基于情绪感知的运动康复机器人交互控制方法研究

Rehabilitation robot cooperative control method based on human-robot interaction has becoming a research hotspot in robot-aided neurorehabilitation area. A certain limitation still exists in the current interactive control between stroke patient and rehabilitation robot, in which the interaction is mainly based on patient's active movement participation while not considering the patient's active psychology participation. From active psychology participation in motor rehabilitation training perspective, research on interactive control method for motor rehabilitation robot is carried out based on frustration, excitement and boredom target emotion states perception. The proposal mainly covers the following elements: (1) Studying stroke patient's target emotion physiological response in robot-aided rehabilitation, and obtaining physiological signal features and their combinations reflecting target emotion changes; (2) Studying physiological features selection and emotion recognition algorithms, and modeling stroke patient's three target emotion in robot-aided rehabilitation; (3) Studying human-robot interaction control method based on target emotion recognition, and developing robot-aided rehabilitation controller using hybrid control theory. Constructing experimental platform and verifying clinical rehabilitation effectiveness. The execution of this project will help to improve and perfect the rehabilitation training technical level, and provide theoretical and technical support for human-robot harmonious interaction cooperation.

基于人机交互的康复机器人协作控制方法近年来已成为国内外康复机器人领域的一个研究热点。现有的患者与康复机器人之间的交互控制主要以感知患者主动"运动"参与为主，未能考虑患者"心理"层次主动参与，具有一定的局限。本项目拟从患者主动"心理"参与康复训练角度出发，以挫败、兴奋及厌烦为目标情绪状态，开展基于情绪感知的运动康复机器人交互控制方法研究，具体包括：(1) 研究机器人辅助康复训练过程中患者目标情绪生理响应，得到能反应目标情绪变化的生理信号重要特征及其组合；(2) 研究生理特征选择和情绪识别算法，建立机器人辅助康复训练过程中患者目标情绪状态模型；(3) 研究基于目标情绪识别的人机交互控制方法，应用混杂理论设计机器人辅助康复交互控制器，搭建实验平台，验证临床康复效果。本项目研究成果将进一步完善和提高人机协作康复训练技术水平，为实现患者与康复机器人之间和谐交互协作提供理论依据和技术支撑。

康复机器人是近年来发展起来的一种新的运动神经康复诊疗技术，在机器人辅助康复治疗过程中，如何使患者与康复机器人之间的交互，变得像传统康复治疗方法中患者与医师之间那样和谐自然，已成为近年来国内外康复机器人研究领域的一个目标热点。.现有患者与康复机器人之间的交互控制主要以感知患者主动“运动”参与为主，未能考虑患者“心理”层次主动参与，且人机交互控制方法未能同时将机器人连续变量运动控制与医师离散事件决策控制这种混杂特性融于统一框架内，具有一定的局限。针对上述问题，本项目从患者主动“心理”参与康复训练角度出发，以“挫败”、“兴奋”及“厌烦”为目标情绪状态，开展了基于情绪感知的运动康复机器人交互控制方法研究，具体包括：.(1) 研究了机器人辅助康复过程中患者目标情绪生理响应及性能数据特征。.运用美国Barrett 公司WAM柔顺机械臂和基于Linux系统开发的三维虚拟康复训练环境，构建了情绪生理测量实验系统；通过采集训练过程中受试者心电、皮电、呼吸、面部肌电(颧骨肌/皱眉肌)等生理参数及训练性能数据，运用多元方差及相关分析方法，分别研究了情绪生理响应及性能数据特征的显著性、差异性、相关性及一致性。.(2) 研究了机器人辅助康复过程中情绪生理响应及性能数据特征选择和识别算法；.根据情绪生理响应研究得到的具有统计意义的生理及性能数据特征，研究了特征选择及情绪分类算法，建立了机器人辅助康复过程中患者依赖与非依赖情绪模型，并深入研究了不同类型特征输入与交叉验证对情绪分类准确性的影响。 .(3) 研究了机器人辅助康复过程中基于情绪识别的人机交互控制方法；搭建了机器人辅助康复实验平台，验证了临床康复效果。.在准确识别患者目标情绪状态基础上，分析了基于情绪识别的机器人辅助康复训练系统所蕴含的连续变量受控过程与离散事件驱动控制相互作用特性，运用混杂控制理论设计了与患者情绪变化相一致机器人辅助康复交互控制器；选取了40例健康受试者与17例脑卒中患者作为受试对象，在基于Barrett 公司WAM柔顺机械臂构建的康复实验平台上，验证了基于情绪感知的机器人辅助运动康复临床实验效果。.本项目研究成果将进一步完善和提高人机协作康复训练技术水平，为实现患者与康复机器人之间和谐交互协作提供理论依据和技术支撑。