Nadia在人形機(jī)器人中如何獨(dú)樹一幟

佛羅里達(dá)州人機(jī)認(rèn)知研究所（Florida Institute for Human & Machine Cognition，IHMC）是世界上最為頂尖的研究雙足人形機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)控制的研究所之一。自2015年以來(lái)，IHMC的研究包括Boston Dynamics Atlas（DRC版）和NASA Valkyrie —— 在推動(dòng)這些平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可靠的機(jī)動(dòng)性和操縱性方面取得了重大進(jìn)展。但從根本上講，當(dāng)涉及到具有與人類相當(dāng)?shù)牧α?、速度和靈活性的類人機(jī)器人時(shí)，還沒有很多好的替代選擇。

幾年前，IHMC決定是時(shí)候從頭開始建造自己的機(jī)器人了，2019年，我們（作者，以下簡(jiǎn)稱我）看到了Nadia的一些非?？岬母拍?—— 一個(gè)人形機(jī)器人，可以在人類環(huán)境中以人類的速度執(zhí)行有用的任務(wù)。經(jīng)過(guò)了16個(gè)測(cè)試版本的實(shí)驗(yàn)，Nadia現(xiàn)在已經(jīng)成為了一個(gè)真正的機(jī)器人，它看起來(lái)已經(jīng)相當(dāng)令人印象深刻了。

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Nadia的設(shè)計(jì)本質(zhì)上是DRC Atlas和Valkyrie的下一代產(chǎn)品，它更快、更靈活、更穩(wěn)定，足以成為一個(gè)優(yōu)秀的研究平臺(tái)。它是電動(dòng)和液壓致動(dòng)器的混合：7自由度（DoF）電動(dòng)臂和3自由度電動(dòng)骨盆，以及2自由度液壓軀干和5自由度液壓腿。液壓系統(tǒng)是集成的智能執(zhí)行器。Nadia的關(guān)節(jié)被安排為最大限度地?cái)U(kuò)大運(yùn)動(dòng)范圍，這意味著它的前方有一個(gè)密集的操作空間（在真正重要的地方）以及高度靈活的腿。并且，覆蓋大部分機(jī)器人的碳纖維外殼可以與環(huán)境安全接觸。

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這一大型操縱工作區(qū)特別重要，因?yàn)樗浅?qiáng)調(diào)與Nadia的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)遙操作。并不是說(shuō)自主并不重要，但Nadia背后的概念是由IHMC在DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽決賽中的經(jīng)驗(yàn)形成的（至少部分如此）：理想情況下，機(jī)器人能夠自己管理一切，同時(shí)讓人能夠更直接地控制復(fù)雜的任務(wù)。雖然機(jī)器人完全自主并不是幻想，但事實(shí)是，在近期內(nèi)，這種方法是一種立即可行的方法，可以讓機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中可靠地做有用的事情?？偟膩?lái)說(shuō)，Nadia的目標(biāo)是在執(zhí)行城市探索和操縱任務(wù)時(shí)，盡可能接近人類的速度。如果這涉及到人類直接遠(yuǎn)程操作機(jī)器人，或稱為做事情的最佳方式，那么Nadia就是設(shè)計(jì)來(lái)處理它的。

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關(guān)于Nadia的更多細(xì)節(jié)，我們采訪了IHMC的研究科學(xué)家Robert Griffin。

Q

IEEE Spectrum：Nadia在人形機(jī)器人中是如何獨(dú)樹一幟的？

Robert Griffin：我認(rèn)為，Nadia的一大特點(diǎn)是，很多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度都非常大。Nadia與其他許多人形機(jī)器人的區(qū)別不僅僅在于運(yùn)動(dòng)范圍，還在于速度和力量。Nadia的推重比比DRC Atlas高得多，速度明顯更快，從而提高了其總體運(yùn)行速度和穩(wěn)定性。

Q

能把你和Nadia的目標(biāo)放到類人機(jī)器人領(lǐng)域嗎？

Robert Griffin：我們正在努力讓Nadia成為一個(gè)可以在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中工作的機(jī)器人，在這種環(huán)境中，你不知道它需要提前做什么。因此，我們正在嘗試構(gòu)建一個(gè)具有硬件、軟件和接口的機(jī)器人，使人機(jī)團(tuán)隊(duì)能夠進(jìn)入未知環(huán)境，探索它，繪制它，然后執(zhí)行有意義的任務(wù)，而不是有一個(gè)固定的任務(wù)序列或數(shù)量。

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Q

IHMC以幫助DRC Atlas和Valkyrie等復(fù)雜的類人機(jī)器人移動(dòng)而聞名。這些經(jīng)歷是如何融入Nadia的設(shè)計(jì)的？

Robert Griffin：你說(shuō)得對(duì)，自DRC打造以來(lái)，我們一直與NASA JSC合作，當(dāng)你看到Valkyrie行走時(shí)，它正在使用的是IHMC軟件和控制器。當(dāng)談到將這些知識(shí)應(yīng)用到Nadia身上時(shí)，我們特別關(guān)注其腿部的運(yùn)動(dòng)范圍。與許多人形平臺(tái)不同，Nadia有很好的髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)（或內(nèi)收）設(shè)置，這意味著它可以做非常寬的步態(tài)，也可以在腳重疊的地方做非常窄的步態(tài)。我們認(rèn)為，這將有助于通過(guò)調(diào)整步幅和達(dá)到具有挑戰(zhàn)性的立足點(diǎn)來(lái)提高靈活性。

除了硬件之外，我們還能夠使用我們的模擬工具和控制堆棧來(lái)真正幫助我們指定完成這些任務(wù)所需的硬件設(shè)計(jì)。目前，我們無(wú)法優(yōu)化機(jī)器人的所有關(guān)節(jié)，我們幾乎只能在腿上安裝一個(gè)液壓活塞，但我們希望未來(lái)的設(shè)計(jì)能夠更好地集成和優(yōu)化。與許多人形機(jī)器人的區(qū)別在于，我們有全腳踝驅(qū)動(dòng)。我們的方法從一開始就是用Nadia的腳完成必要的控制權(quán)，以便能夠進(jìn)行精確的腳部放置，并利用它實(shí)現(xiàn)相對(duì)快速的反應(yīng)性移動(dòng)。

Q

對(duì)于Nadia從概念到硬件的過(guò)度中，你必須做出什么妥協(xié)？

Robert Griffin：雖然機(jī)器人已經(jīng)做出了許多改進(jìn)，但仍舊不像普通人那樣靈活。我很驚訝的是，僅僅是因?yàn)橐簤很浌懿季€，我們就失去了一些機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)范圍，特別是在臀部周圍，我們想避免在機(jī)器人上懸掛大環(huán)圈的軟管。我們最終想把Nadia帶入現(xiàn)實(shí)世界，所以不希望被這些東西牽絆住。

Nadia在某些關(guān)節(jié)上不如人類快，而在某些關(guān)節(jié)則更快。我們希望在未來(lái)能使其更緊湊一些 —— 我們的重量還差了一點(diǎn)，現(xiàn)在大約是90公斤，不包括液壓泵或電池。

Q

為什么你決定關(guān)注人類如何在VR中直接控制Nadia，而不是更加強(qiáng)調(diào)自主？

Robert Griffin：當(dāng)你知道操作條件是什么，以及你想實(shí)現(xiàn)什么時(shí)，自主性就會(huì)非常非常好地發(fā)揮作用。并不是說(shuō)自動(dòng)化很容易實(shí)現(xiàn)，但它是可行的。我們已經(jīng)嘗試了一些自主規(guī)劃和操作，發(fā)現(xiàn)這有一點(diǎn)限制，因?yàn)樗鼪]有充分利用我們平臺(tái)的全部功能。因此，我們正在努力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的自動(dòng)化，比如足跡規(guī)劃和抓取規(guī)劃，這些都可以很好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但我們還需要與新環(huán)境交互的能力，這就是為什么我們正致力于開發(fā)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)等界面與人類合作的方法。人類的認(rèn)知能力與機(jī)器人的操作能力相結(jié)合，我們相信你會(huì)獲得大量的多功能性。

Q

在VR中控制Nadia有多大區(qū)別，硬件具有人性化的靈活性和人性化的工作空間？

Robert Griffin：對(duì)于操縱來(lái)說(shuō)，它是巨大的。我們不希望用戶操作機(jī)器人，因?yàn)闄C(jī)器人的限制而感覺自己的能力受到限制。我們?cè)贜adia上所能做的很多操作是在其他平臺(tái)上都做不到的。

當(dāng)然，這存在著一些權(quán)衡 —— 手臂的設(shè)計(jì)更注重速度，而不是力量，這會(huì)有一點(diǎn)限制，但我們希望能長(zhǎng)期改進(jìn)。我認(rèn)為，設(shè)計(jì)機(jī)器人，特別是控制系統(tǒng)和軟件架構(gòu)時(shí)，考慮到讓人來(lái)操作它，已經(jīng)開發(fā)出了很多功能，我們希望這些功能能夠讓我們快速迭代許多不同的路徑。

Q

Nadia將有哪些獨(dú)特的能力？

Robert Griffin：我們希望機(jī)器人能夠獨(dú)特地進(jìn)行多觸點(diǎn)移動(dòng)，這是我們真正希望能夠發(fā)展的方向。但我并不想說(shuō)它會(huì)比其他機(jī)器人更好，因?yàn)槲也恢牢磥?lái)其他機(jī)器人能做些什么。

Q

您是否希望Nadia在未來(lái)某個(gè)時(shí)候能夠完成一些實(shí)際任務(wù)？

Robert Griffin：像災(zāi)難響應(yīng)、核修復(fù)、炸彈處理這些任務(wù)現(xiàn)在大部分都是由人來(lái)完成的，因?yàn)槲覀儧]有真正能夠勝任這些任務(wù)的機(jī)器人，盡管機(jī)器人專家已經(jīng)花了大量時(shí)間在這方面。我認(rèn)為，通過(guò)與優(yōu)秀的機(jī)器人工程技術(shù)、令人難以置信的操作界面和人類認(rèn)知能力的合作，這些任務(wù)未來(lái)將由機(jī)器人來(lái)完成。

盡管Nadia是一個(gè)全新的機(jī)器人，但I(xiàn)HMC已經(jīng)計(jì)劃了對(duì)其進(jìn)行一系列升級(jí)，最明顯的是在Nadia的軀干上放置電池和定制液壓泵，另外還包括更高扭矩的手臂和更輕、更流線型的腿。與此同時(shí)，為了讓Nadia充分發(fā)揮其潛力，軟件部分也還有很多工作要做?！　?/p>