一种用于机器人经颅磁刺激的安全人机交互的并联机器人评估与比较方法
1.研究背景
经颅磁刺激（TMS）是一种非侵入性的方法来改变大脑神经元的行为，为了达到一致的效果，需要将线圈的位置保持在目标位置的几毫米以内，但自然的头部摇摆和执业医生的疲劳可能会阻碍这一点。串行机器人目前主要用于辅助TMS应用，然而，它们较低的硬度限制了性能，由于安全原因它们的高移动重量限制了运行速度。
由于6-DOF并联机器人结合了高硬度和低运动重量，它们有潜力在活动中实现TMS所需的快速、安全和准确定位。
2.研究过程
机器人在每个姿态下的安全性可以通过五个机器人安全指标（RSI）来量化：电机的最大速度、电机的最大加速度、电机的最大扭矩、允许的电机误差和雅可比矩阵的状态数，这五种测量指标一起给出了末端执行器的运动学能量，电机功率和工作空间内的精度的指示。
将机器人安全指标法应用于三种并联机器人概念的评价和比较，分别为带旋转头的Delta机器人、Hexlide机器人和Hexa机器人，其中Hexa机器人显示出了安全特性。
图1. 三种六自由度机械手概念。左:带旋转头的Delta机器人(FANUC M-3iA/6A)。右上:hexlide (IWF, ETH, Zurich)，右下角:Hexa运动平台(Servos & simulation Inc. 710-7)
图2. 电机的受力图，图中的X轴和Y轴表示工作空间切片中的位置。在一般化的力图的颜色是归一化的最大电机力的三个执行器具有相似的电机功率。白盒子内的空间代表了所需电机功率最小的工作空间
由模型不确定性和力摄动（例如颅骨接触力的变化）引起的扰动将被并联机器人的非线性运动学和动力学行为放大。传统的控制器策略，如反馈线性化和柔顺控制，使用联合空间动态模型来计算所需的电机转矩。对于一些并联机器人，这些关节间距模型是不可用的，而对于其他的需要很高的计算能力，因此需要使用其他策略，四个控制器被引入来补偿这些干扰，并允许足够的响应时间。
图3. 对控制器轨迹进行的评估，四个控制器的归一化误差以及所产生的弹簧力
3.结论
在跑步机上行走等活动中应用经颅磁刺激，就需要机器人引导的经颅磁刺激。为此，本文提出了一种评估和比较并联机器人安全人机交互的方法。该方法将电机速度、电机加速度、电机扭矩和工作空间精度作为机器人工作空间安全和质量的衡量指标，将该方法应用于Delta机器人、Hexlide机器人和Hexa机器人的评价与比较，结果发现Hexa操作器是最合适的，同时也是三者中最安全的人机交互的方案。这是因为动能和所需的电机扭矩比其他概念低，并且在所需的工作空间中没有发现奇异。
在建立动力学模型的基础上，对Hexa操作器的四个控制器进行了评价，该控制器采用简单的PID控制与雅可比矩阵相结合，前反馈和弹簧力控制在运动模式类似的头部摇摆行走中提供了足够好的表现。因此仿真结果表明，该机器人的位姿精度足以满足TMS刺激。
4.参考文献及DOI号
de Jong, J. J., Stienen, A. H., van der Wijk, V., Wessels, M., & van der Kooij, H. (2012, June). A method for evaluation and comparison of parallel robots for safe human interaction, applied to robotic TMS. In 2012 4th IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob) (pp. 986-991). IEEE.
Doi: 10.1109/BioRob.2012.6290815
