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

01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，為了達到一致的效果，需要將線圈的位置保持在目標位置的幾毫米以內(nèi)，但自然的頭部搖擺和執(zhí)業(yè)醫(yī)生的疲勞可能會阻礙這一點。串行機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重量限制了運行速度。

由于6-DOF并聯(lián)機器人結(jié)合了高硬度和低運動重量，它們有潛力在活動中實現(xiàn)TMS所需的快速、安全和準確定位。
 

02研究過程

機器人在每個姿態(tài)下的安全性可以通過五個機器人安全指標（RSI）來量化：電機的最大速度、電機的最大加速度、電機的最大扭矩、允許的電機誤差和雅可比矩陣的狀態(tài)數(shù)，這五種測量指標一起給出了末端執(zhí)行器的運動學(xué)能量，電機功率和工作空間內(nèi)的精度的指示。

將機器人安全指標法應(yīng)用于三種并聯(lián)機器人概念的評價和比較，分別為帶旋轉(zhuǎn)頭的Delta機器人、Hexlide機器人和Hexa機器人，其中Hexa機器人顯示出了最佳的安全特性。

圖1. 三種六自由度機械手概念。左:帶旋轉(zhuǎn)頭的Delta機器人(FANUC M-3iA/6A)。右上:hexlide (IWF, ETH, Zurich)，右下角:Hexa運動平臺(Servos & simulation Inc. 710-7)

圖2. 電機的受力圖，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力的三個執(zhí)行器具有相似的電機功率。白盒子內(nèi)的空間代表了所需電機功率最小的最佳工作空間

由模型不確定性和力攝動（例如顱骨接觸力的變化）引起的擾動將被并聯(lián)機器人的非線性運動學(xué)和動力學(xué)行為放大。傳統(tǒng)的控制器策略，如反饋線性化和柔順控制，使用聯(lián)合空間動態(tài)模型來計算所需的電機轉(zhuǎn)矩。對于一些并聯(lián)機器人，這些關(guān)節(jié)間距模型是不可用的，而對于其他的需要很高的計算能力，因此需要使用其他策略，四個控制器被引入來補償這些干擾，并允許足夠的響應(yīng)時間。

圖3. 對控制器軌跡進行的評估，四個控制器的歸一化誤差以及所產(chǎn)生的彈簧力
 

03結(jié)論

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

在建立動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對Hexa操作器的四個控制器進行了評價，該控制器采用簡單的PID控制與雅可比矩陣相結(jié)合，前反饋和彈簧力控制在運動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，該機器人的位姿精度足以滿足TMS刺激。
 

04參考文獻及DOI號

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