新的控制系統(tǒng)可以使人形機(jī)器人執(zhí)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(yīng)性強(qiáng)的機(jī)器人的使命可能是從燒毀的建筑物，化學(xué)溢出物或任何人類無法應(yīng)對的災(zāi)難中拯救受害者。想象一下，例如，一個(gè)救援機(jī)器人可以四肢穿過瓦礫，然后在兩條腿上站起來，推開一個(gè)沉重的障礙物或沖破一扇鎖著的門。
工程師在四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)及其運(yùn)行，跳躍甚至后空翻的能力方面正在取得長足進(jìn)步。但是讓兩足的類人機(jī)器人在不跌倒的情況下施加力量或推動物體一直是一個(gè)重要的絆腳石。
現(xiàn)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)開發(fā)出一種控制兩足式遙控機(jī)器人的平衡的方法，這是使類人動物能夠在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中執(zhí)行高影響力任務(wù)的重要步驟。
該團(tuán)隊(duì)的機(jī)器人在物理上類似于機(jī)械加工的軀干和兩條腿，由操作員穿著背心進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，該背心將有關(guān)人的運(yùn)動和地面反作用力的信息傳遞給機(jī)器人。
通過背心，操作員既可以指揮機(jī)器人的運(yùn)動，又可以感覺到機(jī)器人的運(yùn)動。如果機(jī)器人開始翻倒，則人會感到背心受到相應(yīng)的拉動，并且可以進(jìn)行調(diào)整，以重新平衡自己以及機(jī)器人的平衡。
在用機(jī)器人測試這種新的“平衡反饋”方法的實(shí)驗(yàn)中，研究人員能夠遠(yuǎn)程地保持機(jī)器人的平衡，因?yàn)樗c人類操作員同步跳躍和行走。
“這就像背著沉重的背包跑步-您可以感覺到背包的動力如何在您周圍移動，并且可以適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償，”作為麻省理工學(xué)院博士后開發(fā)該方法的喬奧·拉莫斯(Joao Ramos)說。“現(xiàn)在，如果您想打開一扇沉重的門，人類可以命令機(jī)器人將其身體扔向門，然后將其推開，而不會失去平衡。”
拉莫斯現(xiàn)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(xiàn)在《科學(xué)機(jī)器人》中的一項(xiàng)研究中詳細(xì)介紹了這種方法。他的這項(xiàng)研究的共同作者是麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授金桑培(Sangbae Kim)。
不僅僅是運(yùn)動
此前，Kim和Ramos建造了兩足機(jī)器人HERMES(用于高效機(jī)器人機(jī)構(gòu)和機(jī)電系統(tǒng))，并開發(fā)了通過遠(yuǎn)程操作模仿操作員動作的方法，研究人員說這種方法具有一定的人文優(yōu)勢。
拉莫斯說：“因?yàn)橛幸粋€(gè)可以實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)和適應(yīng)的人，所以機(jī)器人可以執(zhí)行以前從未經(jīng)歷過的動作(通過遠(yuǎn)程操作)。”
在示威活動中，愛馬仕(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(jī)器人的上身和算法，以使機(jī)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)行高沖擊力的動作，是因?yàn)樵摍C(jī)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(jī)器人采取任何步驟，則它可能會試圖模仿操作員的動作。
“我們意識到，為了產(chǎn)生強(qiáng)大的力量或移動沉重的物體，僅僅復(fù)制動作是不夠的，因?yàn)闄C(jī)器人很容易掉落，”金說。“我們需要復(fù)制運(yùn)營商的動態(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(tuán)隊(duì)將機(jī)器人設(shè)計(jì)為簡單的軀干和兩條腿，并專門設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)以測試下半身任務(wù)，例如運(yùn)動和平衡。與其全身同類產(chǎn)品一樣，Little HERMES專為遠(yuǎn)程操作而設(shè)計(jì)，操作員身著背心，可以控制機(jī)器人的動作。
為了使機(jī)器人能夠復(fù)制操作員的平衡而不僅僅是他們的動作，團(tuán)隊(duì)必須首先找到一種簡單的方法來表示平衡。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(xiàn)，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(xiàn)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(yùn)動數(shù)據(jù)，包括實(shí)驗(yàn)室中的測量結(jié)果，他來回?cái)[動，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?yàn)樗哪_和軀干的位置被記錄下來。然后，他將該數(shù)據(jù)壓縮為質(zhì)心和壓力中心的度量，并開發(fā)了一個(gè)模型來表示彼此之間的關(guān)系，即倒立擺。
然后，他開發(fā)了第二個(gè)模型，類似于用于人類平衡的模型，但縮放到了更小，更輕的機(jī)器人的尺寸，并且他開發(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(yàn)室中建立的簡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(yuǎn)程操作系統(tǒng)，并根據(jù)操作員的運(yùn)動沿軌道來回?cái)[動。當(dāng)操作員向一側(cè)傾斜時(shí)，橫梁也照做-操作員也可以通過背心感覺到這一動作。如果光束搖擺得太遠(yuǎn)，操作者會感覺到拉力，可以傾斜另一種方式進(jìn)行補(bǔ)償，并保持光束平衡。
實(shí)驗(yàn)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(jī)器人開發(fā)了一種算法，可以自動將簡單的平衡模型轉(zhuǎn)換為每個(gè)腳都要產(chǎn)生的力，以復(fù)制操作員的腳。
在實(shí)驗(yàn)室中，拉莫斯發(fā)現(xiàn)他穿著背心時(shí)，不僅可以控制機(jī)器人的運(yùn)動和平衡，而且還可以感覺到機(jī)器人的運(yùn)動。當(dāng)用錘子從各個(gè)方向擊打機(jī)器人時(shí)，拉莫斯感到背心向機(jī)器人移動的方向傾斜。拉莫斯本能地抵抗了拖船，該拖船被機(jī)器人記錄為質(zhì)心相對于壓力中心的細(xì)微變化，而拖拉又被模仿。結(jié)果是，即使在反復(fù)撞擊身體的情況下，該機(jī)器人也能夠防止翻倒。
Little HERMES還在其他練習(xí)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)無需借助系繩或支撐就能保持平衡。
Kim說：“平衡反饋是很難定義的，因?yàn)檫@是我們不加考慮的事情。” “這是為動態(tài)動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(xù)努力開發(fā)一種具有類似平衡控制的全身人形生物，以便有一天可以飛馳穿越災(zāi)區(qū)并上升以推開障礙物，作為救援或搶救任務(wù)的一部分。
金說：“現(xiàn)在，我們可以通過適當(dāng)?shù)钠胶馔ㄓ崄黹_重型門，舉起或扔重物。”
這項(xiàng)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。