双腿机器人在运行和跳跃时模仿人性平衡[视频]

joao ramos（中心），爱马仕（左）的共同发明人，小爱马仕（右）。

从燃烧的建筑物，化学泄漏或人类响应者无法访问的任何灾难中拯救受害者可以有一天可以成为弹性，适应性机器人的使命。例如，想象一下，救援机器人可以通过所有四个通过瓦砾绑定，然后在两条腿上上升，以推开沉重的障碍物或突破锁定的门。

工程师正在进行四条腿机器人的设计和运行能力，跳跃甚至反过来的设计。但是得到双腿，人形机器人施加力量或推动某些东西而没有下降一直是一个重要的绊脚石。

现在，MIT和伊利诺伊大学的工程师在Urbana-Champaign开发了一种控制双腿漫步机器人的平衡的方法 - 使人形能够在挑战环境中开展高影响任务的重要步骤。

球队的机器人，物理上类似机加工的躯干和两条腿，由穿着背心的人类操作员远程控制，该背心将关于人类运动和地面反作用力的信息传递给机器人。

通过背心，人类运营商可以直接引导机器人的运动并感受机器人的动作。如果机器人开始提示，则人们感觉到背心上的相应拉动，并且可以以一种方式调整，以便同步地重新平衡机器人。

在使用机器人测试这种新的“平衡反馈”方法的实验中，研究人员能够远程维护机器人的平衡，因为它与其人工操作员同步地走进来。

“这就像用沉重的背包跑步一样 - 你可以感受到背包的动态如何在你身边移动，你可以妥善赔偿，”Joao Ramos说，作为麻省理工学院的博士后的方法。“现在，如果你想打开一个沉重的门，人类可以命令机器人把身体扔在门口并推动它打开，而不会失去平衡。”

RAMOS是伊利诺伊州伊利诺伊大学伊利诺伊大学助理教授，详细介绍了今天在科学机器人中出现的研究的方法。他的共同作者在该研究中是MIT机械工程副教授的Sangbae Kim。

超过运动

以前，金和拉莫斯建立了双腿机器人爱马仕（用于高效的机器人机构和机电系统），并开发了一种通过漫游化模仿操作者的运动的方法，这是研究人员所说的若干人文优势的方法。

“因为你有一个可以在飞行中学习和调整的人，机器人可以执行它在[通过远程操作]之前从未实施过的动作，”拉莫斯说。

在示威中，爱马仕将咖啡倒入杯中，挥舞着斧头砍木头，并处理灭火器放火。

所有这些任务都涉及机器人的上半身和算法，以将机器人的肢体定位与其操作员的上半身定位相匹配。 Hermes能够进行高冲击动作，因为机器人根本到位。在这些情况下，平衡更简单，以维持。然而，如果机器人被要求采取任何步骤，则可能倾向于模仿操作员的动作。

“我们意识到以产生高力或移动重物，只是复制动作是不够的，因为机器人会很容易地崩溃，”金说。“我们需要复制操作员的动态余额。”

进入小爱马仕，一个普通人成年人大约三分之一的美斯的微型版本。该团队设计了机器人，只需躯干和两条腿，并专门设计系统，专门用于测试低于身体任务，例如运动和平衡。与其全身体对应物一样，小爱马仕专为漫步而设计，操作员适合在背心中控制机器人的动作。

对于机器人来复制运营商的平衡而不是他们的动议，必须首先找到一个简单的方式来代表余额。拉莫斯最终意识到，可以将平衡剥离到两种主要成分：一个人的质量中心及其压力中心 - 基本上，地面上的一个点，其中相当于所有支撑力的力。

发现与压力中心相关的群心的位置，Ramos发现，直接涉及一个人在任何给定时间的平衡。他还发现，这两种成分的位置可以物理地代表为倒置钟摆。想象一下，扎根于同一点，从一边到一侧摇曳。效果类似于颠倒摆锤的摇曳，顶端代表人类的质心（通常在躯干中）和底部表示其在地面上的压力中心。

沉重的举重

为了定义质量中心如何与压力中心相关，拉莫斯聚集了人类运动数据，包括实验室的测量，他来回摇摆，走进去，跳过一个力板，测量他施加在地面上的力量作为他的脚和躯干的位置被记录出来。然后，他将该数据缩小为质量中心和压力中心的测量，并开发了一种模型，以与另一个相对于另一个相对于另一个。

然后，他开发了第二种模型，类似于人类平衡的模型，但缩放到较小，更轻的机器人的尺寸，并且他开发了一种控制算法来链接和启用两种模型之间的反馈。

研究人员测试了这一平衡反馈模型，首先是在实验室内建造的简单倒立摆，以梁的形式大致与小爱马仕相同的高度。它们将光束连接到他们的漫步系统，并且响应于操作员的运动，沿着轨道来回摇摆。当操作员摇曳到一侧时，光束同样地形成 - 操作者也可以通过背心感受的运动。如果光束摇曳太远，则操作员感觉拉动可以倾向于补偿，并保持光束平衡。

实验表明，新的反馈模型可以在梁上保持平衡，因此研究人员然后在小爱马仕上尝试了模型。他们还开发了一种机器人的算法，可以自动将简单的平衡模型转换为其脚部必须产生的力量，以复制操作员的脚。

在实验室里，拉莫斯发现，当他穿背心时，他不仅可以控制机器人的动议和平衡，而且他也可以感受到机器人的动作。当机器人用锤子从各个方向撞击时，拉莫斯在机器人移动的方向上觉得背心挺举。拉莫斯本能地抵制了拖船，该机器人注册为与压力中心相关的质量中心的微妙转变，其反过来模仿。结果是机器人能够保持倾翻，即使在重复吹到其身体中也是如此。

小爱马仕还模仿拉莫斯在其他练习中，包括跑步和跳跃到位，并且在不平坦的地面上行走，同时保持其平衡而无需采取效力或支持。

“平衡反馈是一件难以定义的，因为它是我们没有思考的事情，”金说。“这是第一个为动态动作正确定义了第一次余额反馈。这将改变我们如何控制远程动物的人形。“

Kim和Ramos将继续在开发一个具有类似平衡控制的全身人形，一天能够通过灾区疾驰，并以推开障碍作为救援或救赎任务的一部分。

“现在我们可以做重门打开或抬起或抛出重物，具有适当的平衡通信，”金说。

读取双腿机器人模仿人类运营商，以力反馈外骨骼套装，了解有关本发明的更多信息。

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参考：Joao Ramos和Sangbae Kim撰写的“双足机器人和人类操作员通过双边反馈远程操作实现的动态运动同步”，科学机器人，2019年10月30日，DOI：
10.1126 / scirobotics.aav4282

这项研究部分得到支持，部分由Hon Hai Precision Industry Co. Ltd.和Naver Labs Corporation。