机器人超级肢体可以帮助月球漫步者从跌倒中恢复

需要片刻轻松吗?尝试观看宇航员落在月球上的视频。美国宇航局拍摄的阿波罗宇航员在弹跳时绊倒和绊倒的慢动作镜头令人愉快地产生共鸣。对于麻省理工学院的工程师来说，月球事件也凸显了创新的机会。

哈利说：“宇航员的身体素质非常好，但他们在月球上可能会很挣扎，那里的重力是地球的六分之一，但他们的惯性仍然相同。此外，穿着宇航服是一个很大的负担，会限制他们的行动。”浅田(Asada)，麻省理工学院机械工程系教授。“我们希望为宇航员提供一种安全的方法，让他们在跌倒时重新站起来。”

Asada和他的同事正在设计一对可穿戴的机器人肢体，可以为宇航员提供物理支撑，并在跌倒后将他们重新站起来。该系统被研究人员称为“SupernumeraryRoboticLimbs”或“SuperLimbs”，旨在从背包中延伸出来，背包还携带宇航员的生命支持系统，以及为四肢提供动力的控制器和电机。

研究人员根据使用它的宇航员的反馈构建了一个物理原型以及一个指导四肢的控制系统。该团队在健康受试者身上测试了初步版本，这些受试者也自愿穿着类似于宇航员宇航服的紧身服装。当志愿者试图从坐姿或卧姿站起来时，与他们自己恢复时相比，在SuperLimbs的帮助下，他们可以更轻松地做到这一点。

麻省理工学院的团队设想，SuperLimbs可以在宇航员跌倒后为他们提供身体帮助，并在此过程中帮助他们保存能量以完成其他重要任务。随着美国宇航局阿尔忒弥斯任务的启动，该设计在未来几年可能会特别有用，该任务计划将宇航员送回月球，这是50多年来的首次。

与阿波罗的主要探索性任务不同，阿耳忒弥斯宇航员将努力建造第一个永久月球基地，这是一项体力要求很高的任务，需要多次长时间的舱外活动(EVA)。

“在阿波罗时代，宇航员跌倒的情况，80%的情况是在他们进行挖掘或使用工具进行某种工作时，”团队成员、麻省理工学院博士生埃里克·巴列斯特罗斯(ErikBallesteros)说。“阿耳忒弥斯任务将真正专注于建筑和挖掘，因此跌倒的风险要高得多。我们认为SuperLimbs可以帮助他们恢复，从而提高生产力，并延长他们的EVA。”

Asada、Ballesteros和他们的同事将于本周在IEEE国际机器人与自动化会议(ICRA)上展示他们的设计和研究。他们的合著者包括麻省理工学院喷气推进实验室的博士后Sang-YoepLee和KalindCarpenter。

该团队的设计是SuperLimbs的最新应用，Asada大约十年前首次开发了SuperLimbs，此后已适应了一系列应用，包括协助飞机制造、建筑和造船的工人。

最近，Asada和Ballesteros想知道SuperLimbs是否可以帮助宇航员，特别是在NASA计划将宇航员送回月球表面的情况下。

“在与美国宇航局的沟通中，我们了解到坠落月球的问题是一个严重的风险，”浅田说。“我们意识到我们可以对我们的设计进行一些修改，以帮助宇航员从跌倒中恢复并继续他们的工作。”

该团队首先退后一步，研究人类从跌倒中自然恢复的方式。在他们的新研究中，他们要求几位健康的志愿者在侧卧、俯卧和仰卧后尝试站直。

研究人员随后观察了志愿者的运动受到限制时站立尝试的变化，这与宇航员的运动受到宇航服体积的限制类似。该团队制作了一套模仿传统宇航服硬度的宇航服，并让志愿者穿上这套宇航服，然后再次尝试从各种跌倒位置站起来。志愿者的动作顺序相似，但与无阻碍的尝试相比需要更多的努力。

研究小组绘制了每个志愿者站立时的动作图，发现他们每个人都执行了共同的动作序列，以可预测的顺序从一个姿势或“路径点”移动到下一个姿势。

“这些人体工程学实验帮助我们以一种简单的方式模拟人类如何站立，”巴列斯特罗斯说。“我们可以假设大约80%的人类以类似的方式站立。然后我们围绕该轨迹设计了一个控制器。”

伸出援手

该团队开发了软件来为机器人生成一条轨迹，遵循一系列有助于支撑人类并将其重新站起来的序列。他们将控制器应用到一个沉重的固定机械臂上，并将其固定在一个大背包上。然后研究人员将背包连接到笨重的套装上，并帮助志愿者重新穿上套装。他们要求志愿者再次仰卧、俯卧或侧卧，然后让他们尝试站立，因为机器人感知到人的动作并适应帮助他们站起来。

总体而言，与穿着笨重的套装试图独自站立时相比，在机器人的帮助下，志愿者能够轻松站立稳定。

“感觉就像有一股额外的力量伴随着你移动，”巴列斯特罗斯说，他也尝试了这套套装和手臂辅助装置。“想象一下，你背着一个背包，有人抓住顶部，把你拉起来。随着时间的推移，这变得很自然。”

实验证实，控制系统可以成功引导机器人帮助跌倒后的人站起来。研究人员计划将该控制系统与他们最新版本的SuperLimbs配对，该版本由两个可以从背包中伸出的多关节机械臂组成。背包还将包含机器人的电池和电机，以及宇航员的通风系统。

“我们根据人工智能搜索和设计优化设计了这些机械臂，以寻找具有某些工程限制的经典机器人操纵器的设计，”巴列斯特罗斯说。“我们筛选了许多设计，寻找能够消耗最少能量来举起人的设计。这个版本的SuperLimbs就是这个过程的产物。”

今年夏天，巴列斯特罗斯将在美国宇航局喷气推进实验室建造完整的SuperLimbs系统，他计划在那里简化设计，并使用先进的轻质材料最大限度地减轻其零件和电机的重量。然后，他希望将这些肢体与宇航员套装配对，并在低重力模拟器中进行测试，目标是有一天协助宇航员执行未来的月球和火星任务。

“穿着宇航服可能会造成身体负担，”浅田指出。“机器人系统可以帮助减轻这一负担，并帮助宇航员在执行任务时提高工作效率。”