机器人设计与控制中的人类行为分析

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受生物启发的机器人系统，旨在复制人类的机械、控制、感觉和驱动系统，特别是在人-机器人交互和合作领域，正在迅速发展。事实上，研究和复制人类行为可以为机器人和机械电子系统的发展提供新的见解，这些系统在医疗领域(康复、援助和外科手术)，更广泛地说，在合作机器人正在应用的所有应用领域。

在本期特刊中，我们将介绍机器人人类行为分析和建模的几个具有挑战性的方面，并特别关注一个关键方面，即如何将建模和分析转化为机器人设计和控制的具体指导方针。重点是观察和分析人类行为的新系统和方法，以及在为人机交互设计的机器人系统中复制这种行为的先进方法。特别地，这期特刊将提供证据，证明人类行为分析和人类灵感在以下领域的重要作用:机器人遥操作、用于假肢的机械手的设计和控制、为患者量身定制的康复协议的开发、辅助和康复设备(如下肢康复设备、外骨骼、头颈部定位设备)的设计和控制。

Rybarczyk等人的论文显示了人类对受生物启发的运动模式的控制相对于非受生物启发的控制的直观性。用户控制移动机器人的质量评估通过比较bioinspired运动模式的遥控控制的机器人速度设置根据三分之二力量并非法律,构成人类运动行为与手动驾驶模式下的速度和方向在哪里和用户的控制非生物启发转向模式，速度与方向线性设置。结果表明，在生物条件下，在完成路径所需的时间、与障碍物的碰撞次数和轨迹平滑度方面的性能明显优于其他两种条件。因此，在机器人上实现类人行为可以大大简化人类操作员控制它的能力。

Llop-Harillo等人提出了一个指标，通过比较假肢和人手的灵活性来评估截肢者的人工机械手的人类化程度。该指标是通过研究人类的抓取动作、人手的功能和机械手的组成而得出的。对13个假肢机械手进行了评估。将该指标与其他指标进行比较，结果表明该指标能够快速、恰当、有效地评价机械手的人格化程度。因此，它可以代表一个有用的工具，在手的设计阶段，最大限度地发挥手的功能。

Hu等人的论文提出了一种新的方法，使机器人能够更快地向人类学习。本研究采用日常物体运动任务的任务参数化模型示范结构的分层学习方法。该方法使用任务参数化高斯混合模型(TP-GMM)算法对不同模型中的演示集进行编码，每个模型对应于不同的任务。结果表明，与学习单一TP-GMM模型相比，该方法产生了更好的结果，并允许机器人将运动推广到未演示的运动。结果在仿真和实际硬件上都得到了验证。

Goffredo等人分析了68例脑卒中后患者在20次每日机器人辅助上肢康复过程中记录的运动学数据。采用平面末端执行器机器人，在不同方向变化的点对点轨迹执行过程中评估了电机性能。所获得的结果，在运动精度、运动、速度、峰值速度数量和任务完成时间方面，显示了运动性能的改善依赖于运动方向和运动损伤水平。他们的工作表明，在前5个阶段可以看到运动学数据的快速变化，可能最大的运动涉及肩膀和肘关节的屈伸。这概述了为病人量身定制康复方案的重要性。

Ramakrishnan等人对步态参数分析的传统方法进行了研究，以提供更全面和更广泛的步态视角。特别地，利用13个空间、时间和运动步态参数，建立了一种新的联合步态不对称度量(CGAM)。这项新指标用于评估康复治疗如何改变六名中风后患者的步态不对称。实验结果表明，所提出的cam度量有可能被用作导致步态不对称的损伤的定量度量，治疗后cam评分的降低意味着受试者步态改善。

Wang等人的工作探索了人类在地面上不同地面(即不同类型的路面)行走时的步态如何影响关节间协调(膝盖、脚踝和臀部、膝盖)，有或没有外骨骼。对8名健康受试者进行了实验测试，并对连续相对相(CRP)进行了分析，以检查一个步态周期中运动学的变化。所获得的结果显示，CRP与外骨骼是否使用无关，但取决于路面的抗压能力和不平整程度。CRP是一个很有前途的参数，用于优化设计外骨骼的运动恢复和移动在现实世界的环境。

Park等人研究楼梯行走时的步态，以改进步态训练机器人的设计。这项研究强调了走楼梯训练的重要性。通过分析楼梯的步态模式6健康受试者和使用结果,角轨迹,关节的活动范围,和关节相对位移,他们提取标准模式楼梯上升和下降的下肢康复机器人系统上应用的垂直运动踏板。由此产生的轨迹使自然的爬楼梯运动成为可能。

在Miyake等人的论文中，再次对人体步态进行了研究，以改进外骨骼设计和外骨骼中地面行走的控制。提出了一种基于径向基函数网络的步行足趾间隙预测方法，以降低绊倒风险。作者测量了11名受试者的髋关节、膝关节和踝关节(6名受试者的数据用于训练网络，5名受试者的数据用于测试方法)在摆动阶段开始时的几个参数。结果表明，该方法可以同时预测早期摆动阶段的最大趾间隙和后期摆动阶段的最小趾间隙。

最后，Zhang等人的论文探讨了人类头颈部运动学在关键癌症治疗中的应用。他们提出了一种新颖的设计，一种带有头颈部定位装置的质子重离子放射治疗椅。该设计基于姿态的运动学分析和人机工程学评估。提出的设计在12名健康受试者上进行了测试，获得的结果表明，提出的装置满足用户的头和颈部定位要求，证明以人为中心的设计是有用的。

的利益冲突

编辑们声明他们在发行这期特刊方面没有利益冲突。

致谢

我们要感谢所有的作者，是他们让这期特刊成为可能。

弗朗西斯卡Cordella
Loredana Zollo
米歇尔·j·约翰逊

版权

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