2019年06月03日 | 人类反应与机器的浑然一体—营救机器人诞生

翻译自——spectrum 

麻省理工学院的Joao Ramos穿着一套远程手术服，将他的身体与HERMES机器人的身体连接起来。HERMES是一款两足机器人，专为应对灾难而设计。拉莫斯的反应帮助爱马仕站稳脚跟。

是否还记得日本福岛的悲惨事件，许多机器人专家就是这样看待福岛第一核电站(Fukushima Daiichi)核灾难的。这场灾难是由2011年袭击日本的大地震和海啸引发的。事故发生后的报道描述了超高的辐射是如何阻止工人们采取紧急措施的，比如操作压力阀。对于机器人来说，这是一个完美的任务，但无论是在日本还是在其他地方，没有人有能力完成它。

自福岛核事故以来，灾难响应机器人已经取得了重大进展。世界各地的研究小组已经展示了无人驾驶地面交通工具，可以在碎石上行驶，机器蛇可以挤过狭窄的缝隙，无人机可以从上方绘制地图。研究人员还在建造仿人机器人，可以调查受损情况，并执行一些关键任务，比如访问仪表面板或运送急救设备。

但是，尽管有了这些进步，制造具有与紧急救援人员相同的马达和决策技能的机器人仍然是一个挑战。推开一扇沉重的门，打开灭火器，以及其他简单但艰巨的工作，都需要机器人尚未掌握的协调能力。

弥补这一限制的一种方法是使用远程操作——让人类操作员远程控制机器人，无论是连续的还是在特定任务期间，帮助它完成比它自己能完成的更多的任务。

遥控机器人长期以来被应用于工业、航空和水下环境。最近，研究人员用动作捕捉系统进行了实验，将一个人的动作实时传输给类人机器人:你挥动手臂，机器人就会模仿你的手势。为了获得完全身临其境的体验，特殊的护目镜可以让操作者看到机器人通过摄像头看到的东西，触觉背心和手套可以给操作者的身体带来触觉。

在麻省理工学院(MIT)的仿生机器人实验室里，研发团队正在进一步推动人与机器的融合，希望能加速开发出实用的灾难机器人。在美国国防高级研究计划局(DARPA)的支持下，研发团队正在构建一个由两部分组成的远程机器人系统:一个具有灵活、动态行为能力的类人机器人，以及一种新型的双向人机界面，它可以将你的动作发送给机器人，而机器人的动作也会发送给你。因此，如果机器人踩在碎片上，开始失去平衡，操作员也会感受到同样的不稳定性，并本能地做出反应，避免跌倒。然后我们捕捉到这种物理反应，并将其发送回机器人，这也有助于它避免跌倒。通过这个人与机器人的连接，机器人可以利用操作者天生的运动技能和瞬间的反应来站稳脚跟。

你可以理解为把大脑放进了机器里。

理想情况下，未来的灾难机器人将拥有很大的自主权。研发团队希望能够派遣机器人独自进入燃烧的大楼寻找遇难者，或者在受损的工业设施部署机器人，让它找到需要关闭的阀门。因此，人们对远程操作越来越感兴趣。

美国国防部高级研究计划局(DARPA)机器人挑战赛和日本的ImPACT Tough Robotics挑战赛是最近展示远程操作可能性的项目之一。让人类参与其中的一个原因是灾难现场的不可预测性。在这些混乱的环境中航行需要高度的适应性，而目前的人工智能算法还无法做到这一点。

例如，如果一个自主机器人遇到门把手，但在门把手数据库中找不到匹配的门把手，任务就失败了。如果机器人的手臂卡住了，不知道如何脱身，任务就失败了。另一方面，人类可以很容易地处理这样的情况:我们可以随时适应和学习，我们每天都在这样做。我们可以识别物体形状的变化，处理能见度低的问题，甚至可以当场想出如何使用新工具。

我们的运动技能也是如此。比如背着沉重的背包跑步，如果没有额外的重量，你可以跑得慢一些，或者跑得远一些，但是你仍然可以完成这项任务。我们的身体可以非常轻松地适应新的动态。

研发团队正在开发的远程操作系统并不是为了取代自动控制系统而设计的。我们仍然在为机器人配备尽可能多的自主权。但通过将机器人与人类结合，研发团队同时利用了两个世界的优势:机器人的耐力和力量，以及人类的多功能性和感知能力。

实验室长期以来一直在探索生物系统如何能激发出更好的机器设计。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”——比如敲开一大块混凝土或用斧头砸门等费力的动作。大多数机器人都是为更精细、更精确的运动和更温和的接触而设计的。

研发团队设计了类人机器人HERMES(用于高效的机器人机械和机电系统)，专门用于这种类型的重操作。这个机器人重量相对较轻，只有45公斤，但却很强壮。它的身体的大小大约是普通人的90%，这足以让它在人类环境中自由的活动。

设计中没有使用普通的直流电动机，而是利用猎豹平台(Cheetah platform)多年的经验，为爱马仕的关节提供动力，打造了定制的执行器。猎豹平台是一个四足机器人，能够做出类似跳跃的突发性的动作。执行机构包括与行星齿轮箱耦合的无刷直流电动机，行星齿轮箱的三个“行星”齿轮围绕一个“太阳”齿轮旋转，因此得名。机器人的肩膀和臀部是直接驱动的，而它的膝盖和肘部是由连接到驱动器的金属棒驱动的。这使得爱马仕没有其他类人机器人那么僵硬，能够吸收机械冲击而不把齿轮摔成碎片。

第一次给爱马仕通电时，它还只有两条腿。这个机器人甚至不能自己站立，所以研发团队把它挂在安全带上。作为一个简单的测试，研发团队给它的左腿编写了踢的程序。他们抓住了实验室周围的第一样东西——一个塑料垃圾桶，把它放在机器人面前。看到机器人把垃圾桶踢到房间的另一边。

研发团队为控制HERMES而构建的人机界面不同于传统的人机界面，它依赖于操作者的反射来提高机器人的稳定性。被称之为平衡反馈接口，简称BFI。

BFI的开发花费了数月和多次迭代。最初的概念与Steven Spielberg执导的电影《头号玩家》中的全身虚拟现实套装有些相似，那个设计从未离开过绘图板。而追踪和移动一个拥有200多块骨头和600多块肌肉的人的身体并不是一项简单的任务，所以研发团队决定从一个更简单的系统开始。

为了与爱马仕合作，操作员站在一个侧面约90厘米的方形平台上。测压元件测量平台表面的力，所以我们知道操作员的脚往下推的位置。一组连接到操作者的四肢和腰部的连杆，使用旋转编码器精确测量位移。但其中一些连杆并不仅仅用于传感:它们也有马达，用于向操作者的躯干施加力和扭矩。如果你把自己绑在BFI上，这些连杆可以给你的身体施加80牛顿的力，足以给你一个很好的推力。

研发团队设置了两台独立的计算机来控制HERMES和BFI。每台计算机都能运行自己的控制回路，双方不断地交换数据。在每个循环的开始，HERMES收集关于其姿态的数据，并将其与从BFI接收到的关于操作员姿态的数据进行比较。机器人根据数据的不同调整其执行器，然后立即将新的姿态数据发送给BFI。BFI执行类似的控制循环来调整操作员的姿态，这个过程每秒重复1000次。

为了使双方能够以如此快的速度运作，必须浓缩他们共享的信息。例如，BFI只发送人的质心位置和每只手和脚的相对位置，而不是发送操作员姿态的详细表示。然后，机器人将这些测量值按比例缩放到HERMES的尺寸，HERMES会复制出参考的姿态。与任何其他双向遥操作回路一样，这种耦合可能导致振荡或不稳定。研发团队通过微调比例参数来最小化这一点，这些参数映射了人类和机器人的姿态。

为了测试BFI，其中一个人自愿做操作员。

在最初的一个实验中，研发人员测试了HERMES的一个早期平衡算法，以观察人类和机器人在耦合时的行为。测试中，一名研究人员用橡胶槌击打爱马仕的上半身。每一次攻击，BFI都会对拉莫斯产生类似的震动，拉莫斯会反射性地移动身体以恢复平衡，从而使机器人也能抓住自己。

到目前为止，爱马仕还只是一条腿和一个躯干，最后研发人员还是完成了他的全貌。其中手臂使用的驱动器与腿和手使用的驱动器相同，由3d打印部件制成，并用碳纤维加固。头部有一个立体摄像头，可以将视频传输到操作员佩戴的耳机上。

在另一轮实验中，研发人员让爱马仕砸穿干墙，用斧头砸木板，在当地消防部门的监督下，用灭火器扑灭了一场可控的大火。不过，灾难机器人需要的不仅仅是蛮力，还需要更灵巧的操作，比如把水壶里的水倒进杯子里。

在每种情况下，当操作员在BFI上模拟执行任务时，观察机器人如何很好地反映这些动作。还研究了操作员的反应对机器人帮助最大的场景。例如，当爱马仕击打干墙时，它的躯干会向后反弹。几乎同时，一个相应的力推动了操作员，他反射性地向前倾，帮助赫尔墨斯调整它的姿势。

研发人员准备进行更多的测试，但是HERMES对于想做的许多实验来说太大太强大了。虽然人类规模的机器可以让你完成现实的任务，但移动起来也很费时，而且需要很多安全措施——它挥舞着斧头!尝试更多的动态行为，甚至是步行，都被证明是困难的。研发人员最终决定爱马仕需要一个小助手。

小爱马仕是爱马仕的缩小版，和它的老大哥一样，它使用定制的高扭矩执行器，安装在离身体更近的地方。这种配置允许腿摆动得更快。为了更紧凑的设计，研发人员减少了运动轴的数量或者自由度，在机器人parlancf中，每个肢体从6个减少到3个，并且研发人员用简单的橡胶球替换了原来的两趾脚，每个橡胶球内部都有一个三轴力传感器。

将BFI连接到小HERMES需要进行调整。一个成年人和这个小一点的机器人在尺度上有很大的不同，当研发人员试图将他们的运动直接联系起来——绘制出人类膝盖和机器人膝盖的位置的时候——结果导致了剧烈的运动。这需要一个不同的数学模型来协调这两个系统。最后提出的模型跟踪参数，如地面接触力和操作者的质心。它捕捉了一种“轮廓”的操作员的意图的运动，这是小HERMES能够执行。

在一个实验中，我们让操作员先慢慢地走，然后再加快。很高兴看到小HERMES也以同样的方式行进。当操作员跳的时候，小HERMES也跳了。

在拍摄的一系列照片中，你可以在半空中看到人类和机器人。我们还在机器人脚下放置了一些木头作为障碍物，机器人的控制器能够防止跌倒。

这大部分工作还只是雏形，小HERMES不能自由地站立或走动。它背上有一根撑杆，防止它向前倾。在某种程度上，研发人员想进一步开发这个机器人，让它在实验室里漫步，甚至在户外漫步，就像我们对猎豹和迷你猎豹所做的那样。

下一系列挑战其中之一是在长时间使用BFI或执行需要高度集中注意力的任务后，操作员会感到精神疲劳。实验表明，当你不仅要控制自己的身体，还要控制一台机器时，你的大脑会很快疲劳。这种效果在精细操作任务中尤其明显，比如往杯子里倒水。连续做了三次实验后，操作员不得不休息一下。

这里的解决方案是让操作者和机器共同承担稳定机器人的责任。如果HERMES执行的任务需要操作者付出更多有意识的努力，那么操作者也不必保持机器人的平衡;一个自主控制器可以控制机器人的平衡。识别这类场景的一种方法是跟踪操作者的视线。固定的凝视表明这是一项耗费脑力的任务，在这种情况下，自主平衡模式应该发挥作用。

系统或任何远程操作系统的另一个障碍是传输延迟。假设您正在远程控制一个机器人，您的命令和机器人的响应之间有1秒的延迟。你可能仍然能够远程操作它，但如果延迟变得更大，可能会开始感到迷失方向，无法执行操作。所以依靠如5G新的无线技术，可提供低延迟和高吞吐量传输。

最后，研发人员又有了一些大胆的新设计。虽然HERMES和小HERMES是两条腿的机器人，但没有真正的理由说明救援机器人应该是这样。这种机器可以用四条腿行走，穿越具有挑战性的地形，然后用后肢站立，执行操作任务，就像一些灵长类动物那样。

这个研发的长期愿景是将实验室开发的两种腿机器人:猎豹(Cheetah)和HERMES合并。结果将是一个可以自主地进入灾难现场快速移动的四足机器人，然后转变成一个两足机器人，可以借用有经验的第一反应者的技能和反应能力。这些技术将帮助紧急救援人员更好、更安全地开展工作。

总有一天，这些机器人将整装待发。