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MIT推出人形机器人“爱马仕” 远程遥控操作救援

2019-06-17 09:49 次阅读

你是不是也做过机动战士高达梦,幻想过将人类意识植入机器?

麻省理工学院近日推出了人形机器人Hermes,它可以通过遥控操作实现灵活移动。

研究人员希望它可以代替人类去执行搜索和营救任务。在面对极度危险的环境时,操纵者可以通过头戴显示器以第一人称视角进行操作。

悲剧敲响的警钟:救援机器人的重要性

2011年日本大地震和海啸造成的福岛第一核电站的灾难为我们敲响了警钟。在灾难中,高危辐射阻止了工人采取紧急措施,他们甚至无法操作压力阀。这个任务其实交给机器人完成是最适合的,但在当时日本或世界的其他地方都没有能力使之变成现实。

福岛灾难让机器人学社区的许多人意识到,救援机器人需要从实验室走到世界各地。

此后,救援机器人开始不断取得重大进展。世界各地的研究小组已经展示了可以行驶在碎石中的无人地面车辆,可以挤过狭窄间隙的机器人蛇,以及在天上绘制站点的无人机。研究人员还在建造仿生机器人,可以测量损坏情况并执行关键任务,例如使用仪表盘或运输急救设备。

尽管取得了进步,但是打造跟应急工作人员具备一样运动和决策能力的机器人仍然是一个挑战。推开沉重的门,卸下灭火器,以及其他简单但艰巨的工作需要的一定的协调能力,还没有能制造出掌握这种能力的机器人。

把人脑放在机器里面

理想的救援机器人应该是灵活而自主性很强的。比如能够自主进入燃烧的建筑物中找到受害者,或者在受损的工业设施中找到需要关闭的阀门。

但是灾难现场是不可预测的,行走在这些复杂的环境中需要高度的适应性,而目前的救援机器人还无法做到。如果自主机器人遇到门把手,但在门把手数据库中找不到匹配,任务失败。如果机器人手臂卡住并且不知道如何自救,任务失败。

人类可以轻松应对这种情况:我们可以随时适应和学习,我们可以辨别物体形状的变化,应对糟糕的能见度,可以在现场临时学会如何使用新工具。我们的运动技能也是如此。比如负重跑步的时候,我们可能会跑得慢一些或者没那么远,但仍然可以跑,我们的身体可以轻松地适应新的变化。

把人脑放到机器里不就可以了吗?

针对这个短板的一种解决方案是使用远程操作,即让操作人员连续地或在特定任务期间远程控制机器人,以帮助其完成超出自身能力的操作。

遥控机器人长期以来一直用于工业、航空航天和水下环境。最近,有研究人员已经尝试使用动作捕捉系统将人的动作实时转移到仿生机器人:你挥动手臂,机器人模仿你的姿势。为了获得完全身临其境的体验,特殊的护目镜可以让操作员通过相机看到机器人看到的东西,触觉背心和手套可以为操作员的身体提供触觉。

在麻省理工学院的仿生机器人实验室,研究团队正在进一步推动人机融合,开发遥操作系统,希望加速实操型救援机器人的发展。他们正在建立一个遥控机器人系统,由两个部分组成:一个能够灵活、动态行为的仿生机器人,以及一种新的双向人机界面,可以将人和机器人的动作互相传递。

通过将机器人与人类联系起来,研究者充分结合了两者的优势:机器人的耐力和力量,以及人类的多功能性和感知力。如果机器人踩上碎片并开始失去平衡,操作员会感觉到同样的不稳定性并本能地做出反应以避免跌落。然后捕获该物理反应并将其发送回机器人,这有助于避免机器人坠落。通过这种人机交互,机器人可以利用操作员的先天运动技能和瞬间反应来保持站立。

比之前的仿生机器人进步在哪

现有机器人的一个特殊限制是它们无法执行我们所说的力量操纵 ,即费力的技能,比如将一大块混凝土敲开或将斧头挥舞向一扇门。大多数机器人只能进行一些精细和精确的动作。

MIT实验室推出的仿生机器人HERMES可以进行重型操纵。该机器人重量只有45公斤, 但是强壮有力。它的身型大约是普通人体的90%,这足以让它在人类环境中自然地演习。

为HERMES的关节提供动力的是定制执行器而不是使用常规直流电机,执行器包括将无刷直流电机融合到行星齿轮箱,这样取名是因为它的三个“行星”齿轮围绕“太阳”齿轮旋转,这可以为它们的重量产生大量的扭矩。机器人的肩部和臀部直接驱动,而膝盖和肘部由连接到执行器的金属杆驱动。这使得HERMES比其他仿生机器人更灵活,能够吸收机械冲击而不会使齿轮摔成碎片。

控制HERMES的人机界面也不同于传统,它是依赖于操作员的反应来提高机器人的稳定性,被称为平衡反馈界面,简称BFI。BFI需要数月和多次迭代才能开发,最初的概念与2018年史蒂文•斯皮尔伯格执导的电影《头号玩家》中的全身虚拟现实服装有一些相似之处。

具体实验检测

与HERMES合作的时候,操作员站在一个边约90厘米的正方形平台上,由称重传感器测量平台表面的力,由此判断操作员的脚向下推的位置。一组连杆附着在操作员的四肢和腰部,并使用旋转编码器精确测量一厘米的范围内的位移。连杆不仅用于传感,其中还装有电机,用于向操作员的躯干施加力和扭矩。被绑在BFI上的时候这些连杆可以为操作员的身体施加推力。

研究人员准备了两台独立的计算机来控制HERMES和BFI。每台计算机都有自己的控制回路,双方不断交换数据。在每个回路开始时,HERMES收集自己的姿势数据,并将其与从BFI获得的有关操作员姿势的数据进行比较。根据两者的不同,机器人调整其执程序,并将新的姿势数据立即发送给BFI。然后BFI也执行类似的控制回路来调整操作员的姿势。如此重复,每秒执行1,000次。

为了使双方能够高速运作,必须压缩它们之间交换的信息。例如,BFI不会发送操作员姿势的详细数据,仅仅发送操作员的重心位置及其手脚的相对位置。然后,控制机器人的计算机将这些测量数据与HERMES的尺寸进行成比例地缩放,再由HERMES重现该参考姿势。

与任何其他的双向遥控操作回路一样,BFI和HERMES间的耦合可能导致振荡或不稳定,通过微调人体和机器人姿势间映射的缩放参数来使这种振荡或不稳定最小化。

在最初的实验中,研究人员给HERMES使用了早期平衡算法,以了解人类和机器人一起的行为方式。在测试中,一位研究人员使用橡皮锤击打HERMES的上半身。每次打击,BFI都会对研究人员自身也产生冲击,他会习惯性地侧转身体以找回平衡,机器人也能保持平衡。

在另一轮实验中,HERMES做到了挥动斧头和劈开石膏墙板。还在当地消防部门的监督下,实现用灭火器救火。救援机器人需要的不仅仅是蛮力,因此HERMES和还执行了一些需要更多灵活性的任务,比如用水壶往杯子中倒水。

在每种情况下,当佩戴BFI的操作员模拟执行任务时,研究人员观察机器人执行这些相同动作的到位程度,记录了操作员的哪些反应能帮助机器人更好地做动作。例如,当HERMES劈石膏墙板时,它的躯干会向后反弹。几乎同时,BFI将类似的推力作用于操作员,他会习惯性地向前倾斜身体,从而也帮助了HERMES调整姿势。

Little HERMES来助力

因为HERMES体型对于一些实验来说还是太大了,而且能力也过强。虽然HERMES可以执行实际的任务,但要移动它也很耗时,而且要让它动起来还要多加小心,因此研究人员给HERMES弄了个小兄弟。

Little HERMES是HERMES的缩小版。像它的大哥HERMES一样,Little HERMES也使用定制的高扭矩执行单元,装在靠近身体的地方而不是腿上,这样做可以使腿部摆动更灵活。要做到更紧凑的设计,用机器人术语来说,就是减少了运动轴或自由度的数量,每个肢体上从六个减到三个,并且用简单的橡胶球替换HERMES的两趾脚,每只脚都装有一个三向力传感器

将BFI与Little HERMES连接需要进行调整。人类成年人和这个小型机器人的体型存在很大差异,因此当研究人员无法将两者的动作直接进行关联,比如将人膝盖的位置和机器人膝盖的位置相对应等等,会导致机器人运动很不平稳。

Little HERMES需要的是一个与HERMES不同的数学模型,在新的模型中研究人员加入了跟踪参数,如地面接触力和操作员的重心。这使得新模型可以预测操作员打算做的动作,从而控制Little HERMES执行这些动作。

在一次实验中,操作员一步一步地先慢走,然后再加快速度快走,可以看到Little HERMES也以同样的方式走路。当操作员跳起时,Little HERMES也跳了起来。现在仍然是初步进展阶段,Little HERMES还不能自由站立或四处走动。

研究人员还在进一步扩展它的功能,希望让它可以在实验室里漫步,甚至可以去户外,就像已经完成的另一对兄弟Cheetah和Mini Cheetah一样。

下一步研究目标

接下来还有一系列难题需要解决。一是操作员在长时间使用BFI或高度集中注意力的任务后导致的疲劳问题。实验表明,当操作员不仅要指挥自己的身体而且指挥机器的时候,大脑会快速疲劳。这对于需要精细操作的任务尤其明显,在连续三次重复实验后,操作员就必须休息一下。

目前解决方案是让操作员和控制器共同负责稳定机器人的动作。如果HERMES正在执行的任务需要操作员更多的注意力,那么操作员就不必协助保持机器人平衡,自主控制器可以接管机器人的平衡控制。要识别此类情形的一种方法是跟踪操作员的目光注视。操作员目光的凝视表示其注意力的高度集中,在这种情况下,自主平衡模式就会启动。

就像任何远程操作系统一样,另一个难题是传输延迟。当远程控制机器人时候,如果发出的命令和机器人的反应之间有1秒的延迟,仍然可以远程操作它,但如果延迟变得更久,可能就无法顺利进行操作。目前的计划是依靠新的无线技术,如5G,从而保证低延迟和高吞吐量的传输。

最后,研究人员还正在打算将实验室开发的直立机器人Cheetah和HERMES的技术合并,产生一个可快速移动的四足机器人,可以用四条腿快速进入灾难现场,还可以变形为一个直立机器人,这样救灾人员就可以利用自己丰富的经验技能和反应让机器人开展救援任务。

原文标题:真·人机合一!MIT推出人形机器人“爱马仕”,远程遥控操作救援

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