面向脊髓损伤患者的轮椅安装机械臂协同设计：一项纵向单案例研究

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：Co-design of a wheelchair-mounted robotic arm for functional autonomy: a Cybathlon case study in user-driven assistive robotics

　　

摘要

背景

轮椅安装机械臂可为上肢残疾者提供功能自主支持，但其长期可用性仍受限于将高维机器人控制与异质性运动能力、日常惯例和任务情境相匹配的困难。因此，参与式设计和以用户为中心的设计方法对辅助操作具有重要意义，前提是透明地报告其设计逻辑和局限性。

案例呈现

我们报告了一项纵向单案例协同设计研究，该研究涉及与一名32岁C5–C6脊髓损伤男性共同开发的轮椅安装机械臂，他在2024年赛博马拉松机器人臂（ROB）比赛筹备期间同时担任飞行员和协作者。从现成的机械臂（Kinova Gen3）开始，系统通过一年的每周任务试验、用户反馈、技术记录、视频回顾和团队复盘得到发展。

方法

本研究作为反思性系统开发案例研究呈现，而非受控疗效试验或正式定性分析。机械集成、界面布局和控制策略通过记录在案的决策链逐步调整，将观察到的交互故障与设计响应联系起来。事后分析了两项控制适应性改进：(1) 用于平移控制的手动操作界面，和 (2) 一种可调节的姿态耦合，称为"蛇模式"，旨在减少特定任务中的显式手动旋转指令。

结果

在选定的示例试验中，手动操作控制显示出与平板电脑摇杆输入相比更为连续的平移控制运动模式，而蛇模式在进食任务中减少了显式手动旋转指令。在赛博马拉松比赛中，最终系统实现了具有竞争力的任务表现和低故障率，同时保持了持续的飞行员控制。这些结果支持了协同设计系统在标准化基于活动的基准测试中的功能成熟度，但并未确立通用可用性或长期采用率。

结论

这项单案例研究表明，当控制分配明确匹配用户能力且辅助对操作员保持透明时，持续的协同设计可以支持稳健的辅助操作。在做出普遍性声明之前，需要进行涵盖标准化可用性、工作量和纵向家庭使用测量的更广泛的多用户研究。