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          • 營救機器人已誕生,一起來看看效益

            來源:

              麻省理工學院的Joao Ramos穿著一套遠程手術服,將他的身體與HERMES機器人的身體連接起來。HERMES是一款兩足機器人,專為應對災難而設計。拉莫斯的反應幫助愛馬仕站穩腳跟。

              是否還記得日本福島的悲慘事件,許多機器人專家就是這樣看待福島第一核電站(Fukushima Daiichi)核災難的。這場災難是由2011年襲擊日本的大地震和海嘯引發的。事故發生后的報道描述了超高的輻射是如何阻止工人們采取緊急措施的,比如操作壓力閥。對于機器人來說,這是一個完美的任務,但無論是在日本還是在其他地方,沒有人有能力完成它。

              自福島核事故以來,災難響應機器人已經取得了重大進展。世界各地的研究小組已經展示了無人駕駛地面交通工具,可以在碎石上行駛,機器蛇可以擠過狹窄的縫隙,無人機可以從上方繪制地圖。研究人員還在建造仿人機器人,可以調查受損情況,并執行一些關鍵任務,比如訪問儀表面板或運送急救設備。

              但是,盡管有了這些進步,制造具有與緊急救援人員相同的馬達和決策技能的機器人仍然是一個挑戰。推開一扇沉重的門,打開滅火器,以及其他簡單但艱巨的工作,都需要機器人尚未掌握的協調能力。

              彌補這一限制的一種方法是使用遠程操作——讓人類操作員遠程控制機器人,無論是連續的還是在特定任務期間,幫助它完成比它自己能完成的更多的任務。

              遙控機器人長期以來被應用于工業、航空和水下環境。最近,研究人員用動作捕捉系統進行了實驗,將一個人的動作實時傳輸給類人機器人:你揮動手臂,機器人就會模仿你的手勢。為了獲得完全身臨其境的體驗,特殊的護目鏡可以讓操作者看到機器人通過攝像頭看到的東西,觸覺背心和手套可以給操作者的身體帶來觸覺。

              在麻省理工學院(MIT)的仿生機器人實驗室里,研發團隊正在進一步推動人與機器的融合,希望能加速開發出實用的災難機器人。在美國國防高級研究計劃局(DARPA)的支持下,研發團隊正在構建一個由兩部分組成的遠程機器人系統:一個具有靈活、動態行為能力的類人機器人,以及一種新型的雙向人機界面,它可以將你的動作發送給機器人,而機器人的動作也會發送給你。因此,如果機器人踩在碎片上,開始失去平衡,操作員也會感受到同樣的不穩定性,并本能地做出反應,避免跌倒。然后我們捕捉到這種物理反應,并將其發送回機器人,這也有助于它避免跌倒。通過這個人與機器人的連接,機器人可以利用操作者天生的運動技能和瞬間的反應來站穩腳跟。

              你可以理解為把大腦放進了機器里。

              理想情況下,未來的災難機器人將擁有很大的自主權。研發團隊希望能夠派遣機器人獨自進入燃燒的大樓尋找遇難者,或者在受損的工業設施部署機器人,讓它找到需要關閉的閥門。因此,人們對遠程操作越來越感興趣。

              美國國防部高級研究計劃局(DARPA)機器人挑戰賽和日本的ImPACT Tough Robotics挑戰賽是最近展示遠程操作可能性的項目之一。讓人類參與其中的一個原因是災難現場的不可預測性。在這些混亂的環境中航行需要高度的適應性,而目前的人工智能算法還無法做到這一點。

              例如,如果一個自主機器人遇到門把手,但在門把手數據庫中找不到匹配的門把手,任務就失敗了。如果機器人的手臂卡住了,不知道如何脫身,任務就失敗了。另一方面,人類可以很容易地處理這樣的情況:我們可以隨時適應和學習,我們每天都在這樣做。我們可以識別物體形狀的變化,處理能見度低的問題,甚至可以當場想出如何使用新工具。

              我們的運動技能也是如此。比如背著沉重的背包跑步,如果沒有額外的重量,你可以跑得慢一些,或者跑得遠一些,但是你仍然可以完成這項任務。我們的身體可以非常輕松地適應新的動態。

              研發團隊正在開發的遠程操作系統并不是為了取代自動控制系統而設計的。我們仍然在為機器人配備盡可能多的自主權。但通過將機器人與人類結合,研發團隊同時利用了兩個世界的優勢:機器人的耐力和力量,以及人類的多功能性和感知能力。

              實驗室長期以來一直在探索生物系統如何能激發出更好的機器設計?,F有機器人的一個特殊限制是它們無法執行我們所說的“力量操縱”——比如敲開一大塊混凝土或用斧頭砸門等費力的動作。大多數機器人都是為更精細、更精確的運動和更溫和的接觸而設計的。

              研發團隊設計了類人機器人HERMES(用于高效的機器人機械和機電系統),專門用于這種類型的重操作。這個機器人重量相對較輕,只有45公斤,但卻很強壯。它的身體的大小大約是普通人的90%,這足以讓它在人類環境中自由的活動。

              設計中沒有使用普通的直流電動機,而是利用獵豹平臺(Cheetah platform)多年的經驗,為愛馬仕的關節提供動力,打造了定制的執行器。獵豹平臺是一個四足機器人,能夠做出類似跳躍的突發性的動作。執行機構包括與行星齒輪箱耦合的無刷直流電動機,行星齒輪箱的三個“行星”齒輪圍繞一個“太陽”齒輪旋轉,因此得名。機器人的肩膀和臀部是直接驅動的,而它的膝蓋和肘部是由連接到驅動器的金屬棒驅動的。這使得愛馬仕沒有其他類人機器人那么僵硬,能夠吸收機械沖擊而不把齒輪摔成碎片。

              第一次給愛馬仕通電時,它還只有兩條腿。這個機器人甚至不能自己站立,所以研發團隊把它掛在安全帶上。作為一個簡單的測試,研發團隊給它的左腿編寫了踢的程序。他們抓住了實驗室周圍的第一樣東西——一個塑料垃圾桶,把它放在機器人面前??吹綑C器人把垃圾桶踢到房間的另一邊。

              研發團隊為控制HERMES而構建的人機界面不同于傳統的人機界面,它依賴于操作者的反射來提高機器人的穩定性。被稱之為平衡反饋接口,簡稱BFI。

              BFI的開發花費了數月和多次迭代。最初的概念與Steven Spielberg執導的電影《頭號玩家》中的全身虛擬現實套裝有些相似,那個設計從未離開過繪圖板。而追蹤和移動一個擁有200多塊骨頭和600多塊肌肉的人的身體并不是一項簡單的任務,所以研發團隊決定從一個更簡單的系統開始。

              為了與愛馬仕合作,操作員站在一個側面約90厘米的方形平臺上。測壓元件測量平臺表面的力,所以我們知道操作員的腳往下推的位置。一組連接到操作者的四肢和腰部的連桿,使用旋轉編碼器精確測量位移。但其中一些連桿并不僅僅用于傳感:它們也有馬達,用于向操作者的軀干施加力和扭矩。如果你把自己綁在BFI上,這些連桿可以給你的身體施加80牛頓的力,足以給你一個很好的推力。

              研發團隊設置了兩立的計算機來控制HERMES和BFI。每臺計算機都能運行自己的控制回路,雙方不斷地交換數據。在每個循環的開始,HERMES收集關于其姿態的數據,并將其與從BFI接收到的關于操作員姿態的數據進行比較。機器人根據數據的不同調整其執行器,然后立即將新的姿態數據發送給BFI。BFI執行類似的控制循環來調整操作員的姿態,這個過程每秒重復1000次。

              為了使雙方能夠以如此快的速度運作,必須濃縮他們共享的信息。例如,BFI只發送人的質心位置和每只手和腳的相對位置,而不是發送操作員姿態的詳細表示。然后,機器人將這些測量值按比例縮放到HERMES的尺寸,HERMES會復制出參考的姿態。與任何其他雙向遙操作回路一樣,這種耦合可能導致振蕩或不穩定。研發團隊通過微調比例參數來最小化這一點,這些參數映射了人類和機器人的姿態。

              為了測試BFI,其中一個人自愿做操作員。

              在最初的一個實驗中,研發人員測試了HERMES的一個早期平衡算法,以觀察人類和機器人在耦合時的行為。測試中,一名研究人員用橡膠槌擊打愛馬仕的上半身。每一次攻擊,BFI都會對拉莫斯產生類似的震動,拉莫斯會反射性地移動身體以恢復平衡,從而使機器人也能抓住自己。

              到目前為止,愛馬仕還只是一條腿和一個軀干,最后研發人員還是完成了他的全貌。其中手臂使用的驅動器與腿和手使用的驅動器相同,由3d打印部件制成,并用碳纖維加固。頭部有一個立體攝像頭,可以將視頻傳輸到操作員佩戴的耳機上。

              在另一輪實驗中,研發人員讓愛馬仕砸穿干墻,用斧頭砸木板,在當地消防部門的監督下,用滅火器撲滅了一場可控的大火。不過,災難機器人需要的不僅僅是蠻力,還需要更靈巧的操作,比如把水壺里的水倒進杯子里。

              在每種情況下,當操作員在BFI上模擬執行任務時,觀察機器人如何很好地反映這些動作。還研究了操作員的反應對機器人幫助最大的場景。例如,當愛馬仕擊打干墻時,它的軀干會向后反彈。幾乎同時,一個相應的力推動了操作員,他反射性地向前傾,幫助赫爾墨斯調整它的姿勢。

              研發人員準備進行更多的測試,但是HERMES對于想做的許多實驗來說太大太強大了。雖然人類規模的機器可以讓你完成現實的任務,但移動起來也很費時,而且需要很多安全措施——它揮舞著斧頭!嘗試更多的動態行為,甚至是步行,都被證明是困難的。研發人員最終決定愛馬仕需要一個小助手。

              小愛馬仕是愛馬仕的縮小版,和它的老大哥一樣,它使用定制的高扭矩執行器,安裝在離身體更近的地方。這種配置允許腿擺動得更快。為了更緊湊的設計,研發人員減少了運動軸的數量或者自由度,在機器人parlancf中,每個肢體從6個減少到3個,并且研發人員用簡單的橡膠球替換了原來的兩趾腳,每個橡膠球內部都有一個三軸力傳感器。

              將BFI連接到小HERMES需要進行調整。一個成年人和這個小一點的機器人在尺度上有很大的不同,當研發人員試圖將他們的運動直接聯系起來——繪制出人類膝蓋和機器人膝蓋的位置的時候——結果導致了劇烈的運動。這需要一個不同的數學模型來協調這兩個系統。最后提出的模型跟蹤參數,如地面接觸力和操作者的質心。它捕捉了一種“輪廓”的操作員的意圖的運動,這是小HERMES能夠執行。

              在一個實驗中,我們讓操作員先慢慢地走,然后再加快。很高興看到小HERMES也以同樣的方式行進。當操作員跳的時候,小HERMES也跳了。

              在拍攝的一系列照片中,你可以在半空中看到人類和機器人。我們還在機器人腳下放置了一些木頭作為障礙物,機器人的控制器能夠防止跌倒。

              這大部分工作還只是雛形,小HERMES不能自由地站立或走動。它背上有一根撐桿,防止它向前傾。在某種程度上,研發人員想進一步開發這個機器人,讓它在實驗室里漫步,甚至在戶外漫步,就像我們對獵豹和迷你獵豹所做的那樣。

              下一系列挑戰其中之一是在長時間使用BFI或執行需要高度集中注意力的任務后,操作員會感到精神疲勞。實驗表明,當你不僅要控制自己的身體,還要控制一臺機器時,你的大腦會很快疲勞。這種效果在精細操作任務中尤其明顯,比如往杯子里倒水。連續做了三次實驗后,操作員不得不休息一下。

              這里的解決方案是讓操作者和機器共同承擔穩定機器人的責任。如果HERMES執行的任務需要操作者付出更多有意識的努力,那么操作者也不必保持機器人的平衡;一個自主控制器可以控制機器人的平衡。識別這類場景的一種方法是跟蹤操作者的視線。固定的凝視表明這是一項耗費腦力的任務,在這種情況下,自主平衡模式應該發揮作用。

              系統或任何遠程操作系統的另一個障礙是傳輸延遲。假設您正在遠程控制一個機器人,您的命令和機器人的響應之間有1秒的延遲。你可能仍然能夠遠程操作它,但如果延遲變得更大,可能會開始感到迷失方向,無法執行操作。所以依靠如5G新的無線技術,可提供低延遲和高吞吐量傳輸。

              最后,研發人員又有了一些大膽的新設計。雖然HERMES和小HERMES是兩條腿的機器人,但沒有真正的理由說明救援機器人應該是這樣。這種機器可以用四條腿行走,穿越具有挑戰性的地形,然后用后肢站立,執行操作任務,就像一些靈長類動物那樣。

              這個研發的長期愿景是將實驗室開發的兩種腿機器人:獵豹(Cheetah)和HERMES合并。結果將是一個可以自主地進入災難現場快速移動的四足機器人,然后轉變成一個兩足機器人,可以借用有經驗的第一反應者的技能和反應能力。這些技術將幫助緊急救援人員更好、更安全地開展工作。

              總有一天,這些機器人將整裝待發。

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