让机器人辅助行走更自然

加州理工学院高级机械双足实验机器人实验室(AMBER)的一个研究生团队，由机械与土木工程以及控制和动力系统的布伦教授Aaron Ames教授领导，正在开发一种为机器人辅助设备生成步态的新方法，旨在保证稳定性并为不同用户实现更自然的运动。

发表在IEEE Robotics and Automation Letters杂志上的一篇论文概述了AMBER团队的方法。它代表了将混合零动力学(HZD)(一种用于产生稳定运动的数学框架)与肌肉骨骼模型相结合的第一个实例，以控制用于行走的机器人辅助设备。

肌肉骨骼模型是一种计算工具，用于无创测量肌肉力和关节接触力之间的关系。HZD目前用于为双足机器人创建稳定的步行步态，肌肉模型表示肌肉在给定关节配置下的伸展或收缩程度。

该团队在电池供电的电动假肢上演示了其方法。电池为电机供电，电机转动关节。运动运动是由研究人员开发的数学算法决定的。

为了创建这种数学算法，AMBER研究小组记录了一个人用假肢行走的肌肉活动，该假肢遵循仅使用HZD产生的所需运动。这是使用肌电图(EMG)完成的，其中一个电极放置在特定肌肉上方的皮肤上。然后，研究小组分析了一个人用假肢行走的肌电图活动，该假肢遵循HZD结合肌肉模型产生的所需运动。后者更类似于人类在没有假肢的情况下行走的方式。

“人类在没有假肢的情况下行走的肌肉活动模式是我们想要更接近的，”机械和土木工程研究生Rachel Gehlhar(MS '18)说。将肌肉骨骼模型直接嵌入到优化问题(该算法最终为假体产生步态)中，为生成感觉更自然的步态奠定了基础。

“如果你正在为机器人辅助设备设计一个轨迹，一个令人满意的步态不仅应该稳定，而且感觉自然，”计算和神经系统研究生Amy Li说。轨迹表示研究人员希望假肢装置如何随时间移动。

“控制机器人的一种方法是描述每个关节的所需运动，”机械和土木工程研究生Maegan Tucker(MS '19)补充道。在这种情况下，机器人是腿部假体。膝关节和踝关节遵循各自的轨迹，以响应发送到运动的命令。“我们的假肢装置有两个致动关节：膝盖和脚踝。因此，随着时间的推移，这些关节所需的运动和速度就是我们告诉机器人要做的。

一个令人惊讶的发现是，HZD和肌肉模型的组合比预期的更快地产生了所需的步行步态。强制机器人模型遵循肌腱关系的模式为步态生成优化问题增加了进一步的约束，因此人们可能会认为这个问题更难解决。但是由于这些额外的约束，在优化问题的迭代次数减少后，形成了稳定的步行步态。

“我们假设组合模型有助于将优化问题引导到解决方案，从而导致自然行走，”Tucker说。“换句话说，额外的约束有助于引导优化问题更快地走向稳定和更自然的步态。

这项工作有助于弥合使用算法产生所需步行运动的方法与生物力学领域之间的差距，这些领域通常不会重叠。由此产生的合作使AMBER实验室更接近于将自然运动转化为假肢等机器人辅助设备，并可能应用于截瘫患者的全身外骨骼设备。

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