像操縱機甲一樣控制機器人：MIT「鐵甲鋼拳」Hermes

選自IEEE Spectrum

作者：Jo?o Ramos, Albert Wang and Sangbae Kim

機器之心編譯

如果機器人不夠靈活，人類來操縱可以解決問題嗎？MIT 提出的人形機器人 HERMES 可以讓我們像電影和動漫里操縱機甲一樣，自由操縱它來完成各種複雜任務。HERMES 比人類更加強壯有力，研究人員希望它可以代替人類去執行搜索和營救任務。在面對極度危險或有毒氣體的環境中，操縱者可以通過頭戴顯示器以第一人稱視角進行操作。

或許我們距離造出高達不遠了。

人與機器人動作的完美匹配：MIT 的 Jo?o Ramos 身穿一件遙操作「背心」，將自己的身體與機器人 HERMES 相連，這款雙足機器人設計用於災害應急處置。Ramos 的動作幫助 HERMES 保持站立。

為什麼要設計這種機器人？

突發悲劇為機器人製造敲響警鐘：這是很多機器人專家對於福島第一核電站核泄漏事故的看法，這場事故是由 2011 年襲擊日本的大地震和海嘯造成的。在這場事故中，強烈的輻射導致救援人員無法採取緊急救援措施，如操控壓力閥等。

這時候，機器人執行救援任務的優勢就凸顯出來了，但可惜的是，日本或其他任何國家都沒有能力推出此類機器人。因此，這場事故給機器人領域的研究人員敲響了警鐘，讓他們意識到需要將實驗室的技術應用到現實生活中。

自福島核泄漏事故以來，災害應對機器人已經取得了重大進展。世界各地的研究團隊已經證明，無人陸上車輛能夠行駛在廢墟瓦礫中，機器蛇能夠穿過窄小的縫隙，無人機能夠在上空繪製地圖。研究人員還發明了人形機器人，它們能夠查看受損情況、執行儀錶盤檢查或急救設備運送等關鍵任務。

雖然機器人領域取得了一些進展，但構建能夠像應急救援人員一樣執行動作和決策的機器人仍然是一大挑戰。比如，推開一扇笨重的大門、用滅火器滅火以及其他一些簡單但費力的工作需要一定程度的協調能力，機器人尚不能做到這些。

為了檢驗遙操作機器人的方案，MIT 的研究人員令 HERMES 執行一些需要力量的任務，如用滅火器滅火。

是遙操作機器人呀

克服這一局限性的方法是利用遙操作技術—人類操縱者遠程控制機器人，幫助它們完成一些自身無法解決的特定任務。

遙操作機器人在工業、航空航天以及水下設施的應用由來已久。最近，研究人員試驗了動作捕捉系統，以將人的動作實時轉移到仿人機器人身上：人類操縱者揮動手臂，機器人則模仿這一動作。為了獲得完全擬真的體驗，戴上特殊眼鏡的操縱者可以看到機器人通過攝像頭看到的情景，同時操縱者還可以通過觸覺背心和手套獲得觸感。

MIT 仿生機器人實驗室（Biomimetic Robotics Lab）的研究團隊正進一步推進人機結合，希望加快實用性應急機器人的開發。得益於美國國防高級研究計劃局（DARPA）的支持，該研究團隊正構建由兩部分組成的遙控操縱系統：一部分是具有靈活和動態行為能力的仿人機器人，另一部分是一種新型的雙向人機界面，實現了操縱者和機器人動作的雙向傳送。

比如，如果機器人踩在雜物上，並開始失去平衡，則操縱者同樣感覺到失衡，並本能地避免摔倒。接著，捕捉到的身體反應回傳給機器人，幫助它維持平衡。通過這種人機聯繫，機器人能以操縱者本能的動作技能和瞬時動作保持站立。

這可以說是在機器人內部植入人類大腦。

理想情況下，未來的應急機器人將具有更大的自主性。希望未來某一天，機器人可以獨立搜尋火災建築物內的受困人員或者進入損壞的工業設施中找到需要關閉的閥門。現在離擁有這種能力的機器人還很遙遠，因此對遙操作的興趣日益增長。

HERMES 揮舞著斧頭

使用機器人進行救援時，讓人參與其中的原因是災難場景的不可預測性。在這些混亂的環境中進行導航需要高度的適應性，而當前的人工智慧演算法還無法做到這一點。

例如，如果機器人遇到了一個門把手，但無法在其資料庫中找到與門把手相匹配的解決辦法，也就是說它不知道該怎麼辦，那任務就會失敗。如果機器人的手臂被卡住了，但它不知道怎麼弄出來，任務還是會失敗。而人類，可以輕鬆應對這些場景。

我們可以隨時適應和學習，而且實際上我們每天都在這麼干。我們可以識別物體形狀的變化，應付可見度低的情況，甚至可以當場發現如何使用新工具。

這種適應性對我們的運動技巧來說同樣適用。想像一下你背著沉重的背包奔跑，比不背包時要慢一些，或者跑不了那麼遠，但你仍然可以完成任務。我們的身體可以非常容易地適應新動態。

MIT 正在開發的遙操作系統並不是用來取代那種腿式機器人所用的自動控制器，這種控制器被用來進行自我平衡和執行其它任務。研究人員仍在儘可能多地增加 HERMES 的自主性。但通過把機器人和人類結合起來，可以最好地利用兩方面的優勢：機器人的耐力和力量，以及人類的靈活性和感知能力。

MIT 設計出品：HERMES

MIT 實驗室長期以來一直在探索如何利用生物系統設計更好的機器人。現有機器人的一個特殊限制是它們不能執行我們稱之為「力量操縱」（power manipulation）的任務，這是一種比較費力的活，比如把一塊混凝土敲開，或者用斧頭砸門。大多數機器人都是為更精細和精確的運動以及更溫和的接觸設計的。

MIT 設計的這款仿人機器人（全稱 Highly Efficient Robotic Mechanisms and Electromechanical System）是專門為這種重型操作而設計的。

這款機器人體格相對較輕，只有 45kg，但它強壯又穩健。它的身形大約是普通人的 90%，這個身形足以讓它在人類環境中自然活動。

研究人員沒有使用常規的 DC 馬達，而是根據其 Cheetah 平台多年的經驗，構建了定製的制動器來驅動 HERMES 的關節。Cheetah 是一款四足機器人，能夠進行短跑和跳躍等爆發性運動。

制動器包括耦合到行星齒輪箱（之所以如此稱呼是因為它的三個「行星」齒輪圍繞一個「太陽」齒輪旋轉）的無刷 DC 馬達，它們可以為其重量產生大量扭矩。

當 HERMES 的膝蓋和肘部由連接到制動器的金屬桿驅動時，它的肩膀和臀部會直接被驅動。這使得 HERMES 沒有其它仿人機器人那麼僵硬，它能夠吸收機械衝擊而不會造成齒輪碎裂。

MIT 研究人員第一次給 HERMES 通電時，它還只有一雙腿。那時機器人沒法自己站立，他們把它懸掛在馬具上。研究人員對機器人進行了簡單測試：把它的左腿編程為踢腿，然後把一個塑料垃圾桶置於它面前。然後，他們看到 HERMES 把垃圾桶踢飛了……

MIT 研究人員為控制 HERMES 而構建的人機交互界面與傳統的方式不同，他們的交互方式依賴於操縱者的反應來提高機器人的穩定性。他們將其稱為平衡-反饋界面（BFI）。

開發 BFI 花了好幾個月，並且進行了多次迭代。最初的概念與電影《頭號玩家》中的全身虛擬現實套裝有些相似。那個設計還一直停留在繪圖板上。但研究人員後來發現對擁有 200 塊骨頭和 600 多塊肌肉的人類身體進行物理跟蹤和移動並不是什麼簡單的事。所以他們決定從更簡單的系統開始。

HERMES 在執行需要靈活性的任務，比如把水倒進杯子里這種。

為了和 HERMES 一起作業，操縱者需要站在邊長為 90cm 的正方形平台上。測壓元件會測量平台表面承受的力，這樣我們就能知道操縱者的腳在往哪裡壓。一組聯動裝置被連接到操縱者的四肢和腰部（基本上是人體重心），並使用旋轉編碼器準確測量不到 1cm 的位移。

但有些裝置並不只是用來感應的：它們也安裝了馬達，用來給操縱者的軀幹施加壓力和扭矩。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 80 牛頓的力，這足以給你一個有力的推動。

研究人員設置了兩台計算機來分別控制 HERMES 和 BFI。每台計算機都運行自己的控制迴路，但雙方會不斷交換數據。在每個循環開始時，HERMES 會收集關於自己姿態的數據並將其與從 BFI 收到的關於操縱者的姿態進行比較。

根據數據的不同，機器人會調整其制動器，然後立即將新的姿態數據發送給 BFI。然後 BFI 執行相似的控制循環來調整操縱者的姿態。這個過程每秒重複 1000 次。

為了讓雙方如此快速地進行操作，研究人員需要壓縮雙方共享的信息。例如，BFI 不會發送關於操縱者姿態的詳細信息表示，而是只發送他的重心位置和每隻手和腳的相對位置。機器人的計算機隨後將這些測量值擴展至 HERMES 的比例，然後使機器人復現參考姿態。

與任何其它雙向遙操作迴路一樣，這種耦合可能會導致振蕩或不穩定。研究人員通過精調映射人類和機器人姿態的縮放參數來最小化這一點。

為了測試 BFI，MIT 的一個研究人員充當了操縱者（Ramos）。畢竟，他參與設計了系統的核心部分，可能最適合調試它。

圖源：Bob O"Connor。營救機器人：HERMES 配備了大功率發動機，是一款高動態機器人。

在首次試驗中，研究人員測試了 HERMES 的早期平衡演算法，觀察操縱者和機器人聯結在一起時會出現什麼情況。在測試中，一名研究人員使用橡皮錘敲擊 HERMES 的上身。伴隨每次敲擊，Ramos 也會出現類似的搖晃，但他條件反射式地移動身體來恢復平衡，機器人也能保持平衡。

之前，HERMES 還只有一雙腿和一個軀幹，但研究人員最終完成了它身體的其他部分。他們打造的機器人手臂使用了與腿和手一樣的制動器，由 3D 列印的部件構成，並以碳化纖維加固。機器人頭部配備有一個立體攝像機，可以將視頻傳輸到操縱者所戴的頭戴設備中。研究人員還為機器人加上了一頂安全帽。

在另一輪試驗中，研究人員令 HERMES 撞擊干板牆，用斧頭砍木板，並在當地消防部門的監督下，使用滅火器撲滅了一場小型火災。但是，應急機器人需要的不僅僅是蠻力，所以 HERMES 和 Ramos 也執行了一些靈活性要求更高的任務，如將水壺中的水倒入杯中。

在不同場景下，當操縱者在 BFI 上執行模擬任務時，研究人員觀察到了機器人模仿這些動作的程度。他們還觀察到了在哪些場景下操縱者的反應對機器人幫助最大。比如，當 HERMES 撞擊干板牆時，它的軀幹會向後反彈。緊接著，操縱者也受到相應的力，然後會條件反射地俯下身子，幫助 HERMES 調整動作。

研究人員已經準備好進行更多測試，但 HERMES 對於一些實驗來說身形有點大，而且力量也有點過強。儘管人類大小的機器人可以執行現實任務，但同時移動起來耗費時間，並需要準備大量安全預防措施——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。研究人員認為 HERMES 需要一個「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 使用定製的高扭矩制動器，安裝在更靠近上半身的地方而不是腿部。這種配置使腿擺動地更快。

為了實現更緊湊的設計，研究人員減少了運動軸數量——或者降低了自由度，用機器人術語來說——每臂從 6 個減少至 3 個，同時他們還以簡易的橡膠球取代了原來的兩趾腳，並且每個橡膠球內裝有三維力感測器。

Jo?o Ramos 和他的同事們正在構建縮小版的 HERMES，新的機器人擁有自主能力，但也可以通過人類遠程操縱來完成更多複雜功能。

將 BFI 連接到 Little HERMES 需要進行一些調整——成人和這種小型機器人的體型有著很大差異，當研究人員試圖直連的時候發現機器人運動起來非常生澀。這意味著我們需要不同的數學模型來對兩個系統進行同調。MIT 研究人員提出的模型可以追蹤地面接觸力、操縱者質心等參數，它還可以捕獲操縱者預期運動的「大致情況」，並讓 Little HERMES 執行。

在一個實驗中，操縱者由慢到快進行動作，我們可以看到 Little HERMES 也會以同樣的方式行動。當操縱者跳躍時，Little HERMES 也會同樣跳起。

在連拍照片中我們可以看到人類和機器人在半空中的短暫瞬間。研究人員還將木塊放置在機器人腳下作為障礙物，而操作者也可以控制機器人避免摔倒。

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，需要由連接在其背側的支撐桿防止摔倒。在短期內，研究人員希望能夠這種機器人有能力在實驗室中，甚至在戶外活動，就像 MIT 的「獵豹機器人」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將是解決一系列挑戰。其一是操縱者在長時間使用 BFI 或需要集中注意力的任務後會出現嚴重的精神疲勞。實驗表明，當你不僅要控制自己的身體，還要以此指揮機器人時，大腦就會快速疲勞。這種情況對於精細操作的任務尤其明顯，例如將水倒入杯中。連續三次重複試驗之後，操作者就不得不停下來休息了。

研究人員的下一步目標是組建一種可以「變身」為直立雙足人形的四足機器人。

解決之道是讓人類和機器人共同負責機器人的穩定。如果 HERMES 正在執行需要操縱者集中意識的任務，則人類不必分心去保持機器人的平衡，自動控制系統將會接管這些任務。識別這種場景的方法之一是跟蹤操作者的視線。凝視一處表示正在執行精神集中的任務，在這種情況下自動平衡模式將自動開啟。

系統遠程操縱的延遲也是必須要考慮的問題，如果你的命令和機器人反應超過一秒，你仍然可以操縱機器人。但這樣的延遲可能會讓你難以完成很多動作。MIT 正在考慮引入新的無線通信技術如 5G 來降低延遲，提高數據吞吐量。

最後，還有一些激進的方向值得探索，儘管 HERMES 和 Little HERMES 是雙足機器人，但救援機器人也應該有更多的可能性。其中一個研究方向是讓機器以四足形式行走，以雙足站立式工作，上肢負責完成任務。這種情形在靈長類動物中很常見。

MIT 的長期願景是將其機器人實驗室中的不同產品最終組合起來：Cheetah 和 HERMES。未來我們或許將看到一個可以快速移動的四足機器人，自動進入災難現場，然後變身為一個雙足機器人，借用人類的經驗和反應開展工作。這些技術可以幫助人們更安全地開展救援工作。

希望很快這樣的機器人就可以在收到召喚時做好準備。

本文為機器之心編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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