Title: 外骨骼运动控制方法的简单解读
文章目录
- I. 前言
- II. 关节运动控制 —— 运动轨迹/运动意图的跟踪
- III. 柔性交互控制 —— 提高外骨骼和人交互的 "透明性"
- IV. 能量成型控制 —— 借鉴双足机器人的无源步态控制
- V. 贝叶斯优化 ——控制参数的优化与学习
- VI. 小节
- 个人对外骨骼应用的看法
I. 前言
针对如下四种外骨骼运动控制方法, 进行论文调研与简单解读.
[1] 关节运动控制 —— 运动轨迹/运动意图的跟踪
[2] 柔性交互控制 —— 最常用方法, 提高外骨骼和人交互的 “透明性”
[3] 能量成型控制 —— 借鉴双足机器人的无源步态控制
[4] 贝叶斯优化 —— 控制参数的优化与学习
外骨骼用到了机器人技术, 但应该不算机器人. 不像机器人最重要的是要实现自主功能 (自主运动、自主规划、自主决策等), 而外骨骼是反过来的, 没有自主功能只是一件机械工具. 外骨骼需要判断和预测人体运动意图, 并和人体一起执行该运动意图, 起到加强人体运动能力的作用.
其难点主要有两点:
(1) 人体运动意图的识别与预测
(2) 人-机耦合动力学系统的控制
其中前者对外骨骼来说更基础, 许多研究和开发侧重于此, 比如通过肌电生理信号、IMU (加速度计+陀螺仪) 运动信号、甚至人-机接触的压力/扭矩信号等进行运动意图的识别和预测.
正确地且实时地预测了人体意图后, 如何更优的进行力与运动的辅助则是第二点中动力学系统控制的内容了. 因为外骨骼耦合了人体肌肉骨骼系统, 使得整个系统从建模到控制都异常困难, 很利用经典控制理论导出优美的最优控制方法, 故而最终对控制律的评价都只能通过实验中人体的呼吸、代谢等指标来衡量有效性.
下面我们简单选几篇曾经看过的论文简单解读一下, 争取对外骨骼的运动控制有所了解 (回顾).
II. 关节运动控制 —— 运动轨迹/运动意图的跟踪
[1] G. Liang, et al. “PID control for the robotic exoskeleton: Application to lower extremity rehabilitation,” IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, 2012
[2] C. Fleischer, et al. “Application of EMG signals for controlling exoskeleton robots.” Biomed Tech (Berl), 2006
III. 柔性交互控制 —— 提高外骨骼和人交互的 “透明性”
[3] Y. Ding, et al. “IMU-based iterative control for hip extension assistance with a soft exosuit,” ICRA, 2016
[4] G. Lee, Y. Ding, I. G. Bujanda, N. Karavas, Y. M. Zhou and C. J. Walsh, “Improved assistive profile tracking of soft exosuits for walking and jogging with off-board actuation,” IROS, 2017
IV. 能量成型控制 —— 借鉴双足机器人的无源步态控制
[5] G. Lv, H. Zhu and R. D. Gregg, “On the Design and Control of Highly Backdrivable Lower-Limb Exoskeletons: A Discussion of Past and Ongoing Work,” in IEEE Control Systems Magazine, 2018
V. 贝叶斯优化 ——控制参数的优化与学习
[6] Y. Ding, et al. “Human-in-the-loop optimization of hip assistance with a soft exosuit during walking,” Science Robotics, 2018
[7] Eric Brochu, Vlad M. Cora, Nando de Freitas, “A Tutorial on Bayesian Optimization of Expensive Cost Functions, with Application to Active User Modeling and Hierarchical Reinforcement Learning”, arXiv:1012.2599, 2009
VI. 小节
以上只是简单调研了几篇文献, 值得一提的是韩国三星的助老用的髋关节外骨骼在论文发表和产品开发都很不错.
个人对外骨骼应用的看法
自己接触过一段时间的外骨骼研发, 个人对外骨骼应用的看法:
外骨骼用在帮助残障人士、术后康复训练、老年人日常助行等方面应该确有需求. [!]
消防、救援等场合, 外骨骼是否带来正真的助力和灵活, 而不是增加使用者的负重和阻碍呢. [?]
至于工业、军事等应用, 为什么不直接把机器人造好呢？毕竟把人放在战场或者恶劣环境都不人性化. [X]
