用你的大腦來控制機器人，實在是太酷了！

圖1：來自麻省理工（MIT）的研究人員製作了一種新型遙操作系統，它使得人類操作者可以將自己（超強的）平衡能力用來幫助雙足類人機器人實現更好的平衡控制。

在恐怖電影或者科幻電影中，我們經常看到這樣的場面：把活生生的人腦直接移植到機器人體內從而使這些機器人變得所向披靡，甚至可能變得邪惡。或早或晚，總會有（敢於第一個吃螃蟹的）人嘗試將此類科幻變成現實。實際上，與直接移植人腦相類似的是：讓人腦來幫助機器人實現自身的平衡或者完成一些需要感知和靈活操作的任務。這有些類似於遙操作，不同的是此時人腦和身體藉助一個觸覺套裝（haptic suit）來直接控制機器人。

HERMES是MIT仿生機器人實驗室的Sangbae Kim教授和他的研究團隊在原有獵豹機器人（MIT Cheetah Robot）的基礎上開發的一款用於救災的機器人。想像一下，獵豹機器人用兩條後腿站立，然後用它的一對前腿當做胳膊，這基本上就相當於一個HERMES機器人了。HERMES有24個自由度，重45公斤；並且它擁有原來安裝在獵豹機器人上的強力定製電機，該電機使得獵豹機器人能夠實現蹦跳功能。HERMES是平常人個頭的90%，這使得它可以很自然的與人類生活環境實現交互。

譯者：由於電機的功率密度低，炫酷的大狗機器人採用液壓驅動。MIT的定製電機為無刷直流電機外加一級行星減速，工作電流遠超額定指標，所以使用過程中要解決散熱等問題。HERMES上的電機使用電流控制來更好的實現機器人的力矩控制。常見的機器人由於硬體限制，很難實現力矩控制。

圖2：MIT的機器人系統：包括處於前方的HERMES機器人和處於畫面後方的BFI（Balance Feedback Interface）平衡反饋界面（人機介面/人機界面）。其中BFI提供觸覺、位置反饋和虛擬現實功能。隨著更多感測器信息的融合，該系統的功能會不斷強化。

除HERMES機器人外，MIT系統的另一半是它的人機界面，這也是該系統的亮點，參見圖2。該人機界面包括一個給操作人員提供身臨其境觀感的攝像機（這本身並不特別）；通過一個主從操作系統來直接控制機器人的胳膊和手爪。某種程度上講這種人機界面並不新奇，但具有創新性的是它的BFI平衡反饋界面（Balance Feedback Interface）。BFI界面類似於力反饋腰帶，它根據地面對機器人腳（詳細點講是壓力中心點）的反作用力給操作人員提供實際的力反饋（機器－>人）；同時它可以根據操作人員的運動來實現機器人的平衡（人－>機器）。

根據該研究組提交的IROS智能機器人會議論文：「如果BFI施加在人體上的力與平衡機器人所需的力反向，此時可以把人體當做一個反饋控制器。這種策略意味著如果機器人將要失去平衡的時候，BFI也會對操作人員施加拉力使得他失去平衡。這種情形下，我們預計BFI會觸發人類本身的條件反射來應對外界干擾。」

換句話講：如果機器人將要向某個方向摔倒，BFI在檢測到這種狀況後【譯者：通常依據機器人腳的壓力中心點COP的位置變化】，BFI裡面的電機會把操作人員向（機器人要摔倒的）同一方向拉。面對這種情況，人的自然反應是想辦法保持平衡【譯者：外界干擾會觸發人類的神經反射，而後通過某些方法比如改變自身姿態，來保持自身平衡】，而BFI可以將操作人員的姿態改變回饋到機器人上使得它保持平衡。簡單吧！在初步實驗中，研究人員使用一個橡膠錘來敲擊機器人，想辦法讓它摔倒。實驗結果顯示，這種策略絕對可行，即使他們不知道BFI的性能究竟能夠好到什麼程度。需要指出的是：這種策略不需要任何視覺信息，它更像不自覺的人類神經反射，比如有人從後面推你，你會不由自主的做出反應來保持身體平衡。

依靠人類的神經反射（reflex，50-100毫秒）來實現機器人的平衡控制比依賴視覺（150-250毫秒）快了2到3倍。MIT的研究人員指出他們的系統可能會使「完整的全身協作和感知（awareness of complete whole-body synchronization）」成為可能，最終使得遙操作機器人擁有與人類相媲美的運動技能。不過，研究人員指出我們仍需要使用IMU慣性感測器和內置在機器人上的自主平衡控制器：「我們研製的BFI控制器並不是要取代雙足機器人上現有的自主平衡控制器。我們的目的是研究看根據機器人平衡的狀態信息，人類作為（機器人的）神經反射控制器和遙操作者而言，能夠在多大程度上幫助機器人實現平衡。現在仍然不清楚人類操作者能夠在多大程度上把機器人的運動和他（操作者）的運動技能同步起來。不過，我們知道的是人類有非常強的適應能力；所以我們希望看到遙操作有新的發展，通過給操作者提供機器人與環境互動信息。這個項目的長期目標是將人類的靈活性和適應性同機器人的自主控制結合起來，吸取兩者的長處。」

圖3：用於實現無約束操作的6自由度模塊化並聯機構， 3個電機執行器可以（冗餘的）在人體的橫向平面（垂直於人的站立方向）上施加作用力。

下一階段的任務是去掉現有系統對操作人員臀部運動的約束，將現有的BFI介面/界面擴展到6維【譯者：3平動自由度加3轉動自由度】，如圖3所示。同時，機器人的上肢也將被用於控制平衡，比如通過施加慣性力來幫助機器人肢體應對外界干擾；或者在所有平衡控制策略失效的時候，讓機器人四肢著地，此時機器人變成四足模式。一個很顯而易見的方向是將獵豹機器人和HERMES混合起來研發一種四足跑步機器人，同時它又能夠以後足站立起來實現平衡或者其他操作，如圖4所示。這將是一件十分酷炫的事！

譯者：人類演化中的關鍵節點是直立行走和使用工具，如果機器人也能夠完成這兩種任務，是不是離人類更近了一步？ 不過這兩者對於機器人來講都是非常難的問題，看看DRC機器人挑戰賽的視頻就知道了。另外，在機器人的研究中，操作（manipulation）和運動（locomotion）是一對對偶（duality）問題，他們之間有很多的共通點。

圖4：該系統的未來發展方向，機器人可以工作在四足模式下或者操作模式下（依靠後足站立，前足作為手臂使用工具）。

來自MIT的 Joao Ramos, Albert Wang 和 Sangbae Kim教授將在智能機器人會議IROS-2015（在德國召開）展示他們的論文：「A Balance Feedback Human Machine Interface for Humanoid Teleoperation in Dynamic Tasks」 （一種適用於仿人機器人在動態任務下的遙操作平衡反饋人機界面）。

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