换一批基于力跟踪的上肢康复机器人系统中视觉与触觉反馈融合技术研究
Visual and Haptic Feedback Fusion Based on Force Tracking in Upper-limb Rehabilitation Robot System
摘要目的 针对现有上肢康复训练系统提供视觉和触觉反馈无法关联的问题,本文以自主研发的末端牵引式上肢康复机器人为基础,研究基于力跟踪的视觉与触觉反馈融合技术及其对于上肢训练的效果.方法 在虚拟环境中构建力学模型的基础上,本文设计两种与视觉反馈融合的触觉反馈,分别为两物体间靠近时的排斥力以及物体在介质平面移动时的摩擦力,进而采用基于力跟踪的机器人控制算法将虚拟环境中构建的力反馈通过操纵杆传递给用户.招募8例健康受试者,分别在有无反馈融合模式下进行对照训练.在训练过程中采集受试者与系统的实际和期望力反馈,以及三角肌前束、三角肌后束、肱二头肌和肱三头肌的表面肌电信号.计算有反馈融合模式下期望与实际力反馈之间的均方根误差,用于表征基于力跟踪的多感觉反馈融合效果.计算两种模式下的肌电积分值(iEMG)和单位时间内肌电幅值(EMG/T)以探究融合反馈技术对上肢运动训练的影响.结果 在有反馈融合模式下,实际与期望交互力反馈的均方根误差为(0.757±0.171)N;肱二头肌、肱三头肌、三角肌前束和后束的iEMG均显著大于无反馈融合模式下(|t|>7.965,P<0.001);前三块肌肉的EMG/T显著大于无反馈融合模式下(|t|>6.363,P<0.001).结论 设计的上肢康复机器人训练系统可以精确地将虚拟环境中构建的力反馈传递给用户,通过视觉与触觉融合增加机器人系统对于训练者外周神经功能的刺激,促使训练者付出更多的努力.基于力跟踪的视觉与触觉反馈融合技术的优势在于可以在虚拟环境中自由构建力学模型,力反馈模式不受空间位置的限制,且可以在同一位置叠加两种以上的力学模型,从而使力反馈效果与虚拟环境中的视觉反馈更加匹配,激发训练者的运动康复兴趣,增强人机交互体验感.
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