用于同时控制自然自由度与额外自由度的混合运动学与肌肉零空间方法

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Hybrid Kinematic and Muscular Null Space for Simultaneous Control of Natural and Extra Degrees of Freedom

　　

摘要：

人类拥有的自由度远超过完成上肢任务所需，这就形成了一个可被利用的“身体零空间”，从而拓展自然的控制能力。先前的研究已证明，运动学零空间控制和肌肉零空间控制这两种方式都是可行的；然而，尚未在同一组受试者和同一任务中比较过它们的性能差异。此外，将这两种方法结合起来，用于灵活控制多余的自由度，这一可能性也尚未被探索。在本研究中，我们对比了运动学零空间控制和肌肉零空间控制，并探讨了一种混合控制方式——要么将两者结合来控制一个多余的自由度，要么分别使用它们同时控制两个多余的自由度。我们提出了一种新的运动学零空间和肌肉零空间提取方法，使得这两种方法能够在统一的控制框架内实现实时整合。16名受试者在虚拟现实环境中完成了伸手定位任务，需要控制虚拟椭圆光标的旋转，使其与具有不同方向的目标相匹配。任务的难度通过单轴旋转、双轴旋转以及无需旋转控制的基准条件来调节。受试者使用肌肉控制、运动学控制以及混合控制方式来完成该任务。结果表明，对于需要旋转的目标，肌肉控制的效果优于纯粹的运动学控制。混合控制方式相比运动学控制显著提升了性能，减少了性能下降的情况，同时支持单个多余自由度的联合控制以及两个多余自由度的同步控制。这些发现表明，混合零空间控制是一种强大且灵活的人类能力增强策略。