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物理紧耦合人机系统关键技术及其应用

2018年03月15日    来源:中国人工智能学会     
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[导读] 程洪,电子科技大学教授、博导,机器人研究中心执行主任。IEEE高级会员,四川省医学会第一届医用机器人和医学智能化专业委员会副主任委员。近年来,一直致力于人工智能与机器人基础理论及应用的创新研究。自2011年,作为技术总负责人开发完成了面向截瘫患者的助行外骨骼系统,目前该系统已经进入临床测试阶段。

  专家简介

  程洪,电子科技大学教授、博导,机器人研究中心执行主任。IEEE高级会员,四川省医学会第一届医用机器人和医学智能化专业委员会副主任委员。近年来,一直致力于人工智能与机器人基础理论及应用的创新研究。自2011年,作为技术总负责人开发完成了面向截瘫患者的助行外骨骼系统,目前该系统已经进入临床测试阶段。2012年8月,创建布法罗机器人科技有限公司。先后主持和完成国家自然科学基金5项,其中联合重点支持项目1项,面上项目3项,及国家863高技术计划、973计划等资助的各类科研项目,取得多项创造性成果。与郑南宁院士合编教材1部,独著英文专著2部,在IEEE TCSVT等国际重要期刊及IROS/ICRA等顶级国际会议发表论文100篇,其中SCI论文28篇,在JCR二区以上杂志以及机器人国际顶级会议等发表论文10篇以上,谷歌学术引用高于1400次,H因子为17。申请国家发明专利80项,授权28项,其中针对外骨骼系统取得14项授权。2010年获教育部新世纪优秀人才计划,2012年入选电子科技大学百人计划,2013年成为四川省千人计划特聘专家,2015年所带领团队获外骨骼机器人四川省青年科技创新研究团队。2017年获得“中国智能科学技术最高奖”—吴文俊人工智能科技进步奖一等奖。

  项目简介

  物理紧耦合人机智能系统是综合人体、可穿戴机械、传感器、驱动器、计算单元等的多维复杂生机电系统,通过生物、计算、控制、机械等技术的有机融合与深度协作以及人机物理上紧密接触实现人体和可穿戴机器有机协作,达到实时感知、动态控制和人机互融、信息服务等目的。典型应用包括面向康复医疗的外骨骼以及面向单兵助力的外骨骼两种形式。其成功研发不仅能够极大提高人工智能技术在我国康复医疗事业的应用,具有非常深远是社会意义,同时从国家层面来讲,能够提高我国单兵作战型外骨骼的智能化程度,达到与国际同等水平,具有战略意义。国际上包括美国、日本、以色列、新西兰等国家都投入了巨大的人力物力来针对性的进行技术研发和系统开发,例如美国的EKSO系统,以色列的ReWalk,日本的HAL以及新西兰的REX。

  受限于外骨骼机器人的核心技术水平以及国外的技术封锁,目前国内外骨骼机器人都只能特定简单环境中执行较为简单的步态运动,不具备智能化的人机交互能力和人体运动意图感知能力,严重制约推广应用。涵盖智能人机适配技术、人体运动意图感知及预测技术以及智能人体步态规划技术问题的可穿戴外骨骼机器人研究成为了外骨骼机器人发展的制高点,对外骨骼机器人产业发展和推广应用具有不可替代的支撑和引领作用。

  该项目面向国家重大战略需求,电子科技大学团队从2010年开始在多个国家自然科学基金项目的支持下,完成了可穿戴外骨骼机器人原型样机系统的研发,针对外骨骼机器人核心技术与应用瓶颈,围绕目前迫切需要攻克的智能人机交互、人体运动意图感知及预测以及人机混合系统智能控制技术难题开展了技术攻关。

  1. 人机系统交互参数建模及适配。提出了外骨骼步态运动的自动人机适配技术,充分考虑了人体结构、多模态异常步态特征信息,建立了基于人因工效学的外骨骼仿生自适应结构和改良的弹簧阻尼模型,实现了对多种人体和不同步态的自适应匹配。

  2. 快速人体运动意图感知及预测。建立了外骨骼与人体之间的交互信息和动力学因子的多种非线性映射模型,提出针对该模型的非参数学习方法,实现了对人体运动意图的在线感知和预测。同时,该项研究发现了移动过程中人机交互力可通过时变非线性映射与操作者关节角度、外骨骼关节角度、速度和加速度计算,人机交互力与人体关节的速度、加速度仅存在弱关联。

  3. 基于增强学习的智能步态规划。非周期性步态规划一直是步态规划技术中的一个难点。该研究针对这一难点,提出了物理人机交互中的动力学模型在线学习技术,利用增强学习算法首次实现了对外骨骼穿戴者非周期步态的实时在线参数测量和建模。并且提出了面向人机耦合系统中的模糊阻尼控制技术,提高了人机耦合系统对不同人群的步态规划控制适应性。

  通过6年的技术攻关,目前该项目申请国家发明专利90项,其中获得授权专利30项。同时,发表学术论文70篇。2016年8月开始,该项目已经开始在布法罗机器人科技(成都)有限公司进行产业化和临床应用推广。

  实验室简介

  电子科技大学机器人研究中心于2014年7月14日成立,是具有人事和财务管理权的相对独立的校级研究机构。中心依托自动化工程学院,由机电工程学院、计算机学院等联合组成的跨学科研究中心。中心主要研究社会机器人为主,工业机器人为辅,在机器学习和模式识别、人机交互技术、自主导航和智能控制等方面建立赶超国际先进水平。中心目前有固定研究人员50人,其中国家杰出人才4人,省部级杰出人才6人,教授12人,副教授18人。

  机器人研究中心已经研制出了具有国际领先水平的个人助行外骨骼机器人系统(AssItive DEvice for paRalyzed patient,AIDER),并在四川省八一康复中心进行了临床测试。该机器人是由程洪教授领衔的跨学科团队,经过5年自主研发而成的人机混合智能系统,服务于下肢截瘫病人,并能够帮助患者起坐和行走,摆脱传统轮椅的束缚。AIDER的成功研发标志着我国机器人技术革命性的进步,使残疾人站起来走路不再是遥不可及的梦想。该系统代表电子科技大学参加了在第九届残运会暨第六届特殊奥林匹克运动会开幕式,让截瘫患者摆脱轮椅站立来直立行走点燃了该次盛会的主火炬,提升了中国科技助残的含义,为残疾人事业做出了积极的贡献。

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[责任编辑:yxl]
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