专栏名称: 机器人大讲堂

机器人大讲堂是立德共创服务平台旗下引领行业发展的新媒体平台，已举办多种形式系列活动近百场，行业媒体矩阵垂直粉丝20万余人；立德研究院承接智库咨询和科研项目；立德孵化基于顶尖专家优势形成早期高技术成果产业化。

仅通过头部便可控制机器人实现生活自理！四肢瘫患者福音真的来了？

机器人大讲堂 · 公众号 · · 2024-03-06 12:10

正文

运动功能障碍对个体执行基本日常生活活动（如沐浴、更衣、用餐）以及进行工具性日常生活活动（包括娱乐和社交互动）造成了显著影响， 不仅限制了他们的活动范围，而且削弱了他们维持独立生活的基础。受此类障碍困扰的人士往往依赖护理人员提供日常照料，这无疑对他们的生活品质和个人自主权构成了严重损害。

在美国，要运动障碍影响了很大一部分人。据统计，大约500万美国人，也就是总人口的1.7%，因患有神经退行性疾病、中风、肌肉萎缩或脊髓伤害而遭受不同程度的瘫痪。他们在运动能力方面出现障碍，多数人四肢无法活动，仅能移动头部和颈部。

对于那些四肢瘫痪或手部活动受限的人士，能够帮助他们进行日常生活和非基本生活活动（ADL/iADL）的技术，将会极大地改善他们的生活。

▍头戴式辅助远程操作接口HAT

此前，有不少研究团队已经提出了利用远程操控的移动机械手，以协助运动障碍人士完成个人护理和家务活动。然而，这些系统的远程操作界面大多要求用户具备一定的功能性手部运动能力，或依赖基于屏幕的网络界面，需要用户借助头部或其他辅助设备，通过对光标的精确控制实现与界面上的按钮的交互。这种交互方式对于运动障碍人士来说是一个不小的挑战。

面对这一问题，来自卡内基梅隆大学的 Akhil Padmanabha、Janavi Gupta、Zackory Erickson、Jehan Yang、Douglas J. Weber、Carmel Majidi，携手来自Hello Robot Inc的Vy Nguyen以及来自清华大学的陈晨等研究人员组成研究团队，对 头戴式控制界面进行了深入研究，尝试解决其可能存在局限性。

研究团队中的成员Akhil Padmanabha此前参与开发了惯性测量单元（IMU）基础上的接口——HAT（头戴式辅助远程操作） ，该接口具备嵌入至各类头戴服饰如棒球帽中的灵活性。同时，作为直接远程操控接口，HAT能够实现头部倾斜角度与高自由度移动机械手动作的映射，为行动受限的个体提供了一种相较于传统网络界面更为有效的交互方式。

然而，对于HAT使用效果的评估，是在受控实验室环境下进行，且为主要针对健全人群的两小时短期研究， 研究团队基于该项目已有基础，对HAT进行了深入研究，以考察其在真实世界环境中对于四肢瘫痪患者的长期应用潜力。

▍引入共享策略，真实环境应用评估性能

在最新研究中，研究团队对基于惯性测量单元（IMU）的头戴式辅助远程操作界面HAT进行了创新性改进——开发了驾驶员辅助功能。 这一共享控制策略显著减少了使用者在执行任务时的时间消耗和所需工作量，同时确保了用户保持对系统的精确控制。

左： Henry 戴着嵌入 HAT 接口的下巴带。右： HAT 蓝牙通信适配器和泡沫插入物，所有电子设备均已贴上标签。

在对四肢瘫痪志愿者Henry Evans进行为期七天的家庭案例研究后，研究团队对HAT界面在真实家庭环境中的性能进行了深入评估。 通过揭示其最新的应用成果，研究团队证实了改良版HAT界面的高度可定制性和广泛的适应性。它不仅能与不同障碍程度的用户实现无缝配合，还能应对各种环境和情境的挑战，展现出了卓越的灵活性和实用性。

HAT界面的具体性能如何？接下来和机器人大讲堂一起来通过研究团队公布的应用成果进行详细了解~

志愿者Henry Evans是一位经历四肢瘫痪且无法言语的人士。他采用头戴式辅助界面HAT来操控移动操纵器。

首张图片向大家提供了该系统集成的概览： 它精准捕捉Henry头部的方向和角度，并通过蓝牙技术实时传输数据至一台配套的笔记本电脑。随后，笔记本电脑处理这些信息，计算出操纵器执行器的速度，并通过WiFi将指令传达给机器人。同时，Henry通过一个插入笔记本的答题器，便捷地在HAT系统的不同模式和操作状态间切换。

第二张和第三张图片记录了研究中Henry完成特定任务的瞬间。 在第二张图片中，可以看到Henry利用HAT界面巧妙地将毯子下移至膝盖。而在第三张图片中，他正使用HAT抓起一张纸巾擦拭面部，之后熟练地将纸巾丢弃进垃圾桶。这些场景生动展示了HAT界面在实际应用中的灵活性和对用户生活的积极影响。

除了上述操作外，Henry在为期七天的实验测试中还完成了一系列设定任务和开放性尝试。 他反复执行了包括整理毯子和纸巾、处理垃圾、抓痒、进餐、清理用过的毛巾以及获取红牛饮料等固定任务。同时，他也尝试了如抓起巾纸擦拭桌子、控制光标进行视频搜索等更为开放式的任务。这些活动不仅可以验证了HAT界面在完成日常生活动作中的实用性，也可以展示了其在适应不同任务需求时的灵活性。

实验结果揭示了显著的进步，证明了HAT界面在实际应用中的高效性。

在连续七天的测试期间，研究团队记录了对于日常任务 ——如毯子、纸巾和垃圾处理——的完成时间有了显著下降，从第一天至第七天减少了47%（7分46秒）。针对特定动作的精准性也有所提高，例如抓痒任务的完成时间在一周内缩短了40%（3分32秒）。喂养任务的效率亦提升了20%（1分50秒），清除脏毛巾任务的时间降低了45%（3分35秒）。

此外，驾驶员辅助功能的引入令HAT在获取红牛任务中取得了惊人的成效，将任务完成时间削减了70%（7分45秒），并且在NASA TLX工作负荷指数上得到了更低的评分，这意味着用户体验到了更少的压力和工作负荷。

值得注意的是，尽管任务执行时间大幅减少，参与者Henry依然报告说在使用驾驶员辅助功能时，他感觉自己仍然完全掌控着任务执行，这从李克特量表上的中位数回答“5”（代表“非常同意”）可以看出。 这些发现不仅证实了HAT界面的高度可定制性和通用性，还展示了其在提升用户生活质量方面的巨大潜力。

在开放性尝试任务中， Henry使用HAT界面抓起巾纸擦拭桌子的动作总共耗时5分46秒，而打开冰箱的整个过程则耗时9分18秒。此外，研究团队还对HAT界面控制计算机光标进行视频搜索的能力进行了评估，从而测试了它对不同物理设备（如计算机光标）的适用性。

Henry指出，与他目前使用的头部跟踪器相比，HAT的操作精确度“非常接近”，并且具有优势，因为它不需要频繁的校准。 这些反馈表明了HAT界面在多样化的应用情境中的广泛潜力，以及其提升用户操作便捷性和生活质量的显著能力。

参考文章：

https://arxiv.org/pdf/2312.15071.pdf

如需咨询企业合作事宜，欢迎联系堂博士(13810423387，手机与微信同号)进行对接。

----------------END----------------

工业机器人企业

服务与特种机器人企业

医疗机器人企业

人形机器人企业

核心零部件企业

仅通过头部便可控制机器人实现生活自理！四肢瘫患者福音真的来了？

正文

请到「今天看啥」查看全文