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外骨骼系统如何判定移动方向和力量?

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日报标题:刚刚穿上新的身体,我该怎么控制自己?

fly qq,微信公众号qRobotics,机器人学博士生

太长不看版

外骨骼的信号获取可能有三种方式:脑电 - 肌电 - 肢体动作;其特点如下:

稳定性:肢体动作>肌电>脑电

响应速度:脑电>肌电>肢体动作

目前使用的方法:肢体动作>肌电>脑电

XOS 用的应该是肢体动作信号采集,如外骨骼关节力矩、末端操纵杆等。

吃得好饱没事干的时候看的版本

还是采用“是什么 - 为什么 - 怎么样”的套路吧,但根据题主的问题,主要回答“怎么样”。

是什么

外骨骼系统是一种能够增强人体能力的可穿戴机器。它能够帮助人们跑得更快、跳得更高、能够携带更多更重的东西。其本质上是一种可穿戴机器人,通过一定方法采集人体信号,将其转换为外骨骼的控制信号,实现人类个体能力的增强。

为什么

目前机器人的智能水平还远远未达到实用水平,所以,既然不能给力量(机器人)以智能,那就只能给智能(人类)以力量了。由人作决策、机器人来执行动作,这是目前比较有公认的一条路。包括医疗机器人、外骨骼、火星车等大都采用这种模式,而不是让机器人完全自主决策。

怎么样

要想控制外骨骼运动,就需要获取人类的控制指令。我们先看看我们可能会有什么方法?

人体的指令从大脑产生,经过神经传至肌肉,肌肉收缩产生动力,带动肢体运动。所以,我们有可能从脑电、肌电、肢体动作,三个点入手获取控制指令。

1)肢体动作

这应该算是最容易想到和实现的方法,最早的一批外骨骼机器人均是采用这种方法。

采用的传感器可能是握在驾驶员手中的操作手柄、布置在外骨骼与人体之间的压力传感器、外骨骼关节电机处的扭矩传感器等。

操作手柄:驾驶员需通过训练掌握操作方法,操作不直观,但是一般比较稳定可靠。

如上图,《高达》一般就是采用这样的驾驶方式,高达驾驶员在驾驶舱内操作手柄下发指令。(PS:经评论区提醒,原配图高达和驾驶员不符合,的确是这样,Exia 的驾驶员应该是刹那,所以现在更新了配图)。

压力传感器:通过压力传感器捕捉驾驶员的动作,之后转换成外骨骼的运动指令。

扭矩传感器:这个其实在协作机器人上用的很多了,例如下图,Baxter 通过扭矩传感器可以感知用户的操作力,之后跟随用户的动作而运动,这就相当于我用很小的力拖动了 Baxter 的机械臂。这个叫做电机的 backdrivability,应该算是比较成熟的技术了。

关于雷神的 XOS,没查到太权威的资料,但有论文说它采用的是末端操纵杆 + 关节力矩测量的方式。这种方式也会比脑电与肌电稳定。

2)肌电信号

采用肌电信号,只需要在用户体表放置电极即可,不需要让用户直接操作操纵杆等设备。《魔神英雄传》里的龙神号应该就是采用肌电信号来控制的:驾驶员不用操作硬件,也没有绑上测关节力矩或者压力的传感器,只是在手腕处佩戴有肌电传感器(误),驾驶员只需要做出动作,龙神号就会跟着他的动作动。

由于肢体的运动加速度有限,所以相对于检测肢体运动,肌电信号一般会更快速一些。

目前在学术界对机电信号的采集与解析技术已经比较成熟了,甚至已经有一些成熟的商业产品了,如 myo 腕带(下图)。

这种技术通过在人体表放置电极采集人体肌电信号,并将其转换成外骨骼的控制信号。我去年有幸在日本见到了活的HAL 外骨骼,我们实验室也有同学体验了它的性能。

正如题主所说,HAL 采用的是肌电信号。使用者需要在大腿上贴上几个电极,大概长下面这样:

3)脑电

这个应该是最厉害的方式了,驾驶员直接从大脑发出控制指令,像控制自己身体一样控制外骨骼,自己的身体本身并不需要做出相应动作。《进击的巨人》里的巨人就是这种方式,驾驶员的神经直接与巨人的神经相连接。

但是,目前脑电的研究主要集中在非侵入式方法,也即是在头上贴一些电级,通过大脑泄露出来的电信号来估计人的想法。

这存在几个问题:①人类目前对大脑的工作原理还不了解,大脑的信号不如肌电信号那样直接,所以比较难准备解读脑电信号;②只是表面的电信号,可能并不能完全反应大脑的信号,这样就更不必说获取大脑意图了。

当然,这在实验室中有不少研究,但要想实用还是差距较大的。在外骨骼方面,采用脑电的也比较少。

综上,

外骨骼的信号获取可能有三种方式:脑电 - 肌电 - 肢体动作;其特点如下:

稳定性:肢体动作>肌电>脑电

响应速度:脑电>肌电>肢体动作

目前使用的方法:肢体动作>肌电>脑电


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