假如外骨骼有了脑子——浅谈外骨骼与人的协同与控制

引子

我在一个技术交流群谈起一个话题:假如外骨骼有了脑子,当它融合了所有的人机传感器信息,然后通过智能决策判断出当前时刻要给穿戴者的腿施加力,才能防止穿戴者和外骨骼在下一时刻摔倒,而穿戴者此时觉得不应该助力,外骨骼要怎么办?

换句话说,人机决策不一致时,听谁的?

一个同学直呼“接受不能”,他不能接受一个反叛的外骨骼,就像人类没法接受一个反叛的AI一样,更何况前者直接关系到人的安全。

很难有人说清楚人自己是怎么具体调控身体的运动控制的。刹那间的扰动,人的避险动作往往来自于生命的本能,而不是理性的计算分析。

假使外骨骼学会了人类的避险行为,在危险来临时高效地决策出一个完美的避险方案,并施加控制影响人的行为,从而达到避险的目的。某种意义上,这种智能与人天生的避险智能别无二致。如果我们相信一个人能够躲避危险,那我们也应该相信同等能力下的外骨骼也能躲避危险。

但是人们仍然会恐惧。

人的恐惧往往来自于未知的不受控制。

所以我们一定要理解外骨骼与人的协同关系,并合理地控制它。这也是为什么外骨骼与人之间的交互关系是外骨骼技术的核心议题之一。

早在维纳《控制论》中,就已经开始讨论起人这种智能体的行为怎么去理解,他并不认为人的智能与机器实现的智能在本质上有很大的区别。从行为论的观点看,人与机器人都是可以看做能完成一定行为的黑箱罢了。这种思想将人的智慧同人的运动能力等同了起来,既然能用机械系统实现人的运动能力,那也能用计算机系统实现人的智能。

机器人学科的发展历史几乎完美地体现了控制论的思想。目前的机器人,不仅在本体实现上越来越接近人,在智能的发展上也正在追赶人的智能。当把机器人真正当做一个智慧体后,我们还可以进一步的思考:我们与其的交互会是怎样?

在回答这个更进一步的深刻问题前,我们或许可以问的更浅一点:我们与机器人的运动交互会是怎样?

协作机器人、外骨骼机器人、智能假肢等领域正是这个时代背景下直面这个问题的前沿领域。


挖掘机与随从

早期的外骨骼通常被理解为这样:它们穿在人身上,接收人的操作指令(不管这种指令是开关信号的还是动作信号的),产生与人相仿的运动,并在运动中代替了穿戴者与环境交互。从整体来看,人操纵外骨骼举起了重物,或者人操纵外骨骼打碎了木板,都可以看作人的力量被外骨骼放大了。所以,早期的外骨骼可以算作「力量放大器」。

XOS 2

其实力量放大器我们早就见识过了,挖掘机就是这类产品的代表。哪个男孩不想开挖掘机,这正是人们对力量放大的朴素愿望。但是挖掘机的操作还是太愚笨了,几根操纵杆分别控制大臂小臂的液压缸的运动,相比较人体对于手臂的灵活控制还是差了太多。人们还是更期待直接复制身体运动的力量放大器,早期的外骨骼就承担了这样的期待,与其承担了同样期待的产物还有遥操机械臂、遥控机器人等。

a:徐工-全地形挖掘机;b:Sarcos-Guardian GT

但是,将人考虑到这个控制环路中来,我们会发现挖掘机的动作并不会反馈到操作者身上来,人相当于只是适时发出指令。挖掘机本身即使有控制回路(如伺服控制回路),但将人从控制回路中剥离也不会影响挖掘机挖土的功能实现。

因此,完全可以预先写入程序,加入自动控制系统,将挖掘机变成挖掘机器人,让整个挖土过程自动化起来,从而解放操作者。虽然目前因为操作者技术的暂时不可替代性、经济性、灵活性等原因,挖掘机挖土过程并没有完全自动化起来。但是从整个环节来看,挖掘机代表的「力量放大器」技术并不需要对人本身的理解。

换言之,将外骨骼看作「力量放大器」并不涉及这个时代最要紧的话题,它不会去试图理解人本身的运动规律,只是做了一些将摇杆操作的指令转化成人身体控制的指令罢了。此时外骨骼就是机械的随从,完全听命与操作者本身。


革人小脑的命——青出于蓝而胜于蓝

机器性能逐步发展并不断超越一般人,已经是不争的事实。高精度工业机床已经干掉了一大批普通工业加工者,迫使普通机加工人员需要掌握更高等级的技能,或者干脆掌握如何操控机器的技能。一个好的无人机飞控可以秒杀一大片普通飞手。火炮的瞄准稳定也不再是炮兵必备的技能,而是转为了火控系统的功劳。控制技术的发展已经在取代一些定义准确重复性高的平凡劳动,而这种取代将要发展到人的运动控制中也只是时间问题。

人的运动控制主要可以分为这几部分:大脑对顶层运动任务的规划、小脑作为中层控制中枢对运动信息整合与处理、运动神经传导与反馈信息、骨肌系统执行功能。

而现代机器人的整个控制系统也可以归为这样的几部分:顶层控制器作任务规划、中层控制器做运动控制、传感系统反馈信息、执行部件完成给定动作。

人类在快速性、负载承载能力、精度特性上已经开始比不过工业机器人了。即使目前机械手的灵巧性不如人手,但随着3D打印技术的发展、小型驱动器的发展,完整的小型机械臂+机械手的运动性能超越人的手也只是时间问题。随着波士顿动力机器人的后空翻,我们也有理由相信目前的技术是可以让机器人的运动控制能力达到一般人的水平。

总之,机器人的运动能力总会有一天超过一般人的运动能力,到时会后空翻的机器人会越来越多。那么,当外骨骼机器人也能发展到这样的运动控制能力时,就会引出一个机器人伦理问题:把腿交给外骨骼?还是自己走?

事实上,这一问题已经出现了。那些帮助失去运动能力的人重新走路的外骨骼、那些给腿脚不便的老年人行动助力的外骨骼、那些给需要恢复运动能力的人康复的外骨骼,都是建立在“外骨骼运动能力比穿戴者好”的基础上的。

在助老、助残、康复问题上优先实现了将人的身体控制部分交给外骨骼,可能只是因为当前技术条件下实现起来相对简单。那么,当外骨骼技术发展到比一般人的运动能力也要好时,这个伦理问题将再次被提出。

正如引子所说,假如我知道外骨骼的性能优于我,在危险扰动来临时它总能替我做出更加正确的判断,并且有比我更卓越的如同运动员一般的身体控制能力,我为何不放心地把运动控制交给它?就像汽车的ABS刹车系统比我脚的刹车技术更优,所以我可以放心地把刹车力度控制任务交给它自动地快速地完成。

这个安全伦理问题将会在后面再次讨论。


人机协同,而不是机器随从

由上述分析我们看到,外骨骼的能力会越来越强大,使得我们可以逐步地放权,让其更多地参与到人机系统的协同运动上来。因此,首先要打破的是这个“外骨骼就是力放大器”的概念。

诚然,力放大器是外骨骼比较安全的一种发展选择,但是也带来了诸多弊病。

首先,外骨骼要能成功复现人体运动,那其必须得有和人相当的可控自由度。也即,假如要实现一个全关节下肢外骨骼,即使人脱下它它也能完成自平衡、行走等任务,那它相当于一种可以穿戴的双足机器人。

人的双下肢共有14个自由度,因此外骨骼为了能够自由控制这14个自由度的运动,至少需要14个执行器。事实上,人的下肢执行器——骨骼肌数量远不止14个。现有的科学技术尚达不到能全面超越人体肌肉的的执行器。其体积、重量、功率质量比、运动灵活性、抗冲击性等诸多性能均不及人体肌肉,或者一方面性能足够但其他性能就远远不足。[1]

这样带来的后果就是,外骨骼要模仿人的话,代价很高。

早期的外骨骼采用了足够媲美人肌肉力量、速度性能的驱动系统——液压系统或大电机。下图就是此类外骨骼的代表。[2][3][4][5]

但如果不用这些高力量性能的驱动系统,外骨骼又不足以提供超越人的力量。所以只能牺牲重量性能去换取「力量放大」。

因为外骨骼的重量主要来自于驱动系统,如果想减轻外骨骼重量,我们可以减少驱动器数量,用欠驱动的思路。只驱动某些关节的某些自由度,而其他自由度则作为被动自由度,完全跟随人体的主动引导,不驱动器驱动。

在新一代轻质高性能的驱动技术出现前,解决外骨骼笨重的方法不可不用欠驱动。

外骨骼的技术路线也因为必然的欠驱动发生了重大改变。人们意识到,外骨骼不应是双足机器人或机械臂的复制,它应有自己独有的结构形态。

这种独有的结构形态是什么样的,研究者们将对人的理解代入系统整体思考后,答案逐渐清晰。

欠驱动首先会带来平衡问题。欠驱动外骨骼在某些姿态下不能通过驱动所有关节保持自身的平衡,必须要人穿进去代替这些欠驱动关节的平衡。

而对人运动的理解将是欠驱动外骨骼构型取舍的关键——我们要通过人的运动规律,确定哪些关节自由度可以欠驱动,哪些关节自由度不能欠驱动。

故在后续的外骨骼研究中我们看到,全下肢外骨骼大都只驱动矢状面的自由度,如髋、膝、踝的屈/伸,因为这些自由度和人运动关系密切。而大部分时候髋的外摆/内收和外旋/内旋,某些时候踝关节的屈/伸,都是作为被动自由度,因为将这些关节加上弹簧、阻尼、限位后,即使不主动驱动也不会对运动产生很大的影响。

a:洛克希德马丁-HULC下肢负重外骨骼;b:Cyberdyne-HAL下肢康复/助力外骨骼;c:ReWalk Robotics-ReWalk6.0下肢康复外骨骼;d:韩国现代-H-MEX下肢康复外骨骼

这种去关节的思路还可以更进一步。如果说某些关节所有自由度都不需要驱动,那甚至可以取消掉它,只保留驱动的关节。

去掉一些关节必然使外骨骼无法将负重传递到地面,但负重对于外骨骼只是其中一个用途,在更广义的定义上,外骨骼应算作一种「增强人体运动能力」的装备。而这种只驱动部分关节的外骨骼也能增强人体运动的能力。

这样的思路促进了一大批单关节助力外骨骼,还开创了柔性外骨骼这一大领域,而且柔性外骨骼比单关节外骨骼更加本质——它连骨骼也不需要。

a:哈佛大学-Soft Exosuit柔性下肢助力外骨骼;b:B-Temia- Keeogo(或洛克希德马丁- ONYX)膝关节助力外骨骼;c:ReWalk-ReStore柔性踝关节康复外骨骼;d:MyoSwiss-Myosuit柔性膝关节康复外骨骼

这些外骨骼从其驱动方式来看更应该叫做“外肌肉”。作为“外肌肉”的外骨骼,完全的人体跟随控制策略已经起不到「力放大器」的功能,因为各种负载直接通过人体传导,只负责跟随人体的它们甚至会成为额外的负担。

从功能上,“外肌肉”需要发挥着和人体肌肉一样的功能——专门为某些关节提供助力扭矩,然后提前或同时于人体肌肉发力以减轻人体肌肉的负荷,才能达到「增强人体」的目标。

从能耗的角度看,“外肌肉”也不需要时刻保持功率输出状态,而是需要借助人的运动规律简化控制策略。

目前的外骨骼驱动系统性能本就不如人体,若还要用「力放大器」的控制策略——驱动系统一直以高增益状态去完全模拟人体的运动,让驱动器持续输出功率,也将是个能耗的无底洞。

而人的运动策略经过长期的进化,使得肌肉并不需要每时每刻都发力,其对肌肉做功合理的运用使得步行变得高效。

例如,人步行时的摆动腿并不需要肌肉时刻发力去维持其摆动的轨迹,而是充分利用了“摆”这个动作,在步态某一时刻肌肉爆发性出力,从而将上身质心移动的动量转移到了摆动腿的前伸。人体运动利用关键时间段的恰当的关节力矩,就可以起到所需的效果,四两拨千斤。

动图封面

因此,不仅从功能的实现,还是从高效的驱动上看,“外肌肉”都需要充分地消化人体运动规律,才能达到更好的「增强人体」的效果。

那么,如何在关键时机施加恰当的关节力矩,就是这类“外肌肉”类外骨骼的新的控制策略问题。这些问题的解决需要外骨骼具有感知人体运动意图的能力,和获取意图后自主决策助力方案的能力。

外骨骼本身就有影响人体运动的能力,若再具备感知、决策的能力,这类外骨骼系统就会成为一种与人互相依存的智能体。没有人,就失去了对环境的感知,就失去了自身采取何种助力控制的反馈,就失去了决策的基础,失去了其智能性。人在环路或将成为这类新外骨骼最本质的特征。

从上述技术发展路线可以看到,将对人的理解代入系统来思考,外骨骼不仅需要简化,也需要智能化。

因此,正如你无法期待手偶娃娃会说出令你惊喜的话一样,只作为力放大器的外骨骼无法真正地知道穿戴者需要什么,它只是随从。

完全听话的手偶

而作为智能体的外骨骼至少能够自主地判断穿戴者需要什么,并做出相应的决策动作。如果这些动作是“阻碍”穿戴者的,它可能是认为穿戴者即将倒下,从而给予他的支撑力。就像真心朋友在你得意忘形时的逆耳忠言一样,它不一定好听,但对你有帮助。

当然,外骨骼发出的不一定是“忠言”,也可能是危险的发言,这将带来人机交互的安全问题,后面将会讨论这个问题。


人机协同的抽象内涵

1.人机交互关系的种类

想象一个简单的经典的外骨骼任务:负重。

我们可以将负重理解为一个斜面传送带上的物块,物块与传动带相对光滑,在没有人去推它的时候它会下落。而人背负重可以理解为人站在传送带上去推着这个物块,人与传送带不会相互滑动。此时外骨骼在该模型的中的位置根据它自身功能的不同而不同。

A.如果负重加在外骨骼上,外骨骼起到的作用是代替人去负重,那相当于外骨骼在推这个物块,而人只是去调节外骨骼的姿态去让它更好的平衡。此时三者的关系如下图所示:

外骨骼推物块,人调整外骨骼姿态

A类情况下,人传递给外骨骼的只是信息,外骨骼收到人的信息后自主改变姿态、推的力度、行进的速度等自身状态。而外骨骼能影响人体的,可能只有无法平衡后的摔倒罢了。假使人远程操控外骨骼,则外骨骼让人摔倒的影响也不复存在了。如前所述,该类外骨骼的局限在于需要强大的本体,以至于代价不可接受。

B.如果负重加在人身上,外骨骼提供的助力是传递到人身上的,那相当于人在直接推这个物块,外骨骼是在推人。三者的关系如下:

外骨骼推人,人推物块

B类情况下,外骨骼接收的是人本身的信息,而负载的信息则通过对人体造成影响而间接传递。外骨骼通过对人的理解,自主决策是否要继续推人。假如负重发生了变化,比如突然变小了,外骨骼感受到人因为负载变小而发生的变化,也立即减小自己的推力,从而不会错误地继续给人以推力,使人踉跄。

当然,负重的变化最先引起人的变化,如果人迅速地调节了自身的状态,使得这种变化难以被发现,那就会给外骨骼带来理解上的困难,进而增大误判的风险。此类情况的外骨骼需要面对理解人本身的困难,还需要面对因为人的适应性带来的困难。

C.如果外骨骼和人一起推物块,人和外骨骼各自承担一部分负载,如下图所示。当然我们期望人承担少一点,外骨骼承担多一点。

外骨骼和人一起推物块

C类情况下,外骨骼直接接受负重的信息,人也部分接受负重的信息。关键在于外骨骼与人是并联的关系,人的对负重的感受和外骨骼对负重的感受互相影响。假使人做出了意料之外的举措导致自身受到的负重变小,那么外骨骼一方的负重就会加大,外骨骼作为一个智能体会做出应对这种负载变化的决策,例如改变自身姿态、增大关节力矩等等。

要清楚的是,外骨骼这种改变自身状态的决策不能直接影响到人,否则就会产生类似A类或B类的人机交互效应。外骨骼做出的决策只能通过负重的影响而间接影响人。所以这类情况下外骨骼与人不是强耦合的,人机之间甚至不需要完全连接。

C类关系有点类似目前协作机器人与人的关系,但也有细微不同。

一般的协作机器人本身有自己的控制目标,比如将负载移动到目标位置。同时它又具有感知外界环境对其自身造成扰动的能力,比如能够感知人在推它,进而改变自己的运动规划去顺应这种扰动。

但是,目前协作机器人如果是通过末端拖动、本体拖动、或隔空感知的方式来感知环境,就不属于C类情形所述的通过对负载变化的感知来做出决策,采用人拖动控制的协作机器人似乎应该分到A类中去。

不过总的来说,协作机器人具有“自身的智能”,外界环境的影响都只是间接地影响到它的决策,况且协作机器人并不与人在运动上强耦合,所以协作机器人更适合C类情况。

简单总结一下:

  • A类情形可以称作“人带动外骨骼”;
  • B类情形可以称作“外骨骼带动人”;
  • C类情形则可以称作“人机协作”。

现实中,一款实际的外骨骼可能存在不止一种类型。

  • 一款下肢负重外骨骼,在后腰有个托盘,背负的重物就通过该托盘将负载传递到外骨骼结构上。但重物可能装在背包里,人会背起背包的肩带,这种情况就是A类和C类的复合情形——人既操作外骨骼去承载负重,同时自身也承载一定的负重。
  • 一款步行助力外骨骼,在大部分时间外骨骼是被人带动的,但是在步态中的支撑相时外骨骼关节可以施加扭矩给人,减轻人肌肉的负担。这种外骨骼就是A类和B类的复合。
  • 一款步行助力外骨骼,负重背在人身上,在步态支撑相时给人施加关节助力,同时自身也会给负重提供一个支撑力以减轻人的肩部负担。这种就是B类和C类的复合。

以上A/B/C类型中,负重的含义可以是整个控制任务所需背负的重量,也可以代表穿戴者自身的重量。因为在一些康复外骨骼中,穿戴者不具备举起自身重量的能力,需要外骨骼辅助支撑自己。

除此之外,还有外骨骼只与负重有关系、人只与负重有关系、人只与外骨骼有关系的简单情形,不作讨论。

2.人也有智能

人机协同系统中,外骨骼和人都能算作智能体。在很长一段时间内,人的智能将会是更高的。那么高智能的可以包容低智能的,因为前者可以快速适应后者,而后者无法完全理解前者更高级的智能。

目前外骨骼的人机适应性能与其说是其智能算法的功劳,不如说是人的适应性很牛逼。穿戴者只要一穿上外骨骼,走上几步,很短的时间内就能理解外骨骼的一些逻辑,并调整自己的步态去适应外骨骼。

“是的,我只花了一天就学会了用外骨骼砍外星人”

事实上,人的这种高度适应性会给外骨骼自适应算法研究带来一定的困难,因为有时候分不清是人穿外骨骼走更熟练了,还是外骨骼更适应人体了。

有关这方面的研究属于Human-Robot-Interaction领域的范畴。我对这方面的了解不是很多,但这是目前比较前沿的领域。这个领域会讨论很多有趣的问题,例如研究技术对人行为的异化,对社会的影响等。但如果有对外骨骼的存在对人产生的长期影响这方面的讨论就更好了,因为假如外骨骼民用普及后,这些问题将会讨论的更多。


人机协同下的控制任务

不同应用场景下,人机协同的方式不一定一样,这导致了外骨骼所需的控制任务也不一样。分清楚各类应用场景下的外骨骼所需控制任务,也是理清外骨骼所需控制策略前提。下面从外骨骼的几大经典应用领域分析典型场景下外骨骼的控制任务。

1.军事背景

外骨骼通常被理解为一种单兵增强装备,它能提升士兵的负重行军能力、搬运操作能力。在未来,还被期望提高士兵的运动能力、精细操作武器的能力、作为单兵平台搭载各类信息化装备的能力等等。

负重与搬运,是当前最接近现实的军用外骨骼应用场景。

注:以上两图并不在同一地点拍摄,甚至不是同一军队

对于负重来说,外骨骼需要在长时间徒步行军中,提升单兵负重上限,同时不影响穿戴者的各类负重下的运动,从而降低单兵长时间负重的疲劳。因此「徒步时支撑负重」、「不干扰徒步动作」就是负重型外骨骼的控制任务。

a:傲鲨智能-HEMS-GS下肢负重外骨骼;b:牛迪科技-普力无源下肢负重外骨骼;c:迈宝智能-黑熊无源下肢负重助力外骨骼;d:肯綮-Ant-K1下肢负重外骨骼;e:HULC下肢负重外骨骼

对于搬运外骨骼,它需要在单兵搬运重物时给穿戴者一个辅助搬运的力,从而减轻单兵搬运疲劳,提高搬运效率,同时在单兵不在搬运的时候不影响穿戴者的运动,跟随单兵的动作。此时的「搬运时助力」和「不搬运时跟随」,就是搬运外骨骼的控制任务。

需要注意的是,这些控制任务并不将外骨骼局限于“主动驱动”中。因此我们可以看到负重外骨骼、搬运外骨骼都有无源的类型存在。虽然无源外骨骼没有所谓的电子控制系统,但它也需要完成这些控制任务,只是手段上采用了机械机构的无动力方式。

比如搬运外骨骼,需要设计合理的动作序列机构,使得在一定的操作顺序下提供搬抬助力,和卸掉搬抬助力以不干扰人体运动,这两种功能。其实也是控制策略的体现,只不过设计者将“控制算法”写到了结构里——一组特定功能的有序实现。如果是有源外骨骼,那也是用程序算法实现这两种功能,并控制执行单元完成功能。

a:INNOPHYS-Muscle Suit无源气动肌肉腰部搬运外骨骼;b:HeroWear-Apex无源腰部助力外骨骼;c:ottobock-Paexo无源腰部搬运外骨骼;d:迈宝智能-黄蜂无源腰部搬运外骨骼

2.康复医疗

康复医疗领域,外骨骼的用途大致可分为:康复训练、运动替代

对于不同伤病等原因导致的人体运动能力损失,都可以归为:

  • 部分损失且可康复
  • 部分损失不可康复
  • 完全损失且可康复
  • 完全损失不可康复

不可康复的情况下,患者一般希望的是重新拥有运动能力。但根据运动能力损失程度不同,患者主动参与运动的部分也就不同。一个小腿肌肉坏死但大腿肌肉完好的患者,可能仅仅需要膝部以下的腿部外骨骼来辅助小腿的运动,而中位截瘫的患者则往往需要全身外骨骼的代替性运动。对于前者来说,控制任务可能只是「预测步态」并「代替穿戴者的小腿和膝关节来支撑身体运动」,而患者可以自行控制大腿的运动;而中位截瘫用外骨骼的控制任务,则是「完整地复现下肢行走」并「保持平衡」。

但由于成本限制与安全性考虑,目前用于全下肢瘫痪患者的大部分康复外骨骼中,「保持平衡」这一功能被拐杖、减重自走车所代替。

a:布法罗机器人-Aider截瘫下肢康复外骨骼;b:程天科技-UGO下肢康复外骨骼;c:傅利叶智能-ExoMotus下肢康复外骨骼;d:Cyberdyne-HAL下肢康复外骨骼

在可康复的情况下,一般都希望患者在训练下恢复运动能力,因此康复训练的外骨骼的不仅需要外骨骼能「复现运动」,还要有「识别患者的主动参与程度」的能力

比如手部康复训练外骨骼通常是感知穿戴者手部执行某种运动的意图,例如抓握,然后控制执行器实现抓握动作,在反复的肌肉运动与人体控制神经刺激下,穿戴者的肌肉运动——神经回路才会逐渐搭建起来,从而达到恢复手部运动的能力。

a:傅利叶智能-HandyRehab手功能康复机器人;b:Gloreha-Sinfonia手部康复外骨骼;c:司羿智能-Syrebo Hand手功能康复机器人

不过有些可康复患者,在康复训练初期也是完全损失运动能力的,因此在这类康复训练的外骨骼控制任务中,还应包含「完整地复现下肢行走」的能力。训练到患者有部分运动能力后,再「识别患者的主动参与程度」并「复现运动」。

比如脑卒中患者在康复训练初期,需要抑制其异常步态出现,这个阶段外骨骼的控制任务就是带着患者按照预设的正常步态行走。当患者康复到一定程度以后,再使用人机协调控制策略,使患者在肢体运动中主动参与,会更有效地建立运动神经与对应肌肉的联系。
(此段内容咨询了程天科技的赵晴宇以保证专业性)

3.工业领域

对于工业领域,根据工业需求也可分为:搬运、辅助支撑

在物流行业中的货物搬运,与军事领域中的弹药搬运,所需外骨骼的控制任务几乎是一致的,都是「搬运时助力」和「不搬运时跟随」。

a:傲鲨智能-HEMS-L腰部搬运外骨骼;b:铁甲钢拳-CEXO-E03腰部搬运外骨骼;c:ATOUN-MODEL Y腰部搬运外骨骼;d:Cyberdyne-Lumbar腰部助力外骨骼

对于辅助支撑类外骨骼,其主要功能是在需要时支撑身体或工具,以减轻穿戴者长时间维持某个姿势导致的疲劳,或减轻长时间操作较重工具引起的疲劳。所以此类外骨骼的控制任务就是「托举支撑」和「非托举状态卸力」。

例如上肢辅助支撑外骨骼就是在工人举着工具时锁住上肢关节,使支撑臂托住穿戴者上肢,减轻其长时间托举的疲劳,如果不需要托举则按某种操作放下手臂即可解除外骨骼关节。

下肢辅助支撑外骨骼就是在穿戴者半蹲姿势时锁住下肢关节,或给臀部一个托举力,此类外骨骼也称为外骨骼座椅。

而腰部辅助支撑外骨骼则有另一个常用的名字:斯坦尼康。因为较早在影视行业应用,且原理特殊,故独一般不归为外骨骼这一类。

a:ekso-EVO无源上肢托举外骨骼;b:suitX-LegX腿部支撑外骨骼;c:洛克希德马丁-FORTIS工具支撑外骨骼;d:斯坦尼康

4.运动生活

运动生活领域中,外骨骼的用途主要可分为:运动辅助、运动防护。

运动辅助外骨骼一般是理解为:穿戴者本身不期待外骨骼能够恢复他的运动能力,只是希望其不要影响日常运动,并且让走路、上坡、上楼梯等费力的运动更加轻松。

那么这类外骨骼的控制任务就是「识别运动模式」、「适时提供助力」和「适时不干扰运动」了。

a:本田-行走助力髋部外骨骼;b:肯綮-Ant-C1步行辅助髋部外骨骼

而另一些场合,需要穿戴主动助力的外骨骼防止运动损伤。比如滑雪用膝关节外骨骼,在运动者落地瞬间提供支撑力,保护人体膝关节不受过大的冲击力,其他时刻关节主动助力来平衡身体的动载。这类外骨骼的控制任务就是「适时提供缓冲」和「适时助力」了。

ROAM Robotics 气动膝外骨骼

如果目光再放长远一些,想要实现钢铁侠mark2、明日边缘里那样的外骨骼。可以设想那种外骨骼的控制任务是什么:需要「时时刻刻的运动跟随」,「代替人体背负武器与装甲负重」,「代替人体承受武器发射的动载」「感知人体跳跃、飞行等意图并增大功率执行」,「感知穿戴者意图以选择攻击目标」等等

总之,当你细化某类外骨骼的控制任务,就会发现这其实就是这类外骨骼的核心设计目标,细分的控制任务就是对这类外骨骼人机协同状态的具体阐述。


对症下药,选择控制策略

在上述的军事、康复医疗、运动助力还是工业领域中,我们可以发现有些类型的控制任务是相似的,比如:

  1. 复现人体运动:「运动复现」「完整复现下肢行走」
  2. 在适当时机给予人体关节助力:「适时助力」「搬运时助力」
  3. 在适当时段跟随人体运动:「不干扰徒步动作」「不搬运时跟随」「适时不干扰运动」「非托举状态卸力」
  4. 支撑与缓冲:「徒步时支撑负重」「代替身体的一部分来支撑身体运动」「托举支撑」「适时提供缓冲」
  5. 感知并预测人体运动:「识别运动模式」「预测步态」「识别患者的主动参与程度」

以上5点控制任务是高频出现的,解决这些控制任务的控制策略也是被讨论的最多的。

复现人体运动。多出现在医疗康复领域,是早期康复类外骨骼期望达到的目标,因为近似于普通机器人的轨迹控制,较为简单。

在适当时机给予人体关节助力。这类控制任务与人体骨骼肌运动的目标相似,故可称这类助力型外骨骼为外肌肉。外肌肉控制策略的重点在于适当地施加跟人体主动肌类似的驱动力。

在适当时段跟随人体运动。跟随其实是一种控制效果——让外骨骼的运动与人保持一致。外骨骼要达到跟随效果,大部分只需要借助人机交互信息作为反馈。

支撑与缓冲。这类控制任务更多强调的是外骨骼的应用需求,但解决这种需求的方式并不只是控制,结构设计通常也能解决(比如关节支撑策略与结构实现)。主要采取增加支撑腿关节的刚度,或用特定机构撑起人的手臂等策略。

感知并预测人体运动。这是顶层控制任务,往往不只用控制方法解决,因为人的不同动作不能一概而论(走路和下蹲就不是同一类运动)。

我最近刚好看到一篇外骨骼控制方法的综述[6],其系统地梳理了2000年来助力型下肢外骨骼主要使用了哪些控制策略。其主要控制方法如下图所示。

作者把外骨骼的控制分成了顶层、中层、底层三大部分。为了区分感知和运动控制,还将中层分成了感知和运动控制两类。

顶层主要用来确定外骨骼工作模式。有些外骨骼可以执行不只一种控制任务,比如可以同时行走助力和运动跟随。为了切换不同的工作模式,可以采用手动输入、脑机接口、运动识别、地形探测等方式。其中用穿戴者的运动来识别比较常见。

中层则是外骨骼控制算法的主战场。

  • 感知算法用于在已知工作模式后确定人体步态相位,或具体的步态。例如可以通过步态周期中标志性事件(例如脚掌触地)来区分步态相(EVT),或者采用自适应频率振荡器的方法(AFO)确定规律步态的步频和相位;在已知初始步态相的情况下,可以通过简单线性递推得到后续规律步态(LNP),或通过状态机(FSM)切换不同步态。
  • 运动控制则通过步态信息,结合具体控制算法给底层控制生成需要跟踪的关节参考角度曲线、或参考力矩曲线。例如位置参考曲线控制(PPR)、力矩参考曲线控制(TPR)就是直接设计一种参考曲线下发给底层控制器;阻抗控制(ZCT)是通过人机交互力信息生成关节参考角度或参考力矩;也有用肌电信号的肌肉激活度放大(MYO),作为底层控制的输入。

底层控制则属于执行器的伺服控制。通常可以采用传统的位置/速度控制(POS)、开环力矩控制(OLT)等去跟踪参考轨迹。但也有利用执行器特殊的力驱动特性(PME)去实现柔性控制的(例如气动肌肉的机械柔性)。

当然,虽然作者统计的是助力型下肢外骨骼的控制策略,但是其中一些控制策略也可以用在其他控制任务上的。比如:

  • 阻抗控制可以用来增加外骨骼助力时的柔性,也可以用其对应的导纳控制实现人机跟随;
  • 运动识别可以用来辅助判断步态相位,也可以作为区分跟随任务和支撑任务的依据;
  • 执行器的机械柔性可以用在柔顺控制上,也可以帮助实现运动缓冲。

同一款外骨骼可能具有多种控制任务需求,将控制任务细分并总结后,可以采取模式化的控制策略方法,按模式的不同而使用不同的控制方法。


外骨骼控制的安全伦理问题——无人车的控制权

首先区别一下,这里讨论的安全问题不是指使用条件超出了设计许用范围导致的安全问题。外骨骼的设计者应当知道这种非正常因素导致的安全问题,从而设计之初就采取相应的保护措施。例如:

  • 在关节处设置限位结构,防止程序出错导致不正常的关节角度;
  • 助力外骨骼中,在助力算法中采取保守策略:只对动作触发条件明确的动作进行驱动助力,而在感知到模糊、混乱的动作信息时放弃助力,采取其他的策略。
  • 负重外骨骼中,在算法或结构上加入保险机制:在动力失效后不会使负重突然失去支撑而施加到穿戴者身上。

这里讨论的安全问题,是在正常使用下,因为外骨骼的控制策略或算法的本质特性具有一定的风险因素,导致的安全问题。

例如,若穿戴者以一种奇异的姿势运动,这种姿势并不在外骨骼研制者考虑的正常运动范围内,也不在一般人所能达到的姿势范围内,但感知算法却仍然响应,并结合控制策略对其施加了力。这样的算法误判属于算法本质上不能穷尽所有未知的情况,或者这种情况超出了认知范围,因此具有一定的风险性。

正如电动车驾驶不当,也会产生交通事故,我们讨论的安全一般都是有限的安全。

而上面的讨论中多次提到的控制权下放给外骨骼后带来的潜在风险,则是更偏向一种新型的伦理问题,和近些年来广泛讨论的无人驾驶的安全问题是相似的。与普通的无人机器人不同,外骨骼与无人车都共同面临与人交互,它们的行动会反过来影响到人。

但两者侧重点不同:

  1. 无人车的安全问题更多的侧重于,人对车的控制权的分离后,无人车错误决策后,对他人造成的危险后果是否应由车内的人员来承担。
  2. 而外骨骼的安全问题讨论的更侧重于,外骨骼获得更多控制权后,获得更有效的助力效果,和更容易发生误判的危险相比值不值。

本质上,无人车撞人与机器人杀人是一样的,不同在于无人车是否开启自主状态需要由驾驶员决定,而机器人自诞生以来就几乎是自主的。汽车的under control到out of control尚有诸多争论,但无人车失控会威胁到他人。而外骨骼误判摔倒,影响的只是穿戴者本身。

在信息充分透明下,穿戴者可以有权决定是否承担一定的风险给外骨骼开放更多控制权。例如,外骨骼在默认的“安全模式”下,穿戴者可以全权控制。而需要外骨骼有更多控制权的“动力模式”则由穿戴者自行决定是否开启。

因此,风险造成的影响不同,使得外骨骼安全问题可以越过无人车的安全问题进行探讨。如果穿戴者期待在外骨骼的加持下拥有更强劲的运动能力(例如获得后空翻的能力),那就可以选择承担一定风险(后空翻摔倒)。如果一款外骨骼仅被期待拥有日常生活助力的功能,那不开放这种自主选择的权限也是理所应当的事情。

但即便如此,外骨骼本身的安全性能仍需高度重视。就像汽车的性能会越来越强,其安全性也只会更强。

当然,如果一款外骨骼因为强劲的动力,造成他人伤亡的事情,也可以当做无人车的安全问题处理,甚至可以当做有人车的交通事故处理。因为即使给你开放了“高性能运动能力”权限,你也没有理由跑那么快,而不顾别人的安全。

参考这个问题:

如果我穿着动力外骨骼在人行道和车辆相撞,我算行人、非机动车还是机动车?1 赞同 · 3 评论回答

随着未来外骨骼的逐渐普及,一定会有越来越多的讨论外骨骼造成的安全问题。即使那时外骨骼也不一定是现在这种刚硬的形态,可能早已集成到人们日常的穿着中了,但只要它还算一种半自主的智能体,就仍需要讨论它的安全问题。


尾声

为了讲清楚为什么目前外骨骼在人机协同控制上与早期力放大器外骨骼不同,本期甲说花了大篇幅去阐述研究者为什么逐渐从力放大器路线转向助力外骨骼路线。并从人机协同的本质上入手,剖析了很多场景下外骨骼所需的控制任务,并列举了现代外骨骼主流的控制策略。

说实话,很多人提到外骨骼,就会想到钢铁侠这种完美复制人体运动并增强人体能力的装备,也因此以为外骨骼就必须是一种力量放大器的概念。但是我们也应当看到,《钢铁侠》这类科幻影视作品在那时的研究背景下,对技术刻画的局限性。

那时一项新技术刚刚出现,人们带着澎湃的激情期望它改天劈地、上天入地。对新技术发展前景的无限憧憬使得一部超级英雄作品充满了对科技细节的描绘。人们对一些科幻作品的热爱不只来自于其精彩绝伦的故事情节,也来自于作品对现实的反映、对现实的超越。

过度的超越甚至脱离会削弱科幻作品的当代价值。正如现实外骨骼技术的发展路径并不按照《钢铁侠》中那么出神入化时,铁人在异世界的装备升级也终将会被当成玄幻与魔法。

话说回来,即使在科幻作品中,我们也能看到一些现实技术发展的必要性。

钢铁侠在高速飞行途中规避来袭的导弹,为了在极短时间做出正确的机动动作,不仅需要Tony熟练的机甲驾驶技巧,也需要Mark机甲高超的飞行控制能力,这也是机甲里必须要有一套高度智能AI的原因。从这个角度来看,外骨骼与人也应当是「人机协同」的关系,而不仅仅是「力放大器」。


甲说

期望与你讨论更真实的外骨骼

参考

  1. ^[1] ZHANG J, SHENG J, O’NEILL C T等. Robotic Artificial Muscles: Current Progress and Future Perspectives[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2019, 35(3): 761–781. DOI:10.1109/TRO.2019.2894371.
  2. ^[1] STEGER R, KIM S H, KAZEROONI H. Control Scheme and Networked Control Architecture for the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton ( BLEEX ) *[J]. Proceedings 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2006. ICRA 2006., 2006(May): 3469–3476. DOI:10.1109/ROBOT.2006.1642232.
  3. ^[1] CHRISTENSEN S, RAFIQUE S, BAI S. Design of a powered full-body exoskeleton for physical assistance of elderly people[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2021, 18(6): 172988142110535. DOI:10.1177/17298814211053534.
  4. ^[1] SARCOS COMPANY. Guardian XO Full-body powered Exoskeleton[EB/OL](2020). https://www.sarcos.com/products/guardian-xo-powered-exoskeleton.
  5. ^[1] MARCHESCHI S, SALSEDO F, FONTANA M等. Body extender: Whole body exoskeleton for human power augmentation[J]. Proceedings – IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2011: 611–616. DOI:10.1109/ICRA.2011.5980132.
  6. ^[1] BAUD R, MANZOORI A R, IJSPEERT A等. Review of control strategies for lower-limb exoskeletons to assist gait[J/OL]. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 2021, 18(1): 1–34. https://doi.org/10.1186/s12984-021-00906-3. DOI:10.1186/s12984-021-00906-3.

https://zhuanlan.zhihu.com/p/429181296

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注