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人类反应与机器的浑然一体—营救机器人诞生

2019-06-03来源: EEWORLD作者: João Ramos, Albert Wang and Sangbae Kim 关键字:机器人  HERMES  BFI

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。

 

PK10计划自福岛核事故以来,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。

 

PK10计划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

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关键字:机器人  HERMES  BFI

编辑:muyan 引用地址:PK10计划http://www.sxdxjp.com/IoT/ic463567.html
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