假肢“长眼睛” 能“看见”环境

2020-06-30 11:20:00

南科大付成龙团队在人体运动增强机器人领域取得系列进展

2020年06月30日 深圳商报 版次:A12 首席记者 吴吉 通讯员 邓苏

“长眼睛”的假肢、“会预判”的可穿戴机器人、能省力的外骨骼……近日,南方科技大学机械与能源工程系(简称“机械系”)教授付成龙研究团队在人体运动增强机器人领域取得系列重要研究进展,相关成果发表于多个国际知名刊物上。

“长眼睛”的假肢

人穿戴假肢在环境中行走是一个典型的“人-机-环”问题,但在动力大腿假肢控制研究中,如何实现复杂环境下“人-机-环”协调控制是一个挑战性难题。现有研究主要通过各类人机交互方式来解决上述问题,即期望通过各类人机界面信号识别人体运动意图以控制假肢适应环境,却缺少“机”和“环”之间的链路。

该团队的一项研究就探索了假肢视觉对“人-机-环”回路的作用机制,打通“机”和“环”之间的链路。在运动过程中,人体视觉神经系统负责运动决策,假肢视觉负责环境信息感知。通过人机信息融合,“长眼睛”的智能假肢可以在复杂地形下“预见性”地规划步伐,显著提高大腿截肢者适应复杂环境的能力。

“会预判”的可穿戴机器人

准确预测人体运动意图有助于控制可穿戴机器人在不同地形上的运动,从而辅助人类平稳行走。传统的预测人类运动意图的方法需要收集和标记人体信号,并训练每个新受试者使用特定的分类器,这给受试者和研究人员都带来了繁重负担。

为解决上述问题,付成龙研究团队设计了两个分类器,分类器与发生器均由神经网络构成,然后在验证集和测试集上进行测试和验证。结果表明,该方法可以对未被标记信号的目标受试者的运动意图和活动进行分类,平均准确率分别为93.6%和94.59%。在未来的工作中,团队将评估该方法在预测残疾受试者运动意图和控制可穿戴机器人方面的潜力。

能省力的外骨骼

人体行走伴随大量机械能产生,但很大一部分都被浪费掉了。如果这些被浪费的机械能通过回收存储下来,并在合适时机以恰当方式释放出来推进行走,将会大大降低外骨骼功耗。

付成龙研究团队提出的外骨骼通过一个可控棘轮-弹簧单元,可耦合回收膝关节摆动相末期和踝关节支撑相中期的负功,并在合适时机集中释放,辅助踝关节蹬地,能量回收利用率达77.3%。

而团队的另一项研究成果则聚焦携带重物时节省体力的方法。受中国扁担挑运的启发,付成龙研究团队分析了弹性负载结构的变阻尼节能机制,提出了一种变阻尼能量最优控制策略,建立了变阻尼弹性振动影响腿部力的解析模型,揭示了弹性负载结构的变阻尼节能机制。

研究通过变阻尼调控负载振动相位,动态改变地面反力,降低了人体腿部肌肉做功。

(责任编辑 黄燕如)