人在環(huán)優(yōu)化改善了柔軟 可穿戴機(jī)器人的功能

對(duì)于柔軟的輔助設(shè)備 - 就像哈佛生物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的外套設(shè)備 - 佩戴者和機(jī)器人需要保持同步。但是每個(gè)人的移動(dòng)方式都有所不同，為個(gè)人用戶定制機(jī)器人的參數(shù)是一個(gè)耗時(shí)且低效的過程。

現(xiàn)在，來自哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用與科學(xué)學(xué)院(SEAS)和Wyss生物學(xué)啟發(fā)工程研究所的研究人員開發(fā)出了一種高效的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以快速為柔軟，可穿戴的exosuits定制個(gè)性化的控制策略。

該研究在Science Robotics中有所描述。

“這種新方法是優(yōu)化輔助可穿戴設(shè)備控制參數(shù)設(shè)置的有效而快捷的方法，”SEAS的博士后研究員，該研究的共同第一作者葉丁說。“使用這種方法，我們?yōu)轶y關(guān)節(jié)伸展輔助裝置的佩戴者實(shí)現(xiàn)了代謝性能的巨大改善。”

當(dāng)人類走路時(shí)，我們會(huì)不斷調(diào)整我們?nèi)绾喂?jié)省能源(也稱為代謝成本)。

“之前，如果你有三個(gè)不同的用戶在輔助設(shè)備上行走，你需要三種不同的輔助策略，”SEAS的博士后研究員，該論文的共同第一作者M(jìn)yunghee Kim說。“為每個(gè)佩戴者找到合適的控制參數(shù)曾經(jīng)是一個(gè)困難的，逐步的過程，因?yàn)椴粌H所有人走路都有所不同，而且手動(dòng)調(diào)整參數(shù)所需的實(shí)驗(yàn)是復(fù)雜和耗時(shí)的”

由Conor Walsh，John L. Loeb工程和應(yīng)用科學(xué)副教授以及SEAS工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授Scott Kuindersma領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)了一種算法，可以消除這種變化并快速確定最佳控制最適合最小化步行的參數(shù)。

研究人員使用所謂的人在環(huán)優(yōu)化，它使用人體生理信號(hào)的實(shí)時(shí)測量，例如呼吸速率，來調(diào)整設(shè)備的控制參數(shù)。隨著算法在最佳參數(shù)上的磨練，它指導(dǎo)了exosuit何時(shí)何地提供其輔助力以改善髖部伸展。該團(tuán)隊(duì)使用的貝葉斯優(yōu)化方法是去年在PLOSone的一篇論文中首次報(bào)道的。

與沒有設(shè)備的步行相比，算法和套裝的組合使代謝成本降低了17.4%。與團(tuán)隊(duì)之前的工作相比，這提高了60%以上。

“優(yōu)化和學(xué)習(xí)算法將對(duì)未來可穿戴機(jī)器人設(shè)備產(chǎn)生重大影響，旨在幫助一系列行為，”Kuindersma說。“這些結(jié)果表明，優(yōu)化甚至非常簡單的控制器可以在行走時(shí)為用戶提供顯著的，個(gè)性化的好處。擴(kuò)展這些想法以考慮更具表現(xiàn)力的控制策略以及具有不同需求和能力的人將是令人興奮的下一步。”

沃爾什說：“對(duì)于像軟體外套這樣的可穿戴式機(jī)器人，在正確的時(shí)間提供正確的幫助以便他們能夠與佩戴者協(xié)同工作至關(guān)重要。” “通過這些在線優(yōu)化算法，系統(tǒng)可以了解如何在大約20分鐘內(nèi)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，從而最大限度地提高佩戴者的利益。”

接下來，該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是將優(yōu)化應(yīng)用于更復(fù)雜的設(shè)備，同時(shí)輔助多個(gè)關(guān)節(jié)，如髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。

“在本文中，我們通過優(yōu)化髖部伸展來證明代謝成本的大幅降低，”丁說。“這表明你可以用偉大的大腦和偉大的硬件做些什么。”