全世界只有3.14 % 的人關(guān)注了
數(shù)據(jù)與算法之美
如果機(jī)器人不夠靈活，人類來(lái)操縱可以解決問(wèn)題嗎？MIT 提出的人形機(jī)器人 HERMES 可以讓我們像電影和動(dòng)漫里操縱機(jī)甲一樣，自由操縱它來(lái)完成各種復(fù)雜任務(wù)。HERMES 比人類更加強(qiáng)壯有力，研究人員希望它可以代替人類去執(zhí)行搜索和營(yíng)救任務(wù)。在面對(duì)極度危險(xiǎn)或有毒氣體的環(huán)境中，操縱者可以通過(guò)頭戴顯示器以第一人稱視角進(jìn)行操作。
或許我們距離造出高達(dá)不遠(yuǎn)了。
人與機(jī)器人動(dòng)作的完美匹配：MIT 的 Jo?o Ramos 身穿一件遙操作「背心」，將自己的身體與機(jī)器人 HERMES 相連，這款雙足機(jī)器人設(shè)計(jì)用于災(zāi)害應(yīng)急處置。Ramos 的動(dòng)作幫助 HERMES 保持站立。
為什么要設(shè)計(jì)這種機(jī)器人？
突發(fā)悲劇為機(jī)器人制造敲響警鐘：這是很多機(jī)器人專家對(duì)于福島第一核電站核泄漏事故的看法，這場(chǎng)事故是由 2011 年襲擊日本的大地震和海嘯造成的。在這場(chǎng)事故中，強(qiáng)烈的輻射導(dǎo)致救援人員無(wú)法采取緊急救援措施，如操控壓力閥等。
這時(shí)候，機(jī)器人執(zhí)行救援任務(wù)的優(yōu)勢(shì)就凸顯出來(lái)了，但可惜的是，日本或其他任何國(guó)家都沒(méi)有能力推出此類機(jī)器人。因此，這場(chǎng)事故給機(jī)器人領(lǐng)域的研究人員敲響了警鐘，讓他們意識(shí)到需要將實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中。
自福島核泄漏事故以來(lái)，災(zāi)害應(yīng)對(duì)機(jī)器人已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。世界各地的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，無(wú)人陸上車輛能夠行駛在廢墟瓦礫中，機(jī)器蛇能夠穿過(guò)窄小的縫隙，無(wú)人機(jī)能夠在上空繪制地圖。研究人員還發(fā)明了人形機(jī)器人，它們能夠查看受損情況、執(zhí)行儀表盤檢查或急救設(shè)備運(yùn)送等關(guān)鍵任務(wù)。
雖然機(jī)器人領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，但構(gòu)建能夠像應(yīng)急救援人員一樣執(zhí)行動(dòng)作和決策的機(jī)器人仍然是一大挑戰(zhàn)。比如，推開一扇笨重的大門、用滅火器滅火以及其他一些簡(jiǎn)單但費(fèi)力的工作需要一定程度的協(xié)調(diào)能力，機(jī)器人尚不能做到這些。
為了檢驗(yàn)遙操作機(jī)器人的方案，MIT 的研究人員令 HERMES 執(zhí)行一些需要力量的任務(wù)，如用滅火器滅火。
克服這一局限性的方法是利用遙操作技術(shù)—人類操縱者遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，幫助它們完成一些自身無(wú)法解決的特定任務(wù)。
遙操作機(jī)器人在工業(yè)、航空航天以及水下設(shè)施的應(yīng)用由來(lái)已久。最近，研究人員試驗(yàn)了動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，以將人的動(dòng)作實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)移到仿人機(jī)器人身上：人類操縱者揮動(dòng)手臂，機(jī)器人則模仿這一動(dòng)作。為了獲得完全擬真的體驗(yàn)，戴上特殊眼鏡的操縱者可以看到機(jī)器人通過(guò)攝像頭看到的情景，同時(shí)操縱者還可以通過(guò)觸覺背心和手套獲得觸感。
MIT 仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室（Biomimetic Robotics Lab）的研究團(tuán)隊(duì)正進(jìn)一步推進(jìn)人機(jī)結(jié)合，希望加快實(shí)用性應(yīng)急機(jī)器人的開發(fā)。得益于美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的支持，該研究團(tuán)隊(duì)正構(gòu)建由兩部分組成的遙控操縱系統(tǒng)：一部分是具有靈活和動(dòng)態(tài)行為能力的仿人機(jī)器人，另一部分是一種新型的雙向人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了操縱者和機(jī)器人動(dòng)作的雙向傳送。
比如，如果機(jī)器人踩在雜物上，并開始失去平衡，則操縱者同樣感覺到失衡，并本能地避免摔倒。接著，捕捉到的身體反應(yīng)回傳給機(jī)器人，幫助它維持平衡。通過(guò)這種人機(jī)聯(lián)系，機(jī)器人能以操縱者本能的動(dòng)作技能和瞬時(shí)動(dòng)作保持站立。
這可以說(shuō)是在機(jī)器人內(nèi)部植入人類大腦。
理想情況下，未來(lái)的應(yīng)急機(jī)器人將具有更大的自主性。希望未來(lái)某一天，機(jī)器人可以獨(dú)立搜尋火災(zāi)建筑物內(nèi)的受困人員或者進(jìn)入損壞的工業(yè)設(shè)施中找到需要關(guān)閉的閥門。現(xiàn)在離擁有這種能力的機(jī)器人還很遙遠(yuǎn)，因此對(duì)遙操作的興趣日益增長(zhǎng)。
HERMES 揮舞著斧頭
使用機(jī)器人進(jìn)行救援時(shí)，讓人參與其中的原因是災(zāi)難場(chǎng)景的不可預(yù)測(cè)性。在這些混亂的環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)航需要高度的適應(yīng)性，而當(dāng)前的人工智能算法還無(wú)法做到這一點(diǎn)。
例如，如果機(jī)器人遇到了一個(gè)門把手，但無(wú)法在其數(shù)據(jù)庫(kù)中找到與門把手相匹配的解決辦法，也就是說(shuō)它不知道該怎么辦，那任務(wù)就會(huì)失敗。如果機(jī)器人的手臂被卡住了，但它不知道怎么弄出來(lái)，任務(wù)還是會(huì)失敗。而人類，可以輕松應(yīng)對(duì)這些場(chǎng)景。
我們可以隨時(shí)適應(yīng)和學(xué)習(xí)，而且實(shí)際上我們每天都在這么干。我們可以識(shí)別物體形狀的變化，應(yīng)付可見度低的情況，甚至可以當(dāng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)如何使用新工具。
這種適應(yīng)性對(duì)我們的運(yùn)動(dòng)技巧來(lái)說(shuō)同樣適用。想象一下你背著沉重的背包奔跑，比不背包時(shí)要慢一些，或者跑不了那么遠(yuǎn)，但你仍然可以完成任務(wù)。我們的身體可以非常容易地適應(yīng)新動(dòng)態(tài)。
MIT 正在開發(fā)的遙操作系統(tǒng)并不是用來(lái)取代那種腿式機(jī)器人所用的自動(dòng)控制器，這種控制器被用來(lái)進(jìn)行自我平衡和執(zhí)行其它任務(wù)。研究人員仍在盡可能多地增加 HERMES 的自主性。但通過(guò)把機(jī)器人和人類結(jié)合起來(lái)，可以最好地利用兩方面的優(yōu)勢(shì)：機(jī)器人的耐力和力量，以及人類的靈活性和感知能力。
MIT設(shè)計(jì)出品：HERMES
MIT 實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期以來(lái)一直在探索如何利用生物系統(tǒng)設(shè)計(jì)更好的機(jī)器人。現(xiàn)有機(jī)器人的一個(gè)特殊限制是它們不能執(zhí)行我們稱之為「力量操縱」（power manipulation）的任務(wù)，這是一種比較費(fèi)力的活，比如把一塊混凝土敲開，或者用斧頭砸門。大多數(shù)機(jī)器人都是為更精細(xì)和精確的運(yùn)動(dòng)以及更溫和的接觸設(shè)計(jì)的。
MIT 設(shè)計(jì)的這款仿人機(jī)器人（全稱 Highly Efficient Robotic Mechanisms and Electromechanical System）是專門為這種重型操作而設(shè)計(jì)的。
這款機(jī)器人體格相對(duì)較輕，只有 45kg，但它強(qiáng)壯又穩(wěn)健。它的身形大約是普通人的 90%，這個(gè)身形足以讓它在人類環(huán)境中自然活動(dòng)。
研究人員沒(méi)有使用常規(guī)的 DC 馬達(dá)，而是根據(jù)其 Cheetah 平臺(tái)多年的經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了定制的制動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng) HERMES 的關(guān)節(jié)。Cheetah 是一款四足機(jī)器人，能夠進(jìn)行短跑和跳躍等爆發(fā)性運(yùn)動(dòng)。
制動(dòng)器包括耦合到行星齒輪箱（之所以如此稱呼是因?yàn)樗娜齻€(gè)「行星」齒輪圍繞一個(gè)「太陽(yáng)」齒輪旋轉(zhuǎn)）的無(wú)刷 DC 馬達(dá)，它們可以為其重量產(chǎn)生大量扭矩。
當(dāng) HERMES 的膝蓋和肘部由連接到制動(dòng)器的金屬桿驅(qū)動(dòng)時(shí)，它的肩膀和臀部會(huì)直接被驅(qū)動(dòng)。這使得 HERMES 沒(méi)有其它仿人機(jī)器人那么僵硬，它能夠吸收機(jī)械沖擊而不會(huì)造成齒輪碎裂。
MIT 研究人員第一次給 HERMES 通電時(shí)，它還只有一雙腿。那時(shí)機(jī)器人沒(méi)法自己站立，他們把它懸掛在馬具上。研究人員對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了簡(jiǎn)單測(cè)試：把它的左腿編程為踢腿，然后把一個(gè)塑料垃圾桶置于它面前。然后，他們看到 HERMES 把垃圾桶踢飛了……
MIT 研究人員為控制 HERMES 而構(gòu)建的人機(jī)交互界面與傳統(tǒng)的方式不同，他們的交互方式依賴于操縱者的反應(yīng)來(lái)提高機(jī)器人的穩(wěn)定性。他們將其稱為平衡-反饋界面（BFI）。
開發(fā) BFI 花了好幾個(gè)月，并且進(jìn)行了多次迭代。最初的概念與電影《頭號(hào)玩家》中的全身虛擬現(xiàn)實(shí)套裝有些相似。那個(gè)設(shè)計(jì)還一直停留在繪圖板上。但研究人員后來(lái)發(fā)現(xiàn)對(duì)擁有 200 塊骨頭和 600 多塊肌肉的人類身體進(jìn)行物理跟蹤和移動(dòng)并不是什么簡(jiǎn)單的事。所以他們決定從更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)開始。
HERMES 在執(zhí)行需要靈活性的任務(wù)，比如把水倒進(jìn)杯子里這種。
為了和 HERMES 一起作業(yè)，操縱者需要站在邊長(zhǎng)為 90cm 的正方形平臺(tái)上。測(cè)壓元件會(huì)測(cè)量平臺(tái)表面承受的力，這樣我們就能知道操縱者的腳在往哪里壓。一組聯(lián)動(dòng)裝置被連接到操縱者的四肢和腰部（基本上是人體重心），并使用旋轉(zhuǎn)編碼器準(zhǔn)確測(cè)量不到 1cm 的位移。
但有些裝置并不只是用來(lái)感應(yīng)的：它們也安裝了馬達(dá)，用來(lái)給操縱者的軀干施加壓力和扭矩。如果你把 BFI 綁在自己身上，這些裝置可以給你的身體施加高達(dá) 80 牛頓的力，這足以給你一個(gè)有力的推動(dòng)。
研究人員設(shè)置了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)分別控制 HERMES 和 BFI。每臺(tái)計(jì)算機(jī)都運(yùn)行自己的控制回路，但雙方會(huì)不斷交換數(shù)據(jù)。在每個(gè)循環(huán)開始時(shí)，HERMES 會(huì)收集關(guān)于自己姿態(tài)的數(shù)據(jù)并將其與從 BFI 收到的關(guān)于操縱者的姿態(tài)進(jìn)行比較。
根據(jù)數(shù)據(jù)的不同，機(jī)器人會(huì)調(diào)整其制動(dòng)器，然后立即將新的姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給 BFI。然后 BFI 執(zhí)行相似的控制循環(huán)來(lái)調(diào)整操縱者的姿態(tài)。這個(gè)過(guò)程每秒重復(fù) 1000 次。
為了讓雙方如此快速地進(jìn)行操作，研究人員需要壓縮雙方共享的信息。例如，BFI 不會(huì)發(fā)送關(guān)于操縱者姿態(tài)的詳細(xì)信息表示，而是只發(fā)送他的重心位置和每只手和腳的相對(duì)位置。機(jī)器人的計(jì)算機(jī)隨后將這些測(cè)量值擴(kuò)展至 HERMES 的比例，然后使機(jī)器人復(fù)現(xiàn)參考姿態(tài)。
與任何其它雙向遙操作回路一樣，這種耦合可能會(huì)導(dǎo)致振蕩或不穩(wěn)定。研究人員通過(guò)精調(diào)映射人類和機(jī)器人姿態(tài)的縮放參數(shù)來(lái)最小化這一點(diǎn)。
為了測(cè)試 BFI，MIT 的一個(gè)研究人員充當(dāng)了操縱者（Ramos）。畢竟，他參與設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的核心部分，可能最適合調(diào)試它。
圖源：Bob O'Connor。營(yíng)救機(jī)器人：HERMES 配備了大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，是一款高動(dòng)態(tài)機(jī)器人。
在首次試驗(yàn)中，研究人員測(cè)試了 HERMES 的早期平衡算法，觀察操縱者和機(jī)器人聯(lián)結(jié)在一起時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么情況。在測(cè)試中，一名研究人員使用橡皮錘敲擊 HERMES 的上身。伴隨每次敲擊，Ramos 也會(huì)出現(xiàn)類似的搖晃，但他條件反射式地移動(dòng)身體來(lái)恢復(fù)平衡，機(jī)器人也能保持平衡。
之前，HERMES 還只有一雙腿和一個(gè)軀干，但研究人員最終完成了它身體的其他部分。他們打造的機(jī)器人手臂使用了與腿和手一樣的制動(dòng)器，由 3D 打印的部件構(gòu)成，并以碳化纖維加固。機(jī)器人頭部配備有一個(gè)立體攝像機(jī)，可以將視頻傳輸?shù)讲倏v者所戴的頭戴設(shè)備中。研究人員還為機(jī)器人加上了一頂安全帽。
在另一輪試驗(yàn)中，研究人員令 HERMES 撞擊干板墻，用斧頭砍木板，并在當(dāng)?shù)叵啦块T的監(jiān)督下，使用滅火器撲滅了一場(chǎng)小型火災(zāi)。但是，應(yīng)急機(jī)器人需要的不僅僅是蠻力，所以 HERMES 和 Ramos 也執(zhí)行了一些靈活性要求更高的任務(wù)，如將水壺中的水倒入杯中。
在不同場(chǎng)景下，當(dāng)操縱者在 BFI 上執(zhí)行模擬任務(wù)時(shí)，研究人員觀察到了機(jī)器人模仿這些動(dòng)作的程度。他們還觀察到了在哪些場(chǎng)景下操縱者的反應(yīng)對(duì)機(jī)器人幫助最大。比如，當(dāng) HERMES 撞擊干板墻時(shí)，它的軀干會(huì)向后反彈。緊接著，操縱者也受到相應(yīng)的力，然后會(huì)條件反射地俯下身子，幫助 HERMES 調(diào)整動(dòng)作。
研究人員已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行更多測(cè)試，但 HERMES 對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)身形有點(diǎn)大，而且力量也有點(diǎn)過(guò)強(qiáng)。盡管人類大小的機(jī)器人可以執(zhí)行現(xiàn)實(shí)任務(wù)，但同時(shí)移動(dòng)起來(lái)耗費(fèi)時(shí)間，并需要準(zhǔn)備大量安全預(yù)防措施——它可是揮舞著一把斧子啊！嘗試更靈活的行為或者行走，這些都很困難。研究人員認(rèn)為 HERMES 需要一個(gè)「小兄弟」。
HERMES的縮小版:Little HERMES
Little HERMES 是 HERMES 的小型版本。和 HERMES 一樣，Little HERMES 使用定制的高扭矩制動(dòng)器，安裝在更靠近上半身的地方而不是腿部。這種配置使腿擺動(dòng)地更快。
為了實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)，研究人員減少了運(yùn)動(dòng)軸數(shù)量——或者降低了自由度，用機(jī)器人術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)——每臂從 6 個(gè)減少至 3 個(gè)，同時(shí)他們還以簡(jiǎn)易的橡膠球取代了原來(lái)的兩趾腳，并且每個(gè)橡膠球內(nèi)裝有三維力傳感器。
Jo?o Ramos 和他的同事們正在構(gòu)建縮小版的 HERMES，新的機(jī)器人擁有自主能力，但也可以通過(guò)人類遠(yuǎn)程操縱來(lái)完成更多復(fù)雜功能。
將 BFI 連接到 Little HERMES 需要進(jìn)行一些調(diào)整——成人和這種小型機(jī)器人的體型有著很大差異，當(dāng)研究人員試圖直連的時(shí)候發(fā)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起來(lái)非常生澀。這意味著我們需要不同的數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行同調(diào)。MIT 研究人員提出的模型可以追蹤地面接觸力、操縱者質(zhì)心等參數(shù)，它還可以捕獲操縱者預(yù)期運(yùn)動(dòng)的「大致情況」，并讓 Little HERMES 執(zhí)行。
在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，操縱者由慢到快進(jìn)行動(dòng)作，我們可以看到 Little HERMES 也會(huì)以同樣的方式行動(dòng)。當(dāng)操縱者跳躍時(shí)，Little HERMES 也會(huì)同樣跳起。
在連拍照片中我們可以看到人類和機(jī)器人在半空中的短暫瞬間。研究人員還將木塊放置在機(jī)器人腳下作為障礙物，而操作者也可以控制機(jī)器人避免摔倒。
目前這些工作大多還在起步階段，Little HERMES 還不能自由站立或者走動(dòng)，需要由連接在其背側(cè)的支撐桿防止摔倒。在短期內(nèi)，研究人員希望能夠這種機(jī)器人有能力在實(shí)驗(yàn)室中，甚至在戶外活動(dòng)，就像 MIT 的「獵豹機(jī)器人」Cheetah 和 Mini Cheetah 一樣（是的，它們和 HERMES 出自同源）。
下一步
MIT 表示下一步的研究方向?qū)⑹墙鉀Q一系列挑戰(zhàn)。其一是操縱者在長(zhǎng)時(shí)間使用 BFI 或需要集中注意力的任務(wù)后會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的精神疲勞。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)你不僅要控制自己的身體，還要以此指揮機(jī)器人時(shí)，大腦就會(huì)快速疲勞。這種情況對(duì)于精細(xì)操作的任務(wù)尤其明顯，例如將水倒入杯中。連續(xù)三次重復(fù)試驗(yàn)之后，操作者就不得不停下來(lái)休息了。
研究人員的下一步目標(biāo)是組建一種可以「變身」為直立雙足人形的四足機(jī)器人。
解決之道是讓人類和機(jī)器人共同負(fù)責(zé)機(jī)器人的穩(wěn)定。如果 HERMES 正在執(zhí)行需要操縱者集中意識(shí)的任務(wù)，則人類不必分心去保持機(jī)器人的平衡，自動(dòng)控制系統(tǒng)將會(huì)接管這些任務(wù)。識(shí)別這種場(chǎng)景的方法之一是跟蹤操作者的視線。凝視一處表示正在執(zhí)行精神集中的任務(wù)，在這種情況下自動(dòng)平衡模式將自動(dòng)開啟。
系統(tǒng)遠(yuǎn)程操縱的延遲也是必須要考慮的問(wèn)題，如果你的命令和機(jī)器人反應(yīng)超過(guò)一秒，你仍然可以操縱機(jī)器人。但這樣的延遲可能會(huì)讓你難以完成很多動(dòng)作。MIT 正在考慮引入新的無(wú)線通信技術(shù)如 5G 來(lái)降低延遲，提高數(shù)據(jù)吞吐量。
最后，還有一些激進(jìn)的方向值得探索，盡管 HERMES 和 Little HERMES 是雙足機(jī)器人，但救援機(jī)器人也應(yīng)該有更多的可能性。其中一個(gè)研究方向是讓機(jī)器以四足形式行走，以雙足站立式工作，上肢負(fù)責(zé)完成任務(wù)。這種情形在靈長(zhǎng)類動(dòng)物中很常見。
MIT 的長(zhǎng)期愿景是將其機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室中的不同產(chǎn)品最終組合起來(lái)：Cheetah 和 HERMES。未來(lái)我們或許將看到一個(gè)可以快速移動(dòng)的四足機(jī)器人，自動(dòng)進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，然后變身為一個(gè)雙足機(jī)器人，借用人類的經(jīng)驗(yàn)和反應(yīng)開展工作。這些技術(shù)可以幫助人們更安全地開展救援工作。
希望很快這樣的機(jī)器人就可以在收到召喚時(shí)做好準(zhǔn)備。
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