机器人辅助起坐过程中的人机交互

《Scientific Reports》：Human-machine interaction during robotic-assisted sit-to-stand

　　

摘要

从坐姿站起是日常生活中常见但需要一定力学支撑的动作。运动功能受损的人往往难以独立完成这一动作。机器人设备可以帮助他们练习这一动作，提供机械辅助并支持大量针对性重复训练。由于我们对机器人在辅助坐立转换过程中在神经和肌肉层面上的作用机制了解有限，因此难以开发出能够灵活响应需求的坐立辅助装置。本研究比较了自主完成与机器人辅助下的坐立转换过程，分析了同步的运动学数据、肌电图数据以及脑电图数据。10名神经功能正常的参与者（3名男性）首先尝试独立完成坐立转换，随后在机器人辅助的步态训练设备的帮助下再次尝试。运动学数据通过三维动作捕捉系统记录，肌电图则从双侧股外侧肌、股二头肌、胫前肌及腓肠肌采集；脑电图则是通过感官运动皮层区域的8个双极电极记录的。分析结果显示，借助机器人辅助的坐立转换所需时间明显长于自主完成的情况（中位数差异为4.5秒；p=0.038），其中屈曲阶段的时间延长了3秒，不过其变化幅度较大（p=0.064）。肌电图数据显示，在大多数肌肉群及坐立转换的各个阶段，机器人辅助时的下肢肌肉活动程度都有所下降，唯有腓肠肌的峰值活动强度相比自主训练时有所上升（左侧：q=0.032；右侧：q=0.040）。脑电图则显示两种坐立状态下的大脑皮层活动存在差异，尤其是在自主坐立时出现的特定ERSP波形在机器人辅助条件下要么不存在，要么不规律。其中alpha波段和beta波段在中央电极处以及动作完成后站立阶段的差异最为明显。本研究发现，借助外骨骼辅助完成该动作所需时间更长，肌肉激活程度趋于下降，同时大脑皮层的运动意图与执行模式也发生了变化。这些结果表明，机器人辅助可能会影响与运动学习相关的神经和肌肉活动，这也凸显了开发更能适应个体需求、具备更强响应能力的辅助装置的重要性。这些研究结果可为未来脑机接口康复系统的设计提供参考，表明这类系统可能需要与使用者共同训练，才能准确识别大脑皮层的活动模式。