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麻省理工新研究:機器人挑戰雜技,神似站立“機器狗”

2021-06-11 由【】發表於 科技

智東西(公眾號:zhidxcom)

編譯 | 楊暢

編輯 | 李水青

智東西6月10日消息,據美國科技媒體IEEE Spectrum報道,近日,麻省理工Sangbae Kim實驗室的研究人員最新設計瞭一款名為MIT Humanoid的人形機器人,這種機器人形似迷你獵豹(Mini Cheetah)四足機器人的直立版本,可以完成類似跑酷中的後空翻、180度跳躍等雜技動作。

值得期待的是,MIT Humanoid將於今年7月在Humanoids 2020會議上展出。

一、機器人動態研究最新方向:雜技運動

長期以來,雙足行走機器人能夠實現在平面行走不跌倒,偶爾能實現攀爬樓梯或者翻越障礙已經算非常棒瞭。不過目前機器人的設計基本上已經跨過瞭這個階段。現在可以預計,至少在完成一些動態任務上,雙足機器人的實際性能已經接近人類或者超過人類實際情況,這多虧瞭像美國敏捷機器人公司(Agility Robotics)和波士頓動力(Boston Dynamics)這類機器人研發公司中眾多人才所做的貢獻。

下一步機器人動態技術研究方向可能就是——如何設計機器人,使其可以能夠完成突破人類表演極限的任務,比如讓機器人去表演雜技。世界頂尖雙足人形機器人研究所IHMC一直開發的名為Nadia的人形機器人,就很像麻省理工Sangbae Kim實驗室的研究人員正在進行的新款雜技機器人的研究設計。

機器人Nadia

麻省理工Sangbae Kim實驗室研發致力於研發足式機器人,帶來瞭很多具有劃時代意義的機器人設計,例如四足獵豹機器人和仿人機器人HERMES等。在韓國的Naver實驗室資助和支持下,他們一直在完善迷你獵豹這款機器人,讓機器人完成一些動態動作,比如步態探索和一些低調的四足雜技。

迷你獵豹機器人

二、神似直立“機器狗”,腿部性能大改進

來自Sangbae Kim實驗室的馬修·奇尼奧利(Matthew Chignoli)、金東賢(Donghyun Kim)、伊利亞·斯坦格-瓊斯(Elijah Stanger-Jones)和金相培(Sangbae Kim)最近在arXiv上發表瞭一篇論文,描述瞭一種新款人形機器人設計。

先來看一下,脫離模擬測試後,雜技機器人MIT Humanoid的硬件情況。奇尼奧利說,這款機器人的外觀非常具有欺騙性,有點像迷你獵豹機器人的直立版。雖然MIT Humanoid的軀幹和手臂非常接近迷你獵豹機器人,不過它的腿部是全新設計,采用瞭重新設計的執行器,具有更高的功率和更好的扭矩密度。

奇尼奧利表示:“機器人腿部設計的主要重點是實現人類在步行和跑步時進行的平穩但動態的‘從腳跟到腳趾’動作,與此同時也要保持機器人的低慣性,以實現與地面接觸時的平穩互動。動態踝關節動作在人形機器人中還很少見。希望可以開發出健壯、低慣性、有力量的機械腿,更好的模仿人類腿部動作。”

MIT Humanoid執行從0.4米的平臺上進行後空翻的動作

奇尼奧利談到:“設計策略很重要,因為目前人形機器人領域有兩大主導方向,分別是液壓驅動機器人和帶有串聯彈性制動器機器人。隨著我們不斷改進本體感知執行器的性能,正如我們在這項工作中所做的一樣,我們的目標是證明我們這種高扭矩密度、高帶寬力控制和緩沖沖擊能力的獨特組合對於任何足式機器人(包括人形機器人)實現高度動態運動是最佳的。”

MIT Humanoid執行180°旋轉跳躍(上)和站立前空翻(下)動作

三、從模擬到現實,存在不確定性

“這隻是在模擬,你可以在模擬中得到任何東西”這樣的評論很正常。但是麻省理工方面盡可能的投入瞭大量工作來實現準確模擬。特別是,他們對機器人執行動態運動時所受到的詳細的物理約束情況進行建模,允許規劃人員考慮這些約束,並(希望)實現與模擬一樣精確匹配的運動。

“當談到機器人的物理能力時,我們在模擬中展示的任何東西都應該在機器人上可行。”奇尼奧利說。“在我們的模擬中,建有機器人執行器和電池的詳細模型,並且這些模型已經通過瞭實驗驗證,雖然這種詳細模型並不經常在機器人動態模擬中出現。”但是模擬終究還是模擬,無論建模多棒,轉換到實際都很棘手,尤其是在完成高度動態的運動時。

“盡管我們相信我們的模擬器能夠以高保真度精確模擬我們機器人的物理能力,但是當我們計劃把預期要實現的雜技動作部署到硬件上時,我們的模擬器在某些方面仍然有不確定。”奇尼奧利解釋說:“我們目前的主要困難是狀態估計,我們一直參考與無人機狀態估計相關的研究,無人機狀態估計研究中利用到瞭視覺裡程計。但是如果沒有一個組裝好的機器人來測試這些新的估計策略,就很難判斷能否實現從模擬到真實的轉移。”

四、MIT Humanoid研究真正貢獻在於設計框架

MIT Humanoid的設計已經完成,計劃在夏季制作,最終目標是實現MIT Humanoid在充滿挑戰性的地形上進行跑酷運動。人們很容易專註於機器人的整個雜技表演和跑酷角度,可以期待一些精彩視頻。

但是根據奇尼奧利的說法,這項研究的真正重要貢獻在於設計框架而不是機器人本身:“我們用小型人形機器人展示雜技動作的目的和實際的雜技表演無關,而是更多完成這些動作對於我們的硬件以及控制框架意味著什麼。就機器人能力而言,這些運動很重要,因為我們證明,至少在模擬中,我們可以使用完全不同的驅動方案(分別是本體感應式電磁電機與液壓制動器)來復制波士頓動力公司Atlas機器人的動態動作。當人們考慮如何設計下一代的動態人形機器人時,驗證本體感應器能夠保留低機械阻抗和高帶寬扭矩控制的優勢同時,達到執行此類運動所需的扭矩密度,就非常重要。此外,雜技動作展示瞭我們的‘執行感知’運動規劃器生成可行的運動規劃的能力,這些設計擴展瞭我們機器人所能完成事情的邊界。”

結語:機器人完成事情的邊界在哪裡?

此前,麻省理工Sangbae Kim實驗室就研發出迷你獵豹四足機器人,其開源技術架構帶起瞭一陣“機器狗”風潮。如今,該實驗室在人形機器人領域又進一步,有望帶來突破運動極限的機器人新架構,進而為產業帶來新的變革。

人類活動受到各種環境條件的影響,所以很多研究人員致力於設計機器人來替代人類完成在極端條件下的工作或者完成人類做不到的動作。機器人研究專傢們一次次刷新瞭大傢的想象,機器人能做的太多瞭。

來源:IEEE Spectrum