加州理工學(xué)院高級(jí)機(jī)械雙足實(shí)驗(yàn)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室(AMBER)的一個(gè)研究生團(tuán)隊(duì)，由機(jī)械與土木工程以及控制和動(dòng)力系統(tǒng)的布倫教授Aaron Ames教授領(lǐng)導(dǎo)，正在開(kāi)發(fā)一種為機(jī)器人輔助設(shè)備生成步態(tài)的新方法，旨在保證穩(wěn)定性并為不同用戶實(shí)現(xiàn)更自然的運(yùn)動(dòng)。

發(fā)表在IEEE Robotics and Automation Letters雜志上的一篇論文概述了AMBER團(tuán)隊(duì)的方法。它代表了將混合零動(dòng)力學(xué)(HZD)(一種用于產(chǎn)生穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)框架)與肌肉骨骼模型相結(jié)合的第一個(gè)實(shí)例，以控制用于行走的機(jī)器人輔助設(shè)備。

肌肉骨骼模型是一種計(jì)算工具，用于無(wú)創(chuàng)測(cè)量肌肉力和關(guān)節(jié)接觸力之間的關(guān)系。HZD目前用于為雙足機(jī)器人創(chuàng)建穩(wěn)定的步行步態(tài)，肌肉模型表示肌肉在給定關(guān)節(jié)配置下的伸展或收縮程度。

該團(tuán)隊(duì)在電池供電的電動(dòng)假肢上演示了其方法。電池為電機(jī)供電，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)是由研究人員開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)算法決定的。

為了創(chuàng)建這種數(shù)學(xué)算法，AMBER研究小組記錄了一個(gè)人用假肢行走的肌肉活動(dòng)，該假肢遵循僅使用HZD產(chǎn)生的所需運(yùn)動(dòng)。這是使用肌電圖(EMG)完成的，其中一個(gè)電極放置在特定肌肉上方的皮膚上。然后，研究小組分析了一個(gè)人用假肢行走的肌電圖活動(dòng)，該假肢遵循HZD結(jié)合肌肉模型產(chǎn)生的所需運(yùn)動(dòng)。后者更類似于人類在沒(méi)有假肢的情況下行走的方式。

“人類在沒(méi)有假肢的情況下行走的肌肉活動(dòng)模式是我們想要更接近的，”機(jī)械和土木工程研究生Rachel Gehlhar(MS '18)說(shuō)。將肌肉骨骼模型直接嵌入到優(yōu)化問(wèn)題(該算法最終為假體產(chǎn)生步態(tài))中，為生成感覺(jué)更自然的步態(tài)奠定了基礎(chǔ)。

“如果你正在為機(jī)器人輔助設(shè)備設(shè)計(jì)一個(gè)軌跡，一個(gè)令人滿意的步態(tài)不僅應(yīng)該穩(wěn)定，而且感覺(jué)自然，”計(jì)算和神經(jīng)系統(tǒng)研究生Amy Li說(shuō)。軌跡表示研究人員希望假肢裝置如何隨時(shí)間移動(dòng)。

“控制機(jī)器人的一種方法是描述每個(gè)關(guān)節(jié)的所需運(yùn)動(dòng)，”機(jī)械和土木工程研究生Maegan Tucker(MS '19)補(bǔ)充道。在這種情況下，機(jī)器人是腿部假體。膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)遵循各自的軌跡，以響應(yīng)發(fā)送到運(yùn)動(dòng)的命令。“我們的假肢裝置有兩個(gè)致動(dòng)關(guān)節(jié)：膝蓋和腳踝。因此，隨著時(shí)間的推移，這些關(guān)節(jié)所需的運(yùn)動(dòng)和速度就是我們告訴機(jī)器人要做的。

一個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是，HZD和肌肉模型的組合比預(yù)期的更快地產(chǎn)生了所需的步行步態(tài)。強(qiáng)制機(jī)器人模型遵循肌腱關(guān)系的模式為步態(tài)生成優(yōu)化問(wèn)題增加了進(jìn)一步的約束，因此人們可能會(huì)認(rèn)為這個(gè)問(wèn)題更難解決。但是由于這些額外的約束，在優(yōu)化問(wèn)題的迭代次數(shù)減少后，形成了穩(wěn)定的步行步態(tài)。

“我們假設(shè)組合模型有助于將優(yōu)化問(wèn)題引導(dǎo)到解決方案，從而導(dǎo)致自然行走，”Tucker說(shuō)。“換句話說(shuō)，額外的約束有助于引導(dǎo)優(yōu)化問(wèn)題更快地走向穩(wěn)定和更自然的步態(tài)。

這項(xiàng)工作有助于彌合使用算法產(chǎn)生所需步行運(yùn)動(dòng)的方法與生物力學(xué)領(lǐng)域之間的差距，這些領(lǐng)域通常不會(huì)重疊。由此產(chǎn)生的合作使AMBER實(shí)驗(yàn)室更接近于將自然運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為假肢等機(jī)器人輔助設(shè)備，并可能應(yīng)用于截癱患者的全身外骨骼設(shè)備。