С помощью искусственного интеллекта роботизированные экзоскелеты обретают самоконтроль

Исследователи робототехники разрабатывают ноги-экзоскелеты, которые делают свои шаги самостоятельно, используя сложную технологию искусственного интеллекта (ИИ). Самоуправляемые ноги могут когда-нибудь поддерживать движения пожилых людей и людей с ограниченными физическими возможностями.

Система, созданная и протестированная исследователями из Университета Ватерлоо, сочетает в себе компьютерное зрение и искусственный интеллект с глубоким обучением. имитировать человеческую походку. «Обучаясь» на наборе образцов-прогулок по окружающей среде, система регулирует свои движения в зависимости от того, что она ощущает.

«Мы даем роботам-экзоскелетам зрение, чтобы они могли контролировать себя», — сказал Брокослав Лашовски , кандидат наук в области проектирования систем, который возглавляет исследовательский проект Университета Ватерлоо под названием ExoNet .

Система ExoNet, поддерживаемая искусственным интеллектом, использует обучающие данные, собранные командой. Прикрепив к груди переносные камеры (как показано на изображении выше), Лашовски и его коллеги-исследователи сняли на видео внутреннюю и внешнюю среду.

А.И. затем компьютерное программное обеспечение обработало видеопоток, чтобы точно распознать лестницы, двери и другие объекты в окружении.

Достижение подробно описано в журнале Frontiers in Robotics and AI . (Изучите исследовательский набор данных относящийся к этому автономному проекту экзоскелета.)

Последний из серии статей о связанных проектах «Моделирование биомеханики в положении «стоя-сидя» для роботизированных экзоскелетов и протезов с регенерацией энергии , появляется в журнале IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics.

Ноги-экзоскелеты с электроприводом разрабатывались и раньше, но владельцу почти всегда требовался джойстик или приложение для смартфона, чтобы управлять своими движениями.

Больше роботов в технической документации

Робот, разрабатываемый в Тель-Авивском университете, «слышит» электрические сигналы благодаря естественному датчику:уху мертвой саранчи.

Новому роботу для движения не нужна электроника — нужен только постоянный источник сжатого воздуха.

«Это может быть неудобно и требует когнитивных усилий», — сказал Лашовски. «Каждый раз, когда вы хотите выполнить новое двигательное действие, вы должны остановиться, достать смартфон и выбрать нужный режим».

Подход Университета Ватерлоо предлагает более автоматизированный контроль благодаря системе искусственного интеллекта. и возможности компьютерного зрения.

Следующий этап исследовательского проекта ExoNet будет включать в себя отправку инструкций двигателям, чтобы роботизированные экзоскелеты могли подниматься по лестнице, избегать препятствий или выполнять другие соответствующие действия на основе анализа текущего движения пользователя и предстоящей местности.

Кроме того, исследователи также работают над повышением энергоэффективности двигателей для роботизированных экзоскелетов, используя движения человека для самозарядки батарей.

«Наш подход к управлению не обязательно требует человеческого мышления», — сказал Лашовски, который находится под руководством профессора инженерии Джона Макфи , канадский исследователь в области динамики биомехатронных систем, в своей исследовательской группе движения лаборатория «Подобно автономным автомобилям, которые ездят сами по себе, мы разрабатываем автономные экзоскелеты, которые ходят сами по себе».

В разделе вопросов и ответов с Tech Briefs ниже Брокослав Лашовски подробно рассказывает о технологии ExoNet и о том, почему экзоскелет, имеющий характеристики, аналогичные беспилотному автомобилю, должен также включать в себя меры безопасности, подобные транспортным средствам.

Технические обзоры : Как вы обеспечиваете безопасность? Может ли пользователь взять на себя управление, если экзоскелет по ошибке делает что-то опасное? Аналогия — ADAS против полностью автономных транспортных средств. Как пользователь будет контролировать скорость, остановку и движение? Как такие элементы управления будут взаимодействовать с пользователем?

Брокослав Лашовский :Безопасность превыше всего. Эти роботизированные устройства предназначены для помощи пожилым людям и людям с ограниченными физическими возможностями (например, после инсульта, травмы спинного мозга, детского церебрального паралича, остеоартрита и т. д.). Мы не можем позволить экзоскелету принимать неверные решения и потенциально вызывать падения или травмы. Следовательно, мы полностью сосредоточены на повышении точности классификации и контроля путем разработки системы распознавания окружающей среды, которая позволит экзоскелету автономно ощущать и реагировать в режиме реального времени на окружающую среду при ходьбе. Мы оптимизируем производительность системы, используя компьютеры и носимые прототипы с «здоровыми» элементами управления перед клиническими испытаниями. Однако у пользователя экзоскелета всегда будет возможность взять на себя ручное управление (например, остановку и рулевое управление).

Технические обзоры :Можете ли вы рассказать мне о приложении, которое вы представляете для такого экзоскелета? Где это будет наиболее ценно?

Брокослав Лашовский :Эти роботизированные устройства предназначены для помощи пожилым людям и людям с ограниченными физическими возможностями в двигательной активности. Примером применения нашей адаптированной к окружающей среде автоматизированной системы управления является переключение между различными двигательными действиями. В имеющихся в продаже экзоскелетах при переходе от ходьбы по ровной поверхности к подъему по лестнице, например, пользователь подходит к лестнице, останавливается и вручную сообщает экзоскелету о предполагаемом действии с помощью мобильного интерфейса, кнопок или других средств ручного управления. (в зависимости от устройства).

Напротив, в автономной системе управления, когда пользователь приближается к наклонной лестнице, бортовые датчики, такие как инерциальные измерительные блоки (IMU), непрерывно регистрируют и классифицируют текущие движения пользователя, а система носимых камер определяет и классифицирует приближающуюся местность. Сочетание этих различных сенсорных технологий и алгоритмов распознавания образов используется для прогнозирования двигательных намерений пользователя и управления экзоскелетом.

Технические обзоры :Как экзоскелет «обучается» работать без участия человека?

Брокослав Лашовский :Мы используем компьютерное зрение и глубокое обучение для классификации окружающей среды. Используя миллионы изображений реального мира, наши сверточные нейронные сети автоматически и эффективно обучаются прогнозировать различные условия ходьбы, показанные на изображениях. Эта информация о пешеходной среде впоследствии используется для управления роботизированным экзоскелетом с точки зрения оптимального планирования пути, обхода препятствий и переключения между различными двигательными действиями (например, от ходьбы по ровной поверхности до подъема по лестнице).

Технические обзоры :Что дальше с этим экзоскелетом? Над чем вы сейчас работаете?

Брокослав Лашовский :С точки зрения безопасности, эти системы управления экзоскелетом на основе искусственного интеллекта должны работать точно и в режиме реального времени. Поэтому мы сосредоточены на повышении точности классификации среды при использовании архитектур нейронных сетей с минимальными требованиями к вычислительным ресурсам и объему памяти для продвижения встроенных логических выводов в реальном времени.

Что вы думаете? Делитесь своими вопросами и комментариями.