智能机器人Exosuit可同时满足步行与跑步的辅助需求 | 智能技术

发布日期:2019-08-30 10:00
一双合身的短裤可能看起来不像好莱坞电影的高科技人工智能机器人外骨骼。但是这个看似简单的装置,每一步都会拉扯穿着者的腿部,可能代表了第一款能够在行走和跑步中显着帮助人类的外骨骼。



直到最近Exosuit成功地减少了人类两种类型的运动所需的能量。早期的这类套装,也称为可穿戴式人工智能机器人,由于行走与跑步所需的不同生物力学动作,因此无法应对这一挑战。现在,研究人员开发了一种软装置,可以自动检测佩戴者是走路还是跑步,并为这两种运动提供适当的帮助。

“佩戴系统15分钟左右后,你开始怀疑它是否真的有帮助,因为你感觉自己正在走路。”哈佛大学Wyss生物启发工程研究所机器人工程师David Perry说。“然而,一旦你关闭它,你的腿突然感到沉重,你意识到它有多大帮助。这很像是在机场的一条移动人行道的尽头走出来的。”

为了量化移动与纯腿力和使用机器人辅助之间的差异,研究人员将佩戴者放在跑步机上并计算他们在呼吸时消耗的氧气量,这一措施称为代谢成本。该exosuit表明它可以将行走的代谢成本降低9%,并且运行4%。研究人员说,这种效果相当于步行时轻16.3磅,跑步时轻12.6磅。这一结果可能使任何需要长途跋涉快速旅行的人受益——搜救大型灾区的救援人员、游行中的美国陆军士兵或海军陆战队员、甚至徒步旅行者。它还可以为患有限制行走的疾病或受伤的人提供稳定的医疗援助。

佩里和他的同事在本周发表于《科学》杂志的一篇论文中详述了他们的原型。可穿戴式人工智能机器人依赖于柔软的纺织材料,重量仅为11磅--相对较轻的重量,有助于降低额外负载运行时的代谢成本。佩戴在下背部的电动马力将力施加到连接到每条腿的大腿周围的软腿包裹的线缆上。绑在腰部的电池提供足够的电力,帮助佩戴者在两次充电之间覆盖约五英里。

“以前的研究已经测试了便携式髋关节和踝关节辅助设备,发现后者可以帮助行走,而前者可以通过步行或跑步来做到这一点。但是,开发这种新外套的科学家们说,除非这种设备具有辅助两种运动的能力,否则不会对人们有太大的帮助。”这项研究建立在研究团队先前成功开发踝关节辅助装置的基础上,通过髋关节辅助也可以提升效能。”范德比尔特大学机械工程助理教授,HeroWear公司首席科学官Karl Zelik说。目前正在开发升降机辅助设备。作为一名没有参加最近研究的专家,他将其结果描述为“有希望”。

为了帮助Exosuit自动在步行和跑步模式之间切换,该团队安装了能够测量力和角度运动的智能传感器。它根据这些传感器的反馈训练了一种人工智能控制算法来检测步行和跑步模式。该算法最终学会了解人体的质心在行走时如何移动,其中它像一个“倒立摆”,其中臀部在每个向前的步骤上摆动在种植的脚上,并且在磨合时它就像一个“弹簧质量”系统,每条腿都以弹簧连接到臀部的方式弹跳。

除了以最小坡度和恒定速度进行的主要跑步机实验之外,一名男性研究参与者进行了额外的跑步机测试,模仿了更现实的条件。内布拉斯加州奥马哈大学生物力学助理教授菲利普·马尔科姆(Philippe Malcolm)和该研究的合作者表示,这种Exosuit也有助于上坡行走以及在平坦表面上以不同的速度跑步。“我们所取得的令人兴奋的进展和我们在本研究中看到的结果启发了其他研究,我们可以在其他室外环境中评估该设备,例如丘陵和山地地形。”Malcolm说。