面向肩袖康复的生物力学感知机器人轨迹优化方法BATON

《IEEE Transactions on Robotics》：Biomechanics-Aware Trajectory Optimization for Online Navigation During Robotic Physiotherapy

　　

摘要：

机器人设备为辅助物理治疗和康复动作提供了巨大机遇，然而当前的机器人辅助方法难以纳入安全有效治疗所必需的生物力学指标。我们提出了BATON（一种面向肩袖康复的、具有生物力学感知能力的轨迹优化方法），用于在线导航人体肌肉骨骼负荷的机器人系统。BATON将高保真度的OpenSim人体肩部模型嵌入最优控制框架中，生成应变最小化轨迹，以实时控制治疗动作。其核心优势在于，能够基于机器人感知的运动与力信息，在线自适应调整具有生物力学指导的轨迹，以应对人机物理交互过程中不可预测的自主动作或反射反应。BATON的自适应能力得益于一种实时基于模型的估计器，该估计器通过由机器人姿态和力/力矩传感器数据驱动的快速冗余求解器，推断肌肉活动的变化。我们通过人机物理交互实验对BATON进行了验证，重点进行了定性分析、鲁棒性验证和用户研究。