黑科技： 人脑意识帮助MIT双足机器人实现平衡



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用您的大脑控制机器人，还有比这更酷的事情吗？这不再是科幻！麻省理工（MIT）的研究人员制作了一种新型遥操作系统，使得人可以运用自己（超强的）平衡能力来帮助双足类人机器人实现更好的平衡控制。

翻译：贾振中， 卡内基梅隆大学机器人研究所

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图1：来自麻省理工（MIT）的研究人员制作了一种新型遥操作系统，它使得人类操作者可以将自己（超强的）平衡能力用来帮助双足类人机器人实现更好的平衡控制。

在恐怖电影或者科幻电影中，我们经常看到这样的场面：把活生生的人脑直接移植到机器人体内从而使这些机器人变得所向披靡，甚至可能变得邪恶。或早或晚，总会有（敢于第一个吃螃蟹的）人尝试将此类科幻变成现实。实际上，与直接移植人脑相类似的是：让人脑来帮助机器人实现自身的平衡或者完成一些需要感知和灵活操作的任务。这有些类似于遥操作，不同的是此时人脑和身体借助一个触觉套装（haptic suit）来直接控制机器人。

HERMES是MIT仿生机器人实验室的Sangbae Kim教授和他的研究团队在原有猎豹机器人（MIT Cheetah Robot）的基础上开发的一款用于救灾的机器人。想象一下，猎豹机器人用两条后腿站立，然后用它的一对前腿当做胳膊，这基本上就相当于一个HERMES机器人了。HERMES有24个自由度，重45公斤；并且它拥有原来安装在猎豹机器人上的强力定制电机，该电机使得猎豹机器人能够实现蹦跳功能。HERMES是平常人个头的90%，这使得它可以很自然的与人类生活环境实现交互。

译者：由于电机的功率密度低，炫酷的大狗机器人采用液压驱动。MIT的定制电机为无刷直流电机外加一级行星减速，工作电流远超额定指标，所以使用过程中要解决散热等问题。HERMES上的电机使用电流控制来更好的实现机器人的力矩控制。常见的机器人由于硬件限制，很难实现力矩控制。

图2：MIT的机器人系统：包括处于前方的HERMES机器人和处于画面后方的BFI（Balance Feedback Interface）平衡反馈界面（人机接口/人机界面）。其中BFI提供触觉、位置反馈和虚拟现实功能。随着更多传感器信息的融合，该系统的功能会不断强化。

除HERMES机器人外，MIT系统的另一半是它的人机界面，这也是该系统的亮点，参见图2。该人机界面包括一个给操作人员提供身临其境观感的摄像机（这本身并不特别）；通过一个主从操作系统来直接控制机器人的胳膊和手爪。某种程度上讲这种人机界面并不新奇，但具有创新性的是它的BFI平衡反馈界面（Balance Feedback Interface）。BFI界面类似于力反馈腰带，它根据地面对机器人脚（详细点讲是压力中心点）的反作用力给操作人员提供实际的力反馈（机器－>人）；同时它可以根据操作人员的运动来实现机器人的平衡（人－>机器）。

根据该研究组提交的IROS智能机器人会议论文：“如果BFI施加在人体上的力与平衡机器人所需的力反向，此时可以把人体当做一个反馈控制器。这种策略意味着如果机器人将要失去平衡的时候，BFI也会对操作人员施加拉力使得他失去平衡。这种情形下，我们预计BFI会触发人类本身的条件反射来应对外界干扰。”

换句话讲：如果机器人将要向某个方向摔倒，BFI在检测到这种状况后【译者：通常依据机器人脚的压力中心点COP的位置变化】，BFI里面的电机会把操作人员向（机器人要摔倒的）同一方向拉。面对这种情况，人的自然反应是想办法保持平衡【译者：外界干扰会触发人类的神经反射，而后通过某些方法比如改变自身姿态，来保持自身平衡】，而BFI可以将操作人员的姿态改变回馈到机器人上使得它保持平衡。简单吧！在初步实验中，研究人员使用一个橡胶锤来敲击机器人，想办法让它摔倒。实验结果显示，这种策略绝对可行，即使他们不知道BFI的性能究竟能够好到什么程度。需要指出的是：这种策略不需要任何视觉信息，它更像不自觉的人类神经反射，比如有人从后面推你，你会不由自主的做出反应来保持身体平衡。

以下的视频是整个系统的演示（尽管视频里的平衡策略看着像没有完全实现）

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依靠人类的神经反射（reflex，50-100毫秒）来实现机器人的平衡控制比依赖视觉（150-250毫秒）快了2到3倍。MIT的研究人员指出他们的系统可能会使“完整的全身协作和感知（awareness of complete whole-body synchronization）”成为可能，最终使得遥操作机器人拥有与人类相媲美的运动技能。不过，研究人员指出我们仍需要使用IMU惯性传感器和内置在机器人上的自主平衡控制器：“我们研制的BFI控制器并不是要取代双足机器人上现有的自主平衡控制器。我们的目的是研究看根据机器人平衡的状态信息，人类作为（机器人的）神经反射控制器和遥操作者而言，能够在多大程度上帮助机器人实现平衡。现在仍然不清楚人类操作者能够在多大程度上把机器人的运动和他（操作者）的运动技能同步起来。不过，我们知道的是人类有非常强的适应能力；所以我们希望看到遥操作有新的发展，通过给操作者提供机器人与环境互动信息。这个项目的长期目标是将人类的灵活性和适应性同机器人的自主控制结合起来，吸取两者的长处。”

图3：用于实现无约束操作的6自由度模块化并联机构， 3个电机执行器可以（冗余的）在人体的横向平面（垂直于人的站立方向）上施加作用力。

下一阶段的任务是去掉现有系统对操作人员臀部运动的约束，将现有的BFI接口/界面扩展到6维【译者：3平动自由度加3转动自由度】，如图3所示。同时，机器人的上肢也将被用于控制平衡，比如通过施加惯性力来帮助机器人肢体应对外界干扰；或者在所有平衡控制策略失效的时候，让机器人四肢着地，此时机器人变成四足模式。一个很显而易见的方向是将猎豹机器人和HERMES混合起来研发一种四足跑步机器人，同时它又能够以后足站立起来实现平衡或者其他操作，如图4所示。这将是一件十分酷炫的事！

译者：人类演化中的关键节点是直立行走和使用工具，如果机器人也能够完成这两种任务，是不是离人类更近了一步？ 不过这两者对于机器人来讲都是非常难的问题，看看DRC机器人挑战赛的视频就知道了。另外，在机器人的研究中，操作（manipulation）和运动（locomotion）是一对对偶（duality）问题，他们之间有很多的共通点。

图4：该系统的未来发展方向，机器人可以工作在四足模式下或者操作模式下（依靠后足站立，前足作为手臂使用工具）。

来自MIT的 Joao Ramos, Albert Wang 和 Sangbae Kim教授将在智能机器人会议IROS-2015（在德国召开）展示他们的论文：“A Balance Feedback Human Machine Interface for Humanoid Teleoperation in Dynamic Tasks” （一种适用于仿人机器人在动态任务下的遥操作平衡反馈人机界面）。

译者：Sangbae Kim现为MIT机械工程系副教授，他的博士导师为斯坦福的Mark Cutkosky教授。Kim研制的仿壁虎机器人曾被时代周刊列为2006年度最佳发明之一，他本人获得2008年IEEE-TRO最佳论文奖。他研制过很多机器人，包括著名的仿壁虎机器人和MIT猎豹机器人等。

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