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机器人“替身”帮助运动能力重度损伤者

来源:环球科学
在佐治亚理工学院的实验室中,PR2机器人正被一个有重度运动能力损伤的人远程操控拿起一个杯子,展示其作为“替身”的能力。(图片来源:佐治亚理工学院,Phillip Grice)

一款使用增强现实技术的交互系统能够帮助运动能力重度损伤者操作人形机器人,实现独立进食和日常个人护理,比如挠痒和擦爽肤水。这款基于网络的交互界面显示了“机器人视角”中的周边环境,帮助使用者通过机器与环境交互。
在3月15号杂志《PLOS ONE》中描述的这个系统能够使复杂的机器人对没有操纵机器人系统经验的人来说更加有用。研究参与人员使用标准的计算机辅助访问技术(他们已经使用这些技术控制个人电脑)与机器人交互,比如眼部跟踪器和头部跟踪器。
论文报告了两项研究说明这种可以执行人类任务的“机器人替身”如何改善使用者的生活质量。这些研究能够为研发更快、更有能力的辅助机器人奠定基础。
“我们的结果显示,运动能力重度损伤者能够利用机器人‘替身’提高生活质量。”佐治亚理工学院的博士研究生,该论文的第一作者Phillip Grice说,“我们已经实现了第一步,让想要买合适种类机器人的人能把它放在家里,并且真正给他们带来便利。”
Grice和来自佐治亚理工学院和埃默里大学的华莱士·H·库尔特生物医学工程系(the Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering)的Charlie Kemp教授使用了Willow Garage制造的PR2移动机械手进行了这两项研究。这台轮式机器人的活动范围达20°,配有两条手臂和一个“脑袋”,给了它操控物件的能力,比如水瓶、毛巾、毛刷甚至是电动剃须刀。
“我们的目标是为自身活动受限的人提供机器人身体,这样他们就能用新的方式和世界互动了,”Kemp说。
在他们的第一个研究中,Grice和Kemp通过网络为15个运动能力严重受损的参与者提供PR2。参与者使用自己的辅助器械操纵鼠标完成个人护理任务,学习如何远程操控机器人。80%的参与者成功操纵机器人捡起水瓶并把它送到一个人体模型的嘴边。
“与正常人相比,机器人的能力是有限的,”Grice说。“但是参与者有能力高效地完成任务。与没有机器人也能做的事相比,他们在操控物件能力的临床评估中有所进步。”
在第二个研究中,研究人员为Henry Evans提供了PR2和交互系统。他是加利福尼亚人,从2011年起就开始帮助佐治亚理工学院的研究人员研究和改进辅助机器系统。Evans对自己身体的控制十分有限,在自己的家中对机器人进行了7天的试验。他不仅仅完成了任务,还设计了同时操控机器人两条手臂的新用法——使用一条手臂控制毛巾,另一条使用刷子。
“这个系统让我感觉很自由,它让我自从中风以来第一次独立地操纵我身边的环境,”Evans说,“至于其他人,当我看到Phil让其他15个人客观地测试该系统并得到如此积极的结果时我兴奋极了。”
研究人员十分高兴Evans开发了机器人的新用途,用他们从没想过的办法结合了两条手臂的运动。
“在我们为Henry提供一个星期的免费使用权后,他发现了出乎意料的新用途,”Grice说,“这非常重要,因为现在很多辅助系统都是为特定的用途设计的。Henry的成果说明了这个系统在为使用者提供帮助方面十分强大。这款机器的应用潜力非常广泛。”
这款交互系统让Evans能在更长一段时间里在床上照顾自己。“最有帮助的方面是我可以通过一个非常直观的图形用户界面,利用微小的头部移动完全独立地操纵机器人。”Evans说。
这款基于网络的交互界面向使用者展示了在机器人脑中安装的摄像头中的世界。覆盖在视图上的可单击控件让使用者能在家里或者是其他环境中操纵机器人的手和手臂。举个例子,当使用者移动机器人的脑袋时,屏幕将鼠标光标显示为一对眼球,以说明当用户单击时机器人将会看到的位置。点击机器手周围的圆盘,用户可以选择一个动作。当在房间中驱动机器人时,光标后边的线提示了机器人将要移动的方向。
该交互系统围绕一个简单的单按键鼠标建立,能让残疾程度不同的人不用经过长期培训就能使用该交互系统。
“有一个能让残疾程度不同的人操作的交互系统意味着我们可以提供一种通用的设计,让更广泛的人群使用该系统,”Grice说,“因为它能力强大,系统很复杂,所以对我们来说的挑战是要让它能被对自己身体控制能力非常有限的人使用。”
虽然研究结果达到了研究人员的预期,Kemp承认仍可以做出改进。目前的系统运行缓慢,使用者造成的错误可能带来明显的阻碍。尽管如此,他说:“现在人们可以使用这项技术并且真正从中获利。”
Evans表示,PR2的成本和尺寸需要大幅度降低,才能使该系统具有商业可行性。Kemp说这些研究为新型的辅助科技指明了道路。
“基于这项研究,我认为机器人‘替身’可以为用户带来显著的好处,”Kemp补充到。

翻译:王嘉钰
审校:胡佳仪
引进来源:美国科学公共图书馆
引进链接:https://www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190315155451.htm

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