麻省理工大學(xué)認(rèn)為，機(jī)器人研究應(yīng)該更注重實(shí)用化，機(jī)器人技術(shù)能得到快速發(fā)展在于其能用來(lái)解放和拯救生命。

 

　　Hermes，麻省理工大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)的一款一種雙足機(jī)器人，它可以模仿操作員的平衡，在跑步、行走和跳躍時(shí)保持直立。開(kāi)發(fā)初衷是讓ta能能從燃燒的建筑物、化學(xué)品泄漏或任何人類(lèi)救援人員無(wú)法接近的災(zāi)難中營(yíng)救遇難者。

 

　　研究人員定義認(rèn)為這個(gè)雙足機(jī)器人有朝一日可能是一項(xiàng)柔性化極強(qiáng)且適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)器人模組。例如，更強(qiáng)力的救援機(jī)器人大塊頭可以下方都用上這個(gè)，然后雙腿站起來(lái)推開(kāi)重重障礙物，或者沖破一扇鎖著的門(mén)，這或許比人形的機(jī)器人更給力。

 

　　工程師們?cè)谒臈l腿機(jī)器人的設(shè)計(jì)以及它們的奔跑、跳躍甚至背部動(dòng)作能力方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是讓兩條腿的仿人機(jī)器人在不摔倒的情況下對(duì)某物施加力或推動(dòng)一直是一個(gè)重要的障礙。
 

Joao Ramos遙控操作Hermes 圖：Joao Ramos和Sangbae Kim

 

　　現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和伊利諾伊大學(xué)香檳分校的工程師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種在兩腿遙控機(jī)器人中控制平衡的方法，這是使仿人機(jī)器人能夠在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中執(zhí)行高沖擊力任務(wù)的重要一步。

 

　　這個(gè)團(tuán)隊(duì)制作的機(jī)器人，外形都酷似一個(gè)機(jī)械軀干和兩條腿，由一個(gè)穿著背心的人類(lèi)操作員遠(yuǎn)程控制，這個(gè)背心將人類(lèi)的運(yùn)動(dòng)和地面反作用力的信息傳送給機(jī)器人。通過(guò)背心，人類(lèi)操作員既可以指揮機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，也可以感受機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。如果機(jī)器人開(kāi)始翻倒，人類(lèi)會(huì)感覺(jué)到背心上有一個(gè)相應(yīng)的拉力，并且可以通過(guò)調(diào)整來(lái)重新平衡自己和機(jī)器人。在測(cè)試這種新的“平衡反饋”方法的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中，研究人員能夠遠(yuǎn)程保持機(jī)器人跳躍時(shí)的平衡，并與人類(lèi)操作者同步行走。

 

　　作為麻省理工學(xué)院博士后，joao ramos開(kāi)發(fā)了這種方法，他說(shuō)：“這就像背著一個(gè)沉重的背包跑步，你可以感覺(jué)到背包的動(dòng)力是如何在你周?chē)苿?dòng)的，你可以適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償。”現(xiàn)在，如果你想打開(kāi)一扇沉重的門(mén)，人類(lèi)可以命令機(jī)器人把身體扔到門(mén)前，推開(kāi)門(mén)，而不會(huì)失去平衡。”Joao ramos現(xiàn)在是伊利諾伊大學(xué)香檳分校的助理教授，他在一項(xiàng)發(fā)表在《Science Robotics》上的研究中詳細(xì)闡述了這一方法。這項(xiàng)研究的合著者是麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授sangbae kim。

 

　　不僅僅是運(yùn)動(dòng)

 

　　此前，Kim和Joao ramos建造了兩腿機(jī)器人Mechanisms （用于高效的機(jī)器人機(jī)構(gòu)和機(jī)電系統(tǒng)），并開(kāi)發(fā)了通過(guò)遠(yuǎn)程操作模擬操作者動(dòng)作的方法，研究人員說(shuō)，這種方法具有一定的人文優(yōu)勢(shì)。Joao ramos說(shuō)：“因?yàn)槟阌幸粋€(gè)可以在飛行中學(xué)習(xí)和適應(yīng)的人，機(jī)器人可以執(zhí)行以前從未練習(xí)過(guò)的動(dòng)作（通過(guò)遙控操作）。”

 

　　在實(shí)例中，赫爾墨斯把咖啡倒進(jìn)杯子，用斧頭砍木頭，用滅火器滅火。所有這些任務(wù)都涉及到機(jī)器人的上身和算法，以使機(jī)器人的肢體定位與操作者的肢體定位相匹配。赫爾墨斯能夠進(jìn)行高沖擊運(yùn)動(dòng)，因?yàn)闄C(jī)器人是植根于原地的。在這些情況下，保持平衡要簡(jiǎn)單得多。然而，如果機(jī)器人被要求采取任何步驟，它很可能在試圖模仿操作者的動(dòng)作時(shí)翻倒。

 

　　“我們意識(shí)到，為了產(chǎn)生強(qiáng)大的力量或移動(dòng)重物，僅僅模仿動(dòng)作是不夠的，因?yàn)闄C(jī)器人很容易墜落，”金說(shuō)。我們需要復(fù)制操作員的動(dòng)態(tài)平衡。”

 

　　進(jìn)入小愛(ài)馬仕，這是一種愛(ài)馬仕的微型版本，它大約是第三個(gè)成年人的大小，團(tuán)隊(duì)將機(jī)器人簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)為一個(gè)扭矩和兩個(gè)腿，并專門(mén)設(shè)計(jì)系統(tǒng)以測(cè)試下體任務(wù)，如機(jī)車(chē)和秤。作為一個(gè)完整的身體對(duì)抗部分，小愛(ài)馬仕是為遠(yuǎn)程操作而設(shè)計(jì)的，一個(gè)操作員在一件控制機(jī)器人動(dòng)作的夾克中下落。

 

　　對(duì)于機(jī)器人復(fù)制操作員的平衡比他們的動(dòng)議更大，團(tuán)隊(duì)必須首先找到一種簡(jiǎn)單的方式來(lái)表示平衡。Joao ramos意識(shí)到，平衡可以從兩個(gè)主要成分中分離出來(lái)：一個(gè)人的“質(zhì)量中心”和他們的壓力-基本中心，一個(gè)點(diǎn)在地面上，在地面上，一種力量等同于所有支持力量的力量都被鍛煉。

 

　　在與壓力中心有關(guān)的質(zhì)量中心的位置，Joao ramos發(fā)現(xiàn)，直接關(guān)系到一個(gè)人在任何時(shí)候的平衡。他還認(rèn)為，這兩種成分的位置可以作為一個(gè)倒置的吊墜的物理代表。想象一下，在同一個(gè)地方坐著的時(shí)候，從一邊到另一邊。該效應(yīng)類(lèi)似于垂直上下垂直的滑動(dòng)，頂端代表了一個(gè)“質(zhì)量中心”（通常在扭轉(zhuǎn)中）和底部代表其地面壓力中心。

 

　　重型起重

 

　　為了確定重心與壓力中心的關(guān)系，拉莫斯收集了人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括在實(shí)驗(yàn)室里的測(cè)量數(shù)據(jù)，在那里他來(lái)回?cái)[動(dòng)，走到位，跳上測(cè)力板，測(cè)量他在地面上施加的力，同時(shí)記錄了他的腳和軀干的位置。然后，他將這些數(shù)據(jù)壓縮成質(zhì)量中心和壓力中心的測(cè)量值，并建立了一個(gè)模型，將它們相互關(guān)系表示為一個(gè)倒立擺。

 

　　然后，他開(kāi)發(fā)了第二個(gè)模型，類(lèi)似于人體平衡模型，但縮放到更小、更輕的機(jī)器人的尺寸，他還開(kāi)發(fā)了一個(gè)控制算法，將兩個(gè)模型連接起來(lái)并實(shí)現(xiàn)反饋。

 

　　研究人員測(cè)試了這個(gè)平衡反饋模型，首先是在實(shí)驗(yàn)室里建立的一個(gè)簡(jiǎn)單的倒立擺上，它是一個(gè)和小愛(ài)馬仕差不多高的橫梁。他們把光束連接到遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)上，然后光束在軌道上來(lái)回?cái)[動(dòng)，以響應(yīng)操作者的動(dòng)作。當(dāng)操作員向一側(cè)搖晃時(shí)，橫梁也會(huì)這樣做——操作員也可以通過(guò)背心感覺(jué)到這種移動(dòng)。如果光束擺動(dòng)過(guò)大，操作者感覺(jué)到拉力，可以用另一種方式傾斜來(lái)補(bǔ)償，并保持光束平衡。
 

兩足機(jī)器人小愛(ài)馬仕

 

　　實(shí)驗(yàn)表明，新的反饋模型可以維持梁上的平衡，因此研究人員隨后在小愛(ài)馬仕身上試用了該模型。他們還為機(jī)器人開(kāi)發(fā)了一種算法，將簡(jiǎn)單的平衡模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為每只腳必須產(chǎn)生的力，以復(fù)制操作者的腳。

 

　　在實(shí)驗(yàn)室里，Joao ramos發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他穿上背心時(shí)，他不僅可以控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和平衡，而且還能感覺(jué)到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人被來(lái)自不同方向的錘子擊中時(shí)，拉莫斯感到背心朝著機(jī)器人移動(dòng)的方向猛拉。Joao ramos本能地抵制了拖拽，機(jī)器人發(fā)現(xiàn)拖拽是重心相對(duì)于壓力中心的微妙移動(dòng)，然后它模仿了這個(gè)移動(dòng)。結(jié)果是機(jī)器人能夠避免翻倒，即使是在身體不斷受到打擊的情況下。

 

　　小愛(ài)馬仕在其他運(yùn)動(dòng)中也模仿Joao ramos，包括跑跳到位，在不平的地面上行走，所有這些動(dòng)作都是在沒(méi)有繩索或支撐的情況下保持平衡。“平衡反饋很難定義，因?yàn)檫@是我們不假思索的事情，”Kim說(shuō)。這是第一次為動(dòng)態(tài)動(dòng)作正確定義平衡反饋。這將改變我們控制遙控仿人機(jī)器人的方式。”
 

操作人員的遠(yuǎn)程操作界面

 

　　Kim和Joao ramos將繼續(xù)致力于研發(fā)一種具有類(lèi)似平衡控制的全身人形機(jī)器人，直到有一天能夠在災(zāi)區(qū)馳騁，并在救援或救助任務(wù)中奮起推開(kāi)障礙物。Kim說(shuō)：“現(xiàn)在我們可以通過(guò)適當(dāng)?shù)钠胶饨涣?，打開(kāi)沉重的門(mén)，舉起或投擲重物。”這或許比單純的制造一個(gè)人形機(jī)器人來(lái)的更加便宜和讓人安心。