楼梯人体传感器 爬楼太喘？外骨骼机器人来助力，还能自动识别行走环境

爬楼太喘？外骨骼机器人来助力，还能自动识别行走环境

编译 | 熊大宝

编辑 | 李水青

智东西4月14日消息，本月初，加拿大滑铁卢大学的研究人员更新了第一个开源的人类运动场景高分辨率可穿戴相机图像数据库。在此基础上，可使用AI和可穿戴相机，让外骨骼机器人实现自主行走。

外骨骼机器人是指套在人体外部的机器人，也称“可穿戴的机器人”。该机器人具有传感、控制、信息、融合、移动计算等功能，操作者可以将其绑在腿上，帮助他们增强或恢复身体机能。

滑铁卢大学研究者借助团队的外骨骼机器人完成行走动作

一、外骨骼机器人运用方式：从手控到机器自主

外骨骼机器人运用之初，通常需要依靠操作者手动控制来切换运动模式。

布罗科斯瓦夫·拉绍夫斯基（Brokoslaw Laschowski）是滑铁卢大学这项研究的主要研发人员之一，他说道：“每次你想改变移动方式时，都需要依赖操纵杆或智能手机应用程序来操作外骨骼机器人，从坐到站、站到行、地面行走到上下楼梯都需要这样做。”这对操作者来说是很大的负担。

如何让外骨骼机器人自动识别何时切换运动模式？

加州理工学院研究人员使用外骨骼机器人进行步行演示

科学家曾将传感器附着在腿部，这种方法可以检测从大脑发送到肌肉的生物电信号，告诉他们移动。

然而，这种方法也存在一些问题，例如皮肤出汗时，皮肤导电性将受到影响。

二、准确率超七成，外 骨骼机器人自动识别行走环境

拉绍夫斯基团队正在尝试一种新方法：为用户安装可穿戴相机，为机器提供视觉数据，使其能够自主操作。机器人配备的AI软件可以分析这些数据，以识别周围环境的楼梯、门和其他特征，并计算如何做出最佳响应。

让外骨骼机器人实现任意行走环境下的自动识别，则需要大量数据。

拉绍夫斯基领导了第一个人类运动场景高分辨率可穿戴相机图像的开源数据库——ExoNet项目。该数据库拥有超过560万张室内和室外真实步行环境的图像。

ExoNet项目介绍界面

拉绍夫斯基指出，团队使用这些数据来训练深度学习算法。尽管可穿戴相机感知的不同表面和物体存在巨大差异，但他们团队的深度卷积神经网络已经能够以73%的准确度自动识别不同的行走环境。

同时，拉绍夫斯基也表明，AI对图片的深度学习也会使其依赖传统二维图像，在户外照明和距离增加时，AI测量准确性通常会下降。

其他研究者也正在将AI和可穿戴相机用于让外骨骼机器人自主行走。

北卡罗来纳州的研究人员将可穿戴相机安装在眼睛或膝盖上，让志愿者穿过各种室内和室外环境，捕捉外骨骼机器人可能用来观察周围世界的图像数据。

北卡罗来纳州立大学电气工程研究员埃德加·洛巴顿表示，他们专注于AI软件如何减少因运动模糊或过度曝光图像等因素而产生的不确定性，以确保安全运行。“我们希望确保AI集成到硬件产品之前，我们能够真正依赖它。”

三、自动驾驶为灵感，提高外骨骼机器人稳定性

未来，拉绍夫斯基和他的同事将专注于提高环境分析软件的准确性，帮助外骨骼机器人更好地完成实时操作。

洛巴顿和他的团队还探索如何处理动作给视觉系统带来的不确定性因素。

ExoNet研究人员希望探索AI软件如何将命令传输给外骨骼机器人，以便机器人可以根据系统对用户周边地形进行分析，执行爬楼梯或避免障碍物等任务。拉绍夫斯基说，以自动驾驶汽车为灵感，他们正寻求开发无需人工投入即可完成步行任务的自主外骨骼机器人。

与此同时，拉绍夫斯基所在团队也正在考虑年迈、残疾人等行动不便者操作外骨骼机器人的场景安全性。“用户安全至关重要，如果骨骼机器人的分类算法或控制器做出错误决定，用户要始终有能控制它的能力。”

结语：自主化是生物助力机器人未来趋势

外骨骼机器人作为机器人领域的一个分支，自1960年起研究从未间断，但如何利用传感器准确获取人体意图一直是待解决的难题。

如今在AI和可穿戴相机的加持下，外骨骼机器人这一生物助力机器人的发展与落地均将加速，拓展其商用和民用市场。

来源：IEEE Spectrum

以往爬楼送餐喘粗气，如今负重百斤如履平地 铮铮“铁骨”让外卖小哥平添惊人神力

视觉中国供图

近日，上海街头这样一幅景象引起不少人好奇围观：一位外卖小哥背着摞起来有一人高的外卖箱，行走、爬楼身轻如燕，仔细观察，他的身上装着一副类似铁甲的机械外骨骼。

据报道，这套外骨骼机甲装备是某外卖平台的测试设备，主要使用场景是高峰期外卖骑手爬楼梯或是在不能骑行电瓶车的区域送餐。

该装备的制造商在微博上解释称，外卖小哥在工作时，背负的重量可经由机械装置传导到地面，不论背负的物体有多重，人体主要承担操作力，肩膀承担的力约为5—10公斤，力量一经分散，外卖骑手背着100斤的东西就像背着一台笔记本电脑，可以很轻松地行走。

这一事件引发了网友热议：这不是科幻电影中的场景吗，这么快就走进现实了？更让人疑惑的是，机械外骨骼设备是如何打造的，为什么能让人在负重情况下依旧行动灵活？

可将人类力量和速度放大上千倍

据了解，机械外骨骼也称动力外骨骼，是一种由钢铁及其他材料框架构成的机械装置，它源于生物学中外骨骼的概念，如软体动物虾、蟹的甲壳等。这个装备可以为人体提供额外的能量，供四肢运动，其本质就是将人类本身的力量和动作速度放大几倍甚至上千倍。

机械外骨骼的研究最早始于20世纪60年代，1966年美国通用公司提出了哈德曼助力机器人的设想并开始研发，当时制造出的电机驱动装置可以帮助人类轻易举起近百斤的重物，虽然这一项目后来由于经济原因停滞，但这一装置成为了今天机械外骨骼的雏形。

一般而言，常见的机械外骨骼主要由4部分组成，即软件控制系统、机械支撑系统、动力系统以及传感器系统。不同于传统的工业机器人，机械外骨骼需要与人体联动，在极短的时间内判断出使用者的动作意图，并且给予恰如其分的帮助。

例如，装备好可穿戴机械外骨骼以后，当使用者试图搬运重物时，手肘会发生弯曲，上臂的肌肉纤维组织紧靠在一起，从而牵动肌键运动，直观表现就是肌肉隆起。这时，与皮肤相接触的压力传感器通过采集肌肉收紧的强度和方向信息，可以感应到使用者的动作意图。它会把收集得到的数据资料传达给位于软件控制系统的信息处理器，计算出如何移动外骨骼可让使用者自身用力最小，然后再把指令传递到机械支撑系统中相应的关节，通过关节内部的液压机构传动装置产生精确的力量，从而做到与人的动作同步。整个过程中，由动力系统来提供电力等能源支撑。

宝鸡易能特电子科技有限公司总经理刘启帆表示，如果把使用者比作机械外骨骼的中心处理器，那么机械外骨骼可以看作是使用者肢体的延伸，这种人机合一协作模式能够对突发状况或者未知环境迅速做出正确有效判断，并且实时根据人的判断做出响应。这个过程理论上是有一点时滞的，但是机械外骨骼以每秒数千次的速度调整装备的每一个关节，能够像影子一样跟随人的动作，让使用者几乎察觉不到时滞的存在。

助力外卖小哥只是牛刀小试

这么“高大上”的装备只用来送外卖是不是大材小用？除了应用于负重和物流外，机械外骨骼还能给我们带来什么惊喜？

据浙江大学机械工程学院教授杨灿军介绍，从用途来看，机械外骨骼系统大致可以分为两类，一类是控制型，一类是增力型。

控制型机械外骨骼是将人的灵活统治能力传递给机器装置，主要应用于人类自由活动难度较大的领域，例如对空间机器装置的人机耦合控制、深海作业、山体滑坡搜救或是排雷等。目前多采用的是无线控制型机械外骨骼，包括一个外骨骼动作捕捉衣和一台机械装置。使用者穿戴动作捕捉衣，动作捕捉衣可实时采集人体上各关节的运动数据并转化为信息指令传送到机械装置上，机械装置可根据信息指令对人体的肢体运动进行实时模仿跟随，机械装置更接近于人直接作业形态。

而增力型机械外骨骼，常见为可穿戴型装备，主要应用在肌力增强、运动康复和国防军工等领域，比如辅助残疾人或老年人行走的机械外骨骼，以及美军的单兵机械装备。2004年，日本筑波大学教授山海嘉之成立了Cyberdyne公司，第二年就推出了一款混合辅助假肢（HAL），该装置重达23公斤，其充电电池的续航时间接近2小时40分钟，可通过探测到皮肤表面电信号，指令动力装置控制肌肉和骨骼的移动。在HAL的帮助下，使用者不仅可以进行正常的日常生活，还可以完成站立、步行、攀爬、抓握、举重物等高难度动作。

那么，机械外骨骼需要根据使用者量身打造吗？

首先，控制型机械外骨骼由于机械装备并未与人体直接贴合，所以个体差异并不会影响它的使用。而增力型机械外骨骼则要视情况而定。

专家解释说，用于康复治疗的机械外骨骼是针对肌体功能缺失需要进行外部辅助恢复的行动障碍人群，不同的肌体恢复需要有针对性设计，在使用机械外骨骼进行训练时，医生为需要针对不同病患设置相应的参数，然后才能利用机械外骨骼帮助患者进行一步一步的重复性训练，无法做到通用。而单纯的增力型机械外骨骼则是把机器装置绑在人身上，实现功能最大化，它针对的是行动功能正常的人，随着技术进步，已经能够做到通用化、批量使用。

大规模应用需要再过几道关

想要实现机器外骨骼的大规模应用，还要克服研发过程中出现的困难。

刘启帆介绍，难点之一是能源供给系统。机械外骨骼装备要求持久、高效、安全的能源供给，尤其是室外应用的机械外骨骼，通常难以获得外部能源供应。因此，能否实现可靠、超强续航能力的动力能源供应，是机械外骨骼能否实现大规模应用的核心问题之一。此前，美国伯克利大学研究的动力源，以背包的形式背在使用者身上，但是体积很大，重量也不轻，长时间负重不可避免地会加剧使用者的负担。

以蓄电池作为动力源的机械外骨骼，工艺难度低、噪声小，但续航时间短、输出功率低；而采用液压驱动的动力源，虽然可提供较大的功率和相对较长的续航时间，但噪声、振动、发热量都很大，并不能作为长期使用的理想动力源。

此外，传感器的灵敏程度也有待加强。杨灿军表示，要实现整个外骨骼系统的柔顺控制，需要快速的信息传感技术用来获取所需的控制信息，并对多信息进行高效快速融合，发出控制指令。

目前，可穿戴机械外骨骼主要通过采集肌电信号的方法来获取使用者的运动意图，肌电信号采集的方法有很严格的外界环境限制，一旦信号采集的地方发生微小的变化(如流汗等)就会干扰信号的采集。

再者，可穿戴机械外骨骼主要通过捆绑的方式与使用者连接在一起，而这种方式具有很大的缺陷，如人体捆绑部位会因带子的束缚产生血液流通不畅等问题；捆绑处因肌肉的收缩、伸展产生的形变，很大程度上会影响机械外骨骼的定位精度。

来源：科技日报

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