IEEE?TMECH | 深圳先進(jìn)院提出超魯棒動作估計(jì)方法 潛水外骨骼再突破
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所智能仿生中心水下外骨骼團(tuán)隊(duì)再獲重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)基于前期研制的柔性潛水助力外骨骼系統(tǒng)PEAKED,提出超魯棒自適應(yīng)振蕩器動作相位估計(jì)方法(URAO),攻克了水下高頻突變打腿動作的相位精準(zhǔn)預(yù)測難題,讓水下外骨骼助力更同步、更安全、更高效。
相關(guān)成果以Ultrarobust Underwater Kicking Phase Estimation for Robotic Exosuit-Assisted Diving為題,發(fā)表于IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,該期刊由IEEE與ASME聯(lián)合出版,是國際機(jī)電一體化和機(jī)器人領(lǐng)域公認(rèn)的頂級學(xué)術(shù)期刊。
在水下勘探、管道檢修、沉船救援等任務(wù)中,潛水員常常需要根據(jù)環(huán)境情況調(diào)整打腿頻率和動作模式來調(diào)整前進(jìn)速度。與陸地環(huán)境不同,水下浮力解放了下肢,增強(qiáng)了肢體運(yùn)動的靈活性,潛水員打水頻率切換也更多元、復(fù)雜,這使得陸地外骨骼中常用的相位預(yù)測方法在水下很容易失效,進(jìn)而造成助力輸出滯后,不僅影響打水動作的流暢性,還可能帶來安全隱患。與此同時(shí),由于水下動作數(shù)據(jù)采集難度大、個(gè)體差異顯著,依賴大規(guī)模數(shù)據(jù)訓(xùn)練的模型往往難以適應(yīng)真實(shí)場景與個(gè)性化助力需求,使得水下動作相位預(yù)測精度不足,影響了水下外骨骼的實(shí)用化發(fā)展。
針對這一難題,團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)自適應(yīng)振蕩器(AO)的基礎(chǔ)上,提出了一種面向水下復(fù)雜運(yùn)動場景的超魯棒估計(jì)算法 URAO。該方法不依賴數(shù)據(jù)集訓(xùn)練,能夠適應(yīng)不同潛水員的動作特征,并兼容交替自由泳打腿和蛙泳打腿兩類典型水下動作,具有良好的泛化性。同時(shí),URAO可針對打腿頻率的快速變化進(jìn)行快速估計(jì)。團(tuán)隊(duì)在室內(nèi)靜水池和室外70米泳池中開展了多組外骨骼助力對照實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該方法通??稍?個(gè)打腿周期內(nèi)完成穩(wěn)定同步,比傳統(tǒng)方法估計(jì)誤差降低49.5%,有效克服了傳統(tǒng)方法適應(yīng)慢、易振蕩、預(yù)測失效的問題。
基于URAO提供的精準(zhǔn)相位感知能力,團(tuán)隊(duì)研制的PEAKED柔性潛水外骨骼能夠在水下打腿方向切換的瞬間及時(shí)輸出相應(yīng)助力。無論是蛙泳還是交替打腿,系統(tǒng)都能將助力延遲控制在較低水平,實(shí)現(xiàn)更自然的人機(jī)協(xié)同,做到“動作一變化,助力就跟上”。這對于提升潛水員在復(fù)雜水下任務(wù)中的運(yùn)動效率和作業(yè)安全性具有重要意義。
本研究中,智能仿生中心王向陽副研究員為論文第一作者,吳新宇研究員為通訊作者。馬躍副研究員、洪涌軒、王緒霏、王卓,孫健銓高級工程師、陳春杰研究員也在實(shí)驗(yàn)組織、測試分析、控制方法、工程防水、水下通信等方面做出了重要貢獻(xiàn)。相關(guān)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的支持。

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圖1 URAO超魯棒水下動作相位估計(jì)算法框架

圖2 URAO算法通過室內(nèi)水池和70米室外泳池雙重場景的外骨骼助力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
圖3 PEAKED柔性潛水外骨骼基于URAO算法的變打腿頻率助力演示(交替打腿)
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圖4 PEAKED柔性潛水外骨骼基于URAO算法的變打腿頻率助力演示(蛙泳打腿)
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