像操纵机甲一样控制机器人：MIT「铁甲钢拳」Hermes

若是机器人不敷灵敏，人类来把持能够处理问题吗？MIT 提出的人形机器人 HERMES 能够让我们像片子和动漫里把持机甲一样，自在把持它来完成各类复杂使命。HERMES 比人类愈加强壮有力，研究人员希望它能够取代人类去施行搜刮和营救使命。在面临极度危险或有毒气体的情况中，把持者能够通过甚戴显示器以第一人称视角停止操做。

选自IEEE Spectrum，做者：João Ramos, Albert Wang and Sangbae Kim，机器之心编译。

或许我们间隔造出高达不远了。

人与机器人动做的完美婚配：MIT 的 João Ramos 身穿一件遥操做「背心」，将本身的身体与机器人 HERMES 相连，那款双足机器人设想用于灾祸应急处置。Ramos 的动做帮忙 HERMES 连结站立。

为什么要设想那种机器人？

突发悲剧为机器人造造敲响警钟：那是良多机器人专家关于福岛第一核电站核泄露变乱的观点，那场变乱是由 2011 年袭击日本的大地震和海啸形成的。在那场变乱中，强烈的辐射招致救援人员无法采纳告急救援办法，如操控压力阀等。

那时候，机器人施行救援使命的优势就凸显出来了，但可惜的是，日本或其他任何国度都没有才能推出此类机器人。因而，那场变乱给机器人范畴的研究人员敲响了警钟，让他们意识到需要将尝试室的手艺应用到现实生活中。

自福岛核泄露变乱以来，灾祸应对机器人已经获得了严重停顿。世界各地的研究团队已经证明，无人陆上车辆可以行驶在废墟瓦砾中，机器蛇可以穿过窄小的裂缝，无人机可以在上空绘造地图。研究人员还创造了人形机器人，它们可以查看受损情况、施行仪表盘查抄或急救设备运送等关键使命。

固然机器人范畴获得了一些停顿，但构建可以像应急救援人员一样施行动做和决策的机器人仍然是一大挑战。好比，推开一扇粗笨的大门、用灭火器灭火以及其他一些简单但吃力的工做需要必然水平的协调才能，机器人尚不克不及做到那些。

为了查验遥操做机器人的计划，MIT 的研究人员令 HERMES 施行一些需要力量的使命，如用灭火器灭火。

是遥操做机器人呀

克制那一局限性的办法是操纵遥操做手艺—人类把持者长途控造机器人，帮忙它们完成一些本身无法处理的特定使命。

遥操做机器人在工业、航空航天以及水下设备的应用由来已久。比来，研究人员试验了动做捕获系统，以将人的动做实时转移到仿人机器人身上：人类把持者挥脱手臂，机器人则模拟那一动做。为了获得完全拟实的体验，戴上特殊眼镜的把持者能够看到机器人通过摄像头看到的情景，同时把持者还能够通过触觉背心和手套获得触感。

MIT 仿活力器人尝试室（Biomimetic Robotics Lab）的研究团队正进一步推进人机连系，希望加快适用性应急机器人的开发。得益于美国国防高级研究方案局（DARPA）的撑持，该研究团队正构建由两部门构成的遥控把持系统：一部门是具有灵敏和动态行为才能的仿人机器人，另一部门是一种新型的双向人机界面，实现了把持者和机器人动做的双向传送。

好比，若是机器人踩在杂物上，并起头失去平衡，则把持者同样觉得到失衡，并本能地制止摔倒。接着，捕获到的身体反响回传给机器人，帮忙它维持平衡。通过那种人机联络，机器人能以把持者本能的动做技能和瞬时动做连结站立。

那能够说是在机器人内部植入人类大脑。

抱负情况下，将来的应急机器人将具有更大的自主性。希望将来某一天，机器人能够独立搜索火灾建筑物内的受困人员或者进入损坏的工业设备中找到需要封闭的阀门。如今离拥有那种才能的机器人还很遥远，因而对遥操做的兴趣日益增长。

HERMES 挥舞着斧头

利用机器人停止救援时，让人参与此中的原因是灾难场景的不成预测性。在那些紊乱的情况中停止导航需要高度的适应性，而当前的人工智能算法还无法做到那一点。

例如，若是机器人碰到了一个门把手，但无法在其数据库中找到与门把手相婚配的处理法子，也就是说它不晓得该怎么办，那使命就会失败。若是机器人的手臂被卡住了，但它不晓得怎么弄出来，使命仍是会失败。而人类，能够轻松应对那些场景。

我们能够随时适应和进修，并且现实上我们每天都在那么干。我们能够识别物体外形的变革，应付可见度低的情况，以至能够当场发现若何利用新东西。

那种适应性对我们的运动技巧来说同样适用。想象一下你背着繁重的背包奔驰，比不背包时要慢一些，或者跑不了那么远，但你仍然能够完成使命。我们的身体能够十分容易地适应新动态。

MIT 正在开发的遥操做系统并非用来代替那种腿式机器人所用的主动控造器，那种控造器被用来停止自我平衡和施行其它使命。研究人员仍在尽可能多地增加 HERMES 的自主性。但通过把机器人和人类连系起来，能够更好天时用两方面的优势：机器人的耐力和力量，以及人类的灵敏性和感知才能。

MIT 设想出品：HERMES

MIT 尝试室持久以来不断在摸索若何操纵生物系统设想更好的机器人。现有机器人的一个特殊限造是它们不克不及施行我们称之为「力量把持」（power manipulation）的使命，那是一种比力吃力的活，好比把一块混凝土敲开，或者用斧头砸门。大大都机器人都是为更精细和切确的运动以及更暖和的接触设想的。

MIT 设想的那款仿人机器人（全称 Highly Efficient Robotic Mechanisms and Electromechanical System）是专门为那种重型操做而设想的。

那款机器人体格相对较轻，只要 45kg，但它强壮又稳健。它的体态大约是通俗人的 90%，那个体态足以让它在人类情况中天然活动。

研究人员没有利用常规的 DC 马达，而是按照其 Cheetah 平台多年的经历，构建了定造的造动器来驱动 HERMES 的关节。Cheetah 是一款四足机器人，可以停止短跑和跳跃等发作性运动。

造动器包罗耦合到行星齿轮箱（之所以如斯称号是因为它的三个「行星」齿轮围绕一个「太阳」齿轮扭转）的无刷 DC 马达，它们能够为其重量产生大量扭矩。

当 HERMES 的膝盖和肘部由毗连到造动器的金属杆驱动时，它的肩膀和臀部会间接被驱动。那使得 HERMES 没有其它仿人机器人那么生硬，它可以吸收机械冲击而不会形成齿轮碎裂。

MIT 研究人员第一次给 HERMES 通电时，它还只要一双腿。那时机器人没法本身站立，他们把它悬挂在马具上。研究人员对机器人停止了简单测试：把它的左腿编程为踢腿，然后把一个塑料垃圾桶置于它面前。然后，他们看到 HERMES 把垃圾桶踢飞了……

MIT 研究人员为控造 HERMES 而构建的人机交互界面与传统的体例差别，他们的交互体例依赖于把持者的反响来进步机器人的不变性。他们将其称为平衡-反应界面（BFI）。

开发 BFI 花了好几个月，而且停止了屡次迭代。最后的概念与片子《头号玩家》中的全身虚拟现实套拆有些类似。阿谁设想还不断停留在绘图板上。但研究人员后来发现对拥有 200 块骨头和 600 多块肌肉的人类身体停止物理跟踪和挪动并非什么简单的事。所以他们决定从更简单的系统起头。

HERMES 在施行需要灵敏性的使命，好比把水倒进杯子里那种。

为了和 HERMES 一路功课，把持者需要站在边长为 90cm 的正方形平台上。测压元件会丈量平台外表接受的力，如许我们就能晓得把持者的脚在往哪里压。一组联动安装被毗连到把持者的四肢和腰部（根本上是人体重心），并利用扭转编码器准确丈量不到 1cm 的位移。

但有些安装其实不只是用来感应的：它们也安拆了马达，用来给把持者的躯干施加压力和扭矩。若是你把 BFI 绑在本身身上，那些安装能够给你的身体施加高达 80 牛顿的力，那足以给你一个有力的鞭策。

研究人员设置了两台计算机来别离控造 HERMES 和 BFI。每台计算机都运行本身的控造回路，但两边会不竭交换数据。在每个轮回起头时，HERMES 会搜集关于本身姿势的数据并将其与从 BFI 收到的关于把持者的姿势停止比力。

按照数据的差别，机器人会调整其造动器，然后立即将新的姿势数据发送给 BFI。然后 BFI 施行类似的控造轮回来调整把持者的姿势。那个过程每秒反复 1000 次。

为了让两边如斯快速地停止操做，研究人员需要压缩两边共享的信息。例如，BFI 不会发送关于把持者姿势的详细信息暗示，而是只发送他的重心位置和每只手和脚的相对位置。机器人的计算机随后将那些丈量值扩展至 HERMES 的比例，然后使机器人复现参考姿势。

与任何其它双向遥操做回路一样，那种耦合可能会招致振荡或不不变。研究人员通过精调映射人类和机器人姿势的缩放参数来最小化那一点。

为了测试 BFI，MIT 的一个研究人员充任了把持者（Ramos）。究竟结果，他参与设想了系统的核心部门，可能最合适调试它。

图源：Bob O'Connor。营救机器人：HERMES 装备了大功率策动机，是一款高动态机器人。

在初次试验中，研究人员测试了 HERMES 的早期平衡算法，察看把持者和机器人联合在一路时会呈现什么情况。在测试中，一名研究人员利用橡皮锤敲击 HERMES 的上身。陪伴每次敲击，Ramos 也会呈现类似的摇摆，但他前提反射式地挪动身体来恢复平衡，机器人也能连结平衡。

之前，HERMES 还只要一双腿和一个躯干，但研究人员最末完成了它身体的其他部门。他们打造的机器人手臂利用了与腿和手一样的造动器，由 3D 打印的部件构成，并以碳化纤维加固。机器人头部装备有一个立体摄像机，能够将视频传输到把持者所戴的头戴设备中。研究人员还为机器人加上了一顶平安帽。

在另一轮试验中，研究人员令 HERMES 碰击干板墙，用斧头砍木板，并在本地消防部分的监视下，利用灭火器扑灭了一场小型火灾。但是，应急机器人需要的不单单是蛮力，所以 HERMES 和 Ramos 也施行了一些灵敏性要求更高的使命，如将水壶中的水倒入杯中。

在差别场景下，当把持者在 BFI 上施行模仿使命时，研究人员察看到了机器人模拟那些动做的水平。他们还察看到了在哪些场景下把持者的反响对机器人帮忙更大。好比，当 HERMES 碰击干板墙时，它的躯干会向后反弹。紧接着，把持者也遭到响应的力，然后会前提反射地俯下身子，帮忙 HERMES 调整动做。

研究人员已经筹办好停止更多测试，但 HERMES 关于一些尝试来说体态有点大，并且力量也有点过强。虽然人类大小的机器人能够施行现实使命，但同时挪动起来消耗时间，并需要筹办大量平安预防办法——它可是挥舞着一把斧子啊！测验考试更灵敏的行为或者行走，那些都很困难。研究人员认为 HERMES 需要一个「小兄弟」。

HERMES 的缩小版：Little HERMES

Little HERMES 是 HERMES 的小型版本。和 HERMES 一样，Little HERMES 利用定造的高扭矩造动器，安拆在更靠近上半身的处所而不是腿部。那种设置装备摆设使腿摆动地更快。

为了实现更紧凑的设想，研究人员削减了运动轴数量——或者降低了自在度，用机器人术语来说——每臂从 6 个削减至 3 个，同时他们还以简易的橡胶球代替了本来的两趾脚，而且每个橡胶球内拆有三维力传感器。

João Ramos 和他的同事们正在构建缩小版的 HERMES，新的机器人拥有自主才能，但也能够通过人类长途把持来完成更多复杂功用。

将 BFI 毗连到 Little HERMES 需要停止一些调整——成人和那种小型机器人的体型有着很大差别，当研究人员试图曲连的时候发现机器人运动起来十分生涩。那意味着我们需要差别的数学模子来对两个系统停止同调。MIT 研究人员提出的模子能够逃踪空中接触力、把持者量心等参数，它还能够捕捉把持者预期运动的「大致情况」，并让 Little HERMES 施行。

在一个尝试中，把持者由慢到快停止动做，我们能够看到 Little HERMES 也会以同样的体例动作。当把持者跳跃时，Little HERMES 也会同样跳起。

在连摄影片中我们能够看到人类和机器人在半空中的短暂霎时。研究人员还将木块放置在机器人脚下做为障碍物，而操做者也能够控造机器人制止摔倒。

目前那些工做大多还在起步阶段，Little HERMES 还不克不及自在站立或者走动，需要由毗连在其背侧的支持杆避免摔倒。在短期内，研究人员希望可以那种机器人有才能在尝试室中，以至在户外活动，就像 MIT 的「猎豹机器人」Cheetah 和 Mini Cheetah 一样（是的，它们和 HERMES 出自同源）。

下一步

MIT 暗示下一步的研究标的目的将是处理一系列挑战。其一是把持者在长时间利用 BFI 或需要集中留意力的使命后会呈现严峻的精神委靡。尝试表白，当你不只要控造本身的身体，还要以此批示机器人时，大脑就会快速委靡。那种情况关于精细操做的使命尤其明显，例如将水倒入杯中。持续三次反复试验之后，操做者就不能不停下来歇息了。

研究人员的下一步目的是组建一种能够「变身」为曲立双足人形的四足机器人。

处理之道是让人类和机器人配合负责机器人的不变。若是 HERMES 正在施行需要把持者集中意识的使命，则人类没必要分心去连结机器人的平衡，主动控造系统将会接收那些使命。识别那种场景的办法之一是跟踪操做者的视线。凝望一处暗示正在施行精神集中的使命，在那种情况下主动平衡形式将主动开启。

系统长途把持的延迟也是必需要考虑的问题，若是你的号令和机器人反响超越一秒，你仍然能够把持机器人。但如许的延迟可能会让你难以完成良多动做。MIT 正在考虑引入新的无线通信手艺如 5G 来降低延迟，进步数据吞吐量。

最初，还有一些激进的标的目的值得摸索，虽然 HERMES 和 Little HERMES 是双足机器人，但救援机器人也应该有更多的可能性。此中一个研究标的目的是让机器以四足形式行走，以双足站立式工做，上肢负责完成使命。那种情形在灵长类动物中很常见。

MIT 的持久愿景是将其机器人尝试室中的差别产物最末组合起来：Cheetah 和 HERMES。将来我们或许将看到一个能够快速挪动的四足机器人，主动进入灾难现场，然后变身为一个双足机器人，借用人类的经历和反响开展工做。那些手艺能够帮忙人们更平安地开展救援工做。

希望很快如许的机器人就能够在收到召唤时做好筹办。

原文链接：https://spectrum.ieee.org/robotics/humanoids/human-reflexes-help-mits-hermes-rescue-robot-keep-its-footing