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　　文/Jo?o Ramos, Albert Wang and Sangbae Kim

　　編譯/機(jī)器之心

　　源頭：機(jī)器之心（ID:almosthuman2014）

　　選自IEEE Spectrum

　　假如機(jī)器人缺乏靈活，人類來(lái)把持可以貪圖標(biāo)題問(wèn)題嗎？MIT提出的人形機(jī)器人HERMES可以讓咱們像影戲與動(dòng)漫里壟斷機(jī)甲一樣，靜靜把持它來(lái)完成各類繁冗任務(wù)。HERMES比人類更為健壯有力，研究人員祈望它可以替代人類去執(zhí)行搜索與營(yíng)救任務(wù)。在面臨極其屠戮或有毒氣體的環(huán)境中，壟斷者可以經(jīng)過(guò)頭戴顯示器以第一人稱視角發(fā)展操作。

　　或許我們隔斷造出高達(dá)不遠(yuǎn)了。

　　人與機(jī)器人行動(dòng)的完美娶親：MIT的 Jo?o Ramos 身穿一件遙操作“背心”，將自身的身體與機(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)急措置。Ramos 的行動(dòng)一把手HERMES維持站立。

　　為什么要設(shè)計(jì)這種機(jī)器人？

　　突發(fā)笑劇為機(jī)器人制造敲響警鐘：這是許多機(jī)器人專家對(duì)于福島第一核電站核透露事故的看法，這場(chǎng)事宜是由 2011 年襲擊日本的大地震與海嘯釀成的。在這場(chǎng)事宜中，強(qiáng)烈的輻射導(dǎo)致救援職員無(wú)奈采取緊迫救援法度模范，如操控壓力閥等。

　　這時(shí)分，機(jī)器人執(zhí)行救援任務(wù)的上風(fēng)就凸顯出來(lái)了，但遺憾的是，日本或其他任何國(guó)度都沒(méi)有能力推出此類機(jī)器人。因而，這場(chǎng)事情給機(jī)器人領(lǐng)域的研究人員敲響了警鐘，讓他們明了到需求將實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生存中。

　　自福島核透露事故以來(lái)，災(zāi)害應(yīng)答機(jī)器人曾經(jīng)取患了龐大停留。天下各地的研討團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，無(wú)人陸上車(chē)輛能夠行駛在廢墟瓦礫中，機(jī)器蛇能夠穿過(guò)狹隘的破綻，無(wú)人機(jī)能夠在上空繪制輿圖。鉆研職員還發(fā)現(xiàn)了人形機(jī)器人，它們能夠查看受損情況、執(zhí)行儀表盤(pán)搜檢或急救設(shè)備輸送等樞紐任務(wù)。

　　當(dāng)然機(jī)器人畛域取患了一些停留，但構(gòu)建能夠像應(yīng)急救援職員一樣執(zhí)行行動(dòng)與決議計(jì)劃的機(jī)器人如故是一大搬弄。好比，推開(kāi)一扇笨重的大門(mén)、用滅兵器滅火以及其他一些簡(jiǎn)單但艱辛的工作緊要不一定水準(zhǔn)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的研討職員令HERMES執(zhí)行一些必要力量的任務(wù)，如用滅兵器滅火。

　　是遙操作機(jī)器人呀

　　壓迫這一局限性的方法是利用遙操作技術(shù)—人類操縱者短途管束機(jī)器人，輔佐它們完成一些自身無(wú)法意圖的特定任務(wù)。

　　遙操作機(jī)器人在產(chǎn)業(yè)、航空航天以及水下設(shè)施的應(yīng)用由來(lái)已久。近來(lái)，研究職員試驗(yàn)了步履捕捉系統(tǒng)，以將人的行動(dòng)及時(shí)轉(zhuǎn)移到仿人機(jī)器人身上：人類利用者揮舞手臂，機(jī)器人則摹擬這一行動(dòng)。為了取得完全擬真的體驗(yàn)，戴上特殊眼鏡的哄騙者可以看到機(jī)器人經(jīng)過(guò)攝像頭看到的征兆，同時(shí)操縱者還可以經(jīng)過(guò)觸覺(jué)背心和手套獲取觸感。

　　MIT仿生機(jī)器人履行室（Biomimetic Robotics Lab）的研究團(tuán)隊(duì)正進(jìn)一步促退人機(jī)散漫，渴想加快適用性應(yīng)急機(jī)器人的開(kāi)荒。得益于美國(guó)國(guó)防高級(jí)鉆研計(jì)劃局（DARPA）的贊成，該研討團(tuán)隊(duì)正建立由兩一小塊組成的遙控哄騙瑣屑：一一部分是存在靈便與新聞行為能力的仿人機(jī)器人，另一一小塊是一種新型的雙向人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了哄騙者與機(jī)器人行動(dòng)的雙向通報(bào)。

　　例如，要是機(jī)器人踩在雜物上，并開(kāi)始失去平衡，則利用者同樣感覺(jué)到失衡，并本能地預(yù)防跌倒。接著，捕捉到的身體反應(yīng)回傳給機(jī)器人，布施它維持平衡。顛末這類人機(jī)接洽，機(jī)器人能以哄騙者本能的行動(dòng)技藝和瞬時(shí)步履堅(jiān)持站立。

　　這可以說(shuō)是在機(jī)器人內(nèi)部植入人類大腦。

　　抱負(fù)情況下，將來(lái)的應(yīng)急機(jī)器人將具有更大的自立性。巴望未來(lái)某一天，機(jī)器人可以自力征采失火建筑物內(nèi)的受困職員或者進(jìn)入損欠佳的家產(chǎn)設(shè)施中找到須要開(kāi)啟的閥門(mén)。現(xiàn)在離領(lǐng)有這種能力的機(jī)器人還很遼遠(yuǎn)，因而對(duì)遙操作的興趣日益增長(zhǎng)。

HERMES揮舞著斧頭　　使用機(jī)器人發(fā)展救援時(shí)，讓人插手個(gè)中的啟事是災(zāi)難場(chǎng)景的弗成預(yù)測(cè)性。在這些雜遝的狀況中發(fā)展導(dǎo)航須要高度的順應(yīng)性，而當(dāng)前的野生智能算法還無(wú)奈做到這一點(diǎn)。

　　例如，如果機(jī)器人碰到了一個(gè)門(mén)把手，但無(wú)奈在其數(shù)據(jù)庫(kù)中找到與門(mén)把手相成家的經(jīng)管法子，也便是說(shuō)它不知道該怎樣辦，那任務(wù)就會(huì)戰(zhàn)敗。如果機(jī)器人的手臂被卡住了，但它不知道怎么弄進(jìn)去，任務(wù)仍是會(huì)失利。而人類，可以輕松應(yīng)對(duì)這些場(chǎng)景。

　　我們可以隨時(shí)順應(yīng)與學(xué)習(xí)，而且著實(shí)我們每天都在這么干。我們可以辨認(rèn)物體形狀的更改，應(yīng)付可見(jiàn)度低的情況，致使可以就地發(fā)現(xiàn)若何使用新器械。

　　這類順應(yīng)性對(duì)咱們的流動(dòng)本事來(lái)講一樣適用。構(gòu)思一下你背著慘重的背包飛奔，比不背包時(shí)要慢一些，或者跑不了那么遠(yuǎn)，但你依然可以完成任務(wù)。我們的身體可以頗為容易地順應(yīng)新動(dòng)態(tài)。

　　MIT正在開(kāi)荒的遙操作零碎其實(shí)不是用來(lái)取代那種腿式機(jī)器人所用的積極控制器，這種管束器被用來(lái)發(fā)展自我均衡和執(zhí)行別的任務(wù)。研究人員仍在盡可能多地增加HERMES的自主性。但經(jīng)由歷程把機(jī)器人與人類云散起來(lái)，可以最好天時(shí)用兩方面的優(yōu)勢(shì)：機(jī)器人的體力與力量，以及人類的活絡(luò)性與感知能力。

　　MIT設(shè)計(jì)出品：HERMES

　　MIT履行室持久以來(lái)一直在探尋如何利用生物體系設(shè)計(jì)更好的機(jī)器人?，F(xiàn)有機(jī)器人的一個(gè)特殊制約是它們不能執(zhí)行咱們稱之為“力氣壟斷”（power manipulation）的任務(wù)，這是一種對(duì)比艱苦的活，譬如把一塊混凝土敲開(kāi)，或者用斧頭砸門(mén)。大多半機(jī)器人都是為更邃密精美與準(zhǔn)確的流動(dòng)以及更和藹的交兵設(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）是順帶為這種重型操作而設(shè)計(jì)的。

　　這款機(jī)器人體格相對(duì)于較輕，只要 45公斤，但它壯健又穩(wěn)健。它的體態(tài)大約是平凡人的 90%，這個(gè)身形足以讓它在人類情況中天然勾當(dāng)。

　　研究人員沒(méi)有使用舊規(guī)的 DC 馬達(dá)，而是遵循其 Cheetah 平臺(tái)多年的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)立了定制的制動(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)行長(zhǎng)跑與騰踴等爆發(fā)性運(yùn)動(dòng)。

　　制動(dòng)器囊括耦合到行星齒輪箱（之所以如斯稱說(shuō)是由于它的三個(gè)“行星”齒輪環(huán)繞一個(gè)“太陽(yáng)”齒輪竄改）的無(wú)刷 DC 馬達(dá)，它們可以為其分量發(fā)生少量扭矩。

　　當(dāng)HERMES的膝蓋與肘部由毗連到制動(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不有其它仿人機(jī)器人那末僵直，它能夠吸收機(jī)器沖擊而不會(huì)造成齒輪破裂。

　　MIT研究人員第一次給HERMES通電時(shí)，它還只有一雙腿。現(xiàn)在機(jī)器人沒(méi)法本人站立，他們把它吊掛在馬具上。研究職員對(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，此后把一個(gè)塑料渣滓桶置于它劈面。而后，他們看到HERMES把垃圾桶踢飛了……

　　MIT研究職員為牽制HERMES而創(chuàng)建的人機(jī)交互界面與保守的方式差異，他們的交互方式依靠于操縱者的反應(yīng)來(lái)前進(jìn)機(jī)器人的強(qiáng)項(xiàng)性。他們將其喻為平衡-反應(yīng)界面（BFI）。

　　開(kāi)辟 BFI 花了好幾個(gè)月，何況發(fā)展了頻仍迭代。最初的觀點(diǎn)與片子《優(yōu)等玩家》中的滿身編造現(xiàn)實(shí)套裝有些相似。誰(shuí)人設(shè)計(jì)還一直停留在畫(huà)圖板上。但研究人員厥后發(fā)現(xiàn)對(duì)擁有 200 塊骨頭和 600 多塊肌肉的人類身體進(jìn)行物理跟蹤與移動(dòng)并不是甚么簡(jiǎn)單的事。以是他們決定從更容易的瑣屑開(kāi)端。

HERMES在執(zhí)行必要靈活性的任務(wù)，例如把水倒進(jìn)杯子里這類。　　為了和HERMES一起功課，利用者須要站在邊長(zhǎng)為 90cm 的正方形平臺(tái)上。測(cè)壓元件會(huì)丈量平臺(tái)皮相蒙受的力，多么我們就能曉得操縱者的腳在往那處壓。一組聯(lián)動(dòng)裝置被毗鄰到壟斷者的四肢與腰部（基礎(chǔ)上是人體重心），并使用篡改編碼器準(zhǔn)確丈量不到 1cm 的位移。

　　但有些擺設(shè)其實(shí)不只不過(guò)用來(lái)感受的：它們也安設(shè)了馬達(dá)，用來(lái)給行使者的軀干施加壓力和扭矩。假設(shè)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)無(wú)力的推動(dòng)。

　　研討人員設(shè)置了兩臺(tái)合計(jì)機(jī)來(lái)劃分控制HERMES與 BFI。每臺(tái)共計(jì)機(jī)都運(yùn)行自身的管教回路，但雙方會(huì)不斷換取數(shù)據(jù)。在每個(gè)循環(huán)開(kāi)始時(shí)，HERMES會(huì)收集對(duì)于自身姿式的數(shù)據(jù)并將其與從 BFI 收到的對(duì)于操作者的姿勢(shì)發(fā)展相比。

　　依照數(shù)據(jù)的差異，機(jī)器人會(huì)調(diào)處其制動(dòng)器，而后即時(shí)將新的姿勢(shì)數(shù)據(jù)發(fā)送給 BFI。接上去 BFI 執(zhí)行相似的牽制輪回來(lái)調(diào)停操縱者的姿勢(shì)。這個(gè)歷程每秒幾回再三 1000 次。

　　為了讓雙方云云快速地進(jìn)行操作，研討職員必要壓縮單方共享的信息。例如，BFI 不會(huì)發(fā)送對(duì)于操縱者姿態(tài)的具體信息閃現(xiàn)，而是只發(fā)送他的重心職位和每只手與腳的絕對(duì)職位。機(jī)器人的總計(jì)機(jī)隨后將這些測(cè)量值精簡(jiǎn)至HERMES的比例，日后使機(jī)器人復(fù)現(xiàn)參照姿勢(shì)。

　　與任何別的雙向遙操作回路一樣，這種耦合可能會(huì)導(dǎo)致振蕩或不頑固。鉆研職員經(jīng)由過(guò)程精調(diào)照耀人類和機(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)研究人員充任了操作者（Ramos）。事實(shí)，他插手設(shè)計(jì)了體系的核心部門(mén)，可能最適當(dāng)調(diào)試它。

圖源：Bob O'Connor。營(yíng)救機(jī)器人：HERMES設(shè)施了大功率發(fā)念頭，是一款高新聞機(jī)器人?！　≡诔醮卧囼?yàn)中，鉆研人員測(cè)試了HERMES的初期平衡算法，考察把持者和機(jī)器人聯(lián)結(jié)在一起時(shí)會(huì)泛起甚么情況。在測(cè)試中，一名研究職員使用橡皮錘敲擊HERMES的上身。伴隨每次敲擊，Ramos 也會(huì)涌現(xiàn)相反的搖晃，但他前提反射式地移停航體來(lái)恢復(fù)失調(diào)，機(jī)器人也能堅(jiān)持失調(diào)。

　　早年，HERMES還只需一雙腿與一個(gè)軀干，但鉆研人員最終完成了它身體的其他部分。他們制作的機(jī)器人手臂使用了與腿與手一樣的制動(dòng)器，由 3D 打印的部件造成，并以碳化纖維加固。機(jī)器人頭部裝備有一個(gè)平面攝像機(jī)，可以將視頻傳輸?shù)嚼谜咚鞯念^戴設(shè)備中。鉆研職員還為機(jī)器人加之了一頂安然帽。

　　在另一輪試驗(yàn)中，鉆研人員令HERMES撞擊干板墻，用斧頭伐木板，并在本地消防部門(mén)的監(jiān)督下，使用滅火器點(diǎn)燃了一場(chǎng)小型火警?？墒?，應(yīng)急機(jī)器人須要的不但僅是蠻力，所以HERMES和 Ramos 也執(zhí)行了一些靈活性申請(qǐng)更高的任務(wù)，如將水壺中的水倒入杯中。

　　在分歧場(chǎng)景下，當(dāng)壟斷者在 BFI 上執(zhí)行模擬任務(wù)時(shí)，研究職員窺察到了機(jī)器人摹擬這些步履的水平。他們還觀察到了在哪些場(chǎng)景下把持者的反應(yīng)對(duì)機(jī)器人布施最大。例如，當(dāng)HERMES撞擊干板墻時(shí)，它的軀干會(huì)向后反彈。緊接著，操縱者也遭到相應(yīng)的力，而后會(huì)前提反射地俯下身子，幫手HERMES斡旋行動(dòng)。

　　研究職員曾經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行更多測(cè)試，但HERMES對(duì)于一些實(shí)行來(lái)講體態(tài)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)淹滅時(shí)日，并須要操辦少量安然預(yù)防舉措——它可是揮舞著一把斧子啊！嘗試更靈敏的舉動(dòng)或者行走，這些都很困難。研究職員以為HERMES必要一個(gè)“小兄弟”。

　　HERMES的縮小版：Little HERMES

　　Little HERMES是HERMES的小型版本。與HERMES一樣，Little HERMES使用定制的高扭矩制動(dòng)器，安設(shè)在更湊近上半身的地方而不是腿部。這種設(shè)置裝備擺設(shè)使腿搖蕩地更快。

　　為了完成更緊湊的設(shè)計(jì)，研討人員減少了流動(dòng)軸數(shù)量——或者降低了默默度，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)易的橡膠球取代了副本的兩趾腳，并且每個(gè)橡膠球內(nèi)裝有三維力傳感器。

　　Jo?o Ramos 與他的共事們正在創(chuàng)設(shè)放大版的HERMES，新的機(jī)器人領(lǐng)有自主能力，但也能夠通過(guò)人類短途操縱來(lái)完成更多蕪雜功用。

　　將 BFI 毗連到 Little HERMES需求進(jìn)行一些斡旋——成年人與這類小型機(jī)器人的體型有著很大差異，當(dāng)鉆研職員試圖直連的時(shí)刻發(fā)現(xiàn)機(jī)器人流動(dòng)起來(lái)非常生澀。這意味著咱們需求差別的數(shù)學(xué)模子來(lái)對(duì)兩個(gè)細(xì)碎發(fā)展同調(diào)。MIT鉆研人員提出的模型可以追蹤地面接觸力、操作者質(zhì)心等參數(shù)，它還可以捕捉操作者預(yù)期流動(dòng)的“大略情況”，并讓 Little HERMES執(zhí)行。

　　在一個(gè)執(zhí)行中，壟斷者由慢到快進(jìn)行步履，咱們可以看到 Little HERMES也會(huì)以同樣的方式行動(dòng)。當(dāng)行使者騰躍時(shí)，Little HERMES也會(huì)異樣跳起。

　　在連照像片中咱們可以看到人類與機(jī)器人在半空中的短暫瞬間。鉆研人員還將木塊布置在機(jī)器人腳下作為障礙物，而操作者也能夠管教機(jī)器人防御跌倒。

　　目前這些工作大多還在起步階段，Little HERMES還不克不及從容站立或者走動(dòng)，需求由毗連在其背側(cè)的撐持桿防止跌倒。在短時(shí)間內(nèi)，研討人員渴望能夠這種機(jī)器人有能力在執(zhí)行室中，致使在戶外勾當(dāng)，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展示下一步的研討偏向?qū)⑹峭胍幌盗刑魬?zhàn)。其一是壟斷者在長(zhǎng)工夫使用 BFI 或緊要集合把穩(wěn)力的任務(wù)后會(huì)涌現(xiàn)很有問(wèn)題的肉體倦怠。履行剖明，當(dāng)你不單要牽制自己的身體，還要以此指示機(jī)器人時(shí)，大腦就會(huì)神速萎靡。這種情況對(duì)于邃密精美操作的任務(wù)尤其顯然，例如將水倒入杯中。連氣兒三次頻頻試驗(yàn)以后，操作者就不得始終上去勞動(dòng)了。

　　研究職員的下一步目標(biāo)是組建一種可以“變身”為矗立雙足人形的四足機(jī)器人。

　　籌劃之道是讓人類與機(jī)器人一塊兒賣(mài)命機(jī)器人的不亂。假設(shè)HERMES正在執(zhí)行需要獨(dú)霸者匯合了解的任務(wù)，則人類毋庸分心去維持機(jī)器人的均衡，自動(dòng)管制瑣細(xì)將會(huì)接管這些任務(wù)。識(shí)別這類場(chǎng)景的方法之一是跟蹤操作者的視線。凝視一處顯露正在執(zhí)行物資鳩合的任務(wù)，在這種情況下積極平衡模式將被動(dòng)開(kāi)啟。

　　細(xì)碎長(zhǎng)途獨(dú)霸的稽延也是必須要考慮的題目，假定你的下令與機(jī)器人反應(yīng)逾越一秒，你仿照照舊可以行使機(jī)器人。但何等的擔(dān)擱可能會(huì)讓你難以完成很多行動(dòng)。MIT正在思量引入新的無(wú)線通信技術(shù)如 5G 來(lái)低落遷延，進(jìn)步數(shù)據(jù)吞吐量。

　　最后，另有一些激進(jìn)的標(biāo)的目的值得探尋，盡管HERMES和 Little HERMES是雙足機(jī)器人，但救援機(jī)器人也應(yīng)當(dāng)有更多的可能性。個(gè)中一個(gè)研究標(biāo)的目的是讓機(jī)器以四足形式行走，以雙足站立式工作，上肢經(jīng)受完成任務(wù)。這種情形在靈長(zhǎng)類植物中很常見(jiàn)。

　　MIT的暫時(shí)愿景是將其機(jī)器人執(zhí)行室中的分歧產(chǎn)品最終組合起來(lái)：Cheetah 與HERMES。將來(lái)我們或許將看到一個(gè)可以快捷挪動(dòng)的四足機(jī)器人，自動(dòng)進(jìn)入劫難現(xiàn)場(chǎng)，爾后變身為一個(gè)雙足機(jī)器人，借用人類的指點(diǎn)與反應(yīng)展開(kāi)任務(wù)。這些技術(shù)可以募捐人們更平安地開(kāi)展救援工作。

　　巴望敏捷多么的機(jī)器人即可以在收到號(hào)召時(shí)做好操辦。 　　原文鏈接：https://spectrum.ieee.org/robotics/humanoids/human-reflexes-help-mits-hermes-rescue-robot-keep-its-footing