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UC伯克利Kazerooni:十年磨一剑,揭秘智能控制可穿戴外骨骼技术(127 PPT)

[日期:2017-11-19] 来源:新智元  作者: [字体: ]

新华网图文回顾:http://www.xinhuanet.com/money/jrzb20171108/index.htm

爱奇艺(上):http://www.iqiyi.com/v_19rrdp002w.html

爱奇艺(下):http://www.iqiyi.com/v_19rrdozo4c.html

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AIWORLD 2017 

演讲嘉宾:Homayoon Kazerooni

【新智元导读】加州大学伯克利分校机器人和人体工程学实验室主任、SuitX的创始人 Homayoon Kazerooni 在AI World 2017世界人工智能大会上分享《SuitX:外骨骼的计算智能》,揭秘可穿戴外骨骼技术的计算智能 。

全部PPT:https://pan.baidu.com/s/1qXCU7xU

新智元 AI World2017世界人工智能大会开场视频

2016年年2月,一家萌芽于加州大学伯克利分校的初创公司SuitX发布了一款名为Phoenix的医用可穿戴外骨骼,模块化、轻量化、低价的优势让它一时引起关注。当年底,这家公司再次发布名为MAX的外骨骼“三件套”。SuitX的创始人Homayoon Kazerooni对外宣称自己花了超过十年时间研究可穿戴外骨骼技术。那么,Kazerooni究竟是何方神圣?是一个不折不扣的学霸,一路走着开挂的人生。

1980年从威斯康星大学麦迪逊分校取得机械工程学硕士学位后,Kazerooni进入MIT攻读第二个理学硕士学位,修读的领域包括设计、控制系统、机器人学、制造机械等。硕士毕业后,他继续在MIT读博,研究范围包括人机系统和机器人。他在短短三年拿下博士学位,然后继续一路开挂,进入加州大学伯克利分校机械工程学院任教,成为加州大学伯克利分校机器人及人体工程学研究室主任(这个实验室被称为“KAZ LAB”)。

2017年11月8日,Homayoon Kazerooni 在AI World 2017世界人工智能大会上分享《SuitX:外骨骼的计算智能》,介绍SuiX最先进的外骨骼技术以及他的愿景,本文带来演讲实录:

Homayoon Kazerooni:大家下午好,我是加州大学伯克利分校的老师,同时我也是加州伯克利的SuitX公司的创始人,SuitX公司的设备制造装配基地在中国宁波。

我今天展示的内容是智能(Intelligence)在仿生设备成本降低过程中起到的关键作用。首先我想分享智能如何为设计师、工程师、为人们提供成本更低廉、人们可以买得起的设备。

我猜大家应该都看过这样的电影,在这些非常有意思的电影里,戴上一些器械装备就可以移动物体,可以做普通人没有这些装备就做不到的事。我肯定大家至少见过这些图当中的某一部,因为它们被翻译成不同的语言上映。但是真正启发到我们 SuitX 公司的是普通的人,他们非常努力地工作,比如在航空公司、建筑工地、造船厂、制造厂、拼装厂里等等,他们透支自己的身体努力工作,他们需要更多的力量。

根据美国劳工部给出的数据,在工人中,背部、膝盖、肩部和胳膊的损伤被列为最常见工伤。这些文献你都可以在网上找到,比如工人们的支出中有近160亿美元都花在治疗背部损伤上。当然还有一些努力工作的人,他们每天承受大量的体力工作,包括像消防队员,你们肯定也都见过护士或者医生需要搬运病人,当然还有像军人运输食物等。

所以如果把他们放到一起,你可以看到右边起有我刚刚提到的士兵、工人、护士,他们每天的工作里都有很多体力劳动。 如果他们持续这样做,年纪大了之后,最终可能就会变成残疾人,到那时他们就没有任何的能力了。

右边我们看到这一些人是非常有能力做事的,而左边则是没有行为能力的残疾人。这些人是真正需要Intelligent mobility(智能移动)和智能支持去做他们的日常工作。

对于老人或者小孩大家可以看一些例子,比如走路这件简单的事情对他们来讲非常重要。有一些小朋友需要去上学,但是由于他们有残疾,所以只能呆在床上或者轮椅里。再看一下这张图,大家肯定会发现其实有很多其他的工作,实际上也都符合这些困难工作的特征。

这些实际上并不是我们对外骨骼真正的定义,这对我们没有什么启发,这些是科幻作者或者是电影做出来的东西。对我们来讲真正有意义的是在我们的SuitX能够创造出智能的设施,让残疾的人能真正走出去做自己的工作,这才是我们工作的使命。

当然了这是一个合作性的开发,包括美国的公司SuitX,以及我们在中国宁波的工厂部分。

对我们来讲最重要的一点就是在机器的设计当中我们更多的强调智能控制,而更少的依赖于硬件,这就帮我们带来更低的成本。我们不需要复杂精密的硬件,从我们的设计之初就希望我们的设备用非常有限的硬件,但却能很好地把它的功能性从机器传递给人。我们非常多地依赖软件智能去做预测。当然最终会给你带来最少量的硬件、最少量的线路或者是感应器、最少的技术设备的实现一个能和人进行互动的外骨骼,这是非常难的工作,因为我们需要做的是从零开始创立智能的功能,因为为了降低成本,硬件已经是最小化了。低成本也使得它也可以更快速的送到客户手里面。

我现在给大家介绍现有的四款SuitX产品,最上面的叫做 Phoenix,是为有行动障碍的患者设计的。这个设备非常小它,只有27镑也就是13公斤左右,它是可以调整适合不同身高的人群,而且可以适合不同类型的残疾。

这个设备有多个模块,最上面的这款是其中一个髋关节模块,还有膝关节模块,当然我们的还有市场可购买的 AFO。

每一个模块都可以独立使用,所以医生可以针对某一个具体的情况选择专门的模块,它们结合在一起也可以作为非常好的外骨骼。每一个模块都有自己的处理器,他们之间也可以通过网络来沟通。大家可以看到这个设备非常小,里面有全部的处理器和电池。

这个设备一个最重要的部分就是他有一个丰富的用户界面。这个设备的智能化体现在,它可以让医生能够得到一个物理疗程的数据,这些数据可以被译成设备可是别的程序语言。

那么外骨骼是如何运作的呢?这里要用到一些临床背景,我们需要了解人是怎么行走的?有很多的文献都描绘了一个人的步态。大多数的这一些信息可以获得,但是一些信息只有当一个人能够走的时候,才能收集到,但是当他们残疾之后,不能行走就不能收集到这些数据。比如说这张幻灯片展示的就是健康人的髋关节和膝关节运动轨迹的临床数据。

那么我们的设备做什么呢?它是从护士或者医生那里获取非常简单的一些数据并传译到一个功能库里面,里面有一个控制器,设备可以进入到库里去寻找正确的指示,再传递给设备。

举个例子,我们这里有五个只针对行走的数据点,这些都是医务工作者知道的信息,比如髋关节伸展的最大程度,摆动开始的时间,这些信息的标准对于医疗工作来说是很基础的。那么计算机在这个设备里面做一些什么?通过获得了有限的信息,它可以构建两条腿在摆动以及站立的时候的轨迹,并如实地传感到髋关节。另外一点必须要告诉大家的是这些设施是非饱和性的,也就是说它如果在髋部有感应,在膝部就是没有的,所以说它可以很聪明的通过五、六个点的采样就可以形成轨迹,然后只传感到髋部。

这是我们的一些实验数据,可以看到每次的轨迹都不太一样,因为每次上身运动的变化会使得双腿行走的轨道也发生变化。最终我们有了一个 FSM(Finite State Machine),获得了一个人从坐着到站立、从站立到行走,再回到站立和坐着的状态样式。

另外一个外骨骼的特征应用,就是一个人行走的数据可以存在某种类型的本地机当中,最后传入到云里面,医生可以看到这些数据,并基于本地的算法,他们就可以了解到比如说处方对于病人来讲是不是有用,有没有做到对称,速度合不合适等,并用这些信息对设备参数做一些改变。这就使我们在最小的硬件情况下,却能够在软件上有非常大的计算和智能能力。

你可以看到这个人的行走十分接近人本身的机体行走方式。他在轮椅上坐了超过13年,但是有了外骨骼后后他就可以独立行走,你可以看到他每一步都踩在地上。

我们也相信因为通过把重点更多的放在软件方面的设计,我们能够提供比较实惠的生物医学设备给人们来用。现在价格大约是2万5千多美元,只有现存其他设备价格的约20%。

此外,在同样的平台上,但是我们用另外的软件为脑瘫的孩子们开发设备。这些损害都是神经系统上的,比如说一些头部损伤或者肌肉萎缩的问题,脑瘫的孩子长大之后,他们的骨骼再生长,而肌肉却不再发育,所以行动会变得特别困难,在某一个程度上他们必须用轮椅才能够行走。

要解决这一种问题的最佳的方式就是要对他们进行步态的训练,也就是让他们不断进行行走的训练。但是到目前为止这一种步态训练康复中心有很多的局限性,比如说并不是所有的城市都有步态训练,要将儿童从学校送到训练地,费用很高,训练者所需付出的劳动量也非常大。所以说我们希望可以将设备提供给孩子们,而且可以在家里使用,于是我们在同样的平台上用最少的硬件给孩子们开发出了这样的设备。

针对孩子们,我们有三个设备已经可以使用这些设备来行走,这些设备的聪明之处在于它们可以认知孩子们的一些特殊行动方式,然后,除非该对象做出了移动,这实际上是为了让孩子们自己不断地去强化训练,设备所做的是持续纠正他们的步态直到孩子们学会行走。

这是我们实验的最初阶段,也是我们第一次跟这孩子进行合作。我们也非常自豪,我们也是非常的荣幸能够跟这孩子进行合作,也因此获得了很多奖项。我们现在很多的产品还没有完全的开发完成,我们仍然这在方面努力过程当中,与我们在美国和中国宁波的同事、朋友一起。目前我们正在跟中国的FTA 合作,以及依靠宁波的公司来把这项技术带到中国来,重点是希望让人们可以买得起我们的产品。要达到这个目标,我们就要把重点更多放在人工智能以及软件。

我想利用一些时间再介绍一些类似的技术,比如十分钟之前我给大家介绍的行走机。现在我们有了可以减轻受损风险的智能机器,包括臀部、以及膝盖以及肩膀的伤害风险。我大概给大家介绍一下,这样你们可以看到我们如何通过精准的硬件和可以进行预测的软件来压下这些设备价格的。我们有一款叫做MAX的产品,它有三个模块:背部支撑、膝部支撑和手臂支撑。这是背部支撑,在你弯腰搬重物时,它可以有效地缓解脊椎受到的压力。实验证明,背部肌肉的用力减少了50%。我们在不同的设施场景中评估了这个产品,到目前为止在全球范围内已经卖出了300多个这样的设备,包括欧洲、美国还有亚洲。它可以用于建筑、造船或者运输的工作中。

举个例子,(视频)我们可以看到这个人在移动包裹。这是在建筑工地。这个工作要求我们有比较长时间的弯腰。这里的工人穿着我们提供的外骨骼,在建船厂工作,工人正在船的内部工作。这是快递的工作,要把盒子搬来搬去。这是生产飞机的车间,工人正在制造设备。所有的工人都跟我们说了他们戴了背部外骨骼后,感觉更好了,而且他们的背部疼痛感也越来越减少了。

还有很多涉及到膝盖支撑的设备。我们都知道很多人被要求要蹲在地上工作,反复蹲起和长时间保持蹲姿会让膝软骨退化,并引起关节炎。所以我们就建立了有人工作能的膝部支撑外骨骼,它也能够把他们的膝部收到的压力减少大约50%。这张幻灯片是这个设备的应用,我们可以看到工人在蹲着做一些水泥的工作。这个是一个很常见的建筑工地作业模式,必须要经常的蹲下来膝部用力来做这作业。这是在地板上铺水泥。

还有另外的一个产品就是手臂支撑的外骨骼,比如它可以对做需要举高手臂在天花板作业的人起到支撑,这个时候也需要肩膀支撑的外骨骼,这一种情况的应用也比较广泛,尤其是那些在建筑工地上给天花板安置镶嵌板的工作。有了肩部外骨骼支撑之后很长时间的作业也不会感觉到累。

所以在所有的设备背后的原则,实际上就是机器学习了人们的工作,不管是走路还是上楼梯、下楼梯、弯腰、下蹲、跪着或者举起手臂,都是机器进行的学习,而且这些机器可以智能地做决定。它十分聪明并且迅速,这和过去不一样,过去需要一个额外的服务体系,测量许多传感器,并基于传感器推动模块运行。而现在,我们仅仅是对一个人进行长期的观察,然后预估一下他下一步该怎么去做,并且智能的激活或者不激活这个设备。了解机器学习后,关键的一点就是让机器学习可以跟上人类适应能力的速度水平,这就是我们平台的智能控制算法的工作。

MAX的几个模块可以一起来用,比如说像背部的支撑、腿部的支撑还有手臂的支撑,你可以把它们组合到一起使用。

就像我刚刚提到的,SuitX正在试图的解决这些方面的问题,明年我们将会推出另外两个新的产品。我们想成为一家可以给美国、中国等全世界各地的人们提供可使用的设备的仿生公司。刚才我谈到了残疾人以及工人方面的相关设备,我们也给士兵们设计产品,大概2018年就可以完成了。我们的重要工作就是使得我们的设备可以认识到人类在做什么以适应人的需求,并为他们提供支撑以更好地工作,并为工人、孩子们、残疾人提供他们买得起的设备。

最后,我们非常高兴今天能够来到这里,我们也是希望有一些合作伙伴,比如说产业界的合作或者医疗方面的合作伙伴,共同来推进这一方面的工作,非常感谢大家的倾听。

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