为了帮助恢复平衡机器人外骨骼必须比人类反应更快

可穿戴机器人有望帮助老年人保持活动能力，帮助截瘫患者恢复活动能力。它们可以帮助人类变得更强壮、更快。但是，到目前为止，它们还不能很好地防止人们跌倒。

人体平衡是一种复杂的舞蹈，即使是最先进的机器人和机器人外骨骼等可穿戴设备也难以复制我们的大脑和身体如何协同工作以保持直立。佐治亚理工学院和埃默里大学研究人员的一项新研究迈出了解决平衡问题的第一步。

在2月15日发表在ScienceRobotics上的一篇论文中，该小组表明，脚踝外骨骼必须比我们的身体反应更快才能改善平衡。当外骨骼延迟施加动力直到同时激活腿部和脚踝的肌肉以恢复平衡时，参与者并没有更快地恢复。

“令人惊讶的是，使用外骨骼的生理延迟帮助根本没有帮助，”在研究期间担任佐治亚理工学院博士后研究员、现任东北大学助理教授的马克斯谢泼德说。“我对结果感到惊讶——惊喜。我认为这是一个非常迷人的结果。”

该团队使用了一双来自DephyInc.的商用脚踝外骨骼靴进行研究。参与者穿上靴子，站在埃默里大学LenaTing神经力学实验室的定制平台上。

研究人员突然移动平台——他们称之为扰动——导致受试者失去平衡并恢复过来。他们测试了三种情况：没有外骨骼辅助、延迟辅助以配合身体的自然反应以及比生理反应更快的辅助。他们报告说，在身体自然反应之前传递踝关节外骨骼扭矩，可以让受试者在不迈出一步的情况下承受9%的更大扰动;延迟扭矩没有显示出任何改善。

“许多假肢或外骨骼是由来自人类佩戴者的生理信号驱动的，无论是他们的肌肉活动还是他们的大脑活动，”佐治亚州华莱士H.库尔特生物医学工程系教授兼麦卡米什基金会特聘主席Ting说。技术和埃默里。“你测量脚踝周围的肌肉，每当它继续时，你就打开exo。这里的含义是，这不会对平衡起作用。”

正如合著者GregSawicki所说，这些发现“稍微颠覆了”这些机器人工具的叙述。

“主要的控制方法是窃取人类的反应，然后再叠加它。我们在这项研究中表明，这肯定不够好，至少对于站立平衡而言，”乔治研究所副教授Sawicki说。W.Woodruff机械工程学院和生物科学学院。

Shepherd说，不能简单地跟随身体自身的反应来驱动外骨骼的激活，这使得制造一种可以帮助人们在现实世界中恢复平衡的装置变得更加困难。但它也为研究人员提供了令人兴奋的探索途径，包括使用机器学习方法来检测和响应扰动。

身体对失去平衡的反应仅需150毫秒左右，因此如果要击败生理反应，脚踝外骨骼有一个非常小的激活窗口。在他们的实验中，该团队使用类似于智能手机中的加速度计来跟踪扰动期间脚的加速度并触发外靴的激活。

图片来源：佐治亚理工学院

注入某种形式的机器学习的更智能的控制器最终可能会有希望。但是，有趣的是，为这些算法提供数据可能需要来自远不止脚踝的数据。

研究人员报告说，来自外骨骼的人为快速辅助扰乱了脚踝的初始运动，尽管无论靴子是否激活，肌肉活动都是一致的。事实上，脚踝处的局部信号会导致外骨骼在错误的方向上提供扭矩，这会更加不稳定。

该团队表示，这支持这样一种观点，即肌肉不仅由脚踝处的局部感觉信息驱动，而且由来自全身的信息驱动。

Ting说，近50年前的研究表明，全球生理信号比仅来自脚踝和腿部的局部信息更能预测身体的平衡矫正行为。但这些研究并未以这种方式进行测试。

“这个想法是你的重心，基本上是你整个身体的净运动，驱动脚踝肌肉需要做的事情，”同时也是埃默里康复医学系教授的Ting说。“我喜欢我们的发现，因为他们将1970年代的这个故事现代化，并以非常清晰和适用的方式展示它。我喜欢这个exo现在可能是我们实验室的一个实验设备，可以实际演示当本地人使用哪个信号时信号与全局信号冲突。”

除了Ting、Sawicki和Shepherd，该研究的作者还包括OwenBeck，他是Sawicki实验室的博士后研究员，现在是德克萨斯大学奥斯汀分校的助理教授;埃默里研究工程师RishRastogi;和博士后GiovanniMartino，他很快将成为帕多瓦大学的助理教授。

“其中一件真正特别的事情是，我们能够提出一个关于外骨骼与人类之间相互作用的非常具体的问题，并更多地了解外骨骼如何帮助或破坏人类的生理反应，”Shepherd说。“这项研究是一种非常干净的方式，可以提供改善平衡的洞察力，这可能成为外骨骼中一个非常非常大的子领域。”

为了完善他们的理解，该团队使用了运动捕捉技术和带有肌电图(EMG)和超声波传感器的有线参与者，这样他们不仅可以详细跟踪脚踝和外靴如何协同工作或相互对抗，还可以详细跟踪肌肉被发射以及强度如何。

Sawicki说：“这不仅仅是用机器人的力量炸开人，然后看看会发生什么。我们也在解释为什么以及在皮肤下发生了什么。”“这是工程设计的重要前进道路。这也是一个信号，表明你的机器人实验室需要一些生理学家，生理学实验室需要一些工程师。”