截瘫助行外骨骼机器人透明度设计及系统验证研究

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当前截瘫助行外骨骼机器人与穿戴者之间缺乏有效的沟通机制,无法满足在日常生活环境中人机协同行走时安全、高效、自然的重要需求。因此,截瘫穿戴者对外骨骼机器人的透明度提出了极高的要求。本文针对“如何提高外骨骼机器人的透明度,以增强人机协同安全性、高效性与自然性”这一科学问题,进行了截瘫助行外骨骼机器人的透明度设计及其评估方法研究,并在AIDER外骨骼机器人上进行了系统验证。主要贡献如下:针对目前穿戴者与外骨骼机器人之间缺乏高效沟通机制的问题,以及促进人机共享意识的紧迫需求,提出了系统的人机透明度框架。基于人机协同机制研究了人机行为信息传导通路并构建了透明度框架,重点针对外骨骼机器人透明度进行了表达方法设计。针对当前截瘫患者由于失去本体感觉从而无法感知人机行走状态的问题,提出了基于振动强度变化与振动位置变化两种触觉反馈方法以表达人机行走状态,并对两种方法进行了评估。研究结果表明,两种模式下受试者识别准确率与反应时间无显著性差异(>0.05),受试者对基于振动强度变化的触觉反馈模式的主观评价更高(<0.05)。针对穿戴者无法预测外骨骼机器人行为意图导致在人机行走任务中具有潜在的安全风险这一问题,提出了语音与乐音两种前馈交互方法以表达人机行为意图。研究了不同场景下基于语音与乐音交互方法的人机行为意图表达方式,并进行了评估。实验结果表明,两种方法的识别准确率与反应时间有显著性差异(<0.05),语音交互方法更适用于传递外骨骼机器人的行为意图。基于实际系统全方位、多方面评估了外骨骼机器人透明度设计的有效性与安全性,提出了从主观感受、行为特征、生理状态,和人机效能四个方面对透明度设计的评估方法。有效性及安全性验证结果表明:有透明度模式与无透明度模式相比,人机信任度有显著性提高(信任度量表评分有显著性差异,<0.05);受试者的行走姿势有显著改善(眼动注视区域分布概率有显著性差异,<0.05);Hb O浓度接近正常行走数据(>0.05);人机协同效率较无透明度模式有显著提升(<0.05)。综上,本文所研究的外骨骼机器人透明度设计解决了目前人机之间缺乏高效沟通机制的问题,增强了人机互理解及人机协同的安全性、高效性与自然性。
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