MIT的小愛馬仕想借用你的大腦

麻省理工學院（MIT）的研究人員展示了一種新型遙操作系統（teleoperation system），可以讓雙腿機器人“借用”人類的身體技能，從而以更大的敏捷性移動。這個系統的工作原理有點像斯皮爾伯格電影《頭號玩家》中的觸覺套裝，不過電影中的套裝是用來連接人類與虛擬化身的，而麻省理工學院的這個套裝則將人類連接到一個真正的機器人上。

這個機器人的名字叫“小愛馬仕（ Little HERMES ）”，目前只有一對小腿，體積約是普通成年人的三分之一。在龍門架的支撐下，它可以原地踏步和跳躍，也可以短距離行走。雖然這本身沒有什么特別的，但研究人員說，他們的方法可以幫助那些有強大能力的救災機器人更接近現實。他們補充道，盡管最近機器人技術取得了一些發展，但制造像人類一樣運動和決策的全自主機器人仍然是一項挑戰。而一個更先進的遠程操作系統可以幫助實現這個目標。

現任伊利諾伊大學-香檳分校的助理教授 Jo?o Ramos和MIT仿生機器人實驗室主任Sangbae Kim在本周的《科學機器人（ Science Robotics）》雜志上描述了這個項目。他們在論文中指出，現有的遙操作系統常常不能有效地把操作員的運動匹配到機器人的運動。此外，傳統的系統沒有向遙操作人員提供關于機器人正在做什么的物理反饋。他們的新方法解決了這兩個局限性，為了在實踐中驗證，他們建造了小愛馬仕機器人。

“小愛馬仕”雙足機器人的主要部件

如上圖所示，“小愛馬仕”雙足機器人的主要部件有：（a）被設計成能夠承受沖擊和產生高扭矩的定制驅動器。（b）具有低慣性和快速擺動能力的輕質肢體。（c）耐沖擊和輕量級的具有三軸接觸力傳感器的足部傳感器。（d）用來估計機器人的軀干姿態、角速度和線性加速度的加固型IMU（慣性測量單元）。（e）來自美國國家儀器(National Instruments)的實時計算機sbRIO-9606。（f）兩個串聯的三芯鋰聚合物電池。（g）使機器人質量最小化的剛性輕質框架。

今年早些時候，麻省理工學院的研究人員為IEEE Spectrum撰寫了一篇關于該項目的深入文章，其中包括小愛馬仕（Little HERMES）和它的“大兄弟”大愛馬仕（即HERMES，用于高效的機器人機制和機電系統）。在那篇文章中，他們描述了系統的兩個主要部件：

“…我們正在創建一個遙機器人系統，它有兩個部分：一個是能夠敏捷行動的仿人機器人，另一個是一種新型的雙向人機界面，它將你的動作發送給機器人，也將機器人的動作發送給你。因此，如果機器人踩到碎片上開始失去平衡，操作者也會感到同樣的不穩定并本能地做出反應避免摔倒。然后，我們捕捉到這個物理反應并將其發送回機器人，這也有助于機器人避免摔倒。通過這種‘人-機’的連接，機器人可以利用操作者天生的運動技能和瞬間的反應來站穩腳跟。

你可以說我們把人腦放進了機器里。”

平衡反饋接口（BFI）的主要模塊，圖來自：Science Robotics

MIT的研究人員為控制小愛馬仕而創建的人機界面不同于傳統人機界面，它依靠操作者的反應來提高機器人的穩定性。研究人員稱之為平衡反饋接口（BFI，Balance-Feedback Interface）。如上圖所示，BFI的主要模塊包括：（A）軀干和足部的定制化接口附件，用于高速（1kHz）捕獲人體運動數據。（B）兩個欠驅動模塊，用于跟蹤軀干的位置和方向，并向操作員施力。（C）每個驅動模塊有三個自由度，其中一個是由直流無刷電機驅動的推桿/拉桿。（D）一系列帶有被動關節的鏈環，與操作者足部相連并跟蹤其空間平移。（E）來自美國國家儀器(National Instruments)的實時控制器CRIO-9082，以關閉BFI的控制回路。（F）測力板，用于估計操作員的壓力中心位置，并測量操作員凈接觸力的切向力和法向力。

在《科學機器人》的新論文中，麻省理工學院的研究人員解釋了他們如何解決遠程操作系統有效性的關鍵挑戰之一：

“這一策略的挑戰在于將人體運動正確地映射到機器上，同時告知操作者機器人復制的運動有多接近。因此，我們為雙邊反饋策略提出了一種解決方案，以控制兩足機器人與人類操作者同步進行踏步、跳躍和行走。這種動態同步是通過（i）將人類運動數據的核心部分實時縮放到機器人的比例，以及（ii）對操作者施加與人機之間的相對速度成比例的反饋力來實現的?！?/p>

講真，小愛馬仕現在正在邁出它的第一步，但研究人員說，他們希望使用類似設計的“機器腿”作為一個更先進的仿人機器人的一部分。他們的愿景是：創造一種快速移動穿越各種地形的四足機器人，然后在需要時變形成兩足機器人，用“手”進行靈巧的操作。這可能需要融合MIT研究人員在實驗室里創造的一些其他機器人，比如在獵豹和愛馬仕，或者迷你獵豹和小愛馬仕之間創造出混合體。我們迫不及待地想看看最終的機器人會是什么樣子。

編輯：hfy