机器人,从而辅助人类实现奔跑运动。
1.2.2 踝足矫形器
踝足矫形器是一种单关节矫正装置,用来辅助和支撑踝关节的运动,它在人类行走过程中起着重要作用。在进行足康复运动时,它也被用来固定踝关节。第一个踝足矫形器出现在20世纪60年代,以下介绍世界上已经出现的一些新颖的机械矫形装置。种矫形器采用气动人造肌肉来支撑人在行走时的踝背屈和跖屈。
Sawicki和Ferris发明了一种轻巧型踝足矫形器,这
Norris等人已经发明了一种关节驱动矫形器,通过气动人工肌肉在踝关节处提供额外运动。这项研究旨在探索如何用一种简单的控制算法来增强推力和改变运动与稳态下新陈代谢的消耗。
Blaya和Herry已经发明了一种解决足下垂问题的阻抗可变踝足矫形器。该方案基于通过人的步行周期来控制矫形关节阻抗。他们已经证实,相比配备没有刚化或者不断刚化的关节控制的踝足矫形器,变阻抗矫形装置更具备临床优势。
1.3 全外骨骼
全外骨骼主要关注扩充和增强穿戴者的力量来提升其能力,面临的挑战是:与环境的最小交互、动力的挑战、便携性、反馈控制方案等。
1.3.1 XOS
XOS外骨骼系统是Steve Jacobsen博士历经7年研发出来的产品,代表了机械外骨骼领域最尖端的技术, XOS项目由美国国防部高级研究计划局(DARPA)提供了1000万美元经费予以支持。XOS旨在让穿戴者在负重的情况下,用最小的外力来提高速度、体能和忍耐力, XOS重约70kg,包含有30个自由度,一系列多轴力矩传感器安装在穿戴者脚、手和躯干部分与机器之间。穿戴者和外骨骼之间有相互力作用,使穿戴者能够自如地控制外骨骼的运动。
1.3.2 HAL-5
日本筑波大学研制的HAL-5外骨骼机器人不像美国XOS那么粗犷,身上出现的梦幻蓝色光圈让人穿起来更像超级英雄。HAL-5重约23kg,下体重约15kg,可以应用于医学康复和物理训练,也可以应用于工厂辅助繁重的劳动和灾难中辅助营救等。HAL-5采用电动马达,依靠对运动倾向和运动结果的探测来进行控制,还添加了生物电感应器,用基于来自大脑到肌肉的神经信号的侦测和处理来评估人的运动倾向,借以作出判断并执行相应的动作。
1.3.3 动力辅助服
日本神奈川理工大学研发的动力辅助服,可以用来帮助护士抱起病人。辅助服重约30kg,大概花十分钟就可穿好,包括配备有袖带式气动旋转驱动器和具备改善肌肉强度的含传感器的肩膀、胳膊、腰和腿。气动旋转驱动器结构简单、重量轻、反应灵敏。肌肉传感器可以测出肌肉在驱动肘、腕、腰和膝关节运动时的外力大小。该动力辅助服已经应用于人体工程,帮助使用者实现胳膊上下运动和负重运动。
1.3.4 可穿戴农业机器人
东京农业技术大学发明了一款可穿戴农业机器人套装,主要用在帮助一些年老的务农人员。该套装的关节运动依靠装在肩、腕、腰和膝关节处的超声波马达来驱动。这些马达能够帮助穿戴者向上举起约20kg的重物。通过声控命令,该机器人可以实现从简单到复杂不同层次的操作。该机器人未来将不断小型化,由目前的26kg降低到约10kg。
1.3.5 肌肉机器人套装
日本小林实验室(Kobalab)的Kobayashi博士发明了一款可穿戴肌肉机器人套装,通过气动驱动,能使工人更加容易的举起和搬运重物,可以应用在康复训练和帮助体力劳动者。这款肌肉机器人套装由人造肌肉组成,通过直接来自压缩机的空气压力来控制肌肉的紧缩和伸展。该套装仅重8kg,并且使用4自由度肩膀和三个正交轴旋转,每根轴可以产生45N•m的力矩。
2 可穿戴机器人的传感器技术
目前,可穿戴机器人相关技术发展迅速,驱动和能源方面存在很多挑战,自然人机交互(机械驱动)和认知人机交互(反馈测量、控制)的安全性也被严格要求,这也影响了可穿戴机器人的最小化和便携性。
传感器在监控、测试和下肢运动的控制方面起着重要的作用,他们主要包括运动学(角度位置、速度和加速度)、动力学(肌肉活动)、力以及力矩传感器。
2.1 运动测量与运动跟踪
穿戴者身体的运动学测量(位置、速度和加速度)和运动跟踪可以用不同的传感器实现,以下是用于跟踪和记录下肢运动的主要元器件。
电测角计是一种用于测量关节角位置工具。它基本包括一个电位计和两个转臂,关节的中心位置应该与两个互联臂的电位计中心相匹配,关节的旋转在计算之后作为电位计变化的一个函数。电测角计的缺点是电位计刻度要求十分精确,由电测角计传送的角度位置信息需要建立和测试不同的控制方案。
使用陀螺仪确定肢体运动的方向和角速度,还可以用来测量旋转的人体运动而不受重力的影响,并对角位移进行单一集成。
基于视频的动作捕捉系统是使用固定在重要关节处的被动标记点来记录穿戴者的运动,这些重要的关节部位包括:肩、肘、臀、膝盖和踝。运动学数据由给出的样本采样获得。这种运动分析系统主要使用在康复领域。
2.2 生物电活动传感器
当处理可穿戴机器人应用时,主要使用肌电图记录。肌电图主要测量肌肉在收缩时的肌肉活动,并通过表面电极进行记录。肌电图可以被用来确定肌肉是否参与运动。例如,肌肉产生的力,通过对位于大腿部位肌肉(屈肌和伸肌)运动测量的肌电图信号确定,并构成一个反馈系统的一部分。这些传感器的主要缺点是它们对电极位置非常敏感,会引起错误判断。
2.3 力和压力传感器
力和压力传感器通常用来实现阻抗反馈控制。力矩传感器可以用来测量使用者的腿和外骨骼间相互作用,压力传感器用于大腿支撑处对肌肉运动的测量,这个压力信号被认为是与膝关节角度成正比的,他们也被用于测量鞋底面的反作用力。其他使用在外骨骼上的力和压力传感器用来确定受力、拉力、压力和加速度。
3 可穿戴机器人康复辅助装置和技术
这里主要介绍两种有代表性的康复技术与装置,一种是基于跑步机平台的特殊电动装置,一种是用于运动恢复的功能性电刺激疗法的康复技术。
3.1 基于跑步机的装置
在脊髓遭受损伤的截瘫病人康复的方法中,特殊的康复治疗机器人平台(基于跑步机的装置)是常见的使用疗法。该装置一边部分支撑病人的重量,一边产生对称的和周期性的步态模式,其目的是提高病人的行走能力。测试表明,这种康复机器人平台的使用对于病人有着潜在的益处。最初,通过两个物理治疗师负责训练病人操纵下肢运动,这种操控需要很大的力量,很难实现。这是因为:首先需要三个操作者(两个物理治疗师和一个监督者),康复过程复杂麻烦;其次是安全性问题:病人下肢不稳定时会感到不安。如今,有一款机器人治疗平台已经商业化(Lokomat-Hocoma),它的移动方式较以前的产品更加精准,且仅仅需要一个人来监督操控。
3.2 功能性电刺激疗法和控制
功能性电刺激疗法被用于刺激损伤情况下的瘫痪肌肉,但需要面临的一个问题是:当运用功能性电刺激疗法治疗时,应避免超刺激,尽可能延迟肌肉的疲劳。在起身、站立和行走等运动中,治疗方法要确定选择合适的刺激模式。
使用功能性电刺激疗法的控制方案有两种,即开环和闭环。开环控制相对简单,广泛应用于临床,但没有考虑在疲劳、负载变化的情形下肌肉表现的改变。开环控制下最佳刺激模式的综合利用是非常重要的,它考虑了生理肌肉性能和与环境间的交互作用。另一方面,由于多个参数的不确定以及对肌肉收缩现象缺乏经验,闭环控制方案很少应用于临床。
开环刺激系统可以关注一项由Rabishong教授牵头的欧洲工程SUAW(站立和行走),其目的是通过刺激病变下的肌肉来修复截瘫病人的站立状态和走动状态,植入物依靠与植入电线相连的电极和接收极连接肌肉,采用射频连接的方式,由能量和必要的数据生成刺激序列。1999年和2000年分别有两位病人进行了该项移植,他们中的一位在开环控制方案下已经可以站立和走动。
4 可穿戴机器人与智能空间
可穿戴机器人可以被看作是一种同其他分布在环境中的智能器件互操作的智能装置,并且穿在身上可以为穿戴者提供辅助服务。处于不同环境下(如从椅子上站立起来、行走、握重物上/下楼梯、康复训练等),可穿戴机器人可以结合周围环境提供的辅助,能够进行持续的监测和援助。
可穿戴机器人提供情境感知辅助服务是智能环境领域所面临的主要技术挑战之一。从控制的观点看,可穿戴机器人的控制参数需要根据使用者的环境进行调整,环境中的信息服务形态涉及到穿戴者的情绪和精神状态,由生物电信号获得的肌肉活动(EMG等)和其他的生理学参数(心率、血压、体温、呼吸等)。
可穿戴机器人与穿戴者之间交互面临的最大挑战是环境的建模和穿戴者意向的交流,如何确保穿戴者和智能空间之间交互的灵活性和可靠性?即使传感技术已经变得越来越普及和可靠,但是来自不同环境下感知数据的翻译依然是一项复杂的难题。
网络通信的应用促进了可穿戴机器人的发展,第一,机器人不同部位(驱动器、传感器、控制器等)之间相互联系的控制系统和监控系统的模块化和分布式结构,使用总线拓扑的多路有线网络等,让可穿戴机器人系统安全响应更快,如CAN和LIN技术。
第二,利用无线技术(无线传感器网络、无线人体局域网、无线移动网络等),由可穿戴机器人、环境和穿戴者之间建立网络实现控制。韩国KAIST研发了智能可爱家(ISH),建立友好型家庭辅助环境,通过不断检查居住者的行为和健康状况来考虑他们的生活特点,智能机器人可以灵活地提供最合适的和个性化的服务。
5 可穿戴机器人面临的挑战
可穿戴机器人和驱动型外骨骼不再是一种科幻,这个领域正吸引着越来越多的人,商业机器人外骨骼产品将有望在数年内面世。
日常生活中残疾人或者老年人能力的改善是设计外骨骼应考虑的关键问题。因此,外骨骼的改进要与对生理现象更好地理解紧密联系起来。
运动矫形器的发展面临两大主要挑战:减少穿戴者新陈代谢能量消耗和外骨骼驱动能量需求最小化。这些问题的解决对外骨骼的改进有重要意义,尤其是在低负载和高效率方面。
能量来源的开发问题也是所有驱动装置普遍面对的问题。这项因素既影响设备的便携性,还影响到装置的设计。这个难题已经促使了很多研究者去寻找新的、创新的、基于动力学和复杂的反馈控制等解决方案。
虽然下肢矫形器的发展已经取得比较大的进步,但是一系列挑战性的问题仍然需要得到解决。
安全性 。因为很多试验都是在室内而且有操作者参与的情况下完成的,所以,到目前为止,还没有一个可行有效的标准来衡量使用者与辅助装置间交互的安全性。在使用辅助装置过程中,全程符合适用于残疾人和老年人的标准化的安全规范是很重要的。为了满足安全性和可靠性的严格要求,可穿戴机器人应该整合冗余的机电系统装置,附加的安全约束也应该考虑,比如限制能量的输出、操作的速度以及使用机械手臂的驱动等。此外,控制系统必须对所有的力和力矩进行探测和控制。
可接受性和可用性。许多训练周期必须按照穿戴者的个体情况制定,这是因为每个人适应装置的能力都有所不同。就控制矫形装置而言,机电系统界面应该简单、直观,装置必须舒适、无声和易接受。任何辅助技术设计必须考虑最终使用者的需求、愿望以及能力,最终使用者以及其他的辅助技术人员可以帮助研究者分析当前的情况和未来的发展方式。
穿戴者和装置间的交互。穿戴者在感觉安全和舒适的情况下,穿戴设备的适应能力也会更好。为了维持穿戴者运动的自然性,矫形器装置的控制应该建立在生理信号的基础上。但是,肌肉驱动和机器人关节的力之间复杂的交互过程,为穿戴者学习这种非自然的交互增加了困难。
用于持续监测和健康管理控制的高水平网络结构与装置间的交互作用。如前所述,目前智能空间中可穿戴机器人的使用仍然存在一些挑战,例如:如何将机器人单元集成进入到智能空间网络中,使得网络可以监测和持续辅助穿戴者适应日常生活的不同环境?如何依靠整合如倾向、情感、精神状态、肌肉活动、生理信号、位置、活动类型等来模拟以及开发穿戴者的环境?
能量存储系统对于可穿戴设备的便携性来说至关重要。由于需要相对高的效能和效率,电池、燃料单元和混合动力是目前可穿戴机器人最普遍使用的能量源,其他类型的驱动也有使用,比如超声波马达或者气动人工肌肉。
(本文译自2012年《先进机器人技术》)