新的控制系統可以使人形機器人執行繁重的工作和其他身體上苛刻的任務(wù)。
拯救有生命的建筑，適應性強的機器人的使命可能是從燒毀的建筑物，化學(xué)溢出物或任何人類(lèi)無(wú)法應對的災難中拯救受害者。想象一下，例如，一個(gè)救援機器人可以四肢穿過(guò)瓦礫，然后在兩條腿上站起來(lái)，推開(kāi)一個(gè)沉重的障礙物或沖破一扇鎖著(zhù)的門(mén)。
工程師在四足機器人的設計及其運行，跳躍甚至后空翻的能力方面正在取得長(cháng)足進(jìn)步。但是讓兩足的類(lèi)人機器人在不跌倒的情況下施加力量或推動(dòng)物體一直是一個(gè)重要的絆腳石。
現在，麻省理工學(xué)院和伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校的工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種控制兩足式遙控機器人的平衡的方法，這是使類(lèi)人動(dòng)物能夠在具有挑戰性的環(huán)境中執行高影響力任務(wù)的重要步驟。
該團隊的機器人在物理上類(lèi)似于機械加工的軀干和兩條腿，由操作員穿著(zhù)背心進(jìn)行遠程控制，該背心將有關(guān)人的運動(dòng)和地面反作用力的信息傳遞給機器人。
通過(guò)背心，操作員既可以指揮機器人的運動(dòng)，又可以感覺(jué)到機器人的運動(dòng)。如果機器人開(kāi)始翻倒，則人會(huì )感到背心受到相應的拉動(dòng)，并且可以進(jìn)行調整，以重新平衡自己以及機器人的平衡。
在用機器人測試這種新的“平衡反饋”方法的實(shí)驗中，研究人員能夠遠程地保持機器人的平衡，因為它與人類(lèi)操作員同步跳躍和行走。
“這就像背著(zhù)沉重的背包跑步-您可以感覺(jué)到背包的動(dòng)力如何在您周?chē)苿?dòng)，并且可以適當地補償，”作為麻省理工學(xué)院博士后開(kāi)發(fā)該方法的喬奧·拉莫斯(Joao Ramos)說(shuō)。“現在，如果您想打開(kāi)一扇沉重的門(mén)，人類(lèi)可以命令機器人將其身體扔向門(mén)，然后將其推開(kāi)，而不會(huì )失去平衡。”
拉莫斯現在是伊利諾伊大學(xué)香檳分校伊利諾伊大學(xué)的助理教授，他在今天出現在《科學(xué)機器人》中的一項研究中詳細介紹了這種方法。他的這項研究的共同作者是麻省理工學(xué)院機械工程副教授金桑培(Sangbae Kim)。
不僅僅是運動(dòng)
此前，Kim和Ramos建造了兩足機器人HERMES(用于高效機器人機構和機電系統)，并開(kāi)發(fā)了通過(guò)遠程操作模仿操作員動(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。
拉莫斯說(shuō)：“因為有一個(gè)可以實(shí)時(shí)學(xué)習和適應的人，所以機器人可以執行以前從未經(jīng)歷過(guò)的動(dòng)作(通過(guò)遠程操作)。”
在示威活動(dòng)中，愛(ài)馬仕(HERMES)將咖啡倒入杯子中，用斧頭砍木頭，并用滅火器滅火。
所有這些任務(wù)都涉及到機器人的上身和算法，以使機器人的肢體位置與其操作員的肢體位置相匹配。HERMES之所以能夠進(jìn)行高沖擊力的動(dòng)作，是因為該機器人扎根在原地。在這種情況下，保持平衡要容易得多。但是，如果要求機器人采取任何步驟，則它可能會(huì )試圖模仿操作員的動(dòng)作。
“我們意識到，為了產(chǎn)生強大的力量或移動(dòng)沉重的物體，僅僅復制動(dòng)作是不夠的，因為機器人很容易掉落，”金說(shuō)。“我們需要復制運營(yíng)商的動(dòng)態(tài)平衡。”
輸入Little HERMES，這是HERMES的微型版本，大約是普通成年人的三分之一。該團隊將機器人設計為簡(jiǎn)單的軀干和兩條腿，并專(zhuān)門(mén)設計了該系統以測試下半身任務(wù)，例如運動(dòng)和平衡。與其全身同類(lèi)產(chǎn)品一樣，Little HERMES專(zhuān)為遠程操作而設計，操作員身著(zhù)背心，可以控制機器人的動(dòng)作。
為了使機器人能夠復制操作員的平衡而不僅僅是他們的動(dòng)作，團隊必須首先找到一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)表示平衡。拉莫斯最終意識到，可以將平衡分解為兩個(gè)主要因素：一個(gè)人的質(zhì)心和他們的壓力中心-基本上，就是在地面上施加等于所有支撐力的力的一個(gè)點(diǎn)。
拉莫斯發(fā)現，質(zhì)心相對于壓力中心的位置直接關(guān)系到人在任何給定時(shí)間的平衡程度。他還發(fā)現這兩種成分的位置在物理上可以表示為倒立擺。想象一下，在植根于同一地點(diǎn)的同時(shí)左右搖擺。效果類(lèi)似于上下顛倒的擺的搖擺，頂端代表人的質(zhì)心(通常在軀干中)，而底部代表人在地面上的壓力中心。
繁重的舉重
為了定義質(zhì)心與壓力中心的關(guān)系，拉莫斯收集了人體運動(dòng)數據，包括實(shí)驗室中的測量結果，他來(lái)回擺動(dòng)，走到位，然后跳上一個(gè)測力板，該測力板測量了他在地面上施加的力，因為他的腳和軀干的位置被記錄下來(lái)。然后，他將該數據壓縮為質(zhì)心和壓力中心的度量，并開(kāi)發(fā)了一個(gè)模型來(lái)表示彼此之間的關(guān)系，即倒立擺。
然后，他開(kāi)發(fā)了第二個(gè)模型，類(lèi)似于用于人類(lèi)平衡的模型，但縮放到了更小，更輕的機器人的尺寸，并且他開(kāi)發(fā)了控制算法，以鏈接并啟用兩個(gè)模型之間的反饋。
研究人員首先在他們在實(shí)驗室中建立的簡(jiǎn)單的倒立擺上測試了這種平衡反饋模型，其形式是與Little HERMES高度相同的光束。他們將光束連接到其遠程操作系統，并根據操作員的運動(dòng)沿軌道來(lái)回擺動(dòng)。當操作員向一側傾斜時(shí)，橫梁也照做-操作員也可以通過(guò)背心感覺(jué)到這一動(dòng)作。如果光束搖擺得太遠，操作者會(huì )感覺(jué)到拉力，可以?xún)A斜另一種方式進(jìn)行補償，并保持光束平衡。
實(shí)驗表明，新的反饋模型可以保持光束的平衡，因此研究人員隨后在Little HERMES上嘗試了該模型。他們還為機器人開(kāi)發(fā)了一種算法，可以自動(dòng)將簡(jiǎn)單的平衡模型轉換為每個(gè)腳都要產(chǎn)生的力，以復制操作員的腳。
在實(shí)驗室中，拉莫斯發(fā)現他穿著(zhù)背心時(shí)，不僅可以控制機器人的運動(dòng)和平衡，而且還可以感覺(jué)到機器人的運動(dòng)。當用錘子從各個(gè)方向擊打機器人時(shí)，拉莫斯感到背心向機器人移動(dòng)的方向傾斜。拉莫斯本能地抵抗了拖船，該拖船被機器人記錄為質(zhì)心相對于壓力中心的細微變化，而拖拉又被模仿。結果是，即使在反復撞擊身體的情況下，該機器人也能夠防止翻倒。
Little HERMES還在其他練習中模仿了Ramos，包括在原地奔跑和跳躍，在不平坦的地面上行走，同時(shí)無(wú)需借助系繩或支撐就能保持平衡。
Kim說(shuō)：“平衡反饋是很難定義的，因為這是我們不加考慮的事情。” “這是為動(dòng)態(tài)動(dòng)作正確定義平衡反饋的第一次。這將改變我們控制遙控人形生物的方式。”
金和拉莫斯將繼續努力開(kāi)發(fā)一種具有類(lèi)似平衡控制的全身人形生物，以便有一天可以飛馳穿越災區并上升以推開(kāi)障礙物，作為救援或搶救任務(wù)的一部分。
金說(shuō)：“現在，我們可以通過(guò)適當的平衡通訊來(lái)開(kāi)重型門(mén)，舉起或扔重物。”
這項研究得到了鴻海精密工業(yè)有限公司和Naver Labs Corporation的部分支持。