用一臺 iPhone XS Max 打造開源數(shù)據(jù)集，外骨骼要「自主思考」了

本文作者：付靜

2021-03-16 17:59

導語：機械外骨骼在不同運動模式間進行準確轉換非常重要，即便是一丁點錯誤也可能導致失衡甚至是傷害。

去年，餓了么小哥曾化身「機甲騎士」亮相上海，引起網絡熱議。

前不久，解放軍陸軍士兵也穿上了原本只能在科幻作品中看到的硬核裝備，上百斤的彈藥箱也能輕松搬運。

用一臺 iPhone XS Max 打造開源數(shù)據(jù)集，外骨骼要「自主思考」了

外賣小哥和解放軍戰(zhàn)士所穿的這一設備正是「機械外骨骼」。

機械外骨骼也稱動力外骨骼（Powered exoskeleton），是由鋼鐵框架構成的可穿戴機器裝置，可為人們提供額外能量，供四肢運動。

縱觀機械外骨骼領域，工業(yè)裝備、物流、建筑、醫(yī)療、軍事等行業(yè)都曾有過商業(yè)化嘗試，比如我國運用于軍事偵查和巡邏的星云 L70 單兵外骨骼機器人、美國公司 Ekso Bionics 和 suitX 推出的工業(yè)外骨骼機器人、日本公司 Cyberdyne 推出的醫(yī)療和工業(yè)領域外骨骼機器人。

不過正如一位行業(yè)人士向雷鋒網表示的那樣：

機械外骨骼發(fā)展尚處在早期階段。

為進一步優(yōu)化機械外骨骼，一組來自加拿大滑鐵盧大學的研究人員正在結合計算機視覺和深度學習，希望機械外骨骼也能像人類一樣根據(jù)環(huán)境變化適應、調整自身。

外骨骼將要“自主思考”

此前，相關研究成果發(fā)表于學術期刊《機器人與人工智能前沿》（Frontiers in Robotics and AI），題為 ExoNet Database: Wearable Camera Images of Human Locomotion Environments（ExoNet 數(shù)據(jù)庫：人體運動環(huán)境的可穿戴相機圖像）。

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論文作者來自于滑鐵盧大學系統(tǒng)設計工程系、滑鐵盧人工智能研究所（Waterloo.ai）。

論文介紹了機械外骨骼的一般運作模式：

首先，高級控制器通過使用機器學習算法分析可穿戴式傳感器的實時測量值，識別用戶的運動模式（或者說意圖）。
然后，中層控制器將運動意圖轉換為特定軌跡。
最后，低級控制器通過使用前饋反饋控制回路來調制設備致動器，從而跟蹤參考軌跡并將信號誤差降至最低。

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值得關注的是，機械外骨骼在不同運動模式間進行準確的轉換是非常重要的，因為即便是一丁點錯誤也可能導致失衡甚至是傷害。

當前，機械外骨骼大多需要用戶通過手機應用程序或操縱桿手動控制。

自然，這意味著在使用機械外骨骼時會有很多不必要的麻煩。在研究團隊看來，傳統(tǒng)的需要手動操縱機械外骨骼的方式很大程度上會很不方便，且對認知要求很高。不難想象，用戶每次想進行一項新的運動時，都必須先停下來，拿出手機選擇想要的模式。

當然這并不意味著如今機械外骨骼的控制方式還是原地踏步。

論文顯示，自 2015 年起，已有一些研究團隊做了嘗試。

比如開發(fā)「自動運動模式識別系統(tǒng)」，使用可穿戴傳感器（例如慣性測量單元 IMU 和表面肌電圖 EMG）在不同運動模式之間自動切換——不過，相比傳統(tǒng)方式，這種神經肌肉-機械數(shù)據(jù)融合的方式提高了運動模式識別的準確性。然而，這種測量仍然取決于患者，且 EMG 容易造成疲勞、電極皮膚電導率變化以及鄰近肌肉的串擾。

在此背景下，研究人員為機械外骨骼用戶安裝了可穿戴攝像頭，目前正在優(yōu)化 AI 計算機軟件來處理視頻，從而準確識別樓梯、門等周圍環(huán)境特征，通過調整自身動作來模仿體格健全的人走路。

具體來講，研究人員給用戶安裝上一臺 iPhone XS Max，也就是所謂的可穿戴智能手機攝像頭系統(tǒng)。

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