法律顧問：趙建英律師

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)展在于其能用來解放和拯救生命。

hermes，麻省理工大學(xué)研究人員開發(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、行走和跳躍時保持直立。開發(fā)初衷是讓ta能能從燃燒的建筑物、化學(xué)品泄漏或任何人類救援人員無法接近的災(zāi)難中營救遇難者。

研究人員定義認(rèn)為這個雙足機(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，然后雙腿站起來推開重重障礙物，或者沖破一扇鎖著的門，這或許比人形的機(jī)器人更給力。

視頻源: ramos and kim, sci. robot. 4, eaav4282 (2019)

工程師們在四條腿機(jī)器人的設(shè)計(jì)以及它們的奔跑、跳躍甚至背部動作能力方面取得了長足的進(jìn)步。但是讓兩條腿的仿人機(jī)器人在不摔倒的情況下對某物施加力或推動一直是一個重要的障礙。

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。

這個團(tuán)隊(duì)制作的機(jī)器人，外形都酷似一個機(jī)械軀干和兩條腿，由一個穿著背心的人類操作員遠(yuǎn)程控制，這個背心將人類的運(yùn)動和地面反作用力的信息傳送給機(jī)器人。通過背心，人類操作員既可以指揮機(jī)器人的運(yùn)動，也可以感受機(jī)器人的運(yùn)動。如果機(jī)器人開始翻倒，人類會感覺到背心上有一個相應(yīng)的拉力，并且可以通過調(diào)整來重新平衡自己和機(jī)器人。在測試這種新的“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)器人跳躍時的平衡，并與人類操作者同步行走。

原地踏步遙操作視頻

作為麻省理工學(xué)院博士后，joao ramos開發(fā)了這種方法，他說：“這就像背著一個沉重的背包跑步，你可以感覺到背包的動力是如何在你周圍移動的，你可以適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償?！爆F(xiàn)在，如果你想打開一扇沉重的門，人類可以命令機(jī)器人把身體扔到門前，推開門，而不會失去平衡?！眏oao 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

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)），并開發(fā)了通過遠(yuǎn)程操作模擬操作者動作的方法，研究人員說，這種方法具有一定的人文優(yōu)勢。joao ramos說：“因?yàn)槟阌幸粋€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)過的動作（通過遙控操作）?！?/p>

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，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作時翻倒。

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

連續(xù)跳躍遙操作視頻

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

對于機(jī)器人復(fù)制操作員的平衡比他們的動議更大，團(tuán)隊(duì)必須首先找到一種簡單的方式來表示平衡。joao ramos意識到，平衡可以從兩個主要成分中分離出來：一個人的“質(zhì)量中心”和他們的壓力-基本中心，一個點(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)系到一個人在任何時候的平衡。他還認(rèn)為，這兩種成分的位置可以作為一個倒置的吊墜的物理代表。想象一下，在同一個地方坐著的時候，從一邊到另一邊。該效應(yīng)類似于垂直上下垂直的滑動，頂端代表了一個“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)動數(shù)據(jù)，包括在實(shí)驗(yàn)室里的測量數(shù)據(jù)，在那里他來回?cái)[動，走到位，跳上測力板，測量他在地面上施加的力，同時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量值，并建立了一個模型，將它們相互關(guān)系表示為一個倒立擺。

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

研究人員測試了這個平衡反饋模型，首先是在實(shí)驗(yàn)室里建立的一個簡單的倒立擺上，它是一個和小愛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回?cái)[動，以響應(yīng)操作者的動作。當(dāng)操作員向一側(cè)搖晃時，橫梁也會這樣做——操作員也可以通過背心感覺到這種移動。如果光束擺動過大，操作者感覺到拉力，可以用另一種方式傾斜來補(bǔ)償，并保持光束平衡。

兩足機(jī)器人小愛馬仕

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馬仕身上試用了該模型。他們還為機(jī)器人開發(fā)了一種算法，將簡單的平衡模型自動轉(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，他不僅可以控制機(jī)器人的運(yùn)動和平衡，而且還能感覺到機(jī)器人的運(yùn)動。當(dāng)機(jī)器人被來自不同方向的錘子擊中時，拉莫斯感到背心朝著機(jī)器人移動的方向猛拉。joao ramos本能地抵制了拖拽，機(jī)器人發(fā)現(xiàn)拖拽是重心相對于壓力中心的微妙移動，然后它模仿了這個移動。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。

小愛馬仕在其他運(yùn)動中也模仿joao ramos，包括跑跳到位，在不平的地面上行走，所有這些動作都是在沒有繩索或支撐的情況下保持平衡?！捌胶夥答伜茈y定義，因?yàn)檫@是我們不假思索的事情，”kim說。這是第一次為動態(tài)動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?！?/p>

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)中奮起推開障礙物。kim說：“現(xiàn)在我們可以通過適當(dāng)?shù)钠胶饨涣?，打開沉重的門，舉起或投擲重物。”這或許比單純的制造一個人形機(jī)器人來的更加便宜和讓人安心。

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來源：中國機(jī)器人網(wǎng)、massachusetts institute of technology

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