外骨骼的人體意圖識(shí)別方式

張宏林 巨永峰 楊銘源 趙彤

（1.西安思源學(xué)院工學(xué)院 陜西省西安市 710038 2.長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院 陜西省西安市 710064）

外骨骼（Exoskeleton）在生物學(xué)中是指昆蟲和甲殼類動(dòng)物的堅(jiān)硬外殼，在機(jī)器人領(lǐng)域外骨骼則特指模仿生物外骨骼而制成的穿戴于人身上的一種助力機(jī)械。外骨骼技術(shù)可以增強(qiáng)人體行動(dòng)能力，擴(kuò)充或增強(qiáng)一個(gè)人的生理機(jī)能，使人跑得更快、跳的更遠(yuǎn)，更強(qiáng)有力。這種輔助人運(yùn)動(dòng)的外骨骼動(dòng)力系統(tǒng)，與人的身體相捆綁，按照人的意圖行事，同時(shí)增強(qiáng)人的運(yùn)動(dòng)能力。在這種人機(jī)耦合的系統(tǒng)中，外骨骼作為一種特殊的機(jī)器人，需要通過傳感器收集人體的意圖，然后進(jìn)行機(jī)械反饋，放大人的運(yùn)動(dòng)能力。但是人體意圖的獲取則是外骨骼開發(fā)中最大的技術(shù)難點(diǎn)，也是困擾了科技界半個(gè)多世紀(jì)的技術(shù)難題。

1 人體意圖獲取方式的種類

與傳統(tǒng)意義上的機(jī)器人不同，外骨骼機(jī)器人需要與人體接觸，通過傳感器獲取人體意圖，進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)作為反饋。如何準(zhǔn)確收集人體的意圖，是外骨骼機(jī)器人研發(fā)的難點(diǎn)，盡管意圖識(shí)別技術(shù)種類繁多，但整體仍處于研發(fā)嘗試階段。

對(duì)于人體動(dòng)作意圖的獲取方式可分為： 腦電信號(hào)（Electroencephalography,EEG）、神經(jīng)信號(hào)、肌電信號(hào)（Electromyography,EMG）和壓力傳感信號(hào)。與人體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的生物電信號(hào)產(chǎn)生于運(yùn)動(dòng)發(fā)生之前，通過采集生物電信號(hào)并解碼，可以獲得信號(hào)與運(yùn)動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。腦電信號(hào)和肌電信號(hào)的采集是通過特制的傳感器，檢測(cè)腦在思索和肌肉緊張時(shí)發(fā)出的電流，利用電流數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)模型進(jìn)行意圖估計(jì)，具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。但因生物電流具有低頻、幅值微弱、信噪比低、易受外界環(huán)境的影響的特性，使得其在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)表現(xiàn)出較差的魯棒性。

2 通過腦電波獲取人體意圖

穿戴外骨骼人員可以直接從大腦發(fā)出控制指令，像控制自己身體一樣控制外骨骼，而自己的身體本身并不需要做出相應(yīng)動(dòng)作。這是通過腦電波獲取人體意圖的設(shè)想。

人體的運(yùn)動(dòng)是首先在大腦產(chǎn)生意識(shí)，然后在脊髓層產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的基本模式，反射神經(jīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行細(xì)化控制的過程[1]。人的運(yùn)動(dòng)意圖來自大腦皮層，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的最頂層也是大腦皮層。類似于中央模式生成器，大腦皮層既能調(diào)整脊髓，又能調(diào)整反射機(jī)制[2]。脊髓中樞神經(jīng)元接受大腦指令，產(chǎn)生基本的運(yùn)動(dòng)模式，神經(jīng)傳輸動(dòng)作指令到單個(gè)肌肉命其收縮，因而產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，這些肌肉與關(guān)節(jié)協(xié)同作用產(chǎn)生了我們看得見的運(yùn)動(dòng)。

同時(shí)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)與傳感神經(jīng)都能通過反射弧調(diào)整動(dòng)作姿態(tài)，這種調(diào)整既能提升運(yùn)動(dòng)效率，又能在突然遇到干擾時(shí)保持穩(wěn)定的姿態(tài)[3]。最后，所有這些肌肉和骨骼系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)信息又通過傳入神經(jīng)纖維傳輸至神經(jīng)中樞，形成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制，反饋并檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。

原理上通過腦機(jī)接口就可以獲取大腦最初始的全局的運(yùn)動(dòng)意圖。腦電信號(hào)是通過貼合在頭皮上的電極采集腦部的電波活動(dòng)，它反映的是由于大腦內(nèi)部神經(jīng)元之間的離子流動(dòng)造成的電壓波動(dòng)。大腦能整合視覺、觸覺系統(tǒng)的信息，在人行走過程中進(jìn)行全局性規(guī)劃、跨越障礙、危險(xiǎn)預(yù)判等復(fù)雜控制，并相應(yīng)地改變行走方向或更換運(yùn)動(dòng)模式。因此大腦在運(yùn)動(dòng)控制方面具有極大優(yōu)勢(shì)[4]。

雖然運(yùn)動(dòng)指令產(chǎn)生于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，但很難通過人的大腦皮層直接獲得人的運(yùn)動(dòng)意圖。在運(yùn)動(dòng)方面大腦主要發(fā)出的是模式切換指令，具體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作與平衡則是通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)與小腦配合來完成，因此很難通過大腦皮層的電信號(hào)獲取具體的肢體運(yùn)動(dòng)指令。

EEG 需要相關(guān)的腦部訓(xùn)練，同時(shí)需要很強(qiáng)的意識(shí)，集中注意力想著操控指令才能獲得較為明確的腦電信號(hào)，用來操控外骨骼。腦電信號(hào)的獲取是通過放置在顱骨上的傳感器，用戶需要戴一個(gè)充滿貼片的帽子。由于采用的是非植入式電極，從而導(dǎo)致電波的強(qiáng)度變化并且信號(hào)中可能含有大量噪聲。

大多數(shù)基于腦電信號(hào)的意圖識(shí)別只是以頻率表示腦電信號(hào)的特征。一個(gè)腦電信號(hào)的信息被劃分為不同的頻率范圍，特定的頻率范圍與特定的神經(jīng)元活動(dòng)相關(guān)聯(lián)。每一個(gè)頻率范圍對(duì)于特定的腦活動(dòng)具有不同的相關(guān)性等級(jí)。通過信號(hào)分解，瞬態(tài)特征可以被準(zhǔn)確地捕獲并且在相關(guān)頻率中定位。

但現(xiàn)有技術(shù)忽略了不同波段間的時(shí)序性信息，即不同頻率范圍之間隨時(shí)間變化的相關(guān)性，在意識(shí)識(shí)別中沒有被考慮進(jìn)來，這直接導(dǎo)致了意識(shí)行為識(shí)別的偏差。也就是說，腦電信號(hào)和多種不同意圖之間的相關(guān)性很難建模，致使多意圖識(shí)別的可靠性低。

同時(shí)，相同的意圖可以產(chǎn)生不同的腦電信號(hào)形狀，導(dǎo)致同類變異偏大，進(jìn)一步削弱了基于腦電信號(hào)的多意圖識(shí)別的性能，使腦電識(shí)別的實(shí)用性和安全性降低。受限于腦電信號(hào)的特性、機(jī)理和獲取方式，通過腦機(jī)接口很難實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地解讀腦電信號(hào)，獲得人的肢體運(yùn)動(dòng)意圖，因此在外骨骼制作方面，采用腦電獲取人體意圖方式的也比較少。

3 通過肌電獲取人體意圖

肌電信號(hào)是神經(jīng)元將信息傳輸?shù)较嚓P(guān)組織或器官時(shí)所激發(fā)的電位和，肌電信號(hào)載有人的行為信息，直接反應(yīng)人的意圖，通過解碼肌電信號(hào)可以識(shí)別人的行為。表面肌電蘊(yùn)含信息豐富，它比肢體運(yùn)動(dòng)一般超前30～150ms 產(chǎn)生，可以提供運(yùn)動(dòng)預(yù)判。表面肌電是由多個(gè)活躍運(yùn)動(dòng)單元發(fā)出的動(dòng)作電位序列沿肌纖維傳播，經(jīng)由脂肪和皮膚構(gòu)成的容積導(dǎo)體濾波后，皮膚表面呈現(xiàn)的電位在時(shí)間和空間上綜合疊加的結(jié)果[5]。由于受到肌肉阻抗、表皮毛發(fā)、皮膚汗液和外部電磁干擾等因素影響，穩(wěn)定采集肌電信號(hào)具有一定的難度。同時(shí)，不同的人肌電信號(hào)有所差異，同一個(gè)人在不同的身體狀況下肌電信號(hào)也會(huì)有所不同，這些情況更增加了肌電信號(hào)解讀的難度。

表面肌電的電極分為多極電極和高密度電極兩種，采集肌電信號(hào)前，清潔表面皮膚，選擇表面電極在肌肉上的放置點(diǎn)，表面電極捕獲的微弱電信號(hào)經(jīng)放大電路放大，再通過A/D 轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行去除噪聲或者偏置預(yù)處理后，作為識(shí)別運(yùn)動(dòng)意圖的輸入信號(hào)，其中特征提取和分類模型構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)肌電控制的最重要環(huán)節(jié)。

肌電信號(hào)是一種非平穩(wěn)的微電信號(hào)，其幅值在0.01～10mV之間，主要能量集中在頻率0～500Hz。肌電信號(hào)具有個(gè)體特異性，且會(huì)隨著人的體征變化，不同測(cè)試者會(huì)有不同的肌電變化，因此使用者本人應(yīng)參與系統(tǒng)應(yīng)用的前期訓(xùn)練。在分析肌電信號(hào)時(shí)，對(duì)肌電信號(hào)與動(dòng)作對(duì)應(yīng)關(guān)系的描述過于簡(jiǎn)單，無法準(zhǔn)確反應(yīng)動(dòng)作的力量、速度、姿態(tài)和何時(shí)停止等信息，因此肌電信號(hào)對(duì)動(dòng)作的識(shí)別并不是很精確的。目前，單一自由度動(dòng)作識(shí)別已獲得充分研究，對(duì)應(yīng)的動(dòng)作分類也能預(yù)測(cè)少數(shù)離散肢體動(dòng)作，卻無法完成類人的連續(xù)平滑運(yùn)動(dòng)。

精確估計(jì)人體連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀況是發(fā)揮機(jī)器人安全輔助功能的前提，由肌電信號(hào)中需要提取或估計(jì)出關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度、角速度、角加速度、關(guān)節(jié)力矩等連續(xù)量。由于肌肉內(nèi)部的電信號(hào)難以準(zhǔn)確測(cè)量，人體的運(yùn)動(dòng)又復(fù)雜多變，這些都造成連續(xù)運(yùn)動(dòng)建模的困難。常用兩類方法估計(jì)基于EMG 的關(guān)節(jié)連續(xù)運(yùn)動(dòng)，一種是參照肌肉生理力學(xué)建立的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型，該模型能夠解釋運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生過程；另一種方法是直接建立關(guān)聯(lián)EMG 和關(guān)節(jié)連續(xù)運(yùn)動(dòng)量的回歸模型，但模型對(duì)EMG 與關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量的非線性關(guān)系很難描述，無法完整描述其內(nèi)在生理-物理關(guān)系。

人體關(guān)節(jié)連續(xù)運(yùn)動(dòng)將成為肌電研究的新熱點(diǎn)，其中多自由度同步動(dòng)作或組合動(dòng)作模式識(shí)別的研究有望完整復(fù)現(xiàn)人體自然運(yùn)動(dòng)。

4 基于壓力傳感的交互控制方法

壓力傳感具體是操作者肢體與機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的相互作用力，可以使用力傳感器直接測(cè)量得出，包括力反饋、位置跟蹤等。這種控制方法控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，且具有較高的準(zhǔn)確性和全局性，同時(shí)物理傳感信號(hào)具有易獲取、可控、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)。這種基于壓力傳感的控制方法目前主要有力位混合控制和阻抗控制。

力位混合控制指壓力和位置的控制，就是將外骨骼助力機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)分為兩項(xiàng)：位置任務(wù)和力任務(wù)。外骨骼助力機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，需要完成力和位置兩項(xiàng)參數(shù)的跟蹤控制。

阻抗控制方法應(yīng)用目的是為了保證人穿戴并使用外骨骼時(shí)的舒適性。外骨骼機(jī)器人應(yīng)柔順于人的輸入運(yùn)動(dòng)且可為該運(yùn)動(dòng)助力，不能過度地阻礙操作者的運(yùn)動(dòng)，因此需要約束人機(jī)對(duì)抗力量的大小，為操作者提供一個(gè)輕松、安全的環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)外骨骼助力機(jī)器人的使用。

壓力傳感的方式存在必定遲滯的缺陷。物理傳感器測(cè)量的參數(shù)主要有角度/位置信號(hào)和觸力信號(hào)。檢測(cè)角度和位置的傳感器有：增量編碼器、角度傳感器、位移傳感器、姿態(tài)傳感器和加速度計(jì)等。檢測(cè)觸力的傳感器有：壓力傳感器、扭矩傳感器、觸覺傳感器、電子皮膚和電阻應(yīng)變式傳感器等。基于壓力傳感的電信號(hào)產(chǎn)生于人體運(yùn)動(dòng)過程中或人體運(yùn)動(dòng)完成之后，滯后于人體運(yùn)動(dòng)，很難應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)的提前預(yù)測(cè)。這時(shí)如采用外在動(dòng)力則比較危險(xiǎn)，因此只適合比較低端的廉價(jià)解決方案，或者用于采集人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，分析人體運(yùn)動(dòng)特征。

5 總結(jié)

以上是外骨骼信息獲取的三種主要方式。從穩(wěn)定性上來講，以測(cè)量肢體動(dòng)作作為控制信號(hào)的穩(wěn)定性大于用肌電作為控制信號(hào)穩(wěn)定性，而用肌電作為控制信號(hào)穩(wěn)定性大于用腦電作為控制信號(hào)穩(wěn)定性。而如果論響應(yīng)速度，則三者剛好相反。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到安全性因素，信號(hào)獲取優(yōu)先選用肢體動(dòng)作檢測(cè)，肌電和腦電則作為長(zhǎng)遠(yuǎn)研究的方向。