脑机接口标准路线图 | 第五辑:末端执行器:执行器和反馈装置(下)

标准路线图

BMI-standard

“脑机接口神经技术组织”是由 IEEE(电气与电子工程师协会)于 2017 年 5 月发起的一项标准化行业连接(Standards Industry Connection)建议,它通过成立该组织来推进脑机接口行业标准化活动。

该组织聚集了来自神经科学家、研究机构和政府机构的利益相关者,致力于解决脑机接口领域现有标准中的差异问题,以及提高研究者对该领域标准化重要性的认识。

《标准路线图:脑机接口的神经技术》正是这个小组的一份产出。它概述了脑机接口神经技术领域现有、及正在制定的标准。除了回顾最新的标准化工作外,本文档还报告了通过与社区成员进行的在线调查收集的对标准化工作的意见,并就标准化的具体内容的优先级提出了一些建议。

接下来的一段时间,我们会与大家分享该文档的节选。

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End-effectors: Actuators

and feedback devices

标准化的现状

国际假肢和矫形器学会为假肢和矫形师的标准术语(如关于外骨骼和假肢相关的医学术语)制定了综合词典。

关于可穿戴机器人标准,ISO/TC 299 机器人工作组正在制定一个标准,题为“医疗电气设备——第 2-78 部分:医疗机器人用于康复、评估、补偿或缓解的基本安全和基本性能的特殊要求”(IEC/DIS 80601- 2-78)。本标准包含该研究报告中提到的许多末端执行器,包括外骨骼和假肢等。

此外,IEEE 机器人与自动化协会也正在开发可穿戴机器人的标准,它们的重点是用于非医疗应用的设备,比如军事、建筑和工业方面的设备。欧盟资助的主要关注双足机器(外骨骼、假肢和类人机器人)的项目EUROBENCH 于 2018 年 1 月启动,旨在开发机器人基准测试框架。

另一项受欧盟资助的组织提出:“包容的机器人,更好的社会”,意图建立一个多学科社区,致力于关于交互式机器人的研究和创新范式。它本身并不意味着标准化工作,但 Cybathlon 2016 可以比较多种类型的机器人末端执行器的性能。

除了上述一些装置外,参与者使用的假肢还包括既不是商业化的的也不是在已发表的文献中讨论过的装置。比如在下肢假肢中,从执行器的角度来看,部分设备并非机器人主动设备。许多设备,包括 Ottobock 的 Genium X3 和 Ossur Rheo Knee,可以主动监测步态周期以改变膝关节的阻力特性;但是,它们不会通过驱动(例如,电动机、气动人造肌肉)主动推动用户完成步态周期。

脑机接口标准路线图 | 第五辑:末端执行器:执行器和反馈装置(下) 第1张

部分相关标准一览

关于标准优先级的建议

以下术语在作为脑机接口控制的末端执行器时暂时还没有明确的定义,研究报告关于如何定义给出了建议:

主动/被动

在脑机接口控制的机器人末端执行器的范畴中,主动系统指代使用脑机接口系统的控制命令来操纵末端执行器的系统,它们通常通过机电驱动(机器人)、虚拟环境的数字操纵 (VR/AR) 或电刺激 (FES) 来工作。

连续控制

如果用户可以在一个时间周期内通过神经活动在相关时间周期中的变化来主动控制末端执行器的输出,则可以说脑机接口控制的系统表现出了连续控制的特性。

在假肢和外骨骼控制的范畴中,连续控制通常被称为比例控制(proportional control

)。但研究报告不建议使用这种描述,因为容易和常见的控制理论中的“比例控制”混淆(指代控制器输出与误差信号成比例)。脑机接口能控制的输出包括物理或虚拟空间中的末端执行器位置、速度、加速度、力、电流等。

状态控制

与连续控制相比,状态控制描述了用户通过调节其神经活动来控制有限数量的离散末端执行器状态的能力。

状态控制的示例包括启动和停止控制、假肢中各种手部位置的控制、轮椅的左右控制等。为了防止和现代数字控制系统混淆,应避免使用术语“数字控制”。

零状态位置(Position-zero)

末端执行器在初始静止状态下的位置。虽然起始状态的准确定义取决于特定的末端执行器配置,但在建立标准时可以通过提供末端执行器坐标,来正确地转换脑机接口的输出,得到末端执行器正确的的执行。

如今已经存在的相关标准与当前的末端执行器技术之间仍然存在差距。

运动功能的既定定义和分类

末端执行器在设计时可以假设多种物理配置,具体取决于设备的设计用途,比如拟人化设备经常试图复制或增强一种人类运动功能。因此,在考虑设备的规定用途时,应该设计功能分类以提供标准化语言。

例如,抓握模式是一组独特的手部姿势,允许手部操纵不同的物体。在比较机器人手可以执行何种程度的抓取模式时,如何定义“抓取模式”非常重要。这可以从医学和解剖学文献中迁移,但研究者应该考虑到机器人系统的影响。

运动功能与自由度的降低

为了降低复杂性和成本,拟人化末端执行器通常相较于人体拥有更少的自由度。比如用弯曲的固体材料替换手指关节,以及机械耦合手指的内收和屈曲。

为了便于促进设备功能的控制研究者应明确定义这些方案。

与假肢的标准化数据通信

这是一种协议,允许系统提取大脑的运动意图来指挥末端执行器。“即插即用”模型应该允许用户在交换相似的末端执行器后也能达到相同的行为目的。

共享控制协议和人工控制覆盖

脑机接口的作用是根据用户意图和神经调制向末端执行器提供离散或连续的命令。在设备内,动力末端执行器依靠内在反馈来调整控制参数(例如阻抗),并根据某些参考值(例如步态期间的关节角度)调节关节或执行器的状态。因此,脑机接口控制的末端执行器采用共享控制范例,其中用户意图引导末端执行器,而内部控制算法用于实现对设备的控制。因此,需要通过风险评估确定共享控制自治的程度,以允许在不安全条件下进行人工干预。

皮肤和软组织保护

在使用外骨骼期间报告的不良反应事件中,皮肤和软组织破裂是最常见的损伤类型。

临床医生参考了许多肌肉骨骼损伤的管理技术 ,但目前还不存在在使用辅助装置(例如,外骨骼、动力假体)期间预防此类损伤的具体指南。由于皮肤问题可能会阻止符合条件的个人使用脑机接口产品,制定预防措施迫在眉睫。

跌倒的预防和缓解

跌倒对残障人士构成重大风险,并可能导致进一步的伤害、功能障碍、残疾甚至死亡。虽然研究结果通常表明在使用特定设备期间跌倒的风险很低,但跌倒的风险不容忽视,所有脑机接口控制的末端执行器都应规范跌倒的预防和管理。

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