一種用于機(jī)器人經(jīng)顱磁刺激的安全人機(jī)交互的并聯(lián)機(jī)器人評(píng)估與比較方法

1.研究背景

經(jīng)顱磁刺激（TMS）是一種非侵入性的方法來改變大腦神經(jīng)元的行為，為了達(dá)到一致的效果，需要將線圈的位置保持在目標(biāo)位置的幾毫米以內(nèi)，但自然的頭部搖擺和執(zhí)業(yè)醫(yī)生的疲勞可能會(huì)阻礙這一點(diǎn)。串行機(jī)器人目前主要用于輔助TMS應(yīng)用，然而，它們較低的硬度限制了性能，由于安全原因它們的高移動(dòng)重量限制了運(yùn)行速度。

由于6-DOF并聯(lián)機(jī)器人結(jié)合了高硬度和低運(yùn)動(dòng)重量，它們有潛力在活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)TMS所需的快速、安全和準(zhǔn)確定位。

2.研究過程

機(jī)器人在每個(gè)姿態(tài)下的安全性可以通過五個(gè)機(jī)器人安全指標(biāo)（RSI）來量化：電機(jī)的最大速度、電機(jī)的最大加速度、電機(jī)的最大扭矩、允許的電機(jī)誤差和雅可比矩陣的狀態(tài)數(shù)，這五種測(cè)量指標(biāo)一起給出了末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)能量，電機(jī)功率和工作空間內(nèi)的精度的指示。

將機(jī)器人安全指標(biāo)法應(yīng)用于三種并聯(lián)機(jī)器人概念的評(píng)價(jià)和比較，分別為帶旋轉(zhuǎn)頭的Delta機(jī)器人、Hexlide機(jī)器人和Hexa機(jī)器人，其中Hexa機(jī)器人顯示出了安全特性。

圖2. 電機(jī)的受力圖，圖中的X軸和Y軸表示工作空間切片中的位置。在一般化的力圖的顏色是歸一化的最大電機(jī)力的三個(gè)執(zhí)行器具有相似的電機(jī)功率。白盒子內(nèi)的空間代表了所需電機(jī)功率最小的工作空間

在跑步機(jī)上行走等活動(dòng)中應(yīng)用經(jīng)顱磁刺激，就需要機(jī)器人引導(dǎo)的經(jīng)顱磁刺激。為此，本文提出了一種評(píng)估和比較并聯(lián)機(jī)器人安全人機(jī)交互的方法。該方法將電機(jī)速度、電機(jī)加速度、電機(jī)扭矩和工作空間精度作為機(jī)器人工作空間安全和質(zhì)量的衡量指標(biāo)，將該方法應(yīng)用于Delta機(jī)器人、Hexlide機(jī)器人和Hexa機(jī)器人的評(píng)價(jià)與比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Hexa操作器是最合適的，同時(shí)也是三者中最安全的人機(jī)交互的方案。這是因?yàn)閯?dòng)能和所需的電機(jī)扭矩比其他概念低，并且在所需的工作空間中沒有發(fā)現(xiàn)奇異。

在建立動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)Hexa操作器的四個(gè)控制器進(jìn)行了評(píng)價(jià)，該控制器采用簡(jiǎn)單的PID控制與雅可比矩陣相結(jié)合，前反饋和彈簧力控制在運(yùn)動(dòng)模式類似的頭部搖擺行走中提供了足夠好的表現(xiàn)。因此仿真結(jié)果表明，該機(jī)器人的位姿精度足以滿足TMS刺激。

4.參考文獻(xiàn)及DOI號(hào)

de Jong, J. J., Stienen, A. H., van der Wijk, V., Wessels, M., & van der Kooij, H. (2012, June). A method for evaluation and comparison of parallel robots for safe human interaction, applied to robotic TMS. In 2012 4th IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob) (pp. 986-991). IEEE.

Doi: 10.1109/BioRob.2012.6290815