像操纵机甲一样控制机器人:MIT「铁甲钢拳」Hermes

如果机器人不够灵活,人类来操纵可以解决问题吗?MIT 提出的人形机器人 HERMES 可以让我们像电影和动漫里操纵机甲一样,自由操纵它来完成各种复杂任务。HERMES 比人类更加强壮有力,研究人员希望它可以代替人类去执行搜索和营救任务。在面对极度危险或有毒气体的环境中,操纵者可以通过头戴显示器以第一人称视角进行操作。




 
人与机器人动作的完美匹配:MIT 的 João Ramos 身穿一件遥操作「背心」,将自己的身体与机器人 HERMES 相连,这款双足机器人设计用于灾害应急处置。Ramos 的动作帮助 HERMES 保持站立。

为什么要设计这种机器人?

突发悲剧为机器人制造敲响警钟:这是很多机器人专家对于福岛第一核电站核泄漏事故的看法,这场事故是由 2011 年袭击日本的大地震和海啸造成的。在这场事故中,强烈的辐射导致救援人员无法采取紧急救援措施,如操控压力阀等。

彩之网这时候,机器人执行救援任务的优势就凸显出来了,但可惜的是,日本或其他任何国家都没有能力推出此类机器人。因此,这场事故给机器人领域的研究人员敲响了警钟,让他们意识到需要将实验室的技术应用到现实生活中。

自福岛核泄漏事故以来,灾害应对机器人已经取得了重大进展。世界各地的研究团队已经证明,无人陆上车辆能够行驶在废墟瓦砾中,机器蛇能够穿过窄小的缝隙,无人机能够在上空绘制地图。研究人员还发明了人形机器人,它们能够查看受损情况、执行仪表盘检查或急救设备运送等关键任务。

虽然机器人领域取得了一些进展,但构建能够像应急救援人员一样执行动作和决策的机器人仍然是一大挑战。比如,推开一扇笨重的大门、用灭火器灭火以及其他一些简单但费力的工作需要一定程度的协调能力,机器人尚不能做到这些。



 
为了检验遥操作机器人的方案,MIT 的研究人员令 HERMES 执行一些需要力量的任务,如用灭火器灭火。

是遥操作机器人呀

彩之网克服这一局限性的方法是利用遥操作技术—人类操纵者远程控制机器人,帮助它们完成一些自身无法解决的特定任务。

遥操作机器人在工业、航空航天以及水下设施的应用由来已久。最近,研究人员试验了动作捕捉系统,以将人的动作实时转移到仿人机器人身上:人类操纵者挥动手臂,机器人则模仿这一动作。为了获得完全拟真的体验,戴上特殊眼镜的操纵者可以看到机器人通过摄像头看到的情景,同时操纵者还可以通过触觉背心和手套获得触感。

MIT 仿生机器人实验室(Biomimetic Robotics Lab)的研究团队正进一步推进人机结合,希望加快实用性应急机器人的开发。得益于美国国防高级研究计划局(DARPA)的支持,该研究团队正构建由两部分组成的遥控操纵系统:一部分是具有灵活和动态行为能力的仿人机器人,另一部分是一种新型的双向人机界面,实现了操纵者和机器人动作的双向传送。

比如,如果机器人踩在杂物上,并开始失去平衡,则操纵者同样感觉到失衡,并本能地避免摔倒。接着,捕捉到的身体反应回传给机器人,帮助它维持平衡。通过这种人机联系,机器人能以操纵者本能的动作技能和瞬时动作保持站立。

彩之网这可以说是在机器人内部植入人类大脑。

彩之网理想情况下,未来的应急机器人将具有更大的自主性。希望未来某一天,机器人可以独立搜寻火灾建筑物内的受困人员或者进入损坏的工业设施中找到需要关闭的阀门。现在离拥有这种能力的机器人还很遥远,因此对遥操作的兴趣日益增长。

HERMES 挥舞着斧头

使用机器人进行救援时,让人参与其中的原因是灾难场景的不可预测性。在这些混乱的环境中进行导航需要高度的适应性,而当前的人工智能彩之网算法还无法做到这一点。

例如,如果机器人遇到了一个门把手,但无法在其数据库彩之网中找到与门把手相匹配的解决办法,也就是说它不知道该怎么办,那任务就会失败。如果机器人的手臂被卡住了,但它不知道怎么弄出来,任务还是会失败。而人类,可以轻松应对这些场景。

彩之网我们可以随时适应和学习,而且实际上我们每天都在这么干。我们可以识别物体形状的变化,应付可见度低的情况,甚至可以当场发现如何使用新工具。

这种适应性对我们的运动技巧来说同样适用。想象一下你背着沉重的背包奔跑,比不背包时要慢一些,或者跑不了那么远,但你仍然可以完成任务。我们的身体可以非常容易地适应新动态。

MIT 正在开发的遥操作系统并不是用来取代那种腿式机器人所用的自动控制器,这种控制器被用来进行自我平衡和执行其它任务。研究人员仍在尽可能多地增加 HERMES 的自主性。但通过把机器人和人类结合起来,可以最好地利用两方面的优势:机器人的耐力和力量,以及人类的灵活性和感知能力。

MIT 设计出品:HERMES

彩之网MIT 实验室长期以来一直在探索如何利用生物系统设计更好的机器人。现有机器人的一个特殊限制是它们不能执行我们称之为「力量操纵」(power manipulation)的任务,这是一种比较费力的活,比如把一块混凝土敲开,或者用斧头砸门。大多数机器人都是为更精细和精确的运动以及更温和的接触设计的。

彩之网MIT 设计的这款仿人机器人(全称 Highly Efficient Robotic Mechanisms and Electromechanical System)是专门为这种重型操作而设计的。

这款机器人体格相对较轻,只有 45kg,但它强壮又稳健。它的身形大约是普通人的 90%,这个身形足以让它在人类环境中自然活动。

彩之网研究人员没有使用常规的 DC 马达,而是根据其 Cheetah 平台多年的经验,构建了定制的制动器来驱动 HERMES 的关节。Cheetah 是一款四足机器人,能够进行短跑和跳跃等爆发性运动。

制动器包括耦合到行星齿轮箱(之所以如此称呼是因为它的三个「行星」齿轮围绕一个「太阳」齿轮旋转)的无刷 DC 马达,它们可以为其重量产生大量扭矩。

当 HERMES 的膝盖和肘部由连接到制动器的金属杆驱动时,它的肩膀和臀部会直接被驱动。这使得 HERMES 没有其它仿人机器人那么僵硬,它能够吸收机械冲击而不会造成齿轮碎裂。

MIT 研究人员第一次给 HERMES 通电时,它还只有一双腿。那时机器人没法自己站立,他们把它悬挂在马具上。研究人员对机器人进行了简单测试:把它的左腿编程为踢腿,然后把一个塑料垃圾桶置于它面前。然后,他们看到 HERMES 把垃圾桶踢飞了……

MIT 研究人员为控制 HERMES 而构建的人机交互界面与传统的方式不同,他们的交互方式依赖于操纵者的反应来提高机器人的稳定性。他们将其称为平衡-反馈界面(BFI)。

开发 BFI 花了好几个月,并且进行了多次迭代。最初的概念与电影《头号玩家》中的全身虚拟现实彩之网套装有些相似。那个设计还一直停留在绘图板上。但研究人员后来发现对拥有 200 块骨头和 600 多块肌肉的人类身体进行物理跟踪和移动并不是什么简单的事。所以他们决定从更简单的系统开始。



 
HERMES 在执行需要灵活性的任务,比如把水倒进杯子里这种。

彩之网为了和 HERMES 一起作业,操纵者需要站在边长为 90cm 的正方形平台上。测压元件会测量平台表面承受的力,这样我们就能知道操纵者的脚在往哪里压。一组联动装置被连接到操纵者的四肢和腰部(基本上是人体重心),并使用旋转编码器准确测量不到 1cm 的位移。

但有些装置并不只是用来感应的:它们也安装了马达,用来给操纵者的躯干施加压力和扭矩。如果你把 BFI 绑在自己身上,这些装置可以给你的身体施加高达 80 牛顿的力,这足以给你一个有力的推动。

研究人员设置了两台计算机来分别控制 HERMES 和 BFI。每台计算机都运行自己的控制回路,但双方会不断交换数据。在每个循环开始时,HERMES 会收集关于自己姿态的数据并将其与从 BFI 收到的关于操纵者的姿态进行比较。

根据数据的不同,机器人会调整其制动器,然后立即将新的姿态数据发送给 BFI。然后 BFI 执行相似的控制循环来调整操纵者的姿态。这个过程每秒重复 1000 次。

为了让双方如此快速地进行操作,研究人员需要压缩双方共享的信息。例如,BFI 不会发送关于操纵者姿态的详细信息表示,而是只发送他的重心位置和每只手和脚的相对位置。机器人的计算机随后将这些测量值扩展至 HERMES 的比例,然后使机器人复现参考姿态。

与任何其它双向遥操作回路一样,这种耦合可能会导致振荡或不稳定。研究人员通过精调映射人类和机器人姿态的缩放参数来最小化这一点。

为了测试 BFI,MIT 的一个研究人员充当了操纵者(Ramos)。毕竟,他参与设计了系统的核心部分,可能最适合调试它。



 
图源:Bob O'Connor。营救机器人:HERMES 配备了大功率发动机,是一款高动态机器人。

彩之网在首次试验中,研究人员测试了 HERMES 的早期平衡算法,观察操纵者和机器人联结在一起时会出现什么情况。在测试中,一名研究人员使用橡皮锤敲击 HERMES 的上身。伴随每次敲击,Ramos 也会出现类似的摇晃,但他条件反射式地移动身体来恢复平衡,机器人也能保持平衡。

之前,HERMES 还只有一双腿和一个躯干,但研究人员最终完成了它身体的其他部分。他们打造的机器人手臂使用了与腿和手一样的制动器,由 3D 打印的部件构成,并以碳化纤维加固。机器人头部配备有一个立体摄像机,可以将视频传输到操纵者所戴的头戴设备中。研究人员还为机器人加上了一顶安全帽。

在另一轮试验中,研究人员令 HERMES 撞击干板墙,用斧头砍木板,并在当地消防部门的监督下,使用灭火器扑灭了一场小型火灾。但是,应急机器人需要的不仅仅是蛮力,所以 HERMES 和 Ramos 也执行了一些灵活性要求更高的任务,如将水壶中的水倒入杯中。

在不同场景下,当操纵者在 BFI 上执行模拟任务时,研究人员观察到了机器人模仿这些动作的程度。他们还观察到了在哪些场景下操纵者的反应对机器人帮助最大。比如,当 HERMES 撞击干板墙时,它的躯干会向后反弹。紧接着,操纵者也受到相应的力,然后会条件反射地俯下身子,帮助 HERMES 调整动作。

研究人员已经准备好进行更多测试,但 HERMES 对于一些实验来说身形有点大,而且力量也有点过强。尽管人类大小的机器人可以执行现实任务,但同时移动起来耗费时间,并需要准备大量安全预防措施——它可是挥舞着一把斧子啊!尝试更灵活的行为或者行走,这些都很困难。研究人员认为 HERMES 需要一个「小兄弟」。

HERMES 的缩小版:Little HERMES

Little HERMES 是 HERMES 的小型版本。和 HERMES 一样,Little HERMES 使用定制的高扭矩制动器,安装在更靠近上半身的地方而不是腿部。这种配置使腿摆动地更快。

为了实现更紧凑的设计,研究人员减少了运动轴数量——或者降低了自由度,用机器人术语来说——每臂从 6 个减少至 3 个,同时他们还以简易的橡胶球取代了原来的两趾脚,并且每个橡胶球内装有三维力传感器。



 
João Ramos 和他的同事们正在构建缩小版的 HERMES,新的机器人拥有自主能力,但也可以通过人类远程操纵来完成更多复杂功能。

将 BFI 连接到 Little HERMES 需要进行一些调整——成人和这种小型机器人的体型有着很大差异,当研究人员试图直连的时候发现机器人运动起来非常生涩。这意味着我们需要不同的数学模型来对两个系统进行同调。MIT 研究人员提出的模型可以追踪地面接触力、操纵者质心等参数,它还可以捕获操纵者预期运动的「大致情况」,并让 Little HERMES 执行。

在一个实验中,操纵者由慢到快进行动作,我们可以看到 Little HERMES 也会以同样的方式行动。当操纵者跳跃时,Little HERMES 也会同样跳起。

彩之网在连拍照片中我们可以看到人类和机器人在半空中的短暂瞬间。研究人员还将木块放置在机器人脚下作为障碍物,而操作者也可以控制机器人避免摔倒。

彩之网目前这些工作大多还在起步阶段,Little HERMES 还不能自由站立或者走动,需要由连接在其背侧的支撑杆防止摔倒。在短期内,研究人员希望能够这种机器人有能力在实验室中,甚至在户外活动,就像 MIT 的「猎豹机器人」Cheetah 和 Mini Cheetah 一样(是的,它们和 HERMES 出自同源)。

下一步

MIT 表示下一步的研究方向将是解决一系列挑战。其一是操纵者在长时间使用 BFI 或需要集中注意力的任务后会出现严重的精神疲劳。实验表明,当你不仅要控制自己的身体,还要以此指挥机器人时,大脑就会快速疲劳。这种情况对于精细操作的任务尤其明显,例如将水倒入杯中。连续三次重复试验之后,操作者就不得不停下来休息了。

彩之网研究人员的下一步目标是组建一种可以「变身」为直立双足人形的四足机器人。

解决之道是让人类和机器人共同负责机器人的稳定。如果 HERMES 正在执行需要操纵者集中意识的任务,则人类不必分心去保持机器人的平衡,自动控制系统将会接管这些任务。识别这种场景的方法之一是跟踪操作者的视线。凝视一处表示正在执行精神集中的任务,在这种情况下自动平衡模式将自动开启。

系统远程操纵的延迟也是必须要考虑的问题,如果你的命令和机器人反应超过一秒,你仍然可以操纵机器人。但这样的延迟可能会让你难以完成很多动作。MIT 正在考虑引入新的无线通信技术如 5G 来降低延迟,提高数据吞吐量。

最后,还有一些激进的方向值得探索,尽管 HERMES 和 Little HERMES 是双足机器人,但救援机器人也应该有更多的可能性。其中一个研究方向是让机器以四足形式行走,以双足站立式工作,上肢负责完成任务。这种情形在灵长类动物中很常见。

彩之网MIT 的长期愿景是将其机器人实验室中的不同产品最终组合起来:Cheetah 和 HERMES。未来我们或许将看到一个可以快速移动的四足机器人,自动进入灾难现场,然后变身为一个双足机器人,借用人类的经验和反应开展工作。这些技术可以帮助人们更安全地开展救援工作。

希望很快这样的机器人就可以在收到召唤时做好准备。 


原文链接:http://spectrum.ieee.org/robotics/humanoids/human-reflexes-help-mits-hermes-rescue-robot-keep-its-footing

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