科學(xué)與健康丨機(jī)器人成“康復(fù)助手”？先學(xué)好周期運(yùn)動(dòng) 看點(diǎn)
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中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所多模態(tài)人工智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)近日提出了一種全新的軌道穩(wěn)定學(xué)習(xí)框架，為節(jié)律運(yùn)動(dòng)的復(fù)制帶來了新突破，在機(jī)器人輔助的康復(fù)訓(xùn)練等場(chǎng)景具有應(yīng)用前景。相關(guān)研究于9月18日發(fā)表在機(jī)器人領(lǐng)域期刊《國(guó)際機(jī)器人研究雜志》。
周期運(yùn)動(dòng)是許多場(chǎng)景中的核心需求，如康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的手臂往復(fù)練習(xí)、流水線上機(jī)械有節(jié)奏的協(xié)作以及機(jī)器人穩(wěn)定行走等。這類周期運(yùn)動(dòng)看似平常，卻要求機(jī)器人在長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)中保持高度一致，這對(duì)控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和環(huán)境適應(yīng)性都提出了更高要求。
中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員、醫(yī)療機(jī)器人團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人侯增廣介紹，傳統(tǒng)的機(jī)器人技能學(xué)習(xí)方法，需預(yù)先編程動(dòng)作序列，不僅耗時(shí)耗力，還限制了機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)能力。近年來，基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的示教學(xué)習(xí)成為熱點(diǎn)，機(jī)器人通過記錄和模仿人類動(dòng)作來習(xí)得技能。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)引入橫向收縮理論，為學(xué)習(xí)到的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)提供軌道穩(wěn)定性的理論保障。侯增廣說：“這相當(dāng)于在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的‘軌道’周圍加上一個(gè)‘護(hù)欄’，無論起始狀態(tài)如何，機(jī)器人都會(huì)被‘拉回’到穩(wěn)定的周期軌道上，從而持續(xù)、準(zhǔn)確完成周期任務(wù)。”
為將理論落地到機(jī)器人模仿學(xué)習(xí)中，團(tuán)隊(duì)通過努力，既保證動(dòng)力學(xué)模型的表達(dá)能力，又方便引入穩(wěn)定性約束。
模擬測(cè)試證明，該方法在平均誤差、軌跡偏差程度、形狀穩(wěn)定性等多個(gè)衡量機(jī)器人“軌跡是否標(biāo)準(zhǔn)”的指標(biāo)上均取得最佳表現(xiàn)，尤其在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)中能夠保持穩(wěn)定的節(jié)律性。
“機(jī)器人周期運(yùn)動(dòng)更具潛力的應(yīng)用場(chǎng)景是在康復(fù)訓(xùn)練中。”侯增廣說，其穩(wěn)定、精確的重復(fù)運(yùn)動(dòng)可以幫助患者進(jìn)行節(jié)律性上肢或步態(tài)訓(xùn)練，恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能和肌肉控制能力。
在與康復(fù)科醫(yī)生合作的實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)利用光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)記錄了醫(yī)生引導(dǎo)患者手臂完成的周期康復(fù)動(dòng)作。通過學(xué)習(xí)這些軌道穩(wěn)定的動(dòng)力學(xué)模型，機(jī)器人可以在執(zhí)行康復(fù)任務(wù)時(shí)，克服患者動(dòng)作偏差或外界碰撞等擾動(dòng)影響，保持標(biāo)準(zhǔn)的康復(fù)軌跡。
“患者需要每天反復(fù)完成‘手臂畫圈’或‘抬腿擺動(dòng)’的訓(xùn)練，機(jī)器人像一位耐心的康復(fù)教練，確保訓(xùn)練效果。”中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員程龍說，這將為個(gè)性化、可重復(fù)的康復(fù)治療提供有效技術(shù)支撐。
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