独家 | 带眼睛的机器人假肢可让你如履平地

大部分人可以轻松走在各种不平坦的地面上，但对于那些安装了机器人假肢的人来说，却并不是容易的事情，它们难以应对地形的变化。密歇根理工大学教授Mo Rastgaar正开发一种带有人工视觉的机器人假肢。 Rostgaar与梅奥医学中心（Mayo Clinic）生物力学工程师Kenton Kaufman以及他在MIT的前讲师Neville Hogan一起致力于推进仿生机器人假肢的发展。Rastgaar已经在专门的跑步机上对机器人假肢进行了测试，模拟走直线及圆圈。他说，“我们有一个步态仪以针对不同的动作训练。” Kaufman说，“通常，当我们走路时，肌肉会在某些特定的时刻被激活，它们控制脚的动作和关节弯曲，不管我们是在斜坡上还是在平地上。”目前，截肢患者走在路上时，他们必须格外留意地面情况，但是，有视觉辅助的机器人假肢可以让他们走得更自然些，他说。 机器人假肢需要克服的障碍 W. Hall Wendell Jr.肌肉骨骼研究教授、梅奥医学中心生物力学/运动分析实验室主任Kaufman说，自二战以来，机器人假肢在材料及关节方面已经取得了很大的进步，但仍然非常有限。 “这就像穿着滑雪靴走路，刚性的脚踝难以适应变化的地形。”他说。 “例如，截肢患者很难拿着披萨盒走路，因为这会让他们无法看到或感觉到地面的变化，”Kaufman说，“也很难像其他人一样做事。” 其结果是，截肢患者通常非常低落，Kaufman说，膝盖以上的截肢患者更严重。现在已经有微处理器控制的人工膝盖和脚踝。再加上人工视觉，机器人假肢脚踝会表现得更好些，他说。 Rastgaar说，“我们已经开发出了有两个自由度的假肢脚踝和脚，但在凹凸不平的地面上，我们还需要有一种预见机制。假肢脚踝采用直流电机驱动，并能感测脚底的压力。当走在路上时，它会提供一个反馈。” 麻省理工学院机械工程Sun Jae教授、生物力学和人体康复Newman实验室主任Hogan说，“面对大量假肢的一个关键问题是，我们可以做出复制了大量生物功能的机器，但却难以实现适当的控制。” “直接测量大脑信号是其中一种控制方式，但目前这种技术尚未成熟。从附近的肌肉获得生物电信号，从原理上听起来似乎很棒，但很难获得纯净的信号，”他说。“如果是下肢，无需从高级神经系统进行通信，我们可以实现半自治或共享控制。” Hogan还说，“正常行走是复杂的，但它不需要完全意识控制。视觉有助于脚对地形进行预协调，但何时抬脚的决定还要依赖人自己。” 视觉为用户看好前进的路 Rastgaar说，“视觉能告诉我们附近区域的情况，它还会进行分析，并告诉机器人假肢如何调整。设备需要收集数据并实时动作。” 我们的目标是开发一种人工脚踝，可以在脚接触地面之前对脚的角度和刚性进行反应和调整。“我们需要增加惯性测量脚的轨迹，并预测脚接触地面的时间。”Rastgaar解释道。 “崎岖的地面需要更硬的脚踝，而坡地则需要更柔软些，”Hogan补充道。“转左还是转右则依赖于人的共享控制。” 挑战还包括良好的视频分辨率和快速处理，这些都需要相机视图找出不同的特征。“我们仍在致力于将视觉反馈集成到整个阻抗控制中。”Rastgaar说。“我们才刚刚开始，我们希望能通过梅奥医学中心的用户进行更可靠的实验。” 目标：重获有质量的生活 这种假肢脚踝的好处还包括提高生活质量。“拥有相适应的脚踝，截肢患者可能会说，‘我的手又回来了，因为我不想消磨浪费时间，’”Kaufman说。“妻子可能会说，‘我丈夫又听我的话了，’因为他可以抬起头来了。” 该团队中还有研究生，他们一直致力于减轻计算机控制驱动器。便携式驱动器上的钢缆跟自行车上的类似。“用电线，可以用一个不太复杂控制方案从两个方向上进行控制。”Kaufman说。 Hogan指出，电机和电池是现代假肢最重的零部件，如果能去除他们可能会非常实用。“辅助技术无处不在，例如眼镜，如果不是必需的话，我们不会在任何时候都戴着它。”他说，“我们必须从实践经验弄清楚人们实际上会如何使用新的可穿戴设备。” 研究人员还希望能使用现成的相机，这可以让退伍军人和平民都能负担得起踝关节假肢。Hogan指出，相机可能最终会安装在脚上，或者其他更高更有利的位置。尽管踝关节假肢的研究面非常窄，Hogan认为，它最终可能会影响其他仿生产品、轮椅甚至汽车的控制。

Kaufman说，临床试验还没开始，视觉辅助机器人假肢脚踝的发展可能还需要几年的时间。医疗应用通常还有很长的酝酿期，Hogan补充道。该项目已经从美国国家科学基金会获得了五年期拨款共计64万美元，并获得了一项临时专利。

[授权译自Robotics Business Review]