迪士尼Imagineering能把Groot機(jī)器人帶進(jìn)現(xiàn)實(shí)嗎

Kiwi項(xiàng)目是一個(gè)定制的兩足人類(lèi)機(jī)器人，旨在將幻想人物帶入生活。

從我（作者，以下簡(jiǎn)稱(chēng)我）所看到的仿人機(jī)器人學(xué)來(lái)看，在研究領(lǐng)域的人們傳統(tǒng)上稱(chēng)之為機(jī)器人學(xué)和動(dòng)畫(huà)電子技術(shù)之間存在著相當(dāng)大的分歧，后者更傾向于角色驅(qū)動(dòng)。

I’m Grrrrot！

迪士尼秘密研究多年機(jī)器人技術(shù)，即將用于漫威影史最萌角色小格魯特 （baby groot） 身上。

在Walt Disney Imagineering內(nèi)部開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)主題樂(lè)園景點(diǎn)的幻想工程研發(fā)部門(mén)（Imagineering 這個(gè)詞是由 Imagine （幻想） 和 Engineering （工程） 合而生成，所以這個(gè)部門(mén)可以被譯為幻想工程部。），當(dāng)中負(fù)責(zé)研發(fā)小型機(jī)器人的Kiwi項(xiàng)目，歷經(jīng)三年多不斷地測(cè)試后，近日便帶來(lái)了最新可自行移動(dòng)、發(fā)揮功能的Groot （格魯特）機(jī)器人。

該團(tuán)隊(duì)選擇從最接近漫畫(huà)角色人物的擬人機(jī)器人著手研究，因?yàn)樗麄兠靼撞煌瑘?chǎng)景下的應(yīng)用潛力并非他們所追求的，如何讓機(jī)器做到像人一樣真實(shí)自如才是最終目標(biāo)。

從單條腿起步，模仿人類(lèi)的行走時(shí)的動(dòng)作屈伸；很快就實(shí)現(xiàn)了雙腿行走和小跑，這時(shí)的動(dòng)作，已經(jīng)很接近人類(lèi)活動(dòng)時(shí)的樣子，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，在保持身姿平衡的同時(shí)，姿態(tài)更接近于人。

Kiwi項(xiàng)目計(jì)劃打造一種無(wú)系帶的兩足類(lèi)人機(jī)器人，迪士尼想象工程公司設(shè)計(jì)的這種機(jī)器人不僅能行走而不摔倒，還可通過(guò)真實(shí)方式將較小的角色變成現(xiàn)實(shí)。Kiwi大約有0.75米高，比NAO大一點(diǎn)，比iCub小一點(diǎn)，而且它幾乎完全自給自足，你在視頻中看到的繩索是用來(lái)控制而不是用來(lái)發(fā)電的。

Kiwi的續(xù)航操作時(shí)間有45分鐘，這是相當(dāng)令人印象深刻的。考慮到它的大小和實(shí)際設(shè)定，它還囊括了驚人的50個(gè)自由度，這對(duì)于逼真的運(yùn)動(dòng)要求來(lái)說(shuō)非常棒。

這個(gè)版本的機(jī)器人只是一個(gè)原型，聽(tīng)起來(lái)在硬件優(yōu)化方面還有很多工作要做，以提高效率，增加感知和交互性。最令人驚訝的是，這不是一個(gè)舞臺(tái)機(jī)器人：迪士尼確實(shí)計(jì)劃有一些未來(lái)版本的Kiwi在周?chē)问?，并直接與公園的客人互動(dòng) —— 我相信你可以想象的出這是怎么回事。

在這個(gè)層次上的互動(dòng)，可能包含了巨大的風(fēng)險(xiǎn)，小孩子與機(jī)器人在處理“擁抱”時(shí)，這對(duì)機(jī)器人的要求非常復(fù)雜。這也是環(huán)球影城（Universal Studios）決定嘗試蒸汽朋克（Steampunk）地點(diǎn)時(shí)，他們需要建造自己的機(jī)器人的原因之一，例如，他們必須在它和任何潛在擁抱之間加上一道柵欄和一排盆栽植物，因?yàn)镾pot并不是一個(gè)擁抱安全的機(jī)器人。

那么，如何從零開(kāi)始設(shè)計(jì)一個(gè)具有個(gè)性和安全人機(jī)交互的仿人機(jī)器人的呢？我們請(qǐng)Kiwi項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Scott LaValley解釋了他們是如何成功的。

IEEE Spectrum：迪斯尼的用例中有哪些約束意味著你必須從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)自己的平臺(tái)？

Scott LaValley：首先，我們必須考慮外形包裝的限制。我們的機(jī)器人一直被設(shè)計(jì)成一個(gè)兩足角色平臺(tái)，能夠扮演各種小角色。雖然我們有時(shí)可以在藝術(shù)上自由發(fā)揮，但在大多數(shù)情況下，機(jī)電設(shè)計(jì)必須符合最小的角色輪廓，以使機(jī)器人能夠完全以外殼、皮膚和服裝為主題。在確定項(xiàng)目的范圍時(shí)，與我們的尺寸約束匹配的高性能兩足動(dòng)物并不存在。

同樣重要的是動(dòng)作的風(fēng)格和個(gè)性，或“運(yùn)動(dòng)的情感”的能力。要真正捕捉到一個(gè)特定的角色表現(xiàn)，一個(gè)機(jī)器人平臺(tái)必須能夠從快速的運(yùn)動(dòng)表達(dá)和緩慢又微妙的范圍中切換。在我們的例子中，這需要開(kāi)發(fā)定制的高速執(zhí)行器，具有必要的扭矩密度，以便封裝到機(jī)械結(jié)構(gòu)中。每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)還配備了一個(gè)機(jī)械離合器和內(nèi)聯(lián)扭矩傳感器，以支持低剛度控制，以適應(yīng)相互作用和減少振動(dòng)。

設(shè)計(jì)定制的硬件還允許我們加入在仿人機(jī)器人中不常見(jiàn)的額外關(guān)節(jié)。例如，僅鎖骨和肩部就有五個(gè)自由度，以支持聳肩功能和擴(kuò)展的配置空間，使手勢(shì)更自然。我們還能夠集成板載計(jì)算來(lái)支持交互行為。

為了確保你的機(jī)器人不僅具有功能性，而且能夠成為一個(gè)富有表現(xiàn)力的角色，需要做出哪些妥協(xié)？

如前所述，我們面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，包裝和組件的選擇 —— 小尺寸和字符配置文件。這導(dǎo)致在設(shè)計(jì)方面做出了一些妥協(xié)。例如，我們目前依賴(lài)于剛性-柔性電路板將電子元件安裝到零件的可用表面積上，而無(wú)需額外的電纜或連接器。

不幸的是，這些電路板比標(biāo)準(zhǔn)的剛性電路板更難設(shè)計(jì)和制造，增加了復(fù)雜性、成本和制造時(shí)間。我們也可以考慮增加臀部和膝蓋驅(qū)動(dòng)器的大小，如果他們不再需要適合主題服裝的話。

設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的步行機(jī)器人本身就是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)，但為每一個(gè)動(dòng)作添加風(fēng)格和個(gè)性是一個(gè)新的復(fù)雜性層次。從軟件的角度來(lái)看，我們花了大量的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和動(dòng)畫(huà)工具，使動(dòng)畫(huà)師能夠?yàn)槲锢斫巧珓?chuàng)作風(fēng)格化的步態(tài)、手勢(shì)和表情。不幸的是，與屏幕上的角色不同，我們沒(méi)有選擇改變物理定律，必須通過(guò)模擬來(lái)驗(yàn)證每個(gè)動(dòng)作。

因此，我們目前僅限于在平坦的地面上行走和跳舞，但我們希望將來(lái)能跳過(guò)樓梯！

當(dāng)然，總有更多的事情可以做，以更好地匹配性能，我們對(duì)我們正在開(kāi)發(fā)的一些產(chǎn)品感到興奮，包括下一代的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器的改良。

你要如何讓這個(gè)機(jī)器人安全地處于游客身邊？

首先我要強(qiáng)調(diào)的是，我們非常重視安全問(wèn)題，這是任何迪士尼體驗(yàn)中最重要的部分。在后期，我們確實(shí)打算允許機(jī)器人與所有年齡段的游客進(jìn)行互動(dòng)，但這需要一個(gè)過(guò)程才能逐步實(shí)現(xiàn)。正確的安全評(píng)估是任何研發(fā)項(xiàng)目產(chǎn)品化的重要組成部分，我們計(jì)劃與我們的設(shè)計(jì)師、演職人員和游客一起進(jìn)行游戲測(cè)試。他們的反饋將有助于確定機(jī)器人角色的體驗(yàn)在實(shí)施后會(huì)是什么樣子。

從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，我們認(rèn)為小角色是最安全的兩足動(dòng)物類(lèi)型，因?yàn)樗鼈冎亓枯p，重心低。我們還采用了柔順控制策略，以確保機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是扭矩限制和后驅(qū)動(dòng)。感知和行為設(shè)計(jì)也可能發(fā)揮關(guān)鍵作用，但最終，隨著技術(shù)的發(fā)展，我們將依靠適當(dāng)?shù)谋硌菰O(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)安全水平的互動(dòng)。

你認(rèn)為其他從事腿部系統(tǒng)研究的機(jī)器人專(zhuān)家可以從“Kiwi項(xiàng)目”中學(xué)到什么？

我們經(jīng)常受到其他機(jī)器人學(xué)家的啟發(fā)，他們自己也在研究腿部系統(tǒng)，但我們很樂(lè)意分享一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。記住，機(jī)器人技術(shù)基本上是跨學(xué)科的，一個(gè)好的團(tuán)隊(duì)通常由硬件和軟件工程師緊密協(xié)作組成。然而，在我們的經(jīng)驗(yàn)中，藝術(shù)家和動(dòng)畫(huà)師在給生活帶來(lái)新的視覺(jué)方面扮演著同樣重要的角色。

我們經(jīng)常從角色動(dòng)畫(huà)和游戲開(kāi)發(fā)領(lǐng)域引入想法，雖然機(jī)器人角色比虛擬角色受到的約束要大得多，但我們正在解決許多相同的問(wèn)題。另一個(gè)技巧是在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期利用運(yùn)動(dòng)研究（通過(guò)動(dòng)畫(huà)、運(yùn)動(dòng)捕捉和/或仿真工具），為任何新機(jī)器人生成性能驅(qū)動(dòng)的需求。

編輯：jq