一种助力肌萎缩患者完成日常活动序列的辅助机器人

为助运动障碍者自主生活，研究人员开发辅助机器人 EDAN，经实验验证其可助患者完成日常任务。

　　在科技飞速发展的今天，人们对生活品质的追求越来越高。然而，对于那些因中风、脊髓损伤、神经肌肉疾病等导致永久运动障碍的患者来说，独立完成日常生活活动（Activities of Daily Living，ADL）却充满挑战，甚至成为一种奢望。他们往往不得不依赖护理人员的帮助，这不仅给患者自身带来心理压力，也加重了家庭和社会的负担。为了改变这一现状，让运动障碍患者能够重新获得生活的主动权，来自德国航空航天中心（DLR）机器人与机电一体化研究所的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们研发了一款名为 EDAN（EMG-controlled Daily AssistaNt）的高度集成辅助机器人，并通过案例研究验证了其有效性。相关研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。首先是基于表面肌电图（sEMG）的接口技术，该技术能够从患者残留的肌肉活动中提取 3D 连续控制指令，实现对机器人的精准控制。其次是共享控制模板（Shared Control Templates，SCTs）技术，它将用户命令映射到与任务相关的动作，并执行几何任务空间约束，简化了机器人控制流程。此外，全身控制（Whole Body Control，WBC）技术被集成到低级控制系统中，能根据任务的具体情况自动耦合轮椅和机械臂的自由度。

研究结果如下：

• 实验条件：共有三名参与者（P-A、P-B 和 P-C）参与实验，每人进行五到六次实验 sessions。实验中，EDAN 系统通过连续速度信号和二进制触发信号进行控制，参与者可使用机械头部开关切换控制设备，平板电脑上的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）能提供系统状态等信息。P-A 和 P-B 使用基于 sEMG 的接口，P-C 则使用 2-DoF 操纵杆与 sEMG 相结合的混合接口。
• EDAN 使参与者能够进行日常生活活动：在最后一次实验中，P-A 和 P-C 成功完成了一系列任务，如从抽屉中取出杯子、倒水并饮用。P-A 和 P-B 在第四次实验中完成了部分基于 SCT 的任务，P-A 在第六次实验中用 9 分 20 秒完成了整个任务序列，P-C 在第五次实验中用 7 分 48 秒完成。在 “倒水” 任务中，P-A 利用 SCT 的自由度探索了倒水方向；在 “喝水” 任务中，由于头部运动能力缺失，P-A 花费的时间比 P-C 长。
• EDAN 实现了日常生活中的移动性：P-C 还使用 EDAN 完成了开门、穿过门和打开冰箱等任务。在开门过程中，SCT 和 WBC 技术发挥了重要作用，帮助 P-C 顺利完成任务。

研究结论和讨论部分指出，EDAN 为肌萎缩患者提供了高度的可用性，通过不同的控制方案和基于 sEMG 的接口，使患者能够在有限的熟悉时间内完成复杂的日常任务序列。这一成果在辅助机器人领域具有重要意义，为运动障碍患者的独立生活带来了新的希望。然而，基于 sEMG 的接口在实际应用中仍面临一些问题，如手臂位置、电极定位、肌肉疲劳和非自愿肌肉收缩等因素会影响接口性能，未来需要通过在线自适应解码器或转移学习等技术来解决这些问题。同时，SCTs 目前的实现方式也存在一些局限性，如缺乏对运动学限制和环境约束的考虑，未来需要开发新的任务表示和对象跟踪方法，以提高系统的性能和适应性。

总的来说，这项研究为辅助机器人的发展提供了重要的参考，有望推动相关技术的进一步发展，为更多运动障碍患者带来福祉。