人類歷來(lái)幻想擁有更多的手臂來(lái)完成復(fù)雜任務(wù)，這一夢(mèng)想如今正被哈爾濱工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。他們最新研發(fā)的上肢外肢體機(jī)器人不僅能幫你扛起10公斤重物，更能“讀懂”你的意圖，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同

該工作以題“Leader–follower: Human-centered intention-guided controller for novel SuperLimb with application to load-carrying scenarios”發(fā)表在Science China Technological Sciences。

▍基于“Leader-Follower”控制器的全新人機(jī)融合系統(tǒng)

上肢外肢體機(jī)器人并非簡(jiǎn)單的功能替代或增強(qiáng)裝置，它與傳統(tǒng)假肢外骨骼機(jī)器人有本質(zhì)區(qū)別。這種創(chuàng)新設(shè)備通過在物理結(jié)構(gòu)、感知能力和運(yùn)動(dòng)控制等多個(gè)層面實(shí)現(xiàn)人體與機(jī)械肢體的深度融合與協(xié)同運(yùn)作

它就像是給人類配備了一只額外的手臂，顯著拓展了人的運(yùn)動(dòng)、感知和操作能力。作為人體的特殊協(xié)作者，它與人體共享大部分運(yùn)動(dòng)空間，穿戴者甚至可以直接感受到安裝部件的觸覺反饋

在這種新型人機(jī)系統(tǒng)中，穿戴者意圖的準(zhǔn)確傳達(dá)、人機(jī)角色的合理分配以及以人為中心的交互設(shè)計(jì)，成為系統(tǒng)成功運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

哈工大團(tuán)隊(duì)的核心創(chuàng)新在于提出了一種以人為中心的意圖引導(dǎo)的協(xié)同作業(yè)控制器。在這個(gè)框架中，穿戴者被視為“領(lǐng)導(dǎo)者”，而外肢體機(jī)器人則作為“跟隨者”，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)之間有效的信息傳遞和自主協(xié)調(diào)。

這套系統(tǒng)融合來(lái)自多個(gè)視覺里程計(jì)傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)以捕獲人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及手部的廣義位置和速度，通過Swin Transformer(SwT)網(wǎng)絡(luò)處理來(lái)自兩個(gè)肌電手環(huán)傳感器的sEMG信號(hào)，以識(shí)別負(fù)載搬運(yùn)場(chǎng)景中的多種自然手勢(shì)。

基于人機(jī)浮動(dòng)基系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了人-外肢體機(jī)器人系統(tǒng)的安全保障和力柔順交互。團(tuán)隊(duì)所提出的基于意圖導(dǎo)向的人機(jī)協(xié)同交流框架激發(fā)了外肢體機(jī)器人在其他協(xié)作場(chǎng)景中的應(yīng)用學(xué)習(xí)。

▍實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：高效率、低疲勞的創(chuàng)新突破

研究團(tuán)隊(duì)通過嚴(yán)格的負(fù)載搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一控制方法的有效性。實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)ATI六維力傳感器被安裝在外肢體機(jī)器人末端，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)搬運(yùn)過程中的各種力數(shù)據(jù)。每位測(cè)試者需要重復(fù)驗(yàn)10次，首次未能完成抓取則視為失敗

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

• 基于FSM負(fù)載搬運(yùn)任務(wù)模型，外肢體機(jī)器人能自主完成與穿戴者的協(xié)調(diào)配合
• 借助任務(wù)參數(shù)規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡，系統(tǒng)成功完成目標(biāo)物體的抓取，并且能夠很好地理解穿戴者的意圖來(lái)切換不同的外肢體機(jī)器人動(dòng)作
• 在共同搬運(yùn)10公斤重物過程中，外肢體機(jī)器人能分擔(dān)至少95%的負(fù)重，穿戴者僅起穩(wěn)定作用
• 數(shù)據(jù)顯示，有外肢體輔助時(shí)，穿戴者肌肉興奮度顯著降低，搬運(yùn)過程中肌電信號(hào)峰值比無(wú)輔助時(shí)至少減少80%

這些論證了外肢體機(jī)器人在輔助搬運(yùn)過程中大大減輕了人體上肢的疲勞程度

為進(jìn)一步證明系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)：不使用意圖導(dǎo)向主從協(xié)同控制方法，外肢體機(jī)器人通過預(yù)定軌跡到達(dá)抓取點(diǎn)，任務(wù)意圖的切換通過一個(gè)簡(jiǎn)單的外部鍵盤來(lái)完成同樣任務(wù)。

該實(shí)驗(yàn)也重復(fù)進(jìn)行了10次，結(jié)果表明，使用意圖導(dǎo)向主從協(xié)同控制方法平均至少節(jié)省7秒，大幅提高了效率。

基于意圖引導(dǎo)的主從控制方法，外肢體機(jī)器人能夠更快地理解操作者的意圖，并更迅速地做出動(dòng)作決定以應(yīng)對(duì)不同任務(wù)策略，從而大大縮短完成負(fù)載搬運(yùn)任務(wù)的時(shí)間。

同時(shí)，使用預(yù)定軌跡規(guī)劃完成抓取的成功率遠(yuǎn)低于使用基于估計(jì)的任務(wù)參數(shù)的軌跡規(guī)劃完成抓取的成功率

在所提控制方法實(shí)驗(yàn)情況下，任務(wù)參數(shù)得到了良好的估計(jì)，生成了更合理的規(guī)劃軌跡，同時(shí)外肢體機(jī)器人能夠準(zhǔn)確理解穿戴者在實(shí)驗(yàn)過程中的作業(yè)意圖來(lái)快速切換不同的作業(yè)動(dòng)作

▍結(jié)語(yǔ)與展望

總結(jié)來(lái)說(shuō)，本研究提出了四個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)：首先，開發(fā)了意圖引導(dǎo)型主從控制器，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械肢體與人體肢體間的自然信息交互。該系統(tǒng)無(wú)需主動(dòng)控制或預(yù)先記錄數(shù)據(jù)，便能高效完成自主協(xié)作任務(wù)。

其次，系統(tǒng)能精確識(shí)別人體肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和手部肌肉意圖，確保了任務(wù)參數(shù)的獲取以及外肢體機(jī)器人不同任務(wù)動(dòng)作的自然觸發(fā)

第三，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了浮動(dòng)基人-外肢體機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，解決了外肢體、穿戴者與環(huán)境三者間的力柔順交互問題。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人機(jī)距離并應(yīng)用零力柔順策略，有效保障了穿戴者安全。

最后，團(tuán)隊(duì)將意圖引導(dǎo)的主從控制器成功應(yīng)用于負(fù)載搬運(yùn)場(chǎng)景，實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了所提方法的實(shí)用性和有效性。

筆者認(rèn)為，這項(xiàng)研究不僅展示了上肢外肢體機(jī)器人在負(fù)載搬運(yùn)中的實(shí)用價(jià)值，更為人機(jī)協(xié)同交互提供了全新框架。該技術(shù)有望在更多協(xié)作場(chǎng)景中應(yīng)用從工業(yè)制造到醫(yī)療救援，從日常輔助到特殊環(huán)境作業(yè)，為智能協(xié)作系統(tǒng)的跨領(lǐng)域應(yīng)用開辟了更多可能。